喀斯特地區無籽刺梨種植基地土壤重金屬風險評價

張澤東， 李朝嬋， 黃先飛， 胡繼偉， 范明毅， 李婕羚， 吳先亮

(1.貴州師范大學喀斯特研究院，貴州貴陽 550001； 2.貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態保護重點實驗室，貴州貴陽 550001)

無籽刺梨(RosasterilisS. D. Shi)別稱金刺梨，屬薔薇科薔薇屬多年生攀緣類果樹，為貴州省特有種，集中分布于貴陽市、安順市、黔西南、黔南州等地區[1]。無籽刺梨在貴州喀斯特地區瘠薄的土壤條件下能很好地生長，其特有的生態適應性，抗旱、耐瘠、淺根系，是貴州喀斯特地區植被恢復的重要樹種。無籽刺梨單株產量高，富含糖、維生素、氨基酸等，且還含有10余種對人體有益的微量元素[2]，市場前景廣闊，在貴州各地被廣泛引種栽種。隨著人們生活質量的不斷提高，人們對綠色無公害有機產品的需求也不斷增大，有機農業種植已經成為人類獲取安全食品和農民增產增收的主要種植方式[3]。近年來，人們不斷地追求農產品的產值大量施用化肥農藥以及開采礦山，土壤重金屬污染問題日益嚴重[4-5]。一旦重金屬的含量超標，會危及到農產品的品質、產量，并通過食物鏈的富集和生物的放大作用對生態環境和人體健康帶來極大的危害[6-7]。重金屬是一種難于控制的污染物，具有強毒性，長期潛伏，能不斷在食物鏈中富集等特點[8-10]，重金屬污染很難被生物降解或通過土壤自凈，所以土壤遭受重金屬污染很難恢復[11]，如何有效減輕和修復重金屬污染，緩解其對人體、生物和生態環境的危害是當今環境問題的難題之一[12]。喀斯特地區地貌類型復雜、山高坡陡、土層瘠薄而不連續，生態環境脆弱，土地承載負荷大，污染不易被修復[3]，加大了該地區土壤重金屬的治理難度。目前，喀斯特地區土壤研究主要集中于喀斯特坡地石漠化治理以及水分變異規律[13-14]、土地利用方式的研究[15-16]、土壤重金屬評價[17]、土壤肥力評價[18]、土壤有效養分[19]以及土壤酶與養分關系等[20-21]，對無籽刺梨種植基地土壤重金屬含量的分析及風險評價研究較少。

本研究以貴州省10個無籽刺梨種植基地為對象，選取銅(Cu)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)等5種重金屬元素，通過單因子污染指數法、內梅羅綜合指數法、Hakanson潛在生態危害指數法對基地土壤重金屬污染進行綜合評價，研究5種重金屬在各種植基地土壤的污染狀況及潛在生態風險，為基地土壤研究提供必要的數據支持與參考依據，對促進貴州喀斯特地區無籽刺梨基地土壤治理具有一定指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省黔西南州、貴陽市和安順市，經緯度位置分別為25°05′～26°29′N、104°53′～105°29′E；26°48′～27°22′N、106°45′～107°17′E；25°21′～26°38′N、105°13′～106°34′E；平均海拔分別為1 430、1 165、1 398 m；年均溫度分別為15.2、12.9、14.1 ℃；年降雨量分別為1 178、1 258、1 360 mm。氣候類型為亞熱帶高原季風濕潤性氣候，在濕潤氣候的影響下，碳酸鹽巖發育，土壤類型為亞熱帶常綠闊葉林紅、黃壤。研究區位于全球著名的喀斯特發育地帶，是一個典型的喀斯特地貌區，該區屬于國家科技部劃定的石漠化工程治理區域，近年來在石漠化的修復過程中，無籽刺梨的生態價值和經濟價值得到發掘。共10個基地分別為1號：禾豐鄉(HF)，2號：回龍鎮(HL)，3號：雨樟鎮(YZ)，4號：石廠鄉(SC)，5號：寧谷鎮(NG)，6號：雞場鄉(JC)，7號：龍宮鎮(LG)，8號：七眼橋鎮(QYQ)，9號：雙堡鎮(SP)，10號：夏云鎮(XY)。采樣點地理位置見圖1。

1.2 樣品采集

于2015年10月選定貴州省喀斯特地區10個無籽刺梨栽培基地，覆蓋貴陽市、黔西南州、安順市3個市(州)。基于各基地種植面積大小與地理概況，采用分層隨機抽樣布點法確定采樣點數并編號，每個基地分別隨機采取5～10個土樣，采樣深度為0～30 cm，混合均勻后按四分法各取1 kg帶回實驗室自然風干，室內除石粒、植物根，研磨，過100目篩，供測試分析用。

1.3 測定方法

土壤Pb、Cu、Cd含量的測定，采用全消解方法進行處理[22]；Hg和As的測定采用王水消解[23]；土壤pH值的測定用水位浸提電位法，水土比為5 ∶1，測定參考GB 1121—2006《土壤檢測》；Pb、Cd、Cu含量用德國耶拿ZEEnit700P型石墨爐與火焰原子吸收光譜儀測定(YY3橫向加熱石墨管)；As和Hg含量采用AF933型原子熒光光譜儀測定(北京吉天)。土壤試樣的測定結果均以干質量計。

1.4 質量控制

樣品的處理及測試過程中可能帶入雜質，為保證測量的精密度，樣品測定時均做空白試驗和3組平行試驗。分析過程中所用容器均在5%硝酸中浸泡48 h以上，用去離子水沖洗后烘干。測定結果的相對標準偏差均保證小于10%，滿足定量測定的要求。

1.5 數據處理

采用ArcGIS軟件制作無籽刺梨基地土壤位置分布圖，采用Excel、SPSS 19.0軟件對試驗數據進行處理和潛在生態風險分析等。

1.6 重金屬污染評價方法

1.6.1 單因子評價 采用單因子指數法對土壤進行單一元素污染評價[24]，公式為

Pi=Ci/C0。

(1)

式中：Pi為單向污染指數；Ci為污染物實測平均含量(mg/kg)；C0為起始值；i代表某種污物。貴州省土壤元素平均背景值見表1。污染等級劃分按丁桑嵐所劃的4個等級[25]：Ⅰ未污染，實測值<背景值(Pi<1)；Ⅱ輕度污染級，1倍污染起始值≤實測值<2倍污染起始值(1≤Pi<2)；Ⅲ中度污染級，2倍污染起始值≤實測值<3倍污染起始值(2≤Pi<3)；Ⅳ重度污染級，實測值≥3倍污染起始值(Pi≥3)。

表1 貴州省土壤重金屬平均背景值及其毒性系數

注：毒性系數源于文獻[26]。

1.6.2 尼梅羅綜合污染指數 采用尼梅羅(N. L. Nemerow)綜合污染指數法全面反映污染物對土壤的作用(表2)，突出高濃度污染物對環境質量的影響，公式為

(2)

式中：P為尼梅羅綜合指數；Pave為土壤中所有污染物單因子指數平均值；Pmax為土壤中所有污染物單因子指數最大值。

表2 土壤污染分級標準

1.6.3 潛在生態風險評價 采用Hakanson潛在生態危害指數法劃分出潛在生態危害的程度[26]。該指數反映特定環境中每種污染物產生的影響，也反映了多種污染物之間的綜合影響。污染土壤中污染物的潛在風險參數和潛在生態危害指數法按下式可表示為：

Fi=Ci/Ce；

(3)

Ei=Ti×Fi；

(4)

(5)

式中：Fi為污染因子(mg/kg)；Ce為某污染物參比值(mg/kg)；Ei為單個重金屬潛在生態風險指數，Ei<40為低度潛在生態風險，40≤Ei<80為中度潛在生態風險，80≤Ei<160為較重潛在生態風險，160≤Ei<320為重度潛在生態風險，Ei≥320為嚴重潛在生態風險；Ti為單個污染物毒性響應參數，Cd、As、Cu、Hg和Pb的毒性系數見表1；RI為多種重金屬潛在生態危害指數，RI<150為低度潛在生態風險，150≤RI<300為中度潛在生態風險，300≤RI<600為重度潛在生態風險，RI≥600為嚴重潛在生態風險。本研究中采用貴州省土壤元素平均背景值為參比值。

2 結果與分析

2.1 無籽刺梨基地土壤重金屬的含量與分布

貴州省10個無籽刺梨基地土壤Cu、As、Pb、Cd、Hg含量及其變異系數見表3。結果表明，基地Cu、Cd、Hg平均含量均超過貴州省土壤背景值，SC、XY基地Pb平均含量超過貴州省土壤背景值，所有基地As平均含量低于貴州省土壤背景值。與《國家環境質量標準》[27]二級標準相比，所有基地土壤As和Pb平均含量均未超標，但基地土壤Cu、Cd、Hg超標率分別達50%、100%、60%。

表3 貴州省不同基地無籽刺梨種植土壤重金屬含量比較

從各基地土壤重金屬的空間變異程度分析，各基地土壤的變異系數差別很大，其中，整體以Hg的變異系數較大，如NG土壤基地Hg的變異系數為1.32%，表明基地土壤中重金屬的空間分布有一定差異，各基地重金屬含量的最高值與最低值之比均大于2倍以上，這可能與受外界的干擾活動有關。通過基地土壤pH值和重金屬含量頻次分布圖，用Shapiro-Wilk法對數據進行正態檢驗，得出pH值、As含量屬于正態分布，Cu、Pb、Cd和Hg含量屬于偏正態分布(圖2)。

2.2 重金屬污染評價

2.2.1 喀斯特地區無籽刺梨種植基地土壤重金屬污染綜合評價與單因子評價 土壤重金屬污染是眾多指標綜合作用產生的結果，在氣候條件和生產技術水平相同的地理區域，往往受成土母質、人類活動影響[27]，喀斯特地區表現尤為明顯。因此，選取Cu、As、Pb、Cd、Hg含量和pH值6個指標對喀斯特地區10個無籽刺梨種植基地土壤重金屬污染進行定量化綜合評價。從表4可以看出，喀斯特地區無籽刺梨種植基地土壤重金屬綜合污染指數變幅在7.38～68.42。綜合污染指數大于3，均為重度污染級。

2.2.1.1 單一元素的影響 除HF刺梨基地土壤Cd輕度污染外，其他基地Cd為重度污染；As在所有刺梨基地土壤中均未受污染；Cu在HF、SC、JC、SP、XY基地為輕度污染，在HL、LG基地為中度污染，在YZ、QYQ基地為重度污染；Pb在XY、SC基地土壤中為輕度污染，其他基地土壤均無污染；Hg在HF、YZ、SC、JC、LG、XY基地為重度污染，在HL、NG、QYQ、SP基地為輕度污染。

表4 貴州省無籽刺梨種植不同基地土壤重金屬的污染評價指數

注：輕表示輕度污染；中表示中度污染；重表示重度污染；未表示未污染。

2.2.1.2 單一基地的影響 不同重金屬元素對無籽刺梨土壤的影響不同，HF基地土壤中Hg是重度污染因子，土壤受Cd、Cu輕度污染，土壤未受As、Pb污染；HL基地土壤Cd是重度污染因子，土壤受Cu中度污染和Hg輕度污染，未受As、Pb污染；YZ基地土壤Cu、Cd、Hg是重度污染因子，未受As、Pb污染；SC基地土壤Hg、Cd為重度污染因子，土壤受Cu、Pb輕度污染，未受As污染；NG基地土壤中Cd是重度污染因子，土壤受Cu中度污染和Hg輕度污染，未受As和Pb污染；JC基地土壤中Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu輕度污染，未受As、Pb污染；LG基地土壤Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu中度污染，未受As、Pb污染；QYQ刺梨基地土壤的重度污染因子是Cu和Cd，土壤受Hg輕度污染，未受As、Pb污染；SP基地土壤Cd為重度污染因子，土壤受Cu、Hg輕度污染，未受As、Pb污染；XY刺梨基地土壤Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu、Pb輕度污染，未受As污染。

2.2.2 潛在生態風險評價 從表5可以看出，10個無籽刺梨基地土壤中，除HF、NG基地重金屬為重度潛在風險，其他基地土壤為嚴重潛在風險。

表5 無籽刺梨不同基地土壤重金屬的潛在生態風險評價結果

通過潛在生態風險參數和潛在生態風險指數分析，Cd、Hg、Cu是整個研究區受到污染的元素，由于Cd、Hg毒性系數高，使無籽刺梨基地土壤潛在風險程度高，Cu的毒性系數相對小，基地土壤Cu雖然受到污染，但對風險貢獻率不大。所以，無籽刺梨基地土壤的潛在危害風險主要來自于Cd、Hg。

3 討論與結論

基于喀斯特山區無籽刺梨基地土壤重金屬含量分析研究、土壤污染定量化綜合分析、單因子與潛在風險分析，發現基地土壤中重金屬含量差異較大，不同基地的污染、風險程度不同。其中，基地土壤Cd元素全部超出GB 15618—1995《土壤環境標準》二級標準，此研究與廖銀芳等的研究結果一致，貴州省土壤Cd污染尤為嚴重，全省大部分地區遭受Cd污染[28-29]，主要與土壤的基質有關，可能與燃煤及礦產開采有關[30]。6個基地土壤Hg超過GB 15618—1995《土壤環境標準》二級標準，可能與自然原因有關，貴州省位于汞礦化帶，自然釋放的汞污染物進入大氣環境，通過大氣沉降到達土壤[31]。也與人為原因有關，由于Hg的特殊理化性質，人們對Hg的需求越來越大，而貴州省境內分布著大量的汞礦床，汞礦大量開采造成土壤污染[32]。5個基地土壤Cu超過《土壤環境標準》二級標準，這可能與土壤的成土母質、土壤施肥和含硫酸銅殺蟲劑等有關[33]。

在地質上喀斯特山區是重要的成礦富集帶，已成為我國重要的礦產產區，由于該地區生態環境脆弱[34]，碳酸鹽巖母質發育土壤中Pb、Cd、Hg、As、Cu等重金屬元素背景值通常也高于非喀斯特地區成土母質發育的土壤[35]；重金屬污染物在土壤環境中長期潛伏，很難被植物和土壤降解，它不僅影響農作物產量和生長，可能還使土壤結構和功能發生變化，對喀斯特山區影響尤為嚴重[36]。土壤污染具有隱蔽性、滯后性、累積性、不可逆轉性等特點，而喀斯特山區裂隙構造發育過程中通過大氣降水的淋溶作用，下滲到深層土壤，對深層土壤造成污染，須引起足夠重視。

貴州省10個無籽刺梨種植基地土壤Hg、Cd、Cu元素均呈現不同程度的超標現象，Pb、As含量符合無公害產地環境要求。其中，基地土壤中Hg的超標率達60%，Cu的超標率達50%，Cd的超標率達100%。

尼梅羅綜合污染指數法顯示，所有基地土壤重金屬污染為重污染級；單因子指數法評價顯示，所有的無籽刺梨基地土壤受到不同程度的重金屬污染，Cd污染較嚴重，9個種植基地土壤受到Cd的嚴重污染，6個基地土壤受到Hg的重度污染。

潛在生態風險參數顯示，大部分基地土壤Hg、Cd的潛在風險參數很高，7個基地土壤Hg、Cd的潛在生態風險處于中度潛在生態風險以上；RI顯示8個基地土壤重金屬處于嚴重潛在生態風險程度。