韶關市花崗巖地區森林土壤重金屬污染評價

余斐，葉彩紅, ，許窕孜, ，張中瑞，朱航勇，張耕，華雷，鄧鑒鋒，丁曉綱*

1. 廣東省林業科學研究院/廣東省森林培育與保護利用重點實驗室，廣東 廣州 510520；2. 華南農業大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642

花崗巖是大陸地殼的重要組成部分，主要分布在中國南方地區，總面積約為23.92萬km2。研究表明，中國南方地區存在著花崗巖侵蝕現象，受侵蝕的面積高達19.72萬km2，占花崗巖區總面積的82.44%，占紅黃壤區侵蝕總面積的28.58%（史德明，1991）。中國南方的花崗巖受自身巖性以及亞熱帶季風性濕潤氣候的影響，其表面發育著深厚的疏松風化層。此外，南方地區又是中國人口密集區域，受人類活動的影響，南方花崗巖區的生態系統表現出極不穩定性和脆弱性（謝錦升等，2004）。花崗巖地區嚴重的侵蝕會使得該地區成土母質中的重金屬迅速釋放入土壤中，而韶關被譽為“金屬之都”（田美玲等，2019），土壤母質中的重金屬含量相對較高。基于此，為提高花崗巖侵蝕地區土壤的生產力，改善其生態環境，不少學者致力于花崗巖侵蝕區的土壤治理研究，其主要方面集中在土壤理化性質、土壤重金屬污染評價以及修復治理研究（陳志彪等，2006；區曉琳等，2016；焦艷金等，2020）。

森林是陸地最大的生態系統，具有涵養水源、保持水土、凈化空氣、防止污染、調節氣候、防風固沙等多種生態功能。土壤是森林生態系統重要的組成部分，是植被生存的物質基礎，其質量好壞對森林生態環境起著重要作用。同時，土壤重金屬具有不易降解、毒性高、易富集和環境持久性強等特點（楊皓等，2016）。由于城市化進程的快速發展，在人類活動的干擾下，重金屬污染物通過大氣沉降、工業三廢排放、農用化肥使用、交通污染等多種途徑進入森林土壤，進而使得森林生態環境遭到破壞。

森林土壤重金屬研究是目前研究的熱點問題之一（葉俊等，2020），土壤重金屬的污染能直接影響到森林生態系統的結構與功能。因此，對森林土壤重金屬含量特征、污染程度、生態風險評估等研究顯得尤為迫切。有學者利用多種土壤污染評價方法對山東省9個城市功能區64個綠地土壤重金屬的污染程度和潛在生態風險進行評估，發現土壤中鎘含量嚴重超標，進而提醒了相關部門，應及時對污染地區土壤加強防治（陳為峰等，2019）。

廣東省粵北的韶關市自古以來都有巖漿活動，其中以中生代侵入活動最為頻繁，且主要發育花崗巖（駱庭川等，1986），形成了廣闊的花崗巖區。同時，韶關市是廣東省規劃建設的區域性中心城市，是全國交通樞紐城市之一，經濟發展快速。經濟的快速發展和人類的頻繁活動，導致土壤重金屬污染加劇。韶關市也正在積極開展土壤污染防治工作（中華人民共和國國務院，2016）。本研究選取韶關市花崗巖區森林土壤作為研究對象，首先分析土壤中鉻、銅、鉛、汞元素含量分布特征，并利用經典土壤污染評價方法評估土壤中各元素污染程度；其次利用相關性分析，初步探討花崗巖地區森林土壤重金屬的主要影響因素，以期為花崗巖區森林土壤重金屬含量分布特征及污染評價方法的研究奠定基礎，也為花崗巖區森林土壤污染防控和區域生態安全保護提供建議和意見。

1 方法

1.1 研究區概況和花崗巖區確定

韶關市位于廣東省北部，北界湖南，東鄰江西，東南面、南面和西面分別與廣東省河源、惠州、廣州及清遠等市接壤。介于 23°53′—25°31′N，112°53′—114°45′E 之間，屬中亞熱帶濕潤性季風氣候區，年平均氣溫為 18.8—21.6 ℃，年降雨量為1400—2400 mm。韶關地形以山地、丘陵為主，河流主要屬珠江水系北江流域，森林覆蓋率73.3%，野生動植物資源豐富，被譽為華南生物基因庫和珠江三角洲的生態屏障，是全國首批6個生態文明建設試點地區之一。根據2021年韶關市發布的《土壤環境背景值》（DB 4402/T08—2021），確定韶關市花崗巖分布區（如圖1所示）。

圖1 韶關市花崗巖地區取樣點分布Figure 1 Distribution of sampling points in granite area of Shaoguan city

1.2 調查及采樣方法

根據韶關市花崗巖區植被、地形、氣候等特征，確定基本樣本量（n=223），并采用典型抽樣法布設樣點，如圖1所示。所選地區主要包括有人工林（杉木林、桉樹林為主）和自然林（常綠闊葉林和落葉闊葉混交林為主），樣地類型主要為低山（47%）和丘陵（28%），海拔在800 m左右，坡度為緩坡。根據樣點情況，選擇地形較為平整、植被能代表該區域水平的地方挖掘3個土壤剖面，每個剖面中心點的水平間距不小于10 m。每個剖面長1.2—1.5 m，寬0.8—1 m，剖面深度為1.0 m。每個剖面間隔20 cm取樣，將各層樣品均勻混合后作為該剖面的樣品。將采集后的土壤樣品密封保存，及時運回實驗室，風干、研磨篩選后制樣，以便后續分析。

1.3 指標測定方法

土壤樣品重金屬含量分析與測定方法分別為：鉻、銅含量采用火焰原子吸收分光光度法測定，方法參考HJ 491—2019；鉛、汞含量采用原子熒光法測定，方法參考GB/T 22105.1—2008。

土壤樣品養分含量分析與測定方法分別為：土壤pH值采用電位法測定，方法參考HJ 962—2018；全氮含量采用連續流動分析儀測定，方法參考 HJ 717—2014；全磷含量采用堿熔法測定，方法參考HJ 632—2011；有機碳含量采用硫酸-重鉻酸鉀容量法測定，方法參考LY/T 1237—1999。

1.4 數據處理及制圖

采用SPSS 20.0軟件對土壤重金屬元素含量的均值、標準差及變異系數等作描述性統計，計算Kolmogorov-Smirnov值以檢驗數據是否符合正態分布（顯著水平α=0.05）。利用ArcGis 10.7軟件繪制采樣點的空間分布圖。采用Origin 2021b繪制散點圖并做相關性分析，所有相關性數據均用對數處理以提高數據的正態性。

1.5 評價方法

土壤重金屬污染評價采用單項污染指數法和內梅羅綜合指數法（陳澤華等，2020），土壤重金屬元素對生態系統的風險評價采用潛在生態風險指數法（胡永興等，2020）。

1.5.1 單項指數法

單項污染指數法是研究某一污染物的污染程度的方法，計算公式為：

式中：

Pi——土壤重金屬i的單項污染指數；

Ci——重金屬i的實測值，單位 mg·kg?1；

Si——重金屬i評價標準值，單位 mg·kg?1。本研究采用《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中非農田條件下的風險篩選值。單項污染指數法評價標準：Pi≤1，無污染；13，重度污染。

1.5.2 內梅羅綜合指數法

內梅羅綜合指數法是結合單項指數法計算出的各重金屬污染指數進行評價的方法，在土壤重金屬污染評價被廣泛使用一種的方法。計算公式為：

式中：

P——內梅羅綜合指數；

Pimax——重金屬單項污染指數的最大值；

Piavg——重金屬單項污染指數的平均值。內梅羅指數法評價標準為：P≤0.7，安全狀態；0.73.0，重度污染。

1.5.3 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法是瑞典科學家 Hakanson提出的，用于評價沉積物中重金屬潛在風險程度的方法，能綜合反映重金屬對土壤的污染情況。

單一重金屬的潛在生態風險指數的計算公式為：

式中：

Ei——單一重金屬的潛在生態風險指數；

Ci——重金屬i的實測值，單位 mg·kg?1；

Si——重金屬i的土壤背景值，單位 mg·kg?1，本研究選用韶關市《土壤環境背景值》（DB 4402/T08—2021）花崗巖中的元素背景值作為參考。單一重金屬的潛在生態風險等級劃分為：Ei<40，輕微生態風險；40≤Ei<80，中等生態風險；80≤Ei<160，強生態風險；160≤Ei<320，很強生態風險；Ei≥320，極強生態風險。

多種重金屬潛在生態風險綜合指數的計算公式為：

式中：

IR——多種重金屬潛在生態風險綜合指數；

Ei——單一重金屬的潛在生態風險指數。多種重金屬潛在生態風險等級劃分為：IR<150，輕微生態風險；150≤IR<300，中等生態風險；300≤IR<600，強生態風險IR≥600，很強生態風險。

2 結果與分析

2.1 4種土壤重金屬含量特征

韶關市花崗巖區森林土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞元素含量均低于土壤污染風險篩選值，如表1所示。對4種重金屬元素的變異系數進行分析，變異值由小到大依次為汞<鉻<鉛<銅。由此發現銅元素含量存在較大波動，其離散程度最高，受極端值的強干擾，因此可以看出土壤中的銅元素受環境影響程度最大。鉻、鉛元素含量變異系數相對而言較小，變異較為集中。在顯著水平α=0.05的單樣本K-S檢驗水平下，4種元素均符合正態分布。

表1 森林土壤重金屬描述性統計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of heavy metals in forest soil

2.2 土壤重金屬污染評價及風險評估

對韶關市花崗巖區森林土壤重金屬進行單項污染指數、內梅羅綜合污染指數法進行評價（表2），研究區內土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞元素均處于非污染（0.11—0.70）及清潔等級（0.27）。對研究區內土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞元素進行潛在生態風險指數法進行評價發現（表3），鉻、銅、鉛這3種重金屬元素的潛在生態風險指數均小于40，潛在生態風險程度為輕微；而汞元素的潛在生態風險指數為63.95，屬中度生態風險（40≤Ei<80）。此外，韶關市花崗巖區土壤的綜合風險指數為73.84，說明這4種重金屬元素在該地的綜合生態風險屬于輕微程度（IR<150）。

表2 森林土壤重金屬單項及綜合污染指數評價Table 2 Individual and Nemerow pollution index evaluation of forest soil heavy metals

表3 森林土壤重金屬潛在生態風險評價Table 3 Potential ecological risk assessment forest soil heavy metals

2.3 母質層與表層土壤重金屬含量的相關性

韶關市花崗巖區森林土壤母質層（80—100 cm）和表層（0—20 cm）中鉻、銅、鉛、汞元素含量進行相關性分析（圖2），發現只有鉻、汞的兩層土壤具有顯著相關性（P<0.05）。隨著母質層土壤中的鉻含量越大，表層土壤中鉻含量卻越小，二者存在顯著負相關性。隨著母質層土壤中的汞含量越大，表層土壤中汞含量也越大，二者存在顯著正相關性。因此證明，表層土壤中鉻、汞含量受母質層土壤含量的影響較大；而表層土壤中銅、鉛含量波動較大，受多方面環境影響，也驗證了變異性也高于鉻、汞這一結果（表1）。

圖2 80—100 cm土壤重金屬對0—20 cm土壤重金屬含量的影響Figure 2 Influence of heavy metals in 80?100 cm soil on heavy metal content in 0?20 cm soil

2.4 土壤特性、養分與重金屬含量的相關性

土壤特性會影響到土壤重金屬的沉積狀況。森林土壤養分能支撐植被生長，為其提供生長必要的氮素、磷素、鉀素等。因此，研究土壤特性、養分和重金屬含量的相關性也十分重要。試驗發現，土壤pH僅與鉛含量呈顯著正相關；土壤有機碳與鉻含量呈顯著負相關，與鉛、汞含量呈顯著正相關（圖3）。土壤全氮、全磷與4種重金屬含量的相關性散點圖發現（圖4），土壤全氮與鉻含量呈顯著負相關，與鉛、汞含量呈顯著正相關，相關性情況與土壤有機碳相似；土壤全磷與鉻、銅、汞含量呈顯著正相關。從土壤重金屬元素來看，變異性最大的銅含量卻僅與全磷含量具有顯著相關性；鉛含量與pH、有機碳、全氮含量均具有顯著相關性。在表1中變異值最低的鉻、汞元素，均與有機碳、全氮、全磷含量顯著相關。

圖3 有機碳、pH對森林0—20 cm土壤重金屬含量的影響Figure 3 Influence of organic carbon and pH on heavy metal content in forest soil in the depth of 0?20 cm

圖4 土壤全氮、全磷對森林0—20 cm土壤重金屬含量的影響Figure 4 Influence of Total Nitrogen and Total Phosphorus on heavy metal content in forest soil in the depth of 0?20 cm

3 討論

通過單項污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對韶關市花崗巖區內森林土壤重金屬污染進行評價，與當地農用地土壤重金屬污染相比，農用地可能受污水灌溉、農用化肥的使用、大氣沉降、交通污染、工業污染等影響，重金屬含量嚴重超標（馮慧敏等，2018）。研究發現研究區森林土壤重金屬含量在單項污染指數評價上均為非污染，這可能與森林的植被有關，樹木個體大，生活周期長，栽培適應性強，且可以富集土壤中的重金屬（陳志萍等，2020）。車繼魯等（2017）研究發現香樟樹對銅、鋅、鉛、鉻、錳、鎳7種重金屬元素均有一定的富集能力；焦艷金等（2020）研究發現馬尾松樹輪可富集土壤中的重金屬，富集能力表現為鉻>鎳>鋅>銅>鎘。但是綜合而言，本研究對研究區內土壤重金屬污染進行潛在風險評估，研究表明森林土壤中汞元素存在一定的潛在生態風險，為中等潛在生態風險，可能原因是不同的污染評價方法對結果存在一定影響，也可能汞的毒性系數較大，使汞的潛在生態風險系數計算結果偏大，但仍需加強汞元素的污染防治，防范于未然。

研究表明在自然條件下，土壤重金屬含量在土壤深度為 50—100 cm時受到外界干擾較小，主要與母質層重金屬含量相關（蔡雄飛等，2021），基于此，本研究將80—100 cm層土壤視為母質層。通過母質層（80—100 cm）與表層（0—20 cm）森林土壤重金屬含量的散點圖可以看出，土壤母質層也會影響土壤重金屬含量，主要對鉻、汞元素含量影響比較大。有學者研究發現鉻元素在紅壤土中容易受降雨的影響向下遷移沉積（吳敏，2021），使得鉻元素在深層積累因此母質層土壤與表層土壤中鉻元素表現為負相關。土壤中汞元素主要來源于成土母質和煤燃燒及有色金屬冶煉（李林等，2014），研究發現表層土壤中汞元素含量平均值超過其韶關市花崗巖區規定的背景值（0.09 mg·kg?1），因此表層土壤中的汞元素可能受到人為因素的影響，母質層土壤汞元素含量大于表層土壤汞元素含量，說明成土母質也可能是影響母質層土壤汞元素含量的因素之一。曾昭嬋等（2016）研究發現汞元素在表層富集后受降雨影響向下遷移，但受到土壤環境的影響，遷移能力較弱。張福剛等（2013）通過對表層和深層土壤研究發現，土壤中的汞元素受成土母質和人類活動影響。此外，研究顯示不同植被可富集不同土壤層次重金屬（朱立安等，2021），這也可能是母質層與表層森林土壤中鉻、汞元素顯著相關的原因之一。

從森林土壤養分和重金屬的相關性分析來看，土壤有機碳、全氮、全磷含量對土壤重金屬含量的影響較大，大部分都達到顯著性水平；土壤pH值對重金屬含量的影響比較小，僅鉛元素含量與其相關性顯著。土壤有機碳對重金屬具有一定的絡合作用，土壤中有機碳含量增加重金屬含量也隨之增加。首先這與有機碳具有大量官能團有關，它可以吸附土壤中的重金屬離子；其次土壤有機碳可以分解形成腐殖酸，腐殖酸與重金屬元素可形成絡合物，從而使有機態重金屬含量增加（Zeng et al.，2011）。一般情況下，隨著pH值升高，土壤對重金屬的吸附固定能力增強，重金屬有效態含量降低。但研究發現，僅鉛元素含量與pH值相關性顯著，這可能是pH值導致土壤重金屬吸附、微生物活動、有機質分解等多個化學反應綜合的結果（王文棟等，2021）。已有研究顯示，土壤中全氮、全磷含量對于土壤重金屬的影響在不同重金屬類型中，表現不同。周曼等（2021）的研究表明，氮、磷的增加一定程度上減少了土壤 Cr的含量，但是會增加土壤Fe的含量。這與本研究結果中，氮、磷與土壤重金屬之間存在不同的相關性相一致。這一結果，也表明氮、磷對于土壤重金屬的影響是個復雜的過程，可能會通過影響不同植物的生長發育，或者改變土壤理化性質（土壤含水量、土壤pH等），從而最終改變土壤重金屬含量。

4 結論

韶關市花崗巖地區森林土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞含量較低，未超過土壤污染風險篩選值，綜合污染等級為清潔，屬輕微生態風險程度，但單項汞元素為中等生態風險。土壤重金屬鉻、銅、鉛、汞含量受土壤有機碳、全氮、全磷含量影響較大，pH影響較小。土壤重金屬銅、鉛的變異性較大，受多方面的影響。表層土壤重金屬鉻、汞含量受土壤母質層的顯著影響。綜上所述，應定期對韶關市森林土壤重金屬情況進行監測，及時對個別重污染地區進行重金屬的防治和修復。