云南八角林地土壤重金屬含量特征及潛在風險評價

余興華，楊艷梅，李玉祥，孟凡來，陶永宏，滕 娟，王春芳

（1.文山州農業科學院食品研究所，云南 文山 663099；2.云南農業大學植物保護學院，云南 昆明 650201；3.曲靖市種子管理站，云南 曲靖 655000）

【研究意義】八角（Illicium verum）是我國南亞熱帶地區珍貴的經濟林樹種，屬八角科的常綠喬木，其果為著名的調味香料，八角精油在醫藥、化工等方面也有廣泛的應用［1］。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，農產品安全問題成為大家關注的焦點，其中土壤重金屬污染是影響農產品安全的重大問題之一［2］。由于受人類和自然界的共同影響，土壤重金屬會不斷累積［3］，并可通過食物鏈進行富集，對人體健康造成潛在性的危害［4］。八角果實是其食用的主要部位，產地環境的優劣直接影響果實的品質。因此，加強八角產地土壤重金屬含量特征的風險評估對食品的安全生產具有重要意義。【前人研究進展】重金屬在土壤中移動性較小，主要積累在0～20 cm耕作層的土壤中，具有性質穩定、難降解、半衰期長等特點，土壤一旦遭受重金屬污染就會不斷積累，難以治理［5］。當前，針對林地土壤環境質量評價方面的研究已有一些報道，用于土壤重金屬污染評價的方法較多，常見的評價方法包括單因子污染指數法［6］、內梅羅綜合污染指數法［7］、潛在生態風險指數法［8］、地累積指數法等［9］，研究者常采用多種方法結合的方式進行評價［10-11］。2014 年4 月我國環保部和國土資源部聯合發布的全國首次土壤污染狀況調查顯示，我國天然林、次生林和人工林林地土壤點位超標率高達10.0%，污染的重金屬主要是As、Cd 等［12］。張紅桔等［13］應用內梅羅綜合污染指數與潛在生態危害系數評價了浙江省臨安市山核桃林地土壤重金屬潛在生態風險，結果表明土壤Cd、Cu、Zn、Ni、Cr 高值分布主要與礦區開采有關，而Pb 與鉀肥的施用密切相關，研究區重金屬空間分布特征受人為活動影響明顯。蔡海麗［14］以國家土壤環境質量的二級標準值為參照，比較分析了邵陽地區油茶產地環境質量，結果表明土壤中重金屬元素的含量既與成土母質有密切的關系，也受到局部環境質量狀況、地形和生物地球化學循環的深刻影響。閆娜娜等［15］利用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法及潛在生態危險指數法評估了新疆和甘肅香梨產區土壤重金屬殘留風險，結果表明2 個產區的香梨園土壤重金屬總體處于低生態風險水平，屬于生產安全區域。趙璇等［16］利用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法及潛在生態危險指數法綜合評價了陜南茶區土壤重金屬Cu、Cd、Cr、Zn 和Ni 的含量，結果表明茶區土壤總體表現為安全清潔，均達到無公害、綠色食品產地環境土壤標準。【本研究切入點】云南是我國八角種植面積和產量第二大省，主要分布在東南部的文山州［17］，近年來，對八角林地土壤肥力性質［18］、樹體營養元素的需求特點等均有研究［19］，但對八角產地土壤重金屬含量特征的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以云南省文山州八角種植地區的土壤為研究對象，采用多種指數相結合的方法綜合評價土壤重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 和Ni 在八角產地的風險程度，以期為云南八角綠色食品的安全生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤樣品采集時間為2020 年10 月至2021年1 月，在云南省文山州八角主要種植區的7 個縣按八角林分布面積設采樣點，選擇代表性的林地采樣，土壤按S 形采樣法，共采集45 個樣（馬關縣6 個，西疇縣7 個，廣南縣7 個，富寧縣9 個，文山縣5 個，硯山縣6 個，麻栗坡縣5 個），采樣深度為0～20 cm，5 個分點等量混勻為1 個樣品，使用四分法取樣重500 g，土壤樣品經自然干燥后用木錘敲碎，除去樣品中的植物碎片、巖屑、原生礦物顆粒等雜物，過孔徑0.150 mm 尼龍篩充分混合后待測。

1.2 試驗方法

土壤pH 值測定，稱取3 g 土壤樣品于50 mL燒杯中，加入7.5 mL 去除CO2的蒸餾水，用水平振蕩器劇烈振蕩2 min，使土粒充分分散，放置30 min 后，使用pH 計雷磁PHS-3E 進行測定［20］。土壤重金屬測定，稱取試樣0.2 g 于聚四氟乙烯消解內罐，加硝酸5 mL 浸泡過夜。蓋好內蓋，旋緊不銹鋼外套，放入恒溫干燥箱，80 ℃保持2 h，120 ℃保持2 h，再升至160 ℃保持4 h，在箱內自然冷卻至室溫，打開后加熱趕酸至近干，將消解液轉移至25 mL 容量瓶中，用少量1%的硝酸溶液洗滌內罐和內蓋3 次，洗液合并至容量瓶中，用1%硝酸定容，混勻備用［21］，試液在電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）上測定各重金屬元素含量。

1.2.1 單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法 單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法分級標準見表1，單因子污染指數Pi=Ci/Si，其中Ci為某種污染物的實際測定濃度，Si為土壤環境質量《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618-2018）中的土壤重金屬風險篩選值［11］。內梅羅綜合污染指數，其中Pave與Pmax分別表示單因子污染指數中的平均值和最大值。

表1 綜合評價指數分級標準Table 1 Grading standard of comprehensive evaluation indexes

1.2.2 潛在生態風險指數法 潛在風險指數法評價參照Hakanson［22］、Azhati 等［23］的標準（表2），土壤重金屬潛在生態風險指數，其中為重金屬元素i 的潛在生態風險因子，Pi為重金屬元素i 的單因子污染指數，為重金屬元素i 的毒性響應系數。各種重金屬毒性響應系數依據Hakanson［22］制定的標準，分別為：Zn=1、Cr=2、Pb=Cu=Ni=5、As=10、Cd=30、Hg=40。

表2 土壤潛在生態風險分級標準Table 2 Classification standard of soil potential ecological risks

1.2.3 地質累積指數法 地質累積指數評價法以云南土壤背景值作為參考標準，地質累積指數分級標準見表3，，其中Cn為重金屬元素n 的實測值，Bn為元素n 的云南省土壤背景值［24］。

表3 地質累積指數分級標準Table 3 Classification standard of geological accumulation indexes

試驗數據采用Excel 2010 進行統計與整理，采用SPSS 20.0 進行Spearman 相關分析、繪制不同重金屬元素的聚類圖，采用ArcGIS 10.2 繪制采樣分布圖。

2 結果與分析

2.1 云南八角林地土壤重金屬元素描述性統計分析

由表4 可知，云南八角種植區域土壤為酸性，pH 在4.47～5.82 之間，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的含量范圍分別為0.13～0.46、0.12～0.39、30.74～269.08、25.49～126.10、24.90～103.37、16.70～61.99、32.11～121.72、12.26～52.22 mg/kg，8 種金屬元素的變異系數在7.11%～18.75%之間。重金屬Hg、As、Pb、Cr 的含量均超過云南省土壤重金屬背景值，Cu、Zn、Ni 含量小于背景值，Cd 含量與背景值相等。以風險篩選值為對照，As、Pb、Cu 點位超出率分別為66.67%、11.11%、20.00%。

表4 八角林地土壤重金屬含量描述性統計分析Table 4 Descriptive statistical analysis of soil heavy metal contents in Illicium verum forest land

2.2 云南八角林地土壤單因子及內梅羅綜合污染評價

由表5 可知，8 種重金屬的單因子污染指數大小依次為As>Cd>Pb>Cu>Cr>Ni>Zn>Hg。單因子污染指數在1～2 之間的重金屬元素為As，污染等級為Ⅰ，污染程度為警戒級；Cd、Pb、Cu、Cr、Hg、Ni、Zn 的單因子污染指數均小于1.0，污染等級為Ⅰ，污染程度為安全。八角不同種植地的內梅羅綜合污染指數存在差異，文山縣綜合污染指數最高，為4.22，污染等級為Ⅳ，污染程度為重污染；馬關縣、西疇縣綜合污染指數在1～2 之間，污染等級為Ⅰ，污染程度為警戒級；廣南縣、硯山縣、麻栗坡縣、富寧縣的綜合污染指數小于1.0，污染等級為Ⅰ，污染程度為安全。整個八角種植區的內梅羅綜合污染指數為1.52，污染等級為Ⅱ，重金屬為輕污染。

表5 八角林地土壤重金屬單因子污染及綜合污染指數Table 5 Soil heavy metal single factor pollution and comprehensive pollution indexes in Illicium verum forest land

2.3 云南八角林地土壤潛在生態風險評價

潛在生態風險指數法評價結果見表6，在土壤 pH 值小于5.82 的八角種植區，土壤重金屬元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni、As 和 Hg 的潛在生態風險因子均小于40，生態風險等級均為低風險，潛在生態風險指數平均值為58.22，屬于低生態風險程度。八角不同種植地的潛在生態風險指數均小于150，等級均為低生態風險。

表6 八角林地土壤重金屬潛在生態風險指數Table 6 Potential ecological risk indexes of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.4 云南八角林地土壤地質累積評價

由表7 可知，8 種重金屬的地質累積指數具有不同的變化，基于地質累積指數評判標準，Hg和As 的指數分別為1.19 和1.17，在1～2 之間，等級為中度污染；Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Ni 均小于0，屬于未污染的等級。不同種植地的重金屬潛地質累積指數存在差異，馬關縣、富寧縣、麻栗坡縣的Hg 在1～2 之間、為中度污染級別，As在0～1 之間、為無污染-中度污染的級別；西疇縣的Hg 在2～3 之間、為中度污染-強度污染等級，As 在1～2 之間、為中度污染級別；廣南縣、硯山縣Hg 和As 在0～1 之間，為無污染-中度污染的級別；文山縣Hg 和As 為1.20 和3.07、為中度污染和強度污染級別，Pb 在0～1 之間、為無污染-中度污染的級別；其余均小于0，為無污染等級。

表7 八角林地土壤重金屬地質累積指數Table 7 Geological accumulation indexes of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.5 八角林地不同重金屬元素的相關性分析

云南八角林地重金屬元素的相關性分析結果（表8）表明，Cd 與As、Zn 呈極顯著正相關，相關系數分別為0.871、0.648，與Pb 呈顯著正相關，相關系數為0.460；Hg 與Zn 呈顯著正相關，相關系數為0.545；As 與Pb 呈極顯著正相關，與Zn 呈顯著正相關，與Ni 呈顯著負相關，相關系數分別為0.690、0.443 和-0.616；Pb 與Ni 呈極顯著負相關，相關系數為-0.652；Cr 與Cu 呈極顯著負相關，相關系數為-0.604；Cu 與Zn 呈極顯著正相關，相關系數為0.844。

表8 八角林地土壤重金屬相關性分析Table 8 Correlation analysis of soil heavy metals in Illicium verum forest land

2.6 八角林地土壤重金屬潛在來源的識別分析

對云南八角林地土壤中重金屬的含量進行聚類分析，結果顯示8 種重金屬可分為2 類（圖1），第一類包含As、Pb、Cd、Cu、Zn、Hg，其中Cd與云南土壤背景值相當，Pb 超過云南土壤背景值，As 的單因子污染程度為警戒級，Hg 和As 的地質累積污染指數為中度。云南省碳酸鹽巖地區土壤明顯富集As、Cd，主要表現出成土母巖中重金屬含量高，再者其在風化成土過程中引起二次富集，為自然來源［25-26］。西南地區土壤中As、Pb、Hg的主要來源為農業活動、工業排放與燃煤［27-28］，Cu 和Zn 主要也受工業活動、農業活動以及交通排放的影響［29］。由此可知，云南八角林地的6種重金屬含量可能主要受土壤母質和人類活動的共同影響。第二類包含Cr 和Ni，其單因子污染程度為安全、低生態風險，地質累積污染指數屬于未污染等級。韓琳等［30］研究表明Cr 和Ni 在土壤中主要受控于地質背景，Cr 和Ni 同為鐵族元素，易與土壤內氧化物結合，與成土母質關系密切［31］，表明此類2 種重金屬含量主要受土壤母質的影響。

圖1 八角林地土壤重金屬的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of soil heavy metals in Illicium verum forest land

3 討論

3.1 云南八角產區土壤重金屬特征和污染程度評價

本研究結果表明，云南八角種植區土壤重金屬Hg、As、Pb、Cr 的含量超過云南省土壤重金屬背景值，這與前人研究該區域土壤重金屬污染特征的結果相似。王喬林等［24］研究指出滇東南地區為巖溶山原赤紅壤、紅色石灰土區，除Mn元素背景值與全省Mn 背景值接近外，其他元素背景值均顯著高于全省土壤背景值。張麗等［11］研究了滇東南農田土壤重金屬分布特征及污染風險，結果表明研究區土壤Cd、Zn、Ni、Cr 和Hg的平均含量均超過了云南省土壤重金屬背景值，受人類活動影響的重金屬主要是As 和Hg，Cu 和Zn 的來源受自然和人為疊加影響，Pb、Cd 主要來源于工業活動。李雅［32］研究的基于土壤發生分類的云南省土壤重金屬空間分異及污染評估表明，滇東南區土壤重金屬As、Cd和Hg的含量較高，土壤存在輕微的Hg 污染。本研究中，云南八角林地As 超出了《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》中的重金屬規定值，單因子污染指數表明As 污染等級為Ⅰ，污染程度為警戒級，地質累積指數評價表明Hg 和As 為中度污染等級。因此，云南省文山州八角生產需要重視區域內土壤重金屬As 和Hg 的污染狀況，防止其污染程度進一步加深，同時需加強地上部分果實重金屬富集特征的評價研究。

3.2 人類活動及自然因素對林地土壤重金屬的影響

土壤中重金屬含量主要受到人類活動和成土母質的影響［33-34］，人類活動主要有大氣降塵、汽車尾氣、污水灌溉、采礦活動、農業生產中農藥化肥施用等［3］。人類活動向大氣釋放的Hg、Pb、Cd、Zn 等重金屬的量已分別超過自然源排放總量的1.5、18、5、3 倍［35］，這些污染物最終經過干濕沉降進入到森林等生態系統中，是土壤中重金屬的重要來源之一。在人工森林生態系統中，不合理的施肥是造成土壤重金屬污染的主要原因，一般來說重金屬含量呈現的特點是磷肥＞復合肥＞鉀肥＞氮肥，我國南方的紅壤地區，由于人工林土壤有效磷含量少，以使用含重金屬較多的磷肥為主，由此增加了土壤重金屬潛在的環境風險［12］。礦山開采可對周邊林區的土壤造成嚴重的污染，滇東南地區的鋁土礦、Sn、Mn、Cu、Pb、Zn、Hg 等礦產資源豐富，土壤重金屬背景值相應較高，礦業開發活動是造成土壤重金屬含量較高的一個重要原因［32］。王厚杰［36］對文山州馬關縣礦區土壤重金屬污染調查顯示該地區土壤主要為重金屬As 污染嚴重，Cu、Pb 和Zn 的污染次之。鐘格梅等［37］研究表明，Pb 和As 兩種重金屬元素的環境污染主要來源于礦山開采和金屬冶煉，兩者通常同時存在。本研究相關性分析結果表明，As 與Pb 呈極顯著正相關，相關系數為0.690。八角為人工造林，其在生活區、公路兩旁、農作物耕地、礦區等均有種植。再者，產區在管理過程中盲目施用復合肥、磷肥等可造成重金屬污染，因此人類活動是影響八角產地土壤重金屬含量變化的一個重要原因。成土母質是造成土壤重金屬含量變化的另一個重要途徑，位于文山縣八角種植區的采集點，其As 的地質累積指數較高。這與陳揚玉［38］研究的滇東地區微量元素分布地球化學特征的結果相同，即文山州屬于高砷背景區域，與地殼原始化學成分作用有關。張家春等［39］評價了貴州喀斯特林地土壤重金屬污染及其生物有效性，結果表明喀斯特林地土壤主要受到As、Cd、Cu、Ni 4種重金屬的影響，酸性土壤中As 的生物有效性指數最高。文山州為典型的喀斯特巖溶地貌，八角種質區土壤均為酸性，pH 在4.47～5.82 之間，其As 的高含量可能也與其地質地貌相關，綜合分析可知云南八角林地土壤重金屬As、Pb、Cu、Zn、Hg 和Cd 可能主要受人類活動和自然土壤母質的共同影響。

4 結論

云南八角種植林地土壤重金屬Hg、As、Pb和Cr 的含量均超過云南省土壤重金屬背景值，Cu、Zn 和Ni 小于背景值，Cd 與背景值相等。As的單因子污染程度為警戒級，內梅羅綜合污染指數等級為輕度污染程度，單項生態風險因子和潛在生態危害指數均屬于低生態風險程度，地質累積指數Hg 和As 的污染等級為中度。綜合分析表明八角林地土壤重金屬Cd、Cu、As、Pb、Zn、Hg 主要受土壤母質和人類活動的影響，Cr 和Ni受自然成土壤母質影響。因此，在八角產區，需要加強肥料、農藥、礦產開采活動等方面的重金屬監測，以保障云南八角產區土壤具有綠色和可持續的生產能力。