廣東陰那山土壤重金屬污染特征、風險評價及源解析*

朱明勇 熊永柱 劉友存 董志成 陳燕奎 張全發 何文鳴

(1.嘉應學院地理科學與旅游學院,廣東 梅州 514015; 2.廣東省山區特色農業資源保護與精準利用重點實驗室,廣東 梅州 514015;3.中國科學院武漢植物園,湖北 武漢 430074;4.嘉應學院化學與環境學院,廣東 梅州 514015)

通過自然因素(基巖風化、大氣沉降等)或人類活動(工農礦業生產、交通等)途徑進入森林土壤的重金屬會在土壤中不斷累積,不僅會使土壤的理化性質惡化,而且會抑制很多植物的生長,造成生物多樣性降低[1]。隨著工農業生產、旅游等人類活動的加劇,自然保護區、風景名勝區內的森林土壤重金屬污染問題也日益突出[2-7]。調查土壤重金屬污染特征、解析其來源并評價生態風險,對于開展土壤重金屬污染治理與防控具有重要意義[8-11]。目前,相關研究多是針對城市土壤、工礦區土壤、道路土壤或農用地土壤[12-16],但針對自然保護區、風景名勝區內森林土壤的研究較少。

廣東陰那山是省級自然保護區和風景名勝區,其動植物資源[17-20]、旅游資源[21]等已基本調查清楚,而對于其土壤資源狀況還不曾做過較詳細調查,至于土壤重金屬污染特征、來源解析及生態風險評價等研究工作還不曾開展過。近年來,陰那山農業生產(如柚子、茶葉、毛竹等的種植)、旅游活動及宗教活動不斷增強,森林土壤可能受到重金屬污染,對陰那山土壤環境安全產生潛在影響。因此,本研究對陰那山土壤重金屬的污染特征、潛在生態風險以及主要來源進行調查研究,為保護其土壤環境安全及土壤資源合理利用提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測試

由于海拔對人類活動影響較大,從而可能對陰那山土壤重金屬的來源及分布產生影響,因此于2020年11—12月在陰那山不同海拔的山區采集了土壤樣品。自山體基帶開始,大致按100 m海拔間隔采樣,共選取12個采樣區,從下往上依次用英文字母(A至L)編號。采樣區選擇無明顯人為干擾的區域。確定采樣區后,在采樣區以等邊三角形(邊長為20 m)的3個頂點為采樣點,以5 cm為間隔在土壤表層(0～20 cm)分4層采樣,每個采樣點的每個土層樣本取1 kg土樣,用聚乙烯塑料袋密封保存。因為采樣區H土壤表層只有10 cm深,因此每個樣點只能取到2個土層樣本,共采集到土壤樣品138個。將土壤樣品帶回實驗室后,除去樣品中的樹葉、石子等雜物,風干、研磨后過20目尼龍篩,備用。使用PHS-3C離子選擇電極測定土壤pH。

土壤重金屬采用NitonTMXL3p+ X射線熒光光譜分析儀測定,測定元素包括As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ti、V、Mn、Co。測定過程中采用標準樣品GSD-12、GSS-1進行質量控制,同時測定全程空白樣,每個樣品均重復測定3次,取均值作為樣品測定終值。同一采樣點的分層取樣的均值作為該采樣點的測定終值,同一采樣區的3個采樣點的均值作為該采樣區的測定終值。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負荷指數法

采用污染負荷指數法[22]進行土壤重金屬污染評價,其中重金屬參比值采用廣東省土壤元素背景值[23]。單因子污染指數與污染負荷指數分級標準[24]如表1所示。

表1 土壤重金屬污染指數法的等級劃分標準Table 1 Classification standards of pollution load index method

1.2.2 潛在生態風險指數法

采用HAKANSON[25]的潛在生態風險指數法評價潛在生態風險。毒性系數參考文獻[25]和文獻[26],重金屬參比值仍然采用廣東省土壤元素背景值。單項重金屬潛在生態風險指數評價標準為:≤10為輕微風險,>10～20為中等風險,>20～40為強風險,>40～80為很強風險,>80為極強風險。綜合潛在生態風險指數評價標準為:<40為輕微風險,40～<80為中等風險,80～<160為強風險,≥160為很強風險。

2 結果與討論

2.1 陰那山土壤重金屬含量及分布特征

陰那山各采樣區土壤重金屬質量濃度統計特征如表2所示,低于檢出限按零計。從表2可知,Mn的均值為212.57 mg/kg,低于廣東省土壤元素背景值(279 mg/kg);Cu、Cr、Ti、V均值與廣東省土壤元素背景值大體相當;As、Pb、Zn均值分別高出廣東省土壤元素背景值77.19%、86.61%、45.33%;Co均值達到廣東省土壤元素背景值的5.4倍。各重金屬的變異系數較大,說明受到了人類活動的影響。

表2 陰那山土壤重金屬質量濃度統計特征Table 2 Statistics of soil heavy metals mass concentrations in Yinna Mountain

陰那山土壤的pH為 6.75～7.54,均值為7.10,高于廣東省土壤pH均值5.44[27]。土壤酸堿性受自然因素和人類活動的影響。從土壤形成的歷史過程來看,土壤pH的長期時空變化主要取決于自然因素(如土壤物質組成和地球化學性質、酸雨等),但短期內pH的急劇變化主要受到人類活動的干擾(如大量使用化肥導致土壤pH下降、工礦業發展使堿性物質擴散導致pH升高等)。

分析重金屬與海拔的關系發現,中間海拔(500～900 m)的采樣區重金屬含量較高。但需要指出的是,采樣區E因其位于特別陰冷、潮濕的地方,所以各重金屬含量相比鄰近海拔處的采樣區明顯低。

2.2 陰那山土壤重金屬污染評價

陰那山土壤各重金屬的污染負荷指數Co>As>Pb>Zn>Cu>Ti>Cr>Mn>V(見表3),其中Co屬重度污染,V、Mn為無污染,其他均為輕度污染。

表3 陰那山土壤各重金屬的污染負荷指數Table 3 Pollution load index of soil heavy metals in the Yinna Mountain

各采樣區的污染負荷指數如圖1所示。采樣區F為中度污染,從采樣區F向低海拔和高海拔總體都呈遞減趨勢。陰那山海拔大于800 m的地帶一般坡度較陡,巖石裸露,土層較淺,巖石風化程度高,容易隨降雨徑流沖刷下移而積累在比較平緩的中間海拔地區[28]。

圖1 陰那山各采樣區的污染負荷指數Fig.1 Pollution load index of sampling sites in Yinna Mountain

圖2具體分析了各采樣區的各重金屬單因子污染指數,8.33%的采樣區As污染程度屬重度污染,16.67%的采樣區屬中度污染;25.00%的采樣區Pb污染程度屬重度污染,8.33%的采樣區屬中度污染;58.33%的采樣區Co污染程度屬重度污染;Cu和Zn分別有8.33%、33.33%的采樣區屬中度污染。

圖2 陰那山土壤重金屬單因子污染指數在各采樣區的占比Fig.2 Proportion of single pollution index of soil heavy metals in Yinna Mountain sampling sites

對重金屬的單因子污染指數進行聚類分析(見圖3)發現,第一類為Co,污染負荷指數屬重度污染;第二類為Co以外的另外8種重金屬,又可以分成兩小類,一小類為Pb和As,都有一定比例的采樣區屬于重度污染,而其他重金屬的污染都較輕或無污染。

圖3 陰那山土壤重金屬單因子污染指數聚類結果Fig.3 Cluster result of single pollution index of soil heavy metals in Yinna Mountain

2.3 陰那山土壤重金屬潛在生態風險評價

陰那山土壤重金屬潛在生態風險計算結果如表4所示。各重金屬潛在生態風險指數均值由大到小排序為Co>As>Pb>Cu>Cr>V>Zn>Ti>Mn,其中Co為強風險,As為中等風險,其余重金屬均為輕微風險。

表4 陰那山土壤重金屬潛在生態風險指數Table 4 Potential ecological risk index of soil heavy metals in Yinna Mountain

具體分析各采樣區各重金屬的潛在生態風險等級占比(見圖4)發現,25.00%的采樣區Co為很強風險,8.33%的采樣區As為很強風險,分別有33.33%、16.67%、8.33%的采樣區Co、As、Pb為強風險,分別有58.33%、25.00%和8.33%的采樣區As、Pb、Cu為中等風險,Cr、Zn、Ti、V、Mn在所有采樣區中皆為輕微風險。由此再次證實,Co、As、Pb為陰那山土壤的主要風險重金屬。

圖4 陰那山土壤重金屬潛在生態風險指數等級占比Fig.4 Proportion of potential ecological risk index of soil heavy metals in Yinna Mountain

陰那山各采樣區土壤多種重金屬的綜合潛在生態風險指數計算結果如圖5所示。圖5表明,研究區沒有很強生態風險的采樣區,強生態風險的采樣區占25%,中等風險占50%,輕微風險占25%。對重金屬潛在生態風險指數進行聚類分析,結果與重金屬的單因子污染指數聚類結果幾乎沒有差別。

圖5 陰那山土壤重金屬綜合潛在生態風險指數分布Fig.5 Distribution of comprehensive potential ecological risk index of soil heavy metals in Yinna Mountain

2.4 陰那山土壤重金屬源解析

人類活動是區域重金屬污染的重要驅動因素[29]。陰那山附近沒有大型的礦業、工業、交通運輸、垃圾填埋、污水灌溉等重金屬污染源。但陰那山內有千年古剎靈光寺、五指峰玉皇頂神廟,作為風景旅游區,域內每年接待游客較多;農業活動主要為種植柚子、茶葉、毛竹等:這些宗教活動、旅游活動、農業生產活動和游客的活動,可能給陰那山土壤帶來重金屬污染。同時,珠江三角洲離陰那山距離不遠,通過大氣沉降的方式也可能給陰那山帶來土壤重金屬污染。陰那山土壤重金屬之間的相關系數如表5所示。

表5 陰那山土壤重金屬相關系數1)Table 5 Correlation coefficients of soil heavy metals in Yinna Mountain

由表2已知,Cu、Cr、Ti、V濃度均值與廣東省土壤元素背景值大體相當,表明這4種重金屬受人類活動影響不大。這4種重金屬與Zn和Mn大多具有顯著相關性,加上對重金屬的單因子污染指數聚類分析發現它們都同屬一類,故而認為Cu、Cr、V、Ti、Zn和Mn為同一來源,主要是自然因素(包括氣候、母質、土壤類型等因素)來源。BORUVKA等[30]也認為,土壤中Cu、Cr、Zn、Ti、V、Mn等重金屬主要受地球化學成因影響,屬地質來源。

Co的變異系數為96.46%(見表2),說明其含量空間分布不均勻,有外源物質進入,可能存在點源污染[31-32]。然而需要特別指出的是,盡管陰那山土壤Co均值遠高于廣東省土壤元素背景值,但是陰那山的部分區域存在Co高自然背景情況。因此,陰那山的Co既有高自然背景值的成因,也有受人類活動影響的原因。

As、Pb與其他7種重金屬均沒有顯著相關性,且這2種重金屬的均值均明顯高于廣東省土壤元素背景值,它們的變異系數也很大(見表2),說明As、Pb主要受人為活動的影響[33]。

3 結 論

(1) 陰那山土壤重金屬Mn均值低于廣東省土壤元素背景值,Ti、Cr、V、Cu均值與廣東省土壤元素背景值大體相當,Co、Pb、As、Zn均值明顯高于廣東省土壤元素背景值。9種重金屬均表現出中間海拔(500～900 m)的采樣區含量較高。

(2) 采用污染負荷指數法進行土壤重金屬污染評價,Co屬重度污染,Pb、As、Cu、Zn、Ti、Cr為輕度污染,V、Mn為無污染。中間海拔的采樣區污染最嚴重,為中度污染,向低海拔和高海拔方向污染程度總體呈遞減趨勢。

(3) 潛在生態風險指數法評價表明,Co為強風險,As為中等風險,其余重金屬為輕微風險。

(4) Cr、V、Ti、Zn、Cu、Mn主要屬自然因素來源,Pb、As主要受人為活動的影響,Co既有高自然背景值的成因,也有受人類活動影響的原因。

(致謝:嘉應學院化學與環境學院黃曉霞老師給予了實驗指導,陳家威、張旭明、呂嬌娜、陳標、羅智慧、陸楚棋同學參與了室內樣品測試,趙楷、陳國立、姚浩榮、鄧懿同學參與了土壤取樣工作,在此致以衷心感謝!)