井岡蜜柚主產區土壤重金屬污染特征及風險評價

林小兵 王斌強 成艷紅 周利軍 黃尚書 武琳 黃欠如 何紹浪

摘要：為探明井岡蜜柚園土壤重金屬污染特征及風險狀況，采集江西省吉安市4個主產區18個具有代表性的井岡蜜柚園土壤樣品，測定其土壤理化性質和重金屬（Cd、Pb、As、Hg和Cr）含量，采用單因子、地累積和內梅羅綜合污染指數（PN）評價其污染程度，并采用潛在生態風險指數（RI）評價其生態風險。結果表明，研究區土壤肥力呈中下水平，酸化嚴重，堿解氮較缺乏。0—20 cm 土壤Cd、Pb、As、Hg 和Cr平均含量為0.23、63.81、13.95、0.10和167.28 mg·kg?1，為背景值的2.30、1.99、1.35、1.25和3.49倍；20—40 cm平均含量為0.26、62.40、13.51、0.10和167.87 mg·kg?1，為背景值的2.60、1.94、1.31、1.25和3.50倍；不同深度重金屬含量差異較小。單因子污染指數和地累積指數均表明研究區土壤Cr、Pb和Cd累積程度較為嚴重，其中Cd有11.11%的屬于重度污染。以標準值為參比，研究區土壤重金屬污染程度主要呈輕度污染，屬低生態危害程度；以背景值為參比，研究區土壤主要為中、重度污染，屬中等、強危害程度。相關性分析表明，土壤重金屬Cr與Pb、As具有較好的同源性。冗余分析表明，土壤pH和有機質含量是影響井岡蜜柚土壤重金屬變化的主要環境因子。總體上，研究區土壤重金屬污染較輕，但部分果園存在土壤重金屬超標和Cd、Cr和Pb的累積程度較嚴重的問題，果農和有關部門需引起重視，采取有效措施防范其生態風險。

關鍵詞：井岡蜜柚園；重金屬；污染特征；環境因子；潛在生態風險

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0805

中圖分類號：X820.4；S153 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）03‐0188‐13

隨著城市化、工業化和集約化農業的發展，大氣沉降、污水灌溉、工業“三廢”、交通活動、化肥及農藥的不合理利用等，導致土壤重金屬污染問題日益嚴峻[1‐2]。土壤重金屬污染是全球性的環境問題，威脅著人類的身體健康并影響著社會經濟的可持續發展。據報道，我國土壤總的點位超標率達到16.1%，其中土壤重金屬鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、鉛（Pb）和鉻（Cr）等污染物的點位超標率分別為7.0%、2.7%、1.6%、1.5% 和1.1%[3]。研究發現，重金屬污染不僅嚴重威脅著生態環境、農作物生長和品質安全等，還通過食物鏈對人類健康造成嚴重影響[4‐5]。

化肥和有機肥在果園中的普遍施用，以及采礦及其他活動的影響[6]，造成重金屬在果園土壤中富集。林媚等[7]對浙江臺州柑橘主栽區調查發現，個別橘園存在重金屬Cd、Hg和As超標現象；賀靈等[8]對贛南臍橙園土壤重金屬調查研究發現，研究區土壤樣品As、Cd、Cr和Pb超標率分別為8.3%、2.8%、13.9%和30.6%；王偉等[9]發現重金屬Cd是造成重慶東北臍橙主產區土壤污染的主要因素。研究表明，土壤中重金屬含量越高，其柑橘果肉中重金屬富集量也越高[10]。因此，充分了解果園土壤重金屬污染特征關系著食品安全和農業可持續發展。

井岡蜜柚是指江西省吉安地區內生產栽培的蜜柚產品的統稱，主要包括‘金沙柚‘金蘭柚和‘桃溪蜜柚等品種[11]。2018年，吉安市井岡蜜柚總面積為2.66萬hm2，總產量約4.5萬t，已成為當地農業增效、農民增收的優勢產業[12]。蜜柚產量和品質是影響其栽培經濟效益的關鍵，而土壤重金屬污染直接影響蜜柚產量和果實品質[10]，摸清井岡蜜柚園土壤重金屬污染狀況是蜜柚產業可持續發展的基礎。目前，對井岡蜜柚園土壤研究主要為肥力分析[13]，重金屬污染研究鮮有報道。因此，本文以江西省吉安市青原區、吉州區、永新縣和安福縣4個井岡蜜柚主產區的井岡蜜柚園土壤為研究對象，研究了18個規模化具有代表性的井岡蜜柚園土壤中重金屬Cd、Pb、Cr、As和Hg含量特征，利用單因子指數法、地累積指數法、內梅羅綜合指數法和潛在生態風險指數法等對5種重金屬的污染狀況進行評價，并采用冗余分析和相關性分析探究土壤重金屬與環境因子的互作關系，以期為準確掌握吉安地區井岡蜜柚土壤重金屬污染狀況、保障井岡蜜柚品質和食用安全、合理布局井岡蜜柚產業和可持續發展提供數據支撐及理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于吉安市，屬江西省中西部，西接湖南省，南攬羅霄山脈中段，贛江中游。屬亞熱帶濕潤性季風氣候，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，年均氣溫18.5 ℃，年均降雨量1 504 mm，降水季節性變化大，河流較多，水系發達，屬鄱陽湖水系。

1.2 樣品采集與測定

選取江西省吉安市青原區、吉州區、永新縣和安福縣4個井岡蜜柚主產區的18個規模化、有代表性的井岡蜜柚園進行土壤樣品采集。采樣時間為2021年10月（果實成熟期），采樣區果園樹齡均為6～7年，土壤類型均為紅壤。采用“S”型采樣法隨機選取長勢一致的5株果樹[13]，每個采樣點避開當年施肥點位置，沿樹冠滴水線向外推10 cm，挖深度45 cm左右的垂直剖面，在該剖面分別采集0—20 cm和20—40 cm土層土壤樣品。將5棵樹下取的土壤等量混合，剔除樹根、雜草、石塊等雜物后，充分混合均勻按四分法取土壤樣品500 g作為1個土壤樣品，待其自然風干后磨碎過篩，用于測定土壤基本理化性質。土壤有機質（organicmatter，OM）、陽離子交換量（cation exchangecapacity，CEC）、pH、堿解氮（alkaline nitrogen，AN）、有效磷（available phosphorus，AP）、速效鉀（available potassium，AK）含量等理化性質采用常規分析方法[14]測定。土壤重金屬Cr、Pb和Cd含量采用電感耦合等離子體發射光譜法（儀器和型號：電感耦合等離子體質譜儀iCAP-RQ）測定，檢測限分別為0.328、0.185和0.025 mg·kg?1，土壤重金屬As和Hg含量采用原子熒光光譜法（儀器和型號分別為：原子熒光光度計AF-640A和XGY-1011A）測定，檢測限分別為0.01和0. 000 1 mg·kg?1。

1.3 數據處理

采用R語言軟件（www.r-project.org，R 4.2.1）進行數據統計分析，通過R語言軟件程序包ggplot2制圖。參考文獻[15] 將變異系數（coefficient ofvariation，CV）劃分為：CV<10% 為弱變異，10%≤CV<100%為中等變異，CV≥100%為強變異。

1.4 研究方法

1.4.1 單因子指數 按照以下公式計算土壤重金屬單污染指數。

1.4.2 內梅羅綜合指數 按照以下公式計算內梅羅綜合指數。

1.4.3 地累積指數 按照以下公式計算地積累指數。

1.4.4 潛在生態危害指數 按照以下公式計算潛在生態危害指數。

土壤重金屬單因子指數、地累積指數、內梅羅綜合指數和潛在生態危害指數污染等級劃分標準[17‐18]詳見表1。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質和重金屬含量描述性分析

井岡蜜柚主產區土壤理化性質如表2所示。研究區域0—20 cm和20—40 cm土層土壤pH值平均為4.63和4.71，表明大部分土壤呈酸性和強酸性；土壤有機質均值為23.64和19.02 g·kg?1，屬中等及以下水平；土壤陽離子交換量均值為8.45和7.81 cmol·kg?1，均低于10 cmol·kg?1，屬于低水平；土壤有效磷、速效鉀、堿解氮含量均值分別為49.15～65.23、142.25～211.90、54.14～80.36 mg·kg?1，表明土壤有效磷、速效鉀含量較豐富，而堿解氮較缺乏。從變異系數來看，土壤pH 變異系數均小于10%，屬弱變異；20—40 cm土層土壤有效磷和堿解氮變異系數均>100%，屬強變異；其他土壤理化指標變異系數在10%～100%，屬中等變異。

井岡蜜柚主產區土壤重金屬含量如表3 所示。0—20 cm 土層，研究區土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr的平均含量分別為0.23、63.81、13.95、0.10和167.28 mg·kg?1，均超過江西省土壤環境背景值（以下簡稱“背景值”），且分別為背景值的2.30、1.99、1.35、1.25 和3.49 倍，表明該區域土壤重金屬污染較為嚴重。這5種重金屬元素超標率大小依次為Cr=Pb>Cd>As=Hg，超標率分別達到了100.00%、100.100%、72.22%、66.67%和66.67%，土壤中Cr、Pb 和Cd 的累積情況較As、Hg 嚴重。研究區僅Cr的平均含量超過國家土壤環境質量標準農用地土壤污染風險篩選值（以下簡稱“標準值”），為標準值的1.12倍，其超標率為55.56%；其他4 種重金屬元素平均含量均未超過國家標準值，但Cd和Pb仍有部分樣品超標，其超標率均為27.78%，表明這2種重金屬元素均存在不同程度累積，可能會對該地區井岡蜜柚產量和品質產生影響。由表3可知，研究區5種重金屬元素的變異系數由大到小依次為Cd>Hg>As>Cr>Pb，均屬中等變異。

20—40 cm 土層，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的平均含量分別為0.26、62.40、13.51、0.10和167.87 mg·kg?1，均超過土壤背景值，且分別為背景值的2.60、1.94、1.31、1.25 和3.50倍，表明該區域土壤重金屬污染較為嚴重。這5種重金屬元素超標率大小依次為Cr=Pb>Cd>As=Hg，超標率分別達到了100.00%、100.100%、72.22%、66.67%和66.67%，土壤中Cr、Pb和Cd累積情況較As、Hg嚴重。研究區僅有Cr的平均含量超過土壤標準值，為標準值的1.12倍；其他4種重金屬元素平均含量均未超過國家標準值，但Cd和Pb 仍有部分樣品超標，其超標率分別為22.22%和33.33%，表明這2種重金屬元素均存在不同程度累積，會對該地區井岡蜜柚產量和品質產生影響。由表3可知，工礦區5種重金屬元素的變異系數由大到小依次為Cd>Hg>As>Cr>Pb，其中Cd 表現為強變異；Hg、Pb、Cd 和Cr 均屬中等變異。

2.2 土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數法 由圖1可知，以背景值為評價標準時，0—20 cm 土層，井岡蜜柚主產區土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr的單因子污染指數平均值分別為2.33、1.99、1.35、1.21 和3.48，輕度污染以上分別為38.89%、44.44%、5.56%、16.67%和55.56%，其中Cd有11.11%屬于重度污染；20—40 cm土層，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的單因子污染指數平均值分別為2.57、1.94、1.31、1.19和3.50，輕度污染以上分別為44.45%、38.89%、5.56%、11.11%和100.00%，其中Cd有11.11%屬于重度污染。

由圖2 可知，以標準值為評價標準時，0—20 cm 土層，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr的單因子污染指數平均值分別為0.78、0.91、0.35、0.07和1.12，僅Cd有5.56% 屬于輕度污染；20—40 cm土層下，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的單因子污染指數平均值分別為0.86、0.89、0.34、0.07和1.12，僅Cd有11.11%屬于輕度污染。

2.2.2 地累積指數法 以背景值為評價標準，應用地累積指數法（Igeo）對井岡蜜柚主產區土壤重金屬污染進行評價（圖3）。0—20 cm土層，研究區域土壤中重金屬污染的強弱依次為：Cr>Pb>Cd>As>Hg，其地累積指數平均值分別為1.16、0.38、0.27、-0.35和-0.62。其中Cr污染級別為2級，表示中度污染；Pb和Cd污染級別為1級，表示無污染到中度污染。20—40 cm 土層，研究區域土壤中重金屬污染的強弱依次為：Cr>Pb>Cd>As>Hg，其地累積指數平均值分別為：1.16、0.34、0.14、-0.42和-0.68。其中Cr污染級別為2級，表示中度污染；Pb和Cd污染級別為1級，表示無污染到中度污染。說明0—40 cm土層土壤中重金屬Cr、Pb和Cd累積程度較嚴重，這與Cr、Pb和Cd超標率較高相一致。

2.2.3 潛在生態風險指數法 研究區域土壤重金屬潛在生態風險系數（Ei）如圖4和圖5所示。以背景值作為參比時，0—20 cm 土層，土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr的潛在生態風險系數分別為69.80、99.39、13.54、48.34和6.97，其Ei大小順序為Pb>Cd>Hg>As>Cr。其中，Pb 的Ei 最高，存在83.34%強及以上風險；其次為Cd，存在33.33%強及以上風險；Hg存在11.11%強風險，而；As和Cr較低，均為輕微風險。20—40 cm土層，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr的潛在生態風險系數分別為76.95、97.19、13.12、47.77 和6.99，其Ei 大小順序為Pb>Cd>Hg>As>Cr。其中，Cd 存在5.56%極強風險；Pb存在61.11%強風險；Hg存在11.11% 強風險；As 和Cr 較低，均為輕微風險（圖4）。

以標準值作為參比時，0—20 cm 土層，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr的潛在生態風險系數分別為23.27、45.58、3.49、2.97 和2.23，其Ei 大小順序為Pb>Cd>As>Hg>Cr。其中，Pb 最高，存在77.78% 中等風險；其次為Cd，存在11.11%中等風險；As、Hg和Cr較低，均為輕微風險。20—40 cm 土層，研究區域土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg 和Cr 的潛在生態風險系數分別為25.65、44.57、3.38、2.94 和2.24，其Ei 大小順序為Pb>Cd>As>Hg>Cr。其中，Cd 存在5.56% 中等風險和5.56% 強風險；Pb 存在61.11% 強風險；As、Hg和Cr較低，均為輕微風險（圖5）。

2.2.4 內梅羅綜合污染指數 分析研究區井岡蜜柚土壤重金屬內梅羅綜合污染指數，結果如表4所示。以背景值為評價標準時，0—20 cm土層，研究區域土壤重金屬污染程度呈中度污染和重度污染的樣品比例分別為33.33%和66.67%；20—40 cm土層，呈輕度污染、中度污染和重度污染的樣品比例分別為11.11%、27.78%和61.11%。以標準值為評價標準時，0—20 cm土層，研究區域土壤重金屬污染程度主要處在輕度污染，占樣品總數的66.67%；20—40 cm土層，重金屬污染程度主要呈輕度污染，占樣品總數的50.00%，但仍有部分樣品屬于重度污染，占樣品總數的5.56%。

2.2.5 綜合潛在生態風險指數 從綜合潛在生態風險指數（RI）來看（表5），以背景值作為參比時，0—20 cm土層，研究區域井岡蜜柚土壤重金屬RI為238.04，中等危害的達到88.89%，強危害的為10.71%；20—40 cm土層，研究區域土壤重金屬RI為242.02，中等危害的達到77.78%，強危害的為16.67%。以標準值作為參比時，研究區域土壤重金屬均屬于低生態危害程度。

2.3 土壤重金屬影響因素

2.3.1 土壤重金屬相關性分析 為了得出土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr間的同源性及關聯性，對井岡蜜柚土壤重金屬進行相關性分析，結果（圖6）表明，0—20 cm土層，土壤重金屬Cd與As、Cr呈顯著負相關，重金屬Cr與Pb、As呈顯著正相關；20—40 cm土層，重金屬Cd與Pb、As、Cr呈顯著負相關；Cr與Pb、As呈顯著正相關。總體上，井岡蜜柚土壤中重金屬Cr與Pb、As具有較好的同源性及關聯性，而其他土壤重金屬可能為單一來源。

2.3.2 冗余分析 冗余分析（redundancy analysis，RDA）表明，0—20 cm土層，土壤有機質含量（OM，R2=0.33，P<0.05）是影響土壤重金屬含量變化的主要因子；20—40 cm 土層，土壤pH（R2=0.33，P<0.05）和有機質含量（OM，R2=0.35，P<0.05）是影響土壤重金屬含量變化的主要因子（圖7）。

3 討論

土壤中的重金屬元素是自然和人為因素綜合作用的結果[8]。本研究發現，井岡蜜柚園土壤重金屬Cd、Pb、As、Hg和Cr含量均超過背景值，其中部分土壤Cr、Cd和Pb超過標準值，即研究區土壤重金屬Cr、Pb和Cd累積程度較為嚴重，與前人研究結果一致[19‐20]。以標準值為參比，研究區土壤重金屬污染程度主要呈輕度污染，屬低生態危害程度；但以背景值為標準，研究區土壤主要為中重度污染，屬中等、強危害程度。楊玉等[21]調查發現，土壤重金屬Cd、Hg和Cr是長沙和株洲地區葡萄果園主要污染因子；賀靈等[8]研究發現，贛南臍橙果園存在土壤As、Cd、Cr、Cu 和Pb 污染；王偉等[9]針對重慶東北臍橙調查發現，除As、Pb含量低于背景值外，其他重金屬含量均高于土壤背景值。由此說明，重金屬問題是果園土壤污染的重要因素，其重金屬污染主要來源于污水灌溉、化肥農藥的不合理使用、城鎮垃圾等[22]。康智明等[23]研究發現，農用地土壤易受到農藥、化肥、有機肥、地膜等攜帶的重金屬污染。

研究區井岡蜜柚園地處鄉村，遠離城市，受城鎮垃圾和工業污染的可能性小；該地區降水豐富，灌溉常用地下水，受污水灌溉影響較少；農藥、化肥是柑橘、蜜柚生產的重要農用物資，長期不合理使用易導致果園土壤重金屬污染[24]。施用含重金屬的肥料或農藥是造成目前果園土壤重金屬積累的主要原因[22]。研究表明，化學肥料中特別是過磷酸鹽中含有較多的重金屬Hg、Cd、As、Pb等[25]；磷肥中含有較多的有害重金屬，Cd常隨著磷肥的施加而進入土壤[26]；Cd被認為是施用農藥和化肥等農業活動的象征元素[27]；土壤中的Hg除大氣沉降外，主要還受到有機肥、農藥和化肥的影響[28‐29]；土壤中重金屬Cr最初來源于巖石風化[30]。陳學民等[31]研究發現，影響果園土壤中Cr含量的主要因素是成土母質，過多化肥、農藥中的有機磷沉積于土壤中，與土壤重金屬Cd、Cr可形成難溶性的磷酸鹽。研究區土壤重金屬除了受土壤母質和化肥農藥的不合理使用影響外，還可能與果園長期施用未經處理的禽畜糞便有機肥有關。倪治華等[32]調查發現，有機肥存在重金屬As、Cd、Pb、Cu、Hg等超標現象，其中畜禽糞便重金屬殘留是有機肥中重金屬污染的主要來源。韓建等[33]試驗表明，高量有機肥處理會快速增加果園土壤重金屬累積。本研究調查的果園樹齡為6～7年，多年施用化肥特別是磷肥、除草劑和殺蟲劑等農藥以及動物糞便等有機肥易造成土壤重金屬積累。研究表明，土壤重金屬與柑橘果肉重金屬含量呈顯著正相關[10]。王春發等[34]調查發現，果實對土壤鎘的富集能力表現為獼猴桃<柑橘類<葡萄類<桃。因此，應進一步調查和分析土壤重金屬對柑橘類果實的長期影響。

本研究表明，井岡蜜柚園不同土層深度土壤重金屬差異較小，與陸泰良等[35]在廣西桂林市桃園土壤重金屬研究結果相似，說明0—40 cm土壤均易受到重金屬污染的影響。井岡蜜柚園土壤重金屬Cr與Pb、As具有較好的同源性，Cd具有單一來源，受人類因素影響大。楊玉等[21]研究表明，相同土層中重金屬Pb與As、Cr呈顯著相關，同源性很高，可能來自同一污染源。本研究還發現，土壤pH和有機質含量是影響井岡蜜柚土壤重金屬變化的主要環境因子。調查區地處亞熱帶季風氣候區，高溫多雨，大部分土壤呈酸性或強酸性，土壤肥力較低。該地區還是酸雨污染區，隨著土壤pH的降低，增加了土壤重金屬的活性，且在酸性環境下，酸離子與土壤膠體吸附的重金屬離子易發生交換，造成土壤中被固定的重金屬淋溶，從而使土壤中重金屬含量增加[36]。

井岡蜜柚園土壤重金屬污染要重點控制和消除污染源，應嚴禁使用重金屬超標的農藥和化肥，并逐步降低化肥和農藥的使用量，增施有機肥并選擇無污染的有機肥；新建果園時需考慮遠離公路、工礦企業等。針對研究區土壤具有酸性強、養分不均等特點，建議采取科學措施平衡和補充土壤養分，防范土壤酸化導致的重金屬活化。研究區部分果園土壤重金屬超標嚴重，果農和有關部門需引起重視，需采取有效措施防范其風險，加強對重點區域井岡蜜柚果實的重金屬檢測，同時重金屬Cd、Pb和Cr是井岡蜜柚園土壤今后監測和控制的重點。

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（責任編輯：張冬玲）