长白山地区园参地土壤环境质量及重金属潜在生态风险评价——以敦化市为例

徐万玲， 王钰婷， 李会杰， 朱卫红，

( 1.延边大学长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室， 吉林 延吉 133000；2.延边大学理学院 地理系， 吉林 延吉 133000 )

人参(Panaxginseng)为五加科植物，主要产于我国东北地区，其干燥根茎具有补脾益肺、安神益智之功效[1].由于人参是多年生宿根草本植物，因此，土壤质量的好坏对人参的质量与产量起着决定性作用，特别是氮、磷、钾的含量对人参的生长发育至关重要[2].随着工业化生产的发展，重金属对土壤的污染呈加重趋势，同时农业生产过程中化肥和农药的使用也会造成土壤中重金属的富集,加重土壤重金属的污染，给农业生产带来安全隐患[3].李成等[4]研究发现，人参随种植年限的增加对Cu、Mn、Zn有明显的积累趋势；张亚玉等[5]研究表明，农田栽参土壤中的镉、铬、铜和铅元素的生物有效性高于林下参，因此林下参的品质相对较高.Kükrer S等[6]、Soffianian A等[7]、Niu L等[8]探讨了重金属在沉积物、城市土地、农用地等土壤中的分布特征，并进行了生态风险评估，结果均表明重金属污染应当引起重视.本文以敦化市为例，分析研究不同园参地土壤重金属的污染特征，并对土壤重金属潜在生态风险程度、土壤环境质量及肥力质量进行了评价，旨在揭示长白山地区园参地生态安全现状，为该区域人参栽培产业发展提供理论依据，为生态系统保护及污染防治提供基础数据.

1 研究区概况

敦化市位于吉林省东部山区，隶属延边朝鲜族自治州(图1)，是吉林省区域面积最大的县级市(11 957 km2)，生态气候适宜人参生长.敦化市的主要经济作物为参药、烟叶等，是我国东北东部重要的中药材集散地.敦化市平均海拔高度为756 m，地势四周高、中部低；属中温带冷凉气候区.年平均气温为2.6 ℃，年平均降雨量为631.8 mm，山区气候特点明显.

图1 长白山地区图及监测点位置

2 研究方法

2.1 土壤样品的采集

2013年8月，在敦化市选取18个采样区(园参地分布集中且具有代表性的区域)，每个采样区依据均匀性，按梅花采样法设置5个土壤监测点，共计90个；在每个监测点取0～30 cm土壤，土样去除砾石、碎屑等杂物后，自然风干，过100目尼龙筛，储存备用.

2.2 分析方法

利用电感耦合等离子质谱法对样品土壤中的Cr、Cu、Ni、Zn和Pb 5种元素进行测定.土壤pH值采用电位法，有机质采用重铬酸钾-浓硫酸氧化外加热测定法，全氮采用半微量凯氏定氮法，碱解氮采用锌-硫酸亚铁还原半微量凯氏定氮法，有效磷采用碳酸氢钠浸提铝锑抗比色分光光度计法，速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度法.

2.3 评价方法

土壤重金属评价采用内梅罗(Nemoro)综合污染指数法[9]，土壤肥力评价采用修正后的内梅罗指数法[10].

3 结果与分析

3.1 园参地土壤中重金属元素的含量与分布

3.1.1Cr的含量与分布 如表1所示，不同园参地土壤中Cr的含量范围为35.22～75.36 mg/kg，在中国和吉林省土壤Cr背景值含量的95%置信区间范围内(吉林省土壤Cr背景值含量的95%置信区间为18.09～98.70 mg/kg[11]14，中国土壤Cr背景值含量的95%置信区间为19.3～150.2 mg/kg[12]).相对于中国土壤Cr背景值的超出率为11%，而相对于长白山地土壤Cr的平均含量的超出率为33%.不同园参地土壤中Cr含量的平均值为46.93 mg/kg，均低于中国土壤Cr背景值(53.9 mg/kg[12])和长白山地土壤Cr的平均含量(49.39 mg/kg[11]18).所有监测点土壤Cr含量均符合绿色食品生产基地土壤标准[13](Cr≤120 mg/kg)和土壤环境质量标准(GB15618—1995)[14]的二级标准(Cr≤150 mg/kg).

表1 不同园参地土壤中重金属的含量(mg/kg)

3.1.2Cu的含量与分布 由表1所示，研究区不同园参地土壤中Cu的含量范围为17.68～39.10 mg/kg，均高于长白山地土壤Cu背景值(17.36 mg/kg[11]18)，其中个别监测点超出吉林省土壤Cu背景值含量的95%置信区间(8.23～32.43 mg/kg[11]14)，相对于我国土壤Cu背景值(20.0 mg/kg[12])的超出率为94%，在中国土壤重金属背景值Cu含量95%置信区间范围(7.3～55.1 mg/kg[12])内.不同园参地土壤中Cu含量的平均值为26.83 mg/kg，超过中国土壤Cu背景值.所有监测点土壤Cu含量均达到了土壤环境质量二级标准(Cu≤50 mg/kg)和绿色食品生产基地土壤标准(Cu≤50 mg/kg).

3.1.3Ni的含量与分布 如表1所示，不同园参地土壤中Ni的含量范围为18.44～51.64 mg/kg，相对于我国土壤Ni背景值(23.4 mg/kg[12])的超出率为94%，相对于长白山地土壤Ni背景值(24.07 mg/kg[11]18)的超出率为89%，其中仅1个监测点的Ni含量超出吉林省土壤Ni背景值含量的95%置信区间(10.44～44.22 mg/kg[11]14)，但所有观测点的Ni含量均在中国土壤Ni背景值含量的95%置信区间范围(7.7～71.0 mg/kg[12])内.不同园参地土壤中Ni含量的平均值为29.61 mg/kg，超过中国和长白山地土壤Ni背景值.其中D2观测点Ni的平均含量(51.64 mg/kg)略超出了土壤环境质量二级标准(Ni≤50 mg/kg).

3.1.4Zn的含量与分布 由表1所示，不同园参地土壤中Zn的含量范围是62.74～122.74 mg/kg，均高于中国土壤重金属背景值Zn含量95%置信区间(28.4～55.1 mg/kg[12])，但均在吉林省土壤Zn背景值含量的95%置信区间(22.72～189.44 mg/kg[11]14)内，相对于长白山地土壤Zn背景值(94.9 mg/kg[11]18)的超出率是28%，相对于中国土壤Zn背景值(67.7 mg/kg[12])的超出率为94%.不同园参地土壤中Zn含量的平均值为88.75 mg/kg，高于中国土壤Zn背景值，而低于长白山地土壤Zn背景值，达到土壤环境质量二级标准(Zn≤200 mg/kg).

3.1.5Pb的含量与分布 如表1所示，不同园参地土壤中Pb的含量范围为38.81～48.22 mg/kg，平均值为43.44 mg/kg，均高于中国土壤Pb背景值(23.6 mg/kg[12])和长白山地土壤Pb背景值(25.61 mg/kg[11]18)，同时超出吉林省土壤Pb背景值含量的95%置信区间(13.17～37.25 mg/kg[11]14)，但属于中国土壤重金属背景值Pb含量95%置信区间(10.0～56.1 mg/kg[12])，其原因与参棚使用塑料薄膜有关.不同园参地土壤中Pb的含量均达到了土壤环境质量二级标准(Pb≤250 mg/kg)和绿色食品生产基地土壤标准(Pb≤50 mg/kg).

3.2 园参地土壤重金属污染综合评价

为全面了解各种污染物对参地土壤环境的贡献，突出高质量分数污染物对土壤环境的影响，本文采用内梅罗污染指数对土壤中的重金属进行综合评价，其计算公式为：

综合污染指数分级标准：Pz≤0.7时，土壤环境质量属清洁，等级为Ⅰ级；0.73时，属重污染，土壤等级为Ⅴ级.

中药材生产质量管理规范(GAP)中规定中药材产地的土壤应符合国家土壤环境质量标准的二级标准，因此，本文选取国家土壤环境质量二级标准，应用内梅罗污染指数法对不同园参地土壤中重金属的污染程度进行评价(表2).

如表2所示，所有园参地监测点土壤中Cr、Cu、Zn和Pb的单因子污染指数小于1，为无污染等级(单因子污染指数的分级标准：Pn≤1,无污染；13，重污染)，监测点D2和D5土壤Ni达到轻污染.重金属污染程度为Ni>Cu>Zn>Cr>Pb.

从内梅罗综合污染指数可知，D3、D4、D5和D14监测点属于Ⅱ级土壤,污染等级为尚清洁；D2监测点属于Ⅲ级土壤，已达到轻度污染；其他监测点均为Ⅰ级土壤，污染等级为清洁.这表明，园参地土壤质量的整体水平基本达到了GAP无公害中药材生产基地的要求.

表2 不同园参地土壤重金属污染综合指数

3.3 园参地土壤肥力的质量评价

3.3.1园参地土壤肥力 将测量的园参地土壤肥力各指标数据进行统计，经计算得出园参地的有机质含量范围为57.5～143.3 g/kg，其中全N含量为2.22～6.12 g/kg，有效P含量为23～405.6 mg/kg，速效K含量为213～1 191 mg/kg，均达到国家绿色食品土壤环境一级标准(绿色食品产地环境质量标准NY/T391—2000：有机质>15 g/kg；全N>1.0 g/kg；有效P>10 mg/kg；速效K>120 mg/kg).园参地土壤的pH值为4.3～5.29，略低于适宜人参生长的pH值(一般认为适宜人参生长的土壤pH值为5.4～7.0[2])，在栽培过程中应予以适当的调节.

3.3.2园参地土壤肥力质量评价 参照第2次全国土壤普查标准(表3)对土壤不同属性因子的实测值进行标准化处理，得到土壤肥力单因子系数.修正后的内梅罗指数公式为

表3 土壤各属性因子的分级标准

根据土壤属性因子并按照上述评价方法和评价标准，得到不同园参地土壤单因子肥力系数和综合肥力系数，见表4.不同园参地的土壤肥力系数P的范围为1.67～1.96，均属中等以上水平，适于绿色无公害园参地的建设.

3.4 园参地土壤重金属潜在生态风险评价

Hakanson[15]的潜在生态危害指数法侧重于多元素的协同作用，同时考虑到了各重金属元素的毒性，通过与研究区域土壤重金属背景值进行比较，能够综合地反映出研究区土壤中重金属对生态环境的潜在影响，因此在国际上被广泛应用[16].重金属潜在生态危害指数计算公式为

4 结论

1) 研究区域中不同园参地土壤中的重金属(Cr、Cu、Ni和Pb)含量均在我国土壤背景值范围内，其中Cu、Ni和Pb略超出吉林省土壤背景值范围；在18个监测点中，重金属Zn的含量均超出我国土壤背景值范围，但在吉林省土壤背景值范围内，这与长白山独特的地质背景有关.

2) 从整体上看，长白山地区土壤中的重金属对园参生长是安全的，其中Cr、Cu、Zn和Pb的含量均符合国家土壤环境质量二级标准，且Cr、Cu和Pb的含量均在绿色食品生产土壤标准限定值范围内.在18个监测点中，有一个监测点的Ni含量略超出国家土壤环境质量二级标准，其原因可能与成土母质本身含量过高以及农药、无机磷肥等的大量施用有关.

3) 采用土壤内梅罗指数法评价(以国家土壤环境质量二级为评价标准)表明，在18个监测点中，仅D2监测点土壤为重金属轻度污染，其他均属清洁土壤；采用Hakanson潜在生态危害评价法(以长白山区土壤背景值为标准)评价表明，研究区内土壤重金属污染均属于轻度生态危害；采用土壤内梅罗指数法对研究区土壤肥力质量评价表明，所有监测点的土壤肥力均处于中等以上水平：因此，从综合土壤环境质量和肥力质量来看，长白山地区园参地为无公害绿色人参生产基地.

4) 各监测点的有效P含量较高(最高达405.6 mg/kg)，在汛期会引起磷素的高度淋溶，从而会导致磷素向区域内水体流失，对长白山地区的水质产生潜在危害.

表4 土壤的单因子肥力系数和综合肥力系数

表5 园参地土壤中重金属的潜在生态风险指数

参考文献：

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