喀斯特地区无籽刺梨种植基地土壤重金属风险评价

张泽东， 李朝婵， 黄先飞， 胡继伟， 范明毅， 李婕羚， 吴先亮

(1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵州贵阳 550001； 2.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态保护重点实验室，贵州贵阳 550001)

无籽刺梨(RosasterilisS. D. Shi)别称金刺梨，属蔷薇科蔷薇属多年生攀缘类果树，为贵州省特有种，集中分布于贵阳市、安顺市、黔西南、黔南州等地区[1]。无籽刺梨在贵州喀斯特地区瘠薄的土壤条件下能很好地生长，其特有的生态适应性，抗旱、耐瘠、浅根系，是贵州喀斯特地区植被恢复的重要树种。无籽刺梨单株产量高，富含糖、维生素、氨基酸等，且还含有10余种对人体有益的微量元素[2]，市场前景广阔，在贵州各地被广泛引种栽种。随着人们生活质量的不断提高，人们对绿色无公害有机产品的需求也不断增大，有机农业种植已经成为人类获取安全食品和农民增产增收的主要种植方式[3]。近年来，人们不断地追求农产品的产值大量施用化肥农药以及开采矿山，土壤重金属污染问题日益严重[4-5]。一旦重金属的含量超标，会危及到农产品的品质、产量，并通过食物链的富集和生物的放大作用对生态环境和人体健康带来极大的危害[6-7]。重金属是一种难于控制的污染物，具有强毒性，长期潜伏，能不断在食物链中富集等特点[8-10]，重金属污染很难被生物降解或通过土壤自净，所以土壤遭受重金属污染很难恢复[11]，如何有效减轻和修复重金属污染，缓解其对人体、生物和生态环境的危害是当今环境问题的难题之一[12]。喀斯特地区地貌类型复杂、山高坡陡、土层瘠薄而不连续，生态环境脆弱，土地承载负荷大，污染不易被修复[3]，加大了该地区土壤重金属的治理难度。目前，喀斯特地区土壤研究主要集中于喀斯特坡地石漠化治理以及水分变异规律[13-14]、土地利用方式的研究[15-16]、土壤重金属评价[17]、土壤肥力评价[18]、土壤有效养分[19]以及土壤酶与养分关系等[20-21]，对无籽刺梨种植基地土壤重金属含量的分析及风险评价研究较少。

本研究以贵州省10个无籽刺梨种植基地为对象，选取铜(Cu)、砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等5种重金属元素，通过单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、Hakanson潜在生态危害指数法对基地土壤重金属污染进行综合评价，研究5种重金属在各种植基地土壤的污染状况及潜在生态风险，为基地土壤研究提供必要的数据支持与参考依据，对促进贵州喀斯特地区无籽刺梨基地土壤治理具有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省黔西南州、贵阳市和安顺市，经纬度位置分别为25°05′～26°29′N、104°53′～105°29′E；26°48′～27°22′N、106°45′～107°17′E；25°21′～26°38′N、105°13′～106°34′E；平均海拔分别为1 430、1 165、1 398 m；年均温度分别为15.2、12.9、14.1 ℃；年降雨量分别为1 178、1 258、1 360 mm。气候类型为亚热带高原季风湿润性气候，在湿润气候的影响下，碳酸盐岩发育，土壤类型为亚热带常绿阔叶林红、黄壤。研究区位于全球著名的喀斯特发育地带，是一个典型的喀斯特地貌区，该区属于国家科技部划定的石漠化工程治理区域，近年来在石漠化的修复过程中，无籽刺梨的生态价值和经济价值得到发掘。共10个基地分别为1号：禾丰乡(HF)，2号：回龙镇(HL)，3号：雨樟镇(YZ)，4号：石厂乡(SC)，5号：宁谷镇(NG)，6号：鸡场乡(JC)，7号：龙宫镇(LG)，8号：七眼桥镇(QYQ)，9号：双堡镇(SP)，10号：夏云镇(XY)。采样点地理位置见图1。

1.2 样品采集

于2015年10月选定贵州省喀斯特地区10个无籽刺梨栽培基地，覆盖贵阳市、黔西南州、安顺市3个市(州)。基于各基地种植面积大小与地理概况，采用分层随机抽样布点法确定采样点数并编号，每个基地分别随机采取5～10个土样，采样深度为0～30 cm，混合均匀后按四分法各取1 kg带回实验室自然风干，室内除石粒、植物根，研磨，过100目筛，供测试分析用。

1.3 测定方法

土壤Pb、Cu、Cd含量的测定，采用全消解方法进行处理[22]；Hg和As的测定采用王水消解[23]；土壤pH值的测定用水位浸提电位法，水土比为5 ∶1，测定参考GB 1121—2006《土壤检测》；Pb、Cd、Cu含量用德国耶拿ZEEnit700P型石墨炉与火焰原子吸收光谱仪测定(YY3横向加热石墨管)；As和Hg含量采用AF933型原子荧光光谱仪测定(北京吉天)。土壤试样的测定结果均以干质量计。

1.4 质量控制

样品的处理及测试过程中可能带入杂质，为保证测量的精密度，样品测定时均做空白试验和3组平行试验。分析过程中所用容器均在5%硝酸中浸泡48 h以上，用去离子水冲洗后烘干。测定结果的相对标准偏差均保证小于10%，满足定量测定的要求。

1.5 数据处理

采用ArcGIS软件制作无籽刺梨基地土壤位置分布图，采用Excel、SPSS 19.0软件对试验数据进行处理和潜在生态风险分析等。

1.6 重金属污染评价方法

1.6.1 单因子评价 采用单因子指数法对土壤进行单一元素污染评价[24]，公式为

Pi=Ci/C0。

(1)

式中：Pi为单向污染指数；Ci为污染物实测平均含量(mg/kg)；C0为起始值；i代表某种污物。贵州省土壤元素平均背景值见表1。污染等级划分按丁桑岚所划的4个等级[25]：Ⅰ未污染，实测值<背景值(Pi<1)；Ⅱ轻度污染级，1倍污染起始值≤实测值<2倍污染起始值(1≤Pi<2)；Ⅲ中度污染级，2倍污染起始值≤实测值<3倍污染起始值(2≤Pi<3)；Ⅳ重度污染级，实测值≥3倍污染起始值(Pi≥3)。

表1 贵州省土壤重金属平均背景值及其毒性系数

注：毒性系数源于文献[26]。

1.6.2 尼梅罗综合污染指数 采用尼梅罗(N. L. Nemerow)综合污染指数法全面反映污染物对土壤的作用(表2)，突出高浓度污染物对环境质量的影响，公式为

(2)

式中：P为尼梅罗综合指数；Pave为土壤中所有污染物单因子指数平均值；Pmax为土壤中所有污染物单因子指数最大值。

表2 土壤污染分级标准

1.6.3 潜在生态风险评价 采用Hakanson潜在生态危害指数法划分出潜在生态危害的程度[26]。该指数反映特定环境中每种污染物产生的影响，也反映了多种污染物之间的综合影响。污染土壤中污染物的潜在风险参数和潜在生态危害指数法按下式可表示为：

Fi=Ci/Ce；

(3)

Ei=Ti×Fi；

(4)

(5)

式中：Fi为污染因子(mg/kg)；Ce为某污染物参比值(mg/kg)；Ei为单个重金属潜在生态风险指数，Ei<40为低度潜在生态风险，40≤Ei<80为中度潜在生态风险，80≤Ei<160为较重潜在生态风险，160≤Ei<320为重度潜在生态风险，Ei≥320为严重潜在生态风险；Ti为单个污染物毒性响应参数，Cd、As、Cu、Hg和Pb的毒性系数见表1；RI为多种重金属潜在生态危害指数，RI<150为低度潜在生态风险，150≤RI<300为中度潜在生态风险，300≤RI<600为重度潜在生态风险，RI≥600为严重潜在生态风险。本研究中采用贵州省土壤元素平均背景值为参比值。

2 结果与分析

2.1 无籽刺梨基地土壤重金属的含量与分布

贵州省10个无籽刺梨基地土壤Cu、As、Pb、Cd、Hg含量及其变异系数见表3。结果表明，基地Cu、Cd、Hg平均含量均超过贵州省土壤背景值，SC、XY基地Pb平均含量超过贵州省土壤背景值，所有基地As平均含量低于贵州省土壤背景值。与《国家环境质量标准》[27]二级标准相比，所有基地土壤As和Pb平均含量均未超标，但基地土壤Cu、Cd、Hg超标率分别达50%、100%、60%。

表3 贵州省不同基地无籽刺梨种植土壤重金属含量比较

从各基地土壤重金属的空间变异程度分析，各基地土壤的变异系数差别很大，其中，整体以Hg的变异系数较大，如NG土壤基地Hg的变异系数为1.32%，表明基地土壤中重金属的空间分布有一定差异，各基地重金属含量的最高值与最低值之比均大于2倍以上，这可能与受外界的干扰活动有关。通过基地土壤pH值和重金属含量频次分布图，用Shapiro-Wilk法对数据进行正态检验，得出pH值、As含量属于正态分布，Cu、Pb、Cd和Hg含量属于偏正态分布(图2)。

2.2 重金属污染评价

2.2.1 喀斯特地区无籽刺梨种植基地土壤重金属污染综合评价与单因子评价 土壤重金属污染是众多指标综合作用产生的结果，在气候条件和生产技术水平相同的地理区域，往往受成土母质、人类活动影响[27]，喀斯特地区表现尤为明显。因此，选取Cu、As、Pb、Cd、Hg含量和pH值6个指标对喀斯特地区10个无籽刺梨种植基地土壤重金属污染进行定量化综合评价。从表4可以看出，喀斯特地区无籽刺梨种植基地土壤重金属综合污染指数变幅在7.38～68.42。综合污染指数大于3，均为重度污染级。

2.2.1.1 单一元素的影响 除HF刺梨基地土壤Cd轻度污染外，其他基地Cd为重度污染；As在所有刺梨基地土壤中均未受污染；Cu在HF、SC、JC、SP、XY基地为轻度污染，在HL、LG基地为中度污染，在YZ、QYQ基地为重度污染；Pb在XY、SC基地土壤中为轻度污染，其他基地土壤均无污染；Hg在HF、YZ、SC、JC、LG、XY基地为重度污染，在HL、NG、QYQ、SP基地为轻度污染。

表4 贵州省无籽刺梨种植不同基地土壤重金属的污染评价指数

注：轻表示轻度污染；中表示中度污染；重表示重度污染；未表示未污染。

2.2.1.2 单一基地的影响 不同重金属元素对无籽刺梨土壤的影响不同，HF基地土壤中Hg是重度污染因子，土壤受Cd、Cu轻度污染，土壤未受As、Pb污染；HL基地土壤Cd是重度污染因子，土壤受Cu中度污染和Hg轻度污染，未受As、Pb污染；YZ基地土壤Cu、Cd、Hg是重度污染因子，未受As、Pb污染；SC基地土壤Hg、Cd为重度污染因子，土壤受Cu、Pb轻度污染，未受As污染；NG基地土壤中Cd是重度污染因子，土壤受Cu中度污染和Hg轻度污染，未受As和Pb污染；JC基地土壤中Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu轻度污染，未受As、Pb污染；LG基地土壤Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu中度污染，未受As、Pb污染；QYQ刺梨基地土壤的重度污染因子是Cu和Cd，土壤受Hg轻度污染，未受As、Pb污染；SP基地土壤Cd为重度污染因子，土壤受Cu、Hg轻度污染，未受As、Pb污染；XY刺梨基地土壤Cd、Hg是重度污染因子，土壤受Cu、Pb轻度污染，未受As污染。

2.2.2 潜在生态风险评价 从表5可以看出，10个无籽刺梨基地土壤中，除HF、NG基地重金属为重度潜在风险，其他基地土壤为严重潜在风险。

表5 无籽刺梨不同基地土壤重金属的潜在生态风险评价结果

通过潜在生态风险参数和潜在生态风险指数分析，Cd、Hg、Cu是整个研究区受到污染的元素，由于Cd、Hg毒性系数高，使无籽刺梨基地土壤潜在风险程度高，Cu的毒性系数相对小，基地土壤Cu虽然受到污染，但对风险贡献率不大。所以，无籽刺梨基地土壤的潜在危害风险主要来自于Cd、Hg。

3 讨论与结论

基于喀斯特山区无籽刺梨基地土壤重金属含量分析研究、土壤污染定量化综合分析、单因子与潜在风险分析，发现基地土壤中重金属含量差异较大，不同基地的污染、风险程度不同。其中，基地土壤Cd元素全部超出GB 15618—1995《土壤环境标准》二级标准，此研究与廖银芳等的研究结果一致，贵州省土壤Cd污染尤为严重，全省大部分地区遭受Cd污染[28-29]，主要与土壤的基质有关，可能与燃煤及矿产开采有关[30]。6个基地土壤Hg超过GB 15618—1995《土壤环境标准》二级标准，可能与自然原因有关，贵州省位于汞矿化带，自然释放的汞污染物进入大气环境，通过大气沉降到达土壤[31]。也与人为原因有关，由于Hg的特殊理化性质，人们对Hg的需求越来越大，而贵州省境内分布着大量的汞矿床，汞矿大量开采造成土壤污染[32]。5个基地土壤Cu超过《土壤环境标准》二级标准，这可能与土壤的成土母质、土壤施肥和含硫酸铜杀虫剂等有关[33]。

在地质上喀斯特山区是重要的成矿富集带，已成为我国重要的矿产产区，由于该地区生态环境脆弱[34]，碳酸盐岩母质发育土壤中Pb、Cd、Hg、As、Cu等重金属元素背景值通常也高于非喀斯特地区成土母质发育的土壤[35]；重金属污染物在土壤环境中长期潜伏，很难被植物和土壤降解，它不仅影响农作物产量和生长，可能还使土壤结构和功能发生变化，对喀斯特山区影响尤为严重[36]。土壤污染具有隐蔽性、滞后性、累积性、不可逆转性等特点，而喀斯特山区裂隙构造发育过程中通过大气降水的淋溶作用，下渗到深层土壤，对深层土壤造成污染，须引起足够重视。

贵州省10个无籽刺梨种植基地土壤Hg、Cd、Cu元素均呈现不同程度的超标现象，Pb、As含量符合无公害产地环境要求。其中，基地土壤中Hg的超标率达60%，Cu的超标率达50%，Cd的超标率达100%。

尼梅罗综合污染指数法显示，所有基地土壤重金属污染为重污染级；单因子指数法评价显示，所有的无籽刺梨基地土壤受到不同程度的重金属污染，Cd污染较严重，9个种植基地土壤受到Cd的严重污染，6个基地土壤受到Hg的重度污染。

潜在生态风险参数显示，大部分基地土壤Hg、Cd的潜在风险参数很高，7个基地土壤Hg、Cd的潜在生态风险处于中度潜在生态风险以上；RI显示8个基地土壤重金属处于严重潜在生态风险程度。