雷州半岛土壤-水果作物系统重金属元素潜在生态风险评价及富集特征研究

汪碧玲，陈碧珊，刘发耀，苏薇薇，柯柳聪，黄欣欣

1.广州大学地理科学与遥感学院，广东 广州 510006；2.岭南师范学院地理科学学院，广东 湛江 524048

土壤是人类生存发展息息相关的基本环境要素（串丽敏等，2014），水果中含有人体所需的营养物质成为人们日常生活不可或缺的食物（马萍，2019）。土壤在发生与发育过程中，与水果作物形成一个藕合的开放系统（李嘉蕊，2019），即土壤-水果作物系统。近年来，工农业的快速发展及生产生活所产生的大量重金属污染物被带入土壤-作物系统中，造成土壤严重的污染，导致土壤中重金属含量增加（刘品祯，2018；马建华等，2014），而部分重金属元素累积在作物果实中，进而通过生态系统循环进入人体，对人体健康带来风险。目前国内外学者对水果作物质量的重金属形态、含量及分布特征和土壤污染进行了大量研究（Teng et al.，2014；Hu et al.，2017），如郑国璋等（2008）认为水果中的重金属主要来自果园土壤；聂继云等（2002）认为果园土壤中的重金属来自“三废”；董峰光等（2018）针对不同果类及不同阶段人群进行重金属污染调查与评价，得出As和Pb是重金属人群膳食暴露的主要污染物；王露（2018）以樱桃作物为例，对关中地区重金属含量特征、污染评价及来源等进行综合分析，结果表明土壤重金属含量大多超过土壤背景值，土壤重金属主要来自农业化肥污染、道路交通污染和自然来源；樱桃重金属与土壤重金属之间相关性较低。

雷州半岛是中国第三大半岛，位于中国大陆的最南端，广东省的西南部，20°13′—21°33′N，109°40′—110°35′E，在行政区划上属于湛江市，辖雷州、廉江、徐闻、遂溪、吴川五县（市）及赤坎、麻章、霞山、坡头四区。雷州半岛作为广东省的重要农业基地，是岭南水果丰收之地，水果种植产量也在逐年增加，2018年湛江市的水果种植总产量达到260多万t。雷州半岛水果种植面积、总产量和总产值均居广东省各地级市的前列，水果产业已发展成为湛江市农业农村经济的支柱产业之一。而目前关于雷州半岛土壤-水果作物系统重金属元素的研究仍处于起步阶段，因而本研究通过对雷州半岛土壤及水果作物重金属元素的含量特征及潜在生态风险进行分析评价，探讨土壤-水果作物系统重金属元素富集特征，进一步了解雷州半岛土壤-作物系统中重金属元素的污染状况及对人体健康的风险，以期为区域土壤的管理与修复以及区域水果食品安全生产提供科学的指导与建议。

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据雷州半岛水果作物种植的种类、规模及分布情况，选取水果作物种植种类多、规模大的徐闻县、雷州市、吴川市、廉江市、麻章区、坡头区及霞山区作为研究区域，自2018年1月—2019年7月，先后对番石榴、红橙、草莓、菠萝、香蕉、芒果、火龙果、荔枝、青枣、杨桃等10种类型水果果园进行表层土壤采集及新鲜水果样品采摘，土壤及水果作物的采样点分布如图1所示，具一定的代表性。土壤样品采用梅花布点法，使用 PVC管及塑料铲采集0—20 cm的表层土壤，共55个土壤样品，质量各约1 kg；水果样品采用塑料剪刀采集收获丰盛期作物的可食用部位，每个样品共采集2 kg左右，共 34个水果样品，但由于部分水果样品糖分太高，无法进行实验室测试，最终分析的水果样品为14个。

图1 雷州半岛土壤及水果作物采样点分布图Fig.1 Distribution map of soil and fruit crop sampling points in Leizhou Peninsula

1.2 样品处理

1.2.1 实验室预处理

采集的土壤及水果作物样品经自然干燥、研磨和过筛等预处理，将采集的土壤样品混合缩分减少至约 100 g，土样经自然风干、剔除杂质后，经玛瑙研钵充分研磨，再过100目筛（0.15 mm）混合均匀后备用；水果样品清洗表面污垢并去除外表皮，用去离子水反复漂洗晾干，水果样品经陶瓷刀切成小块，于60 ℃烘箱中烘干。

1.2.2 重金属元素的测定

完成预处理的土壤、水果样品将被送往澳实矿物实验室（广州）进行样品超痕量多元素测试。其测试过程分别为：一方面称取两份土壤样品，分别经过王水消解及四酸（高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸）消解处理，另一方面称取制备好的水果试样，经稀硝酸进行冷消解等处理，再分别使用ICP-AES（电感耦合等离子体发射光谱仪）和ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）进行综合分析，根据土壤、水果样品的消解效果，将获得样品中砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）、镍（Ni）、铅（Pb）、锌（Zn）8种重金属元素的含量。

1.3 数据分析方法

通过ArcGIS 10.2和Coreldraw 14.0软件绘制采样图、利用Excel 2016和SPSS 25.0统计分析软件处理数据，并结合土壤背景值（许炼烽等，1996）、GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（中华人民共和国生态环境部，2018）和GB 2762—2017《国家食品污染物限量标准》（中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会等，2018），分析不同果园土壤及水果重金属的含量特征，利用潜在生态危害指数法评估污染物重金属的潜在生态风险水平，最后通过富集系数研究重金属在土壤-水果作物系统中的富集特征。

1.3.1 土壤重金属潜在生态风险评价计算方法

1.3.2 土壤-水果系统重金属富集程度计算方法

富集系数是指植物上部某一重金属含量与根部土壤同一重金属含量的比值，反映了重金属从根部往上迁移的能力，其计算方法为（何东等，2013）：

式中：TF表示富集系数，V表示水果可食用部分的元素含量，单位为mg·kg−1；S表示土壤的元素含量，单位为 mg·kg−1。

2 结果与讨论

2.1 表层土壤重金属元素含量特征及潜在生态风险评价

2.1.1 表层土壤重金属元素含量特征

研究区水果作物表层土壤中8种重金属含量如表1所示，呈Cr>Ni>Zn>Cu>Pb>As>Hg>Cd的特征。对比区域土壤背景值发现，除 Pb元素外，其他 7种重金属元素平均含量均超出其背景值，如Ni、Cu元素的污染指数较强，分别为背景值的 7.83、5.30倍，其次为Zn、Cr元素，分别为背景值的 3.61、3.26倍，其余元素仅在个别样品上超出其背景值，表明研究区的土壤遭受一定程度的污染。对照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018），所有元素的平均值均未超过国家标准值，但Cr、Cu、Ni等3种元素含量在个别样点出现不同程度的超标，其中有20个采样点的Ni元素含量超标，超标率达36.36%，有14个采样点的Cr元素含量超标，超标率为25.50%，有5个采样点的Cu元素含量超标，超标率为9.09%；Hg、As、Pb、Zn、Cd元素没有超标，水果作物土壤整体上清洁安全，但在个别样点受Ni、Cr和Cu等重金属元素的污染。

表1 雷州半岛表层土壤重金属元素的含量特征Table 1 Content characteristics of heavy metal elements in the surface soil of Leizhou Peninsula

通过计算水果作物表层土壤中8种重金属的变异系数在离散程度中的大小排序为：Ni>Cr>Cu>Cd>Zn>Pb>Hg>As，在表2中可将这8种元素划分为3个层次：Ni元素的变异系数为115%，属于强变异性，受人为活动影响很大；其余7种元素的变异系数在10%—100%之间，具中等变异性，如Cu、Cr、Cd、Zn、Pb元素的变异系数在 54%—90%之间。结果显示，重金属元素含量在研究区的差异很大，受人类活动影响大而离散程度高；As和Hg元素的变异系数小于50%，分别为42%和48%，说明As和Hg元素在研究区的差异较小，受人类活动干扰较小而离散程度低。土壤中的重金属含量除受成土母质影响（陈燕等，2009），人为因素的作用也逐渐加强；研究区表层土壤重金属的变异系数，整体表明研究区水果作物表层土壤重金属元素受人为活动影响较大，与前人的研究结果相似（杨彦等，2012；罗松英等，2019）。

表2 雷州半岛不同水果种类可食用部分重金属元素含量Table 2 Results of heavy metal elements in edible parts of different fruit types in Leizhou Peninsula μg·g−1

2.1.2 表层土壤重金属元素潜在生态风险评价

图2 雷州半岛表层土壤重金属潜在生态富集系数Fig.2 Potential ecological enrichment coefficient of heavy metals in the surface soil of Leizhou Peninsula

图3 雷州半岛各市（县、区）土壤重金属潜在生态风险参数Fig.3 Potential ecological risk parameters of heavy metals in soils of cities (counties and districts) in Leizhou Peninsula

雷州半岛不同市县区土壤重金属潜在生态风险指数如图4所示，水果作物表层土壤在不同采样区的潜在生态风险指数为 159.44≤RI<388.90，平均值为267.16，为中等—强污染。其中霞山区、坡头区、廉江市和吴川市为中等污染，麻章区、雷州市和徐闻县为强污染。

图4 雷州半岛各市（县、区）土壤重金属潜在生态风险指数Fig.4 Potential Ecological Risk Index of Heavy Metals in Soils (Counties and Districts) of Leizhou Peninsula

2.2 水果作物的重金属元素含量特征

研究区水果的可食用部分各重金属元素含量如表2所示，其中含量最高为Zn元素，范围在8.2—30.2 μg·g−1之间，其次为 Cu元素，范围在 3.15—8.54 μg·g−1之间，而其余重金属元素含量表现为：Ni>Cr>Pb>As>Cd>Hg。与GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》对应的 Cd和Pb元素限量指标相比较，除了草莓中Cd和Pb元素含量超过限量标准，为限量值的 5.44倍和 1.02倍；其他水果种类可食用部分重金属元素含量远低于国家规定的限量指标。其中番石榴的Cd和Pb元素含量分别为限量值的38.0%和83.9%；红橙的Cd和Pb元素含量分别为限量值的18.0%和62.4%；菠萝的 Cd和 Pb元素含量分别为限量值的 70.0%和78.4%；香蕉的Cd和Pb元素含量分别为限量值的4.0%和9.2%；芒果的Cd和Pb元素含量分别为限量值的 26.0%和 19.5%。由此可以看出大部分水果重金属元素含量目前处于安全状态，但不同水果对重金属元素的吸附能力存在差异，以草莓、菠萝和番石榴对Cd和Pb重金属元素的吸附能力较强。而草莓中 Cd和 Pb元素含量超过国家规定的限量标准，其原因主要与化肥农药的残留有关（王宇，2014）。目前，水果作物中As、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn等元素还未制定限量标准，因而无法判定其在水果作物中的安全性水平。建议相关部门根据发展需要，对标准进行不断修订和完善，以发挥其对农业生产发展应有的重要作用（郝变青等，2015）。

2.3 土壤-水果作物系统重金属元素富集特征及规律分析

2.3.1 土壤-水果作物系统重金属元素的相关性分析

经软件SPSS 25.0的皮尔逊相关系数分析后，将水果作物及其相应土壤中的8种元素的含量进行对比，结果如表3所示。在相关性分析中，Hg、As、Ni、Cu、Pb元素呈现正相关，Zn、Cd、Cr元素呈现负相关，Cu元素在0.05水平上呈现显著正相关，主要原因是Cu元素作为植物生长所需的微量元素，在生长过程中可能会随养分而迁移富集于植物体内。研究区土壤和水果作物之间的重金属含量整体呈现较弱的正相关关系，可能是由于水果作物实验测试的数量较少，因而相关系数较低，这表明重金属元素在土壤-水果作物系统中迁移、转化、富集能力较低。

表3 土壤-水果作物重金属元素相关系数分析结果Table 3 Analysis results of correlation coefficients of heavy metal elements in soil-fruit crops

2.3.2 重金属元素在土壤-水果作物系统中的富集特征

土壤中的重金属元素在生长过程中主要被水果作物吸收，因生物学特性和生长周期的差异，不同水果对不同重金属的吸收能力存在巨大差异。衡量不同水果可食用部分吸收土壤重金属元素的能力可用富集系数表示。研究区不同水果可食用部位对所生长土壤中 8种重金属的富集情况如表 4所示，可以看出不同水果作物针对不同重金属的富集能力排序为Cd>Zn>Cu>Hg>Cr>Ni>Pb>As，这与庞荣丽等（2019）、叶嘉敏等（2016）学者对土壤-水果作物系统中重金属富集特征的分析结果基本相同，特别是Cd元素的富集能力远高于Ni、Pb、As等元素，在中国不同区域农田重金属研究表明农田土壤Cd元素均出现不同程度的富集（吴洋等，2015；窦韦强，2020）。雷州半岛Cd元素的富集系数范围为0.005—6.846，平均值为0.922，表明Cd元素在土壤-水果作物系统中具较好的富集能力，更易被土壤吸收并向地上部分富集，这在所测的水果样品（草莓、菠萝）中表现得最为明显，Cd元素在土壤中已构成中等污染，应成为研究区重点关注的元素之一。Zn、Cu是植物生长必不可少的微量元素，具极高的富集能力，均在草莓样品中表现得最为突出，而As作为植物生长非必需的微量元素，在各类水果样品中富集系数均为较小，表明不易从土壤向水果的可食用部分富集（张默，2010）。

表4 雷州半岛中土壤-水果作物系统重金属元素富集系数Table 4 Migration coefficient of heavy metal elements in soil-fruit crop system in Leizhou Peninsula

3 结论

通过对雷州半岛55个土壤样品和14个水果作物样品进行测试，分析了表层土壤和水果作物中的8种重金属的含量，并对表层土壤重金属的潜在生态风险进行评价，探讨土壤-水果作物系统中重金属元素的富集特征。

（1）从表层土壤重金属含量看，研究区内表层土壤重金属元素含量的平均值除 Pb元素之外，其他均超过环境背景值，变异系数均在中等变异性之上，表明随着工农业发展等经济活动，表层土壤重金属存在一定的富集现象。

（2）从表层土壤潜在生态风险评价上，总体上属于中等—强污染；其中，徐闻县、雷州市、麻章区为强风险，廉江市、霞山区、坡头区和吴川市为中等风险。可以看出土壤重金属在空间分布上存在明显差异；由于土壤重金属具有高隐蔽和多源性等特点，区域土壤重金属的风险状况有待于进一步深入了解。

（3）从水果作物重金属含量看，不同水果作物对重金属的吸附能力不同，除草莓外，其他水果作物等Cd和Pb元素含量均未超过国家规定的限量标准，表明大部分水果作物重金属元素含量处于安全状态，但不同水果对同一种重金属元素的吸附能力存在差异，尤其以草莓、番石榴和菠萝3种水果的吸附能力较强，与农药化肥的施用有一定的关系。

（4）从重金属元素在土壤-水果作物的富集情况看，雷州半岛表层土壤和水果作物之间的重金属含量整体呈现较弱的正相关关系，不同种类水果对不同元素的富集有很大差异，水果对 Cd元素的富集能力最强，而其他重金属元素富集系数较低，表明重金属元素在土壤-水果作物系统中迁移、转化、富集能力较低。