河源市紫金县森林土壤重金属分布特征及污染评价*

张亚男 张中瑞 魏 丹 朱航勇张 耕 余 斐 丁晓纲

（广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

土壤是森林植被的基础，土壤质量直接影响森林的生长发育[1]。近年来，随着经济的飞速发展、城市化进程的不断推进，人类对土地和矿物资源的过度开发、对农药和化肥的不合理使用，导致土壤质量严重下降，甚至造成土壤污染，其中重金属污染是其污染源之一。重金属稳定性强、难降解、半衰期长，土壤一旦遭受重金属污染将会影响森林生态系统的结构和功能，并通过食物链富集，最终对人类健康造成危害[2-5]。

2014 年4 月环保部和国土资源部联合发布的全国首次土壤污染状况调查显示，我国天然林、次生林和人工林林地土壤点位超标率高达10.0%，污染的重金属主要是镉、砷等[6]。有研究表明，铜矿开采以及长期过度施肥造成浙江地区香榧Torreya grandis集中种植区土壤处于轻度污染状态，其中镉污染的潜在风险最大[4]。张富贵等[7]基于乡镇尺度对西南地区农田土壤重金属进行风险评价，发现镉是污染风险最大的元素，且存在多种重金属复合污染，生态风险较高。

紫金县是华南地区重要的茶叶主产区和森林资源分布区，在土壤质量方面有着更高需求[8-9]。本研究以紫金县森林土壤为研究对象，分析其重金属含量（镉Cd、砷As、铅Pb、铜Cu、镍Ni），进而评价紫金县森林土壤重金属污染状况，为提高紫金县森林土壤质量，维持生态系统安全提供参考[10-11]。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究区系广东省中东部的河源市紫金县（114°40′～115°30′E, 23°10′～23°45′N）， 属 南 亚 热带季风气候区，季风明显，夏长冬短，年均气温20.5 ℃，年均降水量1 733.9 mm，年均日照时数1 705.7 h，年均相对湿度83%。地形以山地、丘陵为主，面积为3 046 km2，占全县总面积的84%，具有“八山一水一分田”的特点。成土母质为花岗岩，土壤以黄壤、红壤和赤红壤为主。研究区内森林覆盖率高达75.62%，主要为暖性针阔混交林、热性针叶林、常绿阔叶林[8]。

1.2 试验方法

2020 年7—9 月，根据研究区植被、地形、气候特征等状况，确定30 个林分（即基本样本量n=30），所选林分主要包括有人工林（杉木林、桉树林为主）和自然林（常绿阔叶林、落叶阔叶混交林为主），并采用典型抽样法布设样点，各样点均选择有代表性地段并间隔一定距离（＞10 m）挖掘3 个土壤剖面，剖面长1.2 m，宽1 m，深1 m。每个剖面均间隔20 cm 分层取样，从上至下依次为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，将5 层土样分装并及时带回实验室，在室内常温下风干，拣出杂物，磨碎并充分混合，过100 目尼龙筛后用于检测土壤样品中的砷、铅、镉、铜和镍的含量[12-13]。

1.3 项目测定

土壤样品重金属含量测定：原子荧光法测定砷（As）、铅（Pb）含量，参照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》（GB/T22105-2008）[14]；火焰原子吸收分光光度法测定铜（Cu）、镍（Ni）含量，参照《土壤和沉积物铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ491-2019）[15]；石墨炉原子吸收分光光度法测定镉（Cd）含量，参照《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）[16]。

1.4 统计方法

采用描述性统计分析分别研究5 层土壤重金属元素含量；采用相关性分析研究土壤重金属元素含量间的相关性（取5 层土壤样品的平均值）；采用单因子污染指数法（单一重金属元素对土壤的污染状况）和内梅罗综合指数法（多种重金属元素对土壤的污染状况，特别是高浓度重金属对土壤的影响）评价土壤重金属污染状况（取5 层土壤样品的平均值），单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法计算公式如下：

公式(1)中，Pi为土壤重金属的单因子污染指数；Ci为重金属i的实测值（mg·kg-1）；Si为重金属评价标准值（mg·kg-1）。本研究以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）中pH ≤ 5.5 其他类型下的风险筛选值作为评价标准值[17]。单因子污染指数法评价标准分4 级：无污染（Pi≤ 1.0）、轻度污染（1.0 ＜Pi≤ 2.0）、中度污染（2.0 ＜Pi≤ 3.0）、重度污染（Pi≥ 3.0）。公式（2）中，P为内梅罗综合污染指数，Pimax为重金属单因子污染指数最大值，Piavg为重金属单因子污染指数平均值。内梅罗污染指数评价标准分5 级：清洁（P≤ 0.7）、尚清洁（即警戒线0.7 ＜P≤ 1.0）、轻度污染（1.0 ＜P≤ 2.0）、中度污染（2.0 ＜P≤ 3.0）、重度污染（P≥ 3.0）[3-5,18]。

1.5 数据分析

采用Excel 和SPSS 25.0 软件对数据进行整理和分析。

2 结果与分析

2.1 紫金县森林土壤重金属含量

紫金县森林土壤重金属含量如表1。0～100 cm层的砷超过污染风险筛选值，0～80 cm 层的铅、铜、镍、镉低于污染风险筛选值。砷和铅含量在60～80 cm 土层中含量最高，随着土层加深先增后减；铜和镍含量在80～100 cm 土层中最高，随着土层加深逐渐递增；镉含量在0～20 cm 土层中最高，其含量在各层土壤中变化不明显。

表1 紫金县森林土壤重金属含量比较Table 1 Comparison of heavy metal content in forest soil of Zijin county

5 层土壤混合样中，砷超过了污染风险筛选值，铅、铜、镍、镉均低于污染风险筛选值。

2.2 紫金县森林土壤重金属含量相关性分析

紫金县森林土壤重金属含量相关性分析如表2，砷含量与铜含量呈极显著正相关；铅含量与镉含量呈极显著正相关；铜含量与镉含量呈显著正相关；其余元素间相关性不显著。

表2 紫金县森林土壤重金属含量相关性分析Table 2 The correlation analysis in forest soils heavy metals content of Zijin county

2.3 紫金县森林土壤重金属污染评价

紫金县森林土壤重金属元素污染指数评价结果如表3。重金属元素铅、铜、镍、镉的单因子污染指数均小于1.0，属无污染等级；重金属元素砷的单因子污染指数为1.905，属轻度污染。紫金县森林土壤内梅罗综合污染指数为 1.439，属轻度污染。

表3 紫金县森林土壤重金属污染评价Table 3 The evaluation of heavy metals pollution in forest soils of Zijin County

3 结论与讨论

对土壤造成重金属污染的主要是密度大于5 g·cm3的金属：铬Cr、镉Cd、铅Pb、砷As、汞Hg 和铜Cu，其中砷由于化学性质及毒性被归于重金属污染。重金属在土壤中具有易积累、难降解、隐蔽性强、残留时间长、难以彻底去除等特性，当土壤中重金属含量过高时，依附于土壤生存的动植物及微生物均会受到影响[19-24]。紫金县森林土壤各层重金属元素含量不完全相同，5 层土壤及混合后的土壤砷含量均超过污染风险筛选值，铅、铜、镍、镉含量处在污染风险筛选值以内。

土壤重金属既来源于土壤母质，也受人类活动的影响，相同来源的重金属间存在一定的相关性。同时，相关性显著的重金属具有较好的伴生关系[19,25-26]。本研究得出：砷含量与铜含量呈极显著正相关，铅含量与镉含量呈极显著正相关，铜含量与镉含量呈显著正相关，表明砷、铜、铅、镉元素可能来自同一污染源，同时这些重金属之间存在一定的伴生关系。

从单因子污染指数和内梅罗综合指数评价结果来看，紫金县森林土壤重金属中砷的单因子污染指数超过1，属轻度污染，内梅罗综合污染指数为1.439，属轻度污染等级。农药、杀虫剂、冶炼原料、染料等工业制品中含有大量砷、镉、镍元素及其化合物[3,11,27-28]，本研究结果表明人类的生产活动已经对紫金县森林土壤产生影响，需对紫金县森林土壤定期开展污染检测，控制并降低污染风险，减少重金属对森林生态系统的影响。