江门市林地土壤重金属空间特征*

戴智明 邹祖有 康 剑,3 余 斐朱航勇 张中瑞 丁晓纲

（1.江门市农业科技创新中心， 广东 江门 529099；2.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；3.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

森林是人类赖以生存的重要资源，它不仅能涵养水源、调节气候和保持水土，而且还有净化空气，吸收二氧化碳产生氧气的作用。森林土壤是森林生态系统的物质基础，植物积累的各种营养成分不仅要从大气中摄取，大部分还要依赖森林土壤源源不断地供给，才能使植物顺利地进行各种生命活动。

自20 世纪中期以来，随着现代工业的迅速发展，环境污染越来越严重，而森林土壤重金属污染是环境污染的一个重要方面。森林土壤中过高的重金属含量不仅影响森林土壤生态系统的结构和功能，而且对生态环境、生物健康和人类生存与健康等均造成危害[1-2]，因此，土壤重金属污染逐渐成为人类关注的焦点。重金属是一种毒性大、富集性强、残留周期长的有毒有害物质[3-4]，可通过工业排放、城市交通、大气沉降和生活垃圾排放等方式进入自然环境，对生态环境及人类健康具有极大危害[5-6]。

目前，人们仅对与生活息息相关的农业用地土壤重金属的环境质量评价及重金属的生物有效性关注较多，而认为森林土壤重金属污染状况对人类生活影响不大，对森林土壤重金属污染的研究较少[7-8]。目前，国内外关于森林土壤重金属污染的研究主要集中在重金属污染评价、形态特征、生物有效性以及污染机制等[9]。其中，开展土壤重金属元素的空间分布特征研究，能够直接反映污染的重点分布区域及污染蔓延趋势。而镍是部分植物的必需微量营养元素之一，也是一种致癌的毒性元素。由于工农业生产的不断发展，各种污染物质从多种途径进入土壤环境，对土壤质量和植物造成严重威胁；铜是植物必要的营养元素，但也是重金属污染元素，过量的铜不仅会影响植物的生长和产量，还可能会通过食物链对人畜的健康产生危害。因此，摸清土壤重金属含量分布状况，对人类社会、生态环境建设具有重大意义。本研究通过研究江门市森林土壤镍、铜、镉、铅元素含量状况及空间分布特征，从而评价江门市城市森林土壤重金属含量空间分布及污染风险。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江门位于珠江三角洲的西部，介于北纬21°27′～22°51′，东经111°59′～113°15′之间，是粤港澳大湾区重要节点城市，东部与佛山市顺德区、中山市、珠海市斗门区相邻，西部与阳江市阳东区、阳春市接壤，北部与云浮市新兴县、佛山市高明区和江门市相连，南部濒临南海，毗邻港澳。地貌特征为北低西高，以低山丘陵为主；西南部及东南部较低，以河谷冲积平原和少数丘陵为主，属亚热带季风气候，年平均气温在22 °C 左右，多年平均降雨量2 078 mm[10]。江门市土壤多为赤红壤。

1.2 土壤样品采集及分析

2021 年7 月，根据研究区植被、地形、气候特征等状况，确定基本样本量（n=454），并采用典型抽样法布设样点。选择样点内具有代表性的区域挖掘3 个土壤剖面，各剖面水平距离应大于10 m。每个剖面长1.2 ～ 1.5 m，宽0.8 ～ 1.0 m，剖面深度达母质层或地下水，土层较厚时深度达到1.0 m。各剖面每隔20 cm 分层取样，将各层样品混合均匀后作为该剖面的样品。采集后的土壤样品妥善保存，并及时带回实验室，风干、过筛后以便后续分析。全市累积采集454 个样点（图1）。土壤样品重金属含量分析与测定方法分别为：土壤重金属镉元素含量参照《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》GB/T 17141-1997进行测定[11]，土壤重金属铅元素含量参照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》GB/T 22105.3-2008 进行测定[12]，土壤重金属铜、镍元素含量参照《土壤和沉积物铜、锌、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》HJ 491-2019 进行测定[13]。

图1 江门市林地土壤采样点分布图Figure 1 Distribution of forest soil sampling sites in Jiangmen city

1.3 数据分析

通过Excel 对土壤养分含量进行描述性统计，包括均值、极值、标准差等。依据农用地土壤污染风险筛选值如表1，对江门市林地土壤重金属元素的环境状况进行评价。本研究运用ArcGIS 10.3 软件对土壤重金属进行空间克里格插值（Kriging），进而分析江门市林地土壤重金属空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 江门市林地土壤重金属元素含量统计分析

调查统计结果表明（表1），铅元素含量在整个区域的变异较大，镉元素含量的变异程度最小。

表1 江门市土壤重金属统计值 mg·kg-1Table 1 Statistics of soil heavy metals in Jiangmen city

江门市林地土壤的镍、镉元素含量均低于农用地土壤风险筛选值；土壤铅、铜在局部区域高于农用地土壤风险筛选值，具体如下：有6 个样点的铜元素含量高于50 mg/kg，占总样本数的1.41%；有22 个样点的铅元素含量高于70 mg/kg，占总样本数的5.16 %。

2.2 江门市林地土壤重金属含量空间分布特征

江门市的林地土壤镍含量均低于60.00 mg/kg（图2），低于农用地土壤污染风险筛选值。其中在鹤山市西部和南部以及东部、蓬江区、江海区、新会区、台山市北部以及南部上川岛、恩平市北部和中部以及东部、开平市东南部和中部以及东北部，镍含量处于2.18～7.31 mg/kg 的范围。鹤山市北部、台山市西部以及南部下川岛，处于7.32～27.54 mg/kg 的范围。鹤山市北部、台山市中部以及东部均高于27.55 mg/kg。整体来看，江门市林地土壤镍含量空间分布呈现中间低、四周高的分布特征。

图2 江门市林地土壤镍含量空间分布Figure 2 Spatial distribution of soil nickel content in forestland of Jiangmen city

江门市大部分地区的铜含量均低于50 mg/kg（图3），低于农用地土壤污染风险值。鹤山市西部和南部以及西部、蓬江区、江海区、新会区西部和东部以及南部、台山市东北部以及南部、恩平市北部和东部以及南部、开平市中部和南部以及东部，土壤铜含量低于16.31 mg/kg；鹤山市北部、台山市中部和北部以及东部部分地区、恩平市西北部和中部部分地区、开平市北部，土壤铜含量处于16.32～50 mg/kg 的范围；以上地区均低于农用地土壤污染风险筛选值。鹤山市北部、台山市中部以及东部部分地区、恩平市中部，土壤铜含量均高于50 mg/kg，超过农用地土壤铜污染筛选值。整体来看，江门市林地土壤铜含量呈现中间低、四周高的分布特征。

图3 江门市林地土壤铜含量空间分布Figure 3 Spatial distribution of soil copper content in forestland of Jiangmen city

镉是最为常见的重金属污染元素之一，镉含量超标极易引发土壤性质的改变，土壤中镉主要来源于相关冶炼厂废物的排放。江门市林地土壤镉含量的空间分布如图4 所示。江门市的林地土壤镉含量均低于0.30 mg/kg，低于农用地土壤污染风险筛选值。其中鹤山市、蓬江区、江海区、新会区北部、台山市北部和中部以及南部岛屿、恩平市中部以及东北部开平市南部和中部以及东北部，土壤镉含量处于0.001～0.01 mg/kg 的范围。新会区南部、台山市中部和东部以及西部、恩平市北部以及南部、开平市西北部，土壤镉含量处于0.01～0.04 mg/kg 的范围。整体来看，江门市林地土壤镉含量呈现中间低、四周高的分布特征。

图4 江门市林地土壤镉含量空间分布Figure 4 Spatial distribution of soil cadmium content in forestland of Jiangmen city

铅是可在人体和动植物组织中蓄积的有毒重金属元素之一，其主要污染源是工业部门排放的废水以及汽车尾气。江门市林地土壤铅含量的空间分布如图5 所示。台山市北部、恩平市中部以及东北部、开平市南部和中部以及东部地区土壤铅含量均低于18.19 mg/kg；鹤山市中部以及西部、蓬江区、江海区、新会区中部和西部、台山市东部和南部以及西部、恩平市西北部、开平市北部处于18.20～70.00 mg/kg 的范围；以上地区均低于农用地土壤污染风险筛选值。鹤山市东北部、新会区南部、台山市东南部、恩平市北部高于70.00 mg/kg，超过农用地土壤铅污染筛选值，土壤存在铅元素污染风险。整体来看，江门市林地土壤铅存含量空间分布呈现中间低、四周高的分布特征。

图5 江门市林地土壤铅含量空间分布Figure 5 Spatial distribution of plumbum content in forestland soil of Jiangmen city

3 讨论与结论

林地土壤重金属的来源是多途径的，主要有大气降尘（降水）、污水灌溉和污泥施用、农药和化肥的使用、固体废弃物的不当堆置等[14-15]。近年来，随着社会经济的大力发展，对有色金属开采冶炼过程中排出的三废、化石燃料特别是煤的燃烧、城市垃圾污泥、含重金属农药化肥的使用等[16-17]。已经造成部分地区土壤重金属含量远远超过土壤环境容量，对植物、动物和土壤微生物构成威胁，也严重威胁着人的健康。大量的重金属进入土壤后很难被分解，更难以从土壤中迁出，这样长时间便会逐渐影响土壤的理化性质和生态结构，有些重金属对植物有一定毒害作用，容易造成植物营养不良，致使林业生产力下降，从而造成极大的经济损失[18]。土壤污染还可能通过影响大气和水体环境质量间接威胁人类健康[19]。铅元素对人体健康危害性极大，一直以来是土壤研究中重点关注的一类污染因子[20]。常用的土壤重金属污染修复方法有物理修复法、化学修复法、生物修复法[21-23]。

江门市林地土壤重金属镍、镉、铜、铅含量的空间分布特征显示，4 种元素含量在空间分布上基本一致，土壤镍、镉元素含量均低于农用地土壤风险筛选值；土壤铅、铜元素在局部区域高于农用地土壤风险筛选值。根据江门市的土壤现状，可以在铅、铜含量超过污染风险值的地区种植超积累植物。建议修复前期先使用蜈蚣草Eremochloa ciliaris、向 日 葵Helianthus annuus、酸模Rumex acetosa、羽叶鬼针草Bidens maximowicziana、大叶井口边草Pteris cretica、金钗凤尾蕨Pteris fauriei等铅污染修复草本植物。以及海州香薷Elsholtzia splendens、鸭跖草Commelina communis、蓖麻Ricinus communis等铜污染修复草本植物[24]。后期再根据前期修复的成效以及当地实际情况再选择竹类[25]、海桐Pittosporum tobira、广玉兰Magnolia grandiflora、吊兰Chlorophytum comosum、杨梅Myrica rubra、侧柏Platycladus orientalis等[26]木本植物进行间作，但由于树种的差异性，建议不要轻易选用外来物种进行大规模种植。