北江流域5种林分类型土壤重金属含量变异性研究

叶彩红，许窕孜，张中瑞，朱航勇，张耕，何茜，丁晓纲

（1广东省林业科学研究院/广东省森林培育与保护利用重点实验室，广州 510520；2华南农业大学林学与风景园林学院，广州 510642）

0 引言

土壤是肥沃的疏松表层，可以让植物生长，是生态系统最基本的组成成分之一，是人类生存和发展的基本资源[1-3]。森林作为地球上最大的陆地生态系统，参与地球的水文、化学与生物循环[4]，具有保水、调节气候和防止污染等生态服务功能。重金属具有不易降解、毒性高、易富集和环境持久性强等特点[5-6]，土壤重金属污染已成为土壤污染中最严重的问题[7]。重金属可以通过多种渠道进入森林并在土壤中聚集，造成严重的生态危害，因此研究森林土壤重金属含量变化对保护生态环境有重要意义。为了解重金属元素对土壤环境质量的影响，在过去的十几年中，已经陆续开发了多种土壤重金属污染评价方法，主要有单因子和内梅罗综合指数法[8]、沉积物富集系数法[9]、污染负荷指数法[10]、地累积指数法[11]和潜在生态风险指数法[12]等。

研究发现，森林土壤重金属污染受土壤母质、林木种类和人为作用等因素影响，并表现出不同的规律。为了解其变化规律，许多学者对不同区域不同林分类型的土壤理化性质展开研究，涉及江西九江[13]、粤西[14]、湖北省桂花林场[15]、商洛金凤山[16]等地，重点比较不同林分类型、土壤重金属污染程度、理化性质等，而对流域尺度的研究相对较少。因此，分析流域尺度的林地土壤重金属污染现状对林地资源的保护具有重要意义。

本研究以北江流域桉树(Eucalyptusrobusta)、竹(Bambusoideae)、杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)和湿地松(Pinuselliotti)5 种林分类型土壤为研究对象，分析北江流域不同林分类型土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg元素含量分布特征，并采用单因子和内梅罗综合指数法、地累积指数法、潜在生态风险指数法对北江流域土壤重金属污染及其潜在生态风险进行评价，以期为北江流域的土壤重金属污染评价提供科学理论指导。

1 研究区的概况及土壤重金属污染评价方法

1.1 研究区的概况

北江是珠江流域第二大水系。发源于江西新丰县，经韶关大余县进入广东，由东北向西南跨越山峦，流经南雄、始兴、曲江等市（县），最后在韶关沙洲末端与武江支流汇合；自北向南经英德、清新、清远至三水口，在思贤滘与西江相接，流入珠江三角洲河网。北江流域包括韶关市、清远市、肇庆市、广州市、佛山市、河源市等6市25县（区）。

研究区位于韶关市中部，北江流域上游，介于东经113°40′—114°45′、北纬24°16′—25°36′之间，地处亚热带和中亚热带，光热资源丰富，气候温和，雨量充沛，非常有利于各种作物的生长。自然资源丰富，农林资源潜力巨大。

1.2 研究步骤和土壤重金属评价方法

1.2.1 林地土壤样品采集与分析按照北江流域的植被、地形、气候等特征，在其两侧选择桉树、竹、马尾松、杉木和湿地松5种不同林分类型林地，确定采样点146个，并采用专题布点与空间随机布点相结合的方法布设样点，其中桉树林38个样点、竹林43个样点、马尾松林32 个样点、杉木林21 个样点、湿地松林12 个样点，采样点分布情况如图1 所示。根据采样点的立地条件，选择地形条件（坡度、坡度方向等）相对平坦、能够代表该区域水平的地方作为剖面点。为确保土壤调查结果科学可靠，每个样点均挖掘3 个土壤剖面，按0～40 cm采集土壤剖面样品。采样时应先在剖面上划好采样深度，从底层向高层分层次采集土壤样品，每份土壤样品重量不低于500 g，总共采集土壤样品438 份。收集的土壤样品密封并储存在聚乙烯密封袋中。运回实验室后，进行干燥、研磨、筛分、混合、分离，最后储存。于2021 年10—12 月前往韶关市进行林地土壤样品采集。

图1 北江流域不同林分类型采样点分布图

林地土壤重金属Cu、Zn、Cr、Ni 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；Hg、Pb 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；pH 参照《森林土壤pH 值的测定》(LY/T 1239—1999)进行测定；全氮(TN)含量参照《森林土壤氮的测定》(LY/T1228—2015)进行测定；全磷(TP)含量参照《森林土壤磷的测定》(LY/T 1232—2015)进行测定；有机碳(OC)含量参照《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》(LY/T 1237—1999)进行测定。

1.2.2 土壤重金属污染评价方法

（1）单因子指数法。单因子指数[17]的计算如式(1)所示。

式中，Pi为单因子指数，Ci为土壤重金属i的实测浓度(mg/kg)，Si为土壤重金属i的标准值(mg/kg)。

本次单因子指数法采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》[18](GB 15618—2018)中的风险筛选值为标准值（非农田）（如表1 所示），中国暂无林地的相关标准。单因子指数法可以将评价等级划分为4个梯度，见表2。

表1 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控筛选值和广东省重金属背景值 mg/kg

表2 单因子和内梅罗综合指数的等级梯度划分标准

（2）内梅罗综合指数法。内梅罗综合指数[19]的计算如式(2)所示。

式中，P为内梅罗综合指数，Pimax为土壤重金属单因子指数的最大值，Piavg为土壤重金属单因子指数的平均值。

内梅罗综合指数可以将评价等级划分为5 个梯度，见表2。

（3）地累积指数法。地累积指数[20]计算如式(3)所示。

式中，Igeo为地累积指数；Cn为土壤重金属n的实测浓度(mg/kg)；Bn为土壤重金属n的背景值(mg/kg)；K为考虑到岩层差异和成岩作用等因素引起背景值变动的常数，一般为1.5。

本次地累积指数法采用广东省土壤重金属元素背景值[21]（表1）为参考背景值。地累积指数可以将评价等级划分为7个梯度，见表3。

表3 地累积指数等级梯度划分标准

（4）潜在生态风险指数法。潜在生态风险指数[22]的计算如式(4)所示。

式中，RI为多种重金属潜在生态风险综合指数，Ei为单一重金属潜在生态风险指数，Tri为土壤重金属i的毒性系数，Ci为土壤重金属i的实测浓度(mg/kg)，Si为土壤重金属i的背景值(mg/kg)。其中Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg的毒性系数[23]分别为2、5、5、1、5、40。

本次潜在生态风险指数法选用广东省重金属元素背景值[21]作为参考背景值（表1）。单一重金属潜在生态风险指数将评价等级划分为5 个梯度，多种重金属潜在生态风险综合指数则被划分为4个等级，见表4。

表4 潜在生态风险指数等级梯度划分标准

1.3 数据分析

利用SPSS对土壤重金属元素含量的平均值、标准方差及变异系数等进行描述性统计；计算Kolmogorov-Smirnov 值，检验数据是否符合正态分布（显著水平α=0.05）。使用Origin 软件绘制污染程度图，使用ArcGIS软件绘制采样点的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型土壤重金属含量及其分布特征

由表5可知，就6种土壤重金属含量平均值来看，除桉树林土壤重金属平均含量是以Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Ni＞Hg的顺序排列，其余4种林分土壤重金属平均含量的排列顺序均为Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞Hg。变异系数(CV)反映样点间数据的离散程度，CV＜0.2为低变异，0.2≤CV＜0.5 为中等变异，0.5≤CV＜1 为高度变异，CV≥1为极度变异[24]。Ni在竹林土壤中的变幅最大，Pb在湿地松林土壤中的变幅最小。湿地松林土壤中的Cr、Pb 元素，桉树林土壤中的Pb 元素，马尾松林土壤中Zn元素，这4种元素的变异系数小于0.2，为低变异；其余林分类型土壤中重金属的变异系数均处于0.2～0.5 之间，为中等变异。6 种重金属元素含量均符合正态分布(α=0.05)。

表5 北江流域不同林分类型林地土壤重金属含量

绘制北江流域采样点的重金属实测值与广东省元素背景值、农用地土壤污染风险筛选值（非农田）的比较图，如图2。以广东省元素背景值为标准时，5 种林分土壤中，94%的Cr、Ni 含量在其之下，但92%Hg 含量超过背景值。以农用地土壤污染风险筛选值（非农田）为标准值时，仅杉木林中的Pb 元素含量存在高于风险筛选值的现象，但超标率低，仅为3%，其余重金属含量均低于风险筛选值。

图2 北江流域不同林分类型土壤各重金属实测值与标准值比较

不同林分土壤的重金属含量如图3 所示，竹林中Ni元素含量显著高于马尾松林和杉木林，竹林中Zn元素含量显著高于桉树林、马尾松林和湿地松林，杉木林和竹林中Pb 元素含量分别显著高于桉树林和湿地松林，其余重金属元素含量在不同林分之间无显著差异。

图3 北江流域不同林分类型土壤重金属含量

2.2 林地土壤重金属元素与土壤养分的关系

由表6可知，Pb元素仅与Zn元素呈极显著正相关关系，Hg元素仅与Cr元素呈极显著正相关关系，其余4种元素两两之间均呈极显著正相关关系。林地土壤重金属与土壤养分（包含pH）的相关分析显示，pH 分别与Zn、Ni元素存在极显著正相关关系；与Hg元素存在极显著负相关关系。TN分别与Hg、Cu元素存在极显著正相关关系。TP与Cr元素无相关性，但和其他5种重金属元素都存在显著相关关系，其中与Hg元素存在显著正相关关系，与Cu、Ni、Pb、Zn元素存在极显著正相关关系。OC 与Cu 元素存在显著正相关关系，与Hg元素存在极显著正相关关系。

表6 北江流域林地土壤重金属元素与土壤养分间的相关关系

2.3 不同林分类型土壤重金属生态危害评价

2.3.1 不同林分类型土壤重金属单因子指数和内梅罗综合污染指数评价如表7 所示，杉木林中Cr、Ni、Cu元素的单因子指数低于其他林分类型，但Pb元素的单因子指数却高于其他林分；竹林中Ni、Cu、Zn 元素的单因子指数均高于其他林分类型。各林分土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg 元素的单因子指数Pi＜1，评价等级为1级，为无污染状态，表明5种林分类型土壤受重金属影响不显著。5 种林分的内梅罗综合指数P＜0.7，评价等级为1级，均处于安全状态，内梅罗指数由小到大依次为湿地松林、桉树林、马尾松林、竹林、杉木林，说明这5 种林分类型的土壤均未受到重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg的污染。

表7 北江流域不同林分类型土壤重金属单因子及内梅罗综合指数评价

2.3.2 不同林分类型土壤重金属地累积指数评价由图4 可知。除竹林土壤中Hg 元素的地累积指数大于0外，其余林分重金属元素的地累积指数均小于0，处于无污染等级；而竹林中Hg元素的地累积指数大于0但小于1，为轻度—中等污染等级。由此可知，除竹林土壤受到Hg 元素污染外，其余林分土壤均未受到Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Hg这6种重金属的污染。

图4 北江流域不同林分类型土壤重金属地累积指数评价

2.3.3 不同林分类型土壤重金属潜在生态风险指数评价由表8 可知，Hg 元素在不同林分中的潜在生态风险系数范围是54.12～63.10，均处于40～80，生态风险等级为中等；其余5 种重金属元素在不同林分的潜在生态风险系数均低于40，生态风险等级为轻微。5 种林分土壤重金属的潜在生态风险指数排序为竹林＞杉木林＞桉树林＞湿地松林＞马尾松林，生态风险指数均小于150，表明这5种林分的土壤重金属综合潜在生态风险等级为轻微生态风险。

表8 北江流域不同林分类型土壤重金属潜在生态风险指数评价

3 结论

（1）北江流域5种林分中，除杉木林中极少部分样点Pb元素含量高于农用地土壤污染风险筛选值（非农田）外，其余林分土壤重金属含量都低于农用地土壤污染风险筛选值（非农田），但Zn、Cu、Pb、Hg元素含量大部分高于广东省元素背景值，由此推测该流域土壤重金属可能不仅受成土母质的影响，还受到人为因素的影响。

（2）6种土壤重金属中Cr、Ni、Cu、Zn这4种重金属两两之间均呈极显著正相关关系，表明这4 种重金属元素可能存在复合型污染，或具有相似的污染来源。土壤重金属含量受土壤TP、pH、OC 和TN 的影响，其中TP的影响最为显著。

（3）研究区大部分地区土壤重金属评价结果为清洁或无污染，仅竹林中Hg元素的地累积指数表现为中等污染，此外Hg元素在各林分的潜在生态风险评价中均为中等生态风险。

4 讨论

4.1 不同林分类型土壤重金属含量及其分布特征

北江流域5种林分类型林地土壤重金属含量及其分布结果表明，6 种重金属元素含量实测值均存在超出广东省元素背景值的现象，但就重金属平均值而言，Pb 元素的平均含量仅在桉树林和湿地松林土壤中低于广东省元素背景值，而Hg元素的平均含量均高于广东省元素背景值。以农用地土壤污染风险筛选值（非农田）为参考值时，仅Pb元素存在污染超标现象，且集中分布在杉木林中。由此推测，5 种林分类型土壤中Cu、Zn、Pb、Hg元素可能不仅受成土母质影响，还受到频繁的人为干扰。

研究区5 种林分类型土壤中Cu、Zn、Pb、Hg 元素含量虽大部分超过了广东省元素背景值，但仅有部分Pb元素含量超出了农用地土壤污染风险筛选值（非农田）。因此，需加强对这4 种重金属的污染防控监测，同时还可以根据植物对重金属的吸附特性，在杉木林中合理混合种植其他可富集Pb元素的植被，利用植物的净化作用缓解该区域Pb元素污染。

4.2 林地土壤重金属元素与土壤养分的相关关系

土壤重金属的主要来源土壤的母质层和人类的社会活动。来自同一来源的重金属通常在某种程度上相关。所以，通过分析相同环境下林地土壤中重金属含量的相关关系，可以推测其来源是否相同[25]。本研究发现，研究区域土壤中Pb 元素与Zn 元素、Hg 元素与Cr 元素分别存在极显著正相关，而Cr、Ni、Cu、Zn 这4种重金属均呈极显著正相关关系，其他重金属之间的相关关系都不显著，说明北江流域林地土壤中Cr、Ni、Cu、Zn 4 种重金属存在复合污染的可能性很大，或是具有相同的污染来源。一方面韶关市是中国重要的矿产基地，Cu、Zn、Cd、Pb、Hg 等矿产储量位居全省第一[26]，被誉为“金属之都”，矿产资源丰富，频繁的采矿活动会带来大量的工业“三废”，通过自然界的迁移和沉降等多种途径进入土壤并不断累积，这可能是这4种重金属之间分别存在极显著相关的原因之一；另一方面可能是存在相同的成土母质，这与Cheng 等[27]研究基本一致。

通过对研究区土壤重金属与土壤养分（包括土壤pH）的相关性分析，土壤pH、TP、TN和OC含量对土壤重金属含量均有一定影响。通常情况下，土壤对重金属的吸附固定能力随pH的升高而增加，从而降低土壤中重金属有效态的含量[28]。本研究中，土壤pH 与Hg元素存在极显著负相关，与Ni、Zn 元素则表现出极显著正相关关系，这可能与pH对土壤重金属吸附、有机质分解、微生物活性等多个化学反应有关[29]，因此表现出不同的相关性。已有研究表明，土壤养分是影响重金属含量的主要因子，可直接或间接影响土壤重金属活性[30]。周曼等[31]、徐磊等[32]研究结果也表明，土壤重金属活性是由多种生态因子共同作用决定的。这与本研究结果一致，即TN、TP、OC与不同重金属具有不同的相关性。这一结果也说明，土壤养分对土壤重金属的影响是一个复杂的过程，它可能通过改变土壤物理性质和化学性质（土壤pH、土壤胶体等）直接或间接改变土壤中重金属的含量。

4.3 不同林分类型土壤重金属生态危害评价

不同的评价方法得出的重金属污染评价结果不同。单因子指数法仅比较实测浓度与评价标准值之间的差距，不能充分反映土壤环境污染的综合情况[33]；相比之下，内梅罗综合指数法依赖于单因子指数法，结合含量最大的重金属评价结果，不仅反映了各重金属对土壤的影响，还突出了高污染重金属浓度对土壤环境质量的影响[34]；地累积指数法将实测值与自然地球化学背景值结合起来，能评估重金属分布的自然变化，区别人类活动对重金属污染的影响[35]；潜在生态风险指数法充分考虑了不同重金属的生物毒性，并在评价中增加毒性系数(Tri)，从而使重金属污染评价更加全面、综合[36]。本研究结果表明，竹林中Hg元素的地累积指数评价等级为轻度至中度污染；单一重金属潜在生态风险系数显示Hg元素在各林分中均为中等生态风险，这可能是由于Hg的高毒性系数使得其的潜在生态风险系数计算结果更高；也可能与Hg元素实测值普遍高于背景值有关，因此需加强Hg 元素的污染防治。此外，其余重金属评价等级虽为轻微污染生态风险，但也不容忽视，加强管控监督，防患于未然。综上所述，应定期对北江流域林地土壤重金属含量进行监测，以期降低重金属污染风险。