長(zhǎng)白山地區(qū)園參地土壤環(huán)境質(zhì)量及重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
——以敦化市為例

徐萬(wàn)玲， 王鈺婷， 李會(huì)杰， 朱衛(wèi)紅，

( 1.延邊大學(xué)長(zhǎng)白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 延吉 133000；2.延邊大學(xué)理學(xué)院 地理系， 吉林 延吉 133000 )

人參(Panaxginseng)為五加科植物，主要產(chǎn)于我國(guó)東北地區(qū)，其干燥根莖具有補(bǔ)脾益肺、安神益智之功效[1].由于人參是多年生宿根草本植物，因此，土壤質(zhì)量的好壞對(duì)人參的質(zhì)量與產(chǎn)量起著決定性作用，特別是氮、磷、鉀的含量對(duì)人參的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要[2].隨著工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，重金屬對(duì)土壤的污染呈加重趨勢(shì)，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥和農(nóng)藥的使用也會(huì)造成土壤中重金屬的富集,加重土壤重金屬的污染，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患[3].李成等[4]研究發(fā)現(xiàn)，人參隨種植年限的增加對(duì)Cu、Mn、Zn有明顯的積累趨勢(shì)；張亞玉等[5]研究表明，農(nóng)田栽參土壤中的鎘、鉻、銅和鉛元素的生物有效性高于林下參，因此林下參的品質(zhì)相對(duì)較高.Kükrer S等[6]、Soffianian A等[7]、Niu L等[8]探討了重金屬在沉積物、城市土地、農(nóng)用地等土壤中的分布特征，并進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果均表明重金屬污染應(yīng)當(dāng)引起重視.本文以敦化市為例，分析研究不同園參地土壤重金屬的污染特征，并對(duì)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度、土壤環(huán)境質(zhì)量及肥力質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，旨在揭示長(zhǎng)白山地區(qū)園參地生態(tài)安全現(xiàn)狀，為該區(qū)域人參栽培產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)，為生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 研究區(qū)概況

敦化市位于吉林省東部山區(qū)，隸屬延邊朝鮮族自治州(圖1)，是吉林省區(qū)域面積最大的縣級(jí)市(11 957 km2)，生態(tài)氣候適宜人參生長(zhǎng).敦化市的主要經(jīng)濟(jì)作物為參藥、煙葉等，是我國(guó)東北東部重要的中藥材集散地.敦化市平均海拔高度為756 m，地勢(shì)四周高、中部低；屬中溫帶冷涼氣候區(qū).年平均氣溫為2.6 ℃，年平均降雨量為631.8 mm，山區(qū)氣候特點(diǎn)明顯.

圖1 長(zhǎng)白山地區(qū)圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

2013年8月，在敦化市選取18個(gè)采樣區(qū)(園參地分布集中且具有代表性的區(qū)域)，每個(gè)采樣區(qū)依據(jù)均勻性，按梅花采樣法設(shè)置5個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)90個(gè)；在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取0～30 cm土壤，土樣去除礫石、碎屑等雜物后，自然風(fēng)干，過(guò)100目尼龍篩，儲(chǔ)存?zhèn)溆?

2.2 分析方法

利用電感耦合等離子質(zhì)譜法對(duì)樣品土壤中的Cr、Cu、Ni、Zn和Pb 5種元素進(jìn)行測(cè)定.土壤pH值采用電位法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化外加熱測(cè)定法，全氮采用半微量凱氏定氮法，堿解氮采用鋅-硫酸亞鐵還原半微量凱氏定氮法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提鋁銻抗比色分光光度計(jì)法，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法.

2.3 評(píng)價(jià)方法

土壤重金屬評(píng)價(jià)采用內(nèi)梅羅(Nemoro)綜合污染指數(shù)法[9]，土壤肥力評(píng)價(jià)采用修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法[10].

3 結(jié)果與分析

3.1 園參地土壤中重金屬元素的含量與分布

3.1.1Cr的含量與分布 如表1所示，不同園參地土壤中Cr的含量范圍為35.22～75.36 mg/kg，在中國(guó)和吉林省土壤Cr背景值含量的95%置信區(qū)間范圍內(nèi)(吉林省土壤Cr背景值含量的95%置信區(qū)間為18.09～98.70 mg/kg[11]14，中國(guó)土壤Cr背景值含量的95%置信區(qū)間為19.3～150.2 mg/kg[12]).相對(duì)于中國(guó)土壤Cr背景值的超出率為11%，而相對(duì)于長(zhǎng)白山地土壤Cr的平均含量的超出率為33%.不同園參地土壤中Cr含量的平均值為46.93 mg/kg，均低于中國(guó)土壤Cr背景值(53.9 mg/kg[12])和長(zhǎng)白山地土壤Cr的平均含量(49.39 mg/kg[11]18).所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤Cr含量均符合綠色食品生產(chǎn)基地土壤標(biāo)準(zhǔn)[13](Cr≤120 mg/kg)和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)[14]的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Cr≤150 mg/kg).

表1 不同園參地土壤中重金屬的含量(mg/kg)

3.1.2Cu的含量與分布 由表1所示，研究區(qū)不同園參地土壤中Cu的含量范圍為17.68～39.10 mg/kg，均高于長(zhǎng)白山地土壤Cu背景值(17.36 mg/kg[11]18)，其中個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)超出吉林省土壤Cu背景值含量的95%置信區(qū)間(8.23～32.43 mg/kg[11]14)，相對(duì)于我國(guó)土壤Cu背景值(20.0 mg/kg[12])的超出率為94%，在中國(guó)土壤重金屬背景值Cu含量95%置信區(qū)間范圍(7.3～55.1 mg/kg[12])內(nèi).不同園參地土壤中Cu含量的平均值為26.83 mg/kg，超過(guò)中國(guó)土壤Cu背景值.所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤Cu含量均達(dá)到了土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Cu≤50 mg/kg)和綠色食品生產(chǎn)基地土壤標(biāo)準(zhǔn)(Cu≤50 mg/kg).

3.1.3Ni的含量與分布 如表1所示，不同園參地土壤中Ni的含量范圍為18.44～51.64 mg/kg，相對(duì)于我國(guó)土壤Ni背景值(23.4 mg/kg[12])的超出率為94%，相對(duì)于長(zhǎng)白山地土壤Ni背景值(24.07 mg/kg[11]18)的超出率為89%，其中僅1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Ni含量超出吉林省土壤Ni背景值含量的95%置信區(qū)間(10.44～44.22 mg/kg[11]14)，但所有觀測(cè)點(diǎn)的Ni含量均在中國(guó)土壤Ni背景值含量的95%置信區(qū)間范圍(7.7～71.0 mg/kg[12])內(nèi).不同園參地土壤中Ni含量的平均值為29.61 mg/kg，超過(guò)中國(guó)和長(zhǎng)白山地土壤Ni背景值.其中D2觀測(cè)點(diǎn)Ni的平均含量(51.64 mg/kg)略超出了土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Ni≤50 mg/kg).

3.1.4Zn的含量與分布 由表1所示，不同園參地土壤中Zn的含量范圍是62.74～122.74 mg/kg，均高于中國(guó)土壤重金屬背景值Zn含量95%置信區(qū)間(28.4～55.1 mg/kg[12])，但均在吉林省土壤Zn背景值含量的95%置信區(qū)間(22.72～189.44 mg/kg[11]14)內(nèi)，相對(duì)于長(zhǎng)白山地土壤Zn背景值(94.9 mg/kg[11]18)的超出率是28%，相對(duì)于中國(guó)土壤Zn背景值(67.7 mg/kg[12])的超出率為94%.不同園參地土壤中Zn含量的平均值為88.75 mg/kg，高于中國(guó)土壤Zn背景值，而低于長(zhǎng)白山地土壤Zn背景值，達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Zn≤200 mg/kg).

3.1.5Pb的含量與分布 如表1所示，不同園參地土壤中Pb的含量范圍為38.81～48.22 mg/kg，平均值為43.44 mg/kg，均高于中國(guó)土壤Pb背景值(23.6 mg/kg[12])和長(zhǎng)白山地土壤Pb背景值(25.61 mg/kg[11]18)，同時(shí)超出吉林省土壤Pb背景值含量的95%置信區(qū)間(13.17～37.25 mg/kg[11]14)，但屬于中國(guó)土壤重金屬背景值Pb含量95%置信區(qū)間(10.0～56.1 mg/kg[12])，其原因與參棚使用塑料薄膜有關(guān).不同園參地土壤中Pb的含量均達(dá)到了土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Pb≤250 mg/kg)和綠色食品生產(chǎn)基地土壤標(biāo)準(zhǔn)(Pb≤50 mg/kg).

3.2 園參地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)

為全面了解各種污染物對(duì)參地土壤環(huán)境的貢獻(xiàn)，突出高質(zhì)量分?jǐn)?shù)污染物對(duì)土壤環(huán)境的影響，本文采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Pz≤0.7時(shí)，土壤環(huán)境質(zhì)量屬清潔，等級(jí)為Ⅰ級(jí)；0.73時(shí)，屬重污染，土壤等級(jí)為Ⅴ級(jí).

中藥材生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(GAP)中規(guī)定中藥材產(chǎn)地的土壤應(yīng)符合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文選取國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)不同園參地土壤中重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2).

如表2所示，所有園參地監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤中Cr、Cu、Zn和Pb的單因子污染指數(shù)小于1，為無(wú)污染等級(jí)(單因子污染指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Pn≤1,無(wú)污染；13，重污染)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D2和D5土壤Ni達(dá)到輕污染.重金屬污染程度為Ni>Cu>Zn>Cr>Pb.

從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可知，D3、D4、D5和D14監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅱ級(jí)土壤,污染等級(jí)為尚清潔；D2監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅲ級(jí)土壤，已達(dá)到輕度污染；其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為Ⅰ級(jí)土壤，污染等級(jí)為清潔.這表明，園參地土壤質(zhì)量的整體水平基本達(dá)到了GAP無(wú)公害中藥材生產(chǎn)基地的要求.

表2 不同園參地土壤重金屬污染綜合指數(shù)

3.3 園參地土壤肥力的質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.3.1園參地土壤肥力 將測(cè)量的園參地土壤肥力各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，經(jīng)計(jì)算得出園參地的有機(jī)質(zhì)含量范圍為57.5～143.3 g/kg，其中全N含量為2.22～6.12 g/kg，有效P含量為23～405.6 mg/kg，速效K含量為213～1 191 mg/kg，均達(dá)到國(guó)家綠色食品土壤環(huán)境一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)NY/T391—2000：有機(jī)質(zhì)>15 g/kg；全N>1.0 g/kg；有效P>10 mg/kg；速效K>120 mg/kg).園參地土壤的pH值為4.3～5.29，略低于適宜人參生長(zhǎng)的pH值(一般認(rèn)為適宜人參生長(zhǎng)的土壤pH值為5.4～7.0[2])，在栽培過(guò)程中應(yīng)予以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié).

3.3.2園參地土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià) 參照第2次全國(guó)土壤普查標(biāo)準(zhǔn)(表3)對(duì)土壤不同屬性因子的實(shí)測(cè)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到土壤肥力單因子系數(shù).修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)公式為

表3 土壤各屬性因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)土壤屬性因子并按照上述評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到不同園參地土壤單因子肥力系數(shù)和綜合肥力系數(shù)，見(jiàn)表4.不同園參地的土壤肥力系數(shù)P的范圍為1.67～1.96，均屬中等以上水平，適于綠色無(wú)公害園參地的建設(shè).

3.4 園參地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

Hakanson[15]的潛在生態(tài)危害指數(shù)法側(cè)重于多元素的協(xié)同作用，同時(shí)考慮到了各重金屬元素的毒性，通過(guò)與研究區(qū)域土壤重金屬背景值進(jìn)行比較，能夠綜合地反映出研究區(qū)土壤中重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響，因此在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用[16].重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算公式為

4 結(jié)論

1) 研究區(qū)域中不同園參地土壤中的重金屬(Cr、Cu、Ni和Pb)含量均在我國(guó)土壤背景值范圍內(nèi)，其中Cu、Ni和Pb略超出吉林省土壤背景值范圍；在18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，重金屬Zn的含量均超出我國(guó)土壤背景值范圍，但在吉林省土壤背景值范圍內(nèi)，這與長(zhǎng)白山獨(dú)特的地質(zhì)背景有關(guān).

2) 從整體上看，長(zhǎng)白山地區(qū)土壤中的重金屬對(duì)園參生長(zhǎng)是安全的，其中Cr、Cu、Zn和Pb的含量均符合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且Cr、Cu和Pb的含量均在綠色食品生產(chǎn)土壤標(biāo)準(zhǔn)限定值范圍內(nèi).在18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Ni含量略超出國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其原因可能與成土母質(zhì)本身含量過(guò)高以及農(nóng)藥、無(wú)機(jī)磷肥等的大量施用有關(guān).

3) 采用土壤內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)(以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))表明，在18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，僅D2監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤為重金屬輕度污染，其他均屬清潔土壤；采用Hakanson潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)法(以長(zhǎng)白山區(qū)土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn))評(píng)價(jià)表明，研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染均屬于輕度生態(tài)危害；采用土壤內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)表明，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤肥力均處于中等以上水平：因此，從綜合土壤環(huán)境質(zhì)量和肥力質(zhì)量來(lái)看，長(zhǎng)白山地區(qū)園參地為無(wú)公害綠色人參生產(chǎn)基地.

4) 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效P含量較高(最高達(dá)405.6 mg/kg)，在汛期會(huì)引起磷素的高度淋溶，從而會(huì)導(dǎo)致磷素向區(qū)域內(nèi)水體流失，對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)的水質(zhì)產(chǎn)生潛在危害.

表4 土壤的單因子肥力系數(shù)和綜合肥力系數(shù)

表5 園參地土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈光林，黃林芳，索風(fēng)梅，等.人參藥材中人參皂苷與生態(tài)因子的相關(guān)性及人參生態(tài)區(qū)劃[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2012，36(4)：302-312.

[2] 程海濤，張亞玉，張連學(xué)，等.土壤環(huán)境與人參生長(zhǎng)關(guān)系的研究進(jìn)展[J].中藥材,2011，34(2)：313-317.

[3] 陳芳，董元華，安瓊，等.長(zhǎng)期肥料定位實(shí)驗(yàn)條件下土壤中重金屬的含量變化[J].土壤,2005,37(3)：308-311.

[4] 李成，劉學(xué)周，王麗思，等.不同參齡人參及其根際土壤中Cu、Zn、Mn含量研究[J].土壤通報(bào),2012,43(3)：718-723.

[5] 張亞玉，孫海，高明，等.吉林省人參土壤中重金屬污染水平及生物有效性研究[J].土壤學(xué)報(bào),2011,48(6)：1306-1313.

[6] Kükrer S, Seker S, Abaci Z T, et al. Ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments of northern littoral zone of Lake Cildir, Ardahan, Turkey[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014:1-11.

[7] Soffianian A, Madani E S, Arabi M. Risk assessment of heavy metal soil pollution through principal components analysis and false color composition in Hamadan province, Iran[J]. Environmental Systems Research, 2014,3(1):3.

[8] Niu L, Yang F, Xu C, et al. Status of metal accumulation in farmland soils across China: from distribution to risk assessment[J]. Environmental Pollution, 2013,176:55-62.

[9] 陳懷滿.環(huán)境土壤學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2005:522-523.

[10] 闞文杰，吳啟堂.一個(gè)定量綜合評(píng)價(jià)土壤肥力的方法[J].土壤通報(bào),1994，25(6)：245-247.

[11] 孟憲璽，李生智.吉林省土壤環(huán)境背景值研究[M].北京：科學(xué)出版社，1995:13-24.

[12] 魏復(fù)盛，陳靜生，吳燕玉，等.中國(guó)土壤環(huán)境背景值研究[J].環(huán)境科學(xué)，1991，12(4)：14.

[13] 中國(guó)農(nóng)業(yè)部.NY/T391—2000 綠色食品產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件[S]//綠色食品標(biāo)準(zhǔn)匯編.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003:86-90.

[14] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB15618—1995[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1995.

[15] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control: a sedimentological approach[J]. Water Research， 1980，14(8)：975-1001.

[16] 葉琛,李思悅,卜紅梅,等.三峽水庫(kù)消落區(qū)蓄水前土壤重金屬含量及生態(tài)危害評(píng)價(jià)[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(6):1264-1269.

[17] 徐爭(zhēng)啟，倪師軍，庹先國(guó)，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008,31(2):112-115.