江門市林地土壤重金屬空間特征*

戴智明 鄒祖有 康 劍,3 余 斐朱航勇 張中瑞 丁曉綱

（1.江門市農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心， 廣東 江門 529099；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東廣州 510520；3.中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

森林是人類賴以生存的重要資源，它不僅能涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候和保持水土，而且還有凈化空氣，吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣的作用。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物積累的各種營養(yǎng)成分不僅要從大氣中攝取，大部分還要依賴森林土壤源源不斷地供給，才能使植物順利地進(jìn)行各種生命活動(dòng)。

自20 世紀(jì)中期以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，而森林土壤重金屬污染是環(huán)境污染的一個(gè)重要方面。森林土壤中過高的重金屬含量不僅影響森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境、生物健康和人類生存與健康等均造成危害[1-2]，因此，土壤重金屬污染逐漸成為人類關(guān)注的焦點(diǎn)。重金屬是一種毒性大、富集性強(qiáng)、殘留周期長的有毒有害物質(zhì)[3-4]，可通過工業(yè)排放、城市交通、大氣沉降和生活垃圾排放等方式進(jìn)入自然環(huán)境，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康具有極大危害[5-6]。

目前，人們僅對(duì)與生活息息相關(guān)的農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及重金屬的生物有效性關(guān)注較多，而認(rèn)為森林土壤重金屬污染狀況對(duì)人類生活影響不大，對(duì)森林土壤重金屬污染的研究較少[7-8]。目前，國內(nèi)外關(guān)于森林土壤重金屬污染的研究主要集中在重金屬污染評(píng)價(jià)、形態(tài)特征、生物有效性以及污染機(jī)制等[9]。其中，開展土壤重金屬元素的空間分布特征研究，能夠直接反映污染的重點(diǎn)分布區(qū)域及污染蔓延趨勢。而鎳是部分植物的必需微量營養(yǎng)元素之一，也是一種致癌的毒性元素。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，各種污染物質(zhì)從多種途徑進(jìn)入土壤環(huán)境，對(duì)土壤質(zhì)量和植物造成嚴(yán)重威脅；銅是植物必要的營養(yǎng)元素，但也是重金屬污染元素，過量的銅不僅會(huì)影響植物的生長和產(chǎn)量，還可能會(huì)通過食物鏈對(duì)人畜的健康產(chǎn)生危害。因此，摸清土壤重金屬含量分布狀況，對(duì)人類社會(huì)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重大意義。本研究通過研究江門市森林土壤鎳、銅、鎘、鉛元素含量狀況及空間分布特征，從而評(píng)價(jià)江門市城市森林土壤重金屬含量空間分布及污染風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江門位于珠江三角洲的西部，介于北緯21°27′～22°51′，東經(jīng)111°59′～113°15′之間，是粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點(diǎn)城市，東部與佛山市順德區(qū)、中山市、珠海市斗門區(qū)相鄰，西部與陽江市陽東區(qū)、陽春市接壤，北部與云浮市新興縣、佛山市高明區(qū)和江門市相連，南部瀕臨南海，毗鄰港澳。地貌特征為北低西高，以低山丘陵為主；西南部及東南部較低，以河谷沖積平原和少數(shù)丘陵為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在22 °C 左右，多年平均降雨量2 078 mm[10]。江門市土壤多為赤紅壤。

1.2 土壤樣品采集及分析

2021 年7 月，根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，確定基本樣本量（n=454），并采用典型抽樣法布設(shè)樣點(diǎn)。選擇樣點(diǎn)內(nèi)具有代表性的區(qū)域挖掘3 個(gè)土壤剖面，各剖面水平距離應(yīng)大于10 m。每個(gè)剖面長1.2 ～ 1.5 m，寬0.8 ～ 1.0 m，剖面深度達(dá)母質(zhì)層或地下水，土層較厚時(shí)深度達(dá)到1.0 m。各剖面每隔20 cm 分層取樣，將各層樣品混合均勻后作為該剖面的樣品。采集后的土壤樣品妥善保存，并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過篩后以便后續(xù)分析。全市累積采集454 個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。土壤樣品重金屬含量分析與測定方法分別為：土壤重金屬鎘元素含量參照《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》GB/T 17141-1997進(jìn)行測定[11]，土壤重金屬鉛元素含量參照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法》GB/T 22105.3-2008 進(jìn)行測定[12]，土壤重金屬銅、鎳元素含量參照《土壤和沉積物銅、鋅、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》HJ 491-2019 進(jìn)行測定[13]。

圖1 江門市林地土壤采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Distribution of forest soil sampling sites in Jiangmen city

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過Excel 對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，包括均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差等。依據(jù)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值如表1，對(duì)江門市林地土壤重金屬元素的環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究運(yùn)用ArcGIS 10.3 軟件對(duì)土壤重金屬進(jìn)行空間克里格插值（Kriging），進(jìn)而分析江門市林地土壤重金屬空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 江門市林地土壤重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)分析

調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表1），鉛元素含量在整個(gè)區(qū)域的變異較大，鎘元素含量的變異程度最小。

表1 江門市土壤重金屬統(tǒng)計(jì)值 mg·kg-1Table 1 Statistics of soil heavy metals in Jiangmen city

江門市林地土壤的鎳、鎘元素含量均低于農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值；土壤鉛、銅在局部區(qū)域高于農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值，具體如下：有6 個(gè)樣點(diǎn)的銅元素含量高于50 mg/kg，占總樣本數(shù)的1.41%；有22 個(gè)樣點(diǎn)的鉛元素含量高于70 mg/kg，占總樣本數(shù)的5.16 %。

2.2 江門市林地土壤重金屬含量空間分布特征

江門市的林地土壤鎳含量均低于60.00 mg/kg（圖2），低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。其中在鶴山市西部和南部以及東部、蓬江區(qū)、江海區(qū)、新會(huì)區(qū)、臺(tái)山市北部以及南部上川島、恩平市北部和中部以及東部、開平市東南部和中部以及東北部，鎳含量處于2.18～7.31 mg/kg 的范圍。鶴山市北部、臺(tái)山市西部以及南部下川島，處于7.32～27.54 mg/kg 的范圍。鶴山市北部、臺(tái)山市中部以及東部均高于27.55 mg/kg。整體來看，江門市林地土壤鎳含量空間分布呈現(xiàn)中間低、四周高的分布特征。

圖2 江門市林地土壤鎳含量空間分布Figure 2 Spatial distribution of soil nickel content in forestland of Jiangmen city

江門市大部分地區(qū)的銅含量均低于50 mg/kg（圖3），低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)值。鶴山市西部和南部以及西部、蓬江區(qū)、江海區(qū)、新會(huì)區(qū)西部和東部以及南部、臺(tái)山市東北部以及南部、恩平市北部和東部以及南部、開平市中部和南部以及東部，土壤銅含量低于16.31 mg/kg；鶴山市北部、臺(tái)山市中部和北部以及東部部分地區(qū)、恩平市西北部和中部部分地區(qū)、開平市北部，土壤銅含量處于16.32～50 mg/kg 的范圍；以上地區(qū)均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。鶴山市北部、臺(tái)山市中部以及東部部分地區(qū)、恩平市中部，土壤銅含量均高于50 mg/kg，超過農(nóng)用地土壤銅污染篩選值。整體來看，江門市林地土壤銅含量呈現(xiàn)中間低、四周高的分布特征。

圖3 江門市林地土壤銅含量空間分布Figure 3 Spatial distribution of soil copper content in forestland of Jiangmen city

鎘是最為常見的重金屬污染元素之一，鎘含量超標(biāo)極易引發(fā)土壤性質(zhì)的改變，土壤中鎘主要來源于相關(guān)冶煉廠廢物的排放。江門市林地土壤鎘含量的空間分布如圖4 所示。江門市的林地土壤鎘含量均低于0.30 mg/kg，低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。其中鶴山市、蓬江區(qū)、江海區(qū)、新會(huì)區(qū)北部、臺(tái)山市北部和中部以及南部島嶼、恩平市中部以及東北部開平市南部和中部以及東北部，土壤鎘含量處于0.001～0.01 mg/kg 的范圍。新會(huì)區(qū)南部、臺(tái)山市中部和東部以及西部、恩平市北部以及南部、開平市西北部，土壤鎘含量處于0.01～0.04 mg/kg 的范圍。整體來看，江門市林地土壤鎘含量呈現(xiàn)中間低、四周高的分布特征。

圖4 江門市林地土壤鎘含量空間分布Figure 4 Spatial distribution of soil cadmium content in forestland of Jiangmen city

鉛是可在人體和動(dòng)植物組織中蓄積的有毒重金屬元素之一，其主要污染源是工業(yè)部門排放的廢水以及汽車尾氣。江門市林地土壤鉛含量的空間分布如圖5 所示。臺(tái)山市北部、恩平市中部以及東北部、開平市南部和中部以及東部地區(qū)土壤鉛含量均低于18.19 mg/kg；鶴山市中部以及西部、蓬江區(qū)、江海區(qū)、新會(huì)區(qū)中部和西部、臺(tái)山市東部和南部以及西部、恩平市西北部、開平市北部處于18.20～70.00 mg/kg 的范圍；以上地區(qū)均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。鶴山市東北部、新會(huì)區(qū)南部、臺(tái)山市東南部、恩平市北部高于70.00 mg/kg，超過農(nóng)用地土壤鉛污染篩選值，土壤存在鉛元素污染風(fēng)險(xiǎn)。整體來看，江門市林地土壤鉛存含量空間分布呈現(xiàn)中間低、四周高的分布特征。

圖5 江門市林地土壤鉛含量空間分布Figure 5 Spatial distribution of plumbum content in forestland soil of Jiangmen city

3 討論與結(jié)論

林地土壤重金屬的來源是多途徑的，主要有大氣降塵（降水）、污水灌溉和污泥施用、農(nóng)藥和化肥的使用、固體廢棄物的不當(dāng)堆置等[14-15]。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，對(duì)有色金屬開采冶煉過程中排出的三廢、化石燃料特別是煤的燃燒、城市垃圾污泥、含重金屬農(nóng)藥化肥的使用等[16-17]。已經(jīng)造成部分地區(qū)土壤重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤環(huán)境容量，對(duì)植物、動(dòng)物和土壤微生物構(gòu)成威脅，也嚴(yán)重威脅著人的健康。大量的重金屬進(jìn)入土壤后很難被分解，更難以從土壤中遷出，這樣長時(shí)間便會(huì)逐漸影響土壤的理化性質(zhì)和生態(tài)結(jié)構(gòu)，有些重金屬對(duì)植物有一定毒害作用，容易造成植物營養(yǎng)不良，致使林業(yè)生產(chǎn)力下降，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[18]。土壤污染還可能通過影響大氣和水體環(huán)境質(zhì)量間接威脅人類健康[19]。鉛元素對(duì)人體健康危害性極大，一直以來是土壤研究中重點(diǎn)關(guān)注的一類污染因子[20]。常用的土壤重金屬污染修復(fù)方法有物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法、生物修復(fù)法[21-23]。

江門市林地土壤重金屬鎳、鎘、銅、鉛含量的空間分布特征顯示，4 種元素含量在空間分布上基本一致，土壤鎳、鎘元素含量均低于農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值；土壤鉛、銅元素在局部區(qū)域高于農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值。根據(jù)江門市的土壤現(xiàn)狀，可以在鉛、銅含量超過污染風(fēng)險(xiǎn)值的地區(qū)種植超積累植物。建議修復(fù)前期先使用蜈蚣草Eremochloa ciliaris、向 日 葵Helianthus annuus、酸模Rumex acetosa、羽葉鬼針草Bidens maximowicziana、大葉井口邊草Pteris cretica、金釵鳳尾蕨Pteris fauriei等鉛污染修復(fù)草本植物。以及海州香薷Elsholtzia splendens、鴨跖草Commelina communis、蓖麻Ricinus communis等銅污染修復(fù)草本植物[24]。后期再根據(jù)前期修復(fù)的成效以及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況再選擇竹類[25]、海桐Pittosporum tobira、廣玉蘭Magnolia grandiflora、吊蘭Chlorophytum comosum、楊梅Myrica rubra、側(cè)柏Platycladus orientalis等[26]木本植物進(jìn)行間作，但由于樹種的差異性，建議不要輕易選用外來物種進(jìn)行大規(guī)模種植。