基于地累積指數(shù)法的連平 林地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)*

孫冬曉 曲 仡 鄒祖有 張中瑞

（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）

土壤重金屬污染是污染面積廣、危害性大的環(huán)境污染問(wèn)題之一，重金屬在土壤中具有隱蔽性、潛伏性且不易降解，重金屬污染成為近年來(lái)土壤領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。土壤重金屬主要包括鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）[2]。目前許多研究對(duì)城市[3-4]、農(nóng)田[5-6]、江河流域[7]的土壤重金屬污染以及潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為了解林地土壤重金屬污染狀況，亟需加強(qiáng)對(duì)林地土壤污染狀況的評(píng)價(jià)研究。

Muller[8]曾提出用地累積指數(shù)定量評(píng)價(jià)沉積物中的重金屬污染程度，并規(guī)定了相應(yīng)的污染程度級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，該方法同樣可用來(lái)評(píng)價(jià)土壤中重金屬的污染程度及分級(jí)狀況[9-11]。因此，本研究運(yùn)用地累計(jì)指數(shù)法對(duì)連平縣林地土壤重金屬污染狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以為林地土壤的污染及修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

連平縣位于廣東省北部，河源市西北部，屬粵北九連山區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°14′44″～114°56′51″，北緯24°05′48″～24°28′08″。東鄰和平縣，南連東源縣、新豐縣，西接翁源縣，北與江西省龍南、全南兩縣交界，總面積2 275.08 km2,北、中部多為中低山，西南部大多是丘陵地帶，東南部以谷底盆地為主，山地、丘陵、盆地占全縣總面積的90%以上，是一個(gè)典型的山區(qū)縣。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，夏冬長(zhǎng)、春秋短，日照充足，熱量豐富，降水季節(jié)明顯，境內(nèi)日照總時(shí)數(shù)1 615.4 h，平均氣溫20.4 ℃，降雨量1 923.3 mm。土壤類(lèi)型主要為紅壤、赤紅壤。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

土壤樣點(diǎn)布設(shè)采取了隨機(jī)布點(diǎn)與專(zhuān)題布點(diǎn)相結(jié)合的方法，在連平縣布設(shè)155 個(gè)樣點(diǎn)，如表1。專(zhuān)題布點(diǎn)使得土壤樣點(diǎn)能夠充分代表連平縣不同坡度、坡向、土壤類(lèi)型、植被類(lèi)型的林地土壤。隨機(jī)布點(diǎn)是在專(zhuān)題布點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使得樣點(diǎn)在空間上能均勻分布。按照《中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（LY/T 2250-2014）森林土壤調(diào)查技術(shù)規(guī)程[10]采集0～20 cm 表層土壤。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，磨碎過(guò)篩，進(jìn)行重金屬各元素指標(biāo)含量測(cè)定，如表2。

表1 河源市連平縣土壤樣點(diǎn)布設(shè)Table 1 Layout of soil sample points in Lianping, Heyuan

表2 土壤重金屬測(cè)定方法Table 2 Soil heavy metal determination methods

1.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法近年來(lái)被國(guó)內(nèi)用于土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)，表達(dá)式為：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

其中Cn是重金屬元素n在土壤中的含量；Bn是土壤中該重金屬元素的地球化學(xué)背景值（本次研究按廣東省背景值計(jì)算）；k為考慮巖石差異可能會(huì)引起背景值變動(dòng)而取的系數(shù)（一般取值為1.5）[11]。地累積指數(shù)分級(jí)如下表3。

表3 Muller 地累積指數(shù)分級(jí)[11]Table 3 Muller cumulative index grading

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理與運(yùn)算使用Excel 2010；聚類(lèi)分析使用SPSS 19 處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 連平縣林地土壤重金屬污染地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

依據(jù)地累積指數(shù)法，對(duì)廣東省河源市連平縣林地土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表4。連平縣林地土壤中存在一定的As、Cd 與Hg 元素污染，污染等級(jí)為輕度—中等污染，其余5 種元素未造成污染。

表4 連平縣林地土壤土壤重金屬地累積指數(shù)值及其分級(jí)Table 4 Geo-accumulation index value and grading of heavy metals in forest soil, Lianping

對(duì)廣東省河源市連平縣林地土壤重金屬污染地累積指數(shù)分級(jí)及其頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5。廣東省背景值地累積指數(shù)計(jì)算的結(jié)果顯示，Cd 的污染頻率最大，達(dá)到100%（指1 級(jí)及以上級(jí)別占全部樣本的百分比，以下同）；其次為As 與Hg，污染頻率分別為98.71%與50.32%，其中As 存在1級(jí)、2 級(jí)、3 級(jí)、5 級(jí)污染，各級(jí)污染頻率分別為81.29%、14.19%、2.58%、0.65%；其余元素按污染頻率由大到小排序?yàn)椋篫n、Pb、Cu、Ni、Cr。Pb 存在1 級(jí)、2 級(jí)、3 級(jí)污染，污染頻率分別為6.54%、2.58%、0.65%、；Ni、Zn 存在2 級(jí)污染；所有元素均存在1 級(jí)污染。

表5 連平縣林地土壤重金屬地累積指數(shù)值分級(jí)頻率分布Table 5 Classification frequency distribution of heavy metal geo-accumulation index in forest soil, Lianping

2.2 連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）林地土壤重金屬地累積指數(shù)值及分級(jí)比較

計(jì)算連平縣各地區(qū)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)/林場(chǎng)）樣點(diǎn)地累積指數(shù)平均值，顯示連平縣各區(qū)域重金屬元素的污染情況，如表6、表7。其中各地區(qū)Zn、Pb、Hg均為無(wú)污染；大湖鎮(zhèn)存在1 級(jí)Cr、Ni、As、Cd 污染；高莞鎮(zhèn)存在2 級(jí)As 和1 級(jí)Cd 污染，忠信鎮(zhèn)存在1 級(jí)Cu、As、Cr 污染，其他地區(qū)包括陂頭鎮(zhèn)、隆街鎮(zhèn)、內(nèi)莞鎮(zhèn)、上坪鎮(zhèn)、田源鎮(zhèn)、溪山鎮(zhèn)、繡緞鎮(zhèn)、油溪鎮(zhèn)、黃牛石鎮(zhèn)、元善鎮(zhèn)、九連山林場(chǎng)、牛嶺水林場(chǎng)）均存在1 級(jí)As、Cd 污染。

表6 連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）林地土壤重金屬地累積指數(shù)值Table 6 Geo-accumulation index of heavy metals in towns (forest farms) forest land soil, Lianping

表7 連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）林地土壤重金屬地累積指數(shù)污染等級(jí)Table7 Geo-accumulation index classification of heavy metals in towns (forest farms) forest land soil, Lianping

2.3 連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）林地土壤重金屬地累積指數(shù)聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析是進(jìn)行元素間或區(qū)域間環(huán)境質(zhì)量比較研究的重要手段[11]，能夠分析元素間或區(qū)域間土壤重金屬污染狀況的分布特征[11-13]。本次研究采用SPSS 軟件的群集分析功能，使用連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）地累積指數(shù)平均值進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)形成樹(shù)狀圖，如圖1。樹(shù)狀圖顯示，在組間距離5～10時(shí)，隆街鎮(zhèn)、內(nèi)莞鎮(zhèn)、陂頭鎮(zhèn)、黃牛石鎮(zhèn)、九連山林場(chǎng)、牛嶺水林場(chǎng)、上坪鎮(zhèn)、田源鎮(zhèn)、溪山鎮(zhèn)、油溪鎮(zhèn)、元善鎮(zhèn)、高莞鎮(zhèn)、忠信鎮(zhèn)聚為一類(lèi)，繡緞鎮(zhèn)單獨(dú)為一類(lèi)、大湖鎮(zhèn)單獨(dú)為一類(lèi)。

圖1 連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）土壤重金屬地累積指數(shù)聚類(lèi)分析Fig. 1 Cluster analysis of soil heavy metal geo-accumulation index of towns (forest farms) in Lianping

以各區(qū)域地累積指數(shù)平均值為連平縣地累積指數(shù)，參與系統(tǒng)聚類(lèi)形成樹(shù)狀圖，如圖2。在組間距離5～10 時(shí)，連平縣與隆街鎮(zhèn)、內(nèi)莞鎮(zhèn)、陂頭鎮(zhèn)、黃牛石鎮(zhèn)、九連山林場(chǎng)、牛嶺水林場(chǎng)、上坪鎮(zhèn)、田源鎮(zhèn)、溪山鎮(zhèn)、油溪鎮(zhèn)、元善鎮(zhèn)、高莞鎮(zhèn)、忠信鎮(zhèn)聚為一類(lèi)，繡緞鎮(zhèn)單獨(dú)為一類(lèi)、大湖鎮(zhèn)單獨(dú)為一類(lèi)。

圖2 連平縣與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）土壤重金屬地累積指的數(shù)聚類(lèi)分析Fig. 2 Cluster analysis of soil heavy metal geo-accumulation index in Lianping and towns (forest farms)

3 結(jié)論與討論

3.1 地累積指數(shù)法對(duì)連平縣林地土壤重金屬污染指數(shù)分級(jí)結(jié)果以及各污染分等級(jí)的分布頻率來(lái)看，連平縣林地土壤存在As、Cd 與Hg 元素污染，污染等級(jí)均為1 級(jí)污染（輕度—中等污染），其余5種元素包括Zn、Pb、Cu、Ni、Cr 未造成污染。其中Cd 的污染頻率最大，達(dá)到100%；其次為As 與Hg，污染頻率分別為98.71 %與50.32 %；其余元素污染頻率由大到小依次為Zn、Pb、Cu、Ni、Cr。

3.2 連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）的污染元素、污染程度又有明顯區(qū)別。其中大湖鎮(zhèn)存在1 級(jí)Cr、Ni、As、Cd 污染；高莞鎮(zhèn)存在2 級(jí)As 和1 級(jí)Cd 污染，忠信鎮(zhèn)存在1 級(jí)Cu、As、Cr 污染，其他地區(qū)均存在1 級(jí)As、Cd 污染。另外，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）的林地土壤重金屬Zn、Pb、Hg 均為無(wú)污染。

3.3 各區(qū)域地累積指數(shù)系統(tǒng)聚類(lèi)結(jié)果顯示，繡緞鎮(zhèn)單獨(dú)為一類(lèi)、大湖鎮(zhèn)單獨(dú)為一類(lèi)，連平縣與其余地區(qū)歸為一類(lèi)。其中，繡緞鎮(zhèn)除鉛外各項(xiàng)元素地累積指數(shù)為各區(qū)域最低，大湖鎮(zhèn)各項(xiàng)元素地累積指數(shù)均處于較高水平。因此認(rèn)為大湖鎮(zhèn)為污染相對(duì)嚴(yán)重區(qū)域、繡緞鎮(zhèn)為污染程度相對(duì)較低區(qū)域。整體上看連平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（林場(chǎng)）存在多種元素污染風(fēng)險(xiǎn)，但并不嚴(yán)重。

3.4 連平縣以鐵礦開(kāi)采為主要工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容，設(shè)工業(yè)邨兩個(gè)，工業(yè)園一個(gè)，物流園一個(gè)。高彥鑫[14]對(duì)密云水庫(kù)上游金屬礦區(qū)重金屬污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)鐵礦區(qū)土壤Hg、Cd 元素污染程度較高；王丹丹[15]對(duì)五臺(tái)山鐵礦區(qū)重金屬污染情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)鐵礦區(qū)存在Hg、As、Cd 元素富集。因此認(rèn)為連平縣內(nèi)Cd、Hg、As 元素污染源可能為鐵礦開(kāi)采過(guò)程中的排污行為，排污物包括尾礦、礦渣以及廢水等。