河源市紫金县森林土壤重金属分布特征及污染评价*

2022-02-20 11:54张亚男张中瑞朱航勇张丁晓纲
林业与环境科学 2022年4期
关键词:紫金县森林土壤金属元素

张亚男 张中瑞 魏 丹 朱航勇张 耕 余 斐 丁晓纲

(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)

土壤是森林植被的基础,土壤质量直接影响森林的生长发育[1]。近年来,随着经济的飞速发展、城市化进程的不断推进,人类对土地和矿物资源的过度开发、对农药和化肥的不合理使用,导致土壤质量严重下降,甚至造成土壤污染,其中重金属污染是其污染源之一。重金属稳定性强、难降解、半衰期长,土壤一旦遭受重金属污染将会影响森林生态系统的结构和功能,并通过食物链富集,最终对人类健康造成危害[2-5]。

2014 年4 月环保部和国土资源部联合发布的全国首次土壤污染状况调查显示,我国天然林、次生林和人工林林地土壤点位超标率高达10.0%,污染的重金属主要是镉、砷等[6]。有研究表明,铜矿开采以及长期过度施肥造成浙江地区香榧Torreya grandis集中种植区土壤处于轻度污染状态,其中镉污染的潜在风险最大[4]。张富贵等[7]基于乡镇尺度对西南地区农田土壤重金属进行风险评价,发现镉是污染风险最大的元素,且存在多种重金属复合污染,生态风险较高。

紫金县是华南地区重要的茶叶主产区和森林资源分布区,在土壤质量方面有着更高需求[8-9]。本研究以紫金县森林土壤为研究对象,分析其重金属含量(镉Cd、砷As、铅Pb、铜Cu、镍Ni),进而评价紫金县森林土壤重金属污染状况,为提高紫金县森林土壤质量,维持生态系统安全提供参考[10-11]。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究区系广东省中东部的河源市紫金县(114°40′~115°30′E, 23°10′~23°45′N), 属 南 亚 热带季风气候区,季风明显,夏长冬短,年均气温20.5 ℃,年均降水量1 733.9 mm,年均日照时数1 705.7 h,年均相对湿度83%。地形以山地、丘陵为主,面积为3 046 km2,占全县总面积的84%,具有“八山一水一分田”的特点。成土母质为花岗岩,土壤以黄壤、红壤和赤红壤为主。研究区内森林覆盖率高达75.62%,主要为暖性针阔混交林、热性针叶林、常绿阔叶林[8]。

1.2 试验方法

2020 年7—9 月,根据研究区植被、地形、气候特征等状况,确定30 个林分(即基本样本量n=30),所选林分主要包括有人工林(杉木林、桉树林为主)和自然林(常绿阔叶林、落叶阔叶混交林为主),并采用典型抽样法布设样点,各样点均选择有代表性地段并间隔一定距离(>10 m)挖掘3 个土壤剖面,剖面长1.2 m,宽1 m,深1 m。每个剖面均间隔20 cm 分层取样,从上至下依次为0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm,将5 层土样分装并及时带回实验室,在室内常温下风干,拣出杂物,磨碎并充分混合,过100 目尼龙筛后用于检测土壤样品中的砷、铅、镉、铜和镍的含量[12-13]。

1.3 项目测定

土壤样品重金属含量测定:原子荧光法测定砷(As)、铅(Pb)含量,参照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》(GB/T22105-2008)[14];火焰原子吸收分光光度法测定铜(Cu)、镍(Ni)含量,参照《土壤和沉积物铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ491-2019)[15];石墨炉原子吸收分光光度法测定镉(Cd)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/T17141-1997)[16]。

1.4 统计方法

采用描述性统计分析分别研究5 层土壤重金属元素含量;采用相关性分析研究土壤重金属元素含量间的相关性(取5 层土壤样品的平均值);采用单因子污染指数法(单一重金属元素对土壤的污染状况)和内梅罗综合指数法(多种重金属元素对土壤的污染状况,特别是高浓度重金属对土壤的影响)评价土壤重金属污染状况(取5 层土壤样品的平均值),单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法计算公式如下:

公式(1)中,Pi为土壤重金属的单因子污染指数;Ci为重金属i的实测值(mg·kg-1);Si为重金属评价标准值(mg·kg-1)。本研究以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中pH ≤ 5.5 其他类型下的风险筛选值作为评价标准值[17]。单因子污染指数法评价标准分4 级:无污染(Pi≤ 1.0)、轻度污染(1.0 <Pi≤ 2.0)、中度污染(2.0 <Pi≤ 3.0)、重度污染(Pi≥ 3.0)。公式(2)中,P为内梅罗综合污染指数,Pimax为重金属单因子污染指数最大值,Piavg为重金属单因子污染指数平均值。内梅罗污染指数评价标准分5 级:清洁(P≤ 0.7)、尚清洁(即警戒线0.7 <P≤ 1.0)、轻度污染(1.0 <P≤ 2.0)、中度污染(2.0 <P≤ 3.0)、重度污染(P≥ 3.0)[3-5,18]。

1.5 数据分析

采用Excel 和SPSS 25.0 软件对数据进行整理和分析。

2 结果与分析

2.1 紫金县森林土壤重金属含量

紫金县森林土壤重金属含量如表1。0~100 cm层的砷超过污染风险筛选值,0~80 cm 层的铅、铜、镍、镉低于污染风险筛选值。砷和铅含量在60~80 cm 土层中含量最高,随着土层加深先增后减;铜和镍含量在80~100 cm 土层中最高,随着土层加深逐渐递增;镉含量在0~20 cm 土层中最高,其含量在各层土壤中变化不明显。

表1 紫金县森林土壤重金属含量比较Table 1 Comparison of heavy metal content in forest soil of Zijin county

5 层土壤混合样中,砷超过了污染风险筛选值,铅、铜、镍、镉均低于污染风险筛选值。

2.2 紫金县森林土壤重金属含量相关性分析

紫金县森林土壤重金属含量相关性分析如表2,砷含量与铜含量呈极显著正相关;铅含量与镉含量呈极显著正相关;铜含量与镉含量呈显著正相关;其余元素间相关性不显著。

表2 紫金县森林土壤重金属含量相关性分析Table 2 The correlation analysis in forest soils heavy metals content of Zijin county

2.3 紫金县森林土壤重金属污染评价

紫金县森林土壤重金属元素污染指数评价结果如表3。重金属元素铅、铜、镍、镉的单因子污染指数均小于1.0,属无污染等级;重金属元素砷的单因子污染指数为1.905,属轻度污染。紫金县森林土壤内梅罗综合污染指数为 1.439,属轻度污染。

表3 紫金县森林土壤重金属污染评价Table 3 The evaluation of heavy metals pollution in forest soils of Zijin County

3 结论与讨论

对土壤造成重金属污染的主要是密度大于5 g·cm3的金属:铬Cr、镉Cd、铅Pb、砷As、汞Hg 和铜Cu,其中砷由于化学性质及毒性被归于重金属污染。重金属在土壤中具有易积累、难降解、隐蔽性强、残留时间长、难以彻底去除等特性,当土壤中重金属含量过高时,依附于土壤生存的动植物及微生物均会受到影响[19-24]。紫金县森林土壤各层重金属元素含量不完全相同,5 层土壤及混合后的土壤砷含量均超过污染风险筛选值,铅、铜、镍、镉含量处在污染风险筛选值以内。

土壤重金属既来源于土壤母质,也受人类活动的影响,相同来源的重金属间存在一定的相关性。同时,相关性显著的重金属具有较好的伴生关系[19,25-26]。本研究得出:砷含量与铜含量呈极显著正相关,铅含量与镉含量呈极显著正相关,铜含量与镉含量呈显著正相关,表明砷、铜、铅、镉元素可能来自同一污染源,同时这些重金属之间存在一定的伴生关系。

从单因子污染指数和内梅罗综合指数评价结果来看,紫金县森林土壤重金属中砷的单因子污染指数超过1,属轻度污染,内梅罗综合污染指数为1.439,属轻度污染等级。农药、杀虫剂、冶炼原料、染料等工业制品中含有大量砷、镉、镍元素及其化合物[3,11,27-28],本研究结果表明人类的生产活动已经对紫金县森林土壤产生影响,需对紫金县森林土壤定期开展污染检测,控制并降低污染风险,减少重金属对森林生态系统的影响。

猜你喜欢
紫金县森林土壤金属元素
紫金县10名“红领巾讲解员”“持证上岗”啦!
红树植物无瓣海桑中重金属元素的分布与富集特征
The first Disney Mulan trailer is here
微波消解-ICP-MS法同时测定牛蒡子中8种重金属元素
ICP-MS法测定苞叶雪莲中重金属元素含量
两种亚热带森林土壤甲烷氧化活性的垂直分布特征
紫金气象网站开发建设与应用
龙湾自然保护区森林土壤动物群落多样性及功能类群
中亚热带地区森林土壤真菌生物量及影响因子研究
缙云山森林土壤微生物数量与群落特征