余 斐 许窕孜 叶彩红 邓鉴锋 张中瑞 朱航勇 张 耕 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）

城市化的快速发展给地区经济和人类活动带来了巨大变化。城市化的过程，将导致人口密度、生活垃圾和交通污染等增加。有研究显示，高密度人口活动会促进交通与建筑业发展，增加城市扬尘，进而增加环境中重金属浓度[1-2]。城市森林可缓解城市污染，降低人类健康风险，因此城市森林质量关系到地区可持续发展及生态安全。

城市的发展容易导致城市的空气污染，环境中重金属污染物可被植被冠层隔断而减少沉降，但最终还是会通过凋落物，使重金属污染物进入城市森林土壤进行生物循环[3]。土壤中重金属的长期积累，会对土壤功能、植物生长，甚至生态环境的可持续稳定性产生负面影响[4-5]，进而影响人类健康。通过研究发现，Cr、As、Hg 这3 种金属均与城市发展息息相关，且属于燃煤类相关重金属[6]。

National Forest Protection Program（NFPP）等一系列林业生态建设工程在我国的实施，有效增加了植被覆盖，保护了土壤和生物多样性[7]。然而，广东省并没有实行NFPP，导致森林面积减少和森林土壤质量下降较大[8]。韶关具有典型的地域性特征，且作为广东省重要生态屏障，具有丰富的森林资源和独特的森林生态系统，但森林生态的保护与日益进步的城市发展存在鲜明的矛盾。因此，选取韶关作为研究对象，评价其不同地区生产总值（GDP）地区的林地土壤重金属As 的污染情况，并分析重金属与多种社会因素间的相关性。研究结果有利于我们分析城市发展对林地土壤重金属的影响因素，为区域发展和生态友好型城市发展提供科学依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区介绍

韶关位于广东省北部，有广东省北大门之称，北接湖南，东邻江西，地理坐标介于北纬23°53′～25°31′、东 经112°53′～114°45′之 间。本 区属南亚热带湿润型气候大区，气候具有潮湿、温暖、多雨、雨季和旱季明显等特点，年平均气温18.8～21.6 ℃；雨量充沛，多年平均降水量1 682.3 mm，3—8 月为雨季，其余月份为旱季[9]。区域地带性土壤为红壤，占全市总面积的50%以上。海拔800 m 以下为亚热带常绿阔叶林，800～1 300 m为落叶阔叶林，1 300～1 600 m 为针阔混合林。韶关是全国重点林区，林地面积127.4 万hm2，活立木蓄积量9 045 万m3，森林覆盖率75.05%[10]。

1.2 调查及采样方法

2020 年7—9 月，根据不同地区土壤属性分布特征差异，按不同地区林地面积比例确定各地区样点数，选择样点内具有代表性的地区挖掘3 个重复，各重复水平距离大于10 m，深度为0～20 cm。采集后的土壤样品用封口袋盛装，并及时带回实验室，风干、过筛后以用于测定土壤基本指标。

1.3 指标测定方法

土壤样品重金属As 含量参考《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》（GB/T22105-2008)进行测定[11]。

1.4 数据处理及制图

采用SPSS 20.0 软件对林地土壤重金属元素含量进行描述性统计及单因素相关性分析。利用Origin 2022 及Excel 2016 软件进行制图。

1.5 土壤污染评价

土壤重金属污染评价采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法[12]，并计算超标率。其中，单因子污染指数法用于研究单一重金属元素对土壤的污染状况；内梅罗综合污染指数法能够综合反应多种重金属对土壤的污染状况，并突出高浓度重金属对土壤质量的影响作用。3 种评价方法的计算公式分别为：

公式（1）中，Pi为土壤重金属i的单因子污染指数；Ci为重金属i的实测值（mg/kg）；Si为重金属评价标准值（mg/kg）。由于目前尚无森林土壤重金属相关的限量标准，本研究采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中非水田条件下的风险筛选值。单因子污染指数法评价标准：Pi≤1，无污染；1 ＜Pi≤2，轻度污染；2 ＜Pi≤3，中度污染；Pi≥3，重度污染。

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。内梅罗污染指数可分为5 级，P≤0.7 时表示土壤仍清洁；0.7 ＜P≤1.0 表示土壤尚清洁（警戒线），1.0＜P≤2.0 表示土壤轻度污染，2.0 ＜P≤3.0 表示土壤中度污染，P＞3.0 表示土壤重度污染。

公示（3）中，φi为污染元素i的超标率；nip为污染元素i的所有调查点中污染指数Pi＞1 的个数；ni0为污染元素i的所有调查点的个数。

2 结果与分析

2.1 研究区年鉴统计

本研究涉及的地区主要位于韶关的武江区、翁源县、乳源县、始兴县和新丰县这5 个区（县）（图1）。根据其GDP 的大小分为高GDP 地区（武江区）、中GDP 地区（翁源县和乳源县）和低GDP 地区（始兴县和新丰县）。武江区的GDP 分别为翁源县、乳源县、始兴县和新丰县的2.64、2.91、3.48、3.95 倍。这5 个区（县）的第三产业生产总值均为占比最大的产业（46%～57%），而第一产业的生产总值最低（8%～28%）（图2）。武江区的土地面积和建设用地面积、林地面积为最小，但总人口数（32.14 万人）和人口城镇率（76.07%）较大，形成的人口密集地区导致了该区具有较高的民用汽车保有量和废水排放量。新丰县的工业生产单位较多，进而导致了较高的工业废气量和一般工业固体废物量（表1）。

表1 韶关不同地区年鉴统计Table 1 Yearbook statistics in different regions in Shaoguan

图1 韶关所调查地区样点Figure 1 Sample map of the investigated area in Shaoguan

图2 韶关不同地区第一、第二、第三产业的生产总值及人均地区生产总值Figure 2 GDP and per capita GDP of primary, secondary and tertiary industries in different regions in Shaoguan

2.2 土壤重金属含量特征

不同GDP 地区的林地土壤重金属As 含量不同（表2）。其中，高GDP 地区（51.75 mg/kg）As含量的平均值大于中GDP 地区（28.03 mg/kg），大于低GDP 地区（20.30 mg/kg）。同时，各GDP 地区的最大值、最小值、标准差和显著性从大到小排列均为高GDP 地区＞中GDP 地区＞低GDP 地区。变异系数决定重金属变异程度，As 的变异系数大于1.0，因此属于强变异。在显著水平α =0.05 的单样本K-S 检验水平下，As 符合正态分布。

表2 韶关不同GDP 地区林地土壤重金属As 含量的描述性统计Table 2 Descriptive statistics of heavy metals As content in woodland soils of different GDP regions in Shaoguan

2.3 土壤重金属污染评价

不同GDP 地区的林地土壤重金属As 元素评价结果不同，高GDP 地区的单项污染指数Pi（1.31）大 于 中GDP 地 区 的Pi（0.70），大 于低GDP 地区的Pi（0.52）。韶关林地土壤重金属As 超标地区较多，其中高GDP 地区的超标率超过1/4，远大于中GDP（17.53%）和低GDP 地区（11.89%）的超标率（表3）。高GDP 地区的内梅罗综合污染指数处于尚清洁程度，而中GDP 和低GDP 地区的内梅罗综合污染指数处于清洁程度。

表3 韶关不同GDP 地区林地土壤重金属污染评价Table 3 Evaluation of heavy metal pollution of forest soil in different GDP regions in Shaoguan

2.4 不同GDP 地区的土壤重金属含量差异

研究各地区实际GDP 值和林地土壤重金属As含量的相关性发现，As 含量随GDP 的增大而增大，但到达一定程度后，增长速度趋于减缓，呈对数增长模式，且R2为0.996 1（图3）。

图3 不同GDP 地区的土壤重金属As 含量的差异Figure 3 Differences in soil heavy metals As content in different GDP regions

2.5 土壤重金属含量的影响因素

各地区的林地土壤重金属含量受不同社会因素影响。As 含量与户籍人口城镇化率、民用汽车保有量、废水排放量具有显著相关性（表4），证明林地土壤中的As 可能与人类活动、汽车废气污染有关。As 含量还与第二、第三产业的生产总值显著相关，证明第二、第三产业是林地土壤As 污染的主要来源。

表4 土壤重金属含量受多种因素影响的相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil heavy metal content affected by various factors

3 结论与讨论

通过单项污染指数、内梅罗污染指数及超标率对林地土壤重金属As 污染进行评价，高GDP地区的单项污染指数普遍较高，内梅罗污染指数接近污染警戒线，处于尚清洁的状态，但存在一定的潜在生态风险；中、低GDP 地区的土壤仍处于清洁状态，风险相对较低。GDP 发达程度对土壤重金属含量有一定的影响，高GDP 地区可能由于其人口活动更密集、工商业流动频繁等因素，引发更高的土壤重金属污染[13]，这一点与Jia等[14]对长江三角洲地区进行的基于源库理论的土壤重金属污染潜在危险区识别结论相似，认为快速的城市化和经济发展会增加重金属污染风险。城市不同功能区、经济环境会影响土壤重金属的分布差异，因为2%的城市土地空间负载80%以上的工业和生活污染物[15]。从林地土壤重金属含量均值与GDP 的相关性来看，As 含量与GDP 呈现对数相关关系，其中As 含量主要来源于城市煤炭燃烧和钢铁冶炼[16]，与韶关市发展方向吻合。

本试验发现韶关市5 个区（县）林地土壤重金属As 的变异系数（1.27～1.65）较大。影响不同元素变异的因素很多[17-18]，其中有可能为不同区域的背景土壤重金属值的差异，即土壤母质层的重金属含量。已有学者对广东省的土壤做过相似研究，Yin 等[19]利用主成分分析研究了珠江三角洲地区土壤重金属的空间分布和来源，结果显示，该地区Pb、Hg、As 含量与广东省背景土壤重金属值相比，分别高出1.17、1.67、1.62 倍，其中土壤As 的变异系数均超过100%。结果显示空间异质性明显，可能是人类活动的结果[20]，这一点也解释了本研究中As 含量与GDP 呈对数相关关系。

林地土壤重金属受多种因素影响，且潜在风险会随着时间的推移而增加[21]。本研究发现As 的变异性较大，且受人类活动和地区生产总值（尤其第二、第三产业）的影响显著，这证明Wang等[22]认为GDP 是重金属As 空间变异的主导因素的说法。