叶彩红 邹祖有 许窕孜 张中瑞 朱航勇 张 耕 何 茜 丁晓纲

（1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.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）

土壤是人类生存和发展的必要资源之一，也是生态系统的重要组成部分。重金属具有普遍存在、微量毒性、生物富集和持久性等特点[1]，进入土壤后容易造成土壤生态环境恶化、土壤质量下降等危害[2]，土壤重金属污染因此也逐渐成为威胁土壤生态环境的重要因素[3-4]。森林作为生态系统的重要组成部分，重金属污染森林土壤已成为全球关注的热点问题[5-6]。国内外越来越多的学者致力于森林土壤重金属的研究，研究内容也主要集中在土壤重金属空间分布特征[7]、污染评价[8]、影响因子[9]、污染修复[10]以及污染来源[11]等方面。

重金属的污染会直接影响森林的土壤生态环境，因此对森林土壤中重金属污染程度和生态风险评价等研究是十分重要的。陈锦等[12]运用单因子法和综合污染指数法对官庄金矿地区周围土壤重金属污染情况进行评价研究，发现越靠近尾矿库重金属污染越严重，且污染严重程度依次为As、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni和Hg。樊 志 颖 等[13]对色季拉山森林土壤重金属污染程度进行评价研究，通过单因子指数法和内梅罗综合指数法评在0～20 cm土层中重金属含量，结果表明Ni、Cd、Hg 3种重金属元素均已达到污染程度。叶俊等[14]利用4种经典的重金属污染评价方法对中国13个具有代表性的林地土壤重金属（Pb、Cd、Cu、Zn）进行评价。Mohammed等[15]以马来西亚吉隆坡自然公园土壤重金属为研究对象，利用3种重金属生态风险评价方法评估研究区土壤，发现吉隆坡雪兰莪河口重金属的风险较低，经研究分析发现不同的红树林对重金属的分配和吸收能力不同。

韶关市是我国重要的矿产基地，Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、U、W等矿产储量位居全省第一[16]，被誉为“金属之都”[17]，土壤母质的重金属含量相对较高[18]。其中曲江区自然资源丰富，被誉为“有色金属之乡”[19]，森林覆盖率74.55%[20]。自印发《土壤污染防治行动计划》后[21]，韶关市作为土壤污染综合防治先行区开展了土壤污染调查工作。本研究选取韶关市曲江区森林土壤作为研究对象，分析Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8种重金属元素含量分布特征，利用经典土壤评价方法单因子法和综合污染指数法评价土壤重金属污染程度，以期为曲江区森林土壤重金属污染治理和安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

曲江区（113°06′30″E～113°59′57″E，24°27′18″N～25°08′12″N）位于广东省韶关市南部，总面积1 620 km2。曲江区地处北回归线以北，南岭山间盆地，南离海洋较远，北被南岭山脉阻隔，属于亚热带季风气候区，大陆性气候明显，冷暖交替明显，夏季长、冬季短，年均气温20.1℃，夏季平均气温28.9℃，最热可到39.5℃，最冷月平均气温9.6℃，极端最低零下5.3℃；年降雨量1 640 mm。

1.2 样品采集和测定

根据曲江区森林植被、地形（坡向、坡度等）等特征，确定采样点107个，并采用典型抽样法布设样点。根据样点情况，选择地形较为平整、植被能代表该区域水平的地方挖掘3个土壤剖面，每个剖面中心点的水平间距不小于10 m。每个剖面深度在0～20 cm，在此区间取土壤样品，每份样品不少于500 g。将样品均匀混合后作为该剖面的样品。将采集后的土壤样品密封保存，及时运回实验室，风干、研磨筛选后制样，以便后续分析。

土壤重金属铜、锌、铬、镍元素含量参照《土壤和沉积物铜、锌、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》HJ 491-2019进行测定[22]，土壤重金属汞、砷、铅元素含量参照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》GB/T 22105.3-2008进行测定[23]，土壤重金属镉元素含量参照《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》GB/T 17141-1997进行测定[24]。

1.3 污染评价方法

采用单因子指数法[25]、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法[26]进行土壤重金属污染评价。

单因子指数法[25]是研究某一污染物的污染程度的方法，计算公式为：

公式（1）中，Pi为土壤重金属i的单项污染指数；Ci为重金属i的实测值，单位mg·kg-1；Si为重金属i评价标准值，单位mg·kg-1。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）》[27]（GB 15618—2018）中非农田条件下的风险筛选值为标准值（表1）。单项污染指数法评价标准如表2所示。

表1 土壤重金属评价参考值Table 1 Reference value of soil heavy metal evaluation mg·kg-1

内梅罗综合指数法[26]是结合单因子指数法计算出的各重金属污染指数进行评价的方法，在土壤重金属污染评价中被广泛使用一种的方法。计算公式为：

公式（2）中，P为内梅罗综合指数，Pimax为重金属单项污染指数的最大值，Piavg为重金属单项污染指数的平均值。内梅罗指数法评价标准如表2所示。

表2 单因子指数和内梅罗综合污染指数评价指标Table2 Single factor index and Nemerow comprehensive pollution index evaluation index

潜在生态风险指数法[26]是瑞典科学家Hakanson提出的，用于评价沉积物中重金属潜在风险程度，能综合反映重金属对土壤的污染情况，其公式为：

表3 生态危害程度及潜在生态风险程度评价指标Table 3 Evaluation index of ecological hazard degree and potential ecological risk degree

1.4 数据处理

土壤重金属描述性统计、相关性分析等使用SPSS 20.0软件，污染程度图使用Origin 2022软件绘制。

2 结果与分析

2.1 森林土壤重金属含量特征

曲江区森林土壤重金属元素含量的描述统计结果见表4，由表可知8种重金属元素含量的最小值、最大值、平均值、标准差和变异系数等。对Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8种重金属的变异系数进行分析，其变异系数有小到大依次为Hg＜Cu＜Cr＜Zn＜Pb＜Ni＜Cd＜As。由 此 可 知Pb、Ni、Cd、As 4种元素极度变异，离散程度最高，受极端值的极强干扰，由此可以发现这4种重金属元素受环境影响程度大，在森林土壤中含量分布不均；Cu、Cr、Zn元素为高度变异；Hg元素为中等变异，变异程度相对而言较为集中。

表4 曲江区森林土壤重金属描述性统计特征Table 4 Descriptive statistical characteristics of heavy metals in forest soil of Qujiang district mg·kg-1

2.2 土壤重金属污染评价及风险评估

对曲江区森林土壤重金属进行单因子指数、内美罗综合污染指数法进行评价（表5），曲江区Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8种 重金属元素的单因子指数小于1，均处于非污染等级（0.13～0.63）。曲江区内梅罗综合污染指数为0.51＜0.7，综合污染等级为安全状态。

表5 曲江区森林土壤重金属单因子指数及综合污染指数评价Table 5 Evaluation of forest soil heavy metal single factor index and comprehensive pollution index in Qujiang district

以农用地土壤风险筛选值为背景值，曲江区森林土壤重金属元素中仅Hg元素未出现污染超标 情 况，其 余Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb 7种重金属含量均存在高于土壤污染风险筛选值的情况，超标率分别为0.93%、0.93%、1.87%、1.87%、12.15%、9.35%和13.08%，污染程度如图1所示。由图可知As元素污染情况最为严重，主要表现在重度污染和轻度污染上，其占比分别为4%和8%，其次到Cd、Pb元素，其重度污染分别为4%、2%，说明这3种元素虽然存在严重的点状污染，但污染范围较小；Cr、Ni、Cu、Zn元素仅出现轻度污染，且污染占比小，污染程度相对而言较轻，其污染范围小。

图1 以农用地土壤污染风险筛选值为参考值的重金属单因子指数评价污染程度Fig. 1 Heavy metal single factor index was used as reference value to evaluate the pollution degree of agricultural land soil

Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg 8种 重金属元素的潜在生态风险指数及风险程度见表6。曲江区Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb 6种重金属元素的潜在生态风险指数均小于40，潜在生态风险程度为轻度生态风险；Cd元素的潜在生态风险指数在40～80之间，为中度生态风险等级；Hg元素的潜在生态风险指数在80～160之间，其潜在生态风险程度为强度生态风险。此外，曲江区的综合风险指数在150～300之间，综合风险程度为中度生态风险。

表6 曲江区森林土壤重金属潜在生态风险评估Table 6 Potential ecological risk assessment of heavy metals in forest soil of Qujiang district

2.3 森林土壤重金属相关性分析

为探讨曲江区8种重金属的来源和迁移，分析了8种重金属元素之间的相关关系。由表7可知，Ni元素与Cr、Cu、Zn、Cd元素分别存在极显著的正相关关系，Cu元素与Cr、Zn、As、Pb元素分别存在极显著的正相关关系，Zn元素与Cr、As、Cd、Pb元素分别存在极显著的正相关关系，As元素与Pb元素之间存在显著的正相关关系，Hg与As、Pb元素分别存在极显著的正相关关系。其中Ni与Cr相关系数达0.741，表明Ni与Cr可能存在相同的来源，Zn与Ni、Cu、、Cd、Pb的相关系数分别为0.631、0.578、0.527、0.591，说明Zn元素与这4种元素呈现复合污染的可能性大。

表7 曲江区森林土壤重金属元素相关关系Table 7 Correlation of heavy metal elements in forest soil of Qujiang district

3 讨论与结论

曲江区森林土壤重金属含量特征结果表明：该区域森林土壤重金属含量差异较大，但大部分样点的重金属含量均为超过农用地土壤筛选值；重金属的变异系数表现为Hg元素最小，As元素变异系数最大，说明该地区森林土壤重金属存在比较明显的空间分布差异。

以农用地土壤风险筛选值为参考值，计算研究区森林土壤重金属的单因子指数和内梅罗综合指数，评价结果表明8种重金属平均含量单因子指数均小于1，土壤无污染，其中As和Pb的单因子指数最高，Ni的单因子指数最低。8种重金属的内梅罗综合指数为0.51＜0.7，综合评价为安全状态。基于广东省土壤背景值的潜在生态风险评估结果显示，研究区森林土壤重金属的单一潜在生态风险评价表明，8种重金属的潜在生态风险指数有小到大依次为Zn ＜ Cr ＜ Ni ＜ Cu ＜ Pb ＜ As＜ Cd ＜ Hg，其中Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、As元素为轻度的潜在生态风险，Cd元素为中度潜在生态风险，Hg元素为强度生态风险。8种重金属的综合风险指数为220.36，潜在风险等级为中度生态风。单因子指数法是通过对单一重金属的含量进行土壤重金属污染评价的，而潜在生态风险指数法充分考虑了不同重金属生物毒性系数，计算时增加了重金属的毒性系数，其对土壤重金属污染的评价也会更加综合和全面[30]。潜在风险评价中Hg、Cd的毒性系数较大，而Zn的毒性系数较小，说明Hg、Cd元素对人体和植物的毒害作用较大，因此在通过单因子指数法计算出Hg、Cd元素的污染等级为无污染的情况下，Hg、Cd元素在生态系统中仍存在较大的潜在生态风险。

土壤重金属的来源主要为自然来源和人为来源[31]，自然来源主要是通过母质和基岩风化而产生的岩石输入[3]，人为来源主要是人类的采矿活动、冶炼厂、工业使用、化石燃烧粉尘废气等产生的[32]。具有相同来源的重金属之间往往具有一定的相关性，因此可通过分析相同土层的重金属含量之间的相关性来推测其来源[33]。研究发现Ni与Cr相关系数达0.741，表明Ni与Cr可能具有相同的来源，通过单因子指数法评价分析，Ni、Cr均处于无污染状态，因此推测其来源可能为成土母质。Zn与Ni、Cu、Cd、Pb的相关系数分别为0.631、0.578、0.527、0.591，说明Zn元素与这4种元素可能存在复合污染的可能性大，或其具有相同的污染来源。研究区位于韶关市曲江区，被誉为“有色金属之乡”，矿产资源丰富，频繁的矿山开采冶炼、化学工业生产，会排放大量重金属废气，通过大气自然迁移和沉降等途径进入土壤并累积，使得研究区的大部分重金属之间存在显著或极显著的正相关关系。Cheng等[34]研究发现土壤重金属As、Cd、Pb、Zn、Cu的污染主要来自矿石开采、尾矿风化以及冶炼厂的废气排放，Hg主要来源为冶炼厂和尾矿坝的降尘和气体排放，Cr、Ni主要来源成土母质。

韶关市曲江区森林土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg元素平均含量较低，均未超过农用地土壤风险筛选值，内梅罗综合指数评价等级为安全状态。通过潜在生态风险评估，除Cd、Hg元素外，其余6种重金属均属于轻度生态风险程度，而Cd元素为中等生态风险，Hg为强度生态风险，因此研究区综合潜在生态风险等级为中等生态风险。应定期对曲江区森林土壤重金属含量进行监测，并加强对Cd、Hg这两种中、高等生态风险元素的检测，避免这些元素的潜在危害。研究区森林土壤重金属间存在不同的相关性，表明重金属之间存在一定的同源性，其主要来源可能为成土母质、矿山开采冶炼及化学工业生产等，因此应加强污染源控制。