商洛金凤山不同林地土壤重金属含量研究

杨维鸽，岳军伟，张雁

（商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000）

重金属难以被微生物直接分解，难以移动，导致污染生态系统，并且通过食物链危害人类健康[1-2]。由于森林土壤中的重金属元素进入到人类食物链的可能性远远低于农业土壤中的重金属元素，因此对森林土壤中重金属元素污染的研究较少[3-9]。目前，关于森林土壤重金属的研究聚焦在城市、郊区和典型污染区[10-12]。如方晰等[13]调查了长沙市6种森林类型土壤重金属，结果表明总潜在生态风险指数达到了中等程度的生态风险。Hansen等[14]发现法国城市森林土壤中重金属含量Cr>Zn>Pb>Ni>Cu>Co>Cd。杜俊平等[15]分析了太白山土壤中6种重金属元素的含量和特征。宁晓波等[16]研究了典型石灰土林地土壤重金属污染特征。研究表明由于大气沉降和其他人类活动等原因，远离城市的森林土壤也会出现大量重金属元素的累积[17-19]。秦岭地处陕西南部、渭河与汉水之间，境内山体高大、山峦重叠、沟壑纵横。秦岭不仅地理区位优势明显，而且在我国的社会经济环境的可持续发展方面起着比较重要的作用[20]。随着陕西省生态旅游的发展，秦岭在吸引了很多游客的同时，其自然生态环境质量也被越来越多的人们关注。目前关于秦岭山区环境质量的研究较少。鉴于此，本文以秦岭南麓的陕西省商洛市商州区金凤山为研究区，以4种典型的人工林地土壤为研究对象，采用土壤重金属污染评估的方法，分析4种人工林地土壤中重金属的含量和污染特征，为研究秦岭人工林土壤中重金属元素的变化和累积规律提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

商洛市商州区金凤山位于商洛市北部，地处秦岭腹地，109°56'～109°57'E，33°52'～33°53'N，海拔约为930 m，东接东龙山，西至二龙山，北靠戴云山，南临丹江，因为它的地形就像是张开翅膀的凤凰，被人们称为金凤山。以暖温带半湿润季风气候为主，年平均气温为11～14℃，最高气温为37～40.8 ℃，最低气温为-11.8～-21.6 ℃，年平均降水量710～930 mm，呈现出四季分明、雨热同期的气候特征。土壤以黄棕壤、棕壤为主，呈酸性或微酸性反应。土地利用主要以林地为主，森林植被以喜湿性针阔叶树为主，混生有少量常绿阔叶树种。

1.2 样品的采集

林地的选取和土壤样品采集于2020年。通过调查商州区的植被分布和长势，确定了生长旺盛且能代表本区域人工林的金凤山作为研究区。3月底，在同一坡向沿着径流的方向，选择两个间距50 m的纵断面进行采样，每个纵断面样点间20 m。共采集了25份土壤样品，分别采自于核桃（Juglandis）（5份）、刺槐（Robinia pseudoacacia）（13 份）、构树（Broussonetia papyrifera）（4份）和橡树（Quercus palustris Münchh）（3份）林地土壤。采样土层深度为0～20 cm。采样时，首先清除地表上的杂物碎屑，然后在距每个采样点1 m的距离内的4个点采集土壤样品，搅拌混合均匀，取约1 kg装入塑料袋中，并对所采集的土样进行编号，并带回实验室，将土壤样品自然风干后，去除土块中的草根和小石块等。土样研磨后通过100目尼龙筛，存储在自封袋中待测。

1.3 土壤重金属含量的测定

土壤样品中的重金属元素测定选用火焰原子吸收分光度光法[21]。

1.4 评价方法

以陕西省土壤背景值[22-23]作为土壤重金属的评价标准，采用地积累指数法、内梅罗指数法和潜在生态危害指数法分析金凤山不同林地土壤重金属污染水平和潜在的生态危害。

1.4.1 地积累污染指数法

地积累污染指数引入背景值作为标准，对实测的重金属含量进行归一化处理。计算公式为：

式(1)中，Cn为土壤实测的重金属含量，Bn为陕西省土壤重金属含量背景值，K=1.5。地积累指数法分级标准见表1。

表1 地积累指数法分级标准

1.4.2 内梅罗污染指数法

采用内梅罗（Nemerow）污染指数法计算综合污染指数，用于评价土壤重金属污染程度。计算公式为：

式(2)中，Pi为综合污染指数，(Ci/Si)max为土壤重金属元素中污染指数的最大值，(Ci/Si)ave为土壤各污染指数的平均值，Ci为第i个土壤样品重金属含量的实测值，Si为陕西省土壤重金属背景值。根据内梅罗综合污染指数可将土壤综合污染划分为5个等级，划分标准见表2。

表2 土壤综合污染等级划分标准

1.4.3 潜在生态风险指数

参考Hakanson[24]提出的潜在生态危害指数分析法。潜在生态风险指数计算公式为：

表3 潜在生态风险指数法分级标准

1.5 数据处理

运用Excel2007软件对数据进行统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 林地土壤重金属的含量

如表4所示，4种林地的土壤重金属元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 平均含量均低于陕西省背景值。土壤重金属含量差异较大，Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的含量分别介于2.30～35.41，4.04～54.18，7.19～63.02，4.88～44.11，20.08～283.67 mg·kg-1， 平均值分别为 9.53，13.7，16.4，11.56，57.3 mg·kg-1，5 种重金属平均值由大到小依次为 Zn＞Cr＞Pb＞Ni＞Cu。 变异系数是表征样本变异程度的重要指标，可以在一定程度上反映人为因素影响的程度，变异系数CV＜0.10为弱变异，0.10≤CV≤0.30为中等变异，CV＞0.30为强变异。5种重金属平均变异程度按从大到小排序为 Ni＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn， 重金属Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的变异系数均大于 0.5，表明这5种重金属元素均为强变异。由此可见，金凤山土壤中的这5种重金属受外界干扰的影响较显著，具有很大的空间变异性，其主要可能是由工业、交通、农业化肥和旅游业等人类活动引起的。土壤中重金属元素的来源分为天然来源和人工来源。自然原因主要是来自地球内部的地质和化学过程，大气重金属粉尘和自然土壤污染的影响。人为原因主要包括人类工农业生产活动。金凤山靠近商州区北环公路，受汽车尾气排放的影响，重金属元素经大气自然迁移和沉降作用进入土壤并累积，这可能是重金属污染林地土壤的原因之一。此外，金凤山位于商州区，离居民点密集区较近，人类的生产生活也会导致土壤重金属含量变异。

表4 金凤山林地土壤重金属的平均含量

不同林地的土壤重金属含量如表5所示，尽管所有样点土壤重金属 Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 平均含量均低于陕西省背景值，但不同林地土壤重金属含量差异明显。不同林地5种重金属含量的变异系数变化很大，其中Zn和Cu含量的变异系数较高，分别为0.369～0.980和0.232～0.921，其次是Pb含量的变异系数，为0.355～0.783，Cr和Ni含量的变异系数较小，分别为0.344～0.684和0.309～0.690。表明不同林地重金属Zn和Cu空间分布差异最明显，Pb、Ni、Cr空间分布差异较明显。构树林和橡树林土壤重金属元素Pb平均含量分别为23.41 mg·kg-1和26.41 mg·kg-1，分别超过陕西省背景值9.40%和23.41%。刺槐林土壤重金属元素Zn平均含量为77.38 mg·kg-1，超过陕西省背景值11.50%。土壤中重金属元素Pb含量较高的主要原因是林地分布在商州区北环公路和高速公路附近，机动车使用的燃料含防抗剂四乙基铅，燃料燃烧后Pb随汽车尾气排放，在周围林地土壤中积累，造成污染。土壤中重金属元素Zn主要来源于铜锌矿开采和冶炼排放的电镀、烟尘、颜料及化工部门排放的废水等。本研究中，重金属元素Zn含量较高主要是因为林地距城市工业区较近，Zn的积累受工业生产影响较大。因此，土壤重金属元素Pb和Zn是金凤山土壤重金属治理的主要元素。此外，部分不同林地土壤重金属元素含量最大值超过陕西省背景值。刺槐林和橡树林土壤重金属元素Cu含量最大值分别为 35.41 mg·kg-1和 27.00 mg·kg-1， 分别超过陕西省背景值11.50%和26.17%。核桃林、刺槐林、构树林和橡树林土壤重金属元素Pb含量最大值分别为 41.52，53.18，31.54，48.69 mg·kg-1，分别超过陕西省背景值 94.02%，154.40%，47.38%，127.52%。刺槐林和构树林土壤重金属元素Cr含量最大值分别为63.62 mg·kg-1和68.35 mg·kg-1，分别超过陕西省背景值1.79%和9.36%。刺槐林和橡树林土壤重金属元素Ni平均含量分别为 44.11 mg·kg-1和 42.50 mg·kg-1，分别超过陕西省背景值53.72%和48.07%。核桃林、刺槐林、构树林和橡树林土壤重金属元素Zn含量最大值分别为 103.04，283.67，95.13，137.89 mg·kg-1，分别超过陕西省背景值48.47%，308.75%，37.07%，98.69%。总之，金凤山土壤重金属元素治理应该 因林而异，因地而异。

表5 不同林地土壤重金属的含量

2.2 土壤重金属污染程度评价

2.2.1 林地土壤重金属的地积累指数污染评价

图1为土壤重金属含量地积累指数评价。如图1所示，25个土壤样点重金属元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn的地积累指数Igeo均小于0，地积累指数的等级为无污染-轻度污染等级，表明土壤没有受到污染。核桃、刺槐、构树和橡树4种林地土壤重金属元素 Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的地积累指数均小于0，4种林地土壤重金属地积累指数的等级均为无污染-轻度污染等级，土壤没有受到污染。可见，地积累污染指数表明4种林地的土壤没有受到重金属元素的污染。

图1 金凤山林地土壤重金属地积累指数污染

2.2.2 林地土壤重金属的内梅罗综合污染指数评价

如图2所示，4种林地的土壤多因子内梅罗综合污染指数均值为1.14，为轻度污染状态。核桃林和构树林土壤的综合污染指数分别为0.85和0.85，表明金凤山核桃林和构树林土壤重金属污染程度属于第2级，为尚清洁（警戒线）状态；橡树林和刺槐林土壤的综合污染指数分别为1.28和1.62，属于第3级，为土壤轻度污染。可知，金凤山这4种人工林地土壤重金属量比陕西省重金属背景高，因此，需加强重金属的监测，采取一定的防护与治理措施，防止重金属继续积累和林地土壤质量环境继续恶化。

图2 金凤山林地土壤内梅罗综合污染指数

图3为4种林地的5种土壤重金属元素内梅罗污染指数图。如图3所示，仅刺槐林土壤重金属元素Zn污染程度明显，为中度污染；核桃林土壤重金属元素Pb、Zn和刺槐林土壤重金属元素Cu、Pb、Ni以及橡树林和构树林土壤重金属元素 Cu、Pb、Ni、Zn的指数介于1.0～2.0，重金属污染程度属于第3级，为轻污染；核桃林土壤重金属元素Ni和刺槐林、橡树林土壤重金属元素Cr指数介于0.7～1.0，重金属污染程度属于第2级，尚清洁（警戒线）状态；核桃林地土壤重金属元素Cu和Cr，为清洁（安全）状态。

图3 金凤山林地土壤不同重金属元素内梅罗综合污染指数

2.2.3 林地土壤重金属潜在生态风险指数评价

以陕西省土壤背景值为标准，林地土壤重金属潜在生态风险指数如图4和图5所示。如图4所示，4种林地的土壤重金属的潜在生态风险指数排序为：刺槐林＞核桃林＞橡树林＞构树林，刺槐林土壤重金属综合生态风险指数为169.03，总的潜在生态风险程度为中度，核桃林、橡树林和构树林土壤的潜在生态风险指数值均小于150，表明4种林地的土壤重金属总的潜在生态风险程度为轻度。

图4 金凤山林地土壤潜在生态风险指数

图5 金凤山林地土壤不同重金属元素潜在风险指数

如图5所示，林地土壤不同重金属元素潜在风险指数差异较大，橡树林土壤重金属元素Cu、Ni和刺槐林土壤重金属元素Pb、Ni潜在生态风险指数为40～80，生态风险污染程度为中度。橡树林土壤重金属元素Pb潜在生态风险指数为80～160，生态风险污染程度为强度。其它重金属元素潜在生态风险指数小于40，生态风险程度为轻度。因此应查明各类型林地生态风险指数大的重金属元素的污染来源，采取有效措施防治外 源重金属元素继续向林地土壤流入。

3 讨论和结论

本研究发现，金凤山林地的土壤重金属元素Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的含量平均值分别为 9.53、13.7、16.4、11.56、57.3 mg·kg-1， 参照陕西土壤重金属背景含量值的标准可知，4种林地的土壤中重金属元素 Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的含量均小于背景值。此外，构树林和橡树林土壤重金属元素Pb平均含量分别超过陕西省背景值9.40%和23.41%，刺槐林土壤重金属元素Zn平均含量超过陕西省背景值11.50%。因此，需要进一步开展该地区不同树种对重金属的富集特征研究，初步筛选出适合该地区土壤的超富集植物或耐性植物。为利用植物对土壤重金属的净化提供可以选用的植物材料。

本研究对重金属污染采用不同评价方法，结果存在一定的差异。地积累污染指数表明4种林地的土壤没有受到重金属污染，多因子内梅罗综合污染指数表明4种林地的土壤重金属污染程度为轻度，而潜在生态风险指数结果表明仅刺槐林土壤总的潜在生态风险程度为中度，核桃林、橡树林和构树林土壤总的潜在生态风险程度为轻度。因此，为了全面客观地反映评价土壤中重金属的含量状况和评价重金属污染等级，一方面需要综合考虑各方面因素，另一方面需要开展林地重金属生态阈值及环境质量标准相关的研究工作。