临安山核桃主产区林地土壤重金属生态风险评价
中化地质矿山总局 浙江地质勘查院,浙江 杭州 310002
Ecological risk evaluation of heavy metals in soils of Carya cathayensis plantations, Lin'an
Zhejiang Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Hangzhou 310002, Chinaa
责任编辑: 蒋实
收稿日期: 2019-05-20 修回日期: 2019-06-26 网络出版日期: 2019-12-20
基金资助: |
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Received: 2019-05-20 Revised: 2019-06-26 Online: 2019-12-20
作者简介 About authors
刘道荣(1982-),男,工程硕士,高级工程师,从事矿产地质、农业地质调查工作。Email:liudaorong0@163.com 。
选择浙江临安山核桃主产区,采集了山核桃果实及对应土壤样品,分析土壤重金属元素、Se、有机质等指标,以《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,5.5<pH≤6.5非水田条件下的风险筛选值为标准,评价土壤重金属污染程度;分析山核桃果仁重金属、Se、Ge等微量元素含量,探讨土壤—山核桃果仁间元素含量关系。结果表明,山核桃林地土壤Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd、As、Hg、Se等元素平均含量均大于中国土壤平均值,尤其Cd为中国土壤平均值的5.6倍。研究区局部土壤Cd、As已达到污染程度,其他重金属元素生态风险小。山核桃果仁Cd、Hg、Pb、As等重金属含量较低,未出现重金属元素超标现象,生态风险小,Zn含量较高,具备开发富锌保健食品的潜力。山核桃对不同重金属吸收能力差异较显著,对Zn、Cu的吸收能力远大于Cd、Cr、Hg。
关键词:
Through investigation and sampling Carya cathayensis kernels and soil of plantations, the heavy metals, Se, organic matter and other indicators in soil were analyzed, and the pollution degrees of heavy metals in soil were evaluated with risk screening values as the criteria. The content of heavy metals, Se, Ge and other trace components in kernels was analyzed, and the relationship between soil and kernels was discussed. The results show that the average values of Cu, Pb, Zn, Ni, Cr, Cd, As, Hg and Se in the soil of Carya cathayensis plantations are higher than those of the average soil of China, especially Cd is 5.6 times that of the average soil of China. Local soil Cd and As in the study area have reached the pollution level while the ecological risk of other heavy metals is slight. Carya cathayensis kernels have low Cd, Hg, Pb, As and other heavy metals content, no excessive heavy metal elements, low ecological risk, and high zinc content, with the potential to develop zinc-rich health food. Carya cathayensis has a significant difference in the absorption capacity of different heavy metals. The absorption capacity of zinc and copper is much greater than that of Cd, Cr and Hg.
Keywords:
本文引用格式
刘道荣, 郑基滋, 占玄, 吴问丹.
LIU Dao-Rong, ZHENG Ji-Zi, ZHAN Xuan, WU Wen-Dan.
0 引言
通过地球化学调查,查明土壤元素组成及其分布特征,评价土壤质量及生态效应,实现土地管理科学化、精准化,服务农业现代化,已成为勘查地球化学领域的研究热点[1]。宋明义等[2]研究了寒武系荷塘组高镉地质环境下农用地富硒土壤特征及水稻镉含量超标的生态效应。王文俊[3]采用单因子指数法和综合因子评价法研究了福建省寿宁县土壤环境质量。周国华等[1]研究了福建铁观音茶园土壤及茶叶生态地球化学特征,发现茶叶中重金属含量较低。贾中民等[4]研究了重庆西北地区土壤重金属分布特征,结果表明Cd超标比例最大,重金属的含量分布与地层(地质背景)及土地利用方式关系密切,Cd、Hg等潜在生态风险较大。张红桔等[5]对临安山核桃产区土壤重金属潜在生态风险进行了评价,结果表明重金属Cd、Cu污染风险概率较高,但未采集相应山核桃果仁样品。Han等[6]对中国主要核桃产区土壤重金属分布特征及其与核桃重金属含量关系进行研究,并对食用核桃潜在生态风险进行评估,结果表明核桃及土壤重金属污染主要为Pb和Cd。当前,土壤环境质量评价的重点还主要是耕地,少数涉及园地,对林地土壤调查研究相对缺乏。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
杭州市临安区是我国山核桃的主要产区,山核桃主要分布在临安区西部的昌化、龙岗、岛石和太阳等乡镇。临安属季风型气候,光照充足,雨量充沛,山核桃林地多分布在海拔50~1 200 m的丘陵山地,土壤类型主要为油黄泥、黄红泥、钙质页岩土、黄泥土等。
1.2 样品采集与处理
选择山核桃种植密集的岛石镇、龙岗镇、昌化镇、太阳镇、清凉峰镇及湍口镇(图1),于2018年9月采集了山核桃鲜果和对应的山核桃林土壤样品。
图1
图1
临安区地质背景及采样点分布(据1:10万临安地质简图修编)[11]
Fig.1
Geological background and sampling sites of Lin'an area (modified after Lin'an geology sketch map(1:100 000))
在选定的山核桃林中,按文献[5,7,12]山核桃林土壤采样方法,采集表层(0~20 cm)的土壤样品,每件土壤样由5个子样组合而成,子样点呈梅花形分布在中心点20~50 m范围内。共采集土壤样品32件,样品质量大于2 kg,装入洁净布袋内。在野外驻地自然风干,挑拣出石子及植物根系,过10目筛,充分混匀,装袋(质量>300 g),送实验室检测。
在采集土壤样的范围内,选择长势较好、树龄>30年的山核桃树,采集山核桃鲜果样品。共采集山核桃样品32件,样品鲜重大于4 kg。在野外驻地晒干后,去皮,带壳干果外送分析。
1.3 分析测试
表1 土壤地球化学指标的分析方法与检出限
Table 1
分析指标 | 分析方法 | 检出限 | 单位 | 分析指标 | 分析方法 | 检出限 | 单位 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
As | 氢化物—原子荧光光谱法 | 0.2 | 10-6 | Ni | X-射线荧光光谱法 | 1 | 10-6 |
Cd | 等离子体质谱法 | 0.03 | 10-6 | Pb | 等离子体质谱法 | 2 | 10-6 |
Cr | X-射线荧光光谱法 | 2 | 10-6 | Se | 氢化物—原子荧光光谱法 | 0.01 | 10-6 |
Cu | 等离子体质谱法 | 1 | 10-6 | Zn | X-射线荧光光谱法 | 2 | 10-6 |
F | 离子选择电极 | 100 | 10-6 | 有机质 | 电位法 | 0.1 | % |
Ge | 氢化物—原子荧光光谱法 | 0.1 | 10-6 | pH | 玻璃电极法 | 0.1 | |
Hg | 冷蒸汽—原子荧光光谱法 | 2 | 10-9 |
2 分析结果与讨论
2.1 表层土壤元素含量特征
表2 临安区山核桃林表层土壤元素含量统计参数(n=32)
Table 2
指标 | Cu | Pb | Zn | Ni | Cr | Cd | As | Hg | Se | Ge | 有机质 | F | pH |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最大值 | 59.4 | 84.7 | 151 | 62.8 | 108 | 3.60 | 181 | 215 | 1.82 | 2.44 | 7.83 | 1963 | 7.38 |
最小值 | 11.3 | 13.0 | 54.2 | 9.66 | 26.8 | 0.10 | 3.43 | 36.0 | 0.26 | 0.30 | 1.41 | 409 | 5.06 |
平均值 | 35.5 | 35.9 | 103 | 38.9 | 79.1 | 0.53 | 25.1 | 97.4 | 0.61 | 1.62 | 3.43 | 865 | 5.83 |
标准离差 | 12.56 | 13.04 | 22.46 | 12.52 | 22.28 | 0.65 | 34.14 | 40.57 | 0.33 | 0.40 | 1.21 | 405.62 | |
变异系数Cv/% | 35.34 | 36.33 | 21.81 | 32.21 | 28.15 | 122.33 | 136.18 | 41.63 | 53.94 | 24.86 | 35.17 | 46.88 | |
中国土壤平均值 | 22.6 | 26.0 | 74.2 | 26.9 | 61.0 | 0.097 | 11.20 | 65 | 0.29 | 1.70 | 478 | ||
富集系数q | 1.70 | 1.39 | 1.40 | 1.43 | 1.45 | 5.62 | 2.48 | 1.88 | 3.02 | 0.97 | 1.80 | ||
风险筛选值 | 150 | 90 | 200 | 70 | 150 | 0.3 | 40 | 1800 |
注:有机质含量单位为%,pH为无量纲,Hg含量单位为10-9,其余为10-6;中国土壤平均值据文献[
表3 土壤重金属与理化指标间的相关系数(n=32)
Table 3
指标 | Cu | Pb | Zn | Ni | Cr | Cd | As | Hg | Se | Ge | 有机质 | F | pH |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Cu | 1 | ||||||||||||
Pb | -0.039 | 1 | |||||||||||
Zn | 0.656** | 0.290 | 1 | ||||||||||
Ni | 0.876** | -0.096 | 0.679** | 1 | |||||||||
Cr | 0.669** | -0.222 | 0.446** | 0.818** | 1 | ||||||||
Cd | 0.058 | 0.713** | 0.431* | -0.011 | -0.344 | 1 | |||||||
As | 0.209 | 0.128 | 0.006 | 0.078 | 0.084 | 0.008 | 1 | ||||||
Hg | 0.044 | 0.024 | -0.140 | -0.227 | -0.243 | -0.125 | 0.131 | 1 | |||||
Se | 0.361* | 0.137 | 0.458** | 0.364* | 0.128 | 0.267 | 0.110 | 0.016 | 1 | ||||
Ge | 0.343 | -0.325 | -0.034 | 0.221 | 0.524** | -0.600** | 0.033 | 0.085 | -0.252 | 1 | |||
有机质 | 0.058 | -0.062 | -0.201 | -0.004 | 0.024 | -0.009 | 0.007 | 0.173 | 0.178 | -0.130 | 1 | ||
F | 0.704** | 0.125 | 0.539** | 0.502** | 0.397* | 0.234 | 0.087 | -0.011 | 0.124 | 0.348* | 0.004 | 1 | |
pH | 0.061 | 0.290 | 0.352* | 0.006 | -0.112 | 0.553** | -0.080 | -0.222 | -0.087 | -0.412* | 0.185 | 0.389* | 1 |
注:“**”、“*”分别表示在置信度为99%和95%时显著相关
2.2 土壤元素含量与地质背景关系
据调查[9],山核桃林主要分布在该区震旦系、寒武系、奥陶系和侏罗系地层区,其他地层区山核桃林分布较少。野外调查表明,山核桃林的成土母岩主要为震旦系白云质灰岩、硅质岩,寒武系泥灰岩、炭质页岩,奥陶系陆源碎屑岩和侏罗系火山碎屑岩、陆相中酸性火山岩。由表4可知,侏罗系火山碎屑岩、火山岩形成的土壤除Hg含量较高外,其他组分含量均较低;震旦系白云质灰岩、硅质岩形成的土壤具有较高的Pb、Cd及有机质;寒武系泥灰岩、炭质页岩形成的土壤Cu、Zn、Ni、As、Se、F明显高于其他地层区土壤,且Cr、Cd含量也较高,这与寒武系黑色岩系关系密切[20]。奥陶系陆源碎屑岩形成的土壤Cr含量最高,Ni、Hg略高于平均值。不同母岩形成的土壤,元素含量差异较大,地质背景是制约土壤元素组成的重要因素[1]。
表4 各地质背景区表层土壤元素含量平均值
Table 4
地层 | 样品数 | Cu | Pb | Zn | Ni | Cr | Cd | As | Hg | Se | Ge | 有机质 | F | pH |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
侏罗系 | 2 | 12.7 | 30.4 | 61.3 | 11.2 | 29.9 | 0.17 | 5.88 | 117 | 0.29 | 1.51 | 2.79 | 500 | 5.46 |
震旦系 | 4 | 26.2 | 48.1 | 106 | 26.1 | 47.2 | 1.45 | 15.8 | 109 | 0.62 | 1.13 | 4.36 | 785 | 6.70 |
寒武系 | 11 | 45.9 | 34.5 | 116 | 47.4 | 87.1 | 0.64 | 34.3 | 87.8 | 0.81 | 1.69 | 3.32 | 1085 | 5.76 |
奥陶系 | 15 | 33.5 | 34.3 | 98.4 | 39.8 | 88.4 | 0.24 | 23.3 | 98.8 | 0.49 | 1.72 | 3.36 | 775 | 5.71 |
平均值 | 32 | 35.5 | 35.9 | 103 | 38.9 | 79.1 | 0.53 | 25.1 | 97.4 | 0.61 | 1.62 | 3.43 | 865 | 5.83 |
注:含量单位同
2.3 土壤重金属污染评价
单因子污染指数计算公式为
式中:Pi为污染物i的污染指数;Ci为污染物i的实测值;Si为污染物i的评价标准。当Pi≤1,表示土壤未受污染;Pi>1,表示土壤已受到污染,且Pi值越大污染越严重。
内梅罗综合污染指数反映了各污染物的作用,突出高浓度污染物对环境质量的影响,其计算公式为
P综=
式中:P综为样点i的内梅罗综合污染指数值,Pimax和Piave分别为样点i所有元素单因子污染指数中的最大值和平均值。内梅罗污染指数可分为5级,P综≤0.7时表示土壤仍清洁;0.7<P综≤1.0表示土壤尚清洁(警戒限),1.0<P综≤2.0表示土壤轻度污染,2.0<P综≤3.0表示土壤中度污染,P综>3.0表示土壤受到重污染。
表5 土壤重金属单因子污染指数评价结果
Table 5
参数 | Cu | Pb | Zn | Ni | Cr | Cd | As | Hg |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 0.24 | 0.40 | 0.51 | 0.56 | 0.53 | 1.76 | 0.63 | 0.05 |
最大值 | 0.40 | 0.94 | 0.76 | 0.90 | 0.72 | 12.00 | 4.53 | 0.12 |
最小值 | 0.08 | 0.14 | 0.27 | 0.14 | 0.18 | 0.34 | 0.09 | 0.02 |
超标率/% | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 50 | 12.5 | 0 |
表6 临安区土壤重金属综合评价结果
Table 6
评价标准 | 清洁 P综≤0.7 | 尚清洁 0.7<P综≤1.0 | 轻度污染 1.0<P综≤2.0 | 中度污染 2.0<P综≤3.0 | 重度污染 P综>3.0 |
---|---|---|---|---|---|
风险筛选值/% | 46.88 | 9.38 | 25.0 | 9.38 | 9.38 |
2.4 山核桃果仁微量元素含量特征
表7 山核桃果仁微量元素含量统计参数
Table 7
参数 | Cu | Pb | Zn | Ni | Cr | Cd | Ge | As | Hg | Se |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最大值 | 20.24 | 0.13 | 82.71 | 27.03 | 0.56 | 0.082 | 2.15 | <0.04 | 2.92 | 0.009 |
最小值 | 7.65 | <0.05 | 49.96 | 0.59 | 0.46 | 0.011 | <1.00 | 0.76 | <0.005 | |
平均值 | 14.87 | 63.91 | 11.14 | 0.53 | 0.044 | 1.88 | ||||
标准离差 | 3.00 | 7.73 | 6.59 | 0.02 | 19.10 | 0.63 | ||||
变异系数/% | 20.17 | 12.10 | 59.11 | 4.45 | 43.50 | 33.26 | ||||
标准值 | 0.2 | 0.5 |
注: Ge、Hg含量单位为10-9,其余元素为10-6;标准值为文献[
仅3件样品检测出Se,含量为0.007×10-6~0.009×10-6,其中2件样品分布于寒武系地层区,1件样品分布于奥陶系地层区,这与某些灰岩风化后形成的土壤更易富集硒有关[10]。Zn是人体必需的微量元素,中国营养学会[24]推荐成人Zn日摄入量为7.5 mg(女)/12.5 mg(男)。我国居民从膳食中摄入的Zn约60%来自粮食,40%来自蔬菜、水果、肉等其他食品,但粳米、面粉及蔬菜、水果中Zn含量较低(0.50×10-6~1.64×10-6)[25]。临安山核桃果仁中Zn含量高达 49.96×10-6~82.71×10-6,平均值为64.01×10-6,高于一般坚果类食品[26-27],具备开发富锌保健食品的潜力[12]。
2.5 土壤—山核桃果仁间元素含量关系
元素生物富集系数(bioconcentration factor,BCF)是某元素在生物体内的含量与该元素在环境(以土壤为主)中含量的比值[28]。山核桃果仁的元素生物富集系数就是果仁中的元素含量同对应耕作层土壤中该元素含量的比值,表示为:BCF=果仁中的元素含量/土壤中的元素含量。由于果仁样品中Se、As、Ge、Pb含量较低,大部分样品低于检出限,故未计算其生物富集系数。Cu等6种重金属元素生物富集系数列于表8,Zn、Cu生物富集系数平均值较大,分别为0.663和0.487;其次为Ni;Cr、Cd、Hg生物富集系数较小,为0.008~0.163。果仁中不同的BCF代表山核桃对不同重金属元素吸收能力差异[6],山核桃对Zn、Cu的吸收能力远大于Cd、Cr、Hg。
表8 山核桃果仁部分重金属元素生物富集系数
Table 8
参数 | Cu | Zn | Ni | Cr | Cd | Hg |
---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 0.487 | 0.663 | 0.303 | 0.008 | 0.163 | 0.022 |
最大值 | 1.363 | 1.526 | 0.675 | 0.020 | 0.435 | 0.037 |
最小值 | 0.182 | 0.419 | 0.029 | 0.005 | 0.004 | 0.005 |
此外,通过对比土壤及山核桃果仁Zn含量可知(图2),随着土壤Zn含量增高,山核桃果仁中Zn含量呈显著降低(P>0.05)。这可能是由于土壤Zn含量与pH呈正相关关系(P>0.05), pH值较高土壤中Zn含量虽较高,但其有效性却显著降低。
图2
图2
山核桃果仁与土壤Zn含量关系
Fig.2
Relationship between the contents of Zinc in Carya cathayensi kernels and soil
3 结论
通过对临安山核桃林地土壤和山核桃果实的采样分析,取得以下主要认识:
1) 临安山核桃林地土壤Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd、As、Hg、Se等元素平均含量均大于中国土壤平均值,尤其Cd为中国土壤平均值的5.6倍。Cu、Zn、Ni、Cr可能具有相同的来源,Pb与Cd可能为另一来源。地质背景—成土母岩控制着土壤微量元素的分布。
2) 以土壤环境质量风险筛选值为标准,评价表明研究区局部土壤Cd、As已达到污染程度,其他重金属元素生态风险小。
3) 山核桃果仁Cu、Ni、Cr、Cd、Hg、Pb、As等重金属含量较低。按照《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017),果仁样品未出现重金属元素超标现象,生态风险小。Zn含量较高,具备开发富锌保健食品的潜力。
4) 山核桃对Zn、Cu的吸收能力远大于Cd、Cr、Hg。
致谢:
中化地质矿山总局浙江地质勘查院王美华高级工程师参加了野外调查工作,审稿专家在本文修改过程中提出了宝贵意见,在此一并表示感谢。
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