朱立安，張會化，程炯，李婷，林梓，李俊杰

廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，保障陸地生態(tài)功能及穩(wěn)定基礎(chǔ)條件，是生態(tài)文明發(fā)展的基礎(chǔ)條件之一。珠江三角洲在快速經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)化進程中，人類活動將重金屬以各種途徑“輸入”到土壤中，對于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、人體健康和區(qū)域生態(tài)安全產(chǎn)生重要的影響。

珠江三角洲地區(qū)土壤是重金屬污染較為敏感的區(qū)域（朱永官等，2005）。許多研究表明，土壤重金屬及其浸出液導(dǎo)致土壤生物多樣性減少、影響微生物種群結(jié)構(gòu)、抑制土壤酶活性（Buch et al.，2017；Chen et al.，2020；Liu et al.，2020；王紫泉，2017；章明奎等，2007），從而導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)退化；當(dāng)土壤重金屬含量達到一定濃度也會抑制植物種子萌發(fā)，影響植物生長及林地自然演替（Frey et al.，2006；Rico et al.，2011；張金池等，2001；游秀花等，2005；陶玲等，2007；李敏等，2018；夏星等，2019）。由于重金屬元素在土壤中難以降解，固定在土壤中的重金屬受外部因素（氣候變暖、利用方式、pH值變化等）影響而導(dǎo)致形態(tài)改變或大量釋放，其長期累積將威脅土壤生物、生態(tài)過程及功能，甚至引起不可逆的區(qū)域生態(tài)問題（張金池等，2001）。有研究表明，在施用除草劑后，受重金屬污染的土壤的生態(tài)相比對照區(qū)表現(xiàn)出功能和穩(wěn)定性明顯降低（Jiang et al.，2019）。

生態(tài)風(fēng)險評價（Ecological risk assessment，ERA）是評價人類活動對生態(tài)系統(tǒng)中生物可能構(gòu)成的危害效應(yīng)。它可用于確定風(fēng)險源與生態(tài)效應(yīng)之間的關(guān)系，判斷有毒有害物質(zhì)對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著危害的概率，為環(huán)境管理和決策提供依據(jù)。中國針對土壤重金屬引起的食品安全及健康問題，相繼頒布農(nóng)用地（GB 15618—2018）和建設(shè)用地（GB 36600—2018）風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)，開展農(nóng)用地及建設(shè)用地土壤污染詳查及修復(fù)工作，在食品安全及人身接觸健康風(fēng)險等方面起到重要作用。由于土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，生態(tài)用地風(fēng)險控制缺少相應(yīng)基準(zhǔn)值及舉措，關(guān)于林業(yè)用地方面的生態(tài)風(fēng)險知之甚少?！癏akanson潛在生態(tài)風(fēng)險評估”，作為國際上土壤（沉積物）重金屬研究評估常用方法，結(jié)合環(huán)境化學(xué)、生物毒理學(xué)、生態(tài)學(xué)等內(nèi)容，在區(qū)域土壤重金屬背景值基礎(chǔ)上以定量方法劃分出重金屬潛在風(fēng)險程度，為土壤生態(tài)風(fēng)險管理提供可能引起不良生態(tài)效應(yīng)的信息。許多學(xué)者采用此方法在土壤生態(tài)風(fēng)險評估做了較多工作（He et al.，2016；Fang et al.，2017；Jiang et al.，2019；Zhang et al.，2019；Liu et al.，2020；徐爭啟等，2008；方晰等，2012；楚春暉等，2014；王玉軍等，2017；徐湘博等，2017），一些學(xué)者也曾對珠江三角洲工業(yè)用地和農(nóng)業(yè)用地生態(tài)安全進行了評估（Hu et al.，2013；He et al.，2016；Fang et al.，2017；Zhang et al.，2019；陳文新，1990；宗慶霞等，2017；何博等，2019；夏建東等，2020），取得一定的應(yīng)用效果。

珠江三角洲森林覆蓋率較高，在維持區(qū)域生態(tài)平衡和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面起到重要作用。維持森林土壤生態(tài)系統(tǒng)及其正常生態(tài)功能亦是保護區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展一個重要方面（Hu et al.，2013；Liu et al.，2017；潘勇軍等，2013；朱立安等，2020a；朱立安等，2020b）。珠三角區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展迅速，調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)林地土壤環(huán)境質(zhì)量不容樂觀，2014年全國土壤污染調(diào)查顯示森林土壤林地點位超標(biāo)率為10.0%。鑒于此，本文結(jié)合目前土壤重金屬篩選值相關(guān)研究成果和Hakanson潛在土壤生態(tài)風(fēng)險評估法對珠江三角洲林業(yè)用地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險及其分布格局進行研究，為統(tǒng)籌珠江三角洲生態(tài)土地利用及環(huán)境管控，維護自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康水平，構(gòu)建粵港澳大灣區(qū)生態(tài)安全一體化格局提供參考。

1 研究區(qū)概況

珠江三角洲位于廣東省中南部、珠江下游（112°45′—113°50′E、21°31′—23°10′N）瀕臨南海，舊稱粵江平原，是西江、北江共同沖積成的大三角洲與東江沖積成的小三角洲的總稱。區(qū)域總面積4.17萬km2，包括廣州、深圳、佛山、中山、惠州、東莞、珠海、江門、肇慶，南瀕臨香港、澳門，屬于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域。珠江三角洲屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫 21—23 ℃，冬短夏長，降雨集中6—9月，年均降水量1500 mm以上。區(qū)域水土資源豐富，西江、北江、東江等諸河構(gòu)成珠江水系在區(qū)內(nèi)交錯縱橫。區(qū)域森林植被覆蓋率在50%以上。2016年8月28日，中國國家林業(yè)局正式批復(fù)珠江三角洲地區(qū)為“國家森林城市群建設(shè)示范區(qū)”。區(qū)域原生植被為亞熱帶闊葉林，目前珠江三角洲林地以人工林為主，沖積三角洲地區(qū)成土母質(zhì)主要為第四紀(jì)沉積物，山地林地成土母質(zhì)主要為花崗巖和砂頁巖為主，區(qū)內(nèi)土壤類型以赤紅壤和水稻土分布最廣。

2 研究方法

2.1 土壤重金屬潛在風(fēng)險值計算及評價方法

為方便應(yīng)用與比較分析，根據(jù) Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險模型（史明易等，2019），計算出土壤重金屬潛在風(fēng)險值，以下簡稱“風(fēng)險值”。

計算方法：

式中：

Ci、C0i、Tir——分別為重金屬含量（mg·kg-1）、參比值（mg·kg-1）和毒性系數(shù)；

Ei——潛在生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)。

重金屬毒性系數(shù)（Tir）：Zn=1、Cr=2、Cu=Ni=Pb=5、As=10、Cd=30、Hg=40（徐爭啟等，2008）。參比值采用《土壤重金屬風(fēng)險評價篩選值珠江三角洲（DB44/T 1415—2014）》背景值（廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2014）。計算的風(fēng)險值見表1。

基于風(fēng)險值，將珠江三角洲土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險評估一級分類分為 5個不同潛在生態(tài)風(fēng)險等級，分別為：低潛在生態(tài)風(fēng)險、中潛在生態(tài)風(fēng)險、較強潛在生態(tài)風(fēng)險、強潛在生態(tài)風(fēng)險和極強潛在生態(tài)風(fēng)險，分別對應(yīng)8種重金屬含量（表1）。

表1 基于Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險風(fēng)險值Table 1 Risk value of potential ecological risks based on Hakanson mg·kg-1

2.2 篩選值對比法及評價方法

土壤重金屬 Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 篩選值摘自英國環(huán)保署土壤污染推薦篩選值，篩選值均基于物種敏感性分布法（SSD）（田大勇等，2015），評價系數(shù)1—2；土壤As摘自參考文獻（王紫泉，2017），見表2，以下簡稱“篩選值”?；诤Y選值將林地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險劃分為無生態(tài)風(fēng)險（≤篩選值）和存在生態(tài)風(fēng)險（>篩選值）。土壤重金屬含量值越大，生態(tài)影響及風(fēng)險越大。

表2 風(fēng)險評價分析篩選值Table 2 Screening values of risk assessment analysis mg·kg-1

2.3 反距離插值

反距離加權(quán)插值，即 IDW（Inverse Distance Weight），也可以稱為距離倒數(shù)乘方法。

式中：

Z(X0)——取樣點土壤金屬元素含量（mg·kg-1）；

Z(Xi)——插值點位重金屬元素含量（mg·kg-1）；

λi——插值相關(guān)點位權(quán)重值；

Li——已知點位與插值點位間距離（km）；

i——插值元素相關(guān)點位，i=1—12；

p——估算參數(shù)（p=0.5—3，本文取系統(tǒng)默認(rèn)值2）。

2.4 數(shù)據(jù)分析及測試方法

（1）數(shù)據(jù)布局：根據(jù)珠江三角洲林業(yè)用地分布，共提取2010年土壤環(huán)境調(diào)查440個土壤表層（0—20 cm）重金屬（類重金屬）含量數(shù)據(jù)，土壤樣點按4 km×4 km方格布局，涉重金屬企業(yè)（320個國控和省控企業(yè)，數(shù)據(jù)來源：原國家環(huán)保部），圖1。

圖1 珠江三角洲林業(yè)用地樣點布局Figure 1 Layout of forest land samples in the Pearl River Delta

（2）重金屬分析方法：重金屬元素Cr、Cu、Zn、Ni含量采樣用原子吸收光度法測定（GB/T 17141—1997）（國家環(huán)境保護局，1997）；重金屬As、Hg含量用原子熒光法測定（GB/T 22105.1—2008、GB/T 22105.2—2008）（國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008），重金屬Cd、Pb含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測定（GB/T 17141—1997）。

（3）數(shù)據(jù)處理分析采用Excel 2010、SPSS 20.0，制圖采用Origin 9.0、ArcMap 10.3等軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)分析及生態(tài)風(fēng)險評價

利用SPSS軟件對8種土壤重金屬含量進行分布檢驗，基本服從對數(shù)正態(tài)分布或近似對數(shù)正態(tài)分布，說明總體數(shù)據(jù)基本合理（圖 2）。調(diào)查樣地土壤pH值以弱酸及酸性為主，均值5.26，有機質(zhì)平均含量 1.71%，8種土壤重金屬平均含量均低于背景值，區(qū)域分布差異大，較為離散，如變異系數(shù)較大的As（2.17）、Cd（1.25）、Cu（1.10），說明土壤As、Cd、Cu受環(huán)境因素影響（表3）。土壤重金屬平均值含量均高于中位數(shù)，個別區(qū)域可能存在重金屬含量較高現(xiàn)象。

表3 研究區(qū)域土壤重金屬含量分析Table 3 Soil heavy metal content analysis in the study area mg·kg-1

圖2 珠江三角洲林業(yè)用地8種土壤重金屬正態(tài)分布特征Figure 2 Normal distribution characteristics of eight heavy metals in soil of forest land in the Pearl River Delta

在所調(diào)查的林地土壤點位中，重金屬Cd低潛在風(fēng)險點位占比91.17%，重金屬Hg低潛在風(fēng)險點位占比83.17%。如果未考慮土壤重金屬疊加綜合污染，根據(jù)風(fēng)險值分析，珠江三角洲林地土壤生態(tài)風(fēng)險應(yīng)不小于73.43%處于低潛在生態(tài)風(fēng)險等級，其余為中潛在生態(tài)風(fēng)險至強潛在生態(tài)風(fēng)險等級，不存在極強潛在生態(tài)風(fēng)險等級林地（圖 3）。其中，中潛在生態(tài)風(fēng)險至強潛在生態(tài)風(fēng)險點位主要來自于土壤重金屬Hg和Cd，分別占比16.83%和8.83%；其次為As和Pb，分別占比0.68%和0.23%；Zn、Ni、Cu、Cr基本100%都處于低潛在生態(tài)風(fēng)險。

圖3 林地土壤重金屬污染評價分析Figure 3 Evaluation and analysis of heavy metal pollution in forest land

篩選值分析表明：絕大部分重金屬都有不同程度和占比超出篩選值，珠江三角洲林業(yè)用地土壤重金屬高于篩選值點位最多的重金屬為Cr、Hg和Cd，占點位總數(shù)69.36%、50.90%和20.72%，其次為Zn、As和 Ni，點位占比為 10%和 7.04%，因此珠江三角洲一些區(qū)域林地土壤生態(tài)系統(tǒng)可能受到重金屬一定生態(tài)毒理影響（圖4）。

圖4 基于篩選值林地土壤重金屬污染評價分析Figure 4 Evaluation and analysis of heavy metal pollution in forest land based on screening values

3.2 珠江三角洲林業(yè)用地潛在生態(tài)風(fēng)險分布及格局

利用 ArcMap 10.3軟件反距離加權(quán)插值法（P=2）和基于評估分類體系進行空間可視化表達（圖5）。本次珠江三角洲土壤風(fēng)險評估共統(tǒng)計研究林地面積1.2256×104km2，包括有林地、疏林地和灌木林等，不同重金屬在不同水平生態(tài)風(fēng)險林地土壤面積占比（表4），約至少面積占比77.61%林地土壤處于低潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)，（中-高生態(tài)風(fēng)險）面積占比不超過22.39%。而基于篩選值分析，不低于面積占比79.49%林地土壤存在一定生態(tài)風(fēng)險，主要風(fēng)險重金屬為 Hg、Cr和 Cd，面積占比分布為79.49%、78.46%和26.73%（表5）。

表4 基于風(fēng)險值的潛在生態(tài)風(fēng)險林地土壤面積占比Table 4 Proportion of soil area in forest land with ecological risk of heavy metals at different levels %

表5 基于篩選值的生態(tài)風(fēng)險林地土壤面積占比Table 5 Soil area proportion of ecological risk forest land based on screening value %

從分布格局來看，土壤重金屬 Cd（中-高潛在生態(tài)風(fēng)險）主要分布于珠江三角洲中部區(qū)域，與西、北江河流空間格局基本對應(yīng)，而重金屬Hg（中-高潛在生態(tài)風(fēng)險）分布相對分散，主要分布于涉重金屬企業(yè)周邊或主體涉重金屬企業(yè)區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向，其低山丘陵南坡及山坳區(qū)域比較集中，在珠三角中部和東部區(qū)域面積較廣，As只存在局部區(qū)域中高潛在生態(tài)風(fēng)險。而超出篩選值的土壤重金屬以Cr和Hg最為明顯，在珠江三角洲林地土壤分布廣泛（圖5）。

圖5 珠江三角洲林地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險分布格局Figure 5 Distribution pattern of potential ecological risks of heavy metals in forest land in the Pearl River Delta

4 討論

土壤環(huán)境質(zhì)量評價作為確定污染程度和制定污染策略的重要參考而被廣泛關(guān)注（李飛等，2015）。較常用的土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法包括：內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（奚旦立等，2004）、地累積指數(shù)法（Muller，1969）、單因子污染指數(shù)法（奚旦立等，2004）和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險（Hakanson，1980）。Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險評價將毒理學(xué)、環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)聯(lián)系在一起，以定量方法劃分出重金屬潛在風(fēng)險程度，指標(biāo)簡單且考慮到參比值（背景值）及毒性問題，彌補了內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法和單因子污染指數(shù)法的缺點，被大多研究者應(yīng)用于土壤生態(tài)風(fēng)險研究，作為區(qū)域性不同污染水平下潛在風(fēng)險預(yù)判具有較好應(yīng)用。但土壤生態(tài)系統(tǒng)是及其復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險值受到各方面影響，比如pH值、受體、有機質(zhì)、陽離子交換量、碳酸鹽、離子沖量及計算方法等（Wan et al.，2020；夏增祿，1994；王小慶等，2014；常春英等，2016；王玉軍等，2016），尤其是pH值、有機質(zhì)及陽離子交換量（王小慶等，2014），因此毒性系數(shù)的生態(tài)風(fēng)險并不能完全代表其產(chǎn)生了毒理作用。而基于生物毒理學(xué)的篩選值是重金屬對土壤生物毒理敏感性反應(yīng)，作為Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險評估生態(tài)效應(yīng)補充，對全面認(rèn)識珠江三角洲林地土壤重金屬生態(tài)影響及潛在風(fēng)險有一定促進作用。

本研究結(jié)果顯示，從點位土壤重金屬含量統(tǒng)計可知，珠江三角洲絕大部分林地土壤處于低潛在生態(tài)風(fēng)險水平；從林地土壤重金屬分布格局分析可知，Hg和Cd在珠江三角洲的中部和東部存在局部中-強潛在風(fēng)險。土壤Cd中-強潛在風(fēng)險空間分布與珠三角礦山空間格局有一定耦合關(guān)系，南嶺多金屬成礦帶位于西、北江上游，西北江攜帶的泥沙具有較高的重金屬含量（Zhang et al.，2014），為珠三角沖積平原區(qū)土壤提供了大量的重金屬來源，而Cd更易隨水和少量空氣遷移（Zhang et al.，2014；李鋮等，2015），二者疊加可能是導(dǎo)致土壤重金屬Cd呈在東部地區(qū)中-強度風(fēng)險分布面積較大的原因。Hg是珠江三角洲典型的人為污染元素，人為來源對土壤Hg含量的貢獻高達72%—90%，產(chǎn)生于化工、電鍍等行業(yè)的Hg經(jīng)大氣干濕沉降分布于各個地區(qū)（Zhang et al.，2001；Zhang et al.，2014）。從潛在生態(tài)風(fēng)險分布格局分析，中潛在生態(tài)風(fēng)險在中東部區(qū)域，分布于涉重金屬企業(yè)周邊或主體涉重金屬企業(yè)區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向，其低山丘陵南坡區(qū)或山坳區(qū)域比較集中，工業(yè)產(chǎn)生的重金屬經(jīng)干濕沉降落于土壤，導(dǎo)致土壤重金屬含量升高；較強和強度潛在生態(tài)風(fēng)險是局部分布，與該地區(qū)頻繁的人為開發(fā)活動密切相關(guān)，且隨空氣傳播范圍、強度及距離明顯高于Cd元素。根據(jù)篩選值風(fēng)險格局分析，Cd超出篩選值且處于低潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)域主要在涉重金屬企業(yè)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，加之此區(qū)域內(nèi)丘陵山地分布較廣，山地和盛行風(fēng)加劇了含重金屬污染物的沉降，因此導(dǎo)致了該區(qū)域Cd含量亦偏高。Hg和Cr超出風(fēng)險值的面積在珠三角林地分布面積較廣泛，土壤Cr含量分布相對均勻，其含量主要受母巖和成土過程影響（陳俊堅等，2011；韓志軒等，2018）；土壤重金屬Hg易受干濕沉降影響，其含量偏高與工業(yè)沉降、累積和區(qū)域開發(fā)有關(guān)（Zhang et al.，2014）。

低潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)一般被認(rèn)為是土壤生態(tài)安全區(qū)域，珠江三角洲林地土壤重金屬除 Cd和 Hg外，其余元素均處于土壤生態(tài)安全區(qū)域。重金屬Cd和Hg不同等級潛在污染風(fēng)險在珠江三角洲林地土壤局部區(qū)域存在較大分布范圍，對區(qū)域生態(tài)存在潛在威脅，因此要加強該區(qū)域土壤 Hg和Cd重金屬管控。Cr和Hg較大面積的超出篩選值，也應(yīng)引起重視，從篩選值的生物毒理角度分析，土壤重金屬的生態(tài)效應(yīng)受土壤性質(zhì)、背景、保護受體、生態(tài)過程及功能冗余規(guī)律（孟紫強，2006）等影響，同時也受區(qū)域氣候的影響（Rico et al.，2011），因此其實際生態(tài)影響還亟待深入研究，珠三角土壤生態(tài)系統(tǒng)雖未表現(xiàn)出明顯不平衡，但重金屬長期在土壤累積的地球化學(xué)過程、區(qū)域土壤生產(chǎn)力及生態(tài)演替響應(yīng)還不得而知。

珠江三角洲氣候條件和成土母質(zhì)決定了該區(qū)域土壤風(fēng)化程度高，重金屬活性強，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)安全容易造成威脅。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性、滯后性等特點，根據(jù)珠江三角洲林地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險及潛在生態(tài)風(fēng)險影響及構(gòu)成分析，土壤重金屬Hg、Cd是珠江三角洲區(qū)域林地土壤重金屬污染防控的關(guān)鍵因子，其次是Cr和As。

5 結(jié)論

（1）基于風(fēng)險值生態(tài)風(fēng)險評估分析，珠江三角洲森林土壤大部分處于潛在低生態(tài)分析水平，局部存Hg和Cd潛在土壤重金屬中級風(fēng)險-強度風(fēng)險，珠江三角洲林業(yè)用地土壤環(huán)境整體還有一定的承載空間，尤其是重金屬Zn、Ni、Cu、Pb?；诤Y選值分析，部分珠江三角洲林地土壤生態(tài)可能已經(jīng)受到不同程度影響，以土壤重金屬Hg和Cr為主。

（2）從珠江三角洲林地土壤重金屬潛在風(fēng)險分布格局分析，重金屬Cd潛在風(fēng)險主要分布在中部地區(qū)，中-強潛在風(fēng)險與西、北江河流空間格局基本對應(yīng)，來自水流遷移影響因素較大，其次為干濕沉降。Hg潛在風(fēng)險主要分布在東部和中部區(qū)域，可能來自工業(yè)干濕沉降和區(qū)域開發(fā)。Hg和Cr超出篩選值分布廣泛，Cr可能是自然本底值較高引起，而Hg可能主要來自工業(yè)沉降。

（3）從珠江三角洲區(qū)域林地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險及構(gòu)成分析可知，由于重金屬Hg、Cd的生物毒性系數(shù)高、來源復(fù)雜且廣泛，加強土壤Hg、Cd重金屬管控或消減土壤Hg、Cd總體含量水平（尤其是珠江三角洲中部和東部林地土壤），對緩解區(qū)域土壤重金屬風(fēng)險有重要意義。其次為管控或消減土壤Cr和As總體含量水平。