不同干擾林地土壤重金屬與養(yǎng)分積累的關(guān)系

徐晟嵐+徐明鋒+謝毅文+許晨輝+顏瑩

摘要：為掌握廣州市東部森林土壤重金屬與養(yǎng)分積累的關(guān)系，選取不同人為干擾下的森林樣地，分析森林表層土壤中銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）6種重金屬與土壤養(yǎng)分元素的相關(guān)性，探究重金屬與有機(jī)碳含量的關(guān)系。結(jié)果表明：人為干擾導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鈉、交換性鎂含量下降；重金屬與有效鐵、錳存在明顯交互作用；土壤重金屬全量與有機(jī)碳相關(guān)性不顯著，重金屬在不同干擾林地與pH相關(guān)性差異明顯。

關(guān)鍵詞：重金屬；土壤有機(jī)質(zhì)；土壤有機(jī)碳；相關(guān)分析

中圖分類號：S714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

重金屬是危害森林生態(tài)健康的主要污染物之一，不僅影響森林土壤環(huán)境質(zhì)量，而且通過食物鏈影響人類健康[ ]。森林土壤通過土壤膠體吸附、絡(luò)合和沉淀作用，以及土壤微粒的交換和機(jī)械截留作用，對重金屬污染物起到凈化和緩沖功能[ ]。土壤有機(jī)質(zhì)對陸地生態(tài)系統(tǒng)中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化起著重要作用[ ]，其中有機(jī)碳是大多數(shù)化能有機(jī)營養(yǎng)微生物的能量來源，有機(jī)碳含量提高時(shí)酶的活動(dòng)和微生物生物量相應(yīng)提高[ ]。高濃度重金屬的土壤中微生物更多地利用有機(jī)碳作為能量代謝，以CO2的形式釋放，進(jìn)而影響土壤的呼吸作用[ ]。干擾是導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性的重要因子[ ]，大規(guī)模干擾導(dǎo)致土壤碳直接損失并影響有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過程[ ]。目前，重金屬有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性結(jié)論存在一定爭議[ ， ]，有進(jìn)一步研究的空間。

本研究測定了廣州東部森林土壤重金屬和有機(jī)質(zhì)含量，分析不同干擾林地土壤性質(zhì)的變化，不同重金屬元素與土壤性質(zhì)的關(guān)系。為深入研究森林土壤微生物活動(dòng)，以及森林生態(tài)系統(tǒng)對于不同干擾的響應(yīng)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地概況

廣州地處南亞熱帶，屬南亞熱帶典型的季風(fēng)海洋氣候，冬暖夏涼，雨量充沛。濕熱氣候條件下，土壤中的淋溶和淀積作用非常強(qiáng)烈，土壤剖面中虧損可溶性鹽、堿金屬和堿土金屬，而明顯富集鐵鋁氧化物和氫離子[ ]。土壤樣品主要采集于廣東省廣州東部森林，處于北緯23°17′56″-23°38′33″，東經(jīng) 113°37′04″-113°47′24″之間。

2 研究方法

2.1樣地設(shè)置及樣品采集

在廣州從化區(qū)和增城區(qū)設(shè)置27個(gè)典型樣地，對樣地周邊情況進(jìn)行探查，根據(jù)人為干擾程度分為天然林、人工改造林、居民區(qū)林地三類，每種林分類型選擇9個(gè)樣地。天然林位于石門森林公園，主要人為活動(dòng)為旅游觀光，處于演替中期，以成熟林為主；人工改造林位于增城區(qū)中心鎮(zhèn)，人為活動(dòng)為施肥造林，林種以經(jīng)濟(jì)林和用材林為主；居民區(qū)林地干擾來自于刈割、伐林。樣地調(diào)查記錄胸徑≥3 cm立木的種名、樹高及胸徑等信息，同時(shí)記錄各調(diào)查樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡位和人為活動(dòng)。在樣地范圍內(nèi)用土鉆隨機(jī)采集5個(gè)樣品，混合為一個(gè)樣品進(jìn)行下一步測定，采樣深度為0-20cm。

2.2室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

對采集的土壤進(jìn)行重金屬含量分析，指標(biāo)包括Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg等。將采集的土壤樣品去除石頭和植物的根、葉等雜物，放在通風(fēng)處自然風(fēng)干，過100目的篩，保存于自封袋中待測。

分析項(xiàng)目與測試方法：總Hg用冷原子吸收分光光度法（GB/T17136-1997）測定；總Cu、Pb、Zn為火焰原子吸收分光光度法（GB/T17138-1997）測定；總Cr用火焰原子吸收分光光度法（GB/T17137-1997）測定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，有效Cu、Zn、Fe、Mn用DTPA提取-火焰原子吸收分光光度法測定。

2.3數(shù)據(jù)分析

土壤養(yǎng)分元素及重金屬含量的描述統(tǒng)計(jì)分析與相關(guān)分析用 Excel 2010、SPSS22.0 軟件分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同干擾林地土壤性質(zhì)差異

根據(jù)對土壤表層樣品的測定結(jié)果，廣州東部森林土壤以酸性土為主，pH>5.0的樣品數(shù)為0。如表1所示，天然林、人工改造林、居民區(qū)林地有機(jī)質(zhì)含量分別為34.32、23.85、25.62g/kg。天然林土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，可能是生態(tài)系統(tǒng)中固定的有機(jī)物較多，大部分凋落物通過土壤動(dòng)物和微生物分解成為有機(jī)質(zhì)固定在土壤層中，而人工改造林和居民區(qū)林地受到人為干擾大，砍伐與清除林下草灌使得林分固定的有機(jī)物被人為轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致凋落物分解到土壤中的有機(jī)質(zhì)減少。隨著人為干擾程度增強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鈉、交換性鎂含量明顯下降，土壤肥力降低。居民區(qū)林地全磷和有效磷含量比其他林型含量高，可能與居民的肥料使用有關(guān)。

3.2林地土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

進(jìn)一步對土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分元素的相關(guān)性進(jìn)行分析，不同干擾程度下土壤有機(jī)碳與全氮均呈顯著正相關(guān)。居民區(qū)林地全氮與有機(jī)碳的相關(guān)性比天然改造林高，有機(jī)碳與全磷含量正相關(guān)。人工改造林、居民區(qū)林地堿解氮和有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)。天然改造林地土壤有機(jī)碳與全磷，交換性鈣，交換性鎂負(fù)相關(guān)。

3.3林地土壤重金屬與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

3.3.1土壤重金屬與微量元素的關(guān)系

土壤中微量元素和重金屬含量主要受成土母質(zhì)影響[ ]，但由于施用的肥料差異以及林木的吸收差異，會(huì)導(dǎo)致土壤微量元素和重金屬含量產(chǎn)生一定變化[ ， ]。鋅、銅、錳和鐵是植物生長必需的微量營養(yǎng)元素，土壤中有效態(tài)元素的含量直接影響土壤對林木的供應(yīng)水平。分析結(jié)果表明（表3），有效鐵與Zn、Cd、Hg呈顯著負(fù)相關(guān)，表明有效鐵對Zn、Cr、Hg有控制作用。有效錳與Cu、Zn、Cd、Cr呈極顯著正相關(guān)，當(dāng)發(fā)生復(fù)合污染時(shí)，可能會(huì)與重金屬產(chǎn)生協(xié)同作用。有效硼與重金屬之間無明顯相關(guān)性，這一參數(shù)不能用來預(yù)測重金屬含量。有效鐵，有效錳對森林土壤中重金屬含量有影響，但影響程度不一。

3.3.2土壤重金屬與有機(jī)碳和pH的關(guān)系

土壤 pH 是直接或間接影響重金屬移動(dòng)性的最重要因子之一，土壤有機(jī)質(zhì)對重金屬離子的絡(luò)合作用受pH 的影響較大[ ]。結(jié)果表明（表4），林地土壤重金屬與有機(jī)碳含量相關(guān)性并不顯著。天然林地類型，Pb、Cr、Hg和土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)，Zn與pH值顯著正相關(guān)。人工改造林地，Zn、Cd、Cr與pH呈正相關(guān)，有機(jī)碳與pH值呈負(fù)相關(guān)。居民區(qū)林地由于外源重金屬進(jìn)入，與土壤pH相關(guān)性不顯著。同一重金屬元素在不同林地下與pH的相關(guān)性差異很大，可能與土壤性質(zhì)和有機(jī)物組成有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

（1）從天然林、居民區(qū)林地到人工改造林，隨著人為干擾的加劇，有機(jī)質(zhì)含量明顯減少，土壤肥力下降。土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于植物、動(dòng)物、微生物殘?bào)w，不同程度的人為干擾導(dǎo)致這些殘余體和凋落物減少，使得土壤的有機(jī)質(zhì)減少。另外，人為施用的有機(jī)肥和工農(nóng)業(yè)、生活廢水的排入也會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)增加。（2）有效鐵與Zn、Cd、Hg呈負(fù)相關(guān)，有效錳與Cu、Zn、Cd、Cr呈正相關(guān)，得到土壤中重金屬與陽離子養(yǎng)分間存在交互作用，可進(jìn)一步對土壤-植物系統(tǒng)中微量元素與重金屬元素進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。（3）有機(jī)質(zhì)對重金屬的作用機(jī)理比較復(fù)雜，對土壤有機(jī)質(zhì)與重金屬相互作用的研究，應(yīng)充分考慮有機(jī)質(zhì)含量、構(gòu)成成分、分子結(jié)構(gòu)和功能團(tuán)的類型等參數(shù)。本次研究結(jié)果顯示各林地下重金屬全量與有機(jī)碳含量沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，應(yīng)考慮土壤有機(jī)碳對微生物的影響，進(jìn)而分析兩者的關(guān)系。

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