佛山城市典型森林群落土壤重金屬分布、流通及枯落物富集特征

朱立安,曾清蘋,柳 勇,柯 歡,程 炯,*,張會化,李俊杰

1 廣東省科學院,廣東省生態環境技術研究所,華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心,廣東省農業環境綜合治理重點實驗室, 廣州 510650 2 佛山市林業科學研究所, 佛山 528222

佛山作為“粵港澳大灣區”“珠江—西江經濟帶”快速發展的典型工業城市,是珠江西岸先進裝備制造業龍頭,是華南地區最主要經濟中心之一[1]。過去幾十年經濟快速發展導致大量污染物進入環境生態系統,城市環境問題日益突出[2-4]。城市森林作為城市生態系統的重要組分,是城市生態系統中執行“納污吐新”負反饋機制的主要自然環境子系統之一,被稱為“城市之肺”[5-6]。土壤是為植物生長發育提供營養物質和生長空間的載體,同時對環境污染物也具有緩沖和凈化功能,城市森林土壤通過土壤微粒的機械攔截與交換,土壤膠體的吸附、絡合與沉淀,可儲存森林生態系統中約90%的污染物[7]。枯落物是植物生命周期更替過程中自然死亡或脫落的產物,是土壤與植物重要物質交換通道,對重金屬有較為明顯富集作用[8],其積累和分解作為土壤與植物間重金屬的重要流轉通道[9],是重金屬在森林土壤生態系統中再分配的主要途徑之一,同時也導致重金屬從土壤系統再次進入環境循環系統。2014年全國土壤污染調查顯示森林土壤林地點位超標率為10.0%,以Cd、As污染為主,近年一些研究也更多的關注了城市森林土壤重金屬污染問題,并發現了城市森林中喬、灌木等對土壤重金屬具有顯著消減作用,且植被類型或群落不同消減效果各異[10-12],但對城市森林土壤重金屬分布特征、形成機制、土壤系統和植物系統間流轉情況及枯落物的富集效應等研究報道鮮見。《國家林業局關于著力開展森林城市建設的指導意見》(林宣發〔2016〕126號)指出“森林公園建設應使用有益于人體健康的鄉土樹種”。因此,在休憩型森林建設過程中,為減少枯落物分解過程中重金屬暴露率,降低人體與環境重金屬的直接接觸風險,低富集植物對休憩型森林公園建設尤為重要,尤其在土壤背景值較高區域。

本文通過研究佛山市典型森林群落土壤重金屬的分布、凋落物對重金屬的富集特征,結合珠三角土壤重金屬背景值初步了解了該區域森林土壤重金屬負荷狀況,揭示城市森林群落土壤重金屬在土壤—植物系統的生態流通特點及與人身接觸健康安全環境互動影響,對城市森林建設管理、篩選重金屬富集植物和群落及其空間配置具有借鑒參考意義。

1 研究區概況

佛山市位于珠江三角洲腹地,屬亞熱帶季風氣候,又受海洋氣候調節,年均氣溫20—25℃。年均降雨量1600 mm,地貌特征表現為塊狀山地呈棋盤狀分布、河網縱橫交錯,低山丘陵區多發育赤紅壤、紅壤,少量黃壤,平原區主要為水稻土和堆疊土。地帶性植被為南亞熱帶常綠闊葉林,城市森林面積58388.3 hm2(2016年),約占國土總面積的16%(濕地、園林綠地等除外),研究區林地類型以人工林和次生林為主。

根據城市森林布局(圖1),選取包括南海區的西樵山公園、佛山植物園,高明區的云勇林場、三洲水源林、泰康山公園,三水區的大南山林場、九道谷林區,順德區的李小龍樂園8個林區的典型森林群落,于各林區內遠離居民點、干擾程度較小的區域設固定樣地進行土壤調查及枯落物收集,森林群落情況見表1,0—60 cm土壤理化性質見表2。

圖1 佛山市不同城市森林群落位置圖Fig.1 Location of different urban forest in Foshan

表1 各研究地森林群落喬木層林分特征

表2 各研究地森林群落土壤理化性質特征(0—60 cm)

2 研究方法

2.1 群落調查與土壤樣品采集

2016年11月于各林區內分別設置4個20 m×20 m標準樣地進行群落調查、土樣采集及枯落物收集。

群落調查：①對樣地內所有胸徑≥2cm的喬木進行調查；②在標準樣地內按“X”型設置5個5 m×5 m小樣地對灌木進行調查。調查項目：喬木高、胸徑、冠幅,灌木高、冠幅。

土樣采集：沿標準樣地對角線設置3個5 m×5 m取樣區,于取樣區內隨機選取3個取樣點,分別采集0—20、20—40、40—60 cm土樣,同一取樣區同一土層樣品取混合樣。在實驗室除去動植物殘體,過5 mm篩,110℃烘干后存于干燥器內用于測定理化性質及重金屬含量。

枯落物收集：用木樁將0.7 m×0.7 m正方形收集框固定于草本層之上,每個取樣區設置6個收集框,共48個,周期為一年,半年收集一次,為消除枯落物分解造成的重金屬含量影響,在取樣過程中按枝、葉、皮組成比例拾取未分解部分。帶回實驗室進行干燥、稱重。

2.2 分析測定方法

枯落物先用自來水沖洗,再用蒸餾水、去離子水分別沖洗3次,裝入信封內殺青30 min(105℃)后烘干(70℃)至恒重,粉碎過0.5 mm篩后塑封,干燥保存備用。植物樣品與土壤樣品均采用HCL—HNO3[13]法(體積比3:1)消解,分析過程樣品質量控制采用標準樣品和空白樣品,所有重金屬回收率均大于95%。

土壤理化性質采用鮑士旦[14]測定方法。重金屬元素Cr、Cu、Zn、Ni含量用原子吸收光度法測定(GB/T17141—1997)；重金屬As、Hg含量用原子熒光法測定(GB22105—2008),重金屬Cd、Pb含量用石墨爐原子吸收分光光度法測定(GB/T17141—1997)。枯落物生物量根據國家林業局《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)進行計算,根據各群落枯枝落葉組成稱取相應枝葉比進行重金屬含量測定。

2.3 數據處理

本文選用重要值(Importance Value,IV)[15-16]來測度城市8個典型森林群落主要優勢種群,公式(1)；BCF表示富集系數(bioconcentration factor)[17],TBCF為8種重金屬富集系數之和,公式(2)；枯落物重金屬通量fi,公式(3)：

(1)

(2)

fi=Li×ai

(3)

式中,IVj為群落優勢種群重要值,RAj為相對密度、RFj為相對頻度和RPj為相對顯著度,Li和Si為某一群落枯落物重金屬含量(mg/kg)及其相應0—60 cm土壤重金屬平均含量(mg/kg),ai表示年枯落物量,j=1,2…… 8個群落；i=1,2…… 8種重金屬。

珠江三角洲土壤重金屬含量背景值和建設用地土壤污染風險管控值見表3。

表3 土壤重金屬環境背景值及污染風險管控值一覽表/(mg/kg)

背景值摘自《土壤重金屬風險評價篩選值 珠江三角洲(DB44/T 1414—2014)》；①和②《建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600—2018).

論文所用數據均為算術平均值,數據處理和統計分析采用SPSS 18.0、Office Excel 2007軟件,圖形處理采用Office Visio 2010、OriginPro 2015、ArcMap 10.2.2軟件,采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)比較不同數據組間的差異(P<0.05)。

3 結果與分析

3.1 佛山城市典型森林群落土壤重金屬含量分布特征

3.1.1不同群落土壤重金屬含量差異性分析

0—60 cm土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni含量變異系數在不同群落間差異較大,范圍介于29.33%—85.65%,變幅以Pb、Zn最大,Cd、As次之,Hg、Cr、Cu、Ni最小。各群落間重金屬含量差異顯著(P<0.05),差異最大為Pb、Cr、Zn,其次As、Cu、Ni,最小為Hg、Cd,且FSBG(Cd),BLP(Pb),SZWCF(Cu、Ni),TKMP(Cr),XQSP(Hg、As、Zn)均顯著高于其他林區群落,平均含量高出1.51%—90.75%,與珠江三角洲土壤背景值(表3)相比均表現出不同程度升高,升高范圍1.20%—127.67%(圖2)。

3.1.2各典型群落土壤重金屬含量隨土層深度變化特征

各群落重金屬隨土層深度變化趨勢基本一致,即土層加深含量減少,且各土層間差異顯著(P<0.05)。各林區土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni土層間變異系數介于1.40%—90.70%,變幅最大為Cd、Hg,其次為As和Cu,Zn、Ni、Pb、Cr最小。除JDGFA(Hg和Zn)、SZWCF(As和Zn)、BLP(As和Pb)、YYFF(Zn)外,其余林區群落Cd、Hg、As、Pb、Zn含量均在0—20 cm最高,40—60 cm最低；Cu在FSBG、BLP、YYFF、XQSP表現為隨土層加深而降低,在SZWCF、TKMP、DNSFF和JDGFA變化趨勢相反；除BLP(Cr和Ni)、XQSP(Cr)、TKMP(Ni)外,其余林區群落Cr和Ni隨土層加深遞增(圖2)。

圖2 佛山城市典型森林群落土壤重金屬分布特征Fig.2 Heavy metal quality score of each sampling location in the soils of urban typical forest in Foshan

3.2 群落組成、枯落物重金屬含量及通量分析

3.2.1調查樣地森林群落組成

調查共記錄喬木31科54屬74種,XQSP喬木種類最為豐富,13科19屬27種,其次為BLP(15科22屬23種),FSBG、TKMP群落結構單一,僅2—3種組成。FSBG、TKMP、XQSP、SZWCF、DNSFF、YYFF、BLP和JDGFA喬木層優勢種分別為鳳凰木和小葉欖仁、馬尾松、木荷—山烏桕—假柿木姜子、尾葉桉—殼菜果—華潤楠、陰香—白楸—醉香含笑、黧蒴錐—香椿—樟樹、楝葉吳茱萸—潺槁木姜子—尖葉杜英、尾葉桉—木荷—馬尾松,重要值之和分別達93.15%、94.96%、53.61%、79.89%、72.41%、74.14%、65.37%、76.13%(表4)。8樣地記錄灌木25科54屬63種,數量少且分布零散,重要值均低于1%(表5)。

表4 佛山市8個城市森林群落喬木層重要值前6位/%

表5 佛山市8個城市森林各群落灌木層重要值前6位/%

3.2.2各群落枯落物重金屬含量、流通量及其對土壤重金屬含量影響分析

年枯落物量受樹種類型、林齡及郁閉度等因素影響,也會影響到枯落物重金屬含量及通量(表6、表7),本試驗表明植物群落不同,枯落物重金屬含量、流通量差異顯著(P< 0.05),8種重金屬群落間差異最大為Zn,最小為Hg。年枯落物量以尾葉桉—木荷—馬尾松群落(ESPC)(14.29 t/hm2)最大,陰香—白楸—醉香含笑群落(CMMC)(7.76 t/hm2)與楝葉吳茱萸—潺槁木姜子—尖葉杜英群落(ELEC)(6.2 t/hm2)最少。Cd在CMMC(1.778 mg/kg)和鳳凰木—小葉欖仁—茶樹群落(DTCC)(0.770 mg/kg)枯落物中富集最多,在8個群落中流通量介于1.77—13.8 g hm-2a-1之間；Hg、Pb、Zn、Ni累積量最多的為CMMC,在8個群落中流通量范圍依次為0—0.23、57.23—293.33、390.72—1722.72、32.61—76.75 g hm-2a-1；As和Cr在黧蒴錐—香椿—樟樹群落(CTCC)枯落物中累積量最大,在8個群落中的流通量范圍分別為1.18—40.92、14.14—251.68 g hm-2a-1；DTCC枯落物中Cu含量最高,Cu在8個群落中流通量介于82.54—270.66 g hm-2a-1之間。群落枯落物8種重金屬總流通量前三位分別為CMMC、DTCC、SSLC。

表6 不同森林群落枯落物中重金屬含量/(mg/kg)

表7 不同森林群落單位面積枯落物量及重金屬流通總量/(g hm-2 a-1)

根據土壤重金屬含量(0—60 cm)與單位面積年重金屬流通量進行相關分析,除土壤Cr、Ni與枯落物Cr、Ni呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)負相關外,其余土壤重金屬含量與枯落物重金屬流通量均未達明顯相關水平(表8)。

表8 土壤重金屬含量(0—60 cm)與枯落物重金屬通量間相關性系數

3.3 群落枯落物對土壤重金屬富集效應

不同群落枯落物對重金屬富集效應差異顯著,重金屬種類不同富集效應各異(表9)。對Cd的富集效應中,CMMC、ELEC和PC富集系數最大,分別為44.45、14.20、13.28,DTCC和CTCC富集系數最小,僅為7.7和3.40；對Hg、As、Ni富集不明顯；CMMC對Pb富集能力最強,富集系數達2.83,其余群落不明顯；對Cr的富集效應中,SSLC與CTCC的富集能力最強,富集系數分別為4.61、1.58；CMMC、ESPC與SSLC對Cu的富集最強,富集系數分別為4.10、1.90、1.27；CMMC和DTCC對Zn的富集最明顯,富集系數分別為13.71、3.94。對重金屬富集系數和(TBCF)最大的依次為CMMC、ELEC、PC,最小的分別為DTCC、ESPC、CTCC。

表9 不同植物群落枯落物對重金屬富集系數

4 討論

城市森林土壤重金屬與人類活動關系密切,且重金屬種類不同,含量差異明顯[18],佛山城市森林土壤中以Cr平均含量最高,Pb和Ni次之,Cd和Hg含量最低。8種森林群落土壤重金屬(0—60 cm)分布特征結果表明：重金屬在大部分林分土壤中的平均含量低于珠三角土壤背景值,顯著低于《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600—2018)第二類用地(G),Cr、Cu、Ni變異系數最小,分布均勻,3種元素可能主要受地質因素影響較大,主要來源于土壤母質[19]。Pb、Zn變異系數最大,BLP與YYFF(Pb),XQSP(Zn)等均不同程度超過其背景值,可能該區域土壤受外來源重金屬影響,公園、林場與自然林不同,存在較多的林分管理,且3林區位于城市中心,工業集中,人口密度大,交通擁擠[20-22],這些林區土壤重金屬Pb、Zn可能來自農藥[23]或殺蟲劑的使用,汽車輪胎摩擦或含鉛汽油的燃燒等[24]通過干濕降塵沉降在林區土壤。研究表明,佛山城市森林土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn在0—20 cm含量較高,具有較高的表層富集特征,Cr、Ni在40—60 cm含量較高,可能是進入土壤中的Cr和Ni可移動態較多,隨土壤侵蝕和淋溶作用而遷移[25]或受地質作用[19]影響較大。

枯落物重金屬含量及重金屬通量體現了植物對土壤重金屬的富集和轉運能力[26-28],而土壤重金屬含量受多方面影響,如地質背景、大氣沉降、造林方式、坡度、金屬廢棄物、枯落物輸入等均會增加土壤表層重金屬[9,13,17,29],本研究結果顯示群落枯落物重金屬流通量與土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn含量沒有明顯相關性,可能受到外源因素影響[19-21]較大,與Cr、Ni含量呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)負相關,可能受成土過程[19]及其遷移能力等因素對其在土壤中累積效應相關,一些研究表明,由于林地土壤重金屬隨土壤侵蝕和淋溶作用強烈而遷移較大,較大林齡森林土壤重金屬因淋溶作用往往高于因土壤侵蝕遷移量,且土壤酸度和有機質絡合等也會對遷移效率產生影響[30-32]。

森林群落由各類植物構成,植物種類、林齡、郁閉度等不同其所形成的內部結構、環境,林下枯落物組成及數量不同[33-34],對土壤重金屬富集效率也有所差異。枯落物富集及通量可表征植物流轉重金屬能力的強弱,通常富集系數大于1被認為植物群落對某種重金屬在植物體內相對富集[35]。群落植物組成不同富集能力各異,本研究結果顯示8個典型森林群落對Cd、Cu、Zn富集能力較強,尤以對Cd富集效應突出[36](富集系數3.4—44.45),而對Hg、As、Ni的富集作用則不明顯。各群落中Cd富集效應與綜合富集能力最高均為陰香—白楸—醉香含笑群落,系數分別達66.76、44.5,這與陳玉娟等[11]對廣州市區森林群落重金屬含量研究結論一致。陰香樹群落對重金屬富集能力強于其他森林群落,可以作為一種重金屬富集能力較強的修復植物進一步研究。同時對富集能力較低的群落如黧蒴錐—香椿—樟樹群落可用于Cd、Ni和Cu等元素含量較高區域森林公園建設,可有效降低土壤重金屬所帶來的環境人身接觸健康接觸風險。

5 結論

(1)佛山市城市森林各土壤重金屬含量在不同典型群落間差異顯著(P<0.05),差異最大為Pb、Cr、Zn,As、Cu、Ni次之,Hg、Cd最小；土層深度對重金屬含量影響顯著(P<0.05),差異最大為Cd、Hg,其次為As、Cu,最小為Zn、Ni、Pb、Cr。整體上,Cd、Hg、As、Pb、Zn在0—20 cm最高,Cr和Ni在40—60 cm最高。

(2)8種植物群落中陰香—白楸—醉香含笑群落對8種金屬的綜合富集系數(TBCF,66.76)最高,對Cd的富集效果最突出,富集系數為44.45,且對Pb、Cu、Zn也相對富集。綜合富集系數(TBCF,8.09)最低的為黧蒴錐—香椿—樟樹群落,僅對Cd、Cr、Cu相對富集,對其余重金屬富集效應不明顯。

(3)相關性分析表明群落枯落物重金屬流通量與土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn含量沒有明顯相關性,與Cr、Ni含量呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)負相關。