滇中高原哀牢山不同林分土壤重金屬污染特征及其生態風險評價

劉浪,吳恒,許先鵬,方向陽,王玥琳

摘要：為探究滇中高原哀牢山不同林分類型土壤重金屬的分布特征及對其潛在生態風險進行評價，選取哀牢山4種林分（常綠闊葉林、高山櫟林、華山松林、滇油杉林）土壤為研究對象，采集林分土壤，對該土壤進行7種重金屬（Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、As、Ni）、有機質含量和pH進行檢測分析。以云南省土壤背景值和國家土壤環境質量標準（Ⅰ級）作為參比值，采用Hakanson 潛在生態危害指數法（Potential ecologicalrisk index）評價研究區不同林分土壤重金屬潛在生態危害效應。結果表明，研究區內土壤中Zn的含量最高，其次是Mn，其余5種都在5 mg/kg以下，pH均為酸性，有機質的含量常綠闊葉林最高，滇油杉林、華山松林次之，高山櫟林最低，變異系數為18.32% ～ 37.26%。常綠闊葉林土壤中Pb和pH為顯著負相關（P＜0.05），與有機質顯著正相關（P＜0.05）；高山櫟林Pb和Ni極顯著負相關（P＜0.01），As和有機質顯著正相關（P＜0.05）；華山松林Mn與Pb顯著正相關（P＜0.05）；滇油杉林Zn和Pb、Ni、有機質為負相關外，其余4種重金屬和pH均為正相關，且相關性均不顯著（P＞0.05）；有機質與Zn的相關性較強可聚類為一組。4種林分土壤重金屬的單種和多種土壤重金屬潛在生態危害都處于輕微風險狀態，單種重金屬潛在生態危害程度平均值由大到小排序為As、Zn、Ni、Pb、Cu、Cr、Mn，多種土壤重金屬潛在生態危害程度由大到小排序為華山松林、滇油杉林、常綠闊葉林、高山櫟林。

關鍵詞：滇中高原；哀牢山；森林土壤；重金屬含量；生態風險評價

中圖分類號：S714;X53;X826文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2024）03-0056-10

Heavy Metal Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment?of Soil in Different Forest Stands of Ailao Mountain in the?Central Yunnan Plateau

LIU Lang1， WU Heng1， XU Xianpeng1， FANG Xiangyang2， WANG Yuelin3*

（1.Southwest Survey and Planning Institute of National Forestry and Grassland Administration， Kunming 650031， China;?2.Kunming Forest Fire Prevention and Control and Forest Grass Information Center， Kunming 650506， China;?3.College of Tourism and Urban-Rural Planning， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract：In order to investigate the distribution characteristics of heavy metals in soil of different forest types in Ailao Mountain on the central Yunnan Plateau and evaluate their potential ecological risks， four forest types （evergreen broad-leaved forest， alpine oak forest， Pinus armandii forest， and Yunnan oil fir forest） were selected as the research object. The forest soil was collected to detect and analyze the content of seven heavy metals （Zn， Cu， Mn， Cr， Pb， As， Ni）， organic matter， and pH of the soil. Using the soil background value of Yunnan Province and the national soil environmental quality standard （Level I） as reference values， the Hakanson potential ecological hazard index method was used to evaluate the potential ecological hazard effects of heavy metals in soil of different forest stands in the study area. The results showed that the content of Zn in the soil of the study area was the highest， followed by Mn， and the other five species were all below 5 mg/kg. The pH was acidic， and the content of organic matter was highest in evergreen broad-leaved forest， followed by Yunnan oil fir forest and Pinus armandii forest， and the lowest in alpine oak forest， with a coefficient of variation?between 18.32% and 37.26%. There was a significant negative correlation between Pb and pH in the soil of evergreen broad-leaved forest （P<0.05）， and a significant positive correlation with organic matter （P<0.05）. Pb and Ni were significantly negatively correlated （P<0.01）， while As and organic matter were significantly positively correlated （P<0.05） in the alpine oak fores. There was a significant positive correlation between Mn and Pb in Pinus armandii forest （P<0.05）. Except for the negative correlation between Zn and Pb， Ni， and organic matter in the Yunnan oil fir forest， the other four heavy metals and pH values were all positive correlated， and the correlation was not significant （P>0.05）. The correlation between organic matter and Zn was strong and can be clustered into a group. The potential ecological hazards of single and multiple heavy metals in the soil of four forest stands were all in a mild risk state. The average degree of potential ecological hazards of single heavy metals was ranked from high to low as As， Zn， Ni， Pb， Cu， Cr， and Mn， while the potential ecological hazards of multiple soil heavy metals were ranked from high to low as Pinus armandii forest， Yunnan oil fir forest， evergreen broad-leaved forest and alpine oak forest.

Keywords：Central Yunnan Plateau; Ailao Mountain; forest soil; heavy metal content; ecological risk assessment

0引言

森林生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，為人類的生產、生活提供賴以生存的條件，也是陸地上最大的碳源碳匯，在氣候調節、水土保持、水源涵養和空氣凈化等方面起著非常重要的作用[1-2]。森林下方土壤質量的好壞關乎森林生態系統的健康持久發展，其生物及非生物因素都是影響植物群落生存的重要環境因子，是森林生態系統不可缺少的重要部分[3-4]。目前隨著工業的迅速發展，大量重金屬通過大氣和水體等途徑不斷排放到環境中，通過降雨、空氣沉降及植物攔截等作用最終不斷輸入到森林土壤中，并且相關研究表明土壤雖然可容納環境系統中70%以上的重金屬[5]，但土壤中的重金屬具有長時間殘留、強隱蔽性和毒性大等特點[6]。森林土壤重金屬含量達到一定閾值將會對生態系統中的其他生物造成一定威脅，不利于其他生物生存，減少生物多樣性，從而影響整個生態系統的穩定性，并通過林產品以及地下水等形式危害人類健康[7]。有研究發現，不同植物對重金屬吸附和累積的能力有所不同，林地土壤重金屬含量也有所不同，森林群落對重金屬具有明顯的消減作用[8-9]，一方面森林植被生物量較大，生命周期長，大量的重金屬可長期存儲在體內，另一方面植物發達的根系能夠深入土層吸附更深層土壤中的重金屬[10]。

哀牢山國家級自然保護區境內分布著滇中最具代表性的中山濕性常綠闊葉林以及高山櫟林、滇油杉林等多種典型林分[11]，而目前研究主要集中在森林植被的土壤營養元素[12]、土壤水分動態[13]、枯落物[14]和碳儲量[15]等方面，對于土壤重金屬污染方面的研究還未見報道。而該研究區對于本地的水源涵養、生物多樣性等方面起著重要的生態功能[16]，因此很有必要對該地區不同林分類型土壤重金屬潛在生態風險分析評價，掌握研究區森林土壤重金屬分布特征、污染程度和潛在風險，為森林生態安全提供科學保障。

1研究區概況

哀牢山國家級自然保護區位于云南省中部，地處云貴高原、橫斷山地和青藏高原三大自然地理區域的接合部。地理位置為23.35°～24.44° E，100.54°～101.30° N，海拔1 300～2 750 m，受西南季風的影響，干濕季分明，年平均氣溫11.3 ℃，年平均降水量為1 947 mm，年均蒸發量1 192 mm，全年日照時間2 380 h。研究區內由于海拔較高，氣候垂直分布明顯，形成的植被帶分布明顯，從山體下部到上部大致可以劃分為3個植被帶，分別為山體中下部的亞熱帶季風常綠闊葉林、山體中部的中山濕性常綠闊葉林和山體頂部的苔蘚矮林。獨特的氣候特點蘊育了我國目前面積最大以云南特有植物物種為優勢的亞熱帶常綠闊葉林生長在哀牢山，使其保存著處于原始狀態、完整而穩定的亞熱帶山地森林生態系統。

2研究方法

2.1樣品的采集及處理

利用GPS定位根據哀牢山森林的不同海拔，分別選取常綠闊葉林、高山櫟林、華山松林和滇油杉林4個植物群落，見表1，每個群落中按照10 m×10 m的網格面積布設4個典型樣方，共布設16個典型樣方。每個樣方按照上、中、下坡位各設置采樣點1個，共布設采樣點48個。每個采樣點分別按0～20、20～40、40～60 cm，3個層次采集各土壤剖面樣品。采樣時按照由上到下的次序分層采樣，每層采集500 g左右，隨后將同一樣地同一坡度同一層土壤均勻混合，采用四分法收集500 g左右，剔除土壤樣品中的石頭和植物的根、葉等雜物，放入標好號的聚乙烯塑料袋密封，帶回試驗室通風處進行自然風干，風干后磨碎過孔徑為100目的尼龍網篩，放入密封袋待測。

2.2分析方法

2.2.1樣品化學分析方法

土壤重金屬Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、As、Ni采用酸溶法后用美譜達V-1800原子吸收分光光度計測定，pH用pHS-3C酸度計測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，每份樣品設置3個重復，最終取3次試驗分析的平均值為該樣點的最終分析值。

2.2.2土壤重金屬潛在生態危害評價方法

本研究選用Hakanson 提出的潛在生態危害指數法（Potential ecologicalrisk index）[17]，以云南省土壤背景值[18]和國家土壤環境質量標準（Ⅰ級）[19]作為參比值，見表2，確定每種林分類型土壤重金屬潛在生態危害效應及空間分布特性，評價玉溪哀牢山常綠闊葉林、高山櫟林、華山松林和滇油杉林4個林分的土壤重金屬潛在生態危害效應。

單種重金屬潛在生態危害系數（Ei）的計算公式為

Ei=T ir×CiC0i。（1）

式中：T ir為重金屬的毒性系數；Ci為第 i 種重金屬的實測含量，mg/kg；Coi為參比值，mg/kg，即土壤背景值。

本研究以云南省土壤背景值和國家土壤環境質量標準（Ⅰ級）作為參比值。毒性系數根據徐爭啟等[20]計算的重金屬毒性系數（T ir）：Zn=Mn=1、Cr=2、Cu=Ni=Pb=5、As=10。

多種重金屬潛在生態危害指數（RI）的計算公式為

RI=∑mi=1Ei。（2）

根據Ei和RI ，參照沉積物（土壤）中重金屬潛在生態危害系數、生態危害指數和污染程度的關系[20]， 采用丁振華等[21]給出7種重金屬的潛在生態危害指數RI 劃分的潛在生態危害分級標準，見表3。

2.2.3數據處理方法

本研究采用Excel2013、SPSS20.0統計軟件進行數據分析，聚類分析在R 4.0.5中利用“pheatmap”包[22]完成分析。

3結果與分析

3.1不同林分類型森林土壤重金屬含量及其分布特征

哀牢山4種林分類型下土壤的pH、有機質與重金屬含量見表4。7種土壤重金屬中，Zn的含量最高，其次是Mn，其余5種都在5 mg/kg以下，Pb的含量最低。Mn在常綠闊葉林中變幅最大，且變異系數最大，常綠闊葉林中最大值是最小值的6倍多，且4種林分其平均含量由大到小為：常綠闊葉林、滇油杉林、華山松林、高山櫟林，說明Mn在常綠闊葉林土壤中含量分布最不均勻。每種林分土壤中Pb含量變幅最大，其平均含量滇油杉林最高，高山櫟林次之，常綠闊葉林和華山松林相同，且在后2種林分土壤中分布較不均勻，變異系數都在60%以上。As在4種林分土壤中變幅最小，華山松林土壤As的平均含量相對最高，其余3種差別不大。總的來看，滇油杉林土壤中7種重金屬含量變異系數最大，其分布最不均勻，其次是常綠闊葉林、華山松林，高山櫟林最小。4種林分類型土壤的pH均為酸性，差異相對較小，pH的變異系數值均在8.11%以下。有機質的含量不同林分差異較大，其平均含量常綠闊葉林最高，滇油杉林、華山松林次之，高山櫟林最低，最大值為最小值的3倍多，且各林分類型下變異系數為18.32%～37.26%。

3.2土壤重金屬含量與pH、有機質的相關性分析

對4種林分類型下土壤中重金屬、有機質含量及pH進行相關性分析，結果見表5。常綠闊葉林土壤中Zn和Cu、Ni、pH呈正相關性外，與其余4種重金屬及有機質呈負相關，且相關性不顯著（P＞0.05）；Pb和pH表現出顯著負相關性（P＜0.05），與有機質表現出正相關性顯著（P＜0.05）；其余重金屬之間、重金屬與有機質和pH之間相關性均不顯著（P＞0.05）。高山櫟林土壤中Zn和Cu、Mn、Cr、Pb呈正相關性外，與其余2種重金屬及pH、有機質呈負相關，且相關性不顯著（P＞0.05）；Pb和Ni表現出極顯著負相關性（P＜0.01），相關性系數為1；As和有機質表現出顯著正相關性（P＜0.05），其余重金屬之間、重金屬與有機質和pH之間相關性均不顯著（P＞0.05）。華山松林土壤中Zn和As、有機質為正相關外，其余5種重金屬和pH均為負相關，且相關性均不顯著（P＞0.05）；Mn與Pb表現出顯著正相關性（P＜0.05），有機質和pH表現出顯著負相關性（P＜0.05）；其余重金屬之間、重金屬與有機質和pH之間相關性均不顯著（P＞0.05）。滇油杉林土壤中Zn和Pb、Ni、有機質為正相關外，其余4種重金屬和pH均為正相關，且相關性均不顯著（P＞0.05）。總體來看，pH與重金屬之間的相關性不顯著，也無明顯規律可循；而有機質與不同林分類型土壤中的重金屬含量均有一定的正/負相關性，且相關系數值較大，說明有機質對重金屬可能存在一定的吸附效果，這與Brookes[23]的研究結果相似。

3.3不同林分土壤重金屬、有機質含量及pH聚類分析

對不同林分類型土壤重金屬、有機質含量及pH進行層次聚類分析，得到相關性聚類熱圖（圖1）。由圖1（圖上部）可看出，最底層滇油杉林和華山松林的重金屬含量更相似可以劃分為第1組，其次是常綠闊葉林與第1組劃分成第2層次為第2組，最后是高山櫟林與第2組劃分成第3層次為第3組，可能與林分的地理空間位置相近，土壤本底值相似有關系。從重金屬、有機質、pH看（圖1左側），除了Zn之外的6種重金屬與pH的相關性較強可聚類為一組，有機質（OM）與Zn的相關性較強可聚類為一組，可能二者之間的相互作用較其他重金屬更為明顯。

3.4不同林分土壤重金屬潛在生態風險評價

由表6看出，無論用云南省土壤背景值還是國家土壤環境質量標準（Ⅰ級）作為參比值，4種林分類型下每種土壤重金屬的單種重金屬潛在生態危害系數（Ei）均遠遠小于40，都處于輕微風險狀態，每種林分下多種土壤重金屬潛在生態危害指數（RI）也均遠小于150，處于輕微風險狀態。4種林分土壤單種重金屬潛在生態危害系數（Ei）危害程度平均值由大到小排序為：As、Zn、Ni、Pb、Cu、Cr、Mn，可能與As的毒性系數較大有關系，使As的潛在生態風險系數計算結果偏大。從林分類型來看，多種土壤重金屬潛在生態危害指數（RI）危害程度由大到小排序為：華山松林、滇油杉林、常綠闊葉林、高山櫟林。

4結論與討論

哀牢山不同林分類型下7種土壤重金屬中，Zn的含量最高，其次是Mn，其余5種都在5 mg/kg以下，Pb的含量最低，且每種重金屬在不同林分含量變異系數各不相同，在不同采樣點分布較不均勻，表明研究區內土壤重金屬空間分布差異特征比較明顯，這與其他學者的研究結果一致[24-25]。并且森林土壤重金屬的含量、分布特征，受重金屬元素的來源、種類以及林地土壤的理化性質和原有的土壤母質影響很大[26-27]。簡單來說，土壤中重金屬既可能本身就存在于原有土壤母質中，也有可能是由人類的生產生活等活動帶入[28]。可以肯定的是，不同種類的重金屬但其來源相同，說明這幾類重金屬可能存在一定的相關性[25]。分析結果顯示，不同林分類型土壤重金屬之間表現出的相關性各異，比如高山櫟林中Pb和Ni表現出極顯著負相關性（P＜0.01），相關性系數為1；As和有機質表現出顯著正相關性（P＜0.05），華山松林中Mn與Pb表現出顯著正相關性（P＜0.05），其他林分類型下各種土壤重金屬之間相關性不顯著（P＞0.05），說明這幾種土壤重金屬的來源存在相同的伴生性[29]。

從土壤的理化性質（有機質含量及pH）與重金屬的關系來分析，其理化性質對重金屬起到累積和吸附的效果[30]，土壤重金屬含量與有機質含量呈明顯的相關性[31]，并且pH越高土壤對重金屬離子的吸附效果越明顯[32]。本研究結果顯示，常綠闊葉林中Pb與有機質表現出顯著正相關性（P＜0.05），高山櫟林中As和有機質表現出顯著正相關性（P＜0.05）且相關系數值較大，說明土壤中的有機質可能對重金屬產生一定的吸附作用，這一研究與Brookes[23]的結果相似。常綠闊葉林中Pb和pH表現出顯著負相關性（P＜0.05），而其他重金屬含量與林分中pH間的相關性關系均不顯著（P＞0.05）。同時從土壤重金屬和理化性質的層次聚類分析結果也證實，有機質與Zn的相關性較強可聚類為一組，這些結果都進一步說明了土壤理化性質與重金屬之間關系的復雜性[24]。

以云南省土壤背景值和國家土壤環境質量標準（Ⅰ級）作為參比值的單種和多種土壤重金屬潛在生態風險評價結果均為輕微污染程度，可能與研究區屬于天然林并遠離城區處于比較原始的狀態，土壤重金屬主要屬于自然來源，一是來源于巖石圈內地球化學過程中形成的原生的土壤母質，二是植被攔截到的重金屬塵降，三是天然土壤污染[33]，幾乎不受人類工農業活動的影響。4種林分土壤單種重金屬潛在生態危害系數（Ei）危害程度平均值由大到小排序為：As、Zn、Ni、Pb、Cu、Cr、Mn，這樣的分析結果顯示利用重金屬潛在生態風險法，在計算的過程中加入了毒性系數（T i r），這樣的計算方式充分考慮了不同重金屬的生物毒性，從而使評價結果更綜合、全面地評價[34]。評價結果顯示As的毒性系數比其他種類的重金屬都大，與As的毒性系數最大值（10）有關系[20]，使得As的潛在生態風險系數計算結果最大。并且研究結果顯示，從林分類型來看，多種土壤重金屬潛在生態危害指數（RI）危害程度由大到小排序為：華山松林、滇油杉林、常綠闊葉林、高山櫟林。可能與不同林分的植被凈化作用不同有關，并且華山松林生長的坡度相較于其他林分要平穩，對于大氣沉降帶來的重金屬更有利于存儲，而其他林分所處坡度較陡，降雨對土壤層起到更大強度的淋溶和沖刷作用[24]，土壤中重金屬含量相對較低，因此在研究區內華山松林對土壤重金屬的吸附和存儲效果較其他林分明顯，直接影響到重金屬在土壤中的釋放、遷移和沉積等自然循環過程，以及重金屬在自然界的毒性強弱[6，35]，最終導致華山松林多種土壤重金屬潛在生態危害指數最大。但總體來看，由于4種天然林中重金屬總量較少或由于植被的凈化作用，研究區森林土壤重金屬污染屬于輕微污染狀態。

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