湘西不同植被类型土壤重金属分布及相关性研究

2020-02-12孔学夫刘二冬何功秀文仕知

中南林业科技大学学报 2020年2期

孔学夫，刘二冬，沈燕，何功秀，文仕知

（1.中南林业科技大学水土保持与荒漠化防治重点实验室，湖南长沙 410004； 2.河南省驻马店农业学校，河南驻马店 463000）

森林是陆地生态系统的主体，是陆地上最大的碳库与碳吸收汇，同时还为人类提供良好的工作、生活和居住条件，在生态平衡中起着重要作用[1]。但随着经济的迅猛发展及城市工业化进程的加快，大量重金属不断释放到环境中，土壤可接纳大气-水体-土壤环境系统中70% 以上的重金属排放量[2]。重金属因自身具有不被微生物降解和难以移动等特点，决定了其污染和危害森林生态系统的特殊地位，不仅影响森林土壤环境质量，而且通过食物链影响人类健康[3]。因此研究土壤重金属的含量变化对于保护生态环境、生物多样性和人类的生存与健康有着重要的意义[4-6]。

目前对于重金属的研究多集中在矿区修复和耕地修复上，易心钰[7]等用蓖麻作为铅锌污染土壤修复的油料植物进行研究发现蓖麻不属于超累积植物，但对铅锌耐性较强，生长速度快，生物量大；辜娇峰[8]等研制出以羟基磷灰石、沸石和改性秸秆炭3 种物质为主要成分,按一定质量比例组配的改良剂QFJ 对稻田土壤Cd 和As 复合污染进行修复。而对不同植被类型下的湘西地区森林土壤重金属研究却鲜有报道。本研究通过对湘西地区针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林和灌木林4种植被类型土壤重金属元素的含量变化及分布进行分析，以探明湘西地区森林土壤环境状况，揭示不同植被类型森林土壤重金属元素富集的规律。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于湖南省湘西自治州（图1），109°10′ ～111°29′E，27°44′ ～30°08′N，属于亚热带大陆性湿润气候季风气候区，四季分明，雨水充沛，年均降水量1 392.62 mm，年均气温约为15.8 ℃，最低气温-5.5 ℃，最高气温达到40.5 ℃，无霜期300 d 左右。研究区土壤类型以石灰岩发育的棕色石灰土为主，土层较薄，坡度较大，pH 值为5.1 ～6.5。研究区群山起伏，山峦重叠，谷溪交错，坡陡谷深，山体破碎，耕地分散。地貌特征为山地，兼有丘陵、岗地、平原及水面等多种地貌类型，海拔多在1 000 m 左右，植被类型随海拔变化明显。

图1 试验区采样点分布Fig.1 Sampling point distribution in the test area

1.2 土壤样品的采集

2016年8月，在研究区全面踏查的基础上，根据代表性和典型性的原则，选取坡向、坡度、坡位和海拔等立地因子基本相似的4种不同植被类型（表1）：阔叶林（Broad-leaved forest, BLF）、针阔混交林（Conifer-broadleaf forest, CBF）、针叶林（Coniferous forest, CFF）和灌木丛（Bushes, BHS），每种植被类型选择3 种代表性植物群落，利用标准地法，每种代表性群落设20 m×20 m 的标准地2 块，共24 块标准地进行土壤样品的采集。每块样地内，采用“S”型多点混合法，选取8 个采样点，使用直径为4 cm 的碳钢土钻分土层采样，采样深度为0 ～15 cm 和15 ～30 cm，采集后的混合土样混合均匀装入无菌样品袋中，带回实验室进行土壤养分的测定，每个样点分2 层环刀取样。

表1 不同植被类型样地的概况Table 1 Plots of different types of vegetation overview

1.3 土壤样品的分析方法

将采集的土壤样品带回实验室自然风干后，去除植物残体、根系、石块等，并将土壤样品进行研磨，过0.1 mm 筛，以测定土壤各项重金属元素含量指标。

土壤pH 值采用pH 计测定；土壤容重采用环刀烘干称重测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[9]；土壤Cu、Zn、Pb、Cd和Ni 用HF-HNO3-HClO4消解后，采用原子吸收分光光度计测定[10]。

1.4 数据统计方法

统计方法采用Microsoft Excel 2013 和SPSS18.0 数据处理软件进行相关性分析和主成分分析（PCA）。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤重金属含量的变化

从图2 可以看出，在0 ～15 cm 土层土壤重金属元素Cd、Pb、Cu、Ni 和Zn 含量变化范围为：0.88 ～0.99、13.09 ～22.23、12.71 ～33.76、29.69 ～39.65、34.10 ～43.61 mg/kg，其中针阔混交林土壤全Cu 显著高于针叶林、常绿阔叶林和灌木林（P＜0.01），与这3 种植被类型相比，分别高出了99.88%、165.61%和80.34%，而针叶林、常绿阔叶林和灌木林土壤全Cu 无显著性差异；在4种植被类型之间土壤全Cd 均无显著性差异，针阔混交林仅高出针叶林1.13%，常绿阔叶林和灌木林与针叶林相比，分别高出了10.22%和12.51%；在4种植被类型之中土壤全Pb 均无显著性差异，其中常绿阔叶林相较于针叶林、针阔混交林和灌木林，分别高出了69.82%、25.23%和41.95%；在4种植被类型之间土壤全Ni 均无显著性差异；其中针阔混交林与针叶林、常绿阔叶林和灌木林相比，分别高出了33.54%、7.89%和20.77%；在4种植被类型之中土壤全Zn 均无显著性差异，针叶林、常绿阔叶林和灌木相较于针阔混交林，分别高出了27.89%、26.81%和27.02%。15 ～30 cm 土层土壤重金属元素Cd、Pb、Cu、Ni 和Zn 含量变化范围为：0.79 ～0.91、14.19 ～25.95、10.71 ～53.87、30.22 ～ 55.73、37.37 ～ 47.82 mg/kg，其中针阔混交林土壤全Cu 显著高于针叶林、常绿阔叶林和灌木林（P＜0.01），与这3 种植被类型相比，分别高出了198.78%、402.99%和173.31%，而针叶林、常绿阔叶林和灌木林土壤全Cu 之间无显著性差异；针阔混交林土壤全Ni 显著高于针叶林、常绿阔叶林和灌木林（P＜0.05），与这3 种植被类型相比，分别高出了84.41%、62.48%和57.16%，而针叶林、常绿阔叶林和灌木林土壤全Ni 之间无显著性差异；在4种植被类型之间土壤全Cd 均无显著性差异，土壤全Cd含量最高的常绿阔叶林仅高出含量最低的针叶林26.58%；在4种植被类型之中，针阔混交林土壤全Pb 含量最高，相较于针叶林、常绿阔叶林和灌木林分别高出了82.88%、48.63%和66.67%；在4种植被类型之间土壤全Zn 均无显著性差异，土壤全Zn 含量最高的灌木林仅高出含量最低的针阔混交林27.96%。分析可知，5 种重金属元素含量中，针阔混交林均表现为上层土壤重金属含量低于下层土壤，常绿阔叶林表现为上层土壤重金属含量高于下层土壤，而针叶林和灌木没有明显的变化。

图2 不同植被类型土壤重金属含量变化Fig.2 Changes of soil heavy metal contents in different vegetation types

2.2 不同因子与土壤重金属元素的主成分分析

2.2.1 土壤重金属元素含量之间的主成分分析

对土壤中的5 种重金属元素指标进行主成分分析，其中：KMO 检验=0.701 ＞0.5，Bartlett 球形检验显著性P＜0.001，适合做主成分分析。结果选取特征值＞1 的两个主成分，与两个主成分对应的累积贡献率为80.933%（表2）。通过对土壤中的5 种重金属元素主成分荷载分析（表3），其中荷载值越大，认为其方差贡献率越大。如表4 所示：在主成分PC1 中，土壤全Cd、全Pb、全Cu、全Ni 有较大的荷载值，而在主成分PC2 中，土壤全Zn 有较大荷载值（0.906），而Cd 和Cu为中等荷载值，因此认为土壤全Cd、全Pb、全Cu 和全Ni 为一类，为PC1 的主要来源，而土壤全Zn、Cd 和Cu 为一类，为PC2 的主要来源。

2.2.2 土壤全Cd 与其他因子之间的主成分分析

对土壤容重、有机质、海拔、坡度、pH 值、土层厚度和土壤全Cd 等7 项指标进行主成分分析，其中：KMO 检验=0.743 ＞0.5，Bartlett 球形检验显著性P＜0.001，适合做主成分分析。结果选取特征值＞1 的两个主成分，与其对应的两个主成分解释了57.933%的方差贡献率（表4）。通过对以上7 项指标主成分荷载分析（表5），其中荷载值越大，认为其方差贡献率越大。在主成分PC1中除了海拔以外，其他6项指标均有较大的荷载值，而在主成分PC2 中，海拔的荷载量为0.871，远高于其他6 个指标，因此可以认为土壤容重、有机质、坡度、pH 值、土层厚度相对于海拔对土壤全Cd 的影响比较大。

表2 解释总方差的矩阵†Table 2 Explains the total variance and the component loading and the score matrix

表3 前2 个主成分（PC）负荷量Table 3 Loading for frst two principal components.

2.2.3 土壤全Pb 与其他因子之间的主成分分析

对土壤容重、有机质、海拔、坡度、pH 值、土层厚度和土壤全Pb 等7 项指标进行主成分分析，其中：KMO 检验=0.601 ＞0.5，Bartlett 球形检验显著性P＜0.001，适合做主成分分析。结果选取特征值＞1 的三个主成分，这三个主成分解释了70.866%的方差贡献率（表6）。通过对以上7 项指标主成分荷载分析（表7），其中荷载值越大，认为其方差贡献率越大。在主成分PC1 中，土壤容重、有机质、pH 值和土层厚度有较大的荷载值，在主成分PC2 中海拔、坡度和土壤全Cd 有较大的荷载值，在主成分PC3 中海拔和土壤全Cd 有较大的荷载值，因此综合三个主成分中的各指标荷载值可以认为，海拔相对于其他5 种因子对土壤全Pb 有较大的影响。

表4 解释总方差的矩阵†Table 4 Explains the total variance and the component loading and the score matrix

表5 前2 个主成分（PC）负荷量Table 5 Loading for frst two principal components

2.2.4 土壤全Cu 与其他因子之间的主成分分析

对土壤容重、有机质、海拔、坡度、pH 值、土层厚度和土壤全Cu 等7 项指标进行主成分分析，其中：KMO 检验=0.664 ＞0.5，Bartlett 球形检验显著性P＜0.001，适合做主成分分析。结果选取特征值＞1 的三个主成分，这三个主成分解释了71.129%的方差贡献率（表8）。通过对以上7 项指标主成分荷载分析（表9），其中荷载值越大，认为其方差贡献率越大。在主成分PC1 中，土壤容重、有机质、pH 值和土层厚度的荷载值相对较大，在主成分PC2 中海拔、坡度和土壤全Cu 的荷载值相对较大，在主成分PC3 中海拔、pH、土层厚度和土壤全Cu 的荷载值相对较大。因此综合来看可以认为海拔相对于其他5 种因子对土壤全Cu 的影响比较大。

表6 解释总方差的矩阵†Table 6 Explains the total variance and the component loading and the score matrix

表7 前3 个主成分（PC）负荷量Table 7 Loading for first three principal components

表8 解释总方差的矩阵†Table 8 Explains the total variance and the component loading and the score matrix

表9 前3 个主成分（PC）负荷量Table 9 Loading for first three principal components.

2.2.5 土壤全Ni 与其他因子之间的主成分分析

对土壤容重、有机质、海拔、坡度、pH 值、土层厚度和土壤全Ni 等7 项指标进行主成分分析，其中：KMO 检验=0.580 ＞0.5，Bartlett 球形检验显著性P ＜0.001，适合做主成分分析。结果选取特征值＞1 的两个主成分，这两个主成分解释了58.378% 的方差贡献率（表10）。通过对以上7 项指标主成分荷载分析（表11），其中荷载值越大，认为其方差贡献率越大。在主成分PC1 中土壤容重、有机质、pH 值和土层厚度荷载值相对较大，在主成分PC2 中海拔、坡度和土壤全Ni 的荷载值相对较大。因此可以认为海拔和坡度相较其他4种因子对土壤全Ni 的影响比较大。

表10 解释总方差的矩阵†Table 10 Explains the total variance and the component loading and the score matrix

表11 前2 个主成分（PC）负荷量Table 11 Loading for first two principal components

2.2.6 土壤全Zn 与其他因子之间的主成分分析

对土壤容重、有机质、海拔、坡度、pH 值、土层厚度和土壤全Zn 等7 项指标进行主成分分析，其中：KMO 检验=0.680 ＞0.5，Bartlett 球形检验显著性P ＜0.001，适合做主成分分析。结果选取特征值＞1 的三个主成分，这三个主成分解释了68.743%的方差贡献率（表12）。通过对不同植被类型的主成分荷载分析（表13），其中荷载值越大，认为其方差贡献率越大。在主成分PC1 中，土壤容重、有机质、pH 值和土层厚度的荷载值相对较大，在主成分PC2 中，海拔的荷载值相对较大，而pH 值、土层厚度和土壤全Zn 的荷载值则比较相近，在主成分PC3 中，土壤全Zn 的荷载值相对较大。因此综合来看，6 种因子对Zn 的影响都比较小。

表12 解释总方差的矩阵†Table 12 Explains the total variance and the component loading and the score matrix

表13 前2 个主成分（PC）负荷量Table 13 Loading for first two principal components

2 .3 不同植被类型土壤重金属元素含量与土壤理化性质的相关性分析

各植被类型土壤重金属之间的相关关系如表14 所示，不同植被类型土壤重金属含量之间既存在相关性也存在一定的差异性，土壤重金属含量之间的相关性在灌木林中比较显著，除了Pb 与Cd、Cu 和Ni 之间无显著关系之外，其余各重金属元素之间均呈极显著或显著关系；而在针叶林中，Zn 与Cu 和Ni 之间存在极显著的负相关关系，其他重金属元素之间无显著关系；在针阔混交林中，Pb 与Cu 和Ni 之间存在极显著的正相关关系，Cu 与Ni 之间存在极显著的正相关关系，其他重金属元素之间无显著关系；在常绿阔叶林中，Pb 与Cu 之间存在极显著的正相关关系，其他重金属元素之间均无显著关系。

表14 不同植被类型土壤重金属之间的相关性分析†Table 14 Correlation analysis of soil heavy metals in different vegetation types

各植被类型土壤重金属和土壤理化性质之间的相关关系如表15 所示，有机质仅与灌木林中的Cd 呈显著的正相关关系；pH 值在针叶林中与Ni和Zn 呈显著的正相关关系，在针阔混交林中与Pb、Cu 和Ni 呈显著的正相关关系，而在灌木林和常绿阔叶林中均无显著关系；全N 仅与灌木中的Cd 呈极显著的正相关关系；全P 与针叶林中的Zn 呈显著的正相关关系，与针阔混交林中的Cd呈显著的负相关关系，与常绿阔叶林中的Pb、Cu和Ni 呈显著的正相关关系。综合来看，pH 值和全P 在不同植被类型下，对重金属含量的影响比较的全面。而有机质和全N 仅在灌木中与Cd 呈相关关系，对重金属含量的影响比较的单一。

表15 不同植被类型土壤重金属与土壤理化性质之间的相关性分析†Table 15 Correlation analysis of soil heavy metals and soil physical and chemical properties in different vegetation types

3 讨论与结论

3.1 植被类型对土壤重金属元素含量的影响

森林土壤重金属元素含量与其来源、种类、土壤的立地条件及理化性质和人类活动有很大关系[11-14]。本研究发现，阔叶林、针叶林、针阔混交林和灌木林4 个不同类型森林植被间的重金属含量没有显著性差异，并且在不同植被类型下的5种重金属元素含量中，常绿阔叶林上层土壤高于下层土壤，这一结果与丁园[15]等对庐山森林土壤重金属的分布情况和赵如金[16]等对固山土壤的重金属分布规律的结论相同，林荣晓[17]对新兴县森林土壤重金属的研究中也表明土壤重金属含量随着土层深度的增加而下降，而在本研究中针阔混交林均表现为上层土壤含量低于下层土壤，这可能是在不同植被类型中，森林植被类型对重金属含量的影响较小，成土母质对针阔混交林的影响较大，而对常绿阔叶林的影响较小。

3.2 土壤重金属的主成分分析

主成分分析用来评估所有变量间的关系，从而可以解析这些元素的可能来源[18]。当同一种元素在不同的主成分上均有相当的载荷时，可认为具备两种主成分的来源[13]。在土壤重金属元素含量之间的主成分分析发现，Cu 和Cd 在PC1 中有较大的荷载值，在PC2 中有中等的荷载值，说明是具备PC1 和PC2 的共同来源。从相关性分析表明土壤Zn 仅与Cd 有显著性相关关系，与其他3种元素没有显著关系，而Cd 与其他4种元素均有显著性关系，因此Cd 可能有多种来源，这与罗婷[19]等对苏北湿地重金属研究中Cd 的来源可能是人为源和自然源相似。对5 种重金属元素分别与土壤容重、有机质、海拔、坡度、pH 值、土层厚度做主成分分析，发现土壤容重、有机质、坡度、pH 值、土层厚度对Cd 的影响比较大，这与Cd 有多种来源有一定的关系；海拔对Pb、Ni 和Cu 的影响比较大；坡度对Ni 的影响比较大；而以上6 种因子均对Zn 无较大的影响，这也反映了Zn 的含量在不同植被类型不同土层比较稳定。

3.3 不同植被类型土壤重金属与土壤理化性质之间的相关性

土壤中的重金属既来源于土壤母质，也受人类活动的影响[20]，相同来源的重金属间往往存在一定的相关性，因此通过分析土壤重金属含量之间的相关性对推测其来源有所帮助[21]。在本研究中，土壤重金属之间的相关性在灌木林中比较显著，除了Cd 与Pb 无显著关系以及Pb 与Cu 和Ni之间无显著关系之外，其余各重金属元素之间均呈极显著或显著关系，而其他3 种植被类型仅有一种或两种重金属之间存在相关性，这说明灌木林中重金属来源相同的可能性更大，庄玉婷[22]等的研究表明杉木人工林重金属之间的显著性相较于天然林更为显著，这可能是杉木人工林的群落结构相较于天然林要简单，而本研究中的灌木林相较于其他3 种植被类型，其抗干扰能力较弱，重金属的来源比较单一，从而使得重金属元素之间有较为显著的相关性。邢光喜[23]等认为在自然条件下，含量在正常范围的重金属来源主要是成土母质，因此成土母质的不同也有可能是造成这一现象的原因。

土壤理化性质对重金属累积及吸附作用的影响较为明显[24-25]，有机质和pH 值的值越大对重金属的影响越大[26-27]。在本研究中，有机质仅与灌木林中的Cd 呈显著的正相关关系；pH 在针叶林中与Ni 和Zn 呈显著的正相关关系，在针阔混交林中与Pb、Cu 和Ni 呈显著的正相关关系，而在灌木林和常绿阔叶林中均无显著关系；全N 仅与灌木中的Cd 呈极显著的正相关关系；全P 与针叶林中的Zn 呈显著的正相关关系，与针阔混交林中的Cd 呈显著的负相关关系，与常绿阔叶林中的Pb、Cu 和Ni 呈显著的正相关关系。这与庄玉婷[22]等研究的结果不同，与孙慧珍[1]等研究的结果也存在差别，一方面可能是研究的4种植被类型为天然林，受到人为的干扰比较小，另一方面是研究区的成土母质与其他地区有所差别，受到土壤质地和种类的影响，一般来讲, 质地粘重的土壤对重金属的吸附力强, 会降低重金属的迁移转化能力[28]。而造成全P 与针叶林中的Zn 呈显著的正相关关系，与针阔混交林中的Cd 呈显著的负相关关系，与常绿阔叶林中的Pb、Cu 和Ni 呈显著的正相关关系的原因可能是由于自然的因素和人为的因素综合起来的结果，从自然因素来看，成土母质与其他地区的类别不同，海拔高度的不同也会对其造成影响，从人类活动来看，交通或者间接的大气沉降会是造成一结果的原因，由此可以也间接地反映出土壤理化性质的复杂性。