喀斯特高原退化生态系统不同类型土壤中的几种重金属分布特征

高 琴，罗绪强, 2, 3，张桂玲，陈 颖，牟 银，赵 升，田 蓉，管海洋

(1. 贵州师范学院 地理与资源学院, 贵州 贵阳 550018;2. 贵州师范学院 化学与材料学院,贵州 贵阳 550018;3. 中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站, 贵州 普定 562100;4. 贵州省流域地理国情监测重点实验室，贵州 贵阳 550018)

土壤是环境要素的重要组成部分，由于自然过程和人类活动的影响，土壤中的元素可能存在一定程度的亏损或富集。[1-2]有害元素通过生物地球化学循环或食物链在生态系统中的累积可能会对生态系统的健康发展和安全稳定产生潜在影响。[3-4]据报道，土壤承担着环境中大约90%的来自各个方面的污染物。[5]目前，世界各国土壤都存在不同程度的重金属污染，我国土壤的重金属污染情况也十分严重。[6-8]重金属属于累积性元素，对土壤的污染具有隐蔽、不可逆、难以降解的特性，还可与有机化合物螯合为毒性更大的重金属有机化合物，对生态系统和人体健康构成直接或潜在的危害。[9-12]

锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)都是重金属元素，同时又是生命必需微量元素[13-14]，它们对生物体都具有营养和毒害双重作用。[15-17]这些元素作为生物调节系统不可缺少的组成部分，它们直接参与有机体的代谢活动，在维持细胞的氧化还原状态、酶活性等生理生化反应中起着十分重要的作用，如果浓度过低会抑制生物体生长，如果浓度过高则会对生物体产生毒害。[18-23]由于土壤元素的含量水平受母质、成土过程以及人类活动的影响[24-25]，因此土壤中的重金属含量可能与植被、地形、气候、土壤母质及人为活动等因素都有关系。[26-31]为探讨喀斯特高原退化生态系统不同类型土壤的重金属Mn、Cu、Zn、Ni含量及其分布特征，本研究以喀斯特高原贵州省清镇市王家寨峰丛洼地小流域为例，选取流域内稀疏灌草丛、草灌丛、灌丛和次生乔灌林等不同植被类型的黄壤和石灰土为研究对象，分别对其表层土壤Mn、Cu、Zn、Ni含量进行了测定分析，以期为深入理解相关元素在喀斯特地区的生物地球化学循环过程提供参考。

1 研究区概况

研究区位于喀斯特高原区的贵州省清镇市簸箩村王家寨小流域[32]，东经106°20′5"～106°21′8"，北纬26°31′45"～26°30′27"，流域面积约2.4 km2，喀斯特分布面积达95%。该区岩性较均一，为中三叠统关岭组的灰质白云岩，地貌为浅碟状峰丛洼地，峰丛与洼地面积比为1.65:1。海拔最高点1451.1m ，最低点1275.0m。属亚热带季风湿润气候，雨热同季，降雨集中在5～9月份。研究区主要土壤类型为黑色石灰土和黄壤。洼地以北的峰丛坡面以黑色石灰土为主，平均土厚30cm，土壤pH值大于7.5，土壤比重小于2.5 g·cm-3，有机质含量大于20%；洼地以南的峰丛坡面以黄壤为主，土厚大于等于50cm，土壤pH值小于7，土壤比重大于2.5g·cm-3，有机质含量小于10%。受自然和人为因素的双重影响，该地区森林植被曾遭到不同程度破坏。近年来，当地政府采取退耕还林还草、封山育林等措施对植被进行恢复和保护，使该地区存在着稀疏灌草丛、草灌丛、灌丛和次生乔灌林等多种植被类型。

2 研究方法

2.1 样地的设置

在流域内黄壤区和石灰土区各选取3种植被类型为研究样地。黄壤区选取的植被类型有稀疏灌草丛、灌丛和次生乔灌林，石灰土区选取的植被类型有草灌丛、灌丛和次生乔灌林。在稀疏灌草丛、草灌丛和灌丛坡面典型地段随机拉一条从坡顶至坡底的样线，按上坡、中坡和下坡分别设置1个5m×5m的样方，不同坡位样方间隔距离约10m。次生乔灌林由于坡面高差较小且样方面积需求较大，仅在坡面中部典型位置设置1个20m×20m的样方。共设置样方15个。

2.2 样品的采集

采用权重取样法[33]，对采样地划分小生境类型，用权重法确定每个小生境需要采集的样品量混合后代表样地土壤，样品采集深度为0～15cm，对于土层浅薄不足15cm的样点则将土壤厚度作为采样深度。

2.3 样品的处理

样品带回实验室后平铺在牛皮纸上自然风干，除去石砾及动植物残体等异物，粉碎过0.149mm尼龙筛。采用硝酸+氢氟酸混酸法[34]消解样品，同时做试剂空白。硝酸、氢氟酸均为优级纯(国药集团化学试剂有限公司)，水为自制超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm，25℃)。

2.4 指标的测定

采用原子吸收分光光谱仪(PE-5100-PC型，珀金埃尔默仪器有限公司)测定样品中的Mn、Cu、Zn、Ni共5种元素的含量。Mn、Cu、Zn、Ni标准储备液均为国家标准物质中心提供。

2.5 数据处理与统计分析

利用Microsoft Excel 2010软件整理数据及作图，IBM SPSS Statistics 19.0软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属的分布特征

3.1.1黄壤区土壤重金属的分布特征

从表1可以看出，王家寨小流域黄壤区表层土壤各重金属元素平均含量从高到低的顺序依次为Mn>Zn>Ni>Cu。元素含量平均值在100mg·kg-1以上的元素有Mn、Zn，在50mg·kg-1以下的元素有Ni、Cu。其中，Mn、Zn含量与贵州省、中国、世界土壤环境背景值和地壳丰度克拉克值[35-36]相比均较高，Mn含量分别是其1.72倍、2.34倍、1.37倍和1.71倍，Zn含量分别是其1.74倍、2.34倍、1.93倍和4.34倍。Cu含量与贵州省、中国、世界土壤环境背景值和地壳丰度克拉克值相比均较低，别是其0.69倍、0.98倍、0.74倍和0.22倍。Ni含量分别是其贵州省、中国土壤环境背景值的1.17倍和1.70倍，分别是其世界土壤环境背景值、地壳丰度克拉克值的0.91倍和0.25倍。Cu、Zn、Ni含量均低于我国农用地土壤污染风险筛选值(Cu:100mg·kg-1,Zn:250mg·kg-1,Ni:100mg·kg-1；pH 6.5～7.5)[37]，表明该区域土壤中的重金属Cu、Zn、Ni(重金属Mn未列入农用地土壤污染风险筛选值)对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险较低。

黄壤区相同植被类型不同坡位上，稀疏灌草丛表层土壤中的Cu含量表现为下坡>中坡>上坡，而Mn、Ni、Zn含量均表现为中坡>下坡>上坡，灌丛中的Mn、Cu含量均表现为下坡>上坡>中坡而Zn、Ni含量均表现为下坡>中坡>上坡。相同坡位不同植被类型上，上坡表层土壤中的Mn、Cu、Zn、Ni含量均表现为灌丛>稀疏灌草丛，下坡表层土壤中的Mn、Cu含量均表现为稀疏灌草丛>灌丛而Zn、Ni含量均表现为灌丛>稀疏灌草丛，中坡表层土壤中的Cu含量表现为次生乔灌林>灌丛>稀疏灌草丛而Mn、Ni、Zn含量均表现为稀疏灌草丛>灌丛>次生乔灌林。黄壤区各植被类型表层土壤Mn、Cu、Zn、Ni含量的变异系数均较小。方差分析结果表明，各重金属含量无论是在相同植被类型不同坡位间还是在相同坡位不同植被类型间的差异均不显著(P>0.05)。

表1 黄壤区土壤重金属含量统计(mg·kg-1，n = 7)

3.1.2石灰土区土壤重金属的分布特征

流域内石灰土区表层土壤重金属元素平均值在100mg·kg-1以上的元素和50mg·kg-1以下的元素以及各元素平均含量从高到低的顺序均与黄壤区一致(表1，表2)。各重金属元素平均含量与贵州省、中国、世界土壤环境背景值和地壳丰度克拉克值[35-36]相比，Mn、Zn、Cu含量在石灰土区和黄壤区的情况相同，都是Mn、Zn含量均较高而Cu含量均较低。其中，Mn含量分别是其2.10倍、2.85倍、1.66倍和2.08倍，Zn含量分别是其3.25倍、4.35倍、3.59倍和8.08倍，而Cu含量则分别是其

0.45倍、0.64倍、0.48倍和0.14倍。Ni含量较中国土壤环境背景值高，是其1.11倍，但较贵州省土壤环境背景值、世界土壤环境背景值和地壳丰度克拉克值均要低，分别是其0.77倍、0.60倍和0.17倍。石灰土区表层土壤重金属Cu、Ni含量均低于我国农用地土壤污染风险筛选值，而Zn含量已超过我国农用地土壤污染风险筛选值(Cu:100mg·kg-1,Zn:300mg·kg-1,Ni:190mg·kg-1；pH>7.5)[37]，表明该区域土壤中的重金属Cu、Ni对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险较低，但Zn对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施。

石灰土区相同植被类型不同坡位上，草灌丛表层土壤中的Cu含量和灌丛表层土壤中的Cu、Ni含量均表现为上坡>下坡>中坡，草灌丛和灌丛表层土壤中Mn含量均表现为下坡>上坡>中坡。草灌丛表层土壤中Ni含量表现为中坡>上坡>下坡，Zn含量表现为上坡>中坡>下坡，而灌丛表层土壤中Zn含量则表现为中坡>下坡>上坡。相同坡位不同植被类型上，上坡和下坡表层土壤中的Cu、Mn含量均表现为草灌丛>灌丛，Ni含量均表现为灌丛>草灌丛，上坡表层土壤中的Zn含量表现为草灌丛>灌丛而下坡表层土壤中的Zn含量则表现为灌丛>草灌丛。中坡表层土壤中的Mn、Ni含量均表现为草灌丛>次生乔灌林>灌丛，Cu含量表现为次生乔灌林>草灌丛>灌丛，而Zn含量表现为灌丛>草灌丛>次生乔灌林。石灰土区各植被类型表层土壤重金属Mn、Cu、Ni含量的变异系数均较小。方差分析结果表明，Mn、Cu、Zn、Ni含量无论是在相同植被类型不同坡位间还是在相同坡位不同植被类型间的差异均不显著(P>0.05)。

表2 石灰土区土壤重金属含量统计(mg·kg-1，n = 8)

3.2 土壤重金属含量之间的相关性

森林土壤中重金属元素的含量与土壤的理化性质、重金属元素的种类、来源以及土壤的立地条件有很大关系，同一环境不同植被类型中的土壤重金属，如果它们之间存在相关性则可能具有相同的来源[38]。为探讨研究区4种植被类型表层土壤中各重金属的来源，对不同植被类型表层土壤中各重金属元素之间的相关性进行了分析。从表3可以看出，研究区稀疏灌草丛表层土壤中的Mn和Ni、灌丛表层土壤中的Ni和Cu、次生乔灌林表层土壤中的Cu和Zn均具有显著相关关系(P<0.05)，且均为正相关。其他相同植被类型表层土壤各重金属之间的相关性均不显著(P>0.05)，表明研究区4种植被类型表层土壤中各重金属的来源均不止1个，结合前述黄壤区和石灰土区各重金属含量分布均无显著差异的特征，说明研究区各重金属均主要来源于成土母质。

表3 土壤重金属含量间的皮尔逊相关系数(mg·kg-1)

4 结论

王家寨小流域黄壤区和石灰土区表层土壤重金属Mn、Zn、Ni、Cu含量的平均值分别为1365.12mg·kg-1、173.57mg·kg-1、45.65mg·kg-1、22.05mg·kg-1和1663.72mg·kg-1、323.10mg·kg-1、29.97mg·kg-1、14.38mg·kg-1。黄壤区的Mn、Zn含量普遍低于石灰土区的Mn、Zn含量，而Ni、Cu含量则普遍高于石灰土区的Ni、Cu含量。无论是石灰土区还是黄壤区，Mn、Cu、Zn、Ni含量在相同植被类型不同坡位间和在相同坡位不同植被类型间的差异均不显著(P>0.05)。

黄壤区的Cu、Zn、Ni含量和石灰土区的Cu、Ni含量对该区域农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险较低，但石灰土区的Zn含量对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施。研究区稀疏灌草丛表层土壤中的Mn和Ni、灌丛表层土壤中的Ni和Cu、次生乔灌林表层土壤中的Cu和Zn均具有显著正相关关系(P<0.05)。研究区各重金属均主要来源于成土母质。