佛山城市典型森林群落土壤重金属分布、流通及枯落物富集特征

朱立安,曾清苹,柳 勇,柯 欢,程 炯,*,张会化,李俊杰

1 广东省科学院,广东省生态环境技术研究所,华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心,广东省农业环境综合治理重点实验室, 广州 510650 2 佛山市林业科学研究所, 佛山 528222

佛山作为“粤港澳大湾区”“珠江—西江经济带”快速发展的典型工业城市,是珠江西岸先进装备制造业龙头,是华南地区最主要经济中心之一[1]。过去几十年经济快速发展导致大量污染物进入环境生态系统,城市环境问题日益突出[2-4]。城市森林作为城市生态系统的重要组分,是城市生态系统中执行“纳污吐新”负反馈机制的主要自然环境子系统之一,被称为“城市之肺”[5-6]。土壤是为植物生长发育提供营养物质和生长空间的载体,同时对环境污染物也具有缓冲和净化功能,城市森林土壤通过土壤微粒的机械拦截与交换,土壤胶体的吸附、络合与沉淀,可储存森林生态系统中约90%的污染物[7]。枯落物是植物生命周期更替过程中自然死亡或脱落的产物,是土壤与植物重要物质交换通道,对重金属有较为明显富集作用[8],其积累和分解作为土壤与植物间重金属的重要流转通道[9],是重金属在森林土壤生态系统中再分配的主要途径之一,同时也导致重金属从土壤系统再次进入环境循环系统。2014年全国土壤污染调查显示森林土壤林地点位超标率为10.0%,以Cd、As污染为主,近年一些研究也更多的关注了城市森林土壤重金属污染问题,并发现了城市森林中乔、灌木等对土壤重金属具有显著消减作用,且植被类型或群落不同消减效果各异[10-12],但对城市森林土壤重金属分布特征、形成机制、土壤系统和植物系统间流转情况及枯落物的富集效应等研究报道鲜见。《国家林业局关于着力开展森林城市建设的指导意见》(林宣发〔2016〕126号)指出“森林公园建设应使用有益于人体健康的乡土树种”。因此,在休憩型森林建设过程中,为减少枯落物分解过程中重金属暴露率,降低人体与环境重金属的直接接触风险,低富集植物对休憩型森林公园建设尤为重要,尤其在土壤背景值较高区域。

本文通过研究佛山市典型森林群落土壤重金属的分布、凋落物对重金属的富集特征,结合珠三角土壤重金属背景值初步了解了该区域森林土壤重金属负荷状况,揭示城市森林群落土壤重金属在土壤—植物系统的生态流通特点及与人身接触健康安全环境互动影响,对城市森林建设管理、筛选重金属富集植物和群落及其空间配置具有借鉴参考意义。

1 研究区概况

佛山市位于珠江三角洲腹地,属亚热带季风气候,又受海洋气候调节,年均气温20—25℃。年均降雨量1600 mm,地貌特征表现为块状山地呈棋盘状分布、河网纵横交错,低山丘陵区多发育赤红壤、红壤,少量黄壤,平原区主要为水稻土和堆叠土。地带性植被为南亚热带常绿阔叶林,城市森林面积58388.3 hm2(2016年),约占国土总面积的16%(湿地、园林绿地等除外),研究区林地类型以人工林和次生林为主。

根据城市森林布局(图1),选取包括南海区的西樵山公园、佛山植物园,高明区的云勇林场、三洲水源林、泰康山公园,三水区的大南山林场、九道谷林区,顺德区的李小龙乐园8个林区的典型森林群落,于各林区内远离居民点、干扰程度较小的区域设固定样地进行土壤调查及枯落物收集,森林群落情况见表1,0—60 cm土壤理化性质见表2。

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

表1 各研究地森林群落乔木层林分特征

表2 各研究地森林群落土壤理化性质特征(0—60 cm)

2 研究方法

2.1 群落调查与土壤样品采集

2016年11月于各林区内分别设置4个20 m×20 m标准样地进行群落调查、土样采集及枯落物收集。

群落调查：①对样地内所有胸径≥2cm的乔木进行调查；②在标准样地内按“X”型设置5个5 m×5 m小样地对灌木进行调查。调查项目：乔木高、胸径、冠幅,灌木高、冠幅。

土样采集：沿标准样地对角线设置3个5 m×5 m取样区,于取样区内随机选取3个取样点,分别采集0—20、20—40、40—60 cm土样,同一取样区同一土层样品取混合样。在实验室除去动植物残体,过5 mm筛,110℃烘干后存于干燥器内用于测定理化性质及重金属含量。

枯落物收集：用木桩将0.7 m×0.7 m正方形收集框固定于草本层之上,每个取样区设置6个收集框,共48个,周期为一年,半年收集一次,为消除枯落物分解造成的重金属含量影响,在取样过程中按枝、叶、皮组成比例拾取未分解部分。带回实验室进行干燥、称重。

2.2 分析测定方法

枯落物先用自来水冲洗,再用蒸馏水、去离子水分别冲洗3次,装入信封内杀青30 min(105℃)后烘干(70℃)至恒重,粉碎过0.5 mm筛后塑封,干燥保存备用。植物样品与土壤样品均采用HCL—HNO3[13]法(体积比3:1)消解,分析过程样品质量控制采用标准样品和空白样品,所有重金属回收率均大于95%。

土壤理化性质采用鲍士旦[14]测定方法。重金属元素Cr、Cu、Zn、Ni含量用原子吸收光度法测定(GB/T17141—1997)；重金属As、Hg含量用原子荧光法测定(GB22105—2008),重金属Cd、Pb含量用石墨炉原子吸收分光光度法测定(GB/T17141—1997)。枯落物生物量根据国家林业局《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)进行计算,根据各群落枯枝落叶组成称取相应枝叶比进行重金属含量测定。

2.3 数据处理

本文选用重要值(Importance Value,IV)[15-16]来测度城市8个典型森林群落主要优势种群,公式(1)；BCF表示富集系数(bioconcentration factor)[17],TBCF为8种重金属富集系数之和,公式(2)；枯落物重金属通量fi,公式(3)：

(1)

(2)

fi=Li×ai

(3)

式中,IVj为群落优势种群重要值,RAj为相对密度、RFj为相对频度和RPj为相对显著度,Li和Si为某一群落枯落物重金属含量(mg/kg)及其相应0—60 cm土壤重金属平均含量(mg/kg),ai表示年枯落物量,j=1,2…… 8个群落；i=1,2…… 8种重金属。

珠江三角洲土壤重金属含量背景值和建设用地土壤污染风险管控值见表3。

表3 土壤重金属环境背景值及污染风险管控值一览表/(mg/kg)

背景值摘自《土壤重金属风险评价筛选值 珠江三角洲(DB44/T 1414—2014)》；①和②《建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600—2018).

论文所用数据均为算术平均值,数据处理和统计分析采用SPSS 18.0、Office Excel 2007软件,图形处理采用Office Visio 2010、OriginPro 2015、ArcMap 10.2.2软件,采用单因素方差分析法(One-Way ANOVA)比较不同数据组间的差异(P<0.05)。

3 结果与分析

3.1 佛山城市典型森林群落土壤重金属含量分布特征

3.1.1不同群落土壤重金属含量差异性分析

0—60 cm土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni含量变异系数在不同群落间差异较大,范围介于29.33%—85.65%,变幅以Pb、Zn最大,Cd、As次之,Hg、Cr、Cu、Ni最小。各群落间重金属含量差异显著(P<0.05),差异最大为Pb、Cr、Zn,其次As、Cu、Ni,最小为Hg、Cd,且FSBG(Cd),BLP(Pb),SZWCF(Cu、Ni),TKMP(Cr),XQSP(Hg、As、Zn)均显著高于其他林区群落,平均含量高出1.51%—90.75%,与珠江三角洲土壤背景值(表3)相比均表现出不同程度升高,升高范围1.20%—127.67%(图2)。

3.1.2各典型群落土壤重金属含量随土层深度变化特征

各群落重金属随土层深度变化趋势基本一致,即土层加深含量减少,且各土层间差异显著(P<0.05)。各林区土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni土层间变异系数介于1.40%—90.70%,变幅最大为Cd、Hg,其次为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,其余林区群落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表现为随土层加深而降低,在SZWCF、TKMP、DNSFF和JDGFA变化趋势相反；除BLP(Cr和Ni)、XQSP(Cr)、TKMP(Ni)外,其余林区群落Cr和Ni随土层加深递增(图2)。

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

3.2 群落组成、枯落物重金属含量及通量分析

3.2.1调查样地森林群落组成

调查共记录乔木31科54属74种,XQSP乔木种类最为丰富,13科19属27种,其次为BLP(15科22属23种),FSBG、TKMP群落结构单一,仅2—3种组成。FSBG、TKMP、XQSP、SZWCF、DNSFF、YYFF、BLP和JDGFA乔木层优势种分别为凤凰木和小叶榄仁、马尾松、木荷—山乌桕—假柿木姜子、尾叶桉—壳菜果—华润楠、阴香—白楸—醉香含笑、黧蒴锥—香椿—樟树、楝叶吴茱萸—潺槁木姜子—尖叶杜英、尾叶桉—木荷—马尾松,重要值之和分别达93.15%、94.96%、53.61%、79.89%、72.41%、74.14%、65.37%、76.13%(表4)。8样地记录灌木25科54属63种,数量少且分布零散,重要值均低于1%(表5)。

表4 佛山市8个城市森林群落乔木层重要值前6位/%

表5 佛山市8个城市森林各群落灌木层重要值前6位/%

3.2.2各群落枯落物重金属含量、流通量及其对土壤重金属含量影响分析

年枯落物量受树种类型、林龄及郁闭度等因素影响,也会影响到枯落物重金属含量及通量(表6、表7),本试验表明植物群落不同,枯落物重金属含量、流通量差异显著(P< 0.05),8种重金属群落间差异最大为Zn,最小为Hg。年枯落物量以尾叶桉—木荷—马尾松群落(ESPC)(14.29 t/hm2)最大,阴香—白楸—醉香含笑群落(CMMC)(7.76 t/hm2)与楝叶吴茱萸—潺槁木姜子—尖叶杜英群落(ELEC)(6.2 t/hm2)最少。Cd在CMMC(1.778 mg/kg)和凤凰木—小叶榄仁—茶树群落(DTCC)(0.770 mg/kg)枯落物中富集最多,在8个群落中流通量介于1.77—13.8 g hm-2a-1之间；Hg、Pb、Zn、Ni累积量最多的为CMMC,在8个群落中流通量范围依次为0—0.23、57.23—293.33、390.72—1722.72、32.61—76.75 g hm-2a-1；As和Cr在黧蒴锥—香椿—樟树群落(CTCC)枯落物中累积量最大,在8个群落中的流通量范围分别为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个群落中流通量介于82.54—270.66 g hm-2a-1之间。群落枯落物8种重金属总流通量前三位分别为CMMC、DTCC、SSLC。

表6 不同森林群落枯落物中重金属含量/(mg/kg)

表7 不同森林群落单位面积枯落物量及重金属流通总量/(g hm-2 a-1)

根据土壤重金属含量(0—60 cm)与单位面积年重金属流通量进行相关分析,除土壤Cr、Ni与枯落物Cr、Ni呈极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)负相关外,其余土壤重金属含量与枯落物重金属流通量均未达明显相关水平(表8)。

表8 土壤重金属含量(0—60 cm)与枯落物重金属通量间相关性系数

3.3 群落枯落物对土壤重金属富集效应

不同群落枯落物对重金属富集效应差异显著,重金属种类不同富集效应各异(表9)。对Cd的富集效应中,CMMC、ELEC和PC富集系数最大,分别为44.45、14.20、13.28,DTCC和CTCC富集系数最小,仅为7.7和3.40；对Hg、As、Ni富集不明显；CMMC对Pb富集能力最强,富集系数达2.83,其余群落不明显；对Cr的富集效应中,SSLC与CTCC的富集能力最强,富集系数分别为4.61、1.58；CMMC、ESPC与SSLC对Cu的富集最强,富集系数分别为4.10、1.90、1.27；CMMC和DTCC对Zn的富集最明显,富集系数分别为13.71、3.94。对重金属富集系数和(TBCF)最大的依次为CMMC、ELEC、PC,最小的分别为DTCC、ESPC、CTCC。

表9 不同植物群落枯落物对重金属富集系数

4 讨论

城市森林土壤重金属与人类活动关系密切,且重金属种类不同,含量差异明显[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种森林群落土壤重金属(0—60 cm)分布特征结果表明：重金属在大部分林分土壤中的平均含量低于珠三角土壤背景值,显著低于《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600—2018)第二类用地(G),Cr、Cu、Ni变异系数最小,分布均匀,3种元素可能主要受地质因素影响较大,主要来源于土壤母质[19]。Pb、Zn变异系数最大,BLP与YYFF(Pb),XQSP(Zn)等均不同程度超过其背景值,可能该区域土壤受外来源重金属影响,公园、林场与自然林不同,存在较多的林分管理,且3林区位于城市中心,工业集中,人口密度大,交通拥挤[20-22],这些林区土壤重金属Pb、Zn可能来自农药[23]或杀虫剂的使用,汽车轮胎摩擦或含铅汽油的燃烧等[24]通过干湿降尘沉降在林区土壤。研究表明,佛山城市森林土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn在0—20 cm含量较高,具有较高的表层富集特征,Cr、Ni在40—60 cm含量较高,可能是进入土壤中的Cr和Ni可移动态较多,随土壤侵蚀和淋溶作用而迁移[25]或受地质作用[19]影响较大。

枯落物重金属含量及重金属通量体现了植物对土壤重金属的富集和转运能力[26-28],而土壤重金属含量受多方面影响,如地质背景、大气沉降、造林方式、坡度、金属废弃物、枯落物输入等均会增加土壤表层重金属[9,13,17,29],本研究结果显示群落枯落物重金属流通量与土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn含量没有明显相关性,可能受到外源因素影响[19-21]较大,与Cr、Ni含量呈极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)负相关,可能受成土过程[19]及其迁移能力等因素对其在土壤中累积效应相关,一些研究表明,由于林地土壤重金属随土壤侵蚀和淋溶作用强烈而迁移较大,较大林龄森林土壤重金属因淋溶作用往往高于因土壤侵蚀迁移量,且土壤酸度和有机质络合等也会对迁移效率产生影响[30-32]。

森林群落由各类植物构成,植物种类、林龄、郁闭度等不同其所形成的内部结构、环境,林下枯落物组成及数量不同[33-34],对土壤重金属富集效率也有所差异。枯落物富集及通量可表征植物流转重金属能力的强弱,通常富集系数大于1被认为植物群落对某种重金属在植物体内相对富集[35]。群落植物组成不同富集能力各异,本研究结果显示8个典型森林群落对Cd、Cu、Zn富集能力较强,尤以对Cd富集效应突出[36](富集系数3.4—44.45),而对Hg、As、Ni的富集作用则不明显。各群落中Cd富集效应与综合富集能力最高均为阴香—白楸—醉香含笑群落,系数分别达66.76、44.5,这与陈玉娟等[11]对广州市区森林群落重金属含量研究结论一致。阴香树群落对重金属富集能力强于其他森林群落,可以作为一种重金属富集能力较强的修复植物进一步研究。同时对富集能力较低的群落如黧蒴锥—香椿—樟树群落可用于Cd、Ni和Cu等元素含量较高区域森林公园建设,可有效降低土壤重金属所带来的环境人身接触健康接触风险。

5 结论

(1)佛山市城市森林各土壤重金属含量在不同典型群落间差异显著(P<0.05),差异最大为Pb、Cr、Zn,As、Cu、Ni次之,Hg、Cd最小；土层深度对重金属含量影响显著(P<0.05),差异最大为Cd、Hg,其次为As、Cu,最小为Zn、Ni、Pb、Cr。整体上,Cd、Hg、As、Pb、Zn在0—20 cm最高,Cr和Ni在40—60 cm最高。

(2)8种植物群落中阴香—白楸—醉香含笑群落对8种金属的综合富集系数(TBCF,66.76)最高,对Cd的富集效果最突出,富集系数为44.45,且对Pb、Cu、Zn也相对富集。综合富集系数(TBCF,8.09)最低的为黧蒴锥—香椿—樟树群落,仅对Cd、Cr、Cu相对富集,对其余重金属富集效应不明显。

(3)相关性分析表明群落枯落物重金属流通量与土壤重金属Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn含量没有明显相关性,与Cr、Ni含量呈极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)负相关。