新疆天山中部森林土壤重金属含量及其与土壤理化性质的相关性

2021-03-29王文栋任振武张红英张晓琴白志强

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2021年3期

王文栋，任振武，张红英，张晓琴，白志强

(1 新疆林业科学院森林生态研究所，新疆乌鲁木齐830063;2新疆维吾尔自治区天山东部国有林管理局乌鲁木齐南山分局，新疆乌鲁木齐 830011)

森林是乔木、灌木、草本、动物与环境的综合体，具有固碳释氧、保持水土、调节气候以及保护生物多样性、维持生态系统稳定等功能[1]。城市化的快速发展，人类活动对森林干扰剧烈，且释放大量重金属元素于森林土壤中。重金属元素在土壤中具有性质稳定、不易降解的特征[2-3]，其不仅影响土壤环境质量，且通过食物链影响人类健康[3]。森林土壤的淋溶作用和地表径流，可净化和缓冲森林土壤中富集的重金属污染物[1,4]，但伴随着工业和旅游业的发展，森林生态环境破坏日趋严重，加剧了土壤的重金属污染[5]。在人类活动及各理化因素的交互作用下，重金属形态会发生变化，进而影响森林土壤重金属迁移与转化[4]。因此，研究土壤重金属含量特征及其在理化因素的影响下呈现何种分异规律具有重要意义。

目前，国内外学者对土壤重金属含量进行了大量研究，但这些研究主要集中于农田、城市、湿地、荒漠、部分湿润及半湿润地区森林等生态系统，而对干旱、半干旱地区森林生态系统土壤重金属污染的研究较少[6-11]。研究发现，农田、城市、湿地、荒漠生态系统土壤重金属污染多受人为活动的影响，但森林生态系统的土壤重金属污染则多是由大气沉降使土壤重金属元素大量积累所致。目前关于人类活动对森林土壤重金属污染影响的研究较为匮乏[6-11],而且现有研究大多从不同污染评价方式、时空分布特征、植物富集等角度进行森林土壤重金属污染评价和来源解析[12-14]，较少涉及重金属含量与土壤体积质量、含水量和有机碳含量等理化指标的关系。

天山是新疆最大的山地森林分布区，属中国西部干旱区山地-绿洲-盆地系统的重要组成部分[15]。天山中部天然气、煤、有色金属等矿产资源十分丰富，大规模矿产资源开采和运输过程极易引起林区土壤重金属污染，加速森林土壤重金属迁移，直接影响森林生态系统的结构和功能，危害生物的生存与健康[16-17]。因此，进行小尺度天山森林土壤重金属污染评价并探究其含量与土壤理化性质的关系，对干旱区森林生态系统的可持续发展具有重要意义。本试验以天山中部森林为研究区域，对森林土壤重金属含量特征进行分析评价，并进一步探究重金属含量与土壤理化性质的相关性，旨在系统揭示重金属的生物毒性及其在环境中的迁移特性，全面了解天山中部森林土壤的健康状况，为地区生态环境的可持续发展提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆天山东部国有林管理局乌鲁木齐南山分局(86°30′-87°15′E、43°14′-43°43′N)位于天山北麓中部，东西长约63 km，南北宽约66 km。乌鲁木齐南山分局主要包含小渠子、桦树沟、菊花台、甘沟等多个旅游景点，以及和谐矿业和4号矿业两座采矿场。分局所辖范围整体地势南高北低，海拔2 700～1 600 m，地形起伏较大，坡度较陡，侵蚀地形发育，以河谷侵蚀为主，多呈“U”形谷地。研究区属温带大陆性气候，年平均气温2 ℃，气温日变化较大，极端最低气温-30.2 ℃，极端最高气温30.5 ℃，≥10 ℃的年积温1 170 ℃；无霜期120～130 d，年降水量500 mm以上，植被生长期内降水量约占总降水量70%。林区内土壤以灰褐土为主，腐殖质层较厚，养分含量高，适宜天山雪岭云杉的生长发育，林下灌木主要有忍冬、蔷薇、小蘗等，草本主要有早熟禾、莎草、苔草等。

1.2 样品采集

在实地调查的基础上，于2018年8月选择桦树沟、小渠子和甘沟作为采样区域，其中桦树沟为采矿活动频繁区域，小渠子和甘沟是旅游聚集区域。选择无人为干扰(几乎无采矿活动和旅游活动影响)的区域作为背景区。在桦树沟、小渠子和甘沟的上游、中游和下游的3个位置，于距离水源地3 m内随机选取5个典型样方，同时在背景区随机选取5个典型样方，均分别按S型布设5个样点，清除土壤表面的腐殖质后，采集表层(0～10 cm)土壤样本，去除石块及植物根系，充分混匀后按四分法取2 kg土样入袋，共采集50袋土壤样品(含背景区土壤样品)，封装好后带回实验室，自然风干后研磨过孔径0.149 mm的土壤筛，备用。

1.3 测定项目及方法

根据《土壤环境质量监测技术规范》(HJ/T 166-2004)对研究区土壤样品的总砷(As)、总汞(Hg)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、铝(Al)含量进行检测。Pb、Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T 17141-1997)[18]测定；Zn和Cu采用火焰原子吸收光度法(GB/T 17138-1997)[18]测定；As含量采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法(GB/T 17134-1997)[18]测定；Hg含量采用冷原子吸收分光光度法(GB/T 17136-1997)[18]测定；Cr含量采用火焰原子分光光度法(GB/T 17138-1997)[18]测定；Al含量采用高效液相色谱法测定。每个土样重复测3次，取平均值作为样品的最终金属含量。在土壤重金属含量测定过程中，加入GSS-12(国家标准土壤参比物质)进行质量控制，8种土壤重金属回收率均未超出国家标准参比物质的允许范围、研究区背景值(实验测得)以及土壤重金属评价标准(表1)。参考文献[19]，测定土壤的理化性质，测定指标包括土壤有机碳(SOC)含量、电导率(TDS)、体积质量(SBD)、含水量(SWC)和pH，其中SOC含量采用重铬酸钾稀释热法测定，TDS采用电导法测定，SBD采用环刀法测定，SWC采用烘干法测定，pH值采用电位法测定。

表1 土壤重金属含量污染评价标准[20]及研究区背景值

1.4 数据处理与统计分析

运用内梅罗污染指数法(HJ/T 166-2004)计算单项污染指数(Pi)和综合污染指数(PN)，进行土壤环境污染况评价。Pi和PN的计算公式如下：

Pi=Ci/Si,

(1)

(2)

当Pi<1时表示清洁，1.0≤Pi<2.0表示轻度污染，2.0≤Pi<3.0表示中度污染，Pi≥3.0表示重度污染。当PN≤0.7时表示安全，0.73.0表示重度污染。

运用SPSS 19.0统计分析软件对天山森林土壤重金属进行单因素方差分析(one-way ANOVA)。运用方差同质性(homogeneity of variance)检验方法检验方差是否齐性，当方差齐性时，多重比较使用LSD法,反之使用T2 Tamhane’s test。运用主成分分析进行土壤重金属污染来源分析，并运用canoco 4.5进行冗余分析(RDA)，探究土壤重金属与土壤理化性质的相关性。

2 结果与分析

2.1 天山中部森林土壤理化性质分析

表2为天山中部森林不同区域土壤理化性质的分布特征。表2表明，除电导率在背景区与3个试验区域间存在显著差异外(P<0.05)，其他土壤理化性质在各区域均无显著差异(P>0.05)。研究区土壤pH值为6.16～7.14，平均值为6.86，呈弱酸性。土壤有机碳含量由高到低的顺序为甘沟>桦树沟>小渠子。土壤含水量在不同区域间为28.88%～33.12%。土壤体积质量在不同区域由高到低的顺序为甘沟(0.98 g/cm3)>小渠子(0.90 g/cm3)>桦树沟(0.87 g/cm3)。

表2 新疆天山中部森林不同区域的土壤理化性质

2.2 天山中部森林土壤重金属污染特征分析

本试验结果表明，研究区土壤As、Hg、Cd、Al、Pb、Cu、Cr、Zn的平均含量分别为1.23，0.07，0.43，32.32，29.17，29.48，84.73和118.16 mg/kg(图1)，与背景区(表1)相比，除Hg、Zn含量几乎未超标外，其余6种种重金属含量均有不同程度的超标，As、Cd、Al、Pb、Cu、Cr含量分别是背景值的1.37，1.11，1.21，1.27，1.13和1.30倍，超标较为严重的有As、Cr、Pb和Al，较轻的有Cd和Cu。与国家土壤质量标准(表1)相比，As、Hg、Pb、Cu含量均未超过Ⅰ级标准，平均含量分别为标准值的8%，43%，83%和84%，Al、Cr的平均含量接近Ⅰ级标准值，Zn含量是Ⅰ级标准值的1.18倍，而Cd含量是Ⅱ级标准值的1.44倍，说明研究区土壤受Zn和Cd的污染较严重。

由图1可以看出，除As含量在不同区域间存在显著差异外(P<0.05)，其他重金属含量均无显著差异(P>0.05)。天山森林不同区域土壤的As、Hg、Cr和Zn含量分别为0.96～1.43，0.05～0.07，78.60～94.33和108.14～138.00 mg/kg，As、Cr和Zn含量在不同区域由高到低的顺序均为甘沟>小渠子>桦树沟；而Cu 含量在甘沟和小渠子均为29.00 mg/kg，桦树沟略高，为30.43 mg/kg；不同区域土壤Cd含量为0.36～0.49 mg/kg；天山森林不同区域土壤Al含量以桦树沟最大(37.09 mg/kg)，是国家一级标准值的1.06倍，小渠子最小(27.17 mg/kg)，说明桦树沟土壤存在Al污染；不同区域土壤Pb含量由高到低的顺序为桦树沟(30.86 mg/kg)>小渠子(28.67 mg/kg)>甘沟(28.00 mg/kg)。

图柱上标不同小写字母表示土壤重金属含量在不同区域间差异显著(P<0.05)

2.3 天山中部森林土壤重金属污染评价

对研究区土壤重金属污染进行评价,结果见表3。由表3可知，桦树沟Hg和Zn的单项污染指数均小于1;其他重金属的单项污染指数为1.06～1.38，其中Al、Pb的单项污染指数均较大，分别为1.38和1.34。桦树沟土壤重金属综合污染指数由大到小的顺序为上游(1.43)>中游(1.37)>下游(1.03)，桦树沟全流域为1.26，达到轻度污染，主要是受Al和Pb的污染。小渠子土壤Hg、Cd和Zn的单项污染指数均小于1；其他重金属单项污染指数为1.01～1.47，其中As、Cr、Pb的单项污染指数均较大，分别为1.47，1.26和1.25。小渠子的土壤重金属综合污染指数大小顺序为上游(1.47)>中游(1.23)>下游(1.14)，小渠子全流域为1.28，属于轻度污染，主要受As、Cr、Pb的污染。甘沟仅有Hg的单项污染指数小于1；其他各重金属的单项污染指数均大于1，但小于2，其中As、Cr单项污染指数均较大，分别为1.59和1.45。甘沟的土壤重金属综合污染指数为1.41，属于轻度污染，主要受As和Cr污染。研究区整体土壤重金属综合污染指数为1.38，为轻度污染，主要受As和Cr的污染。

表3 新疆天山中部森林不同区域土壤重金属含量的污染评价结果

2.4 天山中部森林土壤重金属污染来源分析

相关性分析和主成分分析可用以判断土壤中重金属的来源。研究区土壤重金属的相关关系如表4所示。由表4可知，Zn与Cr、Cd、Hg的相关系数较大，分别为0.83，0.82和0.77，且呈极显著正相关关系(P<0.01)；Cd与Hg、Cr之间的相关系数分别为0.82和0.77，也呈极显著正相关关系(P<0.01)；As与Cr、Zn及Cu与Cr、Cd、Zn之间也呈正相关关系，且达到显著水平(P<0.05)，说明As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn 6种重金属间相关性较高，其来源相同。Pb和Al与其他重金属间的相关关系均较低，说明Pb和Al与其他重金属之间来源不同[8]。

表4 新疆天山中部森林土壤重金属含量之间的相关性

除重金属元素Pb和Al之外，其他重金属元素间相关性均达显著或极显著水平，需进行主成分分析，进一步确定重金属来源。主成分分析结果(表5)显示，获得了PC1、PC2、PC3 3个主成分因子，三者的方差累计贡献率达87.74%。PC1的方差贡献率为53.52%，其中Hg、Cd和Zn的载荷较大，分别为0.96，0.92和0.79，说明Hg、Cd和Zn的来源可能一致；PC2的方差贡献率是21.07%，其中Pb和Al的载荷较大，分别为0.90和0.85；PC3的方差贡献率为13.15%，其中As的载荷数较大，为0.98。

表5 新疆天山中部森林土壤重金属之间的主成分因子分析

2.5 天山中部森林土壤重金属含量及其与理化性质的相关性

对5种土壤理化性质进行RDA后，可得出其对天山森林土壤重金属含量特征的解释量。计算可知，土壤重金属含量特征在第Ⅰ轴、第Ⅱ轴的解释量分别84.9%和85.9%，累计解释土壤重金属含量特征信息量为86.4%，对森林土壤重金属与理化性质关系的累计解释量已高达 100%。由此可知，前两轴能够很好地反映森林土壤重金属与理化性质的关系，且主要是由第Ⅱ轴决定。

图2为新疆天山中部森林土壤重金属与理化性质冗余分析的二维排序图。

SOC.有机碳；TDS.电导率；SBD.土壤体积质量；SWC.土壤含水量。土壤重金属含量用实线箭头表示，土壤理化因子用虚线箭头表示，箭头越长解释量越大。土壤重金属含量与理化因子箭头夹角(A)在0°～90°时,两个变量之间呈正相关;A=90°时,表示二者无相关关系；90°

从图2可以看出，在所有的影响因子中，土壤pH值和电导率(TDS)箭头最长，可知其对森林土壤重金属特征变异起到很好的解释作用。Hg与土壤TDS、SBD和SOC呈正相关关系，与SWC、pH呈负相关关系；Cd与土壤SBD和TDS呈正相关关系，与土壤pH无相关性，与土壤SWC和SOC呈负相关关系；Zn与土壤SBD、TDS和pH呈正相关关系，与土壤SWC和SOC呈负相关关系；AS与土壤SBD和pH呈正相关关系，与土壤SWC和TDS无相关性，与土壤SOC呈负相关关系；Cr与土壤SBD、pH和SWC呈正相关关系，与土壤TDS和SOC呈负相关关系；Cu与土壤pH、SWC和SBD呈正相关关系，与土壤TDS和SOC呈负相关关系；Pb和Al与SWC和pH呈正相关关系，与SOC、TDS和SBD呈负相关关系。

经冗余分析得出，土壤理化性质对土壤重金属含量影响的重要性排序如表6所示。由表6可知，土壤理化性质的重要性排序为：pH值>土壤电导率>土壤体积质量>土壤含水量>土壤有机碳。土壤理化性质pH、TDS、SBD、SWC和SOC对森林土壤重金属含量的影响均达极显著水平(P<0.01)，解释量分别为的0.663，0.657，0.622，0.511和0.468，说明其均为森林土壤重金属含量的主要影响因子，其中以pH值的影响最大。

表6 新疆天山中部森林土壤理化性质重要性排序及显著性检验结果

3 讨论

3.1 天山中部森林土壤生态环境污染因素分析

采矿和旅游活动是造成土壤重金属污染的主要原因[21-22]。在本研究中，桦树沟上游区域分布有两座采矿场，属间接性采矿，矿石常年露天堆积，易风化破碎，从而产生大量重金属。研究发现，部分重金属易富集于植被叶片，影响植物的光合作用[23-24]。此外，有研究发现，重金属渗入到深层土壤或随雨水汇入河流[25]，造成土壤和地表水污染。从上游到下游，桦树沟PN值虽有所减小，但污染程度并未减轻，可知采矿造成的重金属污染范围较广。在本研究中，小渠子和甘沟区域也监测到不符合国家标准的重金属指标，可知长期的旅游活动可能是造成研究区土壤重金属污染的原因之一[22]。表层土壤中重金属的污染主要来自于人为因素，包括废物燃烧、农业化肥和农药的使用、汽车尾气的排放及生活废弃物等，产生的Cr、Zn和Cd易在土壤和植被中富集，通过食物链对生物造成危害[26-27]。作为旅游集中区域，小渠子和甘沟内设施不完善，景区内无固定停车场，造成车辆随意放置，汽车尾气中含有大量的重金属元素从而对当地环境造成污染[28]；此外，景区内垃圾处理设施滞后，未进行垃圾分类，对垃圾的处理采用就地焚烧的方式，垃圾堆积形成的废水及不充分焚烧也严重污染了土壤环境[29-30]。

3.2 天山中部森林土壤理化性质对重金属含量的影响

土壤理化性质在局部范围内会影响重金属的含量。土壤理化因子通过影响土壤结构和植被而间接影响重金属的形态特征，而重金属富集能够直接影响森林生态系统的结构功能[31]。由于自然因子(如成土母质)和人为因素(如采矿、旅游)的影响，土壤重金属含量与理化因子间相互作用、相互影响[32-33]。本研究发现，新疆天山中部森林土壤重金含量有不同程度的超标，pH值、电导率、土壤体积质量、土壤含水量和土壤有机碳含量是天山森林土壤重金属富集的重要影响因子。天山森林土壤的pH值通过影响土壤黏土矿物及土壤表面电荷而间接影响土壤中的重金属含量[34]。样区土壤pH值在6.3～7.4，土壤整体偏弱酸性，对重金属含量的富集有一定的抑制作用，但由于近年来采矿活动和旅游活动的大量增加，超出土壤负荷，致使样地内土壤出现不同程度的重金属污染。土壤电导率反映了土壤中溶质的浓度，可影响重金属元素在土壤中的迁移[35]。土壤含水量和土壤体积质量与土壤质地紧密相关，土壤质地是土壤重金属富集的重要影响因素之一，故土壤含水量和土壤体积质量间接地影响土壤中的重金属含量[33]。土壤有机碳对重金属具有一定的络合作用，土壤中重金属含量随有机碳含量的增加而增加[36]，这一方面是由于有机碳具有大量的官能团，可吸附土壤中的重金属离子；另一方面是土壤有机碳可分解形成腐殖酸，腐殖酸与土壤中的重金属元素形成络合物，从而使有机结合态重金属含量增加[37-38]。