黔西北土壤-植被系統(tǒng)元素地球化學特征及其生態(tài)關系

洪 濤，謝運球，覃星銘，孔祥勝，歐夢夢，喻崎雯

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004；2.自然資源部巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室，廣西 桂林 541004)

黔西北地處低緯度高海拔地區(qū)，植物資源較豐富，有森林、草地、藥用植物和經濟林植物等。貴州西北部是西南喀斯特地區(qū)的中心，人地矛盾突出，是貴州省水土流失和石漠化最為嚴重的地區(qū)之一[1-2]。石漠化地區(qū)地質環(huán)境背景特殊，加上開發(fā)利用方式不合理，造成該區(qū)土壤侵蝕，土壤質量下降，植被遭到嚴重破壞，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量不斷惡化[3-4]。相關研究表明，植被恢復重建是生態(tài)修復的根本[5]，而植物群落演替受氣候、土壤、地形等各種環(huán)境因子的影響，其中土壤是植物生存的基礎，在植物生長、發(fā)育及群落演替等方面起著決定性作用[6]。杜虎等[7]研究表明，植物多樣性指標與土壤氮素、Al2O3、Fe2O3、土壤微生物生物量碳、真菌和細菌關系密切。寧曉波等[8]研究了貴陽花溪石灰?guī)r、石灰土與定居植物化學元素含量特征，結果表明植被對石灰土中有機質、N和P含量有相當大的影響。土壤與植被相互作用、相互影響，而化學元素含量則成為其中最重要的紐帶。了解土壤與植物系統(tǒng)中元素地球化學特征有助于我們更深入地認識生態(tài)系統(tǒng)的運行與穩(wěn)定機制。目前有關黔西北地區(qū)土壤-植被系統(tǒng)中元素地球化學特征的研究鮮有報道，而黔西北地區(qū)在貴州生態(tài)文明建設中占有重要地位。因此，以黔西北為研究區(qū)，探討典型植物與土壤中大量元素和微量元素的地球化學特征，重點分析有毒有害元素在系統(tǒng)中的遷移性和變異特征，甄別對重金屬污染物具有超富集能力的植物[9]，為黔西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔西北畢節(jié)市七星關區(qū)和大方縣，處于云貴高原向東部低山傾斜的斜坡地帶，地理坐標為北緯26°50′～27°46′，東經104°51′～106°08′，屬低緯度高海拔地區(qū)，為亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量充沛且雨熱同期，具有冬無嚴寒、夏無酷暑、夏短冬長、春秋相近的氣候特點。多年平均氣溫12.3 ℃，年平均最高氣溫18.5 ℃ ，年平均最低氣溫-9 ℃，年平均降水量1 036 mm，且多集中在4—9月，占全年降水量的80%左右；年日照總時數(shù)多年平均值為1 344.3 h，占全年可照時數(shù)的31%。

研究區(qū)出露寒武、奧陶、志留、二疊、三疊、侏羅和第四系等地層，巖性有灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r和泥質灰?guī)r等碳酸鹽巖，占全區(qū)面積的60%以上，其次為砂巖、頁巖和泥巖等碎屑巖類。此外，峨眉山組(P1-2em)玄武巖在局部地區(qū)也有分布。多樣的成土母巖在錯綜復雜的地質構造、地形地貌和氣候條件的影響下形成了較豐富的土壤類型，主要有黃棕壤、黃壤、石灰土、紫色土、水稻土、沼澤土和潮土7個土類，22個亞類，50個土屬。主要成土母巖為碳酸鹽巖、頁巖和紫砂頁巖等。黃壤是區(qū)內主要地帶性土壤，占研究區(qū)面積的65%左右；紫色土是區(qū)內的主要巖性土，面積占比約17%。不同性質土壤及水分和熱量差異是影響原始植物群落特征的重要因素。受氣候條件和地理位置影響，研究區(qū)內生物資源十分豐富，地帶性植被群落和非地帶性植被群落發(fā)育，地帶性植被群落為北亞熱帶常綠闊葉林，但表現(xiàn)出明顯的過渡性與次生性特征，受人為活動影響，常綠闊葉林植被群落已逐漸被常綠闊葉針葉混交林所取代。較典型的植被群落有杜鵑(Rhododendron)和廣泛分布于暖溫帶和亞熱帶北部的白櫟(Quercusalbus)落葉闊葉林。

1.2 樣品采集、處理與分析

研究區(qū)內植被類型豐富，考慮到地帶性植被和非地帶性植被及其分布范圍，采集了杉木(Cunninghamialanceolata)、亮葉樺(Betulaluminifera)、馬尾松(Pinusmassoniana)、化香樹(Platycaryalongipes)、茅栗(Castaneaseguinii)、白櫟、鹽膚木(Rhuschinensis)、柳杉(Cryptomeriafortune)、小葉女貞(Ligustrumquihoui)、鳶尾(Iristectorum)、柏樹(Platycladusorientalis)、里白(Hicriopterisglauca)、胡桃(Juglansregia)、馬桑(Coriarianepalensis)等16種植被，這些植被基本處于自然狀態(tài)，少有人為干擾。在每株植物的上、中、下、東、西、南、北方向摘取葉子，用自封袋封裝，然后用純凈水沖洗干凈，在60 ℃下烘干，磨成粉末狀，混合均勻，備用。與此同時，采集相應植被的土壤表土層和亞土層混合樣品，去除根系、碎石塊等，自然晾干后碾碎，過0.85 mm孔徑篩備用。共采集69個植物樣品和對應的根系土壤樣品，所有樣品送國土資源部巖溶地質資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心測定，分析指標包括有機質、常量元素和微量元素。

2 研究區(qū)土壤與植物地球化學特征

2.1 土壤有機質及常量元素含量特征

自然條件下，枯枝落葉及根系為土壤有機質最主要來源，常綠闊葉針葉混交林土壤通常比灌草地具有更高的有機質含量，相差可達幾個數(shù)量級。該研究的土壤樣品涵蓋不同土壤類型下的原生喬木林地、次生喬木林地、低矮灌草地等土地利用類型。樣品測試結果(表1)表明，土壤有機質含量平均為147.0 g·kg-1，具有較強變異性，來自砂巖地區(qū)的杉木地土壤有機質含量最高，達1 670 g·kg-1，來自泥巖地區(qū)的馬桑低矮灌木層土壤有機質含量最低，僅7.9 g·kg-1，說明位于同一氣候帶內不同土地利用類型下的土壤有機質含量差距較大。

常量元素含量和組成主要受成土母巖影響[8]。此外，植被種類、氣候條件、地形地貌和人類活動等外部條件也深刻影響元素含量和構成，導致常量元素含量表現(xiàn)出較強的空間變異性，如Ca和Mg變異系數(shù)分別為2.20和1.29，其在灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖地區(qū)含量較高，而在砂頁巖、泥巖等碎屑巖區(qū)含量普遍較低。對于同一巖性土壤，不同植被類型也會導致元素含量差異較大，同位于灰?guī)r地區(qū)的火棘和馬尾松地土壤Ca、Mg含量分別為199.8、39.3和27.5、0.77 g·kg-1，當然植被類型不是導致這種差異的唯一因素。土壤營養(yǎng)元素Fe、K和P變異系數(shù)較小，基本反映土壤背景值，而N表現(xiàn)出較強的變異性，其原因跟N本身易移遷或流失有關，此外采樣點所處植物群落特征、植物根系固氮微生物特征及部分采樣點可能受農業(yè)施肥影響等都會加劇N含量分異。

表1土壤元素含量統(tǒng)計特征值

Table1Thestatisticvaluesofelementsofthesoilsamples

元素w1)/(g·kg-1或mg·kg-1)最小值最大值平均值標準差變異系數(shù)TFe3.20103.0052.403.140.60Mg0.4088.1012.101.571.29Ca0.50199.8014.103.092.20K0.5042.1011.200.860.76TN0.30178.7011.103.052.75有機質7.901 670.00147.0028.511.94Cu4.10245.0056.7547.940.84Pb8.40174.0041.3934.520.83Zn10.00193.0084.2346.140.55Co1.502 731.00163.57393.802.41Mn9.501 961.00635.16566.160.89As2.9138.7013.527.670.57P147.01 353.00670.75314.220.47Cd0.065.000.850.861.01pH值4.407.705.680.970.17

1)TFe、Mg、Ca、K、TN和有機質單位為g·kg-1，其余元素單位為mg·kg-1。

2.2 土壤微量元素含量特征

土壤微量元素含量雖低，但也是植被生長不可或缺的物質，其含量主要受成土母質和表生地球化學作用的影響。表1表明，Cu、Pb、Zn、Co、Mn、As和Cd平均含量均高于全國土壤背景值(Cu、Pb、Zn、Co、Mn、As和Cd分別為20、23.6、67.7、11.2、482、9.2和0.074 mg·kg-1)[10]，其中Co表現(xiàn)最為顯著，平均含量為全國背景值的14.6倍且變異較強，最高值達2 731.0 mg·kg-1，具有明顯的土壤富集特征，可作為找礦的重要標識。此外，有毒元素Pb、As、Cd平均含量為貴州省相應背景值(45.0、17.5、0.248)[11-12]的0.92、0.77和3.42倍，且Pb和As表現(xiàn)出弱變異特征，可見黔西北地區(qū)土壤普遍無Pb和As污染，但As平均含量高出全國背景值較多，說明As為黔西北地區(qū)高背景分布元素，在各類巖性巖石中含量均較高，尤其是峨眉山玄武巖。此外，As及其化合物地球化學性質較穩(wěn)定，容易在土壤中積聚，造成個別土壤超標。土壤Cd超標較嚴重且呈現(xiàn)中等變異，說明土壤存在Cd污染，在人類活動影響較小的情況下，其含量主要受成土母巖制約，這與宋春然等[13]的研究結果相符，而在人類活動強烈的地區(qū)，人為活動可能是Cd的最重要來源，如CLEMENT等[14]發(fā)現(xiàn)市政垃圾焚燒是導致公路附近土壤Cd富集的主要因素。

2.3 植物元素地球化學特征

由表2可知，大量營養(yǎng)元素Mg、Ca、N、K、P和Fe含量占元素總量的90%以上，為植物中主要元素，變異系數(shù)均較小，相較于土壤中變異性較強的Mg、Ca、N和K，植被對大量營養(yǎng)元素的吸收受成土母巖的影響較小，主要由植物本身生理特性決定，且與植物種類關系不大。而對微量元素而言，不同植物需求也不同，元素在植物體內的生物積累與土壤微量元素含量有關，對比土壤和植物中微量元素的變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有相似性。苗莉等[15]在研究廣東河臺金礦礦山土壤與植物系統(tǒng)中的微量元素(Au、Cu、Cd和As)時也發(fā)現(xiàn)，植物中微量元素含量與土壤微量元素含量特征相似。

表2植物元素含量統(tǒng)計特征值

Table2Thestatisticvaluesofelementsoftheplantsamples

元素w1)/(g·kg-1或mg·kg-1)最小值最大值平均值標準差變異系數(shù)Mg0.090.620.240.120.51Ca0.353.711.570.860.55TN0.312.261.330.470.36TK0.052.410.680.460.68TP331.002 188.001 163.78459.830.40Cu0.2330.906.866.971.02Pb0.2726.206.435.480.85Zn11.80264.0052.3949.910.95Co0.06110.006.1918.342.96Cd0.1211.001.412.251.60Mn22.801 863.00500.01516.591.03As0.3212.503.792.790.74TFe115.001 421.00382.51242.140.63

1)Mg、Ca、TN、TK和TFe單位為g·kg-1，其余元素單位為mg·kg-1。

3 植被與土壤的生態(tài)關系

3.1 植被與土壤元素含量的關系

土壤是植被生長所需礦質元素和水分的最主要來源。因此，植物中元素含量往往表現(xiàn)出對土壤元素的物質繼承性，表現(xiàn)為植物吸收元素與土壤中元素含量呈正相關關系[16-17]。但是，這種正相關關系限于一定的土壤元素含量范圍內,并且不同元素含量變化特征也不同。魯荔等[18]在研究選礦廠周邊蔬菜地土壤與蔬菜中重金屬含量時發(fā)現(xiàn)，蔬菜和相應土壤中Pb、Zn、Cd 和Cr 含量之間無顯著相關性。表1～2表明，土壤中大量營養(yǎng)元素Ca、Mg、N呈現(xiàn)中等至強度變異特征，而在植被中變異性較弱。圖1也表明土壤和植物中K元素相關性不顯著，植物中K含量基本小于1 g·kg-1，不隨土壤中K含量的增加而增加，說明植物在能保證其正常生長所需的大量營養(yǎng)元素含量時不會過多地吸收土壤中的元素。植物中必需微量元素Zn含量基本維持在50 mg·kg-1以內，與土壤Zn含量相關性較差(R2=0.001)。

圖1 植物與土壤中K、Zn、Cd全量相關關系Fig.1 The correlation between K， Zn and Cd in soils and plants

一般來說，植物體內累積Zn與土壤Zn含量密切相關[19],但朱育新等[20]研究發(fā)現(xiàn)這種相關性可能因樹種而異，楓楊中Zn與土壤Zn含量相關性較好，而在黑松和馬尾松中則沒有相關性，筆者研究結果與其相似。此外，微量元素Fe、Mn和Cu具有相似的變化特征。對微量有害元素Cd的相關分析結果(R2=0.32，P<0.05)表明，土壤Cd含量的增加可能促進植物對Cd的吸收，而Cd作為研究區(qū)內土壤主要污染元素，必須采取措施控制其向植物體內遷移和轉化，尤其是在耕作區(qū)。

3.2 植物對土壤元素的生理吸收和生態(tài)特性

元素在土壤中以不同形態(tài)存在，能被植被直接吸收的這部分稱為元素有效態(tài)，有效態(tài)元素被吸收后在植物體內富集，由于植物種類及所處的生長環(huán)境差異使得不同元素在植物體內的遷移轉化能力和富集程度存在差異，這種差異通常用生物吸收系數(shù)(k)來表征[21]。生物吸收系數(shù)定義為植物體(干重)內的元素含量與其所生長的土壤中元素含量的比值。從表3可知，不同元素k值存在較大差異，尤其是大量營養(yǎng)元素(Ca、N、P、K)和微量元素(Pb、Zn、Cu、Co)之間差異明顯，Ca、N、P、K的平均k值分別為4.02、8.87、2.37和1.43，而Pb、Zn、Cu、Co的平均k值為0.18、0.80、0.19和0.08，相差1個數(shù)量級。大量元素與微量元素雖然在需求量上有多少之別，但對植物的生命活動都具有重要作用，都是不可缺少的[22]。如N是植物體內許多重要有機化合物的成份，在多方面影響著植物的代謝過程和生長發(fā)育，表1顯示土壤N平均含量只有11.1 g·kg-1，在大量營養(yǎng)元素中屬于較低水平，為了保證植物需求，N在根系固氮根瘤菌作用下被大量吸收，其k值也高達8.87。必需微量元素由于植物需求較少導致k值較低。此外，微量元素Mn吸收系數(shù)最大值、最小值和平均值分別為48.97、0.01和7.34，說明植物對Mn的吸收具有較明顯的選擇性，生長在砂巖地區(qū)土壤中的杉木是一種Mn超富集性植物，這是由植物本身的生理吸收功能和生態(tài)特征所決定的。微量有害元素Cd的平均k值為1.31，說明Cd是強積聚型元素，對采樣點植物調查發(fā)現(xiàn)物種長勢良好，沒有出現(xiàn)毒害癥狀，表明土壤中Cd雖然超標且吸收系數(shù)較大，但并沒有超出植物的耐受限。有關研究表明植物體中存在能夠調節(jié)體內微量元素濃度水平的生理壘[23]，植物從土壤中富集微量元素的能力不完全取決于某一元素在土壤中的含量。As的平均k值為0.37，說明研究區(qū)內植被不易富集As，研究發(fā)現(xiàn)草類和蕨類是較易吸收As的植被類型[24]。

不同植物由于生理特性的差異導致其對元素的吸收不同，如生長在灰?guī)r地區(qū)的馬尾松、鹽膚木、杉木、茅栗和小葉女貞對大量元素Ca、N、K和P的k值相差較大，馬尾松更易富集K，鹽膚木更易富集Ca，小葉女貞易富集N。不同植物對Cu、Pb、Zn、Co的吸收特性相似，k值均小于1，僅樺木和里白相對富集Zn元素。有毒有害元素Cd是研究區(qū)內主要的污染元素，從生態(tài)治理方面考慮，尋找Cd的超富集植物對Cd污染場地修復具有重要意義。由表3可知，Cd吸收系數(shù)較大的植物有鹽膚木(5.26)、杉木(3.15)、白櫟(2.80)、小葉女貞(2.39)、鳶尾(1.82)、馬尾松(1.69)，這些植物可作為Cd污染地區(qū)生態(tài)治理的優(yōu)選植物。此外，鳶尾和里白具有較強的As親和性，吸收系數(shù)分別達1.18和1.49，可見鳶尾對Cd和As復合污染治理具有較大利用價值。

表3不同植物對元素的平均生物吸收系數(shù)

Table3Theaveragebiologicalabsorptioncoefficientsofdifferentplants

植物名稱巖性MgCaTNTKTPCuPbZnCoCdMnAs小葉女貞灰?guī)r0.311.8511.590.373.940.310.290.380.042.390.230.26胡桃灰?guī)r0.946.1812.921.771.870.220.230.210.030.220.140.01樺木灰?guī)r0.922.4513.293.397.930.920.322.420.121.370.460.21柏樹灰?guī)r0.060.155.130.321.760.190.300.310.040.430.090.22白櫟砂巖0.9010.1025.602.145.060.400.172.570.292.8014.670.62鳶尾白云巖0.070.184.091.471.780.330.080.780.081.820.091.18紅袍刺藤白云巖0.313.0216.551.292.050.040.050.230.020.040.100.40馬桑砂巖0.192.118.470.421.260.030.440.100.030.020.090.04化香樹灰?guī)r0.555.456.770.231.790.200.070.230.030.750.040.09茅栗白云巖0.354.957.500.862.490.110.220.700.091.675.170.09杉木砂巖0.641.180.070.680.730.120.010.860.010.3648.970.01杉木灰?guī)r0.042.495.731.292.320.220.010.530.073.150.280.20鹽膚木灰?guī)r0.639.124.920.461.520.140.051.090.105.260.290.09柳杉砂巖1.192.965.844.371.070.110.050.560.040.141.450.30柳杉泥巖0.075.854.980.251.340.010.180.110.020.020.010.75里白灰?guī)r0.901.430.070.270.710.040.211.860.010.0420.751.49馬尾松泥巖0.405.8417.921.113.870.120.241.120.141.6917.390.43馬尾松砂巖0.228.409.000.421.850.040.350.480.271.642.220.38馬尾松灰?guī)r1.672.768.125.991.750.020.140.720.011.1527.020.32平均值0.554.028.871.432.370.190.180.800.081.317.340.37

從表3還可知，即使對同一種植物如杉木和馬尾松，生長在不同的成土母質上，k值也會差距較大，如砂巖地區(qū)杉木Mn的k值是灰?guī)r地區(qū)的174倍，而N的k值卻只有灰?guī)r地區(qū)的0.012倍。馬尾松在不同巖性土壤中的Mn吸收系數(shù)為灰?guī)r>泥巖>砂巖，Cd和As均為泥巖>砂巖>灰?guī)r。由此看出，就Cd和As來說，碎屑巖地區(qū)的k值要高于灰?guī)r地區(qū)，其原因為灰?guī)r地區(qū)的土壤pH值一般較碎屑巖區(qū)土壤高，而土壤pH 值越高，土壤中H+濃度越低，重金屬離子越不易從土壤膠體上被解吸下來，即活動性不強，不易轉移，這與宋春然等[13]的研究一致。

元素的生物吸收系數(shù)和土壤pH有關[25-26]，此外土壤中不同重金屬存在相互抑制吸收的現(xiàn)象。如TU等[27]發(fā)現(xiàn)As 能與Pb、Zn 等金屬陽離子發(fā)生復合反應，從而抑制植物對重金屬的吸收。而筆者發(fā)現(xiàn)重金屬還存在共吸收作用。如圖2所示，Co和Cd、Cu和Zn的k值存在顯著相關性(P<0.05)，Cu和Zn作為分子量相近的親硫元素相關性較好，Co和Cd之間的關系尚需進一步研究。圖3表明，土壤TP與Cu和Pb的k值呈顯著負相關(P<0.05)，說明P可能會抑制植物對Cu和Pb的吸收，這與顏奕華等[28]的研究結果一致，其主要的生物化學作用為P使土壤可交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)Pb向鐵錳氧化物結合態(tài)和殘渣態(tài)Pb轉化。

4 結論

(1)土壤營養(yǎng)元素Fe、K和P含量變異系數(shù)較小，基本反映土壤背景值，巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)Ca和Mg含量差異較大，N空間變異較大。微量元素Cu、Pb、Zn、Co、Mn、As平均含量均低于貴州土壤背景值，其中Co具有明顯的富集特征，As為黔西北地區(qū)高背景分布元素。Cd元素超標較嚴重。植物中各元素含量變異較小，植物和土壤中Cd元素含量存在較顯著的正相關關系，植物中其余各元素與土壤中相應元素含量關系不明顯。

(2)大量營養(yǎng)元素Ca、N、P、K的平均生物吸收系數(shù)高于必需微量元素Pb、Zn、Cu、Co，值域相差1個數(shù)量級。鹽膚木、杉木、白櫟、小葉女貞、鳶尾和馬尾松具有較強的Cd吸收能力，鳶尾能同時較好地吸收Cd和As。

圖2 Co和Cd、Cu和Zn的生物吸收系數(shù)相關關系Fig.2 The correlation of biological absorption coefficients between Co and Cd, and Cu and Zn

圖3 TP與Cu、Pb的生物吸收系數(shù)相關關系Fig.3 The correlation between TP and the biological absorption coefficients of Cu and Pb

(3)同種植物在不同成土母巖區(qū)的元素吸收系數(shù)差異較大，同種植物在碳酸鹽巖區(qū)的重金屬吸收系數(shù)大于碎屑巖區(qū)，這不僅與土壤pH有關，還受共吸附作用影響。此外，Co和Cd、Cu和Zn生物吸收系數(shù)存在較顯著的相關性，土壤P能抑制植物對Cu和Pb的吸收。