鄂東南5種森林土壤重金屬含量及污染評價

李向陽，吳 疆，劉洪強

（國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設計院，湖南 長沙 410004）

森林是全球生態(tài)系統(tǒng)最為重要的組成部分，森林對維護地球生態(tài)平衡、為人類的生存與發(fā)展提供服務有著重要作用[1]，提供了涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、防風固沙、防止污染、凈化空氣及美化環(huán)境等多種生態(tài)功能。森林土壤是森林植被生存的物質(zhì)基礎，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量好壞對森林生態(tài)環(huán)境和林業(yè)的發(fā)展至關重要[2]。近年來，由于城市化進程的加速發(fā)展和人類活動的干擾，重金屬污染物通過多種途徑進入森林土壤，造成的生態(tài)危害日益顯著[3-5]。森林土壤重金屬含量過高可影響森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境，改變森林群落結構，減少生物多樣性，并可通過污染林副產(chǎn)品、地下水環(huán)境等形式危害人類的生存和健康[6]。目前，國內(nèi)學者逐漸開展了對森林土壤的相關研究，但大多數(shù)集中在對森林土壤養(yǎng)分及其分布特征等方面[7-10]，對山地森林土壤重金屬分布與污染研究報道較少。本研究以鄂東南“綠色明珠”——桂花林場管理局的5 種典型林分類型為研究對象，分析土壤中6 種重金屬含量與分布特征，并以湖北省土壤背景值和全國土壤背景值為標準值，采用Hakanson 潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價，旨在掌握研究區(qū)森林土壤重金屬污染程度及分布特征，為森林土壤重金屬污染防治，保障森林生態(tài)安全提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)桂花林場位于湘鄂贛交匯處湖北省崇陽縣境內(nèi)，林場始建于1965年，地處幕阜山北坡低山丘陵與江漢平原的過渡地帶，地理坐標為113°51′ E，29°30′39″ N，面積約10 000 hm2，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，水熱條件優(yōu)越，是全國“十佳國有林場”。海拔最低為50 m，最高為750 m，屬低山丘陵地貌。土壤類型豐富，地帶性土壤主要為紅壤和山地黃紅壤，成土過程仍以脫硅富鋁化作用為主，母巖主要是頁巖，土層深厚，土壤有機質(zhì)含量較高，持水性較強，滲透性偏低，隨侵蝕程度增加，持水能力降低。地帶性植被為常綠闊葉林，主要樹種包括苦櫧Castanopsis sclerophylla、檫木Sassafras tzumu、楠 木Liriodendron chinensis、 楓 香Liquidambar formosana和馬褂木Phoebe zhennan等，伴生樹種主要有南酸棗Choerospondias axillaris、馬尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata等。

2 研究方法

2.1 樣地設置及土樣采集

2018年7月上旬，在研究區(qū)內(nèi)苦櫧林、檫木林、楠木林、楓香林和馬褂木林中，按照“隨機”“等量”的原則，分別設置9 個10 m×10 m 的樣方，在樣方對角線的兩端和中心設置5 個采樣點，每個采樣點取0～20 cm 層土壤，混合均勻用四分法取土500 g，共計45 個土壤樣品。樣品采集后，帶回實驗室，在室溫下風干，除去礫石和根系后研磨過100 目篩，供分析測定。

2.2 土樣理化性質(zhì)的測定

土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，pH值用酸度計測定，Zn、Cu、Cd、Ni、Pb 和Co 采用酸溶法，利用原子吸收分光光度計測定。

2.3 土壤生態(tài)風險評價

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法[11-13]對鄂東南森林土壤進行潛在生態(tài)風險評價。潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典學者Hakanson 于1980年提出的用于評價重金屬污染及生態(tài)危害的方法，此方法不僅考慮了不同重金屬的生物毒性不同，對環(huán)境造成的生態(tài)危害不同，而且綜合了重金屬的含量特征、生物學特征和毒理學特征對重金屬污染程度進行評價，是一種全面、科學的評價方法[14,15]。潛在生態(tài)危害指數(shù)法計算公式如下：

式中：RI為多重重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，Eri某一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，Tri為重金屬的毒性系數(shù)，Cif為重金屬的污染指數(shù)，ci為重金屬的實際含量，cni為重金屬的標準值。本研究以湖北省土壤背景值[16]和全國土壤背景值[17]為標準值，重金屬毒性系數(shù)采用徐爭啟[18]等計算出的重金屬毒性系數(shù)：Zn=1，Cu=Pb=Ni=Co=5，Cd=30。生態(tài)危害分級標準參照彭暉冰等[19]給出的標準表（表1）。

表1 潛在生態(tài)風險等級劃分Table1 Classification of potential ecological risks

采用Excel 2013、SPSS20.0 和Origin8.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析。

3 結果與分析

3.1 不同林分類型森林土壤重金屬含量及其分布特征

鄂東南5 種林分類型森林土壤的pH 值、有機質(zhì)和重金屬含量如表2。由表2可知，5 種林分類型森林土壤的pH 值均為酸性，不同林分類型森林土壤的pH和有機質(zhì)的變異系數(shù)都在32.92%以下，差異相對較小。

由表2可知，5 種森林土壤重金屬中，Zn 含量最高，Cd 含量最低。Zn 在楠木林土壤中的變幅最大，其平均含量楠木林＞檫木林＞苦櫧林＞馬褂木林＞楓香林。每種土壤中Cu 含量變幅較大，但不同森林土壤Cu 平均含量差異不明顯。與Cu情況類似，Cd 在5 種森林土壤的平均含量的變幅較小，檫木林和楠木林土壤Cd 的平均含量相對較高，楓香林、苦櫧林次之，馬褂木林最低。Ni 在楠木林之外的其余4 種林分森林土壤中平均含量變化差異不大，在17.94～24.19 mg·kg-1之間，楠木林土壤Ni 平均含量最高，達31.39 mg·kg-1，但變異系數(shù)最小。Pb 在楠木林、楓香林、馬褂木林和苦櫧林土壤中的含量變幅較大，相應的變異系數(shù)也較高，為89.10%～100.58%；不同林分土壤間Pb 平均含量差異較小，平均差異不超過15.08%。與前5 種重金屬元素相比，森林土壤中的Co 的變異系數(shù)較小，其中，檫木林土壤的變異系數(shù)最小，但平均含量最高，表明Co 在檫木林土壤中分布較均勻，Co 的最大值出現(xiàn)在楠木林土壤中，其相應的變異系數(shù)最大，說明Co 在楠木林土壤中含量分布不均。

表2 不同類型森林土壤pH 值、有機質(zhì)與重金屬含量描述性統(tǒng)計Table2 Descriptive statistics of pH,organic matter and heavy metals contents in different types of forest soils

繪制采樣點的重金屬實測值與湖北省元素背景值、全國土壤背景值的比較圖（圖1），由圖1可知：5 種森林土壤中的重金屬大部分在相應的背景值以下，少數(shù)樣地重金屬含量嚴重超過其背景值。從重金屬類型來看，Zn、Cu、Cd、Ni、Pb、Co 超過湖北土壤背景值的樣方個數(shù)占總樣方個數(shù)的13.33%、13.33%、26.67%、15.56%、17.78%、15.56%，超過全國土壤背景值的個數(shù)占總樣方個數(shù)的24.44%、28.89%、73.33%、26.67%、24.44%、44.44%；從森林土壤類型來看，苦櫧林、楓香林、馬褂木林、檫木林、楠木林土壤超過湖北土壤背景值的樣本個數(shù)占總樣本數(shù)的20.00%、15.56%、6.67%、26.67%、40.00%，超過全國土壤背景值的樣本個數(shù)占總樣本數(shù)的35.56%、37.78%、28.89%、51.11%、73.33%。6種重金屬中，Cd 的超標樣本個數(shù)最多，污染范圍最廣，檫木林和楠木林土壤的超標樣本個數(shù)較多，污染較嚴重。

圖1 不同林分森林土壤各重金屬實測值與背景值比較Fig.1 Comparison of measured and background values of heavy metals in different forest soils

結合圖1和表2還可發(fā)現(xiàn)，楠木林、檫木林土壤重金屬超標倍數(shù)要明顯高于苦櫧林、楓香林和馬褂木林。Zn 在檫木林土壤中的超標倍數(shù)最大，分別超過了湖北土壤背景值、全國土壤背景值的1.20、1.36 倍（以下順序相同），但在5 種森林土壤中的平均含量均未超過兩種背景值；Cu 在楠木林土壤中的超標倍數(shù)最大，達到了1.78 和2.21，其次為檫木林，分別為1.61、2.00；檫木林土壤中的Cd 超標倍數(shù)最大，為1.51、2.49，但楠木林土壤中的平均含量最高，達到了0.14 mg·kg-1，兩種森林土壤中的Cd 平均含量均超過了兩種背景值，此外，Cd 平均含量超過全國土壤背景值的還有苦櫧林、楓香林，分別為0.09 mg·kg-1、 0.11 mg·kg-1；Ni 的最大超標倍數(shù)出現(xiàn)在楠木林中，為1.71、2.35，其平均含量亦超過了全國土壤背景值，但未超過湖北土壤背景值，Ni 在其余4 種森林土壤中雖有不同程度的超標，但超標倍數(shù)不大，各自的平均含量均未超過兩種背景值；5 種森林土壤中Pb 平均含量的排序為：楓香林＞楠木林＞檫木林＞苦櫧林＞馬褂木林，與Ni 情況類似，Pb 的最大超標倍數(shù)出現(xiàn)在楠木林土壤中，分別為1.81、1.95，苦櫧林、楓香林、檫木林土壤中有不同程度的超標，但超標倍數(shù)較小，Ni 在馬褂木林土壤未存在超標情況，均未超過兩種背景值；Co 在森林土壤中的超標倍數(shù)最大值也出現(xiàn)在楠木林土壤中，為1.42、1.69，檫木林土壤中的平均含量最高，達到了13.51 mg·kg-1，超過了全國土壤背景值，但未超過湖北土壤背景值，其他四種森林土壤均未超過兩種背景值。

表3 不同類型森林土壤中重金屬與pH 值、有機質(zhì)(OM) 之間的相關性?Table3 Correlation of heavy metals with pH and organic matter (OM) in different types of forest soils

以上結果表明鄂東南森林土壤受到了一定程度的重金屬污染，且Cd 和Co 的污染面積較大；檫木林、楠木林土壤重金屬污染程度較重，馬褂木林土壤污染程度較輕。因此，要注意防治Cd 和Co 污染。

3.2 土壤重金屬與pH、有機質(zhì)的相關性

對5 種森林土壤中重金屬、有機質(zhì)及pH 值進行相關性分析，結果如表3所示。由表3可知，苦櫧林土壤中，Cu 與Pb 呈顯著正相關性，Cd 與Zn、Pb 表現(xiàn)出一定程度的負相關；楓香林土壤中Cu 與Cd、Zn，Cd 與Pb 呈現(xiàn)出顯著或極顯著正相關性，馬褂木林中Pb 與Zn、Cu 表現(xiàn)出顯著正相關，Pb 與Ni 呈現(xiàn)出負相關；檫木林中Cu 與Zn表現(xiàn)出極顯著正相關，達到了0.895，Cd 與Zn、Cu、Ni 之間表現(xiàn)出一定的負相關；楠木林中Zn與Cd 表現(xiàn)出極顯著正相關，Cu 與Ni 顯著相關。具有正相關關系的重金屬來源可能相同，具有負相關關系的重金屬元素可能由于Cd2+、Zn2+、Pb2+等離子的水系羥合配離子配位平衡在不同pH 環(huán)境下溶解度不同，也可能由于植物對負相關不同金屬的吸收有一定的替代性。重金屬與有機質(zhì)的相關性不明顯，但都呈現(xiàn)出正相關關系，相關系數(shù)最大達到了0.664，說明有機質(zhì)對重金屬還是有一定的吸附作用，這與Brookes[20]的研究結果基本一致。pH 值與重金屬之間的相關性不顯著，無明顯規(guī)律。

3.3 森林土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

鑒于6 種重金屬背景值中，湖北省土壤背景值均比全國背景值高，采用湖北省土壤背景值標準判斷5 種林分土壤重金屬潛在生態(tài)風險更加合理，因此只以以湖北土壤背景值為標準值進行潛在風險評價，計算鄂東南5 種森林土壤重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)與潛在生態(tài)風險指數(shù)（表4）。由表4可以看出，森林土壤中重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)均小于150，為輕微危害程度，具體排序為：楠木林＞檫木林＞楓香林＞馬褂木林＞苦櫧林，表明鄂東南森林土壤重金屬生態(tài)風險較??；苦櫧林、楓香林和馬褂木林土壤中5 種重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)均小于40，存在輕微生態(tài)風險，檫木林、楠木林土壤中Cd 的潛在生態(tài)風險系數(shù)分別達到了41.24 和44.69，存在中等生態(tài)風險，其他4 種重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)均小于40，存在輕微生態(tài)風險；Cd 的生態(tài)風險系數(shù)要明顯高于其他5 種元素，其最小值都在28.94 以上，Cu、Ni、Pb 和Co的生態(tài)風險系數(shù)差異不明顯，Zn 的最小。

表4 以湖北土壤背景值為參考值的森林土壤重金屬 潛在生態(tài)風險評價Table4 Potential ecological risk assessment of heavy metals in forest soils using background value of soil in Hubei province as reference value

4 討 論

鄂東南5 種林分類型森林土壤重金屬含量及其分布特征結果表明：6 種重金屬在大部分種類林分土壤中的平均含量低于湖北省土壤背景值和全國背景值，Cd 和Co 污染面積較大，污染程度較重。Co 在森林土壤中的變異系數(shù)較小，說明該重金屬主要來自土壤母質(zhì)[21]；Zn、Cu、Ni、Pb 和Cd 的平均含量雖然與兩種背景值相當，但變異系數(shù)較大，部分采樣點土壤重金屬含量明顯高于其背景值，說明部分采樣區(qū)森林土壤受到了一定程度的重金屬污染。不同林分類型森林土壤的重金屬平均含量存在較大的差異，楠木林和檫木林土壤重金屬含量總體較高，這可能與兩種林分所處的地理位置、周邊環(huán)境污染、海拔[22]以及植被對重金屬的富集能力[23]不同有關。對不同林分類型對重金屬吸收、遷移機理的研究，本文尚未涉及，有待進一步的研究。

潛在生態(tài)風險評價結果表明，無論是以湖北土壤背景值為參考值，還是以全國土壤背景值為標準值，5 種森林土壤的潛在生態(tài)風險指數(shù)均未超過150，為輕微危害程度；Zn、Cu、Ni、Pb 和Co潛在生態(tài)風險系數(shù)均未超過40，存在輕微的生態(tài)風險；Zn 的潛在生態(tài)風險系數(shù)最小，均在1 以下，Cd 的潛在生態(tài)風險系數(shù)最大，部分森林土壤超過40，存在中等生態(tài)風險。Cd 潛在生態(tài)風險達到了中等危害程度，可能的原因是Cd 的毒性系數(shù)較大，使Cd 的潛在生態(tài)風險系數(shù)計算結果偏大。

土壤中重金屬的來源主要有兩種：自然來源和人為來源。自然來源主要來自巖石圈內(nèi)地球化學過程對成土母質(zhì)的影響、大氣重金屬塵降和自然土質(zhì)污染[24]，人為來源主要指人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。本研究區(qū)地處崇陽縣西北部，靠近縣西北礦產(chǎn)開采區(qū)。部分采樣點重金屬含量較高的原因可能是開采區(qū)內(nèi)數(shù)十家中小礦山和化工廠排放含大量重金屬的廢氣，經(jīng)大氣自然遷移和沉降作用進入土壤并累積，這可能是楠木林土壤重金屬含量總體高于苦櫧林土壤的原因之一?？傮w來看，由于重金屬總量較少或由于森林植被的凈化作用，5 種森林土壤重金屬污染呈輕微危害程度。

5 結 論

1）鄂東南5 種林分類型土壤中以Zn 的含量最高，Ni 其次，Cd 的含量最低，重金屬含量的具體排序為：Zn ＞Ni ＞Pb ＞Cu ＞Co ＞Cd。其中，Zn、Cu、Cd、Ni 和Pb 在森林土壤中的含量變化較大，差異明顯，變異系數(shù)在51.11%～119.50%之間變動，Co 在森林土壤中的變幅較小，分布較為均勻?？傮w來說，楠木林土壤中的Zn、Cu、Cd、Ni 平均含量最高，其次是檫木林、苦櫧林土壤，Zn、Cu 在楓香林中的平均含量最低，但Pb 的含量最高，Cd、Pb、Co 在馬褂木林土壤中的平均含量最低。

2）與湖北土壤背景值、全國土壤背景值對比結果表明：Zn、Ni、Pb、Cu、Co 和Cd 在5 種森林土壤中的均有不同程度的超標，大部分的重金屬在相應的背景值以下，少數(shù)樣地重金屬含量嚴重超過其背景值。Zn、Cd 在檫木林土壤中的超標倍數(shù)最大，Cu、Ni、Pb 和Co 在楠木林土壤中的超標倍數(shù)最大；檫木林和楠木林土壤重金屬超標個數(shù)較多，污染較重，其次為楓香林、馬褂木林土壤，苦櫧林土壤重金屬超標個數(shù)最少，污染最輕；超標樣點以Cd 元素超標最多，污染范圍最廣。

3）森林土壤重金屬間、重金屬與pH 值、有機質(zhì)(OM)間存在不同的相關性?？鄼搅滞寥乐械腃u-Pb，楓香林土壤中的Zn-Cu、Cu-Cd、Cd-Pb，馬褂木林土壤中的Pb - Zn、Pb-Cu，檫木林土壤中的Cu-Zn，楠木林土壤中的Zn-Cd、Ni-Cu 表現(xiàn)出顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)相關性，表明上述重金屬元素之間存在一定的同源性，其他重金屬間的相關性不是很明顯，來源可能不同。重金屬與有機質(zhì)(OM)都表現(xiàn)出一定程度的正相關，pH 值與重金屬之間的相關性不明顯。

4）以湖北土壤背景值和全國土壤背景值為標準值的重金屬潛在生態(tài)風險評價結果表明，5 種森林土壤的潛在生態(tài)風險指數(shù)均在150 以下，為輕微危害程度，具體排序為：楠木林＞檫木林＞楓香林＞馬褂木林＞苦櫧林；Cd 的潛在生態(tài)風險系數(shù)最大，且明顯高于其他5 種元素，生態(tài)危害較大，Cu、Ni、Pb 和Co 的潛在生態(tài)風險系數(shù)差異不明顯，Zn 的最小，生態(tài)危害輕微。