九宮山自然保護(hù)區(qū)土壤重金屬含量及其分布特征研究*

湯 民，范 軍，譚輝麗，楊春燕，夏 盈，周 云，陳銳凱，郝漢舟

(湖北科技學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

土壤是自然環(huán)境的重要組成部分，是與人類關(guān)系極為密切的環(huán)境介質(zhì)，也是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源。由于工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，人口數(shù)量的急劇增加，城市化進(jìn)程的不斷加快，大量的重金屬通過各種途徑進(jìn)入土壤，使得土壤環(huán)境的安全問題日益嚴(yán)峻[1]。土壤一旦遭受到重金屬污染就很難恢復(fù)，重金屬可以通過食物鏈進(jìn)入人體、威脅人類健康，同時(shí)會(huì)影響植物生長(zhǎng)和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全[2-3]。

九宮山屬于森林和野生生物類型自然保護(hù)區(qū)，境內(nèi)野生動(dòng)植物資源豐富，堪稱珍稀瀕危動(dòng)植物的“天然博物館”。2007年獲批國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，是長(zhǎng)江流域保存較好的動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)[4]。九宮山自然保護(hù)區(qū)風(fēng)景秀麗、景觀多樣、交通便利，吸引了眾多外地游客前來觀光旅游，同時(shí)，旅游活動(dòng)也會(huì)對(duì)保護(hù)區(qū)的植被、土壤、水體、野生生物和自然遺跡產(chǎn)生一定的影響。本研究依據(jù)土壤類型選擇典型樣地取樣，分析了土壤重金屬的含量和分布特征，對(duì)促進(jìn)保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 保護(hù)區(qū)自然概況

九宮山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(29°19′～29°26′ N，114°27′～114°43′ E)位于湖北省咸寧市通山縣境內(nèi)，屬幕阜山脈的一部分，總面積31125 hm2。九宮山最高峰老鴉尖1656.7 m，最低海拔117 m，海拔1000 m以上的山峰達(dá)10多座。成土母質(zhì)主要是花崗巖和花崗巖麻巖。土壤類型在垂直方向上的分布有明顯的規(guī)律：400 m以下為紅壤，400～800 m為山地黃紅壤，800～1400 m為山地黃棕壤，1400 m以上為山地矮灌草甸土。九宮山位于我國(guó)中亞熱帶向北亞熱帶的過渡地區(qū)，氣候冬冷夏涼，晝夜溫差大，晴雨多變，霧多濕重，日照充足。一年中最低氣溫在1月，極低溫可達(dá)-15.3 ℃，最高氣溫月在7月，極高溫一般低于37.5 ℃。九宮山多降雨，且多暴雨，年平均降水量1800 mm以上；相對(duì)濕度為80%～90%，年蒸發(fā)量1255 mm，無霜期248 d[5-6]。

1.2 土壤樣品的采集與分析

2017年7月，利用GPS定位儀記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度及航跡，綜合考察九宮山自然保護(hù)區(qū)的地形、地貌、氣候、土壤、植被等條件后，根據(jù)土壤類型選擇典型的具有代表性的樣點(diǎn)，按土壤自然發(fā)生層次分層取樣。采樣過程中，去除與金屬器皿接觸的土壤。土樣取回后均勻攤放在塑料布上，去除礫石、植物殘?bào)w等雜物，自然風(fēng)干1周，壓碎、研磨、過60目篩，混勻后保存于清潔的磨口玻璃瓶中[7]。

土壤重金屬含量測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[8]，其中Pb、Cd、Cr用王水-高氯酸消解，1∶1 HCl溶解，原子吸收分光光度法測(cè)定；As用KI、SnCl2還原，二乙基二硫代氨基甲酸銀比色法測(cè)定；Hg用HNO3、H2SO4和KMnO4消解，冷原子吸收光譜法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中5種重金屬的含量

從表1可知，九宮山自然保護(hù)區(qū)土壤中5種重金屬平均含量的大小順序?yàn)椋篊r>Pb>As>Hg>Cd，其中Cr的含量最高(86.24 mg/kg)，Cd的含量最低(0.03 mg/kg)。Cd的變異系數(shù)最大(56.67%)，這與其自身理化性質(zhì)、在基巖和風(fēng)化殼中的分布特征及植物的吸收積累有關(guān)[9]。

表1 九宮山自然保護(hù)區(qū)土壤重金屬含量

與國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10](GB15618-1995)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Cd≤0.20 mg/kg、Hg≤0.15 mg/kg、As≤15 mg/kg、Pb≤35 mg/kg、Cr≤90 mg/kg)相比較，5種重金屬的平均含量均低于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，處于自然背景含量水平。保護(hù)區(qū)土壤中Cr含量范圍為75.94～95.1 mg/kg，在山地矮灌草甸土中Cr含量高于其他土類，這可能與成土條件、生物富集作用、土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。山地矮灌草甸土植被覆蓋率高，水土流失輕，屬侵蝕不顯露地帶，生物富集作用較強(qiáng)；山地矮灌草甸土的有機(jī)質(zhì)含量比其他土類高，對(duì)Cr有一定的吸附固定作用[11-12]?？偟膩碚f，保護(hù)區(qū)的土壤重金屬含量處于自然背景水平。

2.2 土壤重金屬的分布

2.2.1 不同類型土壤中重金屬的分布

由表2可知，隨著土壤類型的變化和海拔的升高，Pb和Cr含量增加。Cr含量的最大值出現(xiàn)在山地矮灌草甸土中，為94.52 mg/kg，Pb含量在各類型土壤中的波動(dòng)范圍相對(duì)較小，為19.55～20.89 mg/kg，在紅壤中的含量最低。山地矮灌草甸土地處相對(duì)寒冷的高山區(qū)，化學(xué)淋溶作用弱，元素遷移相對(duì)較少，故Pb和Cr含量較高。

表2 不同類型土壤中重金屬含量

同時(shí)，隨著海拔的升高和土壤類型的變化，Cd和Hg含量呈下降趨勢(shì)，Cd隨土壤類型的變化波動(dòng)幅度較大，其中在山地黃紅壤中呈現(xiàn)一定的富集現(xiàn)象；在紅壤和山地黃紅壤中Hg含量較高，在此區(qū)域內(nèi)車流量要大于其它區(qū)域，車輛量的增加會(huì)使得通過灰塵、尾氣排放到空氣中的Hg增多，Hg可以通過大氣重力沉降、湍流擴(kuò)散等干濕沉降過程進(jìn)入到土壤中，從而使得該海拔段土壤Hg含量相對(duì)較高[13]；As在各類型土壤中含量差異不大，分布較均勻。

2.2.2 重金屬在土壤剖面中的分布

重金屬元素在土壤剖面中的分布類型一般有均勻分布型、表層富集型、某一層位富集型、底層富集型和不規(guī)則分布型[9,14]。在紅壤剖面中(圖1)，Cd、Pb和Cr的分布屬于表層富集型，由表層至深層含量減少。紅壤處于低山段，途經(jīng)車輛排放的尾氣及各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的灰塵可能會(huì)造成表層土壤Cd和Pb含量增加[15-16]；Hg和As含量隨土層深度的增加變化不顯著，各土層的含量比較均一。

圖1 紅壤中重金屬的含量

在山地黃紅壤剖面中(圖2)，Cd、Pb和Cr的分布屬于底層富集型，以Cr分布最為明顯，自表層向下逐漸增加；Hg和As的縱向分布變化不大，屬于均勻分布型。

圖2 山地黃紅壤中重金屬的含量

從圖3可看出，在山地黃棕壤中，Pb和Cr的分布規(guī)律相同，為底層富集型；Hg和As含量則表現(xiàn)為自表層到深層逐漸下降的趨勢(shì)；Cd在剖面表層富集現(xiàn)象明顯。

圖3 山地黃棕壤中重金屬的含量

在山地矮灌草甸土剖面中(圖4)，隨著土層深度的增加，Pb和Cr的含量逐漸增大，且在底層富集；其它重金屬含量變化不大，縱向分布較均勻，其中As在20～40 cm處有富集現(xiàn)象。

圖4 山地矮灌草甸土中重金屬的含量

總的來說，不同類型土壤剖面中重金屬的分布規(guī)律不同。在紅壤剖面中重金屬分布主要表現(xiàn)為表層富集和淋溶，山地黃紅壤和山地黃棕壤剖面底層重金屬呈較明顯的富集現(xiàn)象，而山地矮灌草甸土剖面中重金屬分布較均勻。形成上述現(xiàn)象的原因可能是紅壤位于低山區(qū)地段，人類活動(dòng)較頻繁，其表層土壤重金屬富集現(xiàn)象與人類活動(dòng)干擾有關(guān)；此外，該區(qū)域高溫高濕，這樣的氣候環(huán)境條件加速了礦物和巖石的風(fēng)化作用和鹽基離子強(qiáng)烈的淋溶作用。山地黃紅壤和山地黃棕壤所處地段的植被覆蓋率高，對(duì)重金屬截留作用與吸附作用較強(qiáng)；該地段溫度適宜，重金屬的活性增強(qiáng)，加之降水量較大，淋溶作用增強(qiáng)，進(jìn)而致使重金屬在剖面底層富集。山地矮灌草甸土海拔在1400 m以上，雖降水量大，但終年溫度偏低，重金屬活性弱，因而重金屬分布較均勻。

3 結(jié) 論

(1)九宮山自然保護(hù)區(qū)土壤重金屬含量處于自然背景水平；5種重金屬含量大小順序?yàn)椋篊r>Pb>As>Hg>Cd。

(2)隨著海拔的升高和土壤類型的變化，Cd和Hg含量呈下降趨勢(shì)，Pb和Cr含量呈升高趨勢(shì)，As在各類型土壤中分布較均勻。

(3)重金屬在紅壤剖面中主要表現(xiàn)為表層富集和淋溶，在山地黃紅壤和山地黃棕壤中，重金屬在剖面底層富集現(xiàn)象明顯，山地矮灌草甸土中重金屬的垂直分布不明顯，分布較均勻。