新疆天山中部森林土壤重金屬含量及其與土壤理化性質(zhì)的相關性

王文棟，任振武，張紅英，張曉琴，白志強

(1 新疆林業(yè)科學院 森林生態(tài)研究所，新疆 烏魯木齊830063;2新疆維吾爾自治區(qū)天山東部國有林管理局烏魯木齊南山分局，新疆 烏魯木齊 830011)

森林是喬木、灌木、草本、動物與環(huán)境的綜合體，具有固碳釋氧、保持水土、調(diào)節(jié)氣候以及保護生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等功能[1]。城市化的快速發(fā)展，人類活動對森林干擾劇烈，且釋放大量重金屬元素于森林土壤中。重金屬元素在土壤中具有性質(zhì)穩(wěn)定、不易降解的特征[2-3]，其不僅影響土壤環(huán)境質(zhì)量，且通過食物鏈影響人類健康[3]。森林土壤的淋溶作用和地表徑流，可凈化和緩沖森林土壤中富集的重金屬污染物[1,4]，但伴隨著工業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展，森林生態(tài)環(huán)境破壞日趨嚴重，加劇了土壤的重金屬污染[5]。在人類活動及各理化因素的交互作用下，重金屬形態(tài)會發(fā)生變化，進而影響森林土壤重金屬遷移與轉化[4]。因此，研究土壤重金屬含量特征及其在理化因素的影響下呈現(xiàn)何種分異規(guī)律具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者對土壤重金屬含量進行了大量研究，但這些研究主要集中于農(nóng)田、城市、濕地、荒漠、部分濕潤及半濕潤地區(qū)森林等生態(tài)系統(tǒng)，而對干旱、半干旱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤重金屬污染的研究較少[6-11]。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田、城市、濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤重金屬污染多受人為活動的影響，但森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤重金屬污染則多是由大氣沉降使土壤重金屬元素大量積累所致。目前關于人類活動對森林土壤重金屬污染影響的研究較為匱乏[6-11],而且現(xiàn)有研究大多從不同污染評價方式、時空分布特征、植物富集等角度進行森林土壤重金屬污染評價和來源解析[12-14]，較少涉及重金屬含量與土壤體積質(zhì)量、含水量和有機碳含量等理化指標的關系。

天山是新疆最大的山地森林分布區(qū)，屬中國西部干旱區(qū)山地-綠洲-盆地系統(tǒng)的重要組成部分[15]。天山中部天然氣、煤、有色金屬等礦產(chǎn)資源十分豐富，大規(guī)模礦產(chǎn)資源開采和運輸過程極易引起林區(qū)土壤重金屬污染，加速森林土壤重金屬遷移，直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，危害生物的生存與健康[16-17]。因此，進行小尺度天山森林土壤重金屬污染評價并探究其含量與土壤理化性質(zhì)的關系，對干旱區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本試驗以天山中部森林為研究區(qū)域，對森林土壤重金屬含量特征進行分析評價，并進一步探究重金屬含量與土壤理化性質(zhì)的相關性，旨在系統(tǒng)揭示重金屬的生物毒性及其在環(huán)境中的遷移特性，全面了解天山中部森林土壤的健康狀況，為地區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆天山東部國有林管理局烏魯木齊南山分局(86°30′-87°15′E、43°14′-43°43′N)位于天山北麓中部，東西長約63 km，南北寬約66 km。烏魯木齊南山分局主要包含小渠子、樺樹溝、菊花臺、甘溝等多個旅游景點，以及和諧礦業(yè)和4號礦業(yè)兩座采礦場。分局所轄范圍整體地勢南高北低，海拔2 700～1 600 m，地形起伏較大，坡度較陡，侵蝕地形發(fā)育，以河谷侵蝕為主，多呈“U”形谷地。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫2 ℃，氣溫日變化較大，極端最低氣溫-30.2 ℃，極端最高氣溫30.5 ℃，≥10 ℃的年積溫1 170 ℃；無霜期120～130 d，年降水量500 mm以上，植被生長期內(nèi)降水量約占總降水量70%。林區(qū)內(nèi)土壤以灰褐土為主，腐殖質(zhì)層較厚，養(yǎng)分含量高，適宜天山雪嶺云杉的生長發(fā)育，林下灌木主要有忍冬、薔薇、小蘗等，草本主要有早熟禾、莎草、苔草等。

1.2 樣品采集

在實地調(diào)查的基礎上，于2018年8月選擇樺樹溝、小渠子和甘溝作為采樣區(qū)域，其中樺樹溝為采礦活動頻繁區(qū)域，小渠子和甘溝是旅游聚集區(qū)域。選擇無人為干擾(幾乎無采礦活動和旅游活動影響)的區(qū)域作為背景區(qū)。在樺樹溝、小渠子和甘溝的上游、中游和下游的3個位置，于距離水源地3 m內(nèi)隨機選取5個典型樣方，同時在背景區(qū)隨機選取5個典型樣方，均分別按S型布設5個樣點，清除土壤表面的腐殖質(zhì)后，采集表層(0～10 cm)土壤樣本，去除石塊及植物根系，充分混勻后按四分法取2 kg土樣入袋，共采集50袋土壤樣品(含背景區(qū)土壤樣品)，封裝好后帶回實驗室，自然風干后研磨過孔徑0.149 mm的土壤篩，備用。

1.3 測定項目及方法

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 166-2004)對研究區(qū)土壤樣品的總砷(As)、總汞(Hg)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鋁(Al)含量進行檢測。Pb、Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T 17141-1997)[18]測定；Zn和Cu采用火焰原子吸收光度法(GB/T 17138-1997)[18]測定；As含量采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法(GB/T 17134-1997)[18]測定；Hg含量采用冷原子吸收分光光度法(GB/T 17136-1997)[18]測定；Cr含量采用火焰原子分光光度法(GB/T 17138-1997)[18]測定；Al含量采用高效液相色譜法測定。每個土樣重復測3次，取平均值作為樣品的最終金屬含量。在土壤重金屬含量測定過程中，加入GSS-12(國家標準土壤參比物質(zhì))進行質(zhì)量控制，8種土壤重金屬回收率均未超出國家標準參比物質(zhì)的允許范圍、研究區(qū)背景值(實驗測得)以及土壤重金屬評價標準(表1)。參考文獻[19]，測定土壤的理化性質(zhì)，測定指標包括土壤有機碳(SOC)含量、電導率(TDS)、體積質(zhì)量(SBD)、含水量(SWC)和pH，其中SOC含量采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定，TDS采用電導法測定，SBD采用環(huán)刀法測定，SWC采用烘干法測定，pH值采用電位法測定。

表1 土壤重金屬含量污染評價標準[20]及研究區(qū)背景值

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法(HJ/T 166-2004)計算單項污染指數(shù)(Pi)和綜合污染指數(shù)(PN)，進行土壤環(huán)境污染況評價。Pi和PN的計算公式如下：

Pi=Ci/Si,

(1)

(2)

當Pi<1時表示清潔，1.0≤Pi<2.0表示輕度污染，2.0≤Pi<3.0表示中度污染，Pi≥3.0表示重度污染。當PN≤0.7時表示安全，0.73.0表示重度污染。

運用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對天山森林土壤重金屬進行單因素方差分析(one-way ANOVA)。運用方差同質(zhì)性(homogeneity of variance)檢驗方法檢驗方差是否齊性，當方差齊性時，多重比較使用LSD法,反之使用T2 Tamhane’s test。運用主成分分析進行土壤重金屬污染來源分析，并運用canoco 4.5進行冗余分析(RDA)，探究土壤重金屬與土壤理化性質(zhì)的相關性。

2 結果與分析

2.1 天山中部森林土壤理化性質(zhì)分析

表2為天山中部森林不同區(qū)域土壤理化性質(zhì)的分布特征。表2表明，除電導率在背景區(qū)與3個試驗區(qū)域間存在顯著差異外(P<0.05)，其他土壤理化性質(zhì)在各區(qū)域均無顯著差異(P>0.05)。研究區(qū)土壤pH值為6.16～7.14，平均值為6.86，呈弱酸性。土壤有機碳含量由高到低的順序為甘溝>樺樹溝>小渠子。土壤含水量在不同區(qū)域間為28.88%～33.12%。土壤體積質(zhì)量在不同區(qū)域由高到低的順序為甘溝(0.98 g/cm3)>小渠子(0.90 g/cm3)>樺樹溝(0.87 g/cm3)。

表2 新疆天山中部森林不同區(qū)域的土壤理化性質(zhì)

2.2 天山中部森林土壤重金屬污染特征分析

本試驗結果表明，研究區(qū)土壤As、Hg、Cd、Al、Pb、Cu、Cr、Zn的平均含量分別為1.23，0.07，0.43，32.32，29.17，29.48，84.73和118.16 mg/kg(圖1)，與背景區(qū)(表1)相比，除Hg、Zn含量幾乎未超標外，其余6種種重金屬含量均有不同程度的超標，As、Cd、Al、Pb、Cu、Cr含量分別是背景值的1.37，1.11，1.21，1.27，1.13和1.30倍，超標較為嚴重的有As、Cr、Pb和Al，較輕的有Cd和Cu。與國家土壤質(zhì)量標準(表1)相比，As、Hg、Pb、Cu含量均未超過Ⅰ級標準，平均含量分別為標準值的8%，43%，83%和84%，Al、Cr的平均含量接近Ⅰ級標準值，Zn含量是Ⅰ級標準值的1.18倍，而Cd含量是Ⅱ級標準值的1.44倍，說明研究區(qū)土壤受Zn和Cd的污染較嚴重。

由圖1可以看出，除As含量在不同區(qū)域間存在顯著差異外(P<0.05)，其他重金屬含量均無顯著差異(P>0.05)。天山森林不同區(qū)域土壤的As、Hg、Cr和Zn含量分別為0.96～1.43，0.05～0.07，78.60～94.33和108.14～138.00 mg/kg，As、Cr和Zn含量在不同區(qū)域由高到低的順序均為甘溝>小渠子>樺樹溝；而Cu 含量在甘溝和小渠子均為29.00 mg/kg，樺樹溝略高，為30.43 mg/kg；不同區(qū)域土壤Cd含量為0.36～0.49 mg/kg；天山森林不同區(qū)域土壤Al含量以樺樹溝最大(37.09 mg/kg)，是國家一級標準值的1.06倍，小渠子最小(27.17 mg/kg)，說明樺樹溝土壤存在Al污染；不同區(qū)域土壤Pb含量由高到低的順序為樺樹溝(30.86 mg/kg)>小渠子(28.67 mg/kg)>甘溝(28.00 mg/kg)。

圖柱上標不同小寫字母表示土壤重金屬含量在不同區(qū)域間差異顯著(P<0.05)

2.3 天山中部森林土壤重金屬污染評價

對研究區(qū)土壤重金屬污染進行評價,結果見表3。由表3可知，樺樹溝Hg和Zn的單項污染指數(shù)均小于1;其他重金屬的單項污染指數(shù)為1.06～1.38，其中Al、Pb的單項污染指數(shù)均較大，分別為1.38和1.34。樺樹溝土壤重金屬綜合污染指數(shù)由大到小的順序為上游(1.43)>中游(1.37)>下游(1.03)，樺樹溝全流域為1.26，達到輕度污染，主要是受Al和Pb的污染。小渠子土壤Hg、Cd和Zn的單項污染指數(shù)均小于1；其他重金屬單項污染指數(shù)為1.01～1.47，其中As、Cr、Pb的單項污染指數(shù)均較大，分別為1.47，1.26和1.25。小渠子的土壤重金屬綜合污染指數(shù)大小順序為上游(1.47)>中游(1.23)>下游(1.14)，小渠子全流域為1.28，屬于輕度污染，主要受As、Cr、Pb的污染。甘溝僅有Hg的單項污染指數(shù)小于1；其他各重金屬的單項污染指數(shù)均大于1，但小于2，其中As、Cr單項污染指數(shù)均較大，分別為1.59和1.45。甘溝的土壤重金屬綜合污染指數(shù)為1.41，屬于輕度污染，主要受As和Cr污染。研究區(qū)整體土壤重金屬綜合污染指數(shù)為1.38，為輕度污染，主要受As和Cr的污染。

表3 新疆天山中部森林不同區(qū)域土壤重金屬含量的污染評價結果

2.4 天山中部森林土壤重金屬污染來源分析

相關性分析和主成分分析可用以判斷土壤中重金屬的來源。研究區(qū)土壤重金屬的相關關系如表4所示。由表4可知，Zn與Cr、Cd、Hg的相關系數(shù)較大，分別為0.83，0.82和0.77，且呈極顯著正相關關系(P<0.01)；Cd與Hg、Cr之間的相關系數(shù)分別為0.82和0.77，也呈極顯著正相關關系(P<0.01)；As與Cr、Zn及Cu與Cr、Cd、Zn之間也呈正相關關系，且達到顯著水平(P<0.05)，說明As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn 6種重金屬間相關性較高，其來源相同。Pb和Al與其他重金屬間的相關關系均較低，說明Pb和Al與其他重金屬之間來源不同[8]。

表4 新疆天山中部森林土壤重金屬含量之間的相關性

除重金屬元素Pb和Al之外，其他重金屬元素間相關性均達顯著或極顯著水平，需進行主成分分析，進一步確定重金屬來源。主成分分析結果(表5)顯示，獲得了PC1、PC2、PC3 3個主成分因子，三者的方差累計貢獻率達87.74%。PC1的方差貢獻率為53.52%，其中Hg、Cd和Zn的載荷較大，分別為0.96，0.92和0.79，說明Hg、Cd和Zn的來源可能一致；PC2的方差貢獻率是21.07%，其中Pb和Al的載荷較大，分別為0.90和0.85；PC3的方差貢獻率為13.15%，其中As的載荷數(shù)較大，為0.98。

表5 新疆天山中部森林土壤重金屬之間的主成分因子分析

2.5 天山中部森林土壤重金屬含量及其與理化性質(zhì)的相關性

對5種土壤理化性質(zhì)進行RDA后，可得出其對天山森林土壤重金屬含量特征的解釋量。計算可知，土壤重金屬含量特征在第Ⅰ軸、第Ⅱ軸的解釋量分別84.9%和85.9%，累計解釋土壤重金屬含量特征信息量為86.4%，對森林土壤重金屬與理化性質(zhì)關系的累計解釋量已高達 100%。由此可知，前兩軸能夠很好地反映森林土壤重金屬與理化性質(zhì)的關系，且主要是由第Ⅱ軸決定。

圖2為新疆天山中部森林土壤重金屬與理化性質(zhì)冗余分析的二維排序圖。

SOC.有機碳；TDS.電導率；SBD.土壤體積質(zhì)量；SWC.土壤含水量。土壤重金屬含量用實線箭頭表示，土壤理化因子用虛線箭頭表示，箭頭越長解釋量越大。土壤重金屬含量與理化因子箭頭夾角(A)在0°～90°時,兩個變量之間呈正相關;A=90°時,表示二者無相關關系；90°

從圖2可以看出，在所有的影響因子中，土壤pH值和電導率(TDS)箭頭最長，可知其對森林土壤重金屬特征變異起到很好的解釋作用。Hg與土壤TDS、SBD和SOC呈正相關關系，與SWC、pH呈負相關關系；Cd與土壤SBD和TDS呈正相關關系，與土壤pH無相關性，與土壤SWC和SOC呈負相關關系；Zn與土壤SBD、TDS和pH呈正相關關系，與土壤SWC和SOC呈負相關關系；AS與土壤SBD和pH呈正相關關系，與土壤SWC和TDS無相關性，與土壤SOC呈負相關關系；Cr與土壤SBD、pH和SWC呈正相關關系，與土壤TDS和SOC呈負相關關系；Cu與土壤pH、SWC和SBD呈正相關關系，與土壤TDS和SOC呈負相關關系；Pb和Al與SWC和pH呈正相關關系，與SOC、TDS和SBD呈負相關關系。

經(jīng)冗余分析得出，土壤理化性質(zhì)對土壤重金屬含量影響的重要性排序如表6所示。由表6可知，土壤理化性質(zhì)的重要性排序為：pH值>土壤電導率>土壤體積質(zhì)量>土壤含水量>土壤有機碳。土壤理化性質(zhì)pH、TDS、SBD、SWC和SOC對森林土壤重金屬含量的影響均達極顯著水平(P<0.01)，解釋量分別為的0.663，0.657，0.622，0.511和0.468，說明其均為森林土壤重金屬含量的主要影響因子，其中以pH值的影響最大。

表6 新疆天山中部森林土壤理化性質(zhì)重要性排序及顯著性檢驗結果

3 討 論

3.1 天山中部森林土壤生態(tài)環(huán)境污染因素分析

采礦和旅游活動是造成土壤重金屬污染的主要原因[21-22]。在本研究中，樺樹溝上游區(qū)域分布有兩座采礦場，屬間接性采礦，礦石常年露天堆積，易風化破碎，從而產(chǎn)生大量重金屬。研究發(fā)現(xiàn)，部分重金屬易富集于植被葉片，影響植物的光合作用[23-24]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，重金屬滲入到深層土壤或隨雨水匯入河流[25]，造成土壤和地表水污染。從上游到下游，樺樹溝PN值雖有所減小，但污染程度并未減輕，可知采礦造成的重金屬污染范圍較廣。在本研究中，小渠子和甘溝區(qū)域也監(jiān)測到不符合國家標準的重金屬指標，可知長期的旅游活動可能是造成研究區(qū)土壤重金屬污染的原因之一[22]。表層土壤中重金屬的污染主要來自于人為因素，包括廢物燃燒、農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的使用、汽車尾氣的排放及生活廢棄物等，產(chǎn)生的Cr、Zn和Cd易在土壤和植被中富集，通過食物鏈對生物造成危害[26-27]。作為旅游集中區(qū)域，小渠子和甘溝內(nèi)設施不完善，景區(qū)內(nèi)無固定停車場，造成車輛隨意放置，汽車尾氣中含有大量的重金屬元素從而對當?shù)丨h(huán)境造成污染[28]；此外，景區(qū)內(nèi)垃圾處理設施滯后，未進行垃圾分類，對垃圾的處理采用就地焚燒的方式，垃圾堆積形成的廢水及不充分焚燒也嚴重污染了土壤環(huán)境[29-30]。

3.2 天山中部森林土壤理化性質(zhì)對重金屬含量的影響

土壤理化性質(zhì)在局部范圍內(nèi)會影響重金屬的含量。土壤理化因子通過影響土壤結構和植被而間接影響重金屬的形態(tài)特征，而重金屬富集能夠直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結構功能[31]。由于自然因子(如成土母質(zhì))和人為因素(如采礦、旅游)的影響，土壤重金屬含量與理化因子間相互作用、相互影響[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆天山中部森林土壤重金含量有不同程度的超標，pH值、電導率、土壤體積質(zhì)量、土壤含水量和土壤有機碳含量是天山森林土壤重金屬富集的重要影響因子。天山森林土壤的pH值通過影響土壤黏土礦物及土壤表面電荷而間接影響土壤中的重金屬含量[34]。樣區(qū)土壤pH值在6.3～7.4，土壤整體偏弱酸性，對重金屬含量的富集有一定的抑制作用，但由于近年來采礦活動和旅游活動的大量增加，超出土壤負荷，致使樣地內(nèi)土壤出現(xiàn)不同程度的重金屬污染。土壤電導率反映了土壤中溶質(zhì)的濃度，可影響重金屬元素在土壤中的遷移[35]。土壤含水量和土壤體積質(zhì)量與土壤質(zhì)地緊密相關，土壤質(zhì)地是土壤重金屬富集的重要影響因素之一，故土壤含水量和土壤體積質(zhì)量間接地影響土壤中的重金屬含量[33]。土壤有機碳對重金屬具有一定的絡合作用，土壤中重金屬含量隨有機碳含量的增加而增加[36]，這一方面是由于有機碳具有大量的官能團，可吸附土壤中的重金屬離子；另一方面是土壤有機碳可分解形成腐殖酸，腐殖酸與土壤中的重金屬元素形成絡合物，從而使有機結合態(tài)重金屬含量增加[37-38]。

4 結 論

1)新疆天山中部森林土壤主要受總砷(As)和鉻(Cr)的綜合污染，土壤重金屬綜合污染指數(shù)為1.38，為輕度污染。

2)As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn等6種重金屬之間的相關性較高，Pb和Al與這6種重金屬之間的相關性均較低，可知Pb和Al與其他重金屬來源不同。

3)冗余分析結果表明，土壤pH值、電導率、體積質(zhì)量、含水量、有機碳含量對重金屬含量有極顯著影響，其對重金屬含量的解釋量分別為0.663，0.657，0.622，0.511和0.468。