廣寧紅花油茶林土壤及植物中微量元素、重金屬 調(diào)查分析*

柳 軍 楊紹偉 榮道軍 郭業(yè)先梁金喜 蔡鳳玲 張應(yīng)中 王明懷

（1.廣東省樟木頭林場(chǎng)，廣東 東莞 523616；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州510520）

廣寧紅山茶Camellia semiserrata屬山茶科山茶屬常綠喬木，又名廣寧紅花油茶、南山茶。廣寧紅山茶在我國(guó)長(zhǎng)江以南各省(自治區(qū))均有栽培，集中分布在華南丘陵區(qū)中部，以廣東省廣寧縣種植面積最大。該樹樹體高大，樹形、花、果美觀，為我國(guó)華南區(qū)域優(yōu)良的木本食用油料和園林綠化樹種[1]。

高等植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素有大量元素：碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、鉀（K），中量元素鈣（Ca）、鎂（Mg）、硫（S），微量元素鐵（Fe）、錳（Mn）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉬（Mo）、硼（B）、氯（Cl）共16 種[2]。中 微量元素作為植物健康生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的必需營(yíng)養(yǎng)元素，參與重要的生理生化反應(yīng)，促進(jìn)N、P、K 的吸收，在作物的不同生育期發(fā)揮著不同的作用，對(duì)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的形成都起到十分重要的作用[3]。中微量元素在植物體內(nèi)雖然含量低，但是植物體內(nèi)酶類、維生素和生長(zhǎng)激素等的重要組成成分，直接參與有機(jī)體的代謝活動(dòng)，對(duì)植物正常生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)揮著不可替代的重要作用[4-5]。當(dāng)作物缺乏某種中微量元素時(shí)，降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，中微量元素過多，則會(huì)造成肥害[6]。

重金屬元素主要是指鎘（Cd）、汞（Hg）、Cu、鉛（Pb）、鉻（Cr）、Zn、鎳（Ni）和類金屬元素砷（As）[7-8]。這些元素雖然都是土壤的構(gòu)成元素(其中Zn 和Cu 還是植物的必需元素[9]) ,在土壤中均有一定的背景值[7-8，11], 但含量過高就會(huì)對(duì)土壤造成污染。重金屬過度積累將使土壤結(jié)構(gòu)和理化性能受到破壞，重金屬元素對(duì)植物危害包括：一是高濃度對(duì)植物的毒害作用；二是影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的正常吸收，一個(gè)最典型的例子就是，當(dāng)土壤中Cu、Ni、Cd 等重金屬元素過量時(shí)，果樹對(duì)必需元素Zn 的吸收就會(huì)受到抑制，甚至導(dǎo)致缺Zn，出現(xiàn)小葉??；三是植物體內(nèi)過量的重金屬元素將破壞某些生理代謝的內(nèi)環(huán)境，引起蛋白質(zhì)變性和酶活性降低甚至完全失活[7，12-13]。

油茶土壤、植株?duì)I養(yǎng)元素中的中微量元素、重金屬有不少研究報(bào)道，南方紅壤區(qū)油茶林土壤有效態(tài)Ca、S、Fe、Mn、Cu、Zn 含量豐富[14]，高偉等[15]采用診斷施肥綜合法(DRIS)對(duì)油茶果實(shí)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期(果實(shí)膨大期和油脂轉(zhuǎn)化期)的葉片進(jìn)行礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素分析，在湖南、廣東云浮、浙江臺(tái)州、海南等地有重金屬在油茶林地及樹體中的富集特性、土壤中變異等相關(guān)研究報(bào)道[16-19]。廣寧紅花油茶中微量元素目前僅見關(guān)于幼林、幼苗施肥、葉片營(yíng)養(yǎng)元素研究報(bào)道[20-21]，對(duì)于廣寧紅花成熟林分土壤養(yǎng)分、重金屬狀況仍未有報(bào)道。廣東省樟木頭林場(chǎng)有一片1956～1958 年種植的面積約533 hm2的廣寧紅花油茶成熟人工林，是已知我國(guó)保存面積最大的一片廣寧紅花油茶人工林，東莞是珠三角、粵港澳大灣區(qū)腹地，是“世界工廠”所在地，本試驗(yàn)對(duì)60 多年生廣寧紅花油茶人工林土壤、植株中微量元素和重金屬元素，以及土壤與植株間關(guān)系進(jìn)行調(diào)查研究，對(duì)了解廣寧紅花油茶中微量養(yǎng)分盈虧、植株養(yǎng)分富集能力，以及在“世界工廠”地區(qū)林地和植物是否受到重金屬污染，都具有重要科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

樟木頭林場(chǎng)位于北緯22°48′～22°58′，22°54’，東經(jīng)113°53′～114°10′，該區(qū)森林植被屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)系南亞熱帶常綠季雨林，典型的南亞熱帶氣候，溫暖多雨，年平均氣溫22.1℃，無霜期341 d，年平均降雨量1 800 mm，4—9 月為雨季。試驗(yàn)地位于樟木頭林場(chǎng)清泉管護(hù)站（東莞大朗鎮(zhèn)）平緩坡地，坡度8～15°，海拔150～220 m，土壤系花崗巖發(fā)育的山地黃壤，肥力中等。

1.2 試驗(yàn)方法

在林分設(shè)置25 m×25 m 樣地4 塊，在每個(gè)樣地內(nèi)上、中、下設(shè)3 個(gè)取樣剖面，每個(gè)土壤剖面深0～80 cm，取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，4 塊樣地共12個(gè)樣。用乙酸銨提取-火焰原子吸收分光光度法測(cè)定交換性Ca、Mg，用DTPA-火焰原子吸收分光光度法測(cè)定有效Cu、Zn、Fe、Mn，用沸水提取-姜黃素比色法測(cè)定有效B，總Pb、Cd、Ni、Cr 用火焰原子吸收分光光度法，總As 用原子熒光分光光度法[22]。

在每個(gè)樣地梅花型選取5 株廣寧紅花油茶植株，每株分4 個(gè)方向在植株中部采取成熟葉片混合取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，4 塊樣地共20 個(gè)樣。用干灰化-鹽酸溶解-火焰原子吸收分光光度法測(cè)定總Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn，用干灰化-鹽酸溶解-姜黃素比色法測(cè)定總B，用硝酸-高氯酸消解-火焰原子吸收分光光度法測(cè)定總Pb、Cd、Ni、Cr，用原子熒光分光光度法測(cè)定總As[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

第二次全國(guó)土壤普查分級(jí)[21]見表1，作物葉片中微量元素豐缺的判斷標(biāo)準(zhǔn)[2]見表2，土壤環(huán)境質(zhì)量—農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018）[23]，見表3。

表1 土壤有效中微量元素肥力等級(jí)[26] mg/kg Table 1 Soil effective medium and trace element fertility grade

依據(jù)藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（WM/T2-2004）[24]，藥用植物原料及制劑的外經(jīng)貿(mào)行業(yè)品質(zhì)檢驗(yàn)重金屬及砷鹽限量,重金屬總量≤20.0 mg/kg，Cu ≤20、Pb ≤5、Cd ≤0.30、As ≤2.0 mg/kg。

數(shù)據(jù)處理用EXCEL2016。參照岳慶玲等[25]方法計(jì)算富集系數(shù)，具體公式如下：

重金屬富集系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/土壤重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中微量元素

廣寧紅花油茶林土壤中微量元素測(cè)定結(jié)果見表4，交換性Ca 和Mg，有效Cu、Zn、Fe、Mn、B平均分別為49.34、8.75、0.24、1.04、17.10、3.51、0.11 mg/kg，其變異系數(shù)除有效Cu 為15.01%較小外，其余為32.11%～40.80%，變異較大。

依第二次全國(guó)土壤普查分級(jí)[26](表1)，交換性Ca 和Mg、有效Fe、Mn、B、Cu、Zn 分別為五級(jí)（很低）、五級(jí)、二級(jí)（高）、四級(jí)（低）、五級(jí)、三級(jí)（中）、二級(jí)。

2.2 植物中微量元素

廣寧紅花油茶葉片Ca、Mg、Fe、Mn、B、Cu、Zn 含量見表5，平均分別為8 518.1、1 063.2、53.76、1 225.3、24.43、4.06、7.02 mg/kg。

表5 廣寧紅花油茶葉片植物中微量營(yíng)養(yǎng)元素 mg/kgTable 5 Medium and trace nutrient elements for leaf of Camellia semiserrata

依據(jù)植物葉片中微量元素豐缺的判斷標(biāo)準(zhǔn)[2]（表2），廣寧紅花油茶植物元素含量Ca 正常，Mg正常，F(xiàn)e 正常，Mn 過量，B 正常，Cu 處于虧缺臨界，Zn 缺乏。

2.3 土壤重金屬

廣寧紅花油茶林土壤重金屬Pb、Cd、Cr、Ni、As 平均含量見表6，其分別為19.35、0.044、55.05、7.61、9.76 mg/kg。依據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量—農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管理控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018）[23]，見表3，這幾種重金屬元素都處于風(fēng)險(xiǎn)篩選值以下，與廣東省土壤重金屬背景值[27]Pb、Cd、Cr、Ni、As 分 別 為36、0.056、50.5、14.4、8.9 mg/kg 相比，Cr、As 略高于背景值，Pb、Cd、Ni 都低于背景值。

表3 土壤pH 值小于等于5.5 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值[23] mg/kgTable 3 The screening value and control value of soil pollution risk of agricultural land that soil pH value is less than or equal to 5.5

表6 廣東紅花油茶土壤重金屬元素 Table 6 Soil heavy metal elements of Camellia semiserrata mg/kg

2.4 植物重金屬

廣 寧 紅 花 油 茶 葉 片Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As 值見表7，分別為4.06、7.02、0.68、0.044、0.39、4.77、0.030 mg/kg，依據(jù)藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（WM/T2-2004）[24]，Cu ≤20、Pb ≤5、Cd ≤0.30、As ≤2.0 mg/kg，這幾種都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

表7 廣東紅花油茶葉片植物重金屬元素Table 7 Plant heavy metal elements for leaf of Camellia semiserrata mg/kg

2.5 廣寧紅花油茶與土壤中微量元素、重金屬關(guān)系

土壤與廣寧紅花油茶葉片間相應(yīng)的中微量元素、重金屬元素相關(guān)關(guān)系結(jié)果分析表明，相關(guān)系數(shù)R值都不高，最高為Cu 的R值為0.390 5，P值為0.209 4，相關(guān)性都不顯著，見表8。土壤交換性Ca 和Mg，有效Fe、Mn、B、Cu、Zn 分別為五級(jí)、五級(jí)、二級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、三級(jí)、二級(jí)，廣寧紅花油葉片元素含量Ca、Mg、Fe、Mn、B、Cu、Zn 分別正常、正常、正常、過量、正常、處于虧缺臨界、缺乏。土壤有效Mn 四級(jí)，而植物葉片過量，土壤Cu 三級(jí)，植物葉片處于虧缺臨界，土壤有效Zn 二級(jí)，植物葉片則缺乏。

表8 土壤與廣寧紅花油茶葉片間相應(yīng)的中微量元素、重金屬元素相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficient of medium and trace nutrient elements and heavy metal elements between soil and C.semiserrata leaves

土壤與植物間重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As 富集系數(shù)分別為0.059、0.148、0.035 1、1、0.007 1、0.626 8、0.003 1，富集能力依次為：Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞As，油茶對(duì)Cd 的富集能力最大，對(duì)As 富集能力最小。

3 結(jié)論與討論

土壤中微量元素是土壤必需元素重要組成部分，必需元素的生理功能包括構(gòu)成植物體內(nèi)有機(jī)結(jié)構(gòu)的組成成分，參與酶促反應(yīng)或能量代謝及生理調(diào)節(jié)，土壤中微量元素含量分布的變化很大，其供給水平受成土母質(zhì)、土壤類型、土壤物化性狀、水分動(dòng)態(tài)等共同影響。本研究土壤中微量元素交換性Ca 和Mg，有效Cu、Zn、Fe、Mn、B 平均分別為49.34、8.75、0.24、1.04、17.10、3.51、0.11 mg/kg，劉潔等[14]調(diào)查湖南、廣西南方紅土平均分別為113.14、33.4、27.04、11.35、1.06、2.33、0.33 mg/kg，與之相比，除Fe、Mn 含量較高外，其余較低。本試驗(yàn)廣寧紅花油茶葉片F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn含量平均分別為53.76、1 225.3、4.06、7.02 mg/kg，高偉[15]報(bào)道油茶果實(shí)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期葉片F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn 的適宜含量分別為195.350±90.536、2 921.400±1 172.529、10.000±3.496、23.3±3.931 mg/kg，可見廣寧紅花油茶葉片F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn含量都很低，林分肥力不足。油茶合理施肥方法是采用有機(jī)肥與無機(jī)肥相結(jié)合、大中微量元素養(yǎng)分相配合的復(fù)合營(yíng)養(yǎng)配方，并根據(jù)油茶生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求規(guī)律分次施用[20]。

廣寧紅花油茶林土壤重金屬Pb、Cd、Cr、Ni、As 平 均 含 量 分 別 為19.35、0.044、55.05、7.61、9.76 mg/kg，廣東云浮油茶適生區(qū)域林地土壤重金屬Pb、Cd、Ni 平均含量分別為17.185、0.022、10.877[16]，與廣東云浮較接近，依據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量—農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管理控標(biāo)準(zhǔn)，這幾種重金屬元素都處于風(fēng)險(xiǎn)篩選值以下，與廣東省土壤重金屬背景值相比，Cr、As 略高于背景值，Pb、Cd、Ni 都低于背景值。廣寧紅花油茶葉片Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As 值平均分別為4.06、7.02、0.68、0.044、0.39、4.77、0.030 mg/kg，這幾種都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值?？梢姳酒瑥V寧紅花油茶林地受重金屬污染不大，表明處于珠三角腹地的東莞地區(qū)林地，受重金屬污染不明顯。

在土壤與植物間重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As 富集能力依次為：Cd＞Ni＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞As，油茶對(duì)Cd 的富集能力最大，對(duì)As 富集能力最小。由于Cd 具有較高的溶解性和較強(qiáng)的生物有效性，因此更易在植物體內(nèi)累積[28]。本研究土壤交換性Ca 和Mg，有效Fe、Mn、B、Cu、Zn 含量，與廣寧紅花油葉片相應(yīng)元素含量間相關(guān)性都不顯著，土壤中相應(yīng)中微量元素含量分別為五級(jí)、五級(jí)、二級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、三級(jí)、二級(jí)，廣寧紅花油葉片相應(yīng)元素含量分別正常、正常、正常、過量、正常、處于虧缺臨界、缺乏。土壤有效Mn四級(jí)，而植物葉片過量，土壤Cu 三級(jí)，植物葉片處于虧缺臨界，土壤有效Zn 二級(jí)，植物葉片則缺乏。這種現(xiàn)象有可能是油茶對(duì)相關(guān)元素需求量大，或者其它元素，包括重金屬元素影響了Cu、Zn 的吸收。土壤中的高B 影響植物對(duì)Zn 的吸收和積累，相互拮抗[29]，土壤中的Cd 影響植物對(duì)Cu 的吸收[30]。因此，平衡施肥才能保證植物對(duì)需要營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用。