不同干扰林地土壤重金属与养分积累的关系

徐晟岚+徐明锋+谢毅文+许晨辉+颜莹

摘要：为掌握广州市东部森林土壤重金属与养分积累的关系，选取不同人为干扰下的森林样地，分析森林表层土壤中铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）6种重金属与土壤养分元素的相关性，探究重金属与有机碳含量的关系。结果表明：人为干扰导致土壤有机质、全氮、速效钠、交换性镁含量下降；重金属与有效铁、锰存在明显交互作用；土壤重金属全量与有机碳相关性不显著，重金属在不同干扰林地与pH相关性差异明显。

关键词：重金属；土壤有机质；土壤有机碳；相关分析

中图分类号：S714 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

重金属是危害森林生态健康的主要污染物之一，不仅影响森林土壤环境质量，而且通过食物链影响人类健康[ ]。森林土壤通过土壤胶体吸附、络合和沉淀作用，以及土壤微粒的交换和机械截留作用，对重金属污染物起到净化和缓冲功能[ ]。土壤有机质对陆地生态系统中重金属的迁移转化起着重要作用[ ]，其中有机碳是大多数化能有机营养微生物的能量来源，有机碳含量提高时酶的活动和微生物生物量相应提高[ ]。高浓度重金属的土壤中微生物更多地利用有机碳作为能量代谢，以CO2的形式释放，进而影响土壤的呼吸作用[ ]。干扰是导致森林生态系统空间异质性的重要因子[ ]，大规模干扰导致土壤碳直接损失并影响有机质周转过程[ ]。目前，重金属有机质结合态与土壤有机质含量相关性结论存在一定争议[ ， ]，有进一步研究的空间。

本研究测定了广州东部森林土壤重金属和有机质含量，分析不同干扰林地土壤性质的变化，不同重金属元素与土壤性质的关系。为深入研究森林土壤微生物活动，以及森林生态系统对于不同干扰的响应提供一定的数据支撑。

1 研究地概况

广州地处南亚热带，属南亚热带典型的季风海洋气候，冬暖夏凉，雨量充沛。湿热气候条件下，土壤中的淋溶和淀积作用非常强烈，土壤剖面中亏损可溶性盐、碱金属和碱土金属，而明显富集铁铝氧化物和氢离子[ ]。土壤样品主要采集于广东省广州东部森林，处于北纬23°17′56″-23°38′33″，东经 113°37′04″-113°47′24″之间。

2 研究方法

2.1样地设置及样品采集

在广州从化区和增城区设置27个典型样地，对样地周边情况进行探查，根据人为干扰程度分为天然林、人工改造林、居民区林地三类，每种林分类型选择9个样地。天然林位于石门森林公园，主要人为活动为旅游观光，处于演替中期，以成熟林为主；人工改造林位于增城区中心镇，人为活动为施肥造林，林种以经济林和用材林为主；居民区林地干扰来自于刈割、伐林。样地调查记录胸径≥3 cm立木的种名、树高及胸径等信息，同时记录各调查样地的经纬度、海拔、坡度、坡向、坡位和人为活动。在样地范围内用土钻随机采集5个样品，混合为一个样品进行下一步测定，采样深度为0-20cm。

2.2室内实验

对采集的土壤进行重金属含量分析，指标包括Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg等。將采集的土壤样品去除石头和植物的根、叶等杂物，放在通风处自然风干，过100目的筛，保存于自封袋中待测。

分析项目与测试方法：总Hg用冷原子吸收分光光度法（GB/T17136-1997）测定；总Cu、Pb、Zn为火焰原子吸收分光光度法（GB/T17138-1997）测定；总Cr用火焰原子吸收分光光度法（GB/T17137-1997）测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，有效Cu、Zn、Fe、Mn用DTPA提取-火焰原子吸收分光光度法测定。

2.3数据分析

土壤养分元素及重金属含量的描述统计分析与相关分析用 Excel 2010、SPSS22.0 软件分析。

3 结果与分析

3.1 不同干扰林地土壤性质差异

根据对土壤表层样品的测定结果，广州东部森林土壤以酸性土为主，pH>5.0的样品数为0。如表1所示，天然林、人工改造林、居民区林地有机质含量分别为34.32、23.85、25.62g/kg。天然林土壤有机质含量较高，可能是生态系统中固定的有机物较多，大部分凋落物通过土壤动物和微生物分解成为有机质固定在土壤层中，而人工改造林和居民区林地受到人为干扰大，砍伐与清除林下草灌使得林分固定的有机物被人为转移，导致凋落物分解到土壤中的有机质减少。随着人为干扰程度增强，土壤有机质、全氮、速效钠、交换性镁含量明显下降，土壤肥力降低。居民区林地全磷和有效磷含量比其他林型含量高，可能与居民的肥料使用有关。

3.2林地土壤有机碳与土壤养分的关系

进一步对土壤有机碳与养分元素的相关性进行分析，不同干扰程度下土壤有机碳与全氮均呈显著正相关。居民区林地全氮与有机碳的相关性比天然改造林高，有机碳与全磷含量正相关。人工改造林、居民区林地碱解氮和有机碳含量呈极显著正相关。天然改造林地土壤有机碳与全磷，交换性钙，交换性镁负相关。

3.3林地土壤重金属与土壤养分的关系

3.3.1土壤重金属与微量元素的关系

土壤中微量元素和重金属含量主要受成土母质影响[ ]，但由于施用的肥料差异以及林木的吸收差异，会导致土壤微量元素和重金属含量产生一定变化[ ， ]。锌、铜、锰和铁是植物生长必需的微量营养元素，土壤中有效态元素的含量直接影响土壤对林木的供应水平。分析结果表明（表3），有效铁与Zn、Cd、Hg呈显著负相关，表明有效铁对Zn、Cr、Hg有控制作用。有效锰与Cu、Zn、Cd、Cr呈极显著正相关，当发生复合污染时，可能会与重金属产生协同作用。有效硼与重金属之间无明显相关性，这一参数不能用来预测重金属含量。有效铁，有效锰对森林土壤中重金属含量有影响，但影响程度不一。

3.3.2土壤重金属与有机碳和pH的关系

土壤 pH 是直接或间接影响重金属移动性的最重要因子之一，土壤有机质对重金属离子的络合作用受pH 的影响较大[ ]。结果表明（表4），林地土壤重金属与有机碳含量相关性并不显著。天然林地类型，Pb、Cr、Hg和土壤pH呈显著负相关，Zn与pH值显著正相关。人工改造林地，Zn、Cd、Cr与pH呈正相关，有机碳与pH值呈负相关。居民区林地由于外源重金属进入，与土壤pH相关性不显著。同一重金属元素在不同林地下与pH的相关性差异很大，可能与土壤性质和有机物组成有关。

4 结论与讨论

（1）从天然林、居民区林地到人工改造林，随着人为干扰的加剧，有机质含量明显减少，土壤肥力下降。土壤有机质主要来源于植物、动物、微生物残体，不同程度的人为干扰导致这些残余体和凋落物减少，使得土壤的有机质减少。另外，人为施用的有机肥和工农业、生活废水的排入也会导致有机质增加。（2）有效铁与Zn、Cd、Hg呈负相关，有效锰与Cu、Zn、Cd、Cr呈正相关，得到土壤中重金属与阳离子养分间存在交互作用，可进一步对土壤-植物系统中微量元素与重金属元素进行关联分析。（3）有机质对重金属的作用机理比较复杂，对土壤有机质与重金属相互作用的研究，应充分考虑有机质含量、构成成分、分子结构和功能团的类型等参数。本次研究结果显示各林地下重金属全量与有机碳含量没有明显的相关关系，应考虑土壤有机碳对微生物的影响，进而分析两者的关系。

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