黔西北土壤-植被系统元素地球化学特征及其生态关系

洪 涛，谢运球，覃星铭，孔祥胜，欧梦梦，喻崎雯

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004；2.自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室，广西 桂林 541004)

黔西北地处低纬度高海拔地区，植物资源较丰富，有森林、草地、药用植物和经济林植物等。贵州西北部是西南喀斯特地区的中心，人地矛盾突出，是贵州省水土流失和石漠化最为严重的地区之一[1-2]。石漠化地区地质环境背景特殊，加上开发利用方式不合理，造成该区土壤侵蚀，土壤质量下降，植被遭到严重破坏，区域生态环境质量不断恶化[3-4]。相关研究表明，植被恢复重建是生态修复的根本[5]，而植物群落演替受气候、土壤、地形等各种环境因子的影响，其中土壤是植物生存的基础，在植物生长、发育及群落演替等方面起着决定性作用[6]。杜虎等[7]研究表明，植物多样性指标与土壤氮素、Al2O3、Fe2O3、土壤微生物生物量碳、真菌和细菌关系密切。宁晓波等[8]研究了贵阳花溪石灰岩、石灰土与定居植物化学元素含量特征，结果表明植被对石灰土中有机质、N和P含量有相当大的影响。土壤与植被相互作用、相互影响，而化学元素含量则成为其中最重要的纽带。了解土壤与植物系统中元素地球化学特征有助于我们更深入地认识生态系统的运行与稳定机制。目前有关黔西北地区土壤-植被系统中元素地球化学特征的研究鲜有报道，而黔西北地区在贵州生态文明建设中占有重要地位。因此，以黔西北为研究区，探讨典型植物与土壤中大量元素和微量元素的地球化学特征，重点分析有毒有害元素在系统中的迁移性和变异特征，甄别对重金属污染物具有超富集能力的植物[9]，为黔西北地区生态环境保护与治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黔西北毕节市七星关区和大方县，处于云贵高原向东部低山倾斜的斜坡地带，地理坐标为北纬26°50′～27°46′，东经104°51′～106°08′，属低纬度高海拔地区，为亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充沛且雨热同期，具有冬无严寒、夏无酷暑、夏短冬长、春秋相近的气候特点。多年平均气温12.3 ℃，年平均最高气温18.5 ℃ ，年平均最低气温-9 ℃，年平均降水量1 036 mm，且多集中在4—9月，占全年降水量的80%左右；年日照总时数多年平均值为1 344.3 h，占全年可照时数的31%。

研究区出露寒武、奥陶、志留、二叠、三叠、侏罗和第四系等地层，岩性有灰岩、白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩等碳酸盐岩，占全区面积的60%以上，其次为砂岩、页岩和泥岩等碎屑岩类。此外，峨眉山组(P1-2em)玄武岩在局部地区也有分布。多样的成土母岩在错综复杂的地质构造、地形地貌和气候条件的影响下形成了较丰富的土壤类型，主要有黄棕壤、黄壤、石灰土、紫色土、水稻土、沼泽土和潮土7个土类，22个亚类，50个土属。主要成土母岩为碳酸盐岩、页岩和紫砂页岩等。黄壤是区内主要地带性土壤，占研究区面积的65%左右；紫色土是区内的主要岩性土，面积占比约17%。不同性质土壤及水分和热量差异是影响原始植物群落特征的重要因素。受气候条件和地理位置影响，研究区内生物资源十分丰富，地带性植被群落和非地带性植被群落发育，地带性植被群落为北亚热带常绿阔叶林，但表现出明显的过渡性与次生性特征，受人为活动影响，常绿阔叶林植被群落已逐渐被常绿阔叶针叶混交林所取代。较典型的植被群落有杜鹃(Rhododendron)和广泛分布于暖温带和亚热带北部的白栎(Quercusalbus)落叶阔叶林。

1.2 样品采集、处理与分析

研究区内植被类型丰富，考虑到地带性植被和非地带性植被及其分布范围，采集了杉木(Cunninghamialanceolata)、亮叶桦(Betulaluminifera)、马尾松(Pinusmassoniana)、化香树(Platycaryalongipes)、茅栗(Castaneaseguinii)、白栎、盐肤木(Rhuschinensis)、柳杉(Cryptomeriafortune)、小叶女贞(Ligustrumquihoui)、鸢尾(Iristectorum)、柏树(Platycladusorientalis)、里白(Hicriopterisglauca)、胡桃(Juglansregia)、马桑(Coriarianepalensis)等16种植被，这些植被基本处于自然状态，少有人为干扰。在每株植物的上、中、下、东、西、南、北方向摘取叶子，用自封袋封装，然后用纯净水冲洗干净，在60 ℃下烘干，磨成粉末状，混合均匀，备用。与此同时，采集相应植被的土壤表土层和亚土层混合样品，去除根系、碎石块等，自然晾干后碾碎，过0.85 mm孔径筛备用。共采集69个植物样品和对应的根系土壤样品，所有样品送国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心测定，分析指标包括有机质、常量元素和微量元素。

2 研究区土壤与植物地球化学特征

2.1 土壤有机质及常量元素含量特征

自然条件下，枯枝落叶及根系为土壤有机质最主要来源，常绿阔叶针叶混交林土壤通常比灌草地具有更高的有机质含量，相差可达几个数量级。该研究的土壤样品涵盖不同土壤类型下的原生乔木林地、次生乔木林地、低矮灌草地等土地利用类型。样品测试结果(表1)表明，土壤有机质含量平均为147.0 g·kg-1，具有较强变异性，来自砂岩地区的杉木地土壤有机质含量最高，达1 670 g·kg-1，来自泥岩地区的马桑低矮灌木层土壤有机质含量最低，仅7.9 g·kg-1，说明位于同一气候带内不同土地利用类型下的土壤有机质含量差距较大。

常量元素含量和组成主要受成土母岩影响[8]。此外，植被种类、气候条件、地形地貌和人类活动等外部条件也深刻影响元素含量和构成，导致常量元素含量表现出较强的空间变异性，如Ca和Mg变异系数分别为2.20和1.29，其在灰岩、白云岩等碳酸盐岩地区含量较高，而在砂页岩、泥岩等碎屑岩区含量普遍较低。对于同一岩性土壤，不同植被类型也会导致元素含量差异较大，同位于灰岩地区的火棘和马尾松地土壤Ca、Mg含量分别为199.8、39.3和27.5、0.77 g·kg-1，当然植被类型不是导致这种差异的唯一因素。土壤营养元素Fe、K和P变异系数较小，基本反映土壤背景值，而N表现出较强的变异性，其原因跟N本身易移迁或流失有关，此外采样点所处植物群落特征、植物根系固氮微生物特征及部分采样点可能受农业施肥影响等都会加剧N含量分异。

表1土壤元素含量统计特征值

Table1Thestatisticvaluesofelementsofthesoilsamples

元素w1)/(g·kg-1或mg·kg-1)最小值最大值平均值标准差变异系数TFe3.20103.0052.403.140.60Mg0.4088.1012.101.571.29Ca0.50199.8014.103.092.20K0.5042.1011.200.860.76TN0.30178.7011.103.052.75有机质7.901 670.00147.0028.511.94Cu4.10245.0056.7547.940.84Pb8.40174.0041.3934.520.83Zn10.00193.0084.2346.140.55Co1.502 731.00163.57393.802.41Mn9.501 961.00635.16566.160.89As2.9138.7013.527.670.57P147.01 353.00670.75314.220.47Cd0.065.000.850.861.01pH值4.407.705.680.970.17

1)TFe、Mg、Ca、K、TN和有机质单位为g·kg-1，其余元素单位为mg·kg-1。

2.2 土壤微量元素含量特征

土壤微量元素含量虽低，但也是植被生长不可或缺的物质，其含量主要受成土母质和表生地球化学作用的影响。表1表明，Cu、Pb、Zn、Co、Mn、As和Cd平均含量均高于全国土壤背景值(Cu、Pb、Zn、Co、Mn、As和Cd分别为20、23.6、67.7、11.2、482、9.2和0.074 mg·kg-1)[10]，其中Co表现最为显著，平均含量为全国背景值的14.6倍且变异较强，最高值达2 731.0 mg·kg-1，具有明显的土壤富集特征，可作为找矿的重要标识。此外，有毒元素Pb、As、Cd平均含量为贵州省相应背景值(45.0、17.5、0.248)[11-12]的0.92、0.77和3.42倍，且Pb和As表现出弱变异特征，可见黔西北地区土壤普遍无Pb和As污染，但As平均含量高出全国背景值较多，说明As为黔西北地区高背景分布元素，在各类岩性岩石中含量均较高，尤其是峨眉山玄武岩。此外，As及其化合物地球化学性质较稳定，容易在土壤中积聚，造成个别土壤超标。土壤Cd超标较严重且呈现中等变异，说明土壤存在Cd污染，在人类活动影响较小的情况下，其含量主要受成土母岩制约，这与宋春然等[13]的研究结果相符，而在人类活动强烈的地区，人为活动可能是Cd的最重要来源，如CLEMENT等[14]发现市政垃圾焚烧是导致公路附近土壤Cd富集的主要因素。

2.3 植物元素地球化学特征

由表2可知，大量营养元素Mg、Ca、N、K、P和Fe含量占元素总量的90%以上，为植物中主要元素，变异系数均较小，相较于土壤中变异性较强的Mg、Ca、N和K，植被对大量营养元素的吸收受成土母岩的影响较小，主要由植物本身生理特性决定，且与植物种类关系不大。而对微量元素而言，不同植物需求也不同，元素在植物体内的生物积累与土壤微量元素含量有关，对比土壤和植物中微量元素的变异系数可以发现，两者具有相似性。苗莉等[15]在研究广东河台金矿矿山土壤与植物系统中的微量元素(Au、Cu、Cd和As)时也发现，植物中微量元素含量与土壤微量元素含量特征相似。

表2植物元素含量统计特征值

Table2Thestatisticvaluesofelementsoftheplantsamples

元素w1)/(g·kg-1或mg·kg-1)最小值最大值平均值标准差变异系数Mg0.090.620.240.120.51Ca0.353.711.570.860.55TN0.312.261.330.470.36TK0.052.410.680.460.68TP331.002 188.001 163.78459.830.40Cu0.2330.906.866.971.02Pb0.2726.206.435.480.85Zn11.80264.0052.3949.910.95Co0.06110.006.1918.342.96Cd0.1211.001.412.251.60Mn22.801 863.00500.01516.591.03As0.3212.503.792.790.74TFe115.001 421.00382.51242.140.63

1)Mg、Ca、TN、TK和TFe单位为g·kg-1，其余元素单位为mg·kg-1。

3 植被与土壤的生态关系

3.1 植被与土壤元素含量的关系

土壤是植被生长所需矿质元素和水分的最主要来源。因此，植物中元素含量往往表现出对土壤元素的物质继承性，表现为植物吸收元素与土壤中元素含量呈正相关关系[16-17]。但是，这种正相关关系限于一定的土壤元素含量范围内,并且不同元素含量变化特征也不同。鲁荔等[18]在研究选矿厂周边蔬菜地土壤与蔬菜中重金属含量时发现，蔬菜和相应土壤中Pb、Zn、Cd 和Cr 含量之间无显著相关性。表1～2表明，土壤中大量营养元素Ca、Mg、N呈现中等至强度变异特征，而在植被中变异性较弱。图1也表明土壤和植物中K元素相关性不显著，植物中K含量基本小于1 g·kg-1，不随土壤中K含量的增加而增加，说明植物在能保证其正常生长所需的大量营养元素含量时不会过多地吸收土壤中的元素。植物中必需微量元素Zn含量基本维持在50 mg·kg-1以内，与土壤Zn含量相关性较差(R2=0.001)。

图1 植物与土壤中K、Zn、Cd全量相关关系Fig.1 The correlation between K， Zn and Cd in soils and plants

一般来说，植物体内累积Zn与土壤Zn含量密切相关[19],但朱育新等[20]研究发现这种相关性可能因树种而异，枫杨中Zn与土壤Zn含量相关性较好，而在黑松和马尾松中则没有相关性，笔者研究结果与其相似。此外，微量元素Fe、Mn和Cu具有相似的变化特征。对微量有害元素Cd的相关分析结果(R2=0.32，P<0.05)表明，土壤Cd含量的增加可能促进植物对Cd的吸收，而Cd作为研究区内土壤主要污染元素，必须采取措施控制其向植物体内迁移和转化，尤其是在耕作区。

3.2 植物对土壤元素的生理吸收和生态特性

元素在土壤中以不同形态存在，能被植被直接吸收的这部分称为元素有效态，有效态元素被吸收后在植物体内富集，由于植物种类及所处的生长环境差异使得不同元素在植物体内的迁移转化能力和富集程度存在差异，这种差异通常用生物吸收系数(k)来表征[21]。生物吸收系数定义为植物体(干重)内的元素含量与其所生长的土壤中元素含量的比值。从表3可知，不同元素k值存在较大差异，尤其是大量营养元素(Ca、N、P、K)和微量元素(Pb、Zn、Cu、Co)之间差异明显，Ca、N、P、K的平均k值分别为4.02、8.87、2.37和1.43，而Pb、Zn、Cu、Co的平均k值为0.18、0.80、0.19和0.08，相差1个数量级。大量元素与微量元素虽然在需求量上有多少之别，但对植物的生命活动都具有重要作用，都是不可缺少的[22]。如N是植物体内许多重要有机化合物的成份，在多方面影响着植物的代谢过程和生长发育，表1显示土壤N平均含量只有11.1 g·kg-1，在大量营养元素中属于较低水平，为了保证植物需求，N在根系固氮根瘤菌作用下被大量吸收，其k值也高达8.87。必需微量元素由于植物需求较少导致k值较低。此外，微量元素Mn吸收系数最大值、最小值和平均值分别为48.97、0.01和7.34，说明植物对Mn的吸收具有较明显的选择性，生长在砂岩地区土壤中的杉木是一种Mn超富集性植物，这是由植物本身的生理吸收功能和生态特征所决定的。微量有害元素Cd的平均k值为1.31，说明Cd是强积聚型元素，对采样点植物调查发现物种长势良好，没有出现毒害症状，表明土壤中Cd虽然超标且吸收系数较大，但并没有超出植物的耐受限。有关研究表明植物体中存在能够调节体内微量元素浓度水平的生理垒[23]，植物从土壤中富集微量元素的能力不完全取决于某一元素在土壤中的含量。As的平均k值为0.37，说明研究区内植被不易富集As，研究发现草类和蕨类是较易吸收As的植被类型[24]。

不同植物由于生理特性的差异导致其对元素的吸收不同，如生长在灰岩地区的马尾松、盐肤木、杉木、茅栗和小叶女贞对大量元素Ca、N、K和P的k值相差较大，马尾松更易富集K，盐肤木更易富集Ca，小叶女贞易富集N。不同植物对Cu、Pb、Zn、Co的吸收特性相似，k值均小于1，仅桦木和里白相对富集Zn元素。有毒有害元素Cd是研究区内主要的污染元素，从生态治理方面考虑，寻找Cd的超富集植物对Cd污染场地修复具有重要意义。由表3可知，Cd吸收系数较大的植物有盐肤木(5.26)、杉木(3.15)、白栎(2.80)、小叶女贞(2.39)、鸢尾(1.82)、马尾松(1.69)，这些植物可作为Cd污染地区生态治理的优选植物。此外，鸢尾和里白具有较强的As亲和性，吸收系数分别达1.18和1.49，可见鸢尾对Cd和As复合污染治理具有较大利用价值。

表3不同植物对元素的平均生物吸收系数

Table3Theaveragebiologicalabsorptioncoefficientsofdifferentplants

植物名称岩性MgCaTNTKTPCuPbZnCoCdMnAs小叶女贞灰岩0.311.8511.590.373.940.310.290.380.042.390.230.26胡桃灰岩0.946.1812.921.771.870.220.230.210.030.220.140.01桦木灰岩0.922.4513.293.397.930.920.322.420.121.370.460.21柏树灰岩0.060.155.130.321.760.190.300.310.040.430.090.22白栎砂岩0.9010.1025.602.145.060.400.172.570.292.8014.670.62鸢尾白云岩0.070.184.091.471.780.330.080.780.081.820.091.18红袍刺藤白云岩0.313.0216.551.292.050.040.050.230.020.040.100.40马桑砂岩0.192.118.470.421.260.030.440.100.030.020.090.04化香树灰岩0.555.456.770.231.790.200.070.230.030.750.040.09茅栗白云岩0.354.957.500.862.490.110.220.700.091.675.170.09杉木砂岩0.641.180.070.680.730.120.010.860.010.3648.970.01杉木灰岩0.042.495.731.292.320.220.010.530.073.150.280.20盐肤木灰岩0.639.124.920.461.520.140.051.090.105.260.290.09柳杉砂岩1.192.965.844.371.070.110.050.560.040.141.450.30柳杉泥岩0.075.854.980.251.340.010.180.110.020.020.010.75里白灰岩0.901.430.070.270.710.040.211.860.010.0420.751.49马尾松泥岩0.405.8417.921.113.870.120.241.120.141.6917.390.43马尾松砂岩0.228.409.000.421.850.040.350.480.271.642.220.38马尾松灰岩1.672.768.125.991.750.020.140.720.011.1527.020.32平均值0.554.028.871.432.370.190.180.800.081.317.340.37

从表3还可知，即使对同一种植物如杉木和马尾松，生长在不同的成土母质上，k值也会差距较大，如砂岩地区杉木Mn的k值是灰岩地区的174倍，而N的k值却只有灰岩地区的0.012倍。马尾松在不同岩性土壤中的Mn吸收系数为灰岩>泥岩>砂岩，Cd和As均为泥岩>砂岩>灰岩。由此看出，就Cd和As来说，碎屑岩地区的k值要高于灰岩地区，其原因为灰岩地区的土壤pH值一般较碎屑岩区土壤高，而土壤pH 值越高，土壤中H+浓度越低，重金属离子越不易从土壤胶体上被解吸下来，即活动性不强，不易转移，这与宋春然等[13]的研究一致。

元素的生物吸收系数和土壤pH有关[25-26]，此外土壤中不同重金属存在相互抑制吸收的现象。如TU等[27]发现As 能与Pb、Zn 等金属阳离子发生复合反应，从而抑制植物对重金属的吸收。而笔者发现重金属还存在共吸收作用。如图2所示，Co和Cd、Cu和Zn的k值存在显著相关性(P<0.05)，Cu和Zn作为分子量相近的亲硫元素相关性较好，Co和Cd之间的关系尚需进一步研究。图3表明，土壤TP与Cu和Pb的k值呈显著负相关(P<0.05)，说明P可能会抑制植物对Cu和Pb的吸收，这与颜奕华等[28]的研究结果一致，其主要的生物化学作用为P使土壤可交换态和碳酸盐结合态Pb向铁锰氧化物结合态和残渣态Pb转化。

4 结论

(1)土壤营养元素Fe、K和P含量变异系数较小，基本反映土壤背景值，岩溶区和非岩溶区Ca和Mg含量差异较大，N空间变异较大。微量元素Cu、Pb、Zn、Co、Mn、As平均含量均低于贵州土壤背景值，其中Co具有明显的富集特征，As为黔西北地区高背景分布元素。Cd元素超标较严重。植物中各元素含量变异较小，植物和土壤中Cd元素含量存在较显著的正相关关系，植物中其余各元素与土壤中相应元素含量关系不明显。

(2)大量营养元素Ca、N、P、K的平均生物吸收系数高于必需微量元素Pb、Zn、Cu、Co，值域相差1个数量级。盐肤木、杉木、白栎、小叶女贞、鸢尾和马尾松具有较强的Cd吸收能力，鸢尾能同时较好地吸收Cd和As。

图2 Co和Cd、Cu和Zn的生物吸收系数相关关系Fig.2 The correlation of biological absorption coefficients between Co and Cd, and Cu and Zn

图3 TP与Cu、Pb的生物吸收系数相关关系Fig.3 The correlation between TP and the biological absorption coefficients of Cu and Pb

(3)同种植物在不同成土母岩区的元素吸收系数差异较大，同种植物在碳酸盐岩区的重金属吸收系数大于碎屑岩区，这不仅与土壤pH有关，还受共吸附作用影响。此外，Co和Cd、Cu和Zn生物吸收系数存在较显著的相关性，土壤P能抑制植物对Cu和Pb的吸收。