鄂东南5种森林土壤重金属含量及污染评价

李向阳，吴 疆，刘洪强

（国家林业和草原局中南调查规划设计院，湖南 长沙 410004）

森林是全球生态系统最为重要的组成部分，森林对维护地球生态平衡、为人类的生存与发展提供服务有着重要作用[1]，提供了涵养水源、保持水土、调节气候、防风固沙、防止污染、净化空气及美化环境等多种生态功能。森林土壤是森林植被生存的物质基础，是森林生态系统的重要组成部分，其质量好坏对森林生态环境和林业的发展至关重要[2]。近年来，由于城市化进程的加速发展和人类活动的干扰，重金属污染物通过多种途径进入森林土壤，造成的生态危害日益显著[3-5]。森林土壤重金属含量过高可影响森林生态系统环境，改变森林群落结构，减少生物多样性，并可通过污染林副产品、地下水环境等形式危害人类的生存和健康[6]。目前，国内学者逐渐开展了对森林土壤的相关研究，但大多数集中在对森林土壤养分及其分布特征等方面[7-10]，对山地森林土壤重金属分布与污染研究报道较少。本研究以鄂东南“绿色明珠”——桂花林场管理局的5 种典型林分类型为研究对象，分析土壤中6 种重金属含量与分布特征，并以湖北省土壤背景值和全国土壤背景值为标准值，采用Hakanson 潜在生态危害指数法进行评价，旨在掌握研究区森林土壤重金属污染程度及分布特征，为森林土壤重金属污染防治，保障森林生态安全提供科学依据。

1 研究区概况

研究区桂花林场位于湘鄂赣交汇处湖北省崇阳县境内，林场始建于1965年，地处幕阜山北坡低山丘陵与江汉平原的过渡地带，地理坐标为113°51′ E，29°30′39″ N，面积约10 000 hm2，属亚热带季风气候，四季分明，气候温和，雨量充沛，水热条件优越，是全国“十佳国有林场”。海拔最低为50 m，最高为750 m，属低山丘陵地貌。土壤类型丰富，地带性土壤主要为红壤和山地黄红壤，成土过程仍以脱硅富铝化作用为主，母岩主要是页岩，土层深厚，土壤有机质含量较高，持水性较强，渗透性偏低，随侵蚀程度增加，持水能力降低。地带性植被为常绿阔叶林，主要树种包括苦槠Castanopsis sclerophylla、檫木Sassafras tzumu、楠 木Liriodendron chinensis、 枫 香Liquidambar formosana和马褂木Phoebe zhennan等，伴生树种主要有南酸枣Choerospondias axillaris、马尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata等。

2 研究方法

2.1 样地设置及土样采集

2018年7月上旬，在研究区内苦槠林、檫木林、楠木林、枫香林和马褂木林中，按照“随机”“等量”的原则，分别设置9 个10 m×10 m 的样方，在样方对角线的两端和中心设置5 个采样点，每个采样点取0～20 cm 层土壤，混合均匀用四分法取土500 g，共计45 个土壤样品。样品采集后，带回实验室，在室温下风干，除去砾石和根系后研磨过100 目筛，供分析测定。

2.2 土样理化性质的测定

土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法，pH值用酸度计测定，Zn、Cu、Cd、Ni、Pb 和Co 采用酸溶法，利用原子吸收分光光度计测定。

2.3 土壤生态风险评价

采用潜在生态危害指数法[11-13]对鄂东南森林土壤进行潜在生态风险评价。潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson 于1980年提出的用于评价重金属污染及生态危害的方法，此方法不仅考虑了不同重金属的生物毒性不同，对环境造成的生态危害不同，而且综合了重金属的含量特征、生物学特征和毒理学特征对重金属污染程度进行评价，是一种全面、科学的评价方法[14,15]。潜在生态危害指数法计算公式如下：

式中：RI为多重重金属的潜在生态危害指数，Eri某一重金属的潜在生态危害指数，Tri为重金属的毒性系数，Cif为重金属的污染指数，ci为重金属的实际含量，cni为重金属的标准值。本研究以湖北省土壤背景值[16]和全国土壤背景值[17]为标准值，重金属毒性系数采用徐争启[18]等计算出的重金属毒性系数：Zn=1，Cu=Pb=Ni=Co=5，Cd=30。生态危害分级标准参照彭晖冰等[19]给出的标准表（表1）。

表1 潜在生态风险等级划分Table1 Classification of potential ecological risks

采用Excel 2013、SPSS20.0 和Origin8.0 软件进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型森林土壤重金属含量及其分布特征

鄂东南5 种林分类型森林土壤的pH 值、有机质和重金属含量如表2。由表2可知，5 种林分类型森林土壤的pH 值均为酸性，不同林分类型森林土壤的pH和有机质的变异系数都在32.92%以下，差异相对较小。

由表2可知，5 种森林土壤重金属中，Zn 含量最高，Cd 含量最低。Zn 在楠木林土壤中的变幅最大，其平均含量楠木林＞檫木林＞苦槠林＞马褂木林＞枫香林。每种土壤中Cu 含量变幅较大，但不同森林土壤Cu 平均含量差异不明显。与Cu情况类似，Cd 在5 种森林土壤的平均含量的变幅较小，檫木林和楠木林土壤Cd 的平均含量相对较高，枫香林、苦槠林次之，马褂木林最低。Ni 在楠木林之外的其余4 种林分森林土壤中平均含量变化差异不大，在17.94～24.19 mg·kg-1之间，楠木林土壤Ni 平均含量最高，达31.39 mg·kg-1，但变异系数最小。Pb 在楠木林、枫香林、马褂木林和苦槠林土壤中的含量变幅较大，相应的变异系数也较高，为89.10%～100.58%；不同林分土壤间Pb 平均含量差异较小，平均差异不超过15.08%。与前5 种重金属元素相比，森林土壤中的Co 的变异系数较小，其中，檫木林土壤的变异系数最小，但平均含量最高，表明Co 在檫木林土壤中分布较均匀，Co 的最大值出现在楠木林土壤中，其相应的变异系数最大，说明Co 在楠木林土壤中含量分布不均。

表2 不同类型森林土壤pH 值、有机质与重金属含量描述性统计Table2 Descriptive statistics of pH,organic matter and heavy metals contents in different types of forest soils

绘制采样点的重金属实测值与湖北省元素背景值、全国土壤背景值的比较图（图1），由图1可知：5 种森林土壤中的重金属大部分在相应的背景值以下，少数样地重金属含量严重超过其背景值。从重金属类型来看，Zn、Cu、Cd、Ni、Pb、Co 超过湖北土壤背景值的样方个数占总样方个数的13.33%、13.33%、26.67%、15.56%、17.78%、15.56%，超过全国土壤背景值的个数占总样方个数的24.44%、28.89%、73.33%、26.67%、24.44%、44.44%；从森林土壤类型来看，苦槠林、枫香林、马褂木林、檫木林、楠木林土壤超过湖北土壤背景值的样本个数占总样本数的20.00%、15.56%、6.67%、26.67%、40.00%，超过全国土壤背景值的样本个数占总样本数的35.56%、37.78%、28.89%、51.11%、73.33%。6种重金属中，Cd 的超标样本个数最多，污染范围最广，檫木林和楠木林土壤的超标样本个数较多，污染较严重。

图1 不同林分森林土壤各重金属实测值与背景值比较Fig.1 Comparison of measured and background values of heavy metals in different forest soils

结合图1和表2还可发现，楠木林、檫木林土壤重金属超标倍数要明显高于苦槠林、枫香林和马褂木林。Zn 在檫木林土壤中的超标倍数最大，分别超过了湖北土壤背景值、全国土壤背景值的1.20、1.36 倍（以下顺序相同），但在5 种森林土壤中的平均含量均未超过两种背景值；Cu 在楠木林土壤中的超标倍数最大，达到了1.78 和2.21，其次为檫木林，分别为1.61、2.00；檫木林土壤中的Cd 超标倍数最大，为1.51、2.49，但楠木林土壤中的平均含量最高，达到了0.14 mg·kg-1，两种森林土壤中的Cd 平均含量均超过了两种背景值，此外，Cd 平均含量超过全国土壤背景值的还有苦槠林、枫香林，分别为0.09 mg·kg-1、 0.11 mg·kg-1；Ni 的最大超标倍数出现在楠木林中，为1.71、2.35，其平均含量亦超过了全国土壤背景值，但未超过湖北土壤背景值，Ni 在其余4 种森林土壤中虽有不同程度的超标，但超标倍数不大，各自的平均含量均未超过两种背景值；5 种森林土壤中Pb 平均含量的排序为：枫香林＞楠木林＞檫木林＞苦槠林＞马褂木林，与Ni 情况类似，Pb 的最大超标倍数出现在楠木林土壤中，分别为1.81、1.95，苦槠林、枫香林、檫木林土壤中有不同程度的超标，但超标倍数较小，Ni 在马褂木林土壤未存在超标情况，均未超过两种背景值；Co 在森林土壤中的超标倍数最大值也出现在楠木林土壤中，为1.42、1.69，檫木林土壤中的平均含量最高，达到了13.51 mg·kg-1，超过了全国土壤背景值，但未超过湖北土壤背景值，其他四种森林土壤均未超过两种背景值。

表3 不同类型森林土壤中重金属与pH 值、有机质(OM) 之间的相关性†Table3 Correlation of heavy metals with pH and organic matter (OM) in different types of forest soils

以上结果表明鄂东南森林土壤受到了一定程度的重金属污染，且Cd 和Co 的污染面积较大；檫木林、楠木林土壤重金属污染程度较重，马褂木林土壤污染程度较轻。因此，要注意防治Cd 和Co 污染。

3.2 土壤重金属与pH、有机质的相关性

对5 种森林土壤中重金属、有机质及pH 值进行相关性分析，结果如表3所示。由表3可知，苦槠林土壤中，Cu 与Pb 呈显著正相关性，Cd 与Zn、Pb 表现出一定程度的负相关；枫香林土壤中Cu 与Cd、Zn，Cd 与Pb 呈现出显著或极显著正相关性，马褂木林中Pb 与Zn、Cu 表现出显著正相关，Pb 与Ni 呈现出负相关；檫木林中Cu 与Zn表现出极显著正相关，达到了0.895，Cd 与Zn、Cu、Ni 之间表现出一定的负相关；楠木林中Zn与Cd 表现出极显著正相关，Cu 与Ni 显著相关。具有正相关关系的重金属来源可能相同，具有负相关关系的重金属元素可能由于Cd2+、Zn2+、Pb2+等离子的水系羟合配离子配位平衡在不同pH 环境下溶解度不同，也可能由于植物对负相关不同金属的吸收有一定的替代性。重金属与有机质的相关性不明显，但都呈现出正相关关系，相关系数最大达到了0.664，说明有机质对重金属还是有一定的吸附作用，这与Brookes[20]的研究结果基本一致。pH 值与重金属之间的相关性不显著，无明显规律。

3.3 森林土壤重金属潜在生态风险评价

鉴于6 种重金属背景值中，湖北省土壤背景值均比全国背景值高，采用湖北省土壤背景值标准判断5 种林分土壤重金属潜在生态风险更加合理，因此只以以湖北土壤背景值为标准值进行潜在风险评价，计算鄂东南5 种森林土壤重金属潜在生态风险系数与潜在生态风险指数（表4）。由表4可以看出，森林土壤中重金属的潜在生态风险指数均小于150，为轻微危害程度，具体排序为：楠木林＞檫木林＞枫香林＞马褂木林＞苦槠林，表明鄂东南森林土壤重金属生态风险较小；苦槠林、枫香林和马褂木林土壤中5 种重金属潜在生态风险系数均小于40，存在轻微生态风险，檫木林、楠木林土壤中Cd 的潜在生态风险系数分别达到了41.24 和44.69，存在中等生态风险，其他4 种重金属潜在生态风险系数均小于40，存在轻微生态风险；Cd 的生态风险系数要明显高于其他5 种元素，其最小值都在28.94 以上，Cu、Ni、Pb 和Co的生态风险系数差异不明显，Zn 的最小。

表4 以湖北土壤背景值为参考值的森林土壤重金属 潜在生态风险评价Table4 Potential ecological risk assessment of heavy metals in forest soils using background value of soil in Hubei province as reference value

4 讨 论

鄂东南5 种林分类型森林土壤重金属含量及其分布特征结果表明：6 种重金属在大部分种类林分土壤中的平均含量低于湖北省土壤背景值和全国背景值，Cd 和Co 污染面积较大，污染程度较重。Co 在森林土壤中的变异系数较小，说明该重金属主要来自土壤母质[21]；Zn、Cu、Ni、Pb 和Cd 的平均含量虽然与两种背景值相当，但变异系数较大，部分采样点土壤重金属含量明显高于其背景值，说明部分采样区森林土壤受到了一定程度的重金属污染。不同林分类型森林土壤的重金属平均含量存在较大的差异，楠木林和檫木林土壤重金属含量总体较高，这可能与两种林分所处的地理位置、周边环境污染、海拔[22]以及植被对重金属的富集能力[23]不同有关。对不同林分类型对重金属吸收、迁移机理的研究，本文尚未涉及，有待进一步的研究。

潜在生态风险评价结果表明，无论是以湖北土壤背景值为参考值，还是以全国土壤背景值为标准值，5 种森林土壤的潜在生态风险指数均未超过150，为轻微危害程度；Zn、Cu、Ni、Pb 和Co潜在生态风险系数均未超过40，存在轻微的生态风险；Zn 的潜在生态风险系数最小，均在1 以下，Cd 的潜在生态风险系数最大，部分森林土壤超过40，存在中等生态风险。Cd 潜在生态风险达到了中等危害程度，可能的原因是Cd 的毒性系数较大，使Cd 的潜在生态风险系数计算结果偏大。

土壤中重金属的来源主要有两种：自然来源和人为来源。自然来源主要来自岩石圈内地球化学过程对成土母质的影响、大气重金属尘降和自然土质污染[24]，人为来源主要指人类的工农业生产活动。本研究区地处崇阳县西北部，靠近县西北矿产开采区。部分采样点重金属含量较高的原因可能是开采区内数十家中小矿山和化工厂排放含大量重金属的废气，经大气自然迁移和沉降作用进入土壤并累积，这可能是楠木林土壤重金属含量总体高于苦槠林土壤的原因之一。总体来看，由于重金属总量较少或由于森林植被的净化作用，5 种森林土壤重金属污染呈轻微危害程度。

5 结 论

1）鄂东南5 种林分类型土壤中以Zn 的含量最高，Ni 其次，Cd 的含量最低，重金属含量的具体排序为：Zn ＞Ni ＞Pb ＞Cu ＞Co ＞Cd。其中，Zn、Cu、Cd、Ni 和Pb 在森林土壤中的含量变化较大，差异明显，变异系数在51.11%～119.50%之间变动，Co 在森林土壤中的变幅较小，分布较为均匀。总体来说，楠木林土壤中的Zn、Cu、Cd、Ni 平均含量最高，其次是檫木林、苦槠林土壤，Zn、Cu 在枫香林中的平均含量最低，但Pb 的含量最高，Cd、Pb、Co 在马褂木林土壤中的平均含量最低。

2）与湖北土壤背景值、全国土壤背景值对比结果表明：Zn、Ni、Pb、Cu、Co 和Cd 在5 种森林土壤中的均有不同程度的超标，大部分的重金属在相应的背景值以下，少数样地重金属含量严重超过其背景值。Zn、Cd 在檫木林土壤中的超标倍数最大，Cu、Ni、Pb 和Co 在楠木林土壤中的超标倍数最大；檫木林和楠木林土壤重金属超标个数较多，污染较重，其次为枫香林、马褂木林土壤，苦槠林土壤重金属超标个数最少，污染最轻；超标样点以Cd 元素超标最多，污染范围最广。

3）森林土壤重金属间、重金属与pH 值、有机质(OM)间存在不同的相关性。苦槠林土壤中的Cu-Pb，枫香林土壤中的Zn-Cu、Cu-Cd、Cd-Pb，马褂木林土壤中的Pb - Zn、Pb-Cu，檫木林土壤中的Cu-Zn，楠木林土壤中的Zn-Cd、Ni-Cu 表现出显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)相关性，表明上述重金属元素之间存在一定的同源性，其他重金属间的相关性不是很明显，来源可能不同。重金属与有机质(OM)都表现出一定程度的正相关，pH 值与重金属之间的相关性不明显。

4）以湖北土壤背景值和全国土壤背景值为标准值的重金属潜在生态风险评价结果表明，5 种森林土壤的潜在生态风险指数均在150 以下，为轻微危害程度，具体排序为：楠木林＞檫木林＞枫香林＞马褂木林＞苦槠林；Cd 的潜在生态风险系数最大，且明显高于其他5 种元素，生态危害较大，Cu、Ni、Pb 和Co 的潜在生态风险系数差异不明显，Zn 的最小，生态危害轻微。