茅思雨，李百球，樊 燕，俞社保，施建敏*

(1．江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江西 南昌 330045；2．江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；3. 江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，江西 南昌 330030)

【研究意義】植物生長所需的元素主要來源于土壤，而土壤中的元素又源于母巖，所以將“巖石-土壤-植物”系統(tǒng)(The Rock-Soil-Plant System，簡寫RSPS)作為一個(gè)整體研究，有助于深入認(rèn)識(shí)巖石、土壤和植物間的養(yǎng)分遷聚規(guī)律[1-3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國石灰?guī)r總面積約344.3萬 km2，約占國土面積1/3，其中大部分分布在南方地區(qū)[4]，其土層淺薄、滲透性強(qiáng)、裸巖率高，土壤多呈堿性[5-7]。近年來，研究者們對(duì)石灰?guī)r地區(qū)RSPS的礦質(zhì)元素遷移積聚規(guī)律開展了相應(yīng)研究[8-10]，結(jié)果表明，元素的遷移從巖石到土壤，再到植物具有高度相關(guān)性；同時(shí)RSPS的礦質(zhì)元素遷聚特征也具有組分(巖石、土壤、植物)特異性，有研究表明不同植物種類對(duì)土壤中的礦質(zhì)元素吸收強(qiáng)弱有很大差別[2, 8-9]。目前石灰?guī)r地區(qū)的重金屬相關(guān)研究尚少，研究結(jié)果同樣顯示不同地區(qū)巖石土壤的重金屬元素含量有較大差異，如安徽宿州巖石Cu含量、貴州花溪巖石Co含量和土壤Pb含量、中國東部土壤的Zn含量都遠(yuǎn)高于其他地區(qū)[11-14]。然而，重金屬的遷移從石灰?guī)r到土壤，土壤到植物的具體規(guī)律研究很少，重金屬元RSPS的整體遷移規(guī)律尚不明確?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】江西省瑞昌有大面積淡竹(Phyllostachysglauca)林生長在石灰?guī)r山地，林下有油茶(Camelliaoleifera)、枸骨(Ilexcornuta)和胡頹子(Elaeagnuspungens)等伴生種[15-17]，而且淡竹和油茶都是當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟(jì)林木，其重金屬含量與食品安全密切相關(guān)[16-19]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以瑞昌市石灰?guī)r山地淡竹林為研究對(duì)象，通過對(duì)石灰?guī)r、土壤和淡竹林植物重金屬元素含量進(jìn)行測(cè)定分析，以期揭示：①淡竹林RSPS系統(tǒng)中不同組分(巖石、土壤、植物)的重金屬分布特征；②淡竹林與其他地區(qū)重金屬遷移累積規(guī)律差異；③淡竹林植物重金屬含量是否超標(biāo)。通過掌握土壤和植物重金屬分布與遷聚特征，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)林的區(qū)劃和生產(chǎn)提供理論參照。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

瑞昌市地理位置為北緯29°23′～29°51′，東經(jīng)115°06′～115°44′，地處江西省西北部，北臨長江與湖北省交界，幕阜山余脈自西向東綿延全境，地形多為低山、丘陵[16]。瑞昌市的氣候是中亞熱帶北緣濕潤性季風(fēng)氣候，年均氣溫16.6 ℃，極端最高氣溫41.2 ℃，極端最低氣溫-13.4 ℃，年均降雨量1394 mm，年均日照時(shí)數(shù)1890 h，無霜期為260 d。

瑞昌全市境內(nèi)有大面積石灰?guī)r山地分布，因生境嚴(yán)酷，很多樹種生長不良，但是淡竹對(duì)該生境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，5600 hm2淡竹林成片生長在石灰?guī)r山地，從平地到坡地、從緩坡到陡坡均有分布[16-17]。淡竹林的物種組成以淡竹為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，其他伴生物種主要有枸骨(Ilexcornuta)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、油茶(Camelliaoleifera)、云實(shí)(Caesalpiniadecapetala)以及絡(luò)石(Trachelospermumjasminoide)等草本植物和層間植物。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集與測(cè)定 2014年10月在瑞昌市研究區(qū)選擇典型的石灰?guī)r山地淡竹林，隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)(采樣點(diǎn)之間相距50 m以上)，采集巖石、土壤和植物(建群種淡竹，和伴生種胡頹子、油茶、枸骨)樣品，每類樣品在每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行3重復(fù)采集并混合，即巖石、土壤和每種植物各采集了9個(gè)樣品，土壤取樣的深度為0～30 cm。

巖石和土壤帶回實(shí)驗(yàn)室后風(fēng)干、清除雜質(zhì)、磨碎后過100目篩備用；植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室清洗干凈，在105 ℃下殺青5 min，然后在80 ℃烘干至恒重，粉碎研磨備用。巖石、土壤和植物樣品的Cu、Zn、Pb、Co的含量采用ICP-MS法(Agilent 7700，美國安捷倫公司)測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于5 %。

1.2.2 指標(biāo)計(jì)算方法 遷移積累系數(shù)(K)用來表示土壤中各元素的遷移積累特征，其計(jì)算公式如下[8]：

K=Cn/CD

式中：K為遷移積累系數(shù)，K值小于1 表示純遷移，K值大于1 表示相對(duì)積累。Cn為土層元素含量，CD為母巖元素含量。

淋溶系數(shù)(t)土壤元素的風(fēng)化淋溶程度用淋溶系數(shù)來衡量。由于鋁在元素遷移中具有惰性，常假定為不移動(dòng)元素[20]，故以此來分析土壤元素的風(fēng)化淋溶程度，淋溶系數(shù)按以下公式進(jìn)行計(jì)算[21-22]：

t=(t1-t2)/2×100 %

t2=t1×母巖中Al2O3/土壤中Al2O3×100

式中：t為淋溶系數(shù)，t1為巖石中元素含量，t2為假設(shè)鋁不移動(dòng)情況下土壤中元素含量，t1為土壤中元素含量。

生物吸收系數(shù)(A)表示植物從環(huán)境中吸收和積累化學(xué)元素的能力，其計(jì)算公式為[8-9]：

圖中數(shù)據(jù)為Mean±SD圖1 石灰?guī)r山地淡竹林“巖石-土壤-植物”的重金屬元素分布(a)與不同植物重金屬元素含量比較(b)Fig.1 The heavy metals distribution in rock-soil-plant system ofPhyllostachys glaucaforest in limestone mountain (a) and the comparison of heavy metals content in different species (b)

A= (Cp/Cn) × 100

式中：A為生物吸收系數(shù)，Cp為植物體內(nèi)某元素含量，Cn為土層元素含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

巖石、土壤和不同植物的相關(guān)指標(biāo)使用SPSS 17.0對(duì)進(jìn)行顯著性比較；利用 Microsoft Excel 2010，OriginPro 9.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理匯總和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 “巖石-土壤-植物”的重金屬元素分布特征

從巖石重金屬元素含量(圖1a)來看，Zn含量最高，達(dá)(46.11±2.53)mg/kg，是其他元素含量的幾倍到幾十倍不等，其次是Cu(6.31±1.25)mg/kg，而Pb和Co的含量都很低，在2.0 mg/kg以下。土壤4種重金屬元素含量與巖石的含量相比，都有不同程度升高，其中Pb和Co的含量增幅較大，分別為巖石的35.92和15.97倍；從土壤到植物，4種重金屬元素在植物體內(nèi)的含量均低于土壤，其中植物的Co、Cu含量相比土壤大幅度降低，分別占土壤中元素含量的1.15 %和23.60 %。

圖2 土壤中各重金屬元素的遷移積累系數(shù)Fig.2 Transportation coefficients of heavy metals in soil

不同植物種類的重金屬元素含量不同(圖1b)：枸骨的Zn含量高達(dá)(331.92±67.71)mg/kg，分別是淡竹的14.34倍、胡頹子的13.29倍、油茶的10.86倍；胡頹子、油茶、枸骨的 Pb含量在15～30 mg/kg之間，而淡竹Pb的含量只有(2.63±1.41)mg/kg，極顯著小于其他3種植物(P<0.01)；4種植物的Cu和Co含量差異不大。

2.2 “巖石-土壤-植物”的重金屬元素遷移特征

在石灰?guī)r的成土過程中，巖石的礦物及化學(xué)組成、巖層產(chǎn)狀和構(gòu)造等對(duì)土壤元素遷移、累積有重要影響[14]。通過遷移積累系數(shù)可了解土壤各元素的遷移積累特征(圖2)：4種重金屬元素在土壤中均為相對(duì)積累，遷移系數(shù)大小順序?yàn)椋篜b>Co>Cu>Zn，Pb的遷移系數(shù)高達(dá)35.92，Co居其次(15.97)，Cu和Zn的分別為6.33和4.23。淋溶系數(shù)反映土壤元素的風(fēng)化淋溶程度，4種重金屬元素的淋溶系數(shù)均為負(fù)值且數(shù)值相近，淋溶大小順序?yàn)椋篫n>Cu>Co>Pb(圖3)，該順序與遷移系數(shù)反映的情況一致。

植物生長所必需的元素主要來源于土壤，植物體內(nèi)的元素與土壤具有明顯的物質(zhì)性繼承關(guān)系[2]。生物吸收系數(shù)高于100表示植物體內(nèi)元素含量高于土壤，反之則低于土壤含量[8-9]。由石灰?guī)r山地淡竹林植物的生物吸收系數(shù)(圖4)可知，不同元素在植物體內(nèi)的累積能力大致趨勢(shì)Zn(52.60)>Pb(51.01)>Cu(23.59)>Co(1.15)。其中只有枸骨的Zn生物吸收系數(shù)(170.06)大于100，即Zn在枸骨體內(nèi)表現(xiàn)為累積；其他元素生物吸收系數(shù)均小于100，表示植物體內(nèi)含量小于土壤的含量，4種植物Co的生物吸收能力最弱，在0.6～1.2。

圖3 土壤中各重金屬元素的淋溶系數(shù)Fig.3 Leaching coefficients of heavy metals in soil

圖4 植物對(duì)土壤重金屬元素的生物吸收系數(shù)Fig.4 Heavy metals bio-absorption coefficients of plant

不同植物因生長習(xí)性的不同而對(duì)土壤中元素的吸收具有選擇性差異[13, 16]。4種植物對(duì)Zn的生物吸收系數(shù)(圖4)不同：淡竹、胡頹子和油茶的Zn生物吸收系數(shù)接近，在11～16之間，但枸骨的Zn吸收系數(shù)極顯著高于前3者(P<0.01)，達(dá)170.06；Pb的生物吸收系數(shù)排序?yàn)殍酃?85.65)>油茶(62.16)>胡頹子(48.10)>淡竹(8.13)，其中枸骨是淡竹的10.54倍；4種植物Co元素的生物吸收系數(shù)的差別相對(duì)較小。

3 討 論

3.1 淡竹林土壤植物的重金屬元素含量及吸收積累能力

由表1可以看出，與江西省土壤背景值和全國石灰(巖)土類背景值相比，江西瑞昌淡竹林Cu、Zn、Pb和Co元素含量均較高，與全國石灰(巖)土類背景值更為接近[23-24]；但重金屬含量均未超過我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，表明該區(qū)石灰土適用于農(nóng)林業(yè)用地。

表1 石灰土重金屬含量比較

注：土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(Ⅱ級(jí))是pH<6.5時(shí)。

在自然生境下，植物體對(duì)Cu、Zn、Pb和Co的吸收含量的正常范圍值分別是5～25，10～100，0～10和0.03～2 mg/kg[25]；Cu、Pb和Co達(dá)到1000 mg/kg，Zn達(dá)到10 000 mg/kg以上的植物才能稱為超富集植物[26]。本研究中枸骨的Zn含量，4種植物的Pb含量都超出正常范圍，但是均未達(dá)到超富集標(biāo)準(zhǔn)值。造成植物重金屬元素含量超出正常范圍的原因可能是植物對(duì)土壤元素吸收積累的物種特異性[8-9]。根據(jù)土壤和植物中重金屬含量研究結(jié)果，該石灰?guī)r山地發(fā)展淡竹和油茶作為經(jīng)濟(jì)林木是可行的。

3.2 石灰?guī)r地區(qū)重金屬遷移規(guī)律

由圖5a可知，不同地區(qū)石灰?guī)r的重金屬元素含量在總體上差別不大，安徽宿州Cu的含量和貴州花溪Co的含量明顯高于其他地區(qū)，江西瑞昌的Pb含量遠(yuǎn)低于其他地區(qū)[11-14]；當(dāng)石灰?guī)r發(fā)育成不同類型石灰土?xí)r，不同土壤的主要元素含量差異顯現(xiàn)(圖5b)，江西瑞昌和中國東部的石灰土Zn含量明顯高于其他地區(qū)，貴州花溪的Pb含量相比其他地區(qū)高于許多；然而從巖石到土壤，5個(gè)不同石灰?guī)r地區(qū)中重金屬遷移累積規(guī)律大致相同(圖6)，只有安徽宿州Cu是純遷移，江西瑞昌Pb的遷移累積系數(shù)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。由此可知不同石灰?guī)r地區(qū)巖石和土壤重金屬元素含量均有差異，但重金屬的遷聚規(guī)律大致相同，均為相對(duì)累積且遷移累積系數(shù)相近。

圖5 不同地區(qū)石灰?guī)r重金屬元素含量(a)與石灰土重金屬元素含量(b)的比較Fig.5 The comparison of heavy metals content in limestone rock from different area (a) and between different limestone soils (b)

安徽宿州數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[11]，貴州花溪數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[12]，遵義蝦子數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[13]，中國東部(廣東、湖南南部)紅色石灰土數(shù)據(jù)來自[14]；其中缺少安徽宿州Co數(shù)據(jù)和遵義蝦子Pb數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)取表層土，貴州花溪土壤元素含量取無林地和有林地的平均值；遷移累積系數(shù)經(jīng)計(jì)算得出圖6 不同地區(qū)石灰?guī)r重金屬遷移累積的比較Fig.6 Transportation coefficients of heavy metals content from different area

對(duì)于不同重金屬元素從土壤到植物的遷移能力，不少研究反映了共性趨勢(shì)：Zn>Cu>Pb。寧曉波等研究顯示，貴州花溪石灰?guī)r地區(qū)的12種定居植物的微量元素在植物體內(nèi)的吸收累積能力為Zn>Cu>Pb[8]；關(guān)共湊等研究了重金屬在土壤-水稻體系中的分布與變化，其遷移能力大致趨勢(shì)為Zn>Cu>Pb[27]；潘義宏對(duì)云南自然水域的水生植物與底泥重金屬的含量研究表明，沉水植物對(duì)底泥中重金屬的富集排序也為Zn>Cu>Pb[28]。而本研究區(qū)域重金屬元素在植物體內(nèi)的累積(生物吸收系數(shù))規(guī)律為Zn(52.60)>Pb(51.01)>Cu(23.59)>Co(1.15)，其中Pb吸收累積能力接近Zn且遠(yuǎn)高于Cu，Pb元素從巖石(0.90 mg/kg)到土壤(32.30 mg/kg)再到植物(12.06 mg/kg)的變化幅度較大，說明Pb在本研究區(qū)RSPS中具有較強(qiáng)的累積能力。

4 結(jié) 論

(1)石灰?guī)r山地淡竹林RSPS的重金屬元素遷移積累規(guī)律為：從巖石到土壤，4種重金屬元素在土壤中均相對(duì)積累；從土壤到植物，4種重金屬元素含量均低于土壤。淡竹林各植物對(duì)重金屬元素吸收具有明顯的物種特異性，枸骨的Zn含量表現(xiàn)為富集之外，其他元素在各植物體內(nèi)含量小于土壤。

(2)不同石灰?guī)r地區(qū)的巖石和土壤重金屬元素含量有差異，但重金屬從巖石到土壤均為相對(duì)累積；淡竹林植物重金屬的吸收累積與一般自然生境不同， Pb元素從巖石到土壤到植物的變化幅度較大，在該地區(qū)RSPS中具有較強(qiáng)的累積能力。

(3)該石灰?guī)r山地土壤符合我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，4種植物的Pb含量、枸骨的Zn含量超出正常范圍，但是均未達(dá)到超富集標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)土壤和植物中重金屬含量研究結(jié)果，該石灰?guī)r山地發(fā)展淡竹和油茶作為經(jīng)濟(jì)林木是可行的。