朱立安,曾清蘋,柳 勇,柯 歡,程 炯,*,張會化,李俊杰

1 廣東省科學(xué)院,廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所,華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室, 廣州 510650 2 佛山市林業(yè)科學(xué)研究所, 佛山 528222

佛山作為“粵港澳大灣區(qū)”“珠江—西江經(jīng)濟帶”快速發(fā)展的典型工業(yè)城市,是珠江西岸先進裝備制造業(yè)龍頭,是華南地區(qū)最主要經(jīng)濟中心之一[1]。過去幾十年經(jīng)濟快速發(fā)展導(dǎo)致大量污染物進入環(huán)境生態(tài)系統(tǒng),城市環(huán)境問題日益突出[2-4]。城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,是城市生態(tài)系統(tǒng)中執(zhí)行“納污吐新”負反饋機制的主要自然環(huán)境子系統(tǒng)之一,被稱為“城市之肺”[5-6]。土壤是為植物生長發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)和生長空間的載體,同時對環(huán)境污染物也具有緩沖和凈化功能,城市森林土壤通過土壤微粒的機械攔截與交換,土壤膠體的吸附、絡(luò)合與沉淀,可儲存森林生態(tài)系統(tǒng)中約90%的污染物[7]?？萋湮锸侵参锷芷诟孢^程中自然死亡或脫落的產(chǎn)物,是土壤與植物重要物質(zhì)交換通道,對重金屬有較為明顯富集作用[8],其積累和分解作為土壤與植物間重金屬的重要流轉(zhuǎn)通道[9],是重金屬在森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中再分配的主要途徑之一,同時也導(dǎo)致重金屬從土壤系統(tǒng)再次進入環(huán)境循環(huán)系統(tǒng)。2014年全國土壤污染調(diào)查顯示森林土壤林地點位超標率為10.0%,以Cd、As污染為主,近年一些研究也更多的關(guān)注了城市森林土壤重金屬污染問題,并發(fā)現(xiàn)了城市森林中喬、灌木等對土壤重金屬具有顯著消減作用,且植被類型或群落不同消減效果各異[10-12],但對城市森林土壤重金屬分布特征、形成機制、土壤系統(tǒng)和植物系統(tǒng)間流轉(zhuǎn)情況及枯落物的富集效應(yīng)等研究報道鮮見。《國家林業(yè)局關(guān)于著力開展森林城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》(林宣發(fā)〔2016〕126號)指出“森林公園建設(shè)應(yīng)使用有益于人體健康的鄉(xiāng)土樹種”。因此,在休憩型森林建設(shè)過程中,為減少枯落物分解過程中重金屬暴露率,降低人體與環(huán)境重金屬的直接接觸風(fēng)險,低富集植物對休憩型森林公園建設(shè)尤為重要,尤其在土壤背景值較高區(qū)域。

本文通過研究佛山市典型森林群落土壤重金屬的分布、凋落物對重金屬的富集特征,結(jié)合珠三角土壤重金屬背景值初步了解了該區(qū)域森林土壤重金屬負荷狀況,揭示城市森林群落土壤重金屬在土壤—植物系統(tǒng)的生態(tài)流通特點及與人身接觸健康安全環(huán)境互動影響,對城市森林建設(shè)管理、篩選重金屬富集植物和群落及其空間配置具有借鑒參考意義。

1 研究區(qū)概況

佛山市位于珠江三角洲腹地,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,又受海洋氣候調(diào)節(jié),年均氣溫20—25℃。年均降雨量1600 mm,地貌特征表現(xiàn)為塊狀山地呈棋盤狀分布、河網(wǎng)縱橫交錯,低山丘陵區(qū)多發(fā)育赤紅壤、紅壤,少量黃壤,平原區(qū)主要為水稻土和堆疊土。地帶性植被為南亞熱帶常綠闊葉林,城市森林面積58388.3 hm2(2016年),約占國土總面積的16%(濕地、園林綠地等除外),研究區(qū)林地類型以人工林和次生林為主。

根據(jù)城市森林布局(圖1),選取包括南海區(qū)的西樵山公園、佛山植物園,高明區(qū)的云勇林場、三洲水源林、泰康山公園,三水區(qū)的大南山林場、九道谷林區(qū),順德區(qū)的李小龍樂園8個林區(qū)的典型森林群落,于各林區(qū)內(nèi)遠離居民點、干擾程度較小的區(qū)域設(shè)固定樣地進行土壤調(diào)查及枯落物收集,森林群落情況見表1,0—60 cm土壤理化性質(zhì)見表2。

圖1 佛山市不同城市森林群落位置圖Fig.1 Location of different urban forest in Foshan

表1 各研究地森林群落喬木層林分特征

表2 各研究地森林群落土壤理化性質(zhì)特征(0—60 cm)

2 研究方法

2.1 群落調(diào)查與土壤樣品采集

2016年11月于各林區(qū)內(nèi)分別設(shè)置4個20 m×20 m標準樣地進行群落調(diào)查、土樣采集及枯落物收集。

群落調(diào)查：①對樣地內(nèi)所有胸徑≥2cm的喬木進行調(diào)查；②在標準樣地內(nèi)按“X”型設(shè)置5個5 m×5 m小樣地對灌木進行調(diào)查。調(diào)查項目：喬木高、胸徑、冠幅,灌木高、冠幅。

土樣采集：沿標準樣地對角線設(shè)置3個5 m×5 m取樣區(qū),于取樣區(qū)內(nèi)隨機選取3個取樣點,分別采集0—20、20—40、40—60 cm土樣,同一取樣區(qū)同一土層樣品取混合樣。在實驗室除去動植物殘體,過5 mm篩,110℃烘干后存于干燥器內(nèi)用于測定理化性質(zhì)及重金屬含量。

枯落物收集：用木樁將0.7 m×0.7 m正方形收集框固定于草本層之上,每個取樣區(qū)設(shè)置6個收集框,共48個,周期為一年,半年收集一次,為消除枯落物分解造成的重金屬含量影響,在取樣過程中按枝、葉、皮組成比例拾取未分解部分。帶回實驗室進行干燥、稱重。

2.2 分析測定方法

枯落物先用自來水沖洗,再用蒸餾水、去離子水分別沖洗3次,裝入信封內(nèi)殺青30 min(105℃)后烘干(70℃)至恒重,粉碎過0.5 mm篩后塑封,干燥保存?zhèn)溆?。植物樣品與土壤樣品均采用HCL—HNO3[13]法(體積比3:1)消解,分析過程樣品質(zhì)量控制采用標準樣品和空白樣品,所有重金屬回收率均大于95%。

土壤理化性質(zhì)采用鮑士旦[14]測定方法。重金屬元素Cr、Cu、Zn、Ni含量用原子吸收光度法測定(GB/T17141—1997)；重金屬As、Hg含量用原子熒光法測定(GB22105—2008),重金屬Cd、Pb含量用石墨爐原子吸收分光光度法測定(GB/T17141—1997)。枯落物生物量根據(jù)國家林業(yè)局《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T1721—2008)進行計算,根據(jù)各群落枯枝落葉組成稱取相應(yīng)枝葉比進行重金屬含量測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文選用重要值(Importance Value,IV)[15-16]來測度城市8個典型森林群落主要優(yōu)勢種群,公式(1)；BCF表示富集系數(shù)(bioconcentration factor)[17],TBCF為8種重金屬富集系數(shù)之和,公式(2)；枯落物重金屬通量fi,公式(3)：

(1)

(2)

fi=Li×ai

(3)

式中,IVj為群落優(yōu)勢種群重要值,RAj為相對密度、RFj為相對頻度和RPj為相對顯著度,Li和Si為某一群落枯落物重金屬含量(mg/kg)及其相應(yīng)0—60 cm土壤重金屬平均含量(mg/kg),ai表示年枯落物量,j=1,2…… 8個群落；i=1,2…… 8種重金屬。

珠江三角洲土壤重金屬含量背景值和建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控值見表3。

表3 土壤重金屬環(huán)境背景值及污染風(fēng)險管控值一覽表/(mg/kg)

背景值摘自《土壤重金屬風(fēng)險評價篩選值 珠江三角洲(DB44/T 1414—2014)》；①和②《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》(GB36600—2018).

論文所用數(shù)據(jù)均為算術(shù)平均值,數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用SPSS 18.0、Office Excel 2007軟件,圖形處理采用Office Visio 2010、OriginPro 2015、ArcMap 10.2.2軟件,采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異(P<0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 佛山城市典型森林群落土壤重金屬含量分布特征

3.1.1不同群落土壤重金屬含量差異性分析

0—60 cm土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni含量變異系數(shù)在不同群落間差異較大,范圍介于29.33%—85.65%,變幅以Pb、Zn最大,Cd、As次之,Hg、Cr、Cu、Ni最小。各群落間重金屬含量差異顯著(P<0.05),差異最大為Pb、Cr、Zn,其次As、Cu、Ni,最小為Hg、Cd,且FSBG(Cd),BLP(Pb),SZWCF(Cu、Ni),TKMP(Cr),XQSP(Hg、As、Zn)均顯著高于其他林區(qū)群落,平均含量高出1.51%—90.75%,與珠江三角洲土壤背景值(表3)相比均表現(xiàn)出不同程度升高,升高范圍1.20%—127.67%(圖2)。

3.1.2各典型群落土壤重金屬含量隨土層深度變化特征

各群落重金屬隨土層深度變化趨勢基本一致,即土層加深含量減少,且各土層間差異顯著(P<0.05)。各林區(qū)土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni土層間變異系數(shù)介于1.40%—90.70%,變幅最大為Cd、Hg,其次為As和Cu,Zn、Ni、Pb、Cr最小。除JDGFA(Hg和Zn)、SZWCF(As和Zn)、BLP(As和Pb)、YYFF(Zn)外,其余林區(qū)群落Cd、Hg、As、Pb、Zn含量均在0—20 cm最高,40—60 cm最低；Cu在FSBG、BLP、YYFF、XQSP表現(xiàn)為隨土層加深而降低,在SZWCF、TKMP、DNSFF和JDGFA變化趨勢相反；除BLP(Cr和Ni)、XQSP(Cr)、TKMP(Ni)外,其余林區(qū)群落Cr和Ni隨土層加深遞增(圖2)。

圖2 佛山城市典型森林群落土壤重金屬分布特征Fig.2 Heavy metal quality score of each sampling location in the soils of urban typical forest in Foshan

3.2 群落組成、枯落物重金屬含量及通量分析

3.2.1調(diào)查樣地森林群落組成

調(diào)查共記錄喬木31科54屬74種,XQSP喬木種類最為豐富,13科19屬27種,其次為BLP(15科22屬23種),FSBG、TKMP群落結(jié)構(gòu)單一,僅2—3種組成。FSBG、TKMP、XQSP、SZWCF、DNSFF、YYFF、BLP和JDGFA喬木層優(yōu)勢種分別為鳳凰木和小葉欖仁、馬尾松、木荷—山烏桕—假柿木姜子、尾葉桉—殼菜果—華潤楠、陰香—白楸—醉香含笑、黧蒴錐—香椿—樟樹、楝葉吳茱萸—潺槁木姜子—尖葉杜英、尾葉桉—木荷—馬尾松,重要值之和分別達93.15%、94.96%、53.61%、79.89%、72.41%、74.14%、65.37%、76.13%(表4)。8樣地記錄灌木25科54屬63種,數(shù)量少且分布零散,重要值均低于1%(表5)。

表4 佛山市8個城市森林群落喬木層重要值前6位/%

表5 佛山市8個城市森林各群落灌木層重要值前6位/%

3.2.2各群落枯落物重金屬含量、流通量及其對土壤重金屬含量影響分析

年枯落物量受樹種類型、林齡及郁閉度等因素影響,也會影響到枯落物重金屬含量及通量(表6、表7),本試驗表明植物群落不同,枯落物重金屬含量、流通量差異顯著(P< 0.05),8種重金屬群落間差異最大為Zn,最小為Hg。年枯落物量以尾葉桉—木荷—馬尾松群落(ESPC)(14.29 t/hm2)最大,陰香—白楸—醉香含笑群落(CMMC)(7.76 t/hm2)與楝葉吳茱萸—潺槁木姜子—尖葉杜英群落(ELEC)(6.2 t/hm2)最少。Cd在CMMC(1.778 mg/kg)和鳳凰木—小葉欖仁—茶樹群落(DTCC)(0.770 mg/kg)枯落物中富集最多,在8個群落中流通量介于1.77—13.8 g hm-2a-1之間；Hg、Pb、Zn、Ni累積量最多的為CMMC,在8個群落中流通量范圍依次為0—0.23、57.23—293.33、390.72—1722.72、32.61—76.75 g hm-2a-1；As和Cr在黧蒴錐—香椿—樟樹群落(CTCC)枯落物中累積量最大,在8個群落中的流通量范圍分別為1.18—40.92、14.14—251.68 g hm-2a-1；DTCC枯落物中Cu含量最高,Cu在8個群落中流通量介于82.54—270.66 g hm-2a-1之間。群落枯落物8種重金屬總流通量前三位分別為CMMC、DTCC、SSLC。

表6 不同森林群落枯落物中重金屬含量/(mg/kg)

表7 不同森林群落單位面積枯落物量及重金屬流通總量/(g hm-2 a-1)

根據(jù)土壤重金屬含量(0—60 cm)與單位面積年重金屬流通量進行相關(guān)分析,除土壤Cr、Ni與枯落物Cr、Ni呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)負相關(guān)外,其余土壤重金屬含量與枯落物重金屬流通量均未達明顯相關(guān)水平(表8)。

表8 土壤重金屬含量(0—60 cm)與枯落物重金屬通量間相關(guān)性系數(shù)

3.3 群落枯落物對土壤重金屬富集效應(yīng)

不同群落枯落物對重金屬富集效應(yīng)差異顯著,重金屬種類不同富集效應(yīng)各異(表9)。對Cd的富集效應(yīng)中,CMMC、ELEC和PC富集系數(shù)最大,分別為44.45、14.20、13.28,DTCC和CTCC富集系數(shù)最小,僅為7.7和3.40；對Hg、As、Ni富集不明顯；CMMC對Pb富集能力最強,富集系數(shù)達2.83,其余群落不明顯；對Cr的富集效應(yīng)中,SSLC與CTCC的富集能力最強,富集系數(shù)分別為4.61、1.58；CMMC、ESPC與SSLC對Cu的富集最強,富集系數(shù)分別為4.10、1.90、1.27；CMMC和DTCC對Zn的富集最明顯,富集系數(shù)分別為13.71、3.94。對重金屬富集系數(shù)和(TBCF)最大的依次為CMMC、ELEC、PC,最小的分別為DTCC、ESPC、CTCC。

表9 不同植物群落枯落物對重金屬富集系數(shù)

4 討論

城市森林土壤重金屬與人類活動關(guān)系密切,且重金屬種類不同,含量差異明顯[18],佛山城市森林土壤中以Cr平均含量最高,Pb和Ni次之,Cd和Hg含量最低。8種森林群落土壤重金屬(0—60 cm)分布特征結(jié)果表明：重金屬在大部分林分土壤中的平均含量低于珠三角土壤背景值,顯著低于《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》(GB36600—2018)第二類用地(G),Cr、Cu、Ni變異系數(shù)最小,分布均勻,3種元素可能主要受地質(zhì)因素影響較大,主要來源于土壤母質(zhì)[19]。Pb、Zn變異系數(shù)最大,BLP與YYFF(Pb),XQSP(Zn)等均不同程度超過其背景值,可能該區(qū)域土壤受外來源重金屬影響,公園、林場與自然林不同,存在較多的林分管理,且3林區(qū)位于城市中心,工業(yè)集中,人口密度大,交通擁擠[20-22],這些林區(qū)土壤重金屬Pb、Zn可能來自農(nóng)藥[23]或殺蟲劑的使用,汽車輪胎摩擦或含鉛汽油的燃燒等[24]通過干濕降塵沉降在林區(qū)土壤。研究表明,佛山城市森林土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn在0—20 cm含量較高,具有較高的表層富集特征,Cr、Ni在40—60 cm含量較高,可能是進入土壤中的Cr和Ni可移動態(tài)較多,隨土壤侵蝕和淋溶作用而遷移[25]或受地質(zhì)作用[19]影響較大。

枯落物重金屬含量及重金屬通量體現(xiàn)了植物對土壤重金屬的富集和轉(zhuǎn)運能力[26-28],而土壤重金屬含量受多方面影響,如地質(zhì)背景、大氣沉降、造林方式、坡度、金屬廢棄物、枯落物輸入等均會增加土壤表層重金屬[9,13,17,29],本研究結(jié)果顯示群落枯落物重金屬流通量與土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn含量沒有明顯相關(guān)性,可能受到外源因素影響[19-21]較大,與Cr、Ni含量呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)負相關(guān),可能受成土過程[19]及其遷移能力等因素對其在土壤中累積效應(yīng)相關(guān),一些研究表明,由于林地土壤重金屬隨土壤侵蝕和淋溶作用強烈而遷移較大,較大林齡森林土壤重金屬因淋溶作用往往高于因土壤侵蝕遷移量,且土壤酸度和有機質(zhì)絡(luò)合等也會對遷移效率產(chǎn)生影響[30-32]。

森林群落由各類植物構(gòu)成,植物種類、林齡、郁閉度等不同其所形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境,林下枯落物組成及數(shù)量不同[33-34],對土壤重金屬富集效率也有所差異?？萋湮锔患巴靠杀碚髦参锪鬓D(zhuǎn)重金屬能力的強弱,通常富集系數(shù)大于1被認為植物群落對某種重金屬在植物體內(nèi)相對富集[35]。群落植物組成不同富集能力各異,本研究結(jié)果顯示8個典型森林群落對Cd、Cu、Zn富集能力較強,尤以對Cd富集效應(yīng)突出[36](富集系數(shù)3.4—44.45),而對Hg、As、Ni的富集作用則不明顯。各群落中Cd富集效應(yīng)與綜合富集能力最高均為陰香—白楸—醉香含笑群落,系數(shù)分別達66.76、44.5,這與陳玉娟等[11]對廣州市區(qū)森林群落重金屬含量研究結(jié)論一致。陰香樹群落對重金屬富集能力強于其他森林群落,可以作為一種重金屬富集能力較強的修復(fù)植物進一步研究。同時對富集能力較低的群落如黧蒴錐—香椿—樟樹群落可用于Cd、Ni和Cu等元素含量較高區(qū)域森林公園建設(shè),可有效降低土壤重金屬所帶來的環(huán)境人身接觸健康接觸風(fēng)險。

5 結(jié)論

(1)佛山市城市森林各土壤重金屬含量在不同典型群落間差異顯著(P<0.05),差異最大為Pb、Cr、Zn,As、Cu、Ni次之,Hg、Cd最小；土層深度對重金屬含量影響顯著(P<0.05),差異最大為Cd、Hg,其次為As、Cu,最小為Zn、Ni、Pb、Cr。整體上,Cd、Hg、As、Pb、Zn在0—20 cm最高,Cr和Ni在40—60 cm最高。

(2)8種植物群落中陰香—白楸—醉香含笑群落對8種金屬的綜合富集系數(shù)(TBCF,66.76)最高,對Cd的富集效果最突出,富集系數(shù)為44.45,且對Pb、Cu、Zn也相對富集。綜合富集系數(shù)(TBCF,8.09)最低的為黧蒴錐—香椿—樟樹群落,僅對Cd、Cr、Cu相對富集,對其余重金屬富集效應(yīng)不明顯。

(3)相關(guān)性分析表明群落枯落物重金屬流通量與土壤重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn含量沒有明顯相關(guān)性,與Cr、Ni含量呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)負相關(guān)。