田頭山自然保護區林地土壤理化性質與重金屬相關性研究

竇苗 陶玉柱 高瑤瑤

摘要：為揭示土壤理化性質和土壤重金屬的相關性，采用對角線法和環刀法對深圳市田頭山自然保護區3個典型常綠闊葉次生林樣地進行土壤采集，并測定其主要理化性質和重金屬含量。研究發現，0～20 cm剖面層容重最小，土壤有機質、全氮、堿解氮整體隨土層深度增加而減小;理化性質與重金屬間存在顯著或極顯著相關性。結果表明，與土壤物理性質相比，化學性質與重金屬相關性密切，通過冗余分析得出全磷、全氮、全鉀、堿解氮、pH、有機質等是影響重金屬含量的主要因子，通徑分析進一步確定土壤理化性質對重金屬活性的直接和間接效應。

關鍵詞：土壤;理化性質;重金屬;相關性

中圖分類號：S688

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2641（2022）01-0016-06

收稿日期：2021-06-09

修回日期：2021-10-12

Abstract： In order to reveal the correlation between soil Physicochemical properties and soil heavy metals， the diagonal method and circular knife method were used to collect and determine the main physicochemical properties and heavy metal contents in three typical evergreen broad-leaved secondary forest sample plots in Tiantou Mountain Nature Reserve， Shenzhen. It was found that the soil bulk density of the 0～20 cm profile layer was the smallest， and the overall soil organic matter， total nitrogen and alkaline decomposition nitrogen decreased with increasing soil depth. At the same time， there was a significant or highly significant correlation between physicochemical properties and heavy metals. The results showed that chemical properties were closely correlated with heavy metals compared to soil physical properties. Redundancy analysis led to the conclusion that total phosphorus， total nitrogen， total potassium， alkaline soluble nitrogen， pH and organic matter were the main factors affecting heavy metal content. Passage path analysis further determined the direct and indirect effects of soil physicochemical? properties on heavy metal activity.

Key words： Soil; Physicochemical properties; Heavy metal; Correlation

森林土壤是林木生長發育的基礎，為植被提供除光能以外所需的水、氣、熱、肥等養分，其肥力和質量反映了土壤為植物生長提供養分和水分的能力[1]。森林與人類活動密切相關，森林土壤中累積的重金屬通過樹木吸收和空氣循環對人類造成潛在威脅。目前，關于森林土壤理化性質的研究主要為不同海拔梯度對土壤理化性質的影響[2]，土壤酶、微生物與森林土壤關系的研究[3～4]，森林土壤理化性質與水源涵養的相關性研究[5]等方面，土壤理化性質與重金屬相關性的研究鮮少報道。深圳田頭山市級自然保護區位于深圳東部，是深圳市生物多樣性最為豐富的區域之一。對田頭山自然保護區內常綠闊葉次生林的土壤理化性質及重金屬含量進行測定分析，可以進一步加深對保護區內林木生長發育狀況的了解，為深圳市森林資源利用和管理提供理論參考。

1材料與方法

1.1 研究區概況

深圳田頭山市級自然保護區（114°18′～114°27′E，22°38′～22°43′N）位于深圳東部坪山新區坪山街道，東北鄰惠州市，東南接葵涌街道辦事處，與馬巒山郊野公園和大鵬半島自然保護區相鄰，距深圳市中心32 km。保護區的規劃面積為20.0 km2，包括田頭山及周邊山體。其屬于亞熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫22.4℃，極端高溫36.6℃，極端低溫1.4℃;年均相對濕度80%，年均降雨量1 933 mm，年平均降雨日140 d;無霜期較長，為335 d;常年主導風向為東南風，氣候溫和，夏季較長，冬季溫暖。地形以低山為主，母巖層為花崗巖，土壤多為紅壤和赤紅壤，基本呈現酸性。保護區的生物資源豐富，以熱帶和亞熱帶植被為主，代表植被類型為南亞熱帶常綠闊葉林，擁有國家珍稀瀕危植物44種，其中包括廣東木瓜紅Rehderodendron kwangtungense、鐮羽瘤足蕨Plagiogyria falcata、櫟葉柯Lithocarpus quercifolius、白桂木Artocarpus hypargyreus等[6]。

1.2樣地設置與樣品采集

2020年6月對深圳田頭山自然保護區常綠次生林進行全面勘查，在此基礎上選擇代表性區域，設置3個20 m

×20 m的樣地，開展常綠闊葉林土壤理化性質與重金屬的相關性研究。每塊樣地分別采用對角線法選取5個樣點挖掘剖面，每個剖面設5個土層深度，分別為0～20 cm（A層）、20～40 cm（B層）、40～60 cm（C層）、60～80 cm（D層）、80～100 cm（E層），僅在每層剖面的中部取樣，以此克服層次間的過渡現象①。同一樣地采集的土壤混合樣品約500 g，去除雜物和細根，用對角二分法去除多余土壤，裝入密封袋并做好標記，用于土壤化學性質的分析。

3個樣地均根據上述剖面的5個土層深度用100 m3環刀進行采樣，每層設置3個重復，做好標記用于土壤物理性質的測定。

1.3指標測定方法

按照林業行業標準《森林生態系統長期定位觀測方法》（LY/T 1952-2011）測定森林土壤理化性質（表1）。

1.4數據處理與分析

運用SPSS 17.0軟件進行均值分析和相關性分析，Canoco 5軟件進行RDA分析，Ri386 4.1.0進行通徑分析，Excel軟件繪圖。

2結果與分析

2.1不同樣地土壤理化性質分析

2.1.1土壤物理性質變化特征

1）土壤容重

A層深度的土壤容重最小，為1.14 g·cm-3，D層的最大，為1.35 g·cm-3，不同土層深度的土壤容重由大至小的排序為D層、E層、B層、C層、A層。其中，A層深度的土壤容重與其余土層的均存在顯著差異，其他土層間的土壤容重差異不顯著（圖1）。

2）土壤持水量

在最大持水量方面，A層土壤的值最大，為136.88 mm，其余土層的數值保持在120 mm上下，變化幅度較小。A層土壤最大持水量與其余土層間均存在顯著差異;除A層外的其他土層間無顯著差異。

土壤毛管持水量和最小持水量同在A層達到最大值，分別為108.30 mm、103.88 mm，E層最小，分別為88.46 mm、82.66 mm。兩方面數據均是A層與D、E層存在顯著差異，其余土層間差異均不顯著（圖2）。

3）土壤孔隙度

各土層的土壤毛管孔隙度排序為 A層>C層>B層>D層>E層，A層和D、E層存在顯著差異性。各土層的土壤總孔隙度排序為A層>C層>B層>E層>D層，A層達54.75%，且A層與其余土層均存在顯著差異性（圖3）。

4）土壤通氣性

A層土壤通氣性值最大，為21.10，C層最小，為14.05，A層與B、C、D層均有顯著相關性。結果表明隨著土層深度增加，土壤通氣性呈現先減小后增大的趨勢（圖4）。

5）小結

綜上所述，可分析得出：隨著植物的生長，枯落物分解、釋放進入土壤，能夠改善土壤理化性質，使得表層土壤密度減少、孔隙度增加，持水能力增強。這與張凱旋等[7]的研究結果基本一致。

2.1.2土壤化學性質變化特征

1）pH值

各土層間pH值無顯著差異，且維持較穩定的水平（圖5）。

2）有機質、全量氮磷鉀

在有機質方面，A層含量最大，為33.39 g/kg，D層最小，為12.59 g/kg;除土壤C層與E層間無顯著差異外，其余3個土層間均存在顯著或極顯著差異（P<0.01）。在全鉀含量方面，各土層均無顯著差異（圖6）。在全氮含量方面，各土層的含量排序為A層>B層>C層=D層=E層。A層含量為1.56 g/kg，其除與B層無顯著差異外，與其余各土層間均存在顯著差異。在全磷含量方面，各土層的排序為A層>B層=C層=D層>E層，且各土層的全磷含量無顯著差異（圖7）。

綜上可見，有機質、全氮、全磷含量均在表層土壤中最高，且隨土層深度增加基本表現為減少的趨勢。究其原因，可能是枯落物等腐殖質均在表層土壤分解，除被植物吸收利用外，便直接進入土壤表層，而下層的有機質等主要是從上層土壤淋溶所得[8]。全鉀含量的變化趨勢表現為隨土層深度增加而增大，可能是因為全鉀在土壤母質層中含量富足，有較強的養分補給能力[9]。

3）堿解氮、速效鉀、有效磷含量

堿解氮含量在 A層達到最大值，為107.34 mg/kg，D層最小，為48.01 mg/kg，各土層含量排序為A層>B層>C層>E層>D層;A層與其余土層間均存在極顯著差異（P<0.01）。速效鉀含量在A層值最大，為37.60 mg/kg，D層最小，為18.01 mg/kg;A層與其余土層間均存在顯著相關性（圖8）。此外，各土層的有效磷含量均較低，A層與其余土層間存在顯著差異性（圖9）。

2.1.3土壤重金屬含量分析

試驗結果表明，不同樣地的重金屬除全銅、全鎘外，其余元素在各土層間均無顯著差異性。全銅含量在A層與D層間存在顯著差異性，其與全鋅、全鉛含量的最大值都出現在D層，分別是22.67 mg/kg、63.92 mg/kg、92.20 mg/kg;全鎘含量排序為A層>D層>B層>C層>E層，A層與B、C、E層間均存在顯著差異性;全鉻、全鎳均在C層達到最大值，分別為50.26 mg/kg、18.64 mg/kg，A層值均最小，分別為44.76 mg/kg、16.73 mg/kg;全砷含量在B層值最高，為32.58 mg/kg，在E層值最低，為29.73 mg/kg;全汞在各土層含量均較低，排序為E層>C層>A層>B層>D層（圖10～11）。各重金屬元素在不同土層間的含量分布無明顯規律，各土層深度的重金屬含量排序均為全鉛>全鋅>全鉻>全砷>全銅>全鎳>全汞>全鎘。根據《農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）對土壤中重金屬含量進行評價，樣本的全鉛含量超標。鉛主要來自污水灌溉、礦物分解、尾氣排放等[10]，由于采樣地點靠近公路邊，汽車尾氣排放可能是鉛污染的主要原因。

對土壤重金屬元素進行相關性分析，結果表明（表2），不同土層深度對重金屬元素間的相關性無影響。全銅與全鎘、全鉻顯著正相關，與全鎳、全砷極顯著正相關;全鋅與全鉛、全鎘、全鎳、全汞存顯著正相關;全鎘與全鎳極顯著正相關，與全砷顯著正相關;全鉻與全鎳顯著正相關，與全砷極顯著正相關，與全鉛存在極顯著負相關;全鎳與全砷極顯著正相關。

2.2土壤理化性質與重金屬含量的相關性分析

2.2.1土壤物理性質與重金屬含量的相關性分析

對3個樣地的土壤物理性質與重金屬進行相關性分析，結果顯示（表3），容重與鎳元素表現為極顯著負相關;最大持水量與鉛元素存在顯著相關性;毛管持水量和毛管孔隙度與鉛、汞元素均顯著負相關;通氣性與鉛、鉻表現出極顯著相關性，與汞存在顯著相關性。

2.2.2土壤化學性質與重金屬含量的相關性分析

pH除與鉻無顯著相關性外，與其他重金屬均存在顯著或極顯著相關性，與全鋅相關系數達到0.811;有機質與鉛、鎘、鉻、鎳、砷均存在極顯著相關性;全氮與鋅、汞無顯著相關性，與全砷的相關系數較大，為0.765;全磷與全砷、全鎳的相關系數極高，分別達0.920和 0.923;全鉀僅與銅、鎳、砷不存在顯著相關性;堿解氮與鋅、汞無顯著相關性，與鉛存在顯著負相關性，與其余重金屬元素存在極顯著正相關性;有效磷僅與鎘存在極顯著相關性;速效鉀與銅有顯著相關性，與鎘、鉻、鎳和砷極顯著相關（表3）。

2.2.3土壤理化性質與重金屬含量的冗余分析

對影響樣地重金屬含量的因素進行冗余分析（RDA）得出，全磷解釋率最大為50.7%，其次為全氮，為37.2%，土壤通氣性最小，僅為7.4%。其中，全鉀、全氮、有機質對全鉻影響較大，堿解氮、速效鉀、全磷對全砷影響較大，全磷對全銅影響較大，全磷、全氮、堿解氮對全鎳、全鎘影響較大，pH、全鉀對全汞、全鋅影響較大，pH、全鉀、土壤通氣性對全鉛影響較大（圖12）。

對影響樣地土壤重金屬含量的因素進行通徑分析（圖13）可知，全磷對全銅有顯著正效應，直接通徑系數為0.99;全氮對全鉛有顯著負效應，直接通徑系數為-0.66;有機質與全氮、全磷、堿解氮均存在正效應，間接影響全銅活性，但在堿解氮的影響下，全銅的活性被減弱;速效鉀對全氮、堿解氮均有顯著正效應，間接影響全鉻活性，但在全鉛影響下，全鉻活性被減弱。由此表明除了各元素間的直接效應外，間接效應也不容忽視。

3結論與討論

3.1土壤物理性質

土壤容重以0～20 cm剖面層最小，其他層次無明顯差異;持水量、孔隙度在表層土中最大，且隨土層深度增加而減小，與王曉榮[11]對湖北省主要森林類型土壤理化性質及土壤質量的研究結論基本一致。土壤通氣性表現為隨土層深度增加而先減小后增大，這一現象可能與植物根系呼吸有關：表層土壤通氣性較好，隨著土層深度增加，容重增大，土壤的氧氣含量急劇下降，通氣性減小;隨著土層深度持續增加，植物為獲得氧氣，在根系形成具有充氣孔隙的通氣組織，補充根系周圍的氧氣，使得較深土層處的通氣性增大[12]。

3.2土壤化學性質

土壤pH在各土層基本維持在4.5左右，無顯著差異性。有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量均為表層最高，隨土層深度增加，基本表現為減少的趨勢，說明土壤營養元素具有明顯表聚性特征，與多數學者的研究結論一致[13～15]。土壤有效磷在各土層的含量無顯著差異，且含量較低，是因為在酸性的亞熱帶森林土壤中，磷元素易與鐵、鋁的氫氧化合物及其離子形成不溶性的磷化合物沉淀，導致森林土壤磷含量普遍虧缺[16]。

重金屬除全銅、全鎘外，其余元素的含量在各土層間均無顯著差異，說明不同土層重金屬的遷移性不顯著，且表層重金屬含量較低。土壤中重金屬的含量排序與古一帆[17]的結論不一致，可能是因為本研究采樣地點靠近公路邊，汽車尾氣排放導致了全鉛含量較高;同時也與李明月[18]對碧流河下游重金屬研究得出鋅和鎘含量較高的結論不符，可能是后者采樣點周圍是放牧區和海蜇皮加工廠而導致的差異。土壤中全鋅與全鉛、全鎘等重金屬元素間存在顯著相關性，說明重金屬元素間可能具有同源性。

3.3土壤理化性質與重金屬相關性

土壤理化性質與重金屬元素存在相關性。其中pH與有機質對土壤重金屬元素關系密切，與王妍[19]的研究結果不同，可能是因為本研究樣地土壤pH值較低，與堿性土壤相比，在酸性土壤中有機質對重金屬有更強的吸附性[20]。通過冗余分析得出重金屬元素活性的主要影響因子為全磷、全鉀、堿解氮、pH、有機質、速效鉀、土壤通氣性，通過通徑分析進一步說明理化性質直接和間接的效應最終影響重金屬活性。這與周曼[21]的結論基本一致，有機質可以通過多個路徑影響重金屬含量，其隨著含量增加，改變土壤膠體結構，增強吸附性。此外，全氮對全鉛產生負效應的原因可能是：土壤蔗糖酶的酶促作用對增加土壤中易溶性營養物質至關重要[22]，且與全氮元素表現為顯著正相關[23]，而與全鉛表現為顯著負相關[24]。

除了土壤理化性質的影響，植物對重金屬也有富集作用，因此重金屬活性由多種生態因子綜合影響。該研究初步分析了土壤理化性質與重金屬間的相關性，可為深圳田頭山自然保護區的管理提供參考。未來有必要結合陽離子交換量以及重金屬有效性，進一步探索土壤理化性質與重金屬間的影響機制。

注：圖片均由作者自繪

參考文獻：

[1]呂世麗，李新平，李文斌，等. 牛背梁自然保護區不同海拔高度森林土壤養分特征分析[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版）， 2013，41（4）：161-168.

[2]趙超. 不同海拔毛竹林土壤特征及肥力評價的研究[D]. 北京：北京林業大學，2011.

[3]戴凌，黃志宏，文麗，等. 長沙市不同森林類型土壤養分含量與土壤酶活性[J]. 中南林業科技大學學報，2014，34（6）：100-105.

[4] ZHANG B C，ZHOU X B，ZHANG Y M. Responses of Microbial Activities and Soil Physical-chemical Properties to the Successional Process of Biological Soil Crusts in the Gurbantunggut Desert， Xinjiang [J]. JOURNAL OF ARID LAND，2015，7（1）：101-109.

[5]孟楚，鄭小賢，王威，等. 北京八達嶺林場水源涵養林林分結構與土壤的相關性研究[J]. 西北林學院學報，2016，31（4）：99-105.

[6]趙晴，劉莉娜，陳丹，等. 深圳田頭山市級自然保護區的植物資源調查[J]. 綠色科技，2016（14）：4-7.

[7]張凱旋，商侃侃，達良俊，等. 上海環城林帶不同植物群落土壤質量綜合評價[J].南京林業大學學報（自然科學版），2015，39（3）：71-77.

[8]王麗媛. 滇中紅壤不同土地利用類型坡面土壤養分及水分的空間分布[D]. 昆明：西南林業大學，2013.

[9]謝寄托. 莽山常綠闊葉林土壤養分分布規律研究[D]. 長沙：中南林業科技大學，2014.

[10]關義新，戴俊英，林艷，等. 水分脅迫下植物葉片光合的氣孔和非氣孔限制[J]. 植物生理學通訊，1995，31（4）：293-297.

[11]王曉榮，胡文杰，龐宏東，等. 湖北省主要森林類型土壤理化性質及土壤質量[J].中南林業科技大學學報，2020，40（11）：156-166.

[12]梁永超. 土壤通氣性與植物根系代謝[J]. 土壤學進展，1994，22（4）：34-39.

[13]王凱博，時偉宇，上官周平，等. 黃土丘陵區天然和人工植被類型對土壤理化性質的影響[J]. 農業工程學報，2012，28（15）：80-86.

[14]秦娟，唐紅心，楊雪梅，等. 馬尾松不同林型對土壤理化性質的影響[J]. 生態環境學報，2013，22（4）：598-604.

[15]王月玲，王思成，李娜，等. 寧南山區退耕地不同植被類型對土壤理化性質的影響[J]. 水土保持通報，2011，31（2）：95-98.

[16]李勝藍. 中亞熱帶不同土地利用方式土壤磷素有效性與分級[D]. 長沙：中南林業科技大學，2015.

[17]古一帆，何明，李進玲，等. 上海奉賢區土壤理化性質與重金屬含量的關系[J]. 上海交通大學學報（農業科學版），2009，27（6）：601-605+623.

[18]李明月. 碧流河下游沿岸土壤特性及重金屬污染生態風險評估[D]. 大連：遼寧師范大學，2018.

[19]王妍. 呼和浩特市保護地苔蘚植物對土壤性質及重金屬的影響研究[D]. 呼和浩特：內蒙古大學，2020.

[20]陳同斌，陳志軍. 水溶性有機質對土壤中鎘吸附行為的影響[J]. 應用生態學報，2002，13（2）：183-186.

[21]周曼，徐燕，趙玉浩，等. N、P添加對亞熱帶森林土壤重金屬活性的影響[J]. 環境科學與技術，2021，44（4）：23-27.

[22]楊鵬鳴，周俊國. 不同肥料對土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性的影響[J]. 廣東農業科學，2011，38（11）：78-80.

[23]馬劍，劉賢德，金銘，等. 祁連山青海云杉林土壤理化性質和酶活性海拔分布特征[J]. 水土保持學報，2019，33（2）：207-213.

[24]趙興青，朱旭炎，黃興，等. 安徽銅陵礦區不同功能區域土壤中重金屬對微生物及酶活性的影響[J]. 環境科學研究，2019，32（12）：2139-2147.

作者簡介：

竇苗/1994年生/女/陜西渭南人/碩士/廣東省林業科學研究院（廣州510520）/科研助理/專業方向為森林康養

（*通訊作者）陶玉柱/1982年生/男/遼寧丹東人/博士/廣東省林業科學研究院（廣州 510520）/高級工程師/研究方向為森林生態學/E-mail： taoyuzhusyau@163.com

高瑤瑤/1993年生/女/陜西咸陽人/碩士/廣東省林業科學研究院（廣州 510520）/科研助理/專業方向為森林康養