湘潭锰矿废弃地栾树人工林微量元素生物循环

2013-12-21罗赵慧田大伦田红灯徐露燕李雄华

生态学报 2013年20期

罗赵慧，田大伦，* ，田红灯，徐露燕，李雄华

(1.中南林业科技大学，长沙 410004;2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，长沙 410004)

对矿产资源开发形成的废弃地是一种典型的退化生态系统［1］，矿区废弃地修复及其土壤生态稳定已成为国内外生态和环境工作者关注的重大科学问题之一。植物修复以低成本、来源广、无二次污染、绿色生态等优点，已成为矿区废弃地较为理想的修复治理途径。湖南因有色金属矿山引起的铅、镉、汞、砷等重金属污染面积达2.8万km2，占全省总面积的13%［2］。20世纪80年代以来，我国矿区废弃地的生态修复工作已受到科技工作者的高度重视，并获得了较多的成果，特别是在经济发达的东南地区，矿区废弃地的复垦利用已受到普遍的关注。目前有关矿区废弃地植被修复过程中形成的人工林生态系统的研究主要集中在:植被修复过程与特征［3-6］，林分生物量［7-8］及生长规律［9］，土壤动物、微生物和酶活性［10-12］及理化性质［13］等方面，而该类型人工林生态系统的养分循环研究的仍较少，仅田大伦等［14］对锰矿区栾树与杜英混交林生物循环进行了研究。由于养分循环是森林生态系统中一个非常复杂和重要的功能过程之一，直接影响着林地生产力和肥力水平［15-16］，对森林生态系统的稳定、功能的发挥和生态效益的表现具有重要的意义［17］。因此，有必要对矿区废弃地修复植物的养分循环作进一步的研究。为此，本文以湘潭锰矿5年生栾树人工林为研究对象，分析了栾树与土壤中重金属含量及生物循环，探讨了它们作为锰污染区修复和锰矿区生态恢复备选植物群的可行性，为提高系统的养分利用率和最大限度地提高生产力，丰富矿区植被恢复理论与实践提供参考，以期对矿区废弃地植被恢复与重建的物质循环机制的揭示提供科学依据。

1 试验地概况

湘潭锰矿矿渣废弃地矿区位于湖南省湘潭市北部约14km处，年均气温17.4℃;年均降水量1431.4mm。区域内由矿石废弃物、矿渣和选矿后的尾矿泥、煤气灰、城市生活生产垃圾等形成的一种特殊的退化生态系统，主要是草本植物种类，如艾蒿(Lavandulaefolia)、灯心草(Juncus effusus)、五节芒(Miscanthus floridulu)、一年蓬(Erigeron annuns)等。2008年在矿区的矿渣废弃地采用2年生栾树(Koelreuteria paniclata)(苗高1.3 m，地径 1.5 cm)实生苗，挖穴(0.5m×0.5m×0.5m)，客土 1.0kg，苗木根系蘸黄土浆进行人工造林恢复，株行距为1.0 m×1.3 m。目前植物生长状况良好。2011年10月在造林地设置标准地测定林木胸径和树高，并计算林分的平均胸径、平均树高、单株生物量、林分生物量和林分生产力(表1)。

表1 样地林分特征Table 1 Characteristics of the investigated stands

2 研究方法

2.1 林分生物量测定

在研究区林分内，设置固定标准地2块，样地面积667m2。在样地林分内林木按克拉夫特分级法进行每木调查，求算林分平均测树因子。然后依据林木各生长级的Ⅰ至Ⅴ级和平均木的测树因子各选择其标准木1株，共6株，在现场将标准木从树干基部伐倒，用分层切割法，按1m区分段，测定标准木枝、叶、干(包括树皮)和根的鲜重，根系采取全挖法，分层分级(根头、大根(d＞0.5cm)、粗根(0.2＜d＜0.5cm)、细根(d＜0.2cm))测定鲜重。然后按各器官分别采取小样本1.0kg，置于80℃烘箱中烘至恒重，求出各器官的干重［16］。林木单株生物量由6株标准木的平均值求得;林分生物量由林木单株生物量乘以林分株数求得;林分生产力采用年平均生长量估算。

2.2 林分枯枝落叶层现存量测定

在样地内随机设置4个1m×1m的小样方，按未分解、半分解和已分解3个层次全收获测定鲜重，再抽取亚样本1.0 kg，置于80℃烘箱中烘至恒重。

2.3 土壤样品采集

在植被恢复地和距样地400m外空旷对照地各设置4个样地，每个样地设置3个采样点，每个采样点按0—15、15—30、30—45cm层次，分别取土样1kg，共采土样72个。去除石砾与杂物，风干后过20目和100目筛，备用。在取样地采取环刀法，取各点各层土样，用于测定土壤容重，用小铝盒取土测定土壤含水量。

2.4 化学分析方法

植物和土壤中 Cu、Fe、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co 全量均采用 AA-7000 型原子吸收仪测定。

2.5 数据处理

数据用 Excel2003和SPSS13.0软件处理。

采用利用系数、循环系数和周转时间等生物循环系数来分析微量元素循环特征，其中利用系数为吸收量与贮存量的比值，表明林木维持其生长所需的元素量;循环系数为归还量与吸收量的比值，表明元素的循环强度;周转时间为微量元素经历一个循环周期所需的时间，由微量元素的总贮量与归还量的比值来表示［17］。

生物循环过程可用吸收量=存留量+归还量来进行表达［17］。

生物吸收系数=(鲜叶叶中某元素的含量/表土中相应元素含量)×100

生物迁移系数=(鲜叶中某元素养分含量/落叶中相应元素含量)×100

生物分解系数=(鲜叶中某元素含量/凋落物中相应元素的含量)×100

生物返还系数=(凋落物中某元素含量/表土层相应元素含量)×100［19］

3 结果与分析

3.1 栾树林微量元素分布特征

3.1.1 林地土壤中微量元素含量

栾树人工林土壤各微量元素的含量如表2所示，在栾树人工林土壤中，Fe含量最高，Mn次之，Cd最低。各微量元素含量的顺序为:Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Co＞Cd。其中，Mn、Fe 含量存在数量级差异，Co、Cd 含量与Fe、Mn、Zn、Pb均有数量级差异。各元素在土壤层中的垂直分布，Fe、Mn、Co、Cd含量随深度增加而增加，表明这四种元素易被雨水淋溶而向下迁移。其他元素的含量随深度的变化未表现出一致的规律性，表明这几种元素被淋溶向下迁移不明显。林地土壤各微量元素含量均比对照地低，其中Mn与对照地相比降低量最多，达78.578%。说明栾树对该尾矿废弃地中的土壤重金属元素具有一定的改良作用，尤其是对Mn的改良更为显著。经过4a的植物修复，除Fe以外的其他几种重金属元素的含量仍超过湖南省土壤背景值，但除Cd以外，土壤中其他重金属元素都有不同程度的下降。这可能是因为土壤本身重金属含量高，植物修复时间较短，但也与植物对重金属富集能力有限有关。

3.1.2 林地枯枝落叶层微量元素含量

表3列出了栾树林枯枝落叶层中不同元素在不同分解阶段的元素含量。可以看出，栾树林地枯落物在分解过程中除Mn和Co从未分解到半分解阶段分别增加了0.186%和17.518%，但从半分解到已分解阶段含量分别减少0.194%和57.543%以外，其余元素随时间的推移含量均呈增加趋势，说明仅有Mn和Co从半分解到已分解阶段向土壤中迁移，其余各元素在不同分解过程中均出现了不同程度的积累和富集，其中，Pb和Ni元素增加量最多，分别为75.381%和73.495%。由此可见，不同的微量元素在不同的分解阶段其含量不完全相同，同一种微量元素在不同的分解阶段含量也不相同。此外，各元素在不同阶段含量没有显著差异，在分解过程中，Mn元素含量均高于其他元素，与Cu、Pb、Co、Ni、Cd均存在数量级差异。

表2 林地土壤微量元素含量Table 2 Microelements concentration in the forest soil

表3 林地枯枝落叶层微量元素含量Table 3 Microelements concentration in the litter floor/(mg/kg)

3.1.3 林木中微量元素含量的变化规律

表4给出了栾树各组分微量元素的含量，可以看出，枝中Fe含量最高，与粗根、细根和叶中Fe含量没有显著差异，但与干、皮、根头和大根均有显著差异，说明Fe主要集中在枝、叶和细根中;叶中Mn含量与枝、细根没有显著差异，与其他器官都有显著差异，说明Mn主要集中在叶中;由显著性检验可以看出Cu元素主要集中在干中;Zn主要集中在干和叶中;Pb主要集中在叶中，而皮和根头中Pb含量不及其他器官;枝、叶、粗根和细根中Co的含量要高于干、皮、根头和大根，且前者与后者含量存在显著差异;Ni主要集中在叶和枝中，且其他组分Ni含量没有显著差异;枝和叶总Cd含量存在差异，而与其他器官均无显著差异，说明Cd主要集中在枝中，叶中较少，其他器官中Cd含量比较均匀。从各组分微量元素总量来看，叶与其他器官都有显著差异，由此可以看出，叶作为主要的呼吸器官，对微量元素的需求量和积累量要高于其他器官。说明，因器官对元素需求量和富集能力的差异，同一种元素在不同器官的含量存在差异。各器官元素含量顺序为:叶＞枝＞细根＞皮＞粗根＞大根＞根头＞干。表明林木各器官微量元素含量的差异是随器官的结构和功能而变化的。林木中各元素总量依次为:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cd＞Cu＞Ni＞Co。值得注意的是，Pb一般被视为重金属元素，对植物生长有毒害作用，但栾树林木中Pb的高含量并没有对林木生长产生危害，而且能够正常生长，一方面是由于干材和根头对Pb的富集以及叶以凋落物的形式将部分Pb转移到植物体外，降低了Pb对植物体的毒害，另一方面也与栾树林木对Pb具有耐性等有关。

表4 林木各组分中微量元素含量Table 4 Microelements concentration in different organs of Koelreuter paniculata trees

3.2 栾树林微量元素贮存

从表5可以看出栾树林微量元素总贮量为15.272kg/hm2。不同微量元素总贮量中以Mn最高，为6.783kg/hm2，Fe 其次，为 4.781kg/hm2，Ni最低，为 0.050kg/hm2。各微量元素总贮量高低顺序为:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞Co＞Ni。从各器官的分配情况来看，树干和枝的生物量最大，为 20.202t/hm2，，占林分总生物量的59.203%，贮存的微量元素占林分总贮量的54.204%。树叶和树皮的生物量为5.969t/hm2，占林分总生物量的17.493%，贮存的微量元素占30.474%。从微量元素贮存总量的分配来看:干、枝、叶的贮存量与其他器官存在显著差异，这是因为贮存量大小是生物量和含量共同作用的结果。

表5 栾树林微量元素的贮存量Table 5 The storage and distribution of microelements in Koelreuter paniculata plantation

3.3 栾树林微量元素生物循环特征

3.3.1 存留量

微量元素年存留量指植物各器官在单位时间(1a)内积累的微量元素总量，其数值大小由林分生产力和微量元素含量共同决定。表6列出了栾树林微量元素的年存留量。可以看出，栾树林年存留量为2.504 kg·hm－2·a－1，其中，地上部分年存留量为2.036kg·hm－2·a－1，占林分年总存留量的81.310%。地下部分年存留量为0.468kg·hm－2·a－1，占林分年总存留量的18.690%。可见，栾树林中微量元素主要存留于地上部分。

表6 栾树林微量元素的年净积累量Table 6 The annual net accumulation of microelements in Koelreuter paniculata plantations

3.3.2 生物循环特征

从表7可以看出，栾树林微量元素年吸收量为5.255kg·hm－2·a－1。且微量元素不同，吸收量也有差异，对各元素的吸收量以 Mn 最高，Fe其次，Co最低，各微量元素的吸收量顺序为:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞ Ni＞Co。

表7 微量元素的生物循环Table 7 Biological cycling of microelements in Koelreuter paniculata plantation

鉴于栾树为落叶阔叶树种，林木叶所含微量元素，当年形成，当年归还，故在林分微量元素存留量中不予计算，而将它们列入归还量中［19］。从表7可知，总归还量为2.751kg·hm－2·a－1，其中，Mn元素归还量最高，为1.646 kg·hm－2·a－1，Co元素归还量最低，为0.006kg·hm－2·a－1，两者相差329.2倍。各微量元素归还量的顺序为Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cd＞Co。因本次研究未将降水茎流和林冠流归还量及死根的归还量计入，仅计算了栾树叶的归还量，故其结果比实际值稍低。

从表7还可以看出，林分各元素的总利用系数为2.394，其中，Mn元素最高，Cu元素最低，这主要是因为土壤中Mn含量高，也可能与林木在生长过程中对Mn的需求量高有关;Cu和Cd的周转期较长，表明流动性较小。

再从表7中看出，栾树林对Mn元素的吸收能力最强，Zn其次，最弱为Fe，表明栾树林对土壤中的8中微量元素的吸收能力存在差异。

栾树对Fe、Pb、Ni的返还系数要高于吸收系数，而其他元素的返还系数要低于吸收系数;8种元素的分解系数都高于返还系数，表明栾树对土壤中微量元素具有自我调节能力，有助于保持和稳定林地养分。

4 结论与讨论

4.1 栾树人工林土壤微量元素含量

湘潭锰矿尾矿废弃地栾树人工林土壤中8种微量元素含量Fe最高，Mn次之，Cd最低。各微量元素含量的顺序为:Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Co＞Cd。Fe、Mn、Co、Cd 含量随深度增加而增加，其他元素的含量随深度的变化未表现出一致的规律性，与马尾松人工林土壤微量元素含量的研究结果一致［17］。枯枝落叶层中，微量元素不同，在分解过程中含量不同，同一微量元素，因分解阶段不同，其含量也不相同。

4.2 栾树人工林各器官微量元素含量

栾树人工林各器官微量元素含量存在较大差异，同一器官也因微量元素不同，其含量也存在一定差异。林木中各器官微量元素含量的差异是随器官的结构和功能而变化［19］，其含量表现为叶＞枝＞细根＞皮＞粗根＞大根＞根头＞干。赵广亮等［20］研究发现，油松林各组分养分含量的变化趋势为:叶最高，树干最低，与本研究结果相一致。各微量元素含量最高的是 Mn，其次为 Fe，依次排序为:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cd＞Cu＞Ni＞Co。王凌晖等［21］对南宁马占相思人工林微量元素分布与生物循环的研究结果表明，不同林龄马占相思各器官中微量元素含量多数以Mn最高，其次是Fe;方晰等［22］研究结果表明，杉木人工林微量元素含量Mn最高，Fe其次。均与本研究结果相同。表明Mn、Fe是植物生长所必须的微量元素，且需求量较大。

4.3 栾树人工林微量元素循环特征

栾树人工林微量元素贮存量为 15.272kg/hm2，其中以 Mn最高，达到 6.783kg/hm2，Fe其次，为 4.781 kg/hm2，Co最低，为0.050kg/hm2。树干和树枝的贮存量最大，为8.278kg/hm2，贮存的微量元素占林分总贮量的54.204%。地上部分生物量为16.171t/hm2，占林分总生物量的76.696%，贮存的微量元素占林分总贮量的84.678%，地下部分生物量为7.952t/hm2，占林分总生物量的23.304%，贮存的微量元素占林分的15.322%。由此可以看出，微量元素主要集中在地上部分的干和枝中，且以Mn和Fe为主，说明栾树不仅能较好的将各种微量元素由地下转移到地上，而且对Mn和Fe表现出较强的富集能力和较高的耐性，可作为锰、铁矿区土壤修复的树种。

栾树人工林微量元素年存留量为2.504kg·hm－2·a－1，年归还量为2.751kg·hm－2·a－1，在生物循环过程中，能直接补给土壤较多的养分，供林木重新吸收和利用，有利于林地养分的维持。栾树林微量元素年吸收量为5.255kg·hm－2·a－1，且微量元素不同，吸收量也有差异。

林分微量元素总循环系数为3.138，周转时间为11.203a。其中Fe、Mn、Ni的循环系数较大，周转时间较短，流动性也较大，而Cu和Cd的周转时间较长，流动性较小。栾树对Mn的吸收能力最强。栾树对各元素的吸收能力为:Mn＞Zn＞Pb＞Cd＞Co＞Ni＞Cu＞Fe，说明林木在生长过程中对微量元素的利用具有选择性。8种元素的分解系数要高于返还系数，表明栾树林分自我调节养分的能力和培肥土壤的能力强，有利于林地生产力的维持。可作为锰矿废弃地生态恢复过程中的优选树种。

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