湘潭錳礦廢棄地欒樹人工林微量元素生物循環

羅趙慧，田大倫，* ，田紅燈，徐露燕，李雄華

(1.中南林業科技大學，長沙 410004;2.南方林業生態應用技術國家工程實驗室，長沙 410004)

對礦產資源開發形成的廢棄地是一種典型的退化生態系統［1］，礦區廢棄地修復及其土壤生態穩定已成為國內外生態和環境工作者關注的重大科學問題之一。植物修復以低成本、來源廣、無二次污染、綠色生態等優點，已成為礦區廢棄地較為理想的修復治理途徑。湖南因有色金屬礦山引起的鉛、鎘、汞、砷等重金屬污染面積達2.8萬km2，占全省總面積的13%［2］。20世紀80年代以來，我國礦區廢棄地的生態修復工作已受到科技工作者的高度重視，并獲得了較多的成果，特別是在經濟發達的東南地區，礦區廢棄地的復墾利用已受到普遍的關注。目前有關礦區廢棄地植被修復過程中形成的人工林生態系統的研究主要集中在:植被修復過程與特征［3-6］，林分生物量［7-8］及生長規律［9］，土壤動物、微生物和酶活性［10-12］及理化性質［13］等方面，而該類型人工林生態系統的養分循環研究的仍較少，僅田大倫等［14］對錳礦區欒樹與杜英混交林生物循環進行了研究。由于養分循環是森林生態系統中一個非常復雜和重要的功能過程之一，直接影響著林地生產力和肥力水平［15-16］，對森林生態系統的穩定、功能的發揮和生態效益的表現具有重要的意義［17］。因此，有必要對礦區廢棄地修復植物的養分循環作進一步的研究。為此，本文以湘潭錳礦5年生欒樹人工林為研究對象，分析了欒樹與土壤中重金屬含量及生物循環，探討了它們作為錳污染區修復和錳礦區生態恢復備選植物群的可行性，為提高系統的養分利用率和最大限度地提高生產力，豐富礦區植被恢復理論與實踐提供參考，以期對礦區廢棄地植被恢復與重建的物質循環機制的揭示提供科學依據。

1 試驗地概況

湘潭錳礦礦渣廢棄地礦區位于湖南省湘潭市北部約14km處，年均氣溫17.4℃;年均降水量1431.4mm。區域內由礦石廢棄物、礦渣和選礦后的尾礦泥、煤氣灰、城市生活生產垃圾等形成的一種特殊的退化生態系統，主要是草本植物種類，如艾蒿(Lavandulaefolia)、燈心草(Juncus effusus)、五節芒(Miscanthus floridulu)、一年蓬(Erigeron annuns)等。2008年在礦區的礦渣廢棄地采用2年生欒樹(Koelreuteria paniclata)(苗高1.3 m，地徑 1.5 cm)實生苗，挖穴(0.5m×0.5m×0.5m)，客土 1.0kg，苗木根系蘸黃土漿進行人工造林恢復，株行距為1.0 m×1.3 m。目前植物生長狀況良好。2011年10月在造林地設置標準地測定林木胸徑和樹高，并計算林分的平均胸徑、平均樹高、單株生物量、林分生物量和林分生產力(表1)。

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

2 研究方法

2.1 林分生物量測定

在研究區林分內，設置固定標準地2塊，樣地面積667m2。在樣地林分內林木按克拉夫特分級法進行每木調查，求算林分平均測樹因子。然后依據林木各生長級的Ⅰ至Ⅴ級和平均木的測樹因子各選擇其標準木1株，共6株，在現場將標準木從樹干基部伐倒，用分層切割法，按1m區分段，測定標準木枝、葉、干(包括樹皮)和根的鮮重，根系采取全挖法，分層分級(根頭、大根(d＞0.5cm)、粗根(0.2＜d＜0.5cm)、細根(d＜0.2cm))測定鮮重。然后按各器官分別采取小樣本1.0kg，置于80℃烘箱中烘至恒重，求出各器官的干重［16］。林木單株生物量由6株標準木的平均值求得;林分生物量由林木單株生物量乘以林分株數求得;林分生產力采用年平均生長量估算。

2.2 林分枯枝落葉層現存量測定

在樣地內隨機設置4個1m×1m的小樣方，按未分解、半分解和已分解3個層次全收獲測定鮮重，再抽取亞樣本1.0 kg，置于80℃烘箱中烘至恒重。

2.3 土壤樣品采集

在植被恢復地和距樣地400m外空曠對照地各設置4個樣地，每個樣地設置3個采樣點，每個采樣點按0—15、15—30、30—45cm層次，分別取土樣1kg，共采土樣72個。去除石礫與雜物，風干后過20目和100目篩，備用。在取樣地采取環刀法，取各點各層土樣，用于測定土壤容重，用小鋁盒取土測定土壤含水量。

2.4 化學分析方法

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

2.5 數據處理

數據用 Excel2003和SPSS13.0軟件處理。

采用利用系數、循環系數和周轉時間等生物循環系數來分析微量元素循環特征，其中利用系數為吸收量與貯存量的比值，表明林木維持其生長所需的元素量;循環系數為歸還量與吸收量的比值，表明元素的循環強度;周轉時間為微量元素經歷一個循環周期所需的時間，由微量元素的總貯量與歸還量的比值來表示［17］。

生物循環過程可用吸收量=存留量+歸還量來進行表達［17］。

生物吸收系數=(鮮葉葉中某元素的含量/表土中相應元素含量)×100

生物遷移系數=(鮮葉中某元素養分含量/落葉中相應元素含量)×100

生物分解系數=(鮮葉中某元素含量/凋落物中相應元素的含量)×100

生物返還系數=(凋落物中某元素含量/表土層相應元素含量)×100［19］

3 結果與分析

3.1 欒樹林微量元素分布特征

3.1.1 林地土壤中微量元素含量

欒樹人工林土壤各微量元素的含量如表2所示，在欒樹人工林土壤中，Fe含量最高，Mn次之，Cd最低。各微量元素含量的順序為:Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Co＞Cd。其中，Mn、Fe 含量存在數量級差異，Co、Cd 含量與Fe、Mn、Zn、Pb均有數量級差異。各元素在土壤層中的垂直分布，Fe、Mn、Co、Cd含量隨深度增加而增加，表明這四種元素易被雨水淋溶而向下遷移。其他元素的含量隨深度的變化未表現出一致的規律性，表明這幾種元素被淋溶向下遷移不明顯。林地土壤各微量元素含量均比對照地低，其中Mn與對照地相比降低量最多，達78.578%。說明欒樹對該尾礦廢棄地中的土壤重金屬元素具有一定的改良作用，尤其是對Mn的改良更為顯著。經過4a的植物修復，除Fe以外的其他幾種重金屬元素的含量仍超過湖南省土壤背景值，但除Cd以外，土壤中其他重金屬元素都有不同程度的下降。這可能是因為土壤本身重金屬含量高，植物修復時間較短，但也與植物對重金屬富集能力有限有關。

3.1.2 林地枯枝落葉層微量元素含量

表3列出了欒樹林枯枝落葉層中不同元素在不同分解階段的元素含量?？梢钥闯?，欒樹林地枯落物在分解過程中除Mn和Co從未分解到半分解階段分別增加了0.186%和17.518%，但從半分解到已分解階段含量分別減少0.194%和57.543%以外，其余元素隨時間的推移含量均呈增加趨勢，說明僅有Mn和Co從半分解到已分解階段向土壤中遷移，其余各元素在不同分解過程中均出現了不同程度的積累和富集，其中，Pb和Ni元素增加量最多，分別為75.381%和73.495%。由此可見，不同的微量元素在不同的分解階段其含量不完全相同，同一種微量元素在不同的分解階段含量也不相同。此外，各元素在不同階段含量沒有顯著差異，在分解過程中，Mn元素含量均高于其他元素，與Cu、Pb、Co、Ni、Cd均存在數量級差異。

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

表3 林地枯枝落葉層微量元素含量Table 3 Microelements concentration in the litter floor/(mg/kg)

3.1.3 林木中微量元素含量的變化規律

表4給出了欒樹各組分微量元素的含量，可以看出，枝中Fe含量最高，與粗根、細根和葉中Fe含量沒有顯著差異，但與干、皮、根頭和大根均有顯著差異，說明Fe主要集中在枝、葉和細根中;葉中Mn含量與枝、細根沒有顯著差異，與其他器官都有顯著差異，說明Mn主要集中在葉中;由顯著性檢驗可以看出Cu元素主要集中在干中;Zn主要集中在干和葉中;Pb主要集中在葉中，而皮和根頭中Pb含量不及其他器官;枝、葉、粗根和細根中Co的含量要高于干、皮、根頭和大根，且前者與后者含量存在顯著差異;Ni主要集中在葉和枝中，且其他組分Ni含量沒有顯著差異;枝和葉總Cd含量存在差異，而與其他器官均無顯著差異，說明Cd主要集中在枝中，葉中較少，其他器官中Cd含量比較均勻。從各組分微量元素總量來看，葉與其他器官都有顯著差異，由此可以看出，葉作為主要的呼吸器官，對微量元素的需求量和積累量要高于其他器官。說明，因器官對元素需求量和富集能力的差異，同一種元素在不同器官的含量存在差異。各器官元素含量順序為:葉＞枝＞細根＞皮＞粗根＞大根＞根頭＞干。表明林木各器官微量元素含量的差異是隨器官的結構和功能而變化的。林木中各元素總量依次為:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cd＞Cu＞Ni＞Co。值得注意的是，Pb一般被視為重金屬元素，對植物生長有毒害作用，但欒樹林木中Pb的高含量并沒有對林木生長產生危害，而且能夠正常生長，一方面是由于干材和根頭對Pb的富集以及葉以凋落物的形式將部分Pb轉移到植物體外，降低了Pb對植物體的毒害，另一方面也與欒樹林木對Pb具有耐性等有關。

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

3.2 欒樹林微量元素貯存

從表5可以看出欒樹林微量元素總貯量為15.272kg/hm2。不同微量元素總貯量中以Mn最高，為6.783kg/hm2，Fe 其次，為 4.781kg/hm2，Ni最低，為 0.050kg/hm2。各微量元素總貯量高低順序為:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞Co＞Ni。從各器官的分配情況來看，樹干和枝的生物量最大，為 20.202t/hm2，，占林分總生物量的59.203%，貯存的微量元素占林分總貯量的54.204%。樹葉和樹皮的生物量為5.969t/hm2，占林分總生物量的17.493%，貯存的微量元素占30.474%。從微量元素貯存總量的分配來看:干、枝、葉的貯存量與其他器官存在顯著差異，這是因為貯存量大小是生物量和含量共同作用的結果。

表5 欒樹林微量元素的貯存量Table 5 The storage and distribution of microelements in Koelreuter paniculata plantation

3.3 欒樹林微量元素生物循環特征

3.3.1 存留量

微量元素年存留量指植物各器官在單位時間(1a)內積累的微量元素總量，其數值大小由林分生產力和微量元素含量共同決定。表6列出了欒樹林微量元素的年存留量?？梢钥闯觯瑱铇淞帜甏媪袅繛?.504 kg·hm－2·a－1，其中，地上部分年存留量為2.036kg·hm－2·a－1，占林分年總存留量的81.310%。地下部分年存留量為0.468kg·hm－2·a－1，占林分年總存留量的18.690%?？梢?，欒樹林中微量元素主要存留于地上部分。

表6 欒樹林微量元素的年凈積累量Table 6 The annual net accumulation of microelements in Koelreuter paniculata plantations

3.3.2 生物循環特征

從表7可以看出，欒樹林微量元素年吸收量為5.255kg·hm－2·a－1。且微量元素不同，吸收量也有差異，對各元素的吸收量以 Mn 最高，Fe其次，Co最低，各微量元素的吸收量順序為:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞ Ni＞Co。

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

鑒于欒樹為落葉闊葉樹種，林木葉所含微量元素，當年形成，當年歸還，故在林分微量元素存留量中不予計算，而將它們列入歸還量中［19］。從表7可知，總歸還量為2.751kg·hm－2·a－1，其中，Mn元素歸還量最高，為1.646 kg·hm－2·a－1，Co元素歸還量最低，為0.006kg·hm－2·a－1，兩者相差329.2倍。各微量元素歸還量的順序為Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cd＞Co。因本次研究未將降水莖流和林冠流歸還量及死根的歸還量計入，僅計算了欒樹葉的歸還量，故其結果比實際值稍低。

從表7還可以看出，林分各元素的總利用系數為2.394，其中，Mn元素最高，Cu元素最低，這主要是因為土壤中Mn含量高，也可能與林木在生長過程中對Mn的需求量高有關;Cu和Cd的周轉期較長，表明流動性較小。

再從表7中看出，欒樹林對Mn元素的吸收能力最強，Zn其次，最弱為Fe，表明欒樹林對土壤中的8中微量元素的吸收能力存在差異。

欒樹對Fe、Pb、Ni的返還系數要高于吸收系數，而其他元素的返還系數要低于吸收系數;8種元素的分解系數都高于返還系數，表明欒樹對土壤中微量元素具有自我調節能力，有助于保持和穩定林地養分。

4 結論與討論

4.1 欒樹人工林土壤微量元素含量

湘潭錳礦尾礦廢棄地欒樹人工林土壤中8種微量元素含量Fe最高，Mn次之，Cd最低。各微量元素含量的順序為:Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Co＞Cd。Fe、Mn、Co、Cd 含量隨深度增加而增加，其他元素的含量隨深度的變化未表現出一致的規律性，與馬尾松人工林土壤微量元素含量的研究結果一致［17］。枯枝落葉層中，微量元素不同，在分解過程中含量不同，同一微量元素，因分解階段不同，其含量也不相同。

4.2 欒樹人工林各器官微量元素含量

欒樹人工林各器官微量元素含量存在較大差異，同一器官也因微量元素不同，其含量也存在一定差異。林木中各器官微量元素含量的差異是隨器官的結構和功能而變化［19］，其含量表現為葉＞枝＞細根＞皮＞粗根＞大根＞根頭＞干。趙廣亮等［20］研究發現，油松林各組分養分含量的變化趨勢為:葉最高，樹干最低，與本研究結果相一致。各微量元素含量最高的是 Mn，其次為 Fe，依次排序為:Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cd＞Cu＞Ni＞Co。王凌暉等［21］對南寧馬占相思人工林微量元素分布與生物循環的研究結果表明，不同林齡馬占相思各器官中微量元素含量多數以Mn最高，其次是Fe;方晰等［22］研究結果表明，杉木人工林微量元素含量Mn最高，Fe其次。均與本研究結果相同。表明Mn、Fe是植物生長所必須的微量元素，且需求量較大。

4.3 欒樹人工林微量元素循環特征

欒樹人工林微量元素貯存量為 15.272kg/hm2，其中以 Mn最高，達到 6.783kg/hm2，Fe其次，為 4.781 kg/hm2，Co最低，為0.050kg/hm2。樹干和樹枝的貯存量最大，為8.278kg/hm2，貯存的微量元素占林分總貯量的54.204%。地上部分生物量為16.171t/hm2，占林分總生物量的76.696%，貯存的微量元素占林分總貯量的84.678%，地下部分生物量為7.952t/hm2，占林分總生物量的23.304%，貯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為主，說明欒樹不僅能較好的將各種微量元素由地下轉移到地上，而且對Mn和Fe表現出較強的富集能力和較高的耐性，可作為錳、鐵礦區土壤修復的樹種。

欒樹人工林微量元素年存留量為2.504kg·hm－2·a－1，年歸還量為2.751kg·hm－2·a－1，在生物循環過程中，能直接補給土壤較多的養分，供林木重新吸收和利用，有利于林地養分的維持。欒樹林微量元素年吸收量為5.255kg·hm－2·a－1，且微量元素不同，吸收量也有差異。

林分微量元素總循環系數為3.138，周轉時間為11.203a。其中Fe、Mn、Ni的循環系數較大，周轉時間較短，流動性也較大，而Cu和Cd的周轉時間較長，流動性較小。欒樹對Mn的吸收能力最強。欒樹對各元素的吸收能力為:Mn＞Zn＞Pb＞Cd＞Co＞Ni＞Cu＞Fe，說明林木在生長過程中對微量元素的利用具有選擇性。8種元素的分解系數要高于返還系數，表明欒樹林分自我調節養分的能力和培肥土壤的能力強，有利于林地生產力的維持?？勺鳛殄i礦廢棄地生態恢復過程中的優選樹種。

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