羅趙慧，田大倫，* ，田紅燈，徐露燕，李雄華

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410004;2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004)

對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)形成的廢棄地是一種典型的退化生態(tài)系統(tǒng)［1］，礦區(qū)廢棄地修復(fù)及其土壤生態(tài)穩(wěn)定已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)和環(huán)境工作者關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題之一。植物修復(fù)以低成本、來(lái)源廣、無(wú)二次污染、綠色生態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，已成為礦區(qū)廢棄地較為理想的修復(fù)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(dá)2.8萬(wàn)km2，占全省總面積的13%［2］。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復(fù)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(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南地區(qū)，礦區(qū)廢棄地的復(fù)墾利用已受到普遍的關(guān)注。目前有關(guān)礦區(qū)廢棄地植被修復(fù)過(guò)程中形成的人工林生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在:植被修復(fù)過(guò)程與特征［3-6］，林分生物量［7-8］及生長(zhǎng)規(guī)律［9］，土壤動(dòng)物、微生物和酶活性［10-12］及理化性質(zhì)［13］等方面，而該類(lèi)型人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)研究的仍較少，僅田大倫等［14］對(duì)錳礦區(qū)欒樹(shù)與杜英混交林生物循環(huán)進(jìn)行了研究。由于養(yǎng)分循環(huán)是森林生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)非常復(fù)雜和重要的功能過(guò)程之一，直接影響著林地生產(chǎn)力和肥力水平［15-16］，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、功能的發(fā)揮和生態(tài)效益的表現(xiàn)具有重要的意義［17］。因此，有必要對(duì)礦區(qū)廢棄地修復(fù)植物的養(yǎng)分循環(huán)作進(jìn)一步的研究。為此，本文以湘潭錳礦5年生欒樹(shù)人工林為研究對(duì)象，分析了欒樹(shù)與土壤中重金屬含量及生物循環(huán)，探討了它們作為錳污染區(qū)修復(fù)和錳礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)備選植物群的可行性，為提高系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率和最大限度地提高生產(chǎn)力，豐富礦區(qū)植被恢復(fù)理論與實(shí)踐提供參考，以期對(duì)礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)與重建的物質(zhì)循環(huán)機(jī)制的揭示提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

湘潭錳礦礦渣廢棄地礦區(qū)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(qū)域內(nèi)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(chǎn)垃圾等形成的一種特殊的退化生態(tài)系統(tǒng)，主要是草本植物種類(lèi)，如艾蒿(Lavandulaefolia)、燈心草(Juncus effusus)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulu)、一年蓬(Erigeron annuns)等。2008年在礦區(qū)的礦渣廢棄地采用2年生欒樹(shù)(Koelreuteria paniclata)(苗高1.3 m，地徑 1.5 cm)實(shí)生苗，挖穴(0.5m×0.5m×0.5m)，客土 1.0kg，苗木根系蘸黃土漿進(jìn)行人工造林恢復(fù)，株行距為1.0 m×1.3 m。目前植物生長(zhǎng)狀況良好。2011年10月在造林地設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)定林木胸徑和樹(shù)高，并計(jì)算林分的平均胸徑、平均樹(shù)高、單株生物量、林分生物量和林分生產(chǎn)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(cè)定

在研究區(qū)林分內(nèi)，設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)地2塊，樣地面積667m2。在樣地林分內(nèi)林木按克拉夫特分級(jí)法進(jìn)行每木調(diào)查，求算林分平均測(cè)樹(shù)因子。然后依據(jù)林木各生長(zhǎng)級(jí)的Ⅰ至Ⅴ級(jí)和平均木的測(cè)樹(shù)因子各選擇其標(biāo)準(zhǔn)木1株，共6株，在現(xiàn)場(chǎng)將標(biāo)準(zhǔn)木從樹(shù)干基部伐倒，用分層切割法，按1m區(qū)分段，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)木枝、葉、干(包括樹(shù)皮)和根的鮮重，根系采取全挖法，分層分級(jí)(根頭、大根(d＞0.5cm)、粗根(0.2＜d＜0.5cm)、細(xì)根(d＜0.2cm))測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)求得;林分生產(chǎn)力采用年平均生長(zhǎng)量估算。

2.2 林分枯枝落葉層現(xiàn)存量測(cè)定

在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置4個(gè)1m×1m的小樣方，按未分解、半分解和已分解3個(gè)層次全收獲測(cè)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(fù)地和距樣地400m外空曠對(duì)照地各設(shè)置4個(gè)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)按0—15、15—30、30—45cm層次，分別取土樣1kg，共采土樣72個(gè)。去除石礫與雜物，風(fēng)干后過(guò)20目和100目篩，備用。在取樣地采取環(huán)刀法，取各點(diǎn)各層土樣，用于測(cè)定土壤容重，用小鋁盒取土測(cè)定土壤含水量。

2.4 化學(xué)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(cè)定。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用 Excel2003和SPSS13.0軟件處理。

采用利用系數(shù)、循環(huán)系數(shù)和周轉(zhuǎn)時(shí)間等生物循環(huán)系數(shù)來(lái)分析微量元素循環(huán)特征，其中利用系數(shù)為吸收量與貯存量的比值，表明林木維持其生長(zhǎng)所需的元素量;循環(huán)系數(shù)為歸還量與吸收量的比值，表明元素的循環(huán)強(qiáng)度;周轉(zhuǎn)時(shí)間為微量元素經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)周期所需的時(shí)間，由微量元素的總貯量與歸還量的比值來(lái)表示［17］。

生物循環(huán)過(guò)程可用吸收量=存留量+歸還量來(lái)進(jìn)行表達(dá)［17］。

生物吸收系數(shù)=(鮮葉葉中某元素的含量/表土中相應(yīng)元素含量)×100

生物遷移系數(shù)=(鮮葉中某元素養(yǎng)分含量/落葉中相應(yīng)元素含量)×100

生物分解系數(shù)=(鮮葉中某元素含量/凋落物中相應(yīng)元素的含量)×100

生物返還系數(shù)=(凋落物中某元素含量/表土層相應(yīng)元素含量)×100［19］

3 結(jié)果與分析

3.1 欒樹(shù)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(shù)人工林土壤各微量元素的含量如表2所示，在欒樹(shù)人工林土壤中，F(xiàn)e含量最高，Mn次之，Cd最低。各微量元素含量的順序?yàn)?Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Co＞Cd。其中，Mn、Fe 含量存在數(shù)量級(jí)差異，Co、Cd 含量與Fe、Mn、Zn、Pb均有數(shù)量級(jí)差異。各元素在土壤層中的垂直分布，F(xiàn)e、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(xiàn)出一致的規(guī)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(duì)照地低，其中Mn與對(duì)照地相比降低量最多，達(dá)78.578%。說(shuō)明欒樹(shù)對(duì)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(duì)Mn的改良更為顯著。經(jīng)過(guò)4a的植物修復(fù)，除Fe以外的其他幾種重金屬元素的含量仍超過(guò)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?yàn)橥寥辣旧碇亟饘俸扛撸参镄迯?fù)時(shí)間較短，但也與植物對(duì)重金屬富集能力有限有關(guān)。

3.1.2 林地枯枝落葉層微量元素含量

表3列出了欒樹(shù)林枯枝落葉層中不同元素在不同分解階段的元素含量。可以看出，欒樹(shù)林地枯落物在分解過(guò)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(shí)間的推移含量均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)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(guò)程中均出現(xiàn)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(jiàn)，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(méi)有顯著差異，在分解過(guò)程中，Mn元素含量均高于其他元素，與Cu、Pb、Co、Ni、Cd均存在數(shù)量級(jí)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(guī)律

表4給出了欒樹(shù)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(xì)根和葉中Fe含量沒(méi)有顯著差異，但與干、皮、根頭和大根均有顯著差異，說(shuō)明Fe主要集中在枝、葉和細(xì)根中;葉中Mn含量與枝、細(xì)根沒(méi)有顯著差異，與其他器官都有顯著差異，說(shuō)明Mn主要集中在葉中;由顯著性檢驗(yàn)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(xì)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(méi)有顯著差異;枝和葉總Cd含量存在差異，而與其他器官均無(wú)顯著差異，說(shuō)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(lái)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(duì)微量元素的需求量和積累量要高于其他器官。說(shuō)明，因器官對(duì)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?yàn)?葉＞枝＞細(xì)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(jié)構(gòu)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(duì)植物生長(zhǎng)有毒害作用，但欒樹(shù)林木中Pb的高含量并沒(méi)有對(duì)林木生長(zhǎng)產(chǎn)生危害，而且能夠正常生長(zhǎng)，一方面是由于干材和根頭對(duì)Pb的富集以及葉以凋落物的形式將部分Pb轉(zhuǎn)移到植物體外，降低了Pb對(duì)植物體的毒害，另一方面也與欒樹(shù)林木對(duì)Pb具有耐性等有關(guān)。

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(shù)林微量元素貯存

從表5可以看出欒樹(shù)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，F(xiàn)e 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?yàn)?Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞Co＞Ni。從各器官的分配情況來(lái)看，樹(shù)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(shù)葉和樹(shù)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(lái)看:干、枝、葉的貯存量與其他器官存在顯著差異，這是因?yàn)橘A存量大小是生物量和含量共同作用的結(jié)果。

表5 欒樹(shù)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(shù)林微量元素生物循環(huán)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(shí)間(1a)內(nèi)積累的微量元素總量，其數(shù)值大小由林分生產(chǎn)力和微量元素含量共同決定。表6列出了欒樹(shù)林微量元素的年存留量?？梢钥闯?，欒樹(shù)林年存留量為2.504 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?jiàn)，欒樹(shù)林中微量元素主要存留于地上部分。

表6 欒樹(shù)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(huán)特征

從表7可以看出，欒樹(shù)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(duì)各元素的吸收量以 Mn 最高，F(xiàn)e其次，Co最低，各微量元素的吸收量順序?yàn)?Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cu＞Cd＞ Ni＞Co。

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

鑒于欒樹(shù)為落葉闊葉樹(shù)種，林木葉所含微量元素，當(dāng)年形成，當(dāng)年歸還，故在林分微量元素存留量中不予計(jì)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?yàn)镸n＞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(jì)入，僅計(jì)算了欒樹(shù)葉的歸還量，故其結(jié)果比實(shí)際值稍低。

從表7還可以看出，林分各元素的總利用系數(shù)為2.394，其中，Mn元素最高，Cu元素最低，這主要是因?yàn)橥寥乐蠱n含量高，也可能與林木在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)Mn的需求量高有關(guān);Cu和Cd的周轉(zhuǎn)期較長(zhǎng)，表明流動(dòng)性較小。

再?gòu)谋?中看出，欒樹(shù)林對(duì)Mn元素的吸收能力最強(qiáng)，Zn其次，最弱為Fe，表明欒樹(shù)林對(duì)土壤中的8中微量元素的吸收能力存在差異。

欒樹(shù)對(duì)Fe、Pb、Ni的返還系數(shù)要高于吸收系數(shù)，而其他元素的返還系數(shù)要低于吸收系數(shù);8種元素的分解系數(shù)都高于返還系數(shù)，表明欒樹(shù)對(duì)土壤中微量元素具有自我調(diào)節(jié)能力，有助于保持和穩(wěn)定林地養(yǎng)分。

4 結(jié)論與討論

4.1 欒樹(shù)人工林土壤微量元素含量

湘潭錳礦尾礦廢棄地欒樹(shù)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?yàn)?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(xiàn)出一致的規(guī)律性，與馬尾松人工林土壤微量元素含量的研究結(jié)果一致［17］。枯枝落葉層中，微量元素不同，在分解過(guò)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(shù)人工林各器官微量元素含量

欒樹(shù)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(jié)構(gòu)和功能而變化［19］，其含量表現(xiàn)為葉＞枝＞細(xì)根＞皮＞粗根＞大根＞根頭＞干。趙廣亮等［20］研究發(fā)現(xiàn)，油松林各組分養(yǎng)分含量的變化趨勢(shì)為:葉最高，樹(shù)干最低，與本研究結(jié)果相一致。各微量元素含量最高的是 Mn，其次為 Fe，依次排序?yàn)?Mn＞Fe＞Zn＞Pb＞Cd＞Cu＞Ni＞Co。王凌暉等［21］對(duì)南寧馬占相思人工林微量元素分布與生物循環(huán)的研究結(jié)果表明，不同林齡馬占相思各器官中微量元素含量多數(shù)以Mn最高，其次是Fe;方晰等［22］研究結(jié)果表明，杉木人工林微量元素含量Mn最高，F(xiàn)e其次。均與本研究結(jié)果相同。表明Mn、Fe是植物生長(zhǎng)所必須的微量元素，且需求量較大。

4.3 欒樹(shù)人工林微量元素循環(huán)特征

欒樹(shù)人工林微量元素貯存量為 15.272kg/hm2，其中以 Mn最高，達(dá)到 6.783kg/hm2，F(xiàn)e其次，為 4.781 kg/hm2，Co最低，為0.050kg/hm2。樹(shù)干和樹(shù)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(shuō)明欒樹(shù)不僅能較好的將各種微量元素由地下轉(zhuǎn)移到地上，而且對(duì)Mn和Fe表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力和較高的耐性，可作為錳、鐵礦區(qū)土壤修復(fù)的樹(shù)種。

欒樹(shù)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(huán)過(guò)程中，能直接補(bǔ)給土壤較多的養(yǎng)分，供林木重新吸收和利用，有利于林地養(yǎng)分的維持。欒樹(shù)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(huán)系數(shù)為3.138，周轉(zhuǎn)時(shí)間為11.203a。其中Fe、Mn、Ni的循環(huán)系數(shù)較大，周轉(zhuǎn)時(shí)間較短，流動(dòng)性也較大，而Cu和Cd的周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，流動(dòng)性較小。欒樹(shù)對(duì)Mn的吸收能力最強(qiáng)。欒樹(shù)對(duì)各元素的吸收能力為:Mn＞Zn＞Pb＞Cd＞Co＞Ni＞Cu＞Fe，說(shuō)明林木在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)微量元素的利用具有選擇性。8種元素的分解系數(shù)要高于返還系數(shù)，表明欒樹(shù)林分自我調(diào)節(jié)養(yǎng)分的能力和培肥土壤的能力強(qiáng)，有利于林地生產(chǎn)力的維持?？勺鳛殄i礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的優(yōu)選樹(shù)種。

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