小興安嶺闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)中幾種微量元素的循環(huán)

王 強 陳曉梅 王希臣

(1.齊齊哈爾市梅里斯區(qū)林業(yè)局，黑龍江 齊齊哈爾 161021；2.哈爾濱市阿城區(qū)林業(yè)局，黑龍江 阿城 150030；3.虎林市林業(yè)局，黑龍江 虎林 158400)

森林每年通過不斷地把水、二氧化碳及其他無機物質合成碳水化合物、纖維素和蛋白質等來捕捉和儲存太陽能，維持二氧化碳及氧的平衡而造福于人類。在綠色植物的生命過程中，有關N，O等常量元素的生物循環(huán)早已為人們所熟知。然而與森林生存相關的一些微量元素的循環(huán)和遷移的機理，研究的還較少。本文對小興安嶺闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)中幾種微量元素的循環(huán)進行初步探討，以便為森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)提出部分基礎依據。

1 樣品的采集與測定

在位于鐵力的小興安嶺闊葉紅松林中選擇兩個采樣標準地，每個標準地的范圍為30m×20m。

1.1 植物樣品采集

植物樣品是采集優(yōu)勢樹種，樣品按樹干、枝和葉分別隨機采集，即每個樹種的各器官樣品，是由數棵至十數棵隨機樣品混合而成。風干后用塑料袋盛裝。在室內再將樹干樣品木質部和皮質部分開分別制備。采樣期集中在植物生長旺季的8月中下旬。土壤樣品，是在每個采樣標準地設2～3個采樣剖面，按土壤發(fā)生層次分別采集，每層取土約1kg(濕重)，布袋盛裝。

1.2 測試方法

本研究用火焰原子吸收法測定，Fe，Mn，Cu，Zn，Sr，回收率都在85%以上。

2 結果與分析

2.1 土壤

闊葉紅松林的土壤為暗棕色森林土。它是在森林植被長期作用下形成的，土壤母質為巖石的風化殼或其殘積、坡積物，因此具有良好的內、外排水條件，加之每年有大量的森林凋落物以有機質及灰分形式回歸土壤并參加了土壤的成土過程，因而暗棕壤獲得了特殊的土壤剖面，它具有腐殖質層(A)、淀積層(B)及母質層(C)。腐殖質層又可分為枯枝落葉層(A0)和腐殖質土層(A>A0)。層厚度一般為5cm左右，A層為10～15cm；B層厚度可達40～50cm。各發(fā)生層微量元素全量分析結果也一并列入表1。土壤中元素能被植物吸收的是元素的有效態(tài)(水溶性或代換態(tài))，從形態(tài)分析結果(表1)看，在主要生長層中，元素的有效態(tài)含量都較其下部層次(B層或C層)高，其中Zn，Cu，Sr表層(A0)高于生長層(A)，表明形態(tài)分布是反映元素遷移能力的重要標志，它與全量的分布一般不呈平行關系。

表1 暗棕壤的元素形態(tài)分布 單位：mg/kg

2.2 植物

闊葉紅松林的林分結構為復層混交異齡林，針葉樹以紅松為主，闊葉樹優(yōu)勢種有蒙古櫟、水曲柳、紫椴、糠椴、色木槭等。下木層有青楷槭、假色槭等。我們以前6種樹代表闊葉紅松林植被，為配合生物量，我們使紫椴和糠椴兩個樹種的取樣數相等并取其平均值代表極樹。各樹種微量元素分布狀況列入表2，將5種優(yōu)勢樹的生物量和生產量(地上部分)列入表3。從表3看出，闊葉紅松林葉的總生物量為7.02t/hm2，5種優(yōu)勢樹的葉生物量為5.66t/hm2，占總葉生物量的83%；5種樹的枝生物量占總枝生物量的83%；樹干占總樹干生物量的99%，表明5種優(yōu)勢樹的生物量基本代表了闊葉紅松林的生物量。從表3還可以看出，5種優(yōu)勢樹的生產量占系統(tǒng)生產量的82%，因此也基本代表了系統(tǒng)的生產量。根據生物量及生產量計算出來的生物富集量、生物吸收量分別列入表4、表5。

表2 闊葉紅松林優(yōu)勢植物的微量元素含量 單位：mg/kg(以烘干樣計算)

表3 闊葉紅松林的生物量生產量

表4 闊葉紅松林優(yōu)勢樹種的生物富集量(地上部分) 單位：kg/hm2

3 討論

3.1 不同樹種的富集量與吸收量的特點

生物富集量是衡量生物聚集環(huán)境物質能力的重要參數。從表4看出，闊葉紅松林5種元素的生物富集量表現出4個不同梯度。這個梯度對絕大部分樹種都是適用的，說明是由生態(tài)的內在因素制約，可能包括生態(tài)系統(tǒng)中各樹種之間的數量、結構以及對營養(yǎng)元素的分配等。研究表明，5種優(yōu)勢樹種中，紅松富集Mn最多，為整個生態(tài)系統(tǒng)的35%；椴樹富集Zn多，占系統(tǒng)的43%；水曲柳富集Cu，Sr，分別為系統(tǒng)總富集量的44%、53%；蒙古櫟富集Fe，占系統(tǒng)總量的37%，表明不同樹種對不同元素的累積差別較大。

表5 闊葉紅松林優(yōu)勢樹種的生物吸收量(地上部分) 單位：g/hm2·a

元素的生物富集量與吸收量的相關系數分別為:紅松r=0.98；紫椴r=0.81，水曲柳r=0.86，色木槭r=0.99，蒙古櫟r=0.99。表明生物富集量與吸收量兩者呈顯著正相關。

3.2 不同樹種歸還比例的特點

歸還比例的大小表明了不同樹種在生態(tài)系統(tǒng)中對土壤元素影響的強度，也是植物元素化學特性的重要參數。歸還的比例數大，表明該樹種在生長過程中對土壤元素影響小。闊葉紅松林5種優(yōu)勢樹種對元素的歸還比例各不相同。紅松對Zn、Mn的歸還比例較大，分別為67%和60%，表明紅松的生長對土壤中Zn、Mn含量影響較??；水曲柳對Zn的歸還比例為15%，蒙古櫟對Fe的歸還比例僅為5%，表明上述兩樹種的生長對土壤中Zn，Fe的影響較大。如果把闊葉紅松林作為整體來考慮，則5種元素的歸還比例表現三個級差：Mn歸還比例為1/2以上，Cu，Sr的歸還比例為2/5；Zn，Fe為1/3。因此認為闊葉紅松林的生長對土壤元素的影響為Zn，Fe>Cu，Sr>Mn。

3.3 采伐對元素平衡的影響

天然森林生態(tài)系統(tǒng)在一個長的循環(huán)周期(100年至數百年)中，林木自然生長、死亡，生物富集的各種元素陸續(xù)歸還土壤，被分解后又不斷地被樹木重新吸收富集，物質相對平衡，森林永續(xù)繁茂。

人工采伐是對森林生態(tài)系統(tǒng)正常運轉的一種干擾。我們就以較合理的擇伐為例，闊葉紅松林的擇伐強度一般為40%～50%，加上幼樹的壓折和開辟運材道路，使擇伐強度可達50%以上。按著富集量的1/2計算，擇伐一次，就等于從每公頃林地把8.8kg的Mn，18.9kg的Fe，3.9kg的Zn，0.53kg的Cu等從系統(tǒng)中取走，使這些數量的各種元素不能參加再循環(huán)。這些微量元素的損失會給森林更新造成不利影響。當然這種影響較之農作物收獲(往往是把全部生物量取走，而且周期僅為一年)對系統(tǒng)的影響小得多，可是如果土壤中上述元素的有效態(tài)含量較少，而且又是對某種樹木十分敏感的元素，則對生態(tài)平衡的影響就會加大。因此研究森林不同生態(tài)系統(tǒng)的元素富集量、吸收量以及土壤元素有效態(tài)的生物吸收臨界值，有選擇性地施行森林施肥是十分必要和有意義的。

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