喀斯特城市森林微量元素生物循環(huán)的研究

王 仲 ，田大倫 ，2，寧曉波 ，3，閆文德 ，2，張勝利

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 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，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.貴州省林業(yè)廳，貴州 貴陽550001）

喀斯特城市森林微量元素生物循環(huán)的研究

王 仲1，田大倫1，2，寧曉波1，3，閆文德1，2，張勝利1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 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，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.貴州省林業(yè)廳，貴州 貴陽550001）

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)分析法，對(duì)喀斯特地區(qū)貴陽市10年生亮葉樺+意楊林、33年生麻櫟林中Cu、Zn、Mn、Ni、Co、Pb、Cd、Fe元素的含量、積累和分布、生物循環(huán)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：2種林分土壤pH值為4.49～5.03，為酸性土壤，微量元素含量Fe 最高，Mn 次之，Cd 最低；林木中微量元素以Mn最高，為195.41～646.67 mg·kg-1；林木組織器官葉中含Cu量最高，為52.04～75.38 mg·kg-1；根中含F(xiàn)e量最高，為24.22～70.09 mg·kg-1；林木對(duì)土壤中Cu的富集能力最強(qiáng)，富集系數(shù)為2.68～6.71；2種林分微量元素的生物循環(huán)積累量為 18.22 ～ 589.60 kg·hm-2，存留量為 1.822 ～ 17.870 kg·hm-2a-1，歸還量為 0.621 ～ 1.942 kg·hm-2a-1，吸收量為2.442～19.813 kg·hm-2a-1，利用系數(shù)為0.034～0.134，循環(huán)系數(shù)為0.098～0.254。

喀斯特；城市森林；亮葉樺；意楊；麻櫟；微量元素；生物循環(huán)

喀斯特石漠化是土地劣化演變的極端形式之一，我國(guó)主要分布在西南地區(qū)，具有分布廣、程度深的特點(diǎn)[1]。貴州省是我國(guó)乃至世界上喀斯特發(fā)育最充分、分布面積最大的高原地區(qū)[2]，國(guó)土面積的近四分之三屬于喀斯特地區(qū)，全省有95%的市、縣為有喀斯特分布的地區(qū)[3]。

城市森林是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，被稱為“城市肺臟”，對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)持續(xù)發(fā)展及人與自然協(xié)調(diào)等方面具有舉足輕重的作用[4]，因此對(duì)城市森林及其生態(tài)功能的研究受到廣泛關(guān)注[5-7]。

養(yǎng)分循環(huán)是森林生態(tài)系統(tǒng)功能的主要表現(xiàn)形式之一，同時(shí)也是維持森林結(jié)構(gòu)及其功能穩(wěn)定的重要因素[8]。對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中大量營(yíng)養(yǎng)元素研究較多，但是涉及到微量元素尤其3 種以上微量元素的研究并不多見[9-13]。本文中選擇貴陽市亮葉樺Betula luminifera +意楊I(lǐng)talian poplar混交林、麻櫟Sawtooth oak林為研究對(duì)象，研究了2種不同森林生態(tài)系統(tǒng)中微量元素積累及分配特征，探討了微量元素循環(huán)特征，可為喀斯特地區(qū)石漠化防治及森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴陽市地處我國(guó)西南云貴高原東部，東經(jīng)106°07'～ 107°17'， 北 緯 26°11'～ 26°55'之 間，總土地面積為8 034 km2，占貴州省總面積比例為4.56%。貴陽市屬于低緯度高海拔的高原地區(qū)，海拔1 100 m左右，最高1 659 m，最低880 m，相對(duì)高差100～200 m。屬典型性亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，年均溫度15.3℃，最熱月為7月，月均溫度為24℃；最冷月為1月，月均溫度4.6 ℃。年均總降水量為1 129.5 mm，年均相對(duì)濕度78%，年均日照時(shí)數(shù)1 148.3 h。

貴陽市土壤以酸性黃壤為主。與白云巖、石灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖等交錯(cuò)性分布，形成酸性土壤，同時(shí)發(fā)育了各種類型酸性土壤植物群落。地帶性植被為中亞熱帶濕潤(rùn)性常綠闊葉林，以殼斗科樟科Laureceae、山茶科Theaceae為主。常見的用材樹種有杉木Cunninghamia lanceolata、馬尾松Pinus massoniana、側(cè)柏 Platycladus orientalis、柏樹Cupressaceae funebris及各類櫟樹Quervus 等。在試驗(yàn)區(qū)選擇亮葉樺+意楊混交林、麻櫟林為研究對(duì)象，林分特征見表1。

表1 貴陽市2種森林類型基本情況Table 1 Basic characteristics of two forest communities in Guiyang city

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

分別在各試驗(yàn)林分內(nèi)及距離樣地300 m空曠地隨機(jī)設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)按0～15、15～30、30～45、45～60 cm 4個(gè)層次分別采取土樣0.5 kg，共采土樣48個(gè)。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石礫與雜物，自然風(fēng)干后過20目及100目篩備用。同時(shí)在取土現(xiàn)場(chǎng)用環(huán)刀法取各點(diǎn)各層土樣，用于土壤容重及孔隙度測(cè)定，用小盒取土以測(cè)定土壤含水量。

2.2 林分生物量及生產(chǎn)力的估算

在實(shí)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取亮葉樺+意楊混交林、麻櫟林2種森林類型為研究對(duì)象，各林分基本情況見表1。在2個(gè)林分內(nèi)各自設(shè)置30 m×30 m的樣地，然后進(jìn)行每木調(diào)查。由于試驗(yàn)區(qū)位于城市周邊，為了減少資源的破壞，因此在每木調(diào)查的基礎(chǔ)上按生長(zhǎng)狀況選擇生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)、中等、較差的林木各1株，亮葉樺+意楊混交林選擇6株標(biāo)準(zhǔn)木，麻櫟林只選擇平均木1株，共7株。將標(biāo)準(zhǔn)木從根際徑處伐倒，按分層切割法測(cè)定各器官的鮮質(zhì)量，樹根按土層0～15 、15～30、30～45 、45～60 cm 和根系的粗度級(jí)（細(xì)根＜0.2 cm、大根0.2～0.5 cm、粗根＞0.5 cm、根頭）采用全挖法測(cè)定其鮮質(zhì)量。抽取樣本1.0 kg帶回實(shí)驗(yàn)室，在80 ℃溫度下烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算其干質(zhì)量，推算單位面積上干物質(zhì)重，然后亮葉樺和意楊單株生物量各由3株標(biāo)準(zhǔn)木生物量平均值計(jì)算。林分生物量為林木單株生物量乘以林分株數(shù)求得。

2.3 林下植被生物量的測(cè)定

在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)各自布設(shè)4個(gè)5 m×5 m的樣方，進(jìn)行灌木調(diào)查；4個(gè)1 m×1 m小樣方調(diào)查草本及凋落物層。采用全挖法將各樣方內(nèi)的灌木、草本植物全部挖出，并將凋落物層分未分解層、半分解層、已分解層收取。對(duì)同種同類植物（灌木分地上部分及地下部分，草本植物不分器官）及凋落物各層分別稱取鮮質(zhì)量，并稱取各類小樣本1.0 kg帶回實(shí)驗(yàn)室，在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)80℃烘干至恒質(zhì)量，求出各類植物的干物質(zhì)重。

2.4 化學(xué)分析方法

土 壤 和 植 物 Cu、Fe、Zn、Mu、Pb、Cd、Ni、Co含量用Hp3510原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

2.5 數(shù)據(jù)分析

采用Spss13.0和Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型微量元素的分布特征

3.1.1 土壤中微量元素的含量

通過表2、表3可以看出，亮葉樺+意楊林森林土壤的pH值為4.49，麻櫟林為5.03，呈酸性反應(yīng)，為酸性土壤。亮葉樺+意楊林土壤中微量元素含量按高低順序?yàn)椋毫寥~樺+意楊混交林為Fe＞Mn＞Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cu＞Cd；麻櫟林為Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Co＞Cu＞Cd。

表2 亮葉樺+意楊混交林土壤微量元素的含量?Table 2 Contents of trace elements in soil layers of Betula luminifera and Italian poplar mixed forests (mg·kg-1)

表3 麻櫟林土壤微量元素的含量?Table 3 Contents of trace elements in different soil layer of Sawtooth Oak forest (mg·kg-1)

2種森林類型土壤中微量元素含量均以Fe最高，Mn次之，Cd最低。亮葉樺+意楊混交林土壤中Cu、Zn、Mn、Ni、Pb含量均隨土層深度加深而減少，而麻櫟林土壤中Cu、Zn、Mn、Ni、Pb則呈現(xiàn)隨著土層深度的加深而增加的趨勢(shì)。2種森林類型中，Mn和Cd含量顯著高于對(duì)照地（P＜ 0.05），而 Cu、Zn、Ni、Co、Pb、Fe均顯著低于對(duì)照地（P＜0.05）。

3.1.2 不同森林類型主要喬木樹種微量元素的含量

如表4、表5、表6所示，2種不同森林類型中喬木樹種各組分微量元素含量分布如下。

亮葉樺各組分微量元素含量高低順序?yàn)椋篊u，葉＞枝＞干＞皮＞根；Zn，葉＞皮＞干＞枝＞根；Mn，葉＞皮＞枝＞根＞干；Ni，葉＞根＞干＞皮＞枝；Co，葉＞皮＞枝＞根＞干；Pb，葉＞枝＞干＞皮＞根；Cd，葉＞皮＞枝＞干＞根；Fe，根＞葉＞干＞皮＞枝。意楊林為：Cu，葉＞枝＞根＞皮＞干；Zn，葉＞皮＞枝＞根＞干；Mn，根＞葉＞皮＞枝＞干；Ni，根＞葉＞皮＞干＞枝；Co，根＞葉＞皮＞枝＞干；Pb，枝＞皮＞葉＞根＞干；Cd，枝＞皮＞根＞葉＞干；Fe，根＞葉＞皮＞枝＞干。麻櫟為：Cu，葉＞枝＞根＞皮＞干；Zn，枝＞葉＞皮＞根＞干；Mn，葉＞皮＞枝＞根＞干；Ni，枝＞根＞葉＞皮＞干；Co，皮＞根＞枝＞葉＞干；Pb，枝＞葉＞皮＞干＞根；Cd，葉＞枝＞皮＞根＞干；Fe，根＞葉＞干＞枝＞皮。

表4 亮葉樺各組分微量元素的含量Table 4 Trace element contents in organs of Betula luminifera trees (mg·kg-1)

表5 意楊各組分微量元素的含量Table 5 Trace element contents in organs of Italian poplar trees (mg·kg-1)

表6 麻櫟各組分微量元素的含量Table 6 Trace element contents in organs of Sawtooth oak trees (mg·kg-1)

上述表明，不同林木的不同組分中Cu、Zn、Mn、Ni、Co、Pb、Cd、Fe元素含量不同， Cu元素在3種喬木樹種葉中含量均為最高，F(xiàn)e則在根中最高，各微量元素在各樹種各組分中的含量均不相同，這與許多研究結(jié)果是一致的[9-18]。這是由各樹種的生物學(xué)特性決定的。

3.1.3 林木對(duì)土壤微量元素的富集特征

林木所需要的微量元素主要通過根系從土壤中吸收，并根據(jù)自身需求量在體內(nèi)進(jìn)行適量的積累，土壤微量元素積累量與林木微量元素的積累量存在一定的相互關(guān)系，但不同樹種與器官對(duì)不同微量元素的積累特征各不相同，它可用富集系數(shù)即林分與土壤中某元素的含量比來進(jìn)行評(píng)定（見表7）。從表7可以看出，在2種林分的3個(gè)樹種中，Cu元素的富集系數(shù)最高，為2.68～6.71；在林木各組分中又以葉的富集系數(shù)最大，為5.11～10.54；而Fe元素最低，為0.001 1～0.001 8，尤以林木的干、皮、枝的富集系數(shù)低而明顯。

表7 林木對(duì)土壤微量元素的富集系數(shù)Table 7 Enrichment coefficients of trace elements in trees to soil

再?gòu)谋?可以看出，亮葉樺和麻櫟對(duì)Cu、Mn、Cd的富集能力最強(qiáng)，富集系數(shù)為1.00以上，而對(duì)Zn、Ni、Co、Pb、Fe的富集能力較弱，富集系數(shù)在1.00以下，尤以Fe明顯；意楊對(duì)Cu、Cd、Zn富集能力強(qiáng)，而對(duì)Mn、Ni、Co、Pb、Fe較弱。

由此可見，林木對(duì)土壤中微量元素的富集能力是因樹種不同或同一樹種的不同器官、土壤微量元素種類的含量狀況不同而不同。

3.2 不同林分微量元素的積累量

不同林分微量元素的積累量由林分中喬木層各樹種生物量與相應(yīng)微量元素含量相乘求得[11]。從表8可以看出，麻櫟林微量元素積累量為589.60 kg·hm-2；亮葉樺 + 意楊林為 18.22 kg·hm-2，其中亮葉樺的微量元素積累量為12.90 kg·hm-2，意楊為5.32 kg·hm-2。

從表8還可以看出，麻櫟林中微量元素的積累量按高低順序?yàn)椋篗n(515.05 kg·hm-2)＞Cu(21.25 kg·hm-2) ＞ Fe(19.32 kg·hm-2) ＞ Zn(11.69 kg·hm-2)＞ Pb（7.19 kg·hm-2）＞ Co（5.62 kg·hm-2）＞ Ni（4.61 kg·hm-2） ＞ Cd（4.37 kg·hm-2）； 亮 葉 樺 + 意 楊林 為：Mn（10.96 kg·hm-2） ＞ Fe（2.16 kg·hm-2）＞ Cu（1.81 kg·hm-2） ＞ Zn（1.69 kg·hm-2） ＞ Cd（1.12 kg·hm-2）＞ Pb（0.17 kg·hm-2）＞ Co（0.16 kg·hm-2）＞ Ni（0.15 kg·hm-2）。

再?gòu)谋?可看出，林分不同，微量元素積累量不同；同一林分中，因樹種不同微量元素積累量不同；同一樹種中，因林木組分不同，微量元素積累量不同；就是同一林分或不同林分或同一樹種，或林木各組分相同或不相同，都因元素不同其積累量也不盡相同。這是與林分生物量和微量元素含量而緊密關(guān)聯(lián)的。

表8 不同林分微量元素的積累量Table 8 Accumulation and distribution of trace elements in different arbor trees (kg·hm-2)

3.3 不同森林類型微量元素生物循環(huán)特征

3.3.1 存留量

樹木微量元素存留量也稱之為微量元素的積累速率或凈積累量，指植物各組分在單位時(shí)間（通常以一年為基本單位）內(nèi)積累的微量元素的總量?？捎脴淠靖鹘M分凈生長(zhǎng)量與其微量元素含量的乘積之和求得樹木微量元素存留量[14-18]。本研究林分主要喬木樹種均為落葉喬木，葉在當(dāng)年生又以凋落物形式返回給林地土壤，所以葉的微量元素量不計(jì)于存留量中，而將其計(jì)于歸還量中[18]。

從表9可以看出，不同森林生態(tài)系統(tǒng)微量元素存留量為：麻櫟（17.870 kg·hm-2a-1）＞亮葉樺+意楊混交林（1.822 kg·hm-2a-1），微量元素存留量均以Mn最高，Ni最小。

3.3.2 歸還量

微量元素的歸還量為各喬木樹種葉的生物量與其對(duì)應(yīng)的各微量元素含量乘積。

表9 不同森林生態(tài)系統(tǒng)微量元素的存留量Table 9 Retention of trace elements in different forest communities (kg·hm-2a-1)

由表10所示，2種森林生態(tài)系統(tǒng)中微量元素歸還量為亮葉樺+意楊混交林（0.621 kg·hm-2a-1）＜麻櫟林（1.943 kg·hm-2a-1），這是因?yàn)橛捎?3年生麻櫟林葉的生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10年生亮葉樺+意楊混交林葉的生物量，因此歸還量也大。亮葉樺+意楊混交林及麻櫟林中均以Mn元素歸還量最高（0.449 kg·hm-2a-1，1.631 kg·hm-2a-1），Ni元 素 歸還量最低（0.004 kg·hm-2a-1，0.008 kg·hm-2a-1）。因本次研究未將降水中及死根的歸還量計(jì)算在內(nèi)，所以稍低于實(shí)際值。

表10 不同森林生態(tài)系統(tǒng)微量元素的歸還量Table 10 Trace element return in different forest communities (kg·hm-2a-1)

3.3.3 生物循環(huán)特征

生物循環(huán)是指森林土壤與森林植被之間元素的周轉(zhuǎn)及流動(dòng)過程，它是由吸收、存留及歸還3個(gè)過程完成。根據(jù)生物循環(huán)的平衡公式：吸收量=存留量+歸還量[15-19]，計(jì)算出2種城市森林年吸收微量元素量，并以歸還量與吸收量之比計(jì)算循環(huán)速率。

從表11可以看出，亮葉樺+意楊林微量元素吸收量為2.442 kg·hm-2a-1，麻櫟林微量元素吸收量為19.813 kg·hm-2a-1。Mn元素吸收量最大，亮葉樺+意楊混交林為1.55 kg·hm-2a-1，占總吸收量比例為63.43%，麻櫟林為17.241 kg·hm-2a-1，占總吸收量比例為87.02%。

表11 不同森林生態(tài)系統(tǒng)微量元素生物循環(huán)Table 11 Biological cycle of trace elements in different forest communities (kg·hm-2a-1)

從表11還可以看出，亮葉樺+意楊混交林微量元素利用系數(shù)為0.134，循環(huán)系數(shù)為0.254；麻櫟林微量元素利用系數(shù)為0.034，循環(huán)系數(shù)為0.098。

4 結(jié) 論

亮葉樺+意楊混交林和麻櫟林土壤pH值分別為4.49、5.03，均為酸性土壤；微量元素含量均為Fe最高，分別為424.42、13817.38 mg·kg-1；Mn次之，為 286.98 mg·kg-1和 520.25 mg·kg-1；Cd 最低，為 4.70 mg·kg-1和 4.93 mg·kg-1。2 種林分土壤中，微量元素含量及分布規(guī)律與桂中丘陵區(qū)馬尾松人工林內(nèi)土壤中微量元素的含量及分布規(guī)律基本一致[18]。

2類林分的林木中，微量元素的含量因樹種不同而含量不同，如Zn在亮葉樺中平均含量為41.90 mg·kg-1，意楊中為 50.55 mg·kg-1，麻櫟中為14.89 mg·kg-1。同一樹種因組分不同，其微量元素含量也不盡相同，如Mn元素在亮葉樺的葉中含量為989.94 mg·kg-1，而在根系中的含量為191.34 mg·kg-1，兩者相差5倍。這是由林木的遺傳學(xué)和生物學(xué)特征所決定的。

亮葉樺和麻櫟對(duì)土壤中Cu、Mn、Cd的富集能力較強(qiáng)，意楊則對(duì)Cu、Zn、Cd的富集能力較強(qiáng)，這與樹種土壤微量元素種類的含量狀況相關(guān)。

10年生亮葉樺+意楊林微量元素的積累量為18.22 kg·hm-2，33 年生麻櫟 林 為 589.60 kg·hm-2，兩者相差32倍。表明林分中微量元素的積累量是與林分年齡、生物量及微量元素含量緊密相關(guān)的。

2類林分中微量元素生物循環(huán)特征為：亮葉樺+意楊林微量元素存留量為1.822 kg·hm-2a-1，歸還量 0.621 kg·hm-2a-1，吸收量 2.442 kg·hm-2a-1；麻櫟林微量元素存留量為17.870 kg·hm-2a-1，歸還量1.943 kg·hm-2a-1，吸收量 19.813 kg·hm-2a-1。

城市森林對(duì)于城市生態(tài)環(huán)境的改善、提高人類生活環(huán)境質(zhì)量具有重要作用。當(dāng)前在建設(shè)生態(tài)文明城市之際，城市森林已成為主體，尤其是喀斯特地區(qū)的城市，森林更顯示出重要地位。本研究結(jié)果可為喀斯特地區(qū)城市森林的保護(hù)和管理及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

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Study on trace elements biological cycle in urban forests of karst areas

WANG Zhong1, TIAN Da-lun1,2, NING Xiao-bo1,3, YAN Wen-de1,2, ZHANG Sheng-li1
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3.Forestry Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China)

By using field examples and experimental analysis methods, the concentration, accumulation, spatial distribution,decomposition and biological cycle of eight trace elements (Cu, Zn, Mn, Ni , Co, Pb, Cd, Fe) in 10-year-old Betula luminifera and Italian poplar mixed forest and 33-year-old Sawtooth oak forest were investigated. The results show that the pH of two stands soil was 4.49～5.03 and the soils were acidic, the concentration of Fe had the highest value among the eight trace elements, following by Mn, and Cd had the lowest concentration in the soils; the concentration of Mn was 195.41 ～ 646.67 mg·kg-1in trees and Mn had the highest value, Cu had the highest concentration of 52.04 ～ 75.38 mg·kg-1in leaves; Fe had the highest concentration of 24.22 ～ 70.09 mg·kg-1in roots; Cu had the highest enrichment factor of 2.68 ～ 6.71; accumulation amounts of trace elements in two stands was 18.22 ～ 589.60 kg·hm-2, retention amount was 1.822 ～ 17.870 kg·hm-2a-1, return amount was 0.621 ～ 1.942 kg·hm-2a-1, absorption amount was 2.442～ 19.813 kg·hm-2a-1, utilization coeff i cient was 0.034～ 0.134, cycling coeff i cient was 0.098～ 0.254.

karst; urban forest; Betula luminifera; Italian poplar; Sawtooth oak; trace elements; biological cycle

S718.55+4.2

A

1673-923X(2013)07-0107-07

2013-02-16

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200904031）；國(guó)家林業(yè)局項(xiàng)目（201042）；湖南省科技廳項(xiàng)目（2010TP4011-3）；湖南省教育廳項(xiàng)目（湘財(cái)教字[2010]70號(hào)）

王 仲（1984-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究工作

田大倫（1939-），女，湖南長(zhǎng)沙人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事森林生態(tài)學(xué)教學(xué)研究工作；E-mail：csufttdl@126.com

[本文編校：謝榮秀]