東北闊葉紅松林腐殖質層土壤微量元素有效性及影響因素

馮 盼, 張玉革, 田圣賢, 楊 山, 劉賀永, 李 慧, 姜 勇

(1. 沈陽大學 環(huán)境學院, 遼寧 沈陽 110044;2. 中國科學院 沈陽應用生態(tài)研究所, 遼寧 沈陽 110016)

森林生態(tài)系統(tǒng)微量元素循環(huán)在陸地生態(tài)系統(tǒng)微量元素循環(huán)中起到至關重要的作用,微量元素缺乏可導致一些重要樹種的生長受限[1].除受成土母質、地形、氣候條件等因素影響外,森林演替過程中生物地球化學循環(huán)對微量元素的富集也具有重要影響[2-3];由針葉林轉變?yōu)殚熑~林植被,腐殖質層土壤微量元素全量Cu積累和固持增加,而全Zn和全Mn含量降低[4].森林土壤酸化可導致土壤中Mn含量的增加,影響植物對鹽基離子的吸收,從而抑制樹木的生長[5].針葉林與闊葉林凋落物在物理性質(如葉表面積)和化學性質(如pH、C含量及木質素、纖維素比例等)具有較大差別,立地不同的針葉闊葉樹比例對腐殖質層土壤的微量元素積累具有較大的影響[4].土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效態(tài)含量主要受到土壤微量元素全量、有機C、pH、交換性陽離子含量的影響[6-7],植物對微量元素的吸收還受到土壤中各種微量元素有效態(tài)含量、元素比值以及微量元素間拮抗作用等的影響[5],如不同氣候帶和海拔的林下土壤有效態(tài)微量元素含量及比值,對喬木和灌木樹干、枝條、葉片和細根中微量元素含量及微量元素的化學計量比均有顯著影響[8].

東北闊葉紅松(Pinuskoraiensis)混交林是中國東北地區(qū)的地帶性植被,對該區(qū)域土壤腐殖質層土壤微量元素有效態(tài)含量及影響因素的研究,可進一步了解闊葉紅松林微量元素生物富集及元素循環(huán)特征.本文依托東北地區(qū)闊葉紅松林長期固定監(jiān)測樣地,測定了不同緯度梯度土壤腐殖質層微量元素的有效態(tài)含量,分析了土壤有機碳、酸堿度、交換性鹽基總量等基本化學性質對土壤有效態(tài)微量元素Fe、Mn、Cu、Zn含量及元素比值的影響,并探討微量元素有效態(tài)含量與緯度梯度、年平均降水量、年平均氣溫、針葉與闊葉樹蓄積量比之間的關系,以期為了解土壤微量元素分布狀況及東北闊葉紅松林生態(tài)保育提供基礎資料和數(shù)據(jù)參考.

1 研究區(qū)概況與研究方法

研究地點位于中國東北地區(qū)東部闊葉紅松林分布帶固定監(jiān)測樣地,包括黑龍江、吉林、遼寧三省,共涉及約9個緯度;每個固定樣地為1 hm2.闊葉紅松林分布帶屬溫帶大陸性氣候,樣帶年平均氣溫為-1.93～5.08 ℃,海拔227～913 m,年平均降水量為572～1 097 mm,土壤呈酸性,有機C含量高,各樣點針葉闊葉樹木積量比值為0.25～15.92,土壤類型以山地腐殖質暗棕壤和山地棕壤為主(表1).

表1 東北闊葉紅松林土壤采樣地點分布Table 1 Distribution of soil sampling sites in broad-leaved Pinus koraiensis forests in Northeast China

2015年8月下旬至9月上旬,沿緯度梯度分別采集了東北地區(qū)闊葉紅松林分布帶12個固定監(jiān)測樣點土壤樣品.在每個1 hm2監(jiān)測樣區(qū)中,隨機選取5個20 m×20 m的樣方,在每個樣方內S型隨機選取5個樣點,清理凋落物層后,采集0～5 cm土壤腐殖質層樣品,5個樣點形成一個混合樣品,部分土樣風干后過2 mm篩,備用.

腐殖質層土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn含量的測定采用pH7.3的DTPA-CaCl2-TEA浸提,原子吸收光譜法(Shimadzu, AA6800, Japan)測定;土壤pH值采用酸度計法測定(水土質量比2.5∶1,PHS-3G數(shù)字pH計,上海);土壤有機C采用燃燒法,元素分析儀(Elementar Vario Micro cube, Germany)測定;土壤交換性鹽基總量(SEB)采用濃度為1 mol·L-1的NH4AcO浸提,原子吸收光譜法分別測定交換性Ca2+、Mg2+、K+、Na+含量,4種交換性鹽基離子加和[9].

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel和SPSS 11.0軟件.樣帶土壤微量元素含量及元素比值數(shù)據(jù)為5次重復的平均值±標準誤,鄧肯多重比較法檢驗數(shù)值的差異顯著性(p<0.05).

2 結果與分析

2.1 土壤有效態(tài)微量元素含量分布

圖1從左至右緯度從高到低,土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量均未表現(xiàn)出隨緯度梯度而變化的特征.土壤有效Fe含量范圍為164.73～417.38 mg·kg-1,平均含量308.05 mg·kg-1,吉林撫松樣點(J5)有效Fe含量是黑龍江方正樣點(H13)的2.53倍.各樣點土壤有效Mn含量差異顯著,平均含量164.47 mg·kg-1,黑龍江黑河樣點(H1)有效Mn含量高達385.24 mg·kg-1,有4個樣點有效Mn含量僅為62.27～84.39 mg·kg-1之間.土壤有效Cu平均含量1.77 mg·kg-1,最低值為黑河樣點(H1),吉林撫松(J4)和輝南(J5)樣點有效Cu含量較高.土壤有效Zn含量平均值22.86 mg·kg-1,遼寧清原樣點(L1)土壤有效Zn含量低至7.71 mg·kg-1,黑龍江依蘭樣點(H11)高達45.48 mg·kg-1,后者是前者的5.9倍.

樣帶4種微量元素有效態(tài)含量的比值統(tǒng)計表明,土壤有效態(tài)w(Fe)/w(Mn)平均值為2.38,最大值為吉林輝南樣點(J5)的3.91,最小值為吉林長白山樣點(J7)的0.97,前者w(Fe)/w(Mn)是后者的13倍;土壤有效態(tài)w(Zn)/w(Cu)平均值為13.81,黑龍江依蘭(H11)、黑河(H1)和涼水(H7)樣點w(Zn)/w(Cu)平均值較高,遼寧清原(L1)、吉林撫松(J4)和黑龍江方正(H13)樣點w(Zn)/w(Cu)值較低.各樣點土壤有效態(tài)w(Mn)/w(Zn)差異顯著,平均值為9.36,黑龍江黑河樣點(H1)平均值達26.4,顯著高于其他11個樣點;黑龍江依蘭(H11)、吉林輝南(J5)和遼寧桓仁(L2)樣點w(Mn)/w(Zn)分別為3.82、2.76和3.63,顯著低于黑龍江黑河(H1)和吉林長白山(J7)樣點(圖2).

圖1 腐殖質層土壤微量元素有效態(tài)含量分布Fig.1 Distribution of contents of trace elements availability in humus layer soil注: 數(shù)據(jù)為5個重復的平均值±標準誤,同一圖中數(shù)據(jù)上方不同字母表示鄧肯法檢驗差異顯著(p<0.05).下同.

圖2 腐殖質層土壤微量元素有效態(tài)含量比值

2.2 影響土壤微量元素有效態(tài)含量的主要因素

針葉闊葉樹蓄積量比值與SOC含量呈顯著正相關(r=0.590,p=0.044,n=12).微量元素含量之間,有效Fe與Mn和Cu之間、有效Cu與Zn之間正相關.在基本化學性質影響方面,土壤pH與有效態(tài)Fe、Mn及w(Mn)/w(Zn)有極顯著負相關;SOC含量與有效態(tài)Cu、Zn含量及w(Zn)/w(Cu)顯著正相關,與w(Mn)/w(Zn)顯著負相關;SEB與有效態(tài)Fe、Mn含量極顯著負相關,與有效態(tài)Cu、Zn含量極顯著正相關,與w(Mn)/w(Zn)極顯著負相關.表明土壤pH和SEB對土壤有效態(tài)Fe、Mn具有負向影響,而SOC和SEB對有效態(tài)Cu、Zn具有正向影響(表2).

表2 土壤有效態(tài)微量元素含量與土壤基本化學性質間關系(n=60)Table 2 Relationship between soil trace elements availability content and basic chemical properties (n=60)

注： 表中為60個樣本數(shù)據(jù)間的線性相關系數(shù),*和**分別表示0.05和0.01差異顯著水平.

3 討 論

森林土壤中的微量元素含量受成土母質、地形、氣候條件,以及森林演替過程中生物地球化學循環(huán)的影響[1-2].母質可能對土壤微量元素的全量影響較大,而生物地球化學循環(huán)過程及其影響下的土壤酸堿性及土壤有機質的積累可能對微量元素有效態(tài)含量具有更大的影響[1,3,10],因此,在本研究中樣帶土壤微量元素有效態(tài)含量無顯著的緯度分異現(xiàn)象.

本研究中腐殖質層土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn含量均較高,遠遠超過同地區(qū)礦質層土壤微量元素有效態(tài)含量[11].成土母質方面,鄧寶山等[6]研究發(fā)現(xiàn)暗棕壤和棕壤地帶的Zn及Cu、Mn均出現(xiàn)峰值;元素生物富集方面,樹木能夠把底層土壤微量元素通過生物循環(huán)提升到表土中來,從而增加微量元素有效性[12];第三,土壤腐殖質對微量元素(尤其中Cu和Zn)具有較強的絡合作用[10],從而增加微量元素有效性.

針葉和闊葉林凋落物元素含量及分解速率可能對微量元素循環(huán)存在較大影響[4].不同的松樹生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解半衰期存在較大的差異[13].Richardson和Friedland[4]研究發(fā)現(xiàn),由針葉林轉變?yōu)殚熑~林植被,腐殖質層土壤全Cu的積累和固持增加,而全Zn和全Mn含量降低;而針葉樹葉片中的Cu、Zn、Mn含量則高于闊葉樹葉片.本研究中,黑龍江方正樣點(H13)的針葉闊葉樹蓄積量比值僅為0.25,土壤有效Fe、Mn、Zn含量較低;遼寧清原樣點(L1)針葉闊葉樹蓄積量比值僅為0.84,土壤有效Mn和Zn含量也較低(圖1),說明樣帶紅松蓄積量占比對微量元素有效性具有正向影響.

隨著土壤pH降低,同一種土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效性一般會增加[1-2].當土壤pH降低,土壤對微量元素的專性吸附明顯減弱,Mn、Cu、Zn等的化合物的溶解度明顯增加,從而使其有效態(tài)含量增加[11].本研究中,土壤有效態(tài)Fe、Mn含量、w(Mn)/w(Zn)與pH負相關,說明酸性條件有利于活化土壤腐殖質層的Fe和Mn.在有機物分解和土壤生物呼吸過程中會產(chǎn)生電子,降低土壤氧化還原電位,把Fe3+還原成Fe2+,從而增加土壤中有效Fe含量;有機物質分解產(chǎn)生的富里酸以及微生物活動產(chǎn)生的含鐵細胞也可增加土壤中有效Fe含量[1,11].本研究中各樣點土壤的pH為4.78～5.98(表1),說明酸性土壤條件對土壤Fe、Mn的分布和有效性產(chǎn)生了顯著的影響.

通過絡合作用,土壤腐殖質與Mn2+、Zn2+、Cu2+等結合,形成具有不同溶解度的絡合物,這對于微量元素在土壤中的化學性狀和結合形態(tài)的變化、以及植物對微量元素的吸收利用等都起到很大的促進作用.富里酸生物化學轉化過程中形成的產(chǎn)物與金屬微量元素離子結合,可形成可溶的絡合物,從而可增加土壤中的有效態(tài)微量元素含量[10].本研究中,土壤有機C與有效態(tài)Cu、Zn正相關,與w(Mn)/w(Zn)負相關(表2),說明土壤腐殖質是影響有效Cu和有效Zn分布的重要因子.胡敏酸和富里酸對過渡金屬元素具有特別高的親和力,低分子量的富里酸與微量元素形成的絡合物是水解性的,這對于保持土壤溶液中的金屬微量元素含量具有重要作用[10].另外,樹木根系深且發(fā)達,可以把剖面深層的微量元素通過植物富集作用而運移到表土層,并通過凋落物、穿透雨、樹干流等生態(tài)過程進行再分配,這種機制對于富集土壤深層的微量元素是十分重要的[2].

本研究中,交換性鹽基總量與土壤有效態(tài)Fe、Mn負相關,與有效態(tài)Cu、Zn正相關(表2),這由土壤交換性陽離子與土壤有機C、pH的關系決定.一般情況下,土壤交換性鹽基總量隨土壤有機質含量、pH的升高而升高.因此,土壤pH對Fe、Mn有效性的影響,可能是通過土壤中Ca2+、Mg2+、K+、Na+交換量各鹽基離子飽和度的直接影響而體現(xiàn).有機C含量高的土壤交換性鹽基總量亦較高,因此這兩個變量對有效態(tài)Cu、Zn含量的影響均為正效應.在對礦質土壤的研究中,交換性鹽基總量與有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn含量之間一般是負相關關系[1-2].

4 結 論

東北闊葉紅松林樣帶腐殖質層土壤有機C含量高,呈酸性,有效性陽離子交換量相對較高,微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的有效性較高,表明闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)具為較強的微量元素生物富集功能.微量元素有效態(tài)含量未呈現(xiàn)明顯的緯度分異特征,但針葉闊葉樹蓄積量比值對土壤微量元素有效性有一定的影響,紅松蓄積量大、占比高可能對微量元素有效性具有正向影響.酸性土壤條件有利于提高Fe和Mn的有效性,有機C含量和交換性鹽基總量對Cu和Zn有效性具有正向影響.東北闊葉紅松林植被帶具有厚薄不同的腐殖質層,腐殖質層對元素的生物地球化學循環(huán)等生態(tài)功能均具有重要影響,是重要的生態(tài)資源,因此,對東北闊葉紅松林植被帶的保護具有重要的生態(tài)價值.