冀北山地主要林分類型土壤微量元素特征

付立華 張菲 于士濤 孟凡松

摘 要：以燕山北部山地的楊樺天然次生林和華北落葉松人工林為研究對象，分析了10、20、30a表層土壤（0～10cm）Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb等6種微量元素的特征，探討了土壤大量元素及pH對土壤微量元素的影響。結果表明：（1）2種林分類型中6種微量元素含量的大小排序均為Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu;（2）6種微量元素含量均表現(xiàn)為楊樺天然次生林略高于華北落葉松人工林，但未達到顯著水平;（3）6種微量元素含量在2種林分類型中均是10a時的含量最低，隨林齡增加表現(xiàn)出累積的趨勢;（4）土壤C、N、P、Ca元素與6種微量元素呈正相關，K，Na，Mg，pH值則為負相關，6種微量元素間為正相關。

關鍵詞：微量元素;森林土壤;天然林;人工林

中圖分類號 S714.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0123-04

Abstract： The natural secondary forest of poplar birch and larch plantation in mountain area of Northern Hebei were investigated in this study， and we took the surface soil （0～10 cm） from with different forest ages （10a， 20a， and 30a） in these two forest types. The concentrations of Fe、 Mn、 Cu、 Zn、 Ni、 Pb were tested， and the influences of soil macro elements and pH to these microelements also were analyzed. The main results are as follows： （1） on the whole， the content of microelements decreased by order of Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu in both these two forests. （2） the contents of all soil microelements were slightly higher in natural secondary forest than that in larch plantation， although there was no significant difference. （3） the contents of all soil microelements were lowest at the age of 10 years in both these two forests， and increased with the age of forests. （4） there were positive relationships between the soil contents of C， N， P， Ca with the contents of all the six microelements， but the negative relationships between that of K， Na， Mg， pH with that of all microelements， and the positive relationships between the six microelements.

Key words： Microelement; Forest soil; Natural forest; Plantation

土壤是植物正常生長的基礎，可以給植物提供其生長所必要的營養(yǎng)元素 [1]。植物所需營養(yǎng)元素包括大量元素、中量元素以及微量元素。一般把植物體內含量（干重）低于0.01%的元素稱為微量元素[2]。雖然微量元素在植物體內含量很低，但是對于植物生長有很重要的作用。因此研究土壤微量元素的含量及其在不同生態(tài)系統(tǒng)的差異具有重要科學意義和應用價值。

在以往研究中，關于土壤微量元素的研究主要是在農作物中。研究表明，雖然微量元素在作物中含量極低，但作用卻很大，對于作物的產(chǎn)量、品質等產(chǎn)生的影響不可忽視[3-7]。然而，土壤微量元素對于自然生態(tài)系統(tǒng)，尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)的研究則相對較少，有學者對青海、陜蒙、貴州等地的森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微量元素進行了研究[8-10]，主要分析了不同林分類型、不同深度等土壤微量元素的特征及其影響因素。我國人工林面積已是世界之最，進行大面積的人工造林后對土壤微量元素如何影響、是否會造成微量元素損失目前并不是很清楚。燕山北部山地是京津冀地區(qū)的生態(tài)屏障和重要水源地，在區(qū)域環(huán)境和碳平衡中發(fā)揮了重要作用。20世紀60年代以來，華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）以其抗旱、耐寒、速生、材質優(yōu)良特性成為該地區(qū)人工造林的主要樹種。本文以該地區(qū)的楊樺天然次生林和華北落葉松人工林2種主要林分類型為研究對象，分析了10、20、30a森林表層土壤（0～10cm）Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb等6種微量元素的特征，并探討了土壤大量元素及pH值對土壤微量元素的影響，以期從土壤微量元素的角度為指導林業(yè)生產(chǎn)實踐提供參考。

1 研究地概況

研究區(qū)位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣大頭山鄉(xiāng)（41°35′～42°40′N，116°32′～117°14′E），地處灤河上游地區(qū)，北與渾善達克沙地南緣相望。屬于壩下地形區(qū)，地勢西北高，東南低，海拔750～1850m。該地屬北溫帶-中溫帶、半濕潤-半干旱、大陸性季風型山地氣候，年均溫約3.3°C，年降水約300～560mm，風向多變，氣溫變化劇烈，土壤類型主要有棕壤、褐土、灰色森林土、黑土等。該地區(qū)主要的林分類型為楊樺天然次生林和華北落葉松人工林，樣地立地條件和林分生長情況如表1所示。

2 研究方法

2.1 土壤取樣 分別選取楊樺天然次生林和華北落葉松人工林10、20、30a林齡梯度，盡量保證坡向、坡位、坡度等立地條件一致，每個林齡梯度設置3個20m×20m樣地。于2018年7—8月進行土壤樣品采集，分別在每個樣地對角線3個4等分點處取0～10cm土壤，共獲取樣品54個。

2.2 樣品處理及指標測定 將收集的土壤樣品風干過2mm篩，用球磨儀和瑪瑙灰漿研磨機磨成細粉用于元素分析。一部分土樣用元素分析儀（Vario MAX CN Elemental Analyzer， Elementar， Hanau， Germany）測定出土壤C，N元素的含量;另一部分土樣消煮后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES， Optima5300 DV， Perkin Elmer， Waltham， USA）測定P、K、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb等元素的含量。土壤pH值用土壤pH計測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理 用方差分析法研究2種林分類型不同林齡之間微量元素的差異，用Pearson相關分析法分別研究土壤大量元素及pH與微量元素的相關性、微量元素之間的相關性。數(shù)據(jù)的基本處理和作圖在Excel中完成，數(shù)據(jù)分析在SPSS 19.0軟件中完成。

3 結果與分析

3.1 不同林齡2種林分類型土壤微量元素特征 由圖1可見，6種微量元素在2種林分類型表層土壤中含量的大小排序一致，均為Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu。楊樺天然次生林表層土壤Fe、Mn、Zn、Pb、Ni、Cu元素含量的均值分別為27736.37±1446.81、761.16±107.03、81.87±3.50、35.64±0.64、25.23±1.15、19.68±1.82mg/kg;華北落葉松人工林表層土壤Fe、Mn、Zn、Pb、Ni、Cu元素含量的均值分別為26174.10±1024.78、636.56±94.25、79.08±6.17、34.12±1.25、22.79±1.49、18.66±2.17mg/kg。表層土壤中6種微量元素的含量平均值均表現(xiàn)出楊樺天然次生林高于華北落葉松人工林的趨勢，其中，楊樺天然次生林表層土壤中Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb比華北落葉松人工林分別高約6%、20%、5%、4%、11%、4%，但是大部分沒有達到顯著水平（圖1）。6種微量元素在表層土壤中的含量在2種林分類型中均是10a時的含量最低，隨林齡增加表現(xiàn)出累積的趨勢，其中楊樺天然次生林Fe元素、Mn元素、Cu元素在20a或30a林分土壤中的含量顯著高于10a中的元素含量，華北落葉松人工林Cu元素、Zn元素在20a或30a林分土壤中的含量顯著高于10a中的元素含量。

3.2 土壤微量元素與大量元素的相關性 由表2可見：（1）2種林分類型表層土壤中6種微量元素含量與土壤大量元素及pH值的相關性如表2所示。土壤C、N、P、Ca元素與6種微量元素的含量呈正相關，土壤K，Na，Mg元素含量和土壤pH與6種微量元素的含量呈負相關。

（2）土壤C元素含量與6種微量元素含量均呈顯著正相關，其中與Ni元素為極顯著正相關;土壤N元素含量與6種微量元素含量均呈正相關，其中與Ni元素為極顯著正相關，與Fe、Mn、Zn、Pb元素顯著正相關;土壤P元素含量與6種微量元素含量均呈正相關，其中與Cn、Zn、Ni元素顯著正相關;土壤Ca元素含量與6種微量元素含量均呈正相關，其中與Fe、Mn、Cn、Zn、Ni元素顯著正相關。

（3）土壤K元素含量與6種微量元素含量均呈負相關，其中與Mn、Zn、Pb元素顯著正相關;土壤Na元素含量與6種微量元素含量均呈負相關，其中與Ni，Pb元素為極顯著正相關，與Fe、Mn、Zn元素顯著正相關;土壤Mg元素含量和pH與6種微量元素含量均呈負相關，但未達到顯著水平。

3.3 土壤微量元素之間的相關性 由表3可見，2種林分類型表層土壤中6種微量元素含量之間的相關性如表3所示。6種微量元素之間均呈正相關。其中，F(xiàn)e與Mn，F(xiàn)e與Ni，Mn與Ni，Cu與Zn之間為極顯著正相關，F(xiàn)e與Cu，Mn與Cu，Mu與Zn，Mn與Pb，Cu與Ni，Zn與Ni，Ni與Pb之間為顯著正相關，其它微量元素之間的相關性未達到顯著水平。

4 討論

（1）土壤微量元素是近年來的研究熱點，本研究分析了燕山北部山地不同林齡楊樺天然次生林和華北落葉松人工林表層土壤微量元素的特征。沈善敏[11]研究得出中國土壤Mn、Zn、Cu元素的平均含量是710.0、100.0、22.0mg/kg，本研究中楊樺天然次生林表層土壤Mn元素的含量略高于全國均值，而Zn、Cu元素含量略低于全國均值，華北落葉松人工林表層土壤的Mn、Zn、Cu元素的含量則均略低于全國均值。整體來看，研究地區(qū)土壤微量元素含量偏低，其有可能成為限制該地區(qū)森林生長的潛在因素。

（2）土壤元素含量的高低取決于輸入和輸出的差異。自然生態(tài)系統(tǒng)土壤微量元素的輸入源主要有土壤母質、植物凋落物、大氣沉降，輸出途徑主要是土壤侵蝕、雨水淋溶、植物吸收等[1， 12-13]，輸入和輸出量的大小受到氣候、地形等強烈影響。本研究中，楊樺天然次生林表層土壤中的微量元素含量整體略高于華北落葉松人工林（p<0.05）。由于這2種林分類型在土壤母質、氣候、地形等因素方面幾無差異，兩者之間的差異主要體現(xiàn)在植物種類和人類影響2個方面。研究表明，闊葉林凋落物的數(shù)量和質量一般高于同一地區(qū)的針葉純林[14]，而且天然林保肥和蓄肥能力也比人工林強[15]，但人工林對于養(yǎng)分的需求和消耗要高于天然林[16]，這些可能是本研究楊樺天然次生林土壤微量元素含量高于華北落葉松人工林的主要原因。此外，人工林受到人為影響更大，尤其是造林和撫育的過程易造成表層土壤養(yǎng)分的流失，這可能是華北落葉松人工林表層土壤微量元素較低、楊樺天然次生林較高的另一原因。

（3）楊樺天然次生林和華北落葉松人工林表層土壤微量元素含量均隨著林齡的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，說明這2種林分類型土壤微量元素含量隨時間具有累積效應，即輸入量高于輸出量。華北落葉松是燕山北部山地主要造林樹種，雖然較當?shù)靥烊淮紊滞寥牢⒘吭睾枯^低，但并未達到顯著水平，且隨著林齡的增長土壤微量元素含量出現(xiàn)增加趨勢，這說明栽植華北落葉松并未明顯降低土壤微量元素的含量，這從土壤微量元素的角度支持了營建華北落葉松人工林的可行性，可用于指導當?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)實踐。

（4）土壤有機質和pH值是影響土壤微量元素含量的主要因素。土壤有機質與微量元素含量正相關的原因，一是土壤尤其是表層土壤受到地表凋落物的重要影響，凋落物的有機物質中含有微量元素，二是微量元素能與有機化合物發(fā)生絡合作用[2]。土壤pH可影響土壤礦物的溶解度、膠體表面電性等從而影響微量元素的有效性（pH值越低微量元素有效性越高），進而間接影響微量元素的總量。本研究中，土壤N，P等元素與微量元素正相關，K、Na、Mg等元素與微量元素含量呈負相關，土壤微量元素之間呈顯著正相關。進行土壤元素之間的相關分析，不僅可探討微量元素的來源及影響因素，而且可為在一定空間上進行土壤微量元素含量的尺度拓展提供可能。

5 結論

燕山北部山地楊樺天然次生林土壤微量元素含量略高于華北落葉松人工林，隨林齡的增加，土壤微量元素含量均呈增加趨勢;在2種林分類型中，不同土壤微量元素含量均表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu;土壤不同微量元素含量之間呈現(xiàn)顯著正相關，不同土壤大量元素及pH值對微量元素的影響不同。

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（責編：王慧晴）