基于樹輪化學(xué)元素分析的林火歷史信號(hào)初探

魏 帽，張廣迎，邴曉瑾，曾愛聰，郭新彬，郭福濤

(1 福建農(nóng)林大學(xué)a林學(xué)院,b海峽兩岸紅壤區(qū)水土保持協(xié)同創(chuàng)新中心, 福建 福州 350002;2 福建師范大學(xué)a地理科學(xué)學(xué)院,b濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福建 福州350007)

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的干擾因子[1-2]。研究指出，林火會(huì)釋放大量污染物(C、N氧化物 和PM2.5等)[3-5]及附著在污染物中的化學(xué)元素[6]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、大氣環(huán)境以及人體健康造成嚴(yán)重影響。隨著氣候變暖和人為活動(dòng)的加劇，全球林火發(fā)生頻率和強(qiáng)度呈明顯上升趨勢(shì)，造成的危害程度也在不斷加大，因此林火預(yù)防管理工作將成為林業(yè)研究的重中之重。近年來，積極開展林火歷史研究以了解其發(fā)生規(guī)律成為林火預(yù)防管理工作的重要內(nèi)容之一。目前，已有研究者通過對(duì)火疤木的分析，開展了林火歷史研究[7-8]。但由于火疤木自身的缺陷，在估計(jì)火災(zāi)發(fā)生頻率和時(shí)空格局方面存在不確定性，尤其連續(xù)火災(zāi)可能不會(huì)形成火疤，使得火災(zāi)發(fā)生年無法準(zhǔn)確確定。因此積極探索林火歷史研究的新方法，可為林火歷史的重建提供新的思路。

樹木年輪資料在基于其生長(zhǎng)指標(biāo)分析環(huán)境污染的研究中具有極大優(yōu)勢(shì)[9-10]，自Lepp[11]于1975年首次提出樹木年輪化學(xué)的概念后，利用樹輪中化學(xué)元素含量的變化，反演環(huán)境污染歷史的樹木年輪化學(xué)研究得到了長(zhǎng)足發(fā)展[12-15]。例如，美國(guó)大霧山國(guó)家公園附近冶煉含有鐵銅化物的礦石會(huì)造成樹木木質(zhì)部鐵含量增多[169]，墨西哥部分地區(qū)車輛數(shù)量增加使得附近樹木年輪中Pb含量增加[17]，我國(guó)西安某鋼鐵廠運(yùn)營(yíng)歷史與附近樹輪中Mn和Cd含量變化一致[18]，我國(guó)伊春西林鉛鋅鐵礦對(duì)樹輪中Pb含量造成顯著影響[19]。這些研究均表明，利用樹木年輪中化學(xué)元素含量的變化開展環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方面的研究，具有良好的發(fā)展前景。研究顯示，林火發(fā)生時(shí)會(huì)向環(huán)境中排放大量的污染物，附著在污染物中的化學(xué)元素會(huì)經(jīng)過植物組織吸收運(yùn)輸?shù)纫幌盗猩砘顒?dòng)積聚在木質(zhì)部中[20]。因此通過對(duì)樹木年輪中化學(xué)元素的分析，明確林火事件與樹輪化學(xué)元素含量的關(guān)系，對(duì)揭示林火發(fā)生規(guī)律以及探索林火歷史研究的新方法具有重要意義，但我國(guó)針對(duì)這方面的研究卻鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究選取隸屬于我國(guó)南方林火高發(fā)區(qū)的福建省周寧縣作為采樣區(qū)域，對(duì)取自該區(qū)域的柳杉(Cryptomeriafortunei)樹芯樣本進(jìn)行了樹木年輪化學(xué)分析，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)出樣本近10年12種化學(xué)元素(P、K、Ca、Mg、B、Cu、Fe、Mn、Zn、Na、Al和Ni)的含量，并分析2015年火災(zāi)發(fā)生前后各元素含量的變化，試圖初步探究林火對(duì)柳杉木質(zhì)部化學(xué)元素含量的影響，以期為林火歷史的研究提供新方法，并為未來重建林火歷史開拓新途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

周寧縣位于福建省東北部，屬中亞熱帶季風(fēng)山地氣候，植被屬常綠溫暖照葉林地帶。據(jù)調(diào)查，該地主要喬木優(yōu)勢(shì)樹種包括杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、油杉(KeteleeriafortuneiCarrire)、柳杉(C.fortunei)。受地形和植被等影響，該地區(qū)林火具有面積小、頻率高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)[21]。 2015年4月5日發(fā)生火災(zāi)，過火面積360 hm2，燒毀林地面積265 hm2。

1.2 樣品采集與處理

由于柳杉具有樹干通直、年輪清晰易辨、對(duì)環(huán)境要素響應(yīng)明顯以及對(duì)CO2、SO2等吸附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[22-23]，因此選擇柳杉為研究對(duì)象。為保證樣品采集背景一致，減少由機(jī)動(dòng)車、工廠等排放的污染元素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采樣區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)離市區(qū)與公路。2020年8月在周寧縣采集柳杉樹輪樣本，采樣地選擇發(fā)生森林火災(zāi)的過火區(qū)域(GH)，同時(shí)根據(jù)當(dāng)天氣象數(shù)據(jù)中的風(fēng)向以及參與林火撲救工作人員的指導(dǎo)，確定煙氣顆粒物主要擴(kuò)散沉降軌跡，沿著顆粒物釋放軌跡，保證采樣的柳杉為同一坡向，再劃定距火場(chǎng)<500 m和距火場(chǎng)>1 500 m的2個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域分別選取12棵柳杉，共計(jì)36棵作為采樣對(duì)象。用內(nèi)徑為5 mm的生長(zhǎng)錐在樹木1.3 m高處采集樣芯，為保證定年的精度，每棵樹在南、北2個(gè)方向各采集1條樹芯，共計(jì)72條樹芯。為減少不同樣芯間的交叉污染，每采完1個(gè)樣芯均對(duì)生長(zhǎng)錐進(jìn)行清洗。樣品采集后放入口徑比樣芯略粗的紙筒中，并標(biāo)號(hào)和詳細(xì)記錄樹木生長(zhǎng)情況。

樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室后，在室溫下干燥，晾干后用白乳膠將樣芯固定在樣槽中，用不同粒徑的砂紙對(duì)樣芯表面進(jìn)行打磨拋光，直至能夠在顯微鏡下清楚看到邊界。用精度0.001 mm的Lin Tab6.0寬度測(cè)量?jī)x進(jìn)行年輪寬度測(cè)量，利用COFECHA軟件輔助檢測(cè)定年質(zhì)量，精準(zhǔn)確定每一輪的形成年份及相應(yīng)的年輪寬度。用ARSTAN程序?qū)?jīng)交叉定年的年輪序列進(jìn)行去趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)化。本研究主要探究周寧縣2015年發(fā)生的火災(zāi)對(duì)樹輪化學(xué)元素含量變化的影響，所以每個(gè)樣芯取2010-2019年的年輪作為研究對(duì)象。將定年好的樣芯放入超純水中浸泡，軟化后從樣槽中剝離，先用超聲波(18.2 MΩ)清洗1 h，然后再用酒精對(duì)樣品進(jìn)行仔細(xì)清洗，在顯微鏡下用不銹鋼刀對(duì)已經(jīng)完成交叉定年的樹木樣芯按照年份逐年剝離，將完整剝?nèi)〉拿?年樹輪樣品，分別放入已按照年份進(jìn)行編號(hào)的樣品袋，按照不同采樣區(qū)域?qū)⑼荒攴莸臉漭啒悠烦浞只旌?，并將混合的樣品均分?～5份作為重復(fù)，按年份和重復(fù)對(duì)樣品編號(hào)，再將樣品袋放入烘箱中60 ℃烘干48 h，冷卻之后利用球磨儀對(duì)樣品進(jìn)行粉碎，然后放于干燥皿中保存待測(cè)。

1.3 化學(xué)元素含量測(cè)定方法

稱取0.050 0 g樣品加入聚四氟乙烯容器中，再加入2 mL HNO3和2 mL H2O2，放置5 min，用微波消解系統(tǒng)消解。消解結(jié)束后，加入體積分?jǐn)?shù)5%的HNO3溶液，定容至40 mL，然后用注射器通過孔徑0.45 μm過濾器對(duì)溶液進(jìn)行過濾。用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)試過濾液中P、K、Ca、Mg、B、Cu、Fe、Mn、Zn、Na、Al、Ni的質(zhì)量濃度，再用下式計(jì)算樹輪中化學(xué)元素的含量：

C=P×V/M。

式中：C為樹輪中某化學(xué)元素的含量(μg/g)；P為檢測(cè)得到的樣品濾液中某化學(xué)元素的質(zhì)量濃度(μg/L)；V為待測(cè)濾液的體積，本研究設(shè)為0.040 L；M為稱取的樣品質(zhì)量。

1.4 柳杉樹輪中元素含量的年序列變化分析

對(duì)過火區(qū)域、距火場(chǎng)<500 m區(qū)域和距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域柳杉樹輪中12種化學(xué)元素的含量在2010-2019年的變化進(jìn)行分析，并計(jì)算2015-2017年各化學(xué)元素含量的一階和二階自相關(guān)系數(shù)，用于分析樹木年輪中元素含量對(duì)火信號(hào)響應(yīng)突變的滯后效應(yīng)。

1.5 林火發(fā)生前后柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的變化及差異性分析

為了明確森林火災(zāi)發(fā)生前后柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的變化，選擇樹輪中化學(xué)元素含量受林火影響最大的4個(gè)時(shí)期，即火災(zāi)發(fā)生前(2010-2014年)、火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年(2015年)、火災(zāi)發(fā)生后第1年(2016年)和火災(zāi)發(fā)生后第2年(2017年)進(jìn)行分析，并用t檢驗(yàn)法對(duì)各時(shí)期化學(xué)元素含量的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為P<0.05。

1.6 林火發(fā)生前后柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)，分別對(duì)過火區(qū)域、距火場(chǎng)<500 m區(qū)域和距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域柳杉樹輪中12種化學(xué)元素含量在林火發(fā)生前后4個(gè)時(shí)期(火災(zāi)發(fā)生前、火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年、火災(zāi)發(fā)生后第1年和火災(zāi)發(fā)生后第2年)的相關(guān)性進(jìn)行分析，以明確樹木年輪中化學(xué)元素含量的變化對(duì)火信號(hào)突變的響應(yīng)程度。

1.7 同一林火區(qū)域和林火時(shí)期柳杉樹輪中不同化學(xué)元素間含量的相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)，分別對(duì)同一林火區(qū)域不同化學(xué)元素間的含量和同一林火時(shí)期不同化學(xué)元素間的含量進(jìn)行相關(guān)性分析，以明確林火區(qū)域和林火時(shí)期對(duì)柳杉樹輪中不同化學(xué)元素響應(yīng)火信號(hào)突變的交互作用。

1.8 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件對(duì)柳杉樹輪中化學(xué)元素含量進(jìn)行計(jì)算后，取各重復(fù)樣品的平均值，利用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和相關(guān)性分析，利用OriginPro 9.1和Excel 2007軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的年序列變化特征

近10年柳杉樹輪中12種化學(xué)元素含量逐年的變化情況如圖1所示。

以火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年(2015年)為節(jié)點(diǎn)，過火區(qū)域中B元素含量逐年升高，在火災(zāi)發(fā)生后第1年升高到最大值；Mg元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第2年降低到最小值；Mn元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第1年升高到最大值；Al、Ca和Ni元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第2年降低到最小值，但在林火發(fā)生前后元素含量變化幅度并無明顯區(qū)分；其余元素含量在林火發(fā)生前后未出現(xiàn)明顯變化。在距火場(chǎng)<500 m區(qū)域中，B和Mn元素含量在火災(zāi)后第1年升高到最大值；Mg元素含量在火災(zāi)后第2年降低到最小值，而Fe元素含量在火災(zāi)后第2年升高到最大值；P元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第1年升高到最大值；Na元素含量在火災(zāi)發(fā)生年降低到最小值，但在林火發(fā)生前后其含量變化幅度并無明顯區(qū)分；其余元素含量在林火發(fā)生前后未出現(xiàn)明顯的變化。在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域中，B、Ca和Fe元素含量均在火災(zāi)后第1年升高到最大值；Ni、Cu和Zn含量在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年急劇增高，而Mg、K含量在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年降至最低；Na、Al元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第1年降低到最小值；其余元素含量在林火發(fā)生前后未出現(xiàn)明顯的變化。整體來看，在過火區(qū)域中林火對(duì)于B、Mg和Mn 3種元素含量有明顯的影響，但隨著距火場(chǎng)距離的增大，林火對(duì)Ca、Fe、Ni、Cu和Zn 5種元素含量的影響越明顯，這可能是因?yàn)榱只鹚尫诺奈廴疚锛捌鋽y帶的化學(xué)元素在空中擴(kuò)散，并沉積到距火源更遠(yuǎn)的地方。

本研究還發(fā)現(xiàn)，林火對(duì)大多數(shù)化學(xué)元素含量的影響主要集中在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年、火災(zāi)發(fā)生后第1年以及火災(zāi)發(fā)生后第2年這3年中，且大部分化學(xué)元素在這3年的一階和二階自相關(guān)系數(shù)都大于0.4(表1)，說明柳杉樹輪中化學(xué)元素對(duì)林火的響應(yīng)存在一定的“滯后效應(yīng)”。

表1 不同采樣區(qū)域柳杉樹輪中12種化學(xué)元素含量的自相關(guān)系數(shù)Table 1 Autocorrelation coefficients of 12 chemical elements in tree rings of Cryptomeria fortunei in different sampling areas

2.2 林火發(fā)生前后柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的差異性分析

林火發(fā)生前后柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的變化如圖2所示。由圖2可知，在過火區(qū)域中，B、Mg、Al、Mn、Fe、Ni、Cu和Zn含量最大的時(shí)期是在火災(zāi)發(fā)生后第1年，Al、Ca、Ni和Zn含量最小的時(shí)期是在火災(zāi)發(fā)生后第2年；在距火場(chǎng)<500 m區(qū)域中，B、Na、P、Ca、Mn、Ni和Zn含量最大的時(shí)期是在火災(zāi)發(fā)生后第1年，F(xiàn)e含量最大的時(shí)期是在火災(zāi)發(fā)生后第2年；在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域中，Ni、Cu和Zn含量最大的時(shí)期是在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年，B、Mg、Ca和Fe含量最大的時(shí)期是火災(zāi)發(fā)生后第1年，B、P、Ca、Mn、Fe、Cu和Zn含量最小的時(shí)期是火災(zāi)發(fā)生后第2年。整體來看，林火對(duì)不同時(shí)期柳杉樹輪中元素含量的變化有一定的影響，且許多元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第1年達(dá)到最大值，并在火災(zāi)發(fā)生后第2年降低為最小值。 樹輪內(nèi)這種不同元素呈現(xiàn)出的相似變化規(guī)律表明，該區(qū)域樣本可能受到共同環(huán)境變化的影響[24-25]，而這一變化有可能是由于森林火災(zāi)燃燒釋放大量元素，造成不同元素環(huán)境背景值發(fā)生改變導(dǎo)致的。

差異性比較結(jié)果顯示，在過火區(qū)域，B元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與其他3個(gè)時(shí)期均具有顯著差異，且火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年與火災(zāi)發(fā)生后第1年也具有顯著差異；Mn元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年和火災(zāi)發(fā)生后第1年有顯著差異。在距火場(chǎng)<500 m區(qū)域中，B和K元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與其他3個(gè)時(shí)期均差異顯著，Ca和Fe元素含量則表現(xiàn)為火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第1年和火災(zāi)后第2年存在顯著差異；在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域中， K、Ca和Fe元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第1年和火災(zāi)后第2年存在顯著差異，P、Ni、Cu和Zn元素含量在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年與火災(zāi)后第1年和火災(zāi)后第2年存在顯著差異。整體來看，林火使部分元素含量在不同時(shí)期之間表現(xiàn)出顯著差異，其中主要表現(xiàn)為火災(zāi)前與火災(zāi)后第1年和火災(zāi)后第2年之間差異較大，過火區(qū)域中表現(xiàn)出這種差異性的元素有B，Mn則表現(xiàn)為火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年和火災(zāi)發(fā)生后第1年之間差異較大；隨著距火場(chǎng)距離的增大，P、K、Ca、Fe、Ni、Cu和Zn也表現(xiàn)出這種差異性。

BHS.火災(zāi)發(fā)生前；HS.火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年；HS-1.火災(zāi)發(fā)生后第1年；HS-2.火災(zāi)發(fā)生年后第2年，圖3同。圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示同一區(qū)域不同時(shí)期差異顯著(P <0.05)BHS.The year before fires;HS.The fire years;HS-1.One year after fires;HS-2.Two years after fires;The same in Fig.3.Different lowercase letters indicate significant differences among periods in same sampling areas圖2 林火發(fā)生前后不同采樣區(qū)域柳杉樹輪中12種元素含量的變化Fig.2 Changes in contents of 12 elements in tree rings of Cryptomeria fortunei in different sampling areas before and after fires

2.3 柳杉樹輪中化學(xué)元素含量在林火發(fā)生前后各時(shí)期間的相關(guān)性分析

柳杉樹輪中化學(xué)元素含量在林火發(fā)生前后各時(shí)期間的相關(guān)性比較結(jié)果如表2所示。由表2可知，在過火區(qū)域中，Ca、Mn和Fe元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年均呈負(fù)相關(guān)，而Mn和Fe元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第1年呈正相關(guān)，Ca元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第2年呈正相關(guān)。在距火場(chǎng)<500 m區(qū)域中，Mn和Fe元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年仍呈負(fù)相關(guān)，而Cu和Zn元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年呈正相關(guān)，并且Cu含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第2年呈負(fù)相關(guān)。在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域中，Na和Mg元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年均呈正相關(guān)，F(xiàn)e元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第1年呈正相關(guān)，而Mn元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第1年呈負(fù)相關(guān)，Ca元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)后第2年呈正相關(guān)。整體來看，過火區(qū)域中元素含量在不同林火時(shí)期間相關(guān)性最為明顯，其中Ca、Mn和Fe元素的相關(guān)性最為顯著，表明樹木年輪中Ca、Mn和Fe元素含量的變化有極大潛力作為重建火歷史的依據(jù)。

表2 不同采樣區(qū)域柳杉樹輪中化學(xué)元素含量在林火發(fā)生前后各時(shí)期間的相關(guān)性Table 2 Correlation of element contents in tree rings of Cryptomeria fortunei in different sampling areas before and after forest fires

2.4 同一林火區(qū)域和林火時(shí)期柳杉樹輪中不同元素間含量的相關(guān)性分析

2.4.1 同一林火區(qū)域 同一林火區(qū)域不同元素間含量的相關(guān)分析結(jié)果如圖3所示。在過火區(qū)域中，B與P、K、Mn、Fe、Ni元素間主要在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年呈強(qiáng)相關(guān)性；Zn與Na、K、Ca、Ni、Cu，K與Fe、Ni元素間主要在火災(zāi)發(fā)生后第2年呈強(qiáng)相關(guān)性。在距離火場(chǎng)<500 m區(qū)域中，B與K、Mn， K與Mg、P、Ca、Mn、Cu元素間主要在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年呈強(qiáng)相關(guān)性；Mg與Ca、Fe、Ni、Cu，Ni與Ca、Fe、Cu元素間主要在火災(zāi)發(fā)生后第2年呈強(qiáng)相關(guān)性。在距離火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域中，Zn與K、Ca、Mn、Cu、Fe，Cu與Na、Mg、Al、K、Ca、Mn、Fe，F(xiàn)e與Na、Mg、K、Mn元素間主要在火災(zāi)發(fā)生后第1年或火災(zāi)發(fā)生后第2年呈強(qiáng)相關(guān)性。整體來看，元素間的強(qiáng)相關(guān)性主要集中在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年和火災(zāi)發(fā)生后第2年2個(gè)時(shí)期，B與K、Mn元素間主要在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年呈強(qiáng)相關(guān)性，F(xiàn)e、Ni、Cu、Ca和Zn元素間主要在發(fā)生火災(zāi)后第2年呈強(qiáng)相關(guān)性。

2.4.2 同一林火時(shí)期 同一林火時(shí)期不同元素間含量的相關(guān)分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在火災(zāi)發(fā)生前，不同元素間相關(guān)性總體較弱。在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年，B與P、K、Mn，Mg與K、Ca元素間主要在過火區(qū)域和距火場(chǎng)<500 m區(qū)域呈現(xiàn)相關(guān)性，Cu與Na、Mg、Al、K、Fe、Ni，Ni與Na、Mg、Al、Fe元素間主要在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域呈強(qiáng)相關(guān)性?；馂?zāi)發(fā)生后第1年，P與Na、Al、Mn，Zn與Fe、Ca、K元素間主要在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域呈強(qiáng)相關(guān)性?；馂?zāi)發(fā)生后第2年，Cu與Na、Mg、Al、K、Fe、Mn、Ca、Zn元素間主要在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域呈強(qiáng)相關(guān)性。整體來看，B與P、K、Mn元素間主要在過火區(qū)域呈強(qiáng)相關(guān)性，F(xiàn)e、Ni、Cu、Ca和Zn元素間主要在距火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域呈強(qiáng)相關(guān)性。

3 討 論

樹木吸收污染元素并積累于木質(zhì)部是一個(gè)復(fù)雜的過程，既受外界環(huán)境因子(研究背景和環(huán)境的復(fù)雜性、物種對(duì)污染物的特定反應(yīng))的制約，也與不同元素在樹干中的儲(chǔ)存、再分配和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理等樹木生理特征有關(guān)[26]。樹木吸收金屬元素的路徑有3種：通過根系從土壤中吸收、通過葉片吸收和從樹皮吸收[27-28]。有些微量元素進(jìn)入樹木木質(zhì)部后，會(huì)在樹輪之間發(fā)生橫向遷移，從樹木生理活躍區(qū)向內(nèi)傳輸?shù)椒腔钴S區(qū)，表現(xiàn)為向內(nèi)的徑向遷移[29]。污染元素進(jìn)入樹輪的途徑不僅決定了該樹種是否適合用于樹輪化學(xué)的研究，而且該途徑對(duì)環(huán)境污染源有明確的指示意義[30-31]。

3.1 林火對(duì)柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的影響

本研究指出火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年(2015年)柳杉樹輪中化學(xué)元素含量會(huì)發(fā)生變化，且在火災(zāi)發(fā)生后1～2年，化學(xué)元素含量也會(huì)發(fā)生變化。這極有可能是林火對(duì)環(huán)境排放大量的污染物，附著在污染物中的化學(xué)元素通過根系吸收、樹皮滲透、樹葉吸收等方式進(jìn)入樹輪中[32]，在樹木生理活動(dòng)的作用下，通過植物組織運(yùn)輸并積累在木質(zhì)部，這些會(huì)在樹輪中留下相應(yīng)的記錄[33]。此外，林火也可作為植物脅迫的一種因素。Peterson[34]曾在早期研究中發(fā)現(xiàn)，Ca元素在污染環(huán)境下含量升高；劉禹等[35]研究發(fā)現(xiàn)，Mn元素含量隨著周圍環(huán)境污染狀況的變化而發(fā)生變化。

3.2 林火對(duì)柳杉樹輪中化學(xué)元素徑向變化的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，柳杉樹輪中Mn的一階自相關(guān)系數(shù)為0.398，可能存在1年的滯后效應(yīng)。Siwik等[36]測(cè)定了柏木年輪中Mn的含量并對(duì)空氣中重金屬的污染狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)Mn在柏木樹輪中的徑向分布存在相似的變化。這是由于Mn主要以Mn2+的形式被植物吸收，是植物體內(nèi)許多酶的激活劑，并且直接參與光合作用，為葉綠素形成和維持正常作用所必需[37]。由本研究結(jié)果可知，柳杉樹輪中Zn具有較高的一階和二階自相關(guān)系數(shù)，可能存在2年的滯后效應(yīng)。劉禹等[35]研究樹木年輪中某些化學(xué)元素含量與環(huán)境變化的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，椿樹中Zn元素含量變化存在相似的滯后效應(yīng)。已有研究證明，Zn元素在樹輪中的含量存在由心材到邊材逐漸增加的現(xiàn)象，這很可能是由于Zn元素的橫向遷移造成的[38-39]。本研究還發(fā)現(xiàn)，大部分元素(B、Mn、Fe和Ca等)含量的變化主要是在火災(zāi)發(fā)生后第1年和火災(zāi)發(fā)生后第2年。 這極有可能是由于污染元素不僅可以通過樹皮滲透、樹葉吸收等方式進(jìn)入樹輪，還可以通過根系吸收進(jìn)入植物體，其中根部吸收是最主要的途徑，但是由于土壤吸收的滯后性較大，如果樹木年輪中的元素主要由根系吸收，那么實(shí)際的元素沉積與樹木年輪的化學(xué)記錄必然存在一定的時(shí)間差[40]。本研究結(jié)果顯示，B、Mn、Fe、Ni、Cu和Zn元素含量在火災(zāi)發(fā)生后第1年出現(xiàn)最大值，極可能與林火排放的污染物以及污染物所附帶的元素有關(guān)。有學(xué)者使用同步輻射X熒光分析法(SRXRF)在俄羅斯西伯利亞森林燃燒釋放的顆粒物中檢測(cè)到20種無機(jī)元素，其中Ca、K、Fe、Mn、Ti、Zn 6 種元素含量較高[41-42]；馬遠(yuǎn)帆等[43]對(duì)福建喬木樹種凋落物燃燒釋放的煙氣顆粒物進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，Zn為其主要排放元素，排放量達(dá)到了可測(cè)元素總量的70%以上。另外，K是生物質(zhì)燃燒的指示物，常用于大氣顆粒物中生物質(zhì)燃燒排放貢獻(xiàn)的定性識(shí)別和評(píng)估[44]。早期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)K的釋放量較大[45]；Fine等[46]對(duì)美國(guó)東北部的6 個(gè)樹種進(jìn)行生物質(zhì)燃燒示蹤劑源解析研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同樹種 K 排放量差異較大。但本研究在過火區(qū)域中未發(fā)現(xiàn)柳杉樹輪中K含量有明顯增加，在火災(zāi)發(fā)生后第1年反而是降低了，隨后才開始上升。這有可能是元素進(jìn)入樹輪的途徑及其相對(duì)貢獻(xiàn)隨元素、樹種及環(huán)境條件的不同而存在差異所致。

3.3 不同區(qū)域林火發(fā)生前后柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的變化

在過火區(qū)域中，林火對(duì)B、Mg和Mn元素含量有明顯影響，但距離火場(chǎng)區(qū)域越遠(yuǎn)，林火對(duì)Ca、Fe、Ni、Cu和Zn元素含量的影響越明顯。 Giovanni等[47]就阿爾卑斯山歐洲落葉松對(duì)交通污染的響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在距離空氣污染源較遠(yuǎn)地點(diǎn)的樹木中Cu和Cd含量較高；Orlandi等[48]研究也顯示，在污染排放后期，更為偏遠(yuǎn)地區(qū)針葉樹中的Ni和Pb含量顯著升高，表明金屬元素含量的變化也可能發(fā)生在遠(yuǎn)離大氣污染源的地方。因此本研究的這種變化趨勢(shì)，極有可能是林火所釋放的污染物及攜帶的化學(xué)元素在空中擴(kuò)散并沉積到距火源更遠(yuǎn)的地方，通過樹木根、葉和皮的吸收進(jìn)入到木質(zhì)部。

Giovanni等[47]指出，P和K元素含量在所調(diào)查的污染位點(diǎn)均具有較高的相關(guān)性，且離污染站點(diǎn)較遠(yuǎn)的林地Ca、Mg和Mn含量之間的相關(guān)性更高，但本研究未檢測(cè)出P與K含量具有較高的相關(guān)性， Ca與Mg含量雖具有相關(guān)性，但相關(guān)性總體不高，且隨著離火場(chǎng)距離的增加，相關(guān)性更低。這可能是由于污染源不同所致，大氣中污染物的擴(kuò)散方式、周圍環(huán)境的差異以及樹木的生理過程和邊材心材的過渡都可能影響元素濃度的改變。Yu等[49]指出，紅樹林年輪中Cu與Zn含量之間高度相關(guān)。本研究中Cu與Zn含量之間具有相關(guān)性，且距火場(chǎng)距離越遠(yuǎn)，Cu與Zn含量的相關(guān)性越高。這可能與極端環(huán)境下會(huì)有大量的金屬元素通過樹木的吸收進(jìn)入木質(zhì)部有關(guān)，紅樹林生活在沿海和河口地帶，通常會(huì)因?yàn)楫?dāng)?shù)丨h(huán)境(臺(tái)風(fēng)、港口以及水污染事件等)的變化引起金屬元素濃度改變。這也說明了在距離火場(chǎng)>1 500 m區(qū)域中，土壤中沉積了更多的Cu和Zn。

4 結(jié) 論

本研究分析了福建周寧縣2010-2019年柳杉樹輪中P、K、Ca、Mg、B、Cu、Fe、Mn、Zn、Na、Al和Ni 12種化學(xué)元素含量在2015年林火發(fā)生前后的變化，得出結(jié)論如下：

(1)大部分元素(B、Mn、Ca、Cu、Zn和Ni)含量是在林火發(fā)生后第1年出現(xiàn)最大值，或在火災(zāi)后第2年出現(xiàn)最小值。

(2)在過火區(qū)域中，林火對(duì)于B、Mn元素含量影響較為明顯，B和Mn元素含量在林火前后具有顯著差異性；Mn元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年呈負(fù)相關(guān)，但與火災(zāi)后第1年呈正相關(guān)；B與Mn元素間含量在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年呈強(qiáng)相關(guān)性。

(3)距離火場(chǎng)區(qū)域越遠(yuǎn)，林火對(duì)于Ca、Fe、Ni、Cu和Zn元素含量的影響越明顯。Fe、Ni、Cu、Zn元素含量在林火前后的差異性越明顯，且 Cu和Zn元素含量在火災(zāi)發(fā)生前與火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年的相關(guān)性越高，F(xiàn)e、Ni、Cu和Zn元素間含量在火災(zāi)發(fā)生前與發(fā)生火災(zāi)后第2年的相關(guān)性越高。

總之，在不同區(qū)域中林火發(fā)生前后化學(xué)元素含量表現(xiàn)出不同的變化，表明柳杉樹輪中化學(xué)元素含量變化有極大潛力作為林火發(fā)生變化的示蹤器。確立林火發(fā)生與柳杉樹輪中化學(xué)元素含量的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于今后重建林火歷史以及在空間上明確林火發(fā)生區(qū)域，具有十分重要的意義。