楓香人工林枯落物和土壤層重金屬含量的季節(jié)變化

劉 虹， 文仕知

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

楓香人工林枯落物和土壤層重金屬含量的季節(jié)變化

劉 虹， 文仕知

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

對(duì)長(zhǎng)沙市郊楓香人工林枯落物和土壤層重金屬含量季節(jié)變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：枯落物中Fe、Zn、Ni含量季節(jié)之間的變化差異性顯著(P<0.05)，Mn、Cu、Pb、Cd元素含量季節(jié)之間的變化差異性不顯著(P>0.05)；7種重金屬元素含量在A、B、C層土壤之間差異性和每層季節(jié)變化之間的差異性都不顯著(P>0.05)；枯落物與A層土壤重金屬含量的季節(jié)變化正好相反，A層土壤重金屬含量春季到秋季逐步增加，秋季達(dá)到最大值，冬季回落。

楓香人工林； 枯落物； 重金屬

人類活動(dòng)導(dǎo)致環(huán)境中的重金屬含量增加，部分地區(qū)超出正常范圍，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化，直接危害人體健康[1-3]。目前，植物重金屬含量已是環(huán)境生態(tài)學(xué)相關(guān)學(xué)者的熱門話題和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[4-9]。楓香作為城市景觀的優(yōu)勢(shì)樹種，已經(jīng)受到越來越多的學(xué)者關(guān)注[4-5,9-10]。土壤是林木生長(zhǎng)的載體，是林木養(yǎng)分的重要來源，枯落物為土壤提供有機(jī)質(zhì)，恢復(fù)土壤肥力，促進(jìn)林木生長(zhǎng)[11-15]。全面而系統(tǒng)的研究楓香人工林生態(tài)系統(tǒng)中枯落物和土壤層重金屬元素含量的季節(jié)變化規(guī)律，有利于揭示楓香人工林生態(tài)系統(tǒng)中幾種常見重金屬元素的循環(huán)規(guī)律。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于距長(zhǎng)沙市城郊結(jié)合部的天際嶺林場(chǎng)內(nèi)(地理坐標(biāo)113°01′30″E，28°06′40″N)。林場(chǎng)核心區(qū)面積約為267 hm2，屬湘中丘陵地貌，最高海拔為114 m，最低為46 m，坡度為5°～25°，森林覆蓋率達(dá)76%。試驗(yàn)地為第四紀(jì)網(wǎng)紋層母質(zhì)發(fā)育的酸性紅壤，經(jīng)過綠化和改造，土壤有一定改善，pH值在4.5～5.6之間。試驗(yàn)地屬典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫為17.2 ℃，年日照時(shí)數(shù)1717 h，四季分明，一年中無霜期為270～300天，年平均降水量達(dá)到1412 mm，年平均相對(duì)濕度為80%。本試驗(yàn)林地是1986年人工造的楓香林，兩塊樣地楓香的平均胸徑為12.4 cm，郁閉度在0.8～1之間，密度為每公頃1150株。

2 研究方法

在實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)選取兩塊具有典型性和代表性的楓香人工林樣地進(jìn)行觀測(cè)研究，面積都為20 m×30 m。在所選樣地內(nèi)設(shè)置1 m×1 m小樣方一共10塊，采用全體收獲法，在各小樣方內(nèi)均勻采集枯落物樣品150～200 g，分別帶回實(shí)驗(yàn)室烘干處理，用以測(cè)定枯落物重金屬含量季節(jié)變化[4-5,9]。采用分層采樣法，分3層(A層為0～15 cm、B層為15～30 cm、C層為30～60 cm)采集土壤樣品，各取150～200 g帶回實(shí)驗(yàn)室烘干處理，用以測(cè)定土壤層重金屬含量季節(jié)變化[9、11]。用HP3510原子吸收分光光度計(jì)來測(cè)定樣品中的Zn、Cu、Mn、Pb、Cd等重金屬元素，每份樣品測(cè)定3次，取平均值。用生物循環(huán)參數(shù)分析重金屬元素循環(huán)的特征[4、11]。

3 結(jié)果與分析

3.1枯落物重金屬元素含量季節(jié)變化

通過2010 ～2012年定位觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的楓香人工林枯落物中的重金屬元素Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd含量(見表1)，說明楓香人工林枯落物中重金屬元素Fe、Zn、Ni含量季節(jié)之間的變化差異性顯著(P<0.05)，Mn、Cu、Pb、Cd元素含量季節(jié)之間的變化差異性不顯著(P>0.05)?？萋湮镏衂n、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd等7種重金屬元素之間的差異性顯著(P<0.05)。楓香人工林枯落物中重金屬元素含量從小到大依次為Cd﹤Ni﹤Cu﹤Pb﹤Zn﹤Fe﹤Mn。

楓香人工林枯落物中重金屬元素Zn、Fe、Cu、Pb含量最大值出現(xiàn)在春季，除Zn元素外，F(xiàn)e、Cu、Pb含量隨著季節(jié)的變化逐步降低，在冬季達(dá)到最小值。楓香林木在一定程度上可以再利用Cu和Zn元素，使這兩種重金屬含量逐步減少。Pb元素含量變化幅度最小，含量基本保持穩(wěn)定，春季最大為48.696 mg/kg，冬季最小為40.005 mg/kg。Mn、Cd元素含量最大值出現(xiàn)在秋季，Ni元素含量最大值出現(xiàn)在冬季，Cd、Ni元素含量最小值出現(xiàn)在夏季，Mn元素含量最小值出現(xiàn)在冬季。Zn、Mn、Cd元素含量季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，春季到夏季含量減少，夏季到秋季除Zn元素含量回升幅度不大之外，Mn、Cd元素含量大幅回升，并在秋季達(dá)到一年中的最大值，然后在從秋季到冬季的時(shí)候，含量繼續(xù)減少。這種季節(jié)變化是由于春、夏季為楓香人工林樹葉萌發(fā)和生長(zhǎng)階段，掉落的枯落物多為鮮嫩樹葉，各類營(yíng)養(yǎng)元素含量較高，而到了秋、冬兩季，掉落的枯落物都是楓香的枯枝和落葉，能利用的大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過循環(huán)轉(zhuǎn)移到樹干等部位，所以冬季的枯落物重金屬元素含量最低。

表1 枯落物重金屬元素季節(jié)變化Tab1 Thetrendoftheheavymetalofthebiomassoflitterstoreyinseasons(mg/kg)季節(jié)ZnFeCuMnPbNiCd春季619833511712098511283174869669841617夏季5837632834617766105595846825531211091秋季605981425331700412863754521889952381冬季4321512968212926106866240005121561601

3.2土壤A層重金屬元素含量季節(jié)變化

在2010～2012年3年的定位觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的楓香人工林A層土壤(0～15 cm)重金屬Zn、Cu、Fe、Mn、Cd 、Pb、Ni元素含量數(shù)據(jù)(見表2)表明，F(xiàn)e和Mn明顯比其它5種重金屬元素大2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，重金屬總含量季節(jié)之間的變化差異性顯著(P<0.05)。A層土壤重金屬含量從小到大的順序依次為Cd﹤Cu﹤Ni﹤Pb﹤Zn﹤Mn﹤Fe。

重金屬元素Fe、Mn、Cd、Pb和Ni在A層土壤中的含量季節(jié)之間變化的差異性沒有達(dá)到顯著(P>0.05)，Zn元素含量季節(jié)之間變化的差異性顯著(P<0.05)。重金屬元素中Zn、Cu 、Pb、Cd元素含量在春季達(dá)到最大值，分別為79.896 mg/kg、15.306 mg/kg、96.962 mg/kg、1.997 mg/kg，夏、秋季逐步減少，到了秋季達(dá)到最小值，到冬季有所回升。A層土壤中含量最大的重金屬元素Fe和Mn季節(jié)變化趨勢(shì)一致，春季含量最低，夏季有所增加，秋季有略微減少，冬季達(dá)到最大值。

表2 A土壤層重金屬元素季節(jié)變化Tab2 ThetrendoftheHeavyMetalofthebiomassofAsoillayerinseasons(mg/kg)季節(jié)ZnFeCuMnPbNiCd春季7989610431521530658121596962161091997夏季4762310612251421579085143557170061252秋季3807810557561389565890120951179191091冬季5542710627111480791626958515169111614

從表3可以看出，楓香人工林B層土壤(15～30 cm)重金屬元素Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd含量之間差異性顯著(P<0.05)，含量從小到大的順序與A層土壤一致，依次為Cd﹤Cu﹤Ni﹤Pb﹤Zn﹤Mn﹤Fe，F(xiàn)e、Mn元素的含量占絕對(duì)比例。Fe、Cu、Mn、Ni元素最小值都出現(xiàn)在春季；Zn、Cd元素最小值出現(xiàn)在夏季；Pb最小值出現(xiàn)在秋季。Zn、Fe、Cu、Ni、Cd元素最大值都出現(xiàn)在秋季；Mn、Pb元素最大值分別出現(xiàn)在冬季和春季。

重金屬元素Zn、Cu、Pb和Ni季節(jié)之間變化的差異性顯著(P<0.05)，其中Cu、Ni元素季節(jié)變化趨勢(shì)一致，均為從春季到秋季逐步遞增，到秋季達(dá)到最大值，到冬季再減少；Pb元素季節(jié)變化趨勢(shì)正好與Cu、Ni元素相反。重金屬中只有Mn元素含量從春季到冬季一直增加。

表3 B土壤層重金屬元素季節(jié)變化Tab3 ThetrendoftheHeavyMetalofthebiomassofBsoillayerinseasons(mg/kg)季節(jié)ZnFeCuMnPbNiCd春季475971045981953543361456916141021185夏季3375910515561100274151720162153260811秋季5087210936581821677298217004258911301冬季4198310707311176182516221419189921215

表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，重金屬Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd元素在楓香人工林C層土壤(30～60 cm)中的含量季節(jié)變化差異性均沒有達(dá)到顯著(P>0.05)，大小順序與A、B層土壤一致，Cd元素含量最小，均值為1.006 mg/kg，F(xiàn)e元素含量最大，均值為1065.208 mg/kg。Zn、Fe、Cu、Pb、Ni、Cd元素含量最小值都出現(xiàn)在春季，最大值都出現(xiàn)在秋季，變化趨勢(shì)基本一致。從春季到秋季含量逐步增加，在冬季有所回落。Mn元素在C層土壤(30～60 cm)中含量與其它重金屬變化趨勢(shì)一致，最大值出現(xiàn)在秋季，春季到秋季含量逐步增加，在冬季大幅度減少到全年最低值。這是因?yàn)镃層土壤物理和化學(xué)性質(zhì)在3層土壤中是最穩(wěn)定的，受到降水和枯落物等外界因素影響較小。

表4 C土壤層重金屬元素季節(jié)變化Tab4 ThetrendoftheHeavyMetalofthebiomassofCsoillayerinseasons(mg/kg)季節(jié)ZnFeCuMnPbNiCd春季352151046117965870693518918150120806夏季3961410465851356273616122397223960895秋季5261110969161495199081926016252091323冬季4196110712131404660365121061225610998

4 結(jié)論與討論

楓香人工林枯落物所含重金屬Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd元素之間差異性顯著(P<0.05)，F(xiàn)e、Zn、Ni含量季節(jié)之間的變化差異性顯著(P<0.05)，Mn、Cu、Pb、Cd元素含量季節(jié)之間的變化差異性不顯著(P>0.05)。枯落物中重金屬元素含量從小到大依次為Cd﹤Ni﹤Cu﹤Pb﹤Zn﹤Fe﹤Mn，這與根系中重金屬元素含量順序基本一致[4]。

楓香人工林A、B、C層土壤重金屬Cd元素含量最小，F(xiàn)e元素含量最大，從小到大的順序均為Cd﹤Cu﹤Ni﹤Pb﹤Zn﹤Mn﹤Fe。7種重金屬元素含量在A、B、C層土壤之間差異性和每層季節(jié)變化之間的差異性都不顯著(P>0.05)。重金屬總含量季節(jié)變化從小到大依次為:春季﹤夏季﹤冬季﹤秋季。

枯落物的分解對(duì)土壤層重金屬含量季節(jié)變化影響主要在A層，對(duì)B層土壤影響相對(duì)較小，對(duì)C層土壤影響最小。枯落物與A層土壤重金屬含量的季節(jié)變化正好相反，枯落物重金屬含量春季到秋季逐步減少，冬季回升；A層土壤重金屬含量春季到秋季逐步增加，秋季達(dá)到最大值，冬季回落。C層土壤重金屬含量的季節(jié)變化最為穩(wěn)定，B層土壤次之。土壤層中的重金屬元素季節(jié)變化規(guī)律與根系中重金屬元素季節(jié)變化的規(guī)律基本一致[4]。

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SeasonalvariationincontentofheavymetalelementsamongforestlittersandsoillayersofLiquidambarformosanaplantation

LIU Hong， WEN Shizhi

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

This paper studies seasonal variation in content of heavy metals among forest litters and different soil layers ofLiquidambarformosanaplantation in Changsha suburb. The results are as follows: there is a remarkable change in the content of Fe, Zn, Ni among forest litters in different season(P<0.05), while the seasonal variation in content of Mn, Cu, Pb, Cd among forest litters is not remarkable (P>0.05). Both the change in content of the seven heavy metals among soil layerA，B，C, and the seasonal variation of that in each soil layer are not remarkable (P>0.05).Forest litters and soil layerApresent opposite seasonal change in content of heavy metals.The content of heavy metals in soil layer shows a gradual growth from spring to autumn, which reaches the maximum in autumn and descends in winter.

Liquidambarformosanaplantation; forest litter; heavy metal

2016-02-24

湖南省教育廳“楓香人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究”(11B132)；湖南省科技廳“楓香人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究”(2012FJ4348)。

劉 虹(1980-)，女，湖南省邵陽市人，講師，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。

S 714

A

1003 — 5710(2016)02 — 0118 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 022

(文字編校：楊 駿)