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東北闊葉紅松林腐殖質(zhì)層土壤微量元素有效性及影響因素

2018-11-07 13:39:48張玉革田圣賢劉賀永
關(guān)鍵詞:紅松林腐殖質(zhì)闊葉

馮 盼, 張玉革, 田圣賢, 楊 山, 劉賀永, 李 慧, 姜 勇

(1. 沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044;2. 中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)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(guān)重要的作用,微量元素缺乏可導(dǎo)致一些重要樹種的生長受限[1].除受成土母質(zhì)、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(xué)循環(huán)對(duì)微量元素的富集也具有重要影響[2-3];由針葉林轉(zhuǎn)變?yōu)殚熑~林植被,腐殖質(zhì)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(dǎo)致土壤中Mn含量的增加,影響植物對(duì)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(zhì)(如葉表面積)和化學(xué)性質(zhì)(如pH、C含量及木質(zhì)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(duì)腐殖質(zhì)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(jī)C、pH、交換性陽離子含量的影響[6-7],植物對(duì)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(duì)喬木和灌木樹干、枝條、葉片和細(xì)根中微量元素含量及微量元素的化學(xué)計(jì)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(duì)該區(qū)域土壤腐殖質(zhì)層土壤微量元素有效態(tài)含量及影響因素的研究,可進(jìn)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(zhì)層微量元素的有效態(tài)含量,分析了土壤有機(jī)碳、酸堿度、交換性鹽基總量等基本化學(xué)性質(zhì)對(duì)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(guān)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(chǔ)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(diǎn)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(gè)緯度;每個(gè)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(jī)C含量高,各樣點(diǎn)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(zhì)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(diǎn)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(gè)固定監(jiān)測樣點(diǎn)土壤樣品.在每個(gè)1 hm2監(jiān)測樣區(qū)中,隨機(jī)選取5個(gè)20 m×20 m的樣方,在每個(gè)樣方內(nèi)S型隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn),清理凋落物層后,采集0~5 cm土壤腐殖質(zhì)層樣品,5個(gè)樣點(diǎn)形成一個(gè)混合樣品,部分土樣風(fēng)干后過2 mm篩,備用.

腐殖質(zhì)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(jì)法測定(水土質(zhì)量比2.5∶1,PHS-3G數(shù)字pH計(jì),上海);土壤有機(jī)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(jì)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(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,鄧肯多重比較法檢驗(yàn)數(shù)值的差異顯著性(p<0.05).

2 結(jié)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(diǎn)(J5)有效Fe含量是黑龍江方正樣點(diǎn)(H13)的2.53倍.各樣點(diǎn)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(diǎn)(H1)有效Mn含量高達(dá)385.24 mg·kg-1,有4個(gè)樣點(diǎn)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(diǎn)(H1),吉林撫松(J4)和輝南(J5)樣點(diǎn)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(diǎn)(L1)土壤有效Zn含量低至7.71 mg·kg-1,黑龍江依蘭樣點(diǎn)(H11)高達(dá)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(jì)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(diǎn)(J5)的3.91,最小值為吉林長白山樣點(diǎn)(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(diǎn)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(diǎn)w(Zn)/w(Cu)值較低.各樣點(diǎn)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(diǎn)(H1)平均值達(dá)26.4,顯著高于其他11個(gè)樣點(diǎn);黑龍江依蘭(H11)、吉林輝南(J5)和遼寧桓仁(L2)樣點(diǎn)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(diǎn)(圖2).

圖1 腐殖質(zhì)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(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同一圖中數(shù)據(jù)上方不同字母表示鄧肯法檢驗(yàn)差異顯著(p<0.05).下同.

圖2 腐殖質(zhì)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(guān)(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(guān).在基本化學(xué)性質(zhì)影響方面,土壤pH與有效態(tài)Fe、Mn及w(Mn)/w(Zn)有極顯著負(fù)相關(guān);SOC含量與有效態(tài)Cu、Zn含量及w(Zn)/w(Cu)顯著正相關(guān),與w(Mn)/w(Zn)顯著負(fù)相關(guān);SEB與有效態(tài)Fe、Mn含量極顯著負(fù)相關(guān),與有效態(tài)Cu、Zn含量極顯著正相關(guān),與w(Mn)/w(Zn)極顯著負(fù)相關(guān).表明土壤pH和SEB對(duì)土壤有效態(tài)Fe、Mn具有負(fù)向影響,而SOC和SEB對(duì)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(xué)性質(zhì)間關(guān)系(n=60)Table 2 Relationship between soil trace elements availability content and basic chemical properties (n=60)

注: 表中為60個(gè)樣本數(shù)據(jù)間的線性相關(guān)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(zhì)、地形、氣候條件,以及森林演替過程中生物地球化學(xué)循環(huán)的影響[1-2].母質(zhì)可能對(duì)土壤微量元素的全量影響較大,而生物地球化學(xué)循環(huán)過程及其影響下的土壤酸堿性及土壤有機(jī)質(zhì)的積累可能對(duì)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(zhì)層土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn含量均較高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同地區(qū)礦質(zhì)層土壤微量元素有效態(tài)含量[11].成土母質(zhì)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(zhì)對(duì)微量元素(尤其中Cu和Zn)具有較強(qiáng)的絡(luò)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(duì)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(zhuǎn)變?yōu)殚熑~林植被,腐殖質(zhì)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(diǎn)(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(diǎn)(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(duì)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(huì)增加[1-2].當(dāng)土壤pH降低,土壤對(duì)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(fù)相關(guān),說明酸性條件有利于活化土壤腐殖質(zhì)層的Fe和Mn.在有機(jī)物分解和土壤生物呼吸過程中會(huì)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(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生的富里酸以及微生物活動(dòng)產(chǎn)生的含鐵細(xì)胞也可增加土壤中有效Fe含量[1,11].本研究中各樣點(diǎn)土壤的pH為4.78~5.98(表1),說明酸性土壤條件對(duì)土壤Fe、Mn的分布和有效性產(chǎn)生了顯著的影響.

通過絡(luò)合作用,土壤腐殖質(zhì)與Mn2+、Zn2+、Cu2+等結(jié)合,形成具有不同溶解度的絡(luò)合物,這對(duì)于微量元素在土壤中的化學(xué)性狀和結(jié)合形態(tài)的變化、以及植物對(duì)微量元素的吸收利用等都起到很大的促進(jìn)作用.富里酸生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中形成的產(chǎn)物與金屬微量元素離子結(jié)合,可形成可溶的絡(luò)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(jī)C與有效態(tài)Cu、Zn正相關(guān),與w(Mn)/w(Zn)負(fù)相關(guān)(表2),說明土壤腐殖質(zhì)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(duì)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(luò)合物是水解性的,這對(duì)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(dá),可以把剖面深層的微量元素通過植物富集作用而運(yùn)移到表土層,并通過凋落物、穿透雨、樹干流等生態(tài)過程進(jìn)行再分配,這種機(jī)制對(duì)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(fù)相關(guān),與有效態(tài)Cu、Zn正相關(guān)(表2),這由土壤交換性陽離子與土壤有機(jī)C、pH的關(guān)系決定.一般情況下,土壤交換性鹽基總量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH的升高而升高.因此,土壤pH對(duì)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(jī)C含量高的土壤交換性鹽基總量亦較高,因此這兩個(gè)變量對(duì)有效態(tài)Cu、Zn含量的影響均為正效應(yīng).在對(duì)礦質(zhì)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(fù)相關(guān)關(guān)系[1-2].

4 結(jié) 論

東北闊葉紅松林樣帶腐殖質(zhì)層土壤有機(jī)C含量高,呈酸性,有效性陽離子交換量相對(duì)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(jī)C含量和交換性鹽基總量對(duì)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(zhì)層,腐殖質(zhì)層對(duì)元素的生物地球化學(xué)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(duì)東北闊葉紅松林植被帶的保護(hù)具有重要的生態(tài)價(jià)值.

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