湘潭锰矿废弃地栾树人工林微量元素含量及分布特征

罗赵慧 ，田大伦 ，3，田红灯 ，徐露燕

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.国家野外科学观测研究站，湖南 会同418307）

湘潭锰矿废弃地栾树人工林微量元素含量及分布特征

罗赵慧1，2，田大伦1，2，3，田红灯1，2，徐露燕1，2

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.国家野外科学观测研究站，湖南 会同418307）

采用野外采样和室内分析相结合的方法，研究了湘潭锰矿废弃地5年生栾树人工林各组分微量元素含量、积累与空间分布特征。结果表明：土壤中微量元素含量顺序为Fe＞Mn＞Zn＞Cu，除Fe的含量随深度增加而递增外，其它元素的含量随深度增加而变化规律性不明显；草本层和死地被物层微量元素含量顺序均为Mn＞Fe＞Zn＞Cu；栾树各组分微量元素含量顺序为树叶＞树枝＞细根＞树皮＞粗根＞根头＞大根＞树干，地上部分与地下部分微量元素含量排序均表现为Mn＞Fe＞Zn＞Cu,且地上部分总含量要远高于地下部分；栾树人工林微量元素总积累量为165 837.14 kg/hm2，空间分布表现为土壤层＞乔木层＞草本层＞死地被物层＞灌木层；乔木层和林下植被层微量元素积累量排序为Mn＞Fe＞Zn＞Cu，死地被物层和土壤层微量元素积累量排序为Fe＞Mn＞Zn＞Cu；栾树对不同微量元素的生物吸收系数存在明显差异，其中对Mn和Fe元素的生物吸收系数最高，分别为0.08和0.05，Zn和Cu的分别为0.01和0.001，这表明栾树对Mn和Fe这2种元素具有较高的富集能力。

锰矿废弃地；栾树人工林；微量元素含量；分配特征；湖南湘潭

矿区废弃地是指在采矿过程中所破坏的未经一定处理而无法使用的土地[1]。据统计，我国目前矿山达到23万多个，且每年以4.67万hm2的速度增长。矿区废弃地造成大量土地资源浪费的同时，也对周围生态环境及人类健康产生了严重影响，如土壤质量下降、生物多样性丧失、水土流失严重、土壤重金属污染严重等。而重金属毒害是矿区普遍存在且最为严重的问题之一[2-3]，但某些特殊的金属型植物由于自然选择的作用，往往能在重金属污染严重的土壤中良好生长[4]。因此，这些植物在重金属污染土地的植被重建和植物修复中起到决定性的作用[5-6]。

许多研究表明，微量元素可与生物体相互作用，通过结构和调节机制而产生营养性、毒性和刺激性，从而对有机体的生长发育、繁殖和农林(畜）产品的数量和质量产生很大的影响[7]。微量元素在植物体内含量低，以及测定方法的限制，在森林生态系统养分循环的研究中大都偏向于大量元素的循环，而在土壤环境受重金属毒害地区，微量元素在森林生态系统中的积累与分布，在国内外报道中仍很少。为此，本文中通过定位观测的数据，以湘潭锰矿4年生栾树人工林生态系统及土壤中的微量元素的含量与分布进行研究和探讨，以揭示栾树人工林生态系统中微量元素的含量与分布特征，为进一步了解矿区植被生长发育规律和养分分布状况提供基础数据，从而为该矿区生态环境恢复提供科学依据。

1 研究地概况

湘潭锰矿矿渣废弃地矿区位于湖南省湘潭市北部约14 km处，年均气温17.4℃；年均降水量1 431.4 mm。区域内由矿石废弃物、矿渣和选矿后的尾矿泥、煤气灰、城市生活生产垃圾等形成的一种特殊的退化生态系统，主要是草本植物种类，如艾蒿Lavandulaefolia DC、灯心草Juncus effusus、五节芒Miscanthus fl oridulus、一年蓬Erigeron annuns等。2008年在矿区的矿渣废弃地采用2年生栾树Koelreuteria paniclata(苗高1.3 m，地径1.5 cm)实生苗，挖穴(0.5 m×0.5 m×0.5 m），客土1.0 kg，苗木根系蘸黄土浆造林，株行距为1.0 m×1.3 m。目前植物生长状况良好，栾树能适应矿区废弃地的土壤条件。2011年10月在造林地测定林木胸径和树高，并计算林分的平均胸径、平均树高、林分生物量和林分生产力(见表1）。

表1 样地林分特征Table 1 Characteristics of investigated stands

2 研究方法

2.1 植物和土壤样品的采集及样品分析方法

在2011年10月，在湘潭锰矿植被恢复地4年生栾树人工林中，根据样地每木调查的结果，按林木生长级Ⅰ级木、Ⅱ级木、Ⅲ级木、Ⅳ级木、Ⅴ级木和平均木各选1株，共选6株标准木伐倒，按树干、树皮、树枝、树叶和树根[树根分为细根(d＜0.2 cm)、粗根(0.2 cm＜d＜0.5 cm)、大根和根头(d＞0.5 cm）]测定各组分鲜质量，同时分别采集各组分的分析样品，每株标准木的每一组分重复3个样品，每一组分分析样品18个。

林下植被主要有草本层和死地被物层，在样地内设置4个1 m×1 m小样方，对小样方草本植物按同种植物进行分别采样，死地被物层按未分解、半分解和已分解进行采样。样地内随机设置4个土壤采样点，每个采样点均按0～15 、15～30、30～45 cm分层采集分析样品(约1 kg）。

植物各组分分析样品带回实验室后在80℃恒温下烘干，粉碎过100目筛，装入样品袋备用。土壤样品带回实验室后自然风干，按各测定指标的测试方法进行处理，装入样品袋备用。对样品逐一测定，同一分析样品取算术平均值作为最终分析结果。

植物、土壤样品中Fe、Mn、Cu、Zn元素含量用AA-7000型原子吸收光谱仪测定。

2.2 数据处理

养分积累量(kg/hm2）为生物量与养分含量的乘积，数据全部采用Excel2003进行处理。

3 结果与分析

3.1 土壤微量元素的含量

通过表2可以看出，在栾树人工林中，各微量元素含量的顺序为Fe＞Mn＞Zn＞Cu。元素含量差异显著，Fe的含量要比Cu和Zn高出两个数量级以上，Mn比Cu高出一个数量级以上。在土壤垂直分布中，Fe含量随深度增加而递增，说明Fe易被淋溶而向下迁移，其它元素的含量随深度的增加未表现出一致的规律性。从变异系数来看，变化幅度的大小顺序为Cu＞Mn＞Zn＞Fe，说明Fe元素的含量在不同的深度变化幅度最小。

3.2 林下植被及死地被物层微量元素的含量

经过对草本层和死地被物层各种微量元素的测定，结果（见表3）表明：草本层和死地被物层微量元素的含量高低顺序均为Mn＞Fe＞Zn＞Cu；Mn元素含量要高于其它元素，最主要的原因是该废弃地土壤中Mn元素含量较高。草本层中各元素变化幅度为Cu＞Fe＞Zn＞Mn，死地被物层中变化幅度为Fe＞Zn＞Mn＞Cu，且草本层中各元素的变化幅度都要比死地被物层中要大。值得注意的是，Cu的变化幅度排序由草本层的第一位降至死地被物层的最后一位，说明植物种类不同，其Cu含量差异性较大；而在分解阶段，由于Cu的活性低，所以各分解阶段含量没有显著差异，变化的幅度也小。在死地被物层中，Zn的变化幅度要高于Cu，主要是由于Zn的活性要高于Cu。

表3 林下草本层微量元素的含量†Table 3 Microelement concentration of major herbs and litter in understory

3.3 栾树各组分微量元素的含量

3.3.1 地上部分微量元素的含量

表4给出了地上部分微量元素的含量。从表4可以看出，地上部分各组分微量元素含量分别为：树叶最多，树干最低，各组分微量元素总量排序为树叶＞树枝＞树皮＞树干。从各元素总量来看，含量最高的是Mn，占地上部分总含量的58.98%；最低是Cu，仅占地上部分总含量的1.04%。各元素含量排序为：Mn＞Fe＞Zn＞Cu。

表4 地上部分微量元素的含量†Table 4 Microelement concentration of aboveground part

3.3.2 地下部分微量元素的含量

植物主要通过根系从土壤中吸收养分。因此，根系吸收养分的能力大小及养分元素的含量对植物的生长发育起着至关重要的作用。表5给出了栾树根部的微量元素含量，可以看出：地下部分各组分养分含量中，细根含量根高，粗根其次，大根含量最低。细根为植物从土壤中吸取养分最主要的组分，所以其养分含量较粗根高，占地下组分养分总量的40.50%。粗根与大根微量元素含量相近。各组分微量元素总量排序为：细根＞粗根＞根头＞大根。从各元素总量来看，含量最高的是Mn，占地下部分总含量的49.25%；最低的是Cu，仅占地下部分总含量的0.98%。各微量元素总量排序为：Mn＞Fe＞Zn＞Cu。

表5 地下部分微量元素的含量†Table 5 Microelement concentration of underground part

3.4 微量元素分布特征

在森林生态系统中，元素的积累和分布是一个十分复杂的生理生态过程，它与生物量的增加和生物量中各组分元素含量紧密相关，总的积累量是林木与环境相互作用的结果[8]。各元素在栾树人工林生态系统中各部分的积累量和分布如表6所示。由表6可以看出，栾树人工林微量元素总积累量为165 836.83 kg/hm2，其中乔木层养分积累量为13.75 kg/hm2，乔木中各组分微量元素总积累量排序为枝＞干＞叶＞根＞皮。各组分对Fe的积累量排序为枝＞干＞根＞皮＞叶，对Mn的积累量排序为枝＞叶＞干＞皮＞根，对Cu的积累量排序为干＞枝＞根＞叶＞皮，对Zn的积累量排序为干＞根＞枝＞叶＞皮。林下植被层中草本层养分积累量为10.86 kg/hm2，占林下植被层的86.53%，且草本层的养分积累量要大于灌木层。在死地被物层中，养分总积累量为7.10 kg/hm2，各阶段养分积累量排序为已分解＞未分解＞半分解。林下植被层和死地被物层总积累量为19.65 kg/hm2，占整个生态系统的0.01%，比例虽小，但仍是重要的养分库。土壤层微量元素积累量最大，为165 804.05 kg/hm2，占栾树人工林生态系统总积累量的99.98%，且养分积累量随深度增加呈逐渐减小的趋势。从整个生态系统来看，4种微量元素的积累量在空间分布上表现为：土壤层＞乔木层＞草本层＞死地被物层＞灌木层。其中，乔木层和林下植被层微量元素积累量排序为Mn＞Fe＞Zn＞Cu，死地被物层和土壤层微量元素积累量排序为Fe＞Mn＞Zn＞Cu。

表6 栾树林微量元素积累量和空间分布†Table 6 Accumulation of microelements in Koelreuter paniculata plantations (kg/hm2)

3.5 栾树不同组分对微量元素的生物吸收系数

植物在生长过程中，根系从土壤中吸收养分，并输送到其他组分，因此，土壤中的养分含量与植物体内的养分含量存在一定的相关性，这种相关性可用生物吸收系数来表示。生物吸收系数是植物中某元素含量与土壤中该元素含量的比值，它反映了植物对化学元素的吸收和积累能力[8]。

表7为各组分对这4种微量元素的吸收系数。由表7可以看出，栾树各组分对这4种微量元素的吸收系数有明显差异，对有的元素累积能力较强，对有的元素累积能力较弱，栾树林木对各元素的吸收系数排序为：Zn＞Mn＞Cu＞Fe。对Fe的吸收系数最小，仅为0.05，但并不能由此说明栾树对Fe的富集能力弱，这可能与土壤中的含量高有关。

从各组分来看，树叶的富集能力最强，生物吸收系数达到0.77；大根的富集能力最弱，为0.26。各组分的生物吸收系数排序为：树叶＞树枝＞树干＞细根＞树皮＞根头＞粗根＞大根。

表7 各组分的生物吸收系数Table 7 The absorption coefficients of plants to microelement

4 结论与讨论

(1)土壤中微量元素的含量依次为：Fe＞Mn＞Zn＞Cu，与洞庭湖西岸4种防护林土壤微量元素含量一致[9]。在土壤垂直分布中，Fe含量随深度增加而递增，其它元素的含量随深度的增加未表现出一致的规律性。土壤中Fe含量高，主要是因为土壤类型以红壤或砖红壤为主，在长期高温高湿的作用下发生强度富铝化作用和生物富集作用。Mn含量高于Zn和Cu，主要是因为研究地为锰矿废弃地。

(2)草本层和死地被物层微量元素的含量高低顺序均为：Mn＞Fe＞Zn＞Cu，与杨丽丽等[10]的研究结果一致。草本层中Mn的变异系数最小，一方面由于该地为锰矿废弃地，土壤中Mn元素含量高，另一方面也说明了这几种草本植物对Mn的利用上更趋向于一致。

(3)栾树中各微量元素的含量顺序为：Mn＞Fe＞Zn＞Cu，各组分养分含量以树叶最高，树枝其次，树干最低。各组分微量元素含量顺序为：树叶＞树枝＞细根＞树皮＞粗根＞根头＞大根＞树干。树叶为主要的光合作用器官，所以其养分含量最高，树皮韧皮部中的筛管结构是植物体内光合产物和多种有机物运输的主要结构，即各种营养元素运输的主要途径，所以其中的营养元素含量明显高于其它组分。田大伦等[11]对不同林龄马尾松人工林微量元素循环的研究表明，林木各组分微量元素含量规律为Fe＞Mn＞Zn＞Cu，Fe、Mn、Zn、Cu的含量均以根＞叶＞枝＞皮＞干为序。蔡宝玉等[12]的研究表明第2代杉木林速生阶段各组分微量元素含量顺序为：叶＞枝＞皮＞根＞干,说明林木各器官微量元素含量是随器官功能和结构而变化的。

(4)栾树人工林微量元素总积累量为165 836.83 kg/hm2，由于乔木是森林生态系统中最活跃、最重要的亚系统，4种微量元素总积累量为13.75 kg/hm2。但由于各组分生物量占总量的比例不同，不同组分对同一种元素含量的差异造成各组分对同种元素积累量也不同。对Fe的积累量排序为枝＞干＞根＞皮＞叶，对Mn的积累量排序为枝＞叶＞干＞皮＞根，对Cu的积累量排序为干＞枝＞根＞叶＞皮，对Zn的积累量排序为干＞根＞枝＞叶＞皮。林下植被层总积累量为12.55 kg/hm2，其中灌木层积累量为1.69 kg/hm2，草本层积累量为10.86 kg/hm2，占林下植被层总积累量的86.53%，由此可以看出，在林下植被层中，4种微量元素主要集中在草本层中。死地被物层总积累量为7.10 kg/hm2，且不同的分解阶段其积累量也存在差异。土壤是森林生态系统中比较稳定的组成要素，其微量元素含量受成土母质和局部地形及生物地球化学循环的共同影响，是微量元素主要的存储库。在栾树人工林中，土壤层4种微量元素的积累量为165 804.05 kg/hm2，占整个生态系统总积累量的99.98%，微量元素积累量排序为：Fe＞Mn＞Zn＞Cu。土壤层微量元素积累量最大，主要是因为土壤层是生态系统微量元素最主要的存储库，在森林生态系统物质循环中起着十分重要的作用，加上乔木以枯枝落叶的形式进行养分归还，所以从系统保持和平衡的角度来看，尽管乔木层积累量较林下植被层高，但在整个生物循环过程中，能直接补给土壤相当多的有效养分，供林木重新吸收利用，有助于维持整个系统的养分平衡。方晰等[13]对10年生杉木林微量元素积累量的研究表明杉木对Fe、Mn、Cu、Zn的积累量为35.971 kg/hm2，占整个生态系统的0.013 4%，而本文中栾树仅为5年生，对4种微量元素积累量已达到13.75 kg/hm2，占整个生态系统的0.008 3%。由此说明栾树对这4种微量元素的积累能力更强，适宜作为Fe、Mn矿区植被修复的树种。

(5)栾树对各元素的吸收和累积能力存在差异性，对Zn的吸收能力最强，其次为Mn，对Fe的吸收能力最弱。同时，不同组分对微量元素的吸收能力也有明显差异，树叶的积累能力最强，生物吸收系数达到0.61，这主要是因为树叶为光合作用的主要器官，对元素的需求和利用要高于其它器官。大根的生物吸收系数最小，为0.26，各组分的生物吸收系数排序为：树叶＞树枝＞树干＞细根＞树皮＞根头＞粗根＞大根，树干与细根生理学功能不同，细根是树木从土壤中吸收养分的主要组分，故细根生物吸收系数与积累能力要高于树干。栾树对Mn和Zn具有较强的富集和累积能力，可以作为锰矿废弃地生态恢复过程中的先锋树种，促进生态系统演替过程，改善林分质量，提高植被覆盖率，可进一步扩大恢复规模。

(6)虽然湘潭矿区属亚热带季风气候，有利于植物生长，但在废弃的尾矿地和矿渣地这种特殊的立地条件上，土壤条件是植被恢复工程最主要的限制因子之一，因此必须采取相关措施改善土壤条件，如加强人工管理措施，实行植被恢复，以达到改良土壤基质、提高土壤养分含量的作用。

[1] 刘国华,舒洪岚. 矿区废弃地生态恢复研究进展[J].江西林业科技,2003,(2):21-25.

[2] 李永庚,蒋高明.矿山废弃地生态重建研究进展[J].生态学报,2004,21(1):95-99.

[3] DUDKA S, ADRIANO D C. Environmental in pacts of metal o remaining and processing: a review [J].Journal of Environmental Quality,1997,26:590-602.

[4] ERNSTW H O, SHAW A J. Heavy Metal Tolerance in Plants Evo-lutionary Aspects [M].Florida: CRC Press,1989:21-38.

[5] 周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京:科学出版社,2004:56-68.

[6] KHANAG,KUEK C,CHAUDHRY TM, et al. Role of plants mycorrhizae and phytochelators in heavy metal contaminated land re-mediation[J].Chemosphere,2000,41(l):197-207.

[7] 骆文华,黄仕训,李瑞棠,等.不同栽培基质对石山珍稀濒危植物苗期生长的影响[J].农村生态环境,2001,17(4):14-15.

[8] 田大伦,康文星,文仕知,等.杉木林生态系统学[M].北京:科学出版社,2003:305-306.

[9] 柏方敏,田大伦,方 晰,等.洞庭湖西岸区防护林土壤与植物微量元素含量特征[J].中南林业科技大学学报,2010,30(9):1-9.

[10] 杨丽丽,文仕知,何功秀.长沙市郊枫香人工林微量元素分布与生物循环特征[J].中南林业科技大学学报,2011,31(12):85-91.

[11] 田大伦,项文化,康文星.马尾松人工林微量元素生物循环的研究[J].林业科学,2003,39(4):1-8.

[12] 蔡宝玉,高跃明.第二代杉木林速生阶段微量元素含量与分布[J].中南林学院学报，2002,22(4):12-17.

[13] 方 晰,田大伦,项文化,等.第2代杉木人工林微量元素的积累、分配及其生物循环特征[J].生态学报,2003,23 (7):1313-1320.

Microelements concentration and distribution of Koelreuter paniculata plantations in slag wasteland of Xiangtan Manganese Mine

LUO Zhao-hui1,2, TIAN Da-lun1,2, TIAN Hong-deng1,2, XU Lu-yan1,2
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

By means of fi eld investigation and sampling, the microelements (Fe, Mn, Cu and Zn) concentrations and distribution of different components of Koelreuteria were studied in Koelreuter paniculata plantations in the slag wasteland of Xiangtan Manganese Mine. The results indicate that (1) the microelement concentrations in the soil ordered from high to low as follows: Fe＞Mn＞Cu＞Zn, of them the concentrations of Fe, Mn, Cu increased with the soil depth, but that of Zn showed a reveres variation; (2) in herb and litter layer, the order was:Mn＞ Fe＞ Zn ＞ Cu, the concentration of Cu was lower than that in the soil layer, while other’s microelement concentrations were higher than that in the soil layer; (3) the order of microelement concentrations in different components of Koelreuteria was: root＞ trunk ＞ bark ＞ branch ＞ leaf, the biomass was mainly concentrated in theaboveground part (27.79 t·hm-2), the aboveground biomass was 77.82% of the total biomass and in addition，the organs’ biomass and nutrient contents did not have a linear relationship. (4)biological absorption coeff i cients of Koelreuteria to microelements varied obviously，of them, the absorption coeff i cients of Zn and Mn(1.57 and 0.57) were higher than two other elements (0.16 and 0.03). The results show that Koelreuteria has higher enrichment capacity to Zn and Mn.

wasteland of manganese mine; Koelreuteria paniculata plantations; microelements content; distribution characteristic;Xiangtan of Hunan

2012-12-10

国家林业公益性行业科技专项（201104009）；湖南省教育厅项目（湘财教学[2010]70号）；长沙市科技局创新平台项目（K1003009-61）

罗赵慧（1988-），男，安徽芜湖人，硕士研究生，主要从事森林生态学研究工作

田大伦（1939-），女，湖南长沙人，教授，博士生导师，主要从事生态学教学研究工作

S718.45

A

1673-923X(2013)05-0085-06

[本文编校：谢荣秀]