喀斯特城市森林微量元素生物循环的研究

王 仲 ，田大伦 ，2，宁晓波 ，3，闫文德 ，2，张胜利

（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.贵州省林业厅，贵州 贵阳550001）

喀斯特城市森林微量元素生物循环的研究

王 仲1，田大伦1，2，宁晓波1，3，闫文德1，2，张胜利1

（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.贵州省林业厅，贵州 贵阳550001）

采用现场实例和实验分析法，对喀斯特地区贵阳市10年生亮叶桦+意杨林、33年生麻栎林中Cu、Zn、Mn、Ni、Co、Pb、Cd、Fe元素的含量、积累和分布、生物循环进行了研究。结果表明：2种林分土壤pH值为4.49～5.03，为酸性土壤，微量元素含量Fe 最高，Mn 次之，Cd 最低；林木中微量元素以Mn最高，为195.41～646.67 mg·kg-1；林木组织器官叶中含Cu量最高，为52.04～75.38 mg·kg-1；根中含Fe量最高，为24.22～70.09 mg·kg-1；林木对土壤中Cu的富集能力最强，富集系数为2.68～6.71；2种林分微量元素的生物循环积累量为 18.22 ～ 589.60 kg·hm-2，存留量为 1.822 ～ 17.870 kg·hm-2a-1，归还量为 0.621 ～ 1.942 kg·hm-2a-1，吸收量为2.442～19.813 kg·hm-2a-1，利用系数为0.034～0.134，循环系数为0.098～0.254。

喀斯特；城市森林；亮叶桦；意杨；麻栎；微量元素；生物循环

喀斯特石漠化是土地劣化演变的极端形式之一，我国主要分布在西南地区，具有分布广、程度深的特点[1]。贵州省是我国乃至世界上喀斯特发育最充分、分布面积最大的高原地区[2]，国土面积的近四分之三属于喀斯特地区，全省有95%的市、县为有喀斯特分布的地区[3]。

城市森林是城市生态环境的重要组成部分，被称为“城市肺脏”，对改善城市生态环境、促进社会持续发展及人与自然协调等方面具有举足轻重的作用[4]，因此对城市森林及其生态功能的研究受到广泛关注[5-7]。

养分循环是森林生态系统功能的主要表现形式之一，同时也是维持森林结构及其功能稳定的重要因素[8]。对森林生态系统养分循环中大量营养元素研究较多，但是涉及到微量元素尤其3 种以上微量元素的研究并不多见[9-13]。本文中选择贵阳市亮叶桦Betula luminifera +意杨Italian poplar混交林、麻栎Sawtooth oak林为研究对象，研究了2种不同森林生态系统中微量元素积累及分配特征，探讨了微量元素循环特征，可为喀斯特地区石漠化防治及森林可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

贵阳市地处我国西南云贵高原东部，东经106°07'～ 107°17'， 北 纬 26°11'～ 26°55'之 间，总土地面积为8 034 km2，占贵州省总面积比例为4.56%。贵阳市属于低纬度高海拔的高原地区，海拔1 100 m左右，最高1 659 m，最低880 m，相对高差100～200 m。属典型性亚热带湿润温和型气候，年均温度15.3℃，最热月为7月，月均温度为24℃；最冷月为1月，月均温度4.6 ℃。年均总降水量为1 129.5 mm，年均相对湿度78%，年均日照时数1 148.3 h。

贵阳市土壤以酸性黄壤为主。与白云岩、石灰岩、砂岩、页岩等交错性分布，形成酸性土壤，同时发育了各种类型酸性土壤植物群落。地带性植被为中亚热带湿润性常绿阔叶林，以壳斗科樟科Laureceae、山茶科Theaceae为主。常见的用材树种有杉木Cunninghamia lanceolata、马尾松Pinus massoniana、侧柏 Platycladus orientalis、柏树Cupressaceae funebris及各类栎树Quervus 等。在试验区选择亮叶桦+意杨混交林、麻栎林为研究对象，林分特征见表1。

表1 贵阳市2种森林类型基本情况Table 1 Basic characteristics of two forest communities in Guiyang city

2 研究方法

2.1 土壤样品采集

分别在各试验林分内及距离样地300 m空旷地随机设置4个采样点，在每个采样点按0～15、15～30、30～45、45～60 cm 4个层次分别采取土样0.5 kg，共采土样48个。将土样带回实验室，去除石砾与杂物，自然风干后过20目及100目筛备用。同时在取土现场用环刀法取各点各层土样，用于土壤容重及孔隙度测定，用小盒取土以测定土壤含水量。

2.2 林分生物量及生产力的估算

在实试验区内选取亮叶桦+意杨混交林、麻栎林2种森林类型为研究对象，各林分基本情况见表1。在2个林分内各自设置30 m×30 m的样地，然后进行每木调查。由于试验区位于城市周边，为了减少资源的破坏，因此在每木调查的基础上按生长状况选择生长优势、中等、较差的林木各1株，亮叶桦+意杨混交林选择6株标准木，麻栎林只选择平均木1株，共7株。将标准木从根际径处伐倒，按分层切割法测定各器官的鲜质量，树根按土层0～15 、15～30、30～45 、45～60 cm 和根系的粗度级（细根＜0.2 cm、大根0.2～0.5 cm、粗根＞0.5 cm、根头）采用全挖法测定其鲜质量。抽取样本1.0 kg带回实验室，在80 ℃温度下烘干至恒质量，计算其干质量，推算单位面积上干物质重，然后亮叶桦和意杨单株生物量各由3株标准木生物量平均值计算。林分生物量为林木单株生物量乘以林分株数求得。

2.3 林下植被生物量的测定

在各标准样地内各自布设4个5 m×5 m的样方，进行灌木调查；4个1 m×1 m小样方调查草本及凋落物层。采用全挖法将各样方内的灌木、草本植物全部挖出，并将凋落物层分未分解层、半分解层、已分解层收取。对同种同类植物（灌木分地上部分及地下部分，草本植物不分器官）及凋落物各层分别称取鲜质量，并称取各类小样本1.0 kg带回实验室，在鼓风干燥箱内80℃烘干至恒质量，求出各类植物的干物质重。

2.4 化学分析方法

土 壤 和 植 物 Cu、Fe、Zn、Mu、Pb、Cd、Ni、Co含量用Hp3510原子吸收分光光度计测定。

2.5 数据分析

采用Spss13.0和Excel2003进行数据处理。

3 结果与分析

3.1 不同森林类型微量元素的分布特征

3.1.1 土壤中微量元素的含量

通过表2、表3可以看出，亮叶桦+意杨林森林土壤的pH值为4.49，麻栎林为5.03，呈酸性反应，为酸性土壤。亮叶桦+意杨林土壤中微量元素含量按高低顺序为：亮叶桦+意杨混交林为Fe＞Mn＞Zn＞Ni＞Pb＞Co＞Cu＞Cd；麻栎林为Fe＞Mn＞Zn＞Pb＞Ni＞Co＞Cu＞Cd。

表2 亮叶桦+意杨混交林土壤微量元素的含量†Table 2 Contents of trace elements in soil layers of Betula luminifera and Italian poplar mixed forests (mg·kg-1)

表3 麻栎林土壤微量元素的含量†Table 3 Contents of trace elements in different soil layer of Sawtooth Oak forest (mg·kg-1)

2种森林类型土壤中微量元素含量均以Fe最高，Mn次之，Cd最低。亮叶桦+意杨混交林土壤中Cu、Zn、Mn、Ni、Pb含量均随土层深度加深而减少，而麻栎林土壤中Cu、Zn、Mn、Ni、Pb则呈现随着土层深度的加深而增加的趋势。2种森林类型中，Mn和Cd含量显著高于对照地（P＜ 0.05），而 Cu、Zn、Ni、Co、Pb、Fe均显著低于对照地（P＜0.05）。

3.1.2 不同森林类型主要乔木树种微量元素的含量

如表4、表5、表6所示，2种不同森林类型中乔木树种各组分微量元素含量分布如下。

亮叶桦各组分微量元素含量高低顺序为：Cu，叶＞枝＞干＞皮＞根；Zn，叶＞皮＞干＞枝＞根；Mn，叶＞皮＞枝＞根＞干；Ni，叶＞根＞干＞皮＞枝；Co，叶＞皮＞枝＞根＞干；Pb，叶＞枝＞干＞皮＞根；Cd，叶＞皮＞枝＞干＞根；Fe，根＞叶＞干＞皮＞枝。意杨林为：Cu，叶＞枝＞根＞皮＞干；Zn，叶＞皮＞枝＞根＞干；Mn，根＞叶＞皮＞枝＞干；Ni，根＞叶＞皮＞干＞枝；Co，根＞叶＞皮＞枝＞干；Pb，枝＞皮＞叶＞根＞干；Cd，枝＞皮＞根＞叶＞干；Fe，根＞叶＞皮＞枝＞干。麻栎为：Cu，叶＞枝＞根＞皮＞干；Zn，枝＞叶＞皮＞根＞干；Mn，叶＞皮＞枝＞根＞干；Ni，枝＞根＞叶＞皮＞干；Co，皮＞根＞枝＞叶＞干；Pb，枝＞叶＞皮＞干＞根；Cd，叶＞枝＞皮＞根＞干；Fe，根＞叶＞干＞枝＞皮。

表4 亮叶桦各组分微量元素的含量Table 4 Trace element contents in organs of Betula luminifera trees (mg·kg-1)

表5 意杨各组分微量元素的含量Table 5 Trace element contents in organs of Italian poplar trees (mg·kg-1)

表6 麻栎各组分微量元素的含量Table 6 Trace element contents in organs of Sawtooth oak trees (mg·kg-1)

上述表明，不同林木的不同组分中Cu、Zn、Mn、Ni、Co、Pb、Cd、Fe元素含量不同， Cu元素在3种乔木树种叶中含量均为最高，Fe则在根中最高，各微量元素在各树种各组分中的含量均不相同，这与许多研究结果是一致的[9-18]。这是由各树种的生物学特性决定的。

3.1.3 林木对土壤微量元素的富集特征

林木所需要的微量元素主要通过根系从土壤中吸收，并根据自身需求量在体内进行适量的积累，土壤微量元素积累量与林木微量元素的积累量存在一定的相互关系，但不同树种与器官对不同微量元素的积累特征各不相同，它可用富集系数即林分与土壤中某元素的含量比来进行评定（见表7）。从表7可以看出，在2种林分的3个树种中，Cu元素的富集系数最高，为2.68～6.71；在林木各组分中又以叶的富集系数最大，为5.11～10.54；而Fe元素最低，为0.001 1～0.001 8，尤以林木的干、皮、枝的富集系数低而明显。

表7 林木对土壤微量元素的富集系数Table 7 Enrichment coefficients of trace elements in trees to soil

再从表7可以看出，亮叶桦和麻栎对Cu、Mn、Cd的富集能力最强，富集系数为1.00以上，而对Zn、Ni、Co、Pb、Fe的富集能力较弱，富集系数在1.00以下，尤以Fe明显；意杨对Cu、Cd、Zn富集能力强，而对Mn、Ni、Co、Pb、Fe较弱。

由此可见，林木对土壤中微量元素的富集能力是因树种不同或同一树种的不同器官、土壤微量元素种类的含量状况不同而不同。

3.2 不同林分微量元素的积累量

不同林分微量元素的积累量由林分中乔木层各树种生物量与相应微量元素含量相乘求得[11]。从表8可以看出，麻栎林微量元素积累量为589.60 kg·hm-2；亮叶桦 + 意杨林为 18.22 kg·hm-2，其中亮叶桦的微量元素积累量为12.90 kg·hm-2，意杨为5.32 kg·hm-2。

从表8还可以看出，麻栎林中微量元素的积累量按高低顺序为：Mn(515.05 kg·hm-2)＞Cu(21.25 kg·hm-2) ＞ Fe(19.32 kg·hm-2) ＞ Zn(11.69 kg·hm-2)＞ Pb（7.19 kg·hm-2）＞ Co（5.62 kg·hm-2）＞ Ni（4.61 kg·hm-2） ＞ Cd（4.37 kg·hm-2）； 亮 叶 桦 + 意 杨林 为：Mn（10.96 kg·hm-2） ＞ Fe（2.16 kg·hm-2）＞ Cu（1.81 kg·hm-2） ＞ Zn（1.69 kg·hm-2） ＞ Cd（1.12 kg·hm-2）＞ Pb（0.17 kg·hm-2）＞ Co（0.16 kg·hm-2）＞ Ni（0.15 kg·hm-2）。

再从表8可看出，林分不同，微量元素积累量不同；同一林分中，因树种不同微量元素积累量不同；同一树种中，因林木组分不同，微量元素积累量不同；就是同一林分或不同林分或同一树种，或林木各组分相同或不相同，都因元素不同其积累量也不尽相同。这是与林分生物量和微量元素含量而紧密关联的。

表8 不同林分微量元素的积累量Table 8 Accumulation and distribution of trace elements in different arbor trees (kg·hm-2)

3.3 不同森林类型微量元素生物循环特征

3.3.1 存留量

树木微量元素存留量也称之为微量元素的积累速率或净积累量，指植物各组分在单位时间（通常以一年为基本单位）内积累的微量元素的总量。可用树木各组分净生长量与其微量元素含量的乘积之和求得树木微量元素存留量[14-18]。本研究林分主要乔木树种均为落叶乔木，叶在当年生又以凋落物形式返回给林地土壤，所以叶的微量元素量不计于存留量中，而将其计于归还量中[18]。

从表9可以看出，不同森林生态系统微量元素存留量为：麻栎（17.870 kg·hm-2a-1）＞亮叶桦+意杨混交林（1.822 kg·hm-2a-1），微量元素存留量均以Mn最高，Ni最小。

3.3.2 归还量

微量元素的归还量为各乔木树种叶的生物量与其对应的各微量元素含量乘积。

表9 不同森林生态系统微量元素的存留量Table 9 Retention of trace elements in different forest communities (kg·hm-2a-1)

由表10所示，2种森林生态系统中微量元素归还量为亮叶桦+意杨混交林（0.621 kg·hm-2a-1）＜麻栎林（1.943 kg·hm-2a-1），这是因为由于33年生麻栎林叶的生物量远远大于10年生亮叶桦+意杨混交林叶的生物量，因此归还量也大。亮叶桦+意杨混交林及麻栎林中均以Mn元素归还量最高（0.449 kg·hm-2a-1，1.631 kg·hm-2a-1），Ni元 素 归还量最低（0.004 kg·hm-2a-1，0.008 kg·hm-2a-1）。因本次研究未将降水中及死根的归还量计算在内，所以稍低于实际值。

表10 不同森林生态系统微量元素的归还量Table 10 Trace element return in different forest communities (kg·hm-2a-1)

3.3.3 生物循环特征

生物循环是指森林土壤与森林植被之间元素的周转及流动过程，它是由吸收、存留及归还3个过程完成。根据生物循环的平衡公式：吸收量=存留量+归还量[15-19]，计算出2种城市森林年吸收微量元素量，并以归还量与吸收量之比计算循环速率。

从表11可以看出，亮叶桦+意杨林微量元素吸收量为2.442 kg·hm-2a-1，麻栎林微量元素吸收量为19.813 kg·hm-2a-1。Mn元素吸收量最大，亮叶桦+意杨混交林为1.55 kg·hm-2a-1，占总吸收量比例为63.43%，麻栎林为17.241 kg·hm-2a-1，占总吸收量比例为87.02%。

表11 不同森林生态系统微量元素生物循环Table 11 Biological cycle of trace elements in different forest communities (kg·hm-2a-1)

从表11还可以看出，亮叶桦+意杨混交林微量元素利用系数为0.134，循环系数为0.254；麻栎林微量元素利用系数为0.034，循环系数为0.098。

4 结 论

亮叶桦+意杨混交林和麻栎林土壤pH值分别为4.49、5.03，均为酸性土壤；微量元素含量均为Fe最高，分别为424.42、13817.38 mg·kg-1；Mn次之，为 286.98 mg·kg-1和 520.25 mg·kg-1；Cd 最低，为 4.70 mg·kg-1和 4.93 mg·kg-1。2 种林分土壤中，微量元素含量及分布规律与桂中丘陵区马尾松人工林内土壤中微量元素的含量及分布规律基本一致[18]。

2类林分的林木中，微量元素的含量因树种不同而含量不同，如Zn在亮叶桦中平均含量为41.90 mg·kg-1，意杨中为 50.55 mg·kg-1，麻栎中为14.89 mg·kg-1。同一树种因组分不同，其微量元素含量也不尽相同，如Mn元素在亮叶桦的叶中含量为989.94 mg·kg-1，而在根系中的含量为191.34 mg·kg-1，两者相差5倍。这是由林木的遗传学和生物学特征所决定的。

亮叶桦和麻栎对土壤中Cu、Mn、Cd的富集能力较强，意杨则对Cu、Zn、Cd的富集能力较强，这与树种土壤微量元素种类的含量状况相关。

10年生亮叶桦+意杨林微量元素的积累量为18.22 kg·hm-2，33 年生麻栎 林 为 589.60 kg·hm-2，两者相差32倍。表明林分中微量元素的积累量是与林分年龄、生物量及微量元素含量紧密相关的。

2类林分中微量元素生物循环特征为：亮叶桦+意杨林微量元素存留量为1.822 kg·hm-2a-1，归还量 0.621 kg·hm-2a-1，吸收量 2.442 kg·hm-2a-1；麻栎林微量元素存留量为17.870 kg·hm-2a-1，归还量1.943 kg·hm-2a-1，吸收量 19.813 kg·hm-2a-1。

城市森林对于城市生态环境的改善、提高人类生活环境质量具有重要作用。当前在建设生态文明城市之际，城市森林已成为主体，尤其是喀斯特地区的城市，森林更显示出重要地位。本研究结果可为喀斯特地区城市森林的保护和管理及可持续经营提供参考。

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Study on trace elements biological cycle in urban forests of karst areas

WANG Zhong1, TIAN Da-lun1,2, NING Xiao-bo1,3, YAN Wen-de1,2, ZHANG Sheng-li1
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3.Forestry Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China)

By using field examples and experimental analysis methods, the concentration, accumulation, spatial distribution,decomposition and biological cycle of eight trace elements (Cu, Zn, Mn, Ni , Co, Pb, Cd, Fe) in 10-year-old Betula luminifera and Italian poplar mixed forest and 33-year-old Sawtooth oak forest were investigated. The results show that the pH of two stands soil was 4.49～5.03 and the soils were acidic, the concentration of Fe had the highest value among the eight trace elements, following by Mn, and Cd had the lowest concentration in the soils; the concentration of Mn was 195.41 ～ 646.67 mg·kg-1in trees and Mn had the highest value, Cu had the highest concentration of 52.04 ～ 75.38 mg·kg-1in leaves; Fe had the highest concentration of 24.22 ～ 70.09 mg·kg-1in roots; Cu had the highest enrichment factor of 2.68 ～ 6.71; accumulation amounts of trace elements in two stands was 18.22 ～ 589.60 kg·hm-2, retention amount was 1.822 ～ 17.870 kg·hm-2a-1, return amount was 0.621 ～ 1.942 kg·hm-2a-1, absorption amount was 2.442～ 19.813 kg·hm-2a-1, utilization coeff i cient was 0.034～ 0.134, cycling coeff i cient was 0.098～ 0.254.

karst; urban forest; Betula luminifera; Italian poplar; Sawtooth oak; trace elements; biological cycle

S718.55+4.2

A

1673-923X(2013)07-0107-07

2013-02-16

国家林业公益性行业科研专项（200904031）；国家林业局项目（201042）；湖南省科技厅项目（2010TP4011-3）；湖南省教育厅项目（湘财教字[2010]70号）

王 仲（1984-），男，河南信阳人，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，主要从事森林生态学教学研究工作；E-mail：csufttdl@126.com

[本文编校：谢荣秀]