枫香人工林根系重金属元素含量的季节变化

罗 忠， 文仕知， 刘 虹

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

枫香人工林根系重金属元素含量的季节变化

罗 忠， 文仕知， 刘 虹

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

对长沙市天际岭林场枫香人工林7种重金属元素(Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd)在根系中含量的季节变化进行了研究，结果表明：枫香根系中重金属元素含量季节之间差异性达到显著(P<0.05)。根系中Mn元素含量最大，Cd元素含量最低，说明枫香对Mn具有较强的富集能力。大根和中根中重金属元素总含量季节变化规律一致，均是冬季>夏季>春季>秋季。中根和细根中Pb元素含量较大根增加近3倍，仅次于Mn、Fe元素，说明枫香的中根和细根对Pb元素的吸收强于大根。

枫香人工林； 根系； 重金属

随着生态环境的日益恶化，植物重金属元素含量研究已经成为当前环境生态学研究的一个重要内容[1-3]。枫香作为城市市郊景观生态公益林的优势树种，日益受到广大学者的关注[4-5]。根系作为树木吸收养分和水分的主要功能器官，在森林生态系统的能量流动和养分循环中发挥着十分重要的作用。系统的研究枫香人工林根系重金属含量的季节变化规律，对于揭示枫香人工林生态系统重金属元素的循环特征具有积极的意义，并为探索人工林林地生产力的机理和生态公益林建设提供理论依据。

1 试验地概况

试验地位于距长沙市中心区8km的天际岭试验林场内，东经113°01′30″，北纬28°06′40″，林场总面积267hm2，最高海拔114m，最低海拔46m，地势较为平缓，坡度在25°以下，森林覆盖率达76%。试验地属典型的亚热带季风湿润气候区，年平均气温17.2℃，年无霜期272天，年平均降水量1411.4mm，年平均相对湿度80%，年日照时数1717.34h，四季分明。试验地土壤主要类型为第四纪网纹层母质发育的酸性红壤，pH值4.5～5.5之间。本试验林地是1986年人工造的枫香林，郁闭度一般在0.9左右。样地林木平均胸径为12.2cm；林分密度为1146株/hm2。

2 研究方法

根据典型性和代表性原则，在林场内枫香人工林选取两块样地进行研究，面积均为20×30m2。采用分层挖掘法(0～15cm、15～30cm、30～60cm)分别测定大根(>0.5cm)、中根(0.2～0.5cm)、细根(<0.2cm)鲜质量，并采集样品回实验室分析。样品中的Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd等元素均用HP3510原子吸收分光光度计测定[4-10]。采用生物循环参数来分析重金属元素循环的特征[11-15]。

3 结果与分析

3.1 枫香根系大根重金属元素含量的季节变化

2010年—2012年三年测定的枫香根系中重金属Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd元素含量季节变化明显，季节之间差异性达到显著(P<0.05)。根据统计数据(见表1)，大根中Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd等重金属元素的四季平均含量从高到低依次是Mn(481.694 mg/kg)>Fe(144.067 mg/kg)>Zn(18.606 mg/kg)>Cu(10.433 mg/kg)> Pb(7.293 mg/kg)>Ni(2.191 mg/kg)>Cd(0.285 mg/kg)。大根中重金属元素总含量季节变化从高到低依次是冬季(1057.76mg/kg)>夏季(756.025mg/kg)>春季(457.158mg/kg)>秋季(387.328mg/kg)。

表1 大根重金属元素含量季节变化表Tab.1 Thetrendoftheheavymetalcontentofthelargerootinseasons(mg/kg)季节MnFeZnCuPbNiCd春季307.387121.01110.31212.5114.8011.1210.015夏季493.569222.78512.13119.0035.8442.3310.362秋季298.16569.4426.1097.5614.3381.5120.201冬季827.653163.03145.8712.65814.1893.7990.559

三年的数据中，枫香人工林大根中重金属元素Mn元素的含量最高，均值达481.694mg/kg，较其它重金属元素含量大了一个数量级；Cd元素含量最低，均值为0.285mg/kg，明显比其它重金属元素含量少。大根中Mn、Zn、Pb、Ni、Cd五种重金属元素含量的季节变化趋势基本一致，春季到夏季含量逐渐增加，夏季到秋季含量逐渐减少，冬季又开始大幅度回升，达到一年中的最高值。其中，Mn元素含量冬季最高，秋季最低，表现为冬季(827.653mg/kg)>夏季(493.569mg/kg)>春季(307.387mg/kg)>秋季(298.165mg/kg)。Zn、Pb 元素在大根中的季节变化与Mn元素完全一致，含量在冬季达到最高，秋季最低。Ni、Cd元素在大根中的季节变化略有不同：含量在春季最低，冬季达到最大值。Fe元素和Cu元素含量最大值均出现在夏季；Fe 元素含量最小值(69.442mg/kg)与Mn、Zn、Pb三种元素一样出现在秋季，Cu元素则刚好相反，在大根中的含量最小值(2.658mg/kg)出现在冬季，这说明枫香年生长周期中，随着树木的生长，Cu元素含量逐渐减少。

枫香人工林大根中Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd元素含量变化幅度最大的为Cd元素，由春季最低的0.015mg/kg增加到冬季最高的0.559mg/kg，增加了37倍多；变化幅度最小的为Mn元素，由秋季最低的298.165mg/kg增加到冬季最高的827.653mg/kg，仅增加不到3倍，说明Mn元素在枫香人工林大根中含量相对稳定。重金属元素变化幅度依次为：Cd>Zn>Cu>Ni>Pb>Fe>Mn。春季到秋季期间大根中Pb元素含量基本稳定，在冬季大幅增加，由秋季的4.338mg/kg增加到冬季的14.189mg/kg。Zn元素含量从秋季到冬季的变化幅度最大，达到7倍以上。

3.2 枫香根系中根重金属元素含量的季节变化

从表2中可以看出，枫香人工林中根中Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd等重金属元素的总含量最高的是冬季(1471.986mg/kg)，最低的为秋季(504.049mg/kg)，变化从高到低是冬季(1471.986mg/kg)>夏季(1011.112mg/kg)>春季(735.568mg/kg)>秋季(504.049mg/kg)。这与大根中重金属总含量的季节变化规律是一致的，略有不同的是，Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd等重金属元素在中根的含量秋季均为最低。

表2 中根重金属元素含量季节变化表Tab.2 Thetrendoftheheavymetalcontentofthemiddle-sizedrootinseasons(mg/kg)季节MnFeZnCuPbNiCd春489.115185.00615.99515.13115.9722.0080.341夏612.501317.97822.00819.09124.2893.5470.698秋391.99481.5729.9968.99510.9961.2780.218冬1169.893218.12425.0024.59830.2414.2870.841

三年的数据显示，中根中各重金属元素平均含量从高到低依次是：Mn(665.876mg/kg)>Fe(200.67mg/kg)>Pb(20.375mg/kg)> Zn(18.25mg/kg)>Cu(11.954mg/kg)>Ni(2.78mg/kg)>Cd(0.525mg/kg)。中根中Pb元素较大根增加近3倍，平均含量达到20.375 mg/kg，仅次于Mn、Fe元素，说明枫香的中根对Pb元素的吸收和吸附强于大根。Mn、Fe、Zn、Ni、Cu与Pb元素一样，在中根中的含量均大于大根，Zn元素则恰好相反，小于大根中的含量。

Mn、Zn、Pb、Ni、Cd五种重金属元素在中根中的含量变化规律一致，最高值出现在冬季，最低值出现在秋季，这与大根中的变化规律基本一致。全年Fe元素含量中夏季最高达到317.978 mg/kg，秋季最低为81.572mg/kg，表现为夏季>冬季 >春季>秋季。Cu元素含量春、夏两季变化幅度不大，相对稳定，秋、冬两季呈逐渐下降趋势，最大值出现在夏季，为19.091mg/kg，最低值出现在冬季为4.598 mg/kg。重金属元素含量在中根中的变化幅度依次为： Cu>Fe>Cd>Ni>Mn>Pb>Zn 。

3.3 枫香根系细根重金属元素含量的季节变化

由表3可知，枫香人工林细根中Mn、Fe、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd等重金属元素的总含量的变化规律与大根和中根不同： 最高值出现在夏季，为887.394mg/kg，最低值出现在冬季，为672.527 mg/kg，季节变化从高到低依次为夏季(887.394 mg/kg)>春季(847.515 mg/kg)>秋季(747.5 mg/kg)>冬季(672.527 mg/kg)。细根中各重金属元素平均含量中，Mn元素含量最高，为533.718 mg/kg，Cd元素含量最低，为0.482 mg/kg。这与大根和中根的规律一致。各重金属元素平均含量从高到低依次为Mn(533.718 mg/kg)>Fe(202.724 mg/kg)>Pb(21.226 mg/kg)>Zn(20.349 mg/kg)>Cu(7.448 mg/kg)>Ni(2.788 mg/kg)>Cd(0.482 mg/kg)，与中根的一致。

表3 细根重金属元素含量季节变化表Tab.3 Thetrendoftheheavymetalcontentofthefinerootinseasons(mg/kg)季节MnFeZnCuPbNiCd春481.874299.78629.0975.21929.0031.9070.629夏612.781231.81514.0099.61114.9854.0090.184秋541.125157.90617.8788.05118.9183.1210.501冬499.093121.38720.4116.91221.9972.1130.614

枫香细根中Fe、Zn和Pb元素的含量比中根和大根含量高，分别达到202.724 mg/kg、20.349 mg/kg和21.226 mg/kg。Fe和Pb元素含量从大根、中根到细根呈现递增趋势，Pb元素含量增幅明显。Mn、Cu和Cd元素含量较中根略有降低，Zn和Ni元素则相反，含量较中根略有增加。

Fe元素含量在春季生长季节初期达到最高，为299.786mg/kg，一年中随着根系的生长，含量呈逐渐减少趋势，冬季达到最低，为121.387mg/kg。Mn、Cu和Ni元素在细根中的含量变化趋势一致，春季含量最小，夏季含量最大，说明枫香年生长周期中，随着树木的生长这三种重金属元素在细根中含量增加，随后逐渐减少。Zn、Pb和Cd元素的含量变化趋势则与之相反，春季生长季节初期达到最大值，随着枫香的生长，到夏季降低至全年最低，随后又有所回升。

4 结论与讨论

本试验表明，枫香人工林根系中重金属元素含量季节之间差异性达到显著水平(P<0.05)。大根中重金属元素总含量季节变化规律是： 冬季>夏季>春季>秋季。各重金属元素平均含量从高到低排序为Mn>Fe>Zn>Cu>Pb>Ni>Cd。Cd元素变化幅度最大，由春季最低的0.015mg/kg增加到冬季最高的0.559mg/kg，增加了37倍多，变化幅度最小的为Mn元素。重金属元素变化幅度依次为： Cd>Zn>Cu>Ni>Pb>Fe>Mn。

中根中重金属元素的总含量季节变化规律是： 冬季>夏季>春季>秋季，与大根的变化规律是一致的。各重金属元素平均含量从高到低排序为Mn>Fe>Pb>Zn>Cu>Ni>Cd。各重金属元素含量在中根中的变化幅度依次为： Cu>Fe>Cd>Ni>Mn>Pb>Zn ，较大根有所变化。

细根中重金属元素的总含量季节变化规律是： 夏季>春季>秋季>冬季，这与大根和中根有所不同，冬季含量为最低，夏季含量达到最高。各重金属元素平均含量从高到低排序为Mn>Fe>Pb>Zn>Cu>Ni>Cd。各重金属元素含量在细根中的变化幅度依次为： Cd>Fe>Ni>Zn>Pb>Cu>Mn，与大根和中根相比，细根中的重金属元素含量季节变化幅度不大，各季节相对稳定。中根和细根中Pb元素含量较大根增加近3倍，仅次于Mn、Fe元素，说明枫香的中根和细根对Pb元素的吸收和吸附强于大根。

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SeasonalvariationincontentofheavymetalelementsamongrootsofLiquidambarformosanaplantation

LUO Zhong， WEN Shizhi， LIU Hong

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

The seasonal variation in the content of seven heavy metal elements (Mn, Fe, Zn, Cu, Pb, Ni, Cd) among roots ofLiquidambarformosanaplantation is studied in Tianjiling forestry centre in Changsha suburb. The results are as follows: there is a remarkable change in the content of heavy metal elements in different seasons (P<0.05). The content of Mn is the highest while that of Cd is the lowest, which proves thatLiquidambarformosanahas a strong collection capacity of Mn. The total amount of heavy metal elements among large roots and middle-sized roots have the same seasonal variation regulation, which is that in winter, summer, spring and autumn arranged in descending order. The content of Pb in middle-sized roots and fine roots is four times of that in large roots, only less than that of Mn and Fe, which proves that middle-sized roots and fine roots ofLiquidambarformosanahas a higher absorption on Pb than large roots.

Liquidambarformosanaplantation; root; heavy metal

2015-09-02

湖南省教育厅“枫香人工林生态系统服务功能研究”(11B132)；湖南省科技厅“枫香人工林生态系统服务功能研究”(2012FJ4348)。

罗 忠(1978-)，男，湖南衡阳人，讲师，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。

S 715.2

A

1003 — 5710(2015)05 — 0006 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 05. 002

(文字编校：张 珉)