枫香人工林枯落物和土壤层重金属含量的季节变化

刘 虹， 文仕知

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

枫香人工林枯落物和土壤层重金属含量的季节变化

刘 虹， 文仕知

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

对长沙市郊枫香人工林枯落物和土壤层重金属含量季节变化进行研究。结果表明：枯落物中Fe、Zn、Ni含量季节之间的变化差异性显著(P<0.05)，Mn、Cu、Pb、Cd元素含量季节之间的变化差异性不显著(P>0.05)；7种重金属元素含量在A、B、C层土壤之间差异性和每层季节变化之间的差异性都不显著(P>0.05)；枯落物与A层土壤重金属含量的季节变化正好相反，A层土壤重金属含量春季到秋季逐步增加，秋季达到最大值，冬季回落。

枫香人工林； 枯落物； 重金属

人类活动导致环境中的重金属含量增加，部分地区超出正常范围，导致环境质量恶化，直接危害人体健康[1-3]。目前，植物重金属含量已是环境生态学相关学者的热门话题和重点研究内容[4-9]。枫香作为城市景观的优势树种，已经受到越来越多的学者关注[4-5,9-10]。土壤是林木生长的载体，是林木养分的重要来源，枯落物为土壤提供有机质，恢复土壤肥力，促进林木生长[11-15]。全面而系统的研究枫香人工林生态系统中枯落物和土壤层重金属元素含量的季节变化规律，有利于揭示枫香人工林生态系统中几种常见重金属元素的循环规律。

1 试验地概况

试验地位于距长沙市城郊结合部的天际岭林场内(地理坐标113°01′30″E，28°06′40″N)。林场核心区面积约为267 hm2，属湘中丘陵地貌，最高海拔为114 m，最低为46 m，坡度为5°～25°，森林覆盖率达76%。试验地为第四纪网纹层母质发育的酸性红壤，经过绿化和改造，土壤有一定改善，pH值在4.5～5.6之间。试验地属典型的亚热带季风湿润气候区，年平均气温为17.2 ℃，年日照时数1717 h，四季分明，一年中无霜期为270～300天，年平均降水量达到1412 mm，年平均相对湿度为80%。本试验林地是1986年人工造的枫香林，两块样地枫香的平均胸径为12.4 cm，郁闭度在0.8～1之间，密度为每公顷1150株。

2 研究方法

在实验林场内选取两块具有典型性和代表性的枫香人工林样地进行观测研究，面积都为20 m×30 m。在所选样地内设置1 m×1 m小样方一共10块，采用全体收获法，在各小样方内均匀采集枯落物样品150～200 g，分别带回实验室烘干处理，用以测定枯落物重金属含量季节变化[4-5,9]。采用分层采样法，分3层(A层为0～15 cm、B层为15～30 cm、C层为30～60 cm)采集土壤样品，各取150～200 g带回实验室烘干处理，用以测定土壤层重金属含量季节变化[9、11]。用HP3510原子吸收分光光度计来测定样品中的Zn、Cu、Mn、Pb、Cd等重金属元素，每份样品测定3次，取平均值。用生物循环参数分析重金属元素循环的特征[4、11]。

3 结果与分析

3.1枯落物重金属元素含量季节变化

通过2010 ～2012年定位观测和实验测定的枫香人工林枯落物中的重金属元素Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd含量(见表1)，说明枫香人工林枯落物中重金属元素Fe、Zn、Ni含量季节之间的变化差异性显著(P<0.05)，Mn、Cu、Pb、Cd元素含量季节之间的变化差异性不显著(P>0.05)。枯落物中Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd等7种重金属元素之间的差异性显著(P<0.05)。枫香人工林枯落物中重金属元素含量从小到大依次为Cd﹤Ni﹤Cu﹤Pb﹤Zn﹤Fe﹤Mn。

枫香人工林枯落物中重金属元素Zn、Fe、Cu、Pb含量最大值出现在春季，除Zn元素外，Fe、Cu、Pb含量随着季节的变化逐步降低，在冬季达到最小值。枫香林木在一定程度上可以再利用Cu和Zn元素，使这两种重金属含量逐步减少。Pb元素含量变化幅度最小，含量基本保持稳定，春季最大为48.696 mg/kg，冬季最小为40.005 mg/kg。Mn、Cd元素含量最大值出现在秋季，Ni元素含量最大值出现在冬季，Cd、Ni元素含量最小值出现在夏季，Mn元素含量最小值出现在冬季。Zn、Mn、Cd元素含量季节变化趋势基本一致，春季到夏季含量减少，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，并在秋季达到一年中的最大值，然后在从秋季到冬季的时候，含量继续减少。这种季节变化是由于春、夏季为枫香人工林树叶萌发和生长阶段，掉落的枯落物多为鲜嫩树叶，各类营养元素含量较高，而到了秋、冬两季，掉落的枯落物都是枫香的枯枝和落叶，能利用的大部分营养物质通过循环转移到树干等部位，所以冬季的枯落物重金属元素含量最低。

表1 枯落物重金属元素季节变化Tab1 Thetrendoftheheavymetalofthebiomassoflitterstoreyinseasons(mg/kg)季节ZnFeCuMnPbNiCd春季619833511712098511283174869669841617夏季5837632834617766105595846825531211091秋季605981425331700412863754521889952381冬季4321512968212926106866240005121561601

3.2土壤A层重金属元素含量季节变化

在2010～2012年3年的定位观测和实验测定的枫香人工林A层土壤(0～15 cm)重金属Zn、Cu、Fe、Mn、Cd 、Pb、Ni元素含量数据(见表2)表明，Fe和Mn明显比其它5种重金属元素大2到3个数量级，重金属总含量季节之间的变化差异性显著(P<0.05)。A层土壤重金属含量从小到大的顺序依次为Cd﹤Cu﹤Ni﹤Pb﹤Zn﹤Mn﹤Fe。

重金属元素Fe、Mn、Cd、Pb和Ni在A层土壤中的含量季节之间变化的差异性没有达到显著(P>0.05)，Zn元素含量季节之间变化的差异性显著(P<0.05)。重金属元素中Zn、Cu 、Pb、Cd元素含量在春季达到最大值，分别为79.896 mg/kg、15.306 mg/kg、96.962 mg/kg、1.997 mg/kg，夏、秋季逐步减少，到了秋季达到最小值，到冬季有所回升。A层土壤中含量最大的重金属元素Fe和Mn季节变化趋势一致，春季含量最低，夏季有所增加，秋季有略微减少，冬季达到最大值。

表2 A土壤层重金属元素季节变化Tab2 ThetrendoftheHeavyMetalofthebiomassofAsoillayerinseasons(mg/kg)季节ZnFeCuMnPbNiCd春季7989610431521530658121596962161091997夏季4762310612251421579085143557170061252秋季3807810557561389565890120951179191091冬季5542710627111480791626958515169111614

从表3可以看出，枫香人工林B层土壤(15～30 cm)重金属元素Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd含量之间差异性显著(P<0.05)，含量从小到大的顺序与A层土壤一致，依次为Cd﹤Cu﹤Ni﹤Pb﹤Zn﹤Mn﹤Fe，Fe、Mn元素的含量占绝对比例。Fe、Cu、Mn、Ni元素最小值都出现在春季；Zn、Cd元素最小值出现在夏季；Pb最小值出现在秋季。Zn、Fe、Cu、Ni、Cd元素最大值都出现在秋季；Mn、Pb元素最大值分别出现在冬季和春季。

重金属元素Zn、Cu、Pb和Ni季节之间变化的差异性显著(P<0.05)，其中Cu、Ni元素季节变化趋势一致，均为从春季到秋季逐步递增，到秋季达到最大值，到冬季再减少；Pb元素季节变化趋势正好与Cu、Ni元素相反。重金属中只有Mn元素含量从春季到冬季一直增加。

表3 B土壤层重金属元素季节变化Tab3 ThetrendoftheHeavyMetalofthebiomassofBsoillayerinseasons(mg/kg)季节ZnFeCuMnPbNiCd春季475971045981953543361456916141021185夏季3375910515561100274151720162153260811秋季5087210936581821677298217004258911301冬季4198310707311176182516221419189921215

表4的实验数据显示，重金属Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd元素在枫香人工林C层土壤(30～60 cm)中的含量季节变化差异性均没有达到显著(P>0.05)，大小顺序与A、B层土壤一致，Cd元素含量最小，均值为1.006 mg/kg，Fe元素含量最大，均值为1065.208 mg/kg。Zn、Fe、Cu、Pb、Ni、Cd元素含量最小值都出现在春季，最大值都出现在秋季，变化趋势基本一致。从春季到秋季含量逐步增加，在冬季有所回落。Mn元素在C层土壤(30～60 cm)中含量与其它重金属变化趋势一致，最大值出现在秋季，春季到秋季含量逐步增加，在冬季大幅度减少到全年最低值。这是因为C层土壤物理和化学性质在3层土壤中是最稳定的，受到降水和枯落物等外界因素影响较小。

表4 C土壤层重金属元素季节变化Tab4 ThetrendoftheHeavyMetalofthebiomassofCsoillayerinseasons(mg/kg)季节ZnFeCuMnPbNiCd春季352151046117965870693518918150120806夏季3961410465851356273616122397223960895秋季5261110969161495199081926016252091323冬季4196110712131404660365121061225610998

4 结论与讨论

枫香人工林枯落物所含重金属Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Ni、Cd元素之间差异性显著(P<0.05)，Fe、Zn、Ni含量季节之间的变化差异性显著(P<0.05)，Mn、Cu、Pb、Cd元素含量季节之间的变化差异性不显著(P>0.05)。枯落物中重金属元素含量从小到大依次为Cd﹤Ni﹤Cu﹤Pb﹤Zn﹤Fe﹤Mn，这与根系中重金属元素含量顺序基本一致[4]。

枫香人工林A、B、C层土壤重金属Cd元素含量最小，Fe元素含量最大，从小到大的顺序均为Cd﹤Cu﹤Ni﹤Pb﹤Zn﹤Mn﹤Fe。7种重金属元素含量在A、B、C层土壤之间差异性和每层季节变化之间的差异性都不显著(P>0.05)。重金属总含量季节变化从小到大依次为:春季﹤夏季﹤冬季﹤秋季。

枯落物的分解对土壤层重金属含量季节变化影响主要在A层，对B层土壤影响相对较小，对C层土壤影响最小。枯落物与A层土壤重金属含量的季节变化正好相反，枯落物重金属含量春季到秋季逐步减少，冬季回升；A层土壤重金属含量春季到秋季逐步增加，秋季达到最大值，冬季回落。C层土壤重金属含量的季节变化最为稳定，B层土壤次之。土壤层中的重金属元素季节变化规律与根系中重金属元素季节变化的规律基本一致[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)。

刘 虹(1980-)，女，湖南省邵阳市人，讲师，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。

S 714

A

1003 — 5710(2016)02 — 0118 — 04

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

(文字编校：杨 骏)