东北阔叶红松林腐殖质层土壤微量元素有效性及影响因素

冯 盼, 张玉革, 田圣贤, 杨 山, 刘贺永, 李 慧, 姜 勇

(1. 沈阳大学 环境学院, 辽宁 沈阳 110044;2. 中国科学院 沈阳应用生态研究所, 辽宁 沈阳 110016)

森林生态系统微量元素循环在陆地生态系统微量元素循环中起到至关重要的作用,微量元素缺乏可导致一些重要树种的生长受限[1].除受成土母质、地形、气候条件等因素影响外,森林演替过程中生物地球化学循环对微量元素的富集也具有重要影响[2-3];由针叶林转变为阔叶林植被,腐殖质层土壤微量元素全量Cu积累和固持增加,而全Zn和全Mn含量降低[4].森林土壤酸化可导致土壤中Mn含量的增加,影响植物对盐基离子的吸收,从而抑制树木的生长[5].针叶林与阔叶林凋落物在物理性质(如叶表面积)和化学性质(如pH、C含量及木质素、纤维素比例等)具有较大差别,立地不同的针叶阔叶树比例对腐殖质层土壤的微量元素积累具有较大的影响[4].土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效态含量主要受到土壤微量元素全量、有机C、pH、交换性阳离子含量的影响[6-7],植物对微量元素的吸收还受到土壤中各种微量元素有效态含量、元素比值以及微量元素间拮抗作用等的影响[5],如不同气候带和海拔的林下土壤有效态微量元素含量及比值,对乔木和灌木树干、枝条、叶片和细根中微量元素含量及微量元素的化学计量比均有显著影响[8].

东北阔叶红松(Pinuskoraiensis)混交林是中国东北地区的地带性植被,对该区域土壤腐殖质层土壤微量元素有效态含量及影响因素的研究,可进一步了解阔叶红松林微量元素生物富集及元素循环特征.本文依托东北地区阔叶红松林长期固定监测样地,测定了不同纬度梯度土壤腐殖质层微量元素的有效态含量,分析了土壤有机碳、酸碱度、交换性盐基总量等基本化学性质对土壤有效态微量元素Fe、Mn、Cu、Zn含量及元素比值的影响,并探讨微量元素有效态含量与纬度梯度、年平均降水量、年平均气温、针叶与阔叶树蓄积量比之间的关系,以期为了解土壤微量元素分布状况及东北阔叶红松林生态保育提供基础资料和数据参考.

1 研究区概况与研究方法

研究地点位于中国东北地区东部阔叶红松林分布带固定监测样地,包括黑龙江、吉林、辽宁三省,共涉及约9个纬度;每个固定样地为1 hm2.阔叶红松林分布带属温带大陆性气候,样带年平均气温为-1.93～5.08 ℃,海拔227～913 m,年平均降水量为572～1 097 mm,土壤呈酸性,有机C含量高,各样点针叶阔叶树木积量比值为0.25～15.92,土壤类型以山地腐殖质暗棕壤和山地棕壤为主(表1).

表1 东北阔叶红松林土壤采样地点分布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,沿纬度梯度分别采集了东北地区阔叶红松林分布带12个固定监测样点土壤样品.在每个1 hm2监测样区中,随机选取5个20 m×20 m的样方,在每个样方内S型随机选取5个样点,清理凋落物层后,采集0～5 cm土壤腐殖质层样品,5个样点形成一个混合样品,部分土样风干后过2 mm筛,备用.

腐殖质层土壤有效态Fe、Mn、Cu、Zn含量的测定采用pH7.3的DTPA-CaCl2-TEA浸提,原子吸收光谱法(Shimadzu, AA6800, Japan)测定;土壤pH值采用酸度计法测定(水土质量比2.5∶1,PHS-3G数字pH计,上海);土壤有机C采用燃烧法,元素分析仪(Elementar Vario Micro cube, Germany)测定;土壤交换性盐基总量(SEB)采用浓度为1 mol·L-1的NH4AcO浸提,原子吸收光谱法分别测定交换性Ca2+、Mg2+、K+、Na+含量,4种交换性盐基离子加和[9].

数据处理和统计分析采用Microsoft Excel和SPSS 11.0软件.样带土壤微量元素含量及元素比值数据为5次重复的平均值±标准误,邓肯多重比较法检验数值的差异显著性(p<0.05).

2 结果与分析

2.1 土壤有效态微量元素含量分布

图1从左至右纬度从高到低,土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效态含量均未表现出随纬度梯度而变化的特征.土壤有效Fe含量范围为164.73～417.38 mg·kg-1,平均含量308.05 mg·kg-1,吉林抚松样点(J5)有效Fe含量是黑龙江方正样点(H13)的2.53倍.各样点土壤有效Mn含量差异显著,平均含量164.47 mg·kg-1,黑龙江黑河样点(H1)有效Mn含量高达385.24 mg·kg-1,有4个样点有效Mn含量仅为62.27～84.39 mg·kg-1之间.土壤有效Cu平均含量1.77 mg·kg-1,最低值为黑河样点(H1),吉林抚松(J4)和辉南(J5)样点有效Cu含量较高.土壤有效Zn含量平均值22.86 mg·kg-1,辽宁清原样点(L1)土壤有效Zn含量低至7.71 mg·kg-1,黑龙江依兰样点(H11)高达45.48 mg·kg-1,后者是前者的5.9倍.

样带4种微量元素有效态含量的比值统计表明,土壤有效态w(Fe)/w(Mn)平均值为2.38,最大值为吉林辉南样点(J5)的3.91,最小值为吉林长白山样点(J7)的0.97,前者w(Fe)/w(Mn)是后者的13倍;土壤有效态w(Zn)/w(Cu)平均值为13.81,黑龙江依兰(H11)、黑河(H1)和凉水(H7)样点w(Zn)/w(Cu)平均值较高,辽宁清原(L1)、吉林抚松(J4)和黑龙江方正(H13)样点w(Zn)/w(Cu)值较低.各样点土壤有效态w(Mn)/w(Zn)差异显著,平均值为9.36,黑龙江黑河样点(H1)平均值达26.4,显著高于其他11个样点;黑龙江依兰(H11)、吉林辉南(J5)和辽宁桓仁(L2)样点w(Mn)/w(Zn)分别为3.82、2.76和3.63,显著低于黑龙江黑河(H1)和吉林长白山(J7)样点(图2).

图1 腐殖质层土壤微量元素有效态含量分布Fig.1 Distribution of contents of trace elements availability in humus layer soil注: 数据为5个重复的平均值±标准误,同一图中数据上方不同字母表示邓肯法检验差异显著(p<0.05).下同.

图2 腐殖质层土壤微量元素有效态含量比值

2.2 影响土壤微量元素有效态含量的主要因素

针叶阔叶树蓄积量比值与SOC含量呈显著正相关(r=0.590,p=0.044,n=12).微量元素含量之间,有效Fe与Mn和Cu之间、有效Cu与Zn之间正相关.在基本化学性质影响方面,土壤pH与有效态Fe、Mn及w(Mn)/w(Zn)有极显著负相关;SOC含量与有效态Cu、Zn含量及w(Zn)/w(Cu)显著正相关,与w(Mn)/w(Zn)显著负相关;SEB与有效态Fe、Mn含量极显著负相关,与有效态Cu、Zn含量极显著正相关,与w(Mn)/w(Zn)极显著负相关.表明土壤pH和SEB对土壤有效态Fe、Mn具有负向影响,而SOC和SEB对有效态Cu、Zn具有正向影响(表2).

表2 土壤有效态微量元素含量与土壤基本化学性质间关系(n=60)Table 2 Relationship between soil trace elements availability content and basic chemical properties (n=60)

注： 表中为60个样本数据间的线性相关系数,*和**分别表示0.05和0.01差异显著水平.

3 讨 论

森林土壤中的微量元素含量受成土母质、地形、气候条件,以及森林演替过程中生物地球化学循环的影响[1-2].母质可能对土壤微量元素的全量影响较大,而生物地球化学循环过程及其影响下的土壤酸碱性及土壤有机质的积累可能对微量元素有效态含量具有更大的影响[1,3,10],因此,在本研究中样带土壤微量元素有效态含量无显著的纬度分异现象.

本研究中腐殖质层土壤有效态Fe、Mn、Cu、Zn含量均较高,远远超过同地区矿质层土壤微量元素有效态含量[11].成土母质方面,邓宝山等[6]研究发现暗棕壤和棕壤地带的Zn及Cu、Mn均出现峰值;元素生物富集方面,树木能够把底层土壤微量元素通过生物循环提升到表土中来,从而增加微量元素有效性[12];第三,土壤腐殖质对微量元素(尤其中Cu和Zn)具有较强的络合作用[10],从而增加微量元素有效性.

针叶和阔叶林凋落物元素含量及分解速率可能对微量元素循环存在较大影响[4].不同的松树生态系统凋落物分解半衰期存在较大的差异[13].Richardson和Friedland[4]研究发现,由针叶林转变为阔叶林植被,腐殖质层土壤全Cu的积累和固持增加,而全Zn和全Mn含量降低;而针叶树叶片中的Cu、Zn、Mn含量则高于阔叶树叶片.本研究中,黑龙江方正样点(H13)的针叶阔叶树蓄积量比值仅为0.25,土壤有效Fe、Mn、Zn含量较低;辽宁清原样点(L1)针叶阔叶树蓄积量比值仅为0.84,土壤有效Mn和Zn含量也较低(图1),说明样带红松蓄积量占比对微量元素有效性具有正向影响.

随着土壤pH降低,同一种土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效性一般会增加[1-2].当土壤pH降低,土壤对微量元素的专性吸附明显减弱,Mn、Cu、Zn等的化合物的溶解度明显增加,从而使其有效态含量增加[11].本研究中,土壤有效态Fe、Mn含量、w(Mn)/w(Zn)与pH负相关,说明酸性条件有利于活化土壤腐殖质层的Fe和Mn.在有机物分解和土壤生物呼吸过程中会产生电子,降低土壤氧化还原电位,把Fe3+还原成Fe2+,从而增加土壤中有效Fe含量;有机物质分解产生的富里酸以及微生物活动产生的含铁细胞也可增加土壤中有效Fe含量[1,11].本研究中各样点土壤的pH为4.78～5.98(表1),说明酸性土壤条件对土壤Fe、Mn的分布和有效性产生了显著的影响.

通过络合作用,土壤腐殖质与Mn2+、Zn2+、Cu2+等结合,形成具有不同溶解度的络合物,这对于微量元素在土壤中的化学性状和结合形态的变化、以及植物对微量元素的吸收利用等都起到很大的促进作用.富里酸生物化学转化过程中形成的产物与金属微量元素离子结合,可形成可溶的络合物,从而可增加土壤中的有效态微量元素含量[10].本研究中,土壤有机C与有效态Cu、Zn正相关,与w(Mn)/w(Zn)负相关(表2),说明土壤腐殖质是影响有效Cu和有效Zn分布的重要因子.胡敏酸和富里酸对过渡金属元素具有特别高的亲和力,低分子量的富里酸与微量元素形成的络合物是水解性的,这对于保持土壤溶液中的金属微量元素含量具有重要作用[10].另外,树木根系深且发达,可以把剖面深层的微量元素通过植物富集作用而运移到表土层,并通过凋落物、穿透雨、树干流等生态过程进行再分配,这种机制对于富集土壤深层的微量元素是十分重要的[2].

本研究中,交换性盐基总量与土壤有效态Fe、Mn负相关,与有效态Cu、Zn正相关(表2),这由土壤交换性阳离子与土壤有机C、pH的关系决定.一般情况下,土壤交换性盐基总量随土壤有机质含量、pH的升高而升高.因此,土壤pH对Fe、Mn有效性的影响,可能是通过土壤中Ca2+、Mg2+、K+、Na+交换量各盐基离子饱和度的直接影响而体现.有机C含量高的土壤交换性盐基总量亦较高,因此这两个变量对有效态Cu、Zn含量的影响均为正效应.在对矿质土壤的研究中,交换性盐基总量与有效态Fe、Mn、Cu、Zn含量之间一般是负相关关系[1-2].

4 结 论

东北阔叶红松林样带腐殖质层土壤有机C含量高,呈酸性,有效性阳离子交换量相对较高,微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的有效性较高,表明阔叶红松林生态系统具为较强的微量元素生物富集功能.微量元素有效态含量未呈现明显的纬度分异特征,但针叶阔叶树蓄积量比值对土壤微量元素有效性有一定的影响,红松蓄积量大、占比高可能对微量元素有效性具有正向影响.酸性土壤条件有利于提高Fe和Mn的有效性,有机C含量和交换性盐基总量对Cu和Zn有效性具有正向影响.东北阔叶红松林植被带具有厚薄不同的腐殖质层,腐殖质层对元素的生物地球化学循环等生态功能均具有重要影响,是重要的生态资源,因此,对东北阔叶红松林植被带的保护具有重要的生态价值.