连续年龄序列桉树人工林土壤微量元素含量及其影响因素

1、生态环境学报 2009, 18(1: 268-273 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金项目：江西省自然科学基金项目（0630101）；福建省林业厅科技项目（闽林科20076号） 作者简介：袁颖红（），讲师，硕士，从事生态环境等研究。E-mail : yinghongyuan *通信作者：樊后保，教授，博士，从事森林生态系统养分循环与生产力等研究。E-mail : hbfan 收稿日期：2008-12-12连续年龄序列桉树人工林土壤微量元素含量及其影响因素袁颖红1，樊后保1*，黄荣珍1，苏兵强2，刘文飞11. 南昌工程学院生态

2、与环境科学研究所，江西 南昌 330099；2. 福建省国有林场管理局，福建 福州 350003摘要：对连续年龄序列（2 a、3 a、4 a、5 a、6 a）桉树人工林土壤三种微量元素（Fe 、Mn 、Zn ）的含量及其影响因素进行了分析，探讨了土壤微量元素含量随林分年龄的变化规律。土壤养分之间的相关性分析表明，所有年龄阶段的桉树人工林中土壤Fe 、Mn 、Zn 含量与土壤pH 值之间呈极显著的正相关，说明土壤微量元素含量强烈受土壤酸度的影响。土壤三种微量元素含量与土壤全K 、全Ca 、全Mg 等大量养分元素含量之间均存在显著或极显著的正相关，而与土壤有机C 、全N 、全P 的相关性不明显（0

3、20 cm表层土壤的Zn 除外）。总的来说，土壤微量元素含量随桉树人工林年龄的增加呈下降趋势，其中6 a生桉树人工林各土壤层（020 cm、2040 cm、4060 cm）的Fe 、Mn 、Zn 含量分别比2a 生林分下降13.7%21.8%、55.6%57.2%和71.0%73.2%。在当前桉树人工林种植方式下，随着林分年龄的增加，应增施有机、无机肥和Fe 、Mn 、Zn 等微量元素肥料，以有效控制土壤地力衰退和实现桉树人工林可持续经营。 关键词：年龄序列；桉树人工林；土壤微量元素；影响因素中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2009）01-0268-06

4、桉树属于速生、耐旱、萌生力强的树种，且有造纸、造纤维、制桉油、木材等多方面用途，故成为我国解决林业资源危机的途径之一。近年来，随着桉树（Eucalyptus ）人工林种植面积的不断增加，其生态环境效益日益受到关注，国内外学者相继开展过桉树人工林养分循环的研究1-12，但主要是大量营养元素的循环研究，部分学者在研究养分循环的同时涉及到微量元素的循环3,8,13-14。微量元素是植物生长代谢正常进行所必不可少的元素，如Fe 是许多氧化还原酶的重要组成成分和合成叶绿素所必需的，Mn 是许多酶的活化剂和叶绿体的结构成分。一般而言，植物所需的微量元素主要由土壤供应。评价森林生态系统土壤微量元素状况是深入

5、研究森林养分循环所不可缺少的1,15。许多学者对各种尺度下土壤中大中量元素空间变异性及分布进行了大量研究2-11，但是目前针对土壤微量元素空间变异性研究的报道较少，特别是桉树人工林土壤微量元素特征及其影响因素的研究鲜见报道。本文通过在桉树林内建立样地进行定点研究，分别对不同年龄阶段桉树人工林土壤的微量元素Fe 、Mn 、Zn 的分布特征及其影响因素进行研究，探讨桉树人工林微量元素含量水平、分布状况及与各影响因子之间的关系。以期为该地区的桉树人工林林地管理和土壤微肥研究及应用提供科学依据。1 研究区域及研究方法1.1 研究地点1.1.1 试验地概况试验地设立于福建省长泰县岩溪林场美山工区，美山工

6、区位于东经117 5144，北纬244617，海拔200 m左右。属南亚热海洋性气候，年均太阳辐射总量351.1 KJ/cm2，光合有效辐射267.6KJ/cm2，年均日照时数2037.4 h，年平均气温1620 ，最高极温37.7 ，最低极温-1.7 ，年相对温度80%，年平均降雨量1466 mm，无霜期328 d，年均霜日67 d。 1.1.2 试验地设置样地所处试验林为2002、2003、2004、2005和2006年由岩溪林场统一造林，树种为尾巨桉（EgrandisE1urophylla ）。按照年龄的高低，分5种处理，从小到大分别为：2006年春造林（树龄2年）、2005年春造林（树

7、龄3年）、2004年春造林（树龄4年）、2003年春造林（树龄5年）、2002年春造林（树龄6年）（以下分别简称为：2 a、3 a、4 a、5 a和6 a），每处理重复3次，总计15块样地。造林措施为：林地经炼山后，采用块状整地，植穴规格70 cm40 cm35 cm，穴状除草；造林前一周施肥（钙镁磷基肥+撒施复合肥+沟施复合肥）；造林前投放灭蚁灵诱杀白蚁，每hm 2 375450包，造林时每穴施放呋喃丹5 g，以防治白蚁危害，造林当年锄草抚育2次。 1.1.3 样地林分主要特征样地均选在低山、丘陵地带，土壤以红壤为主，土层中厚，质地稍紧密至较紧密。林下植被以芒萁袁颖红等：连续年龄序列桉树人工

8、林土壤微量元素含量及其影响因素 269（Dicranopteris pedata）、五节芒（Miscanthus flo-ridulus ）、菝葜（Smilax china）、白背叶（Mallotus apelta ）、射干（Belamcanda chinensis（L. ）、金毛狗脊（Cibotium barometz （L. ）、野牡丹（Melastoma candidum ）和乌毛蕨（Blechnum orientaleL.）等为主，盖度在30%60%之间。试验前各样地和处理的林分特征（本底值）见表1。 1.2 研究方法1.2.1 土壤取样方法每样地挖取土壤剖面2个，分层（表层020 c

9、m，中层2040 cm，底层4060 cm）采集的土样混合后，采用四分法取1 kg左右混合土样带回实验室，风干研磨过2 mm和0.149 mm土壤筛后装入密封的玻璃瓶，待实验分析。 1.2.2 土壤分析方法土壤分析采用常规分析方法，测定pH 时先用1 molL-1KCl 溶液浸提（水土比为2.51），后用pHS-3C 型数字型酸度计进行测定；有机C 用油加热重铬酸K 容量法；全N 用开氏法；土壤全P 用钼锑抗比色法；全K 、Fe 、Mn 、Zn 、Ca 、Mg 用原子吸收光谱法测定16。 1.2.3 统计分析所有分析结果用Excel 、SPSS 和Origin6.0统计分析软件进行统计分析。文

10、中的图如大写字母不同表示同层各年龄间的差异显著（p 0.05）；如小写字母不同则表示同年龄各层间差异显著（p 2040 cm 4060 cm；土壤pH 、全K 和全Mg 表现出相反的趋势。各年龄阶段桉树人工林各层土壤有机C 、全N 和全P 含量随着林分年龄的增加含量也增加，4 a为最大，而后随着林分年龄的增加而缓慢减低；全K 、全Ca 和全Mg 含量随着林分年龄的增加其含量逐渐降低。2 a、3 a、4a 、5 a表2 不同年龄阶段桉树人工林土壤养分的分布特征Table 2 soil nutrient characteristics of eucalyptus plantation in dif

11、ferent ages classes土壤养分林分 年龄 土层 pH w (有机C/(gkg-1w (全N /(gkg-1w (全P /(gkg-1w (全K /(gkg-1w (全Ca /(gkg-1w (全Mg /(gkg-1 020 cm 4.570.08bB28.812.84aB 1.870.36aA 0.450.07aA 21.363.48aA 2.740.09aA 2.380.16A 2040 cm 4.660.04abB13.621.43bB 1.150.17bB 0.410.06abA 22.033.32aA 2.180.12bA 2.640.17A 2 a4060 cm4.6

12、90.13aB7.861.56cB 0.830.09bB 0.370.07bA 22.201.54aA 2.110.15bA 2.800.18A 020 cm 4.600.12aB29.803.60aB 2.060.44aA 0.470.03aA 19.594.99aAB2.300.20aB 2.370.19A 2040 cm 4.730.11aB 23.733.11abA 1.490.04bAB0.400.03aA 19.883.16aAB2.290.16aA 2.590.21A 3 a4060 cm4.740.10aB16.323.83bA 1.300.02bA 0.320.13aA 21

13、.362.40aAB2.180.12aA 2.740.12A 020 cm 4.790.04bAB35.814.28aA 2.120.06aA 0.560.05aA 17.630.73aAB2.040.15aC 2.000.03B 2040 cm 4.850.07aAB27.785.67bA 1.730.30abA 0.490.06abA 19.871.29aAB1.310.10bB 2.090.16B 4 a4060 cm4.870.03aB19.420.62cA 1.400.27bA 0.400.11bA 20.922.72aAB1.230.07bB 2.150.10B 020 cm 4.

14、880.22bA27.234.60aBC 1.970.23aA 0.490.12aA 17.903.44aAB1.310.09aD 1.540.06bC2040 cm 4.980.17abA21.091.22bA 1.490.36bAB0.400.02aA 19.672.88aAB1.180.08bC 1.650.07bC 5 a4060 cm5.080.10aA17.904.84bA 1.240.36bA 0.330.04aA 20.623.82aAB1.070.08cB 2.070.14aB 020 cm 4.640.13cB20.303.48aC 1.160.26aB 0.270.04a

15、B 14.670.47aB 1.110.07aD 1.560.09C 2040 cm 4.730.12bB13.873.83abB 1.110.22aB 0.250.03aB 15.320.88aB 1.070.06abBC 1.650.16C6 a4060 cm4.820.12aB6.561.41bB0.830.13aB0.150.02bB16.680.70aB1.010.09bB1.710.15C表1 各龄级样地的主要林分和立地特征本底值Table 1 Background values of the stand and site characteristics in different

16、ages林分特征立地特征t (林龄/an(密度/hm2d (平均胸径/cmh (平均树高/ma (坡度/(土壤容重/(gkg-1(土壤含水率/% pH2 2090 3.5 25 1.31 14.15 4.63 3 1957 8.1 9.9 26 1.16 18.50 4.60 4 1810 8.7 10.0 29 1.18 14.26 4.64 5 1758 10.7 12.7 28 1.27 15.00 4.61 6 1626 13.0 15.9151.3512.67 4.62注：*土壤数据均为060 cm土层平均值。270 生态环境学报 第18卷第1期（2009年1月）和6 a三层土壤pH

17、 平均值分别为4.98、4.84、4.73、4.69、4.64，3 a、4 a、5 a和6 a相对2 a分别下降了2.81%、4.22%、5.82%、6.83%。6 a三层土壤有机C 、全N 、全P 、全K 、全Ca 和全Mg 含量平均含量相对于2 a分别降低了21.94%、24.27%、86.36%、40.49%、52.81%和37.18%。在当前桉树人工林种植方式下，随着林分年龄的增加，地力衰退较为明显。2.2 不同年龄阶段桉树人工林土壤微量元素的分布特征表3表明，土壤微量元素Fe 、Mn 、Zn 含量以Fe 为最高。不同年龄阶段桉树人工林土壤Fe 、Mn 和Zn 含量均随深度的增加而增加

18、，即：020 cm 2040 cm 4060 cm；2 a、3 a土壤Fe 含量，3 a、4 a 土壤Mn 含量和2 a、4 a、5 a土壤Zn 含量的020 cm与4060 cm之间差异显著。土壤剖面微量元素的迁移积累是生物富集上迁（自然土壤）和耕种施肥（农业土壤）使表土中的含量富化，以及淋溶下移至不同深度淀积的作用兼而有之。这与该地处亚热带较湿润地区，桉树生长发育较为旺盛，具备有生物富集和淋溶淀积的环境条件是吻合的17-18。各年龄桉树人工林不同层次土壤Fe 和Mn 含量均表现出相同的规律（表3），从高到低的顺序为：2 a、5 a、4 a、3 a、6 a，即随着林分年龄的增加，土壤Fe 和

19、Mn 含量从2 a到3 a有较大的下降幅度，然后缓慢增加，5 a为最大，而后随着林分年龄的增加而缓慢减低；土壤Zn 表现出从高到低的顺序为：2 a、4 a、3 a、5 a、6 a，即随着林分年龄的增加，土壤Zn 含量从2 a到3 a有较大的下降幅度，然后缓慢增加，4 a为最大，而后随着林分年龄的增加而缓慢减低；主要是由于随着林分年龄增大，树高生长和林分郁闭度的加大，林分凋落物也会随之增加，而阔叶树种落叶因微量元素有一定含量、分解较快，因此部分微量元素归还土壤；而后几年缓慢降低，可能由于是桉树叶子减少和地上植被较少，造成枯落物的大量减少而引起的。2 a桉树人工林各层次土壤Fe 、Mn 、Zn 含

20、量与6 a之间差异显著，且6 a 020 cm、2040 cm、4060 cm三层土壤Fe 含量相对于2 a分别降低了13.74%、17.54%、21.83%，土壤Mn 分别降低了56.40%、55.59%、57.17%，土壤Zn 分别降低了72.42%、73.19%、71.04%，即随着种植到第6年，土壤微量元素含量呈明显下降趋势。 2.3 土壤微量元素与养分之间的相关性2.2.1 土壤微量元素含量与土壤酸度的相关性通常土壤元素含量与植物营养的关系颇为密切，而土壤中营养元素含量高低受多种因素的影响，其中以pH 的影响最显著18。在本研究的土壤pH 值变幅范围内，土壤微量元素Fe 、Mn 、Z

21、n 含量与土壤pH 值之间，呈极显著正相关（表4）。微量元素Fe 、Mn 、Zn 含量与pH 值的相关性，基本符合一般规律17。表3 不同年龄阶段桉树人工林土壤微量元素的分布特征 Table 3 soil trace elements characteristics of eucalyptusplantation in different ages classes土壤中微量元素林分年龄土层 w (Fe/(gkg-1w (Mn/(mgkg-1 w (Zn/(mgkg-1020 cm43.671.73bA 101.678.62aA 216.3310.21bA2040 cm47.962.56abA

22、101.3312.74aA230.0027.51bA2a4060 cm52.372.10aA 112.836.33aA 256.6716.86aA020 cm39.863.27bAB 50.173.75cC 158.009.85aB2040 cm41.591.24bB 57.836.45bB 161.6714.15aC3a4060 cm44.471.84aB66.507.94aB 167.3313.87aC020 cm39.963.20aAB 53.332.75bBC 171.337.02cB2040 cm40.712.80aB65.005.00aB 189.333.06bB4a4060 cm

23、44.591.93aB65.332.52aB 201.6710.50aB020 cm41.422.49aAB 62.672.89aB 102.3311.68bC2040 cm42.352.65aB65.003.46aB 114.335.51abD5a4060 cm43.031.31aB65.672.89aB 123.007.55aD020 cm37.671.06aB44.334.51aC 59.677.02aD2040 cm39.552.77aB45.005.00aC 61.672.31aE6a4060 cm40.942.12aB48.331.15aC 74.337.51aE表4 不同年龄阶段

24、桉树人工林土壤养分元素与微量元素之间的相关性Table 4 Correlations of soil nutrients and soil trace element of eucalyptus plantation in different ages classes土壤养分元素土壤微 量元素 土层有机C全N全P全K全Ca全Mg020 cm 0.7031* 0.3315 0.5351 0.5038 0.8683* 0.6672* 0.4897 2040 cm 0.9011* 0.4227 0.3519 0.2917 0.7831* 0.6194* 0.6214* Fe4060 cm0.9788

25、*0.25140.29680.5953*0.7347*0.7076* 0.7921*020 cm 0.7268* 0.1063 0.2317 0.2131 0.7706* 0.6551* 0.4778 2040 cm 0.8628* 0.2621 0.1775 0.4921 0.8471* 0.5473 0.6147* Mn 4060 cm0.9538* 0.2575 0.3248 0.5797* 0.7310* 0.6682* 0.7669* 020 cm 0.8525* 0.6890* 0.6790* 0.6370* 0.8903* 0.9667* 0.8764* 2040 cm 0.83

26、06* 0.2100 0.2404 0.7795* 0.9114* 0.6856* 0.8249* Zn 4060 cm0.9209*0.09060.07280.8193*0.8558*0.6797* 0.8005*注：* r0.01 = 0.708, r0.05 = 0.578。袁颖红等：连续年龄序列桉树人工林土壤微量元素含量及其影响因素 2712.2.2 土壤微量元素与全量养分间的相关性不同年龄阶段土壤有机C 、全N 、全P 、全K 、Ca 、Mg 和土壤微量元素Fe 、Mn 、Zn 之间的相关性如表3所示。土壤有机C 、全N 、全P 、全K 含量与微量元素元素Fe 、Mn 、Zn 之间具

27、有正相关性（表4），且4060 cm土壤Fe 、Mn 、Zn 含量与全P 之间呈显著正相关，020 cm土壤Zn 含量与有机C 、全N 、全P 之间呈显著正相关，土壤Fe 、Mn 、Zn 含量与各层土壤全P 之间呈极显著正相关，说明提高土壤肥力水平对改善土壤养分状况具有重要作用。 2.2.3 土壤微量元素之间的相关性在所研究的几种元素中，各元素之间都有一定的相关性，所有微量元素之间的相关性达显著或极显著水平, Ca与Mg 之间也呈极显著相关（表5）。Fe 、Mn 、Zn 与Ca 、Mg 元素之间呈显著或极显著正相关性，显示了Mn 和Fe 的氧化物有富集微量元素的特性。与土壤最密切关系的地表植物

28、，其化学组成中Mn 和Ca 、K 和P 、S 和K 等元素之间存在着线性相关18。由此表明，土壤中全量养分间的增效作用比较明显。3 结与讨论土壤中微量元素是土壤的重要组成成分，是表征土壤质量的重要因子19。土壤微量元素的组成及其变化特征直接反映了土壤发育、成土及其演化过程20。土壤微量元素Fe 、Mn 、Zn 含量随着桉树人工林种植到第6年，土壤微量元素含量呈明显下降趋势，且6 a 060 cm土壤Fe 、Mn 、Zn 含量相对于2 a 分别降低了17.70%、56.39%、72.22%。总体上，随着桉树种植年限的增加土壤微量元素含量逐渐降低。但在这过程中，土壤微量元素含量会出现先突然降低、再

29、升高而后降低变化过程。土壤中的微量元素被植物吸收，变成了植物有机体的组成部分。凋落物（植物）在土壤生物作用下不断分解，微量元素得到释放。土壤生物通过食物链从环境中吸收并富集微量元素成为自身的组成成分，死亡后再把微量元素归还给土壤，被植物再次吸收利用，从而完成元素的循环过程21。这进一步说明了桉树种枯落物的分解速率较大，树枝、叶腐化速度快；桉树生长迅速，在整个生长期对一些微量元素（如Fe 、Mn 、Zn ）的需求量很大。所以，在桉树人工林的经营上，如通过改变林分组成和林地施肥，形成一个相对稳定的生态系统，这样才有利于提高土壤的供肥保肥能力，为桉树人工林的持续经营创造良好的条件。影响土壤中微量元素

30、含量的因子很多，有母质类型、pH 值、有机C 含量、土壤N 含量、土壤P 含量、土壤K 含量、土壤质地、土壤通透性等，微量元素之间也存在相互影响22。研究土壤微量元素与pH 、土壤大量养分元素之间的相关性及微量元素之间的相关性，以确定影响土壤微量元素含量的主要土壤条件因子。土壤pH 是土壤重要的基本性质，也是影响土壤肥力的因素之一，它直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性22。种植桉树后总的来说在一定程度上的加快了土壤的酸化，这与黄毓雄等的研究结果一致23，这可能与林地微生物活性作用和桉树根系分泌有机酸等有关。通常土壤元素含量与植物营养的关系颇为密切，而土壤中营养元素含量高低受多种因素的影响

31、，其中以pH 的影响最显著17-18。在本研究的土壤pH 值变幅范围内，土壤微量元素Fe 、Mn 、Zn 含量与土壤pH 值之间，呈极显著正相关（表4），基本符合一般规律17。土壤有机C 、全N 、全P 含量与微量元素元素Fe 、Mn 、Zn 之间具有正相关性（表4），土壤Fe 、Mn 、Zn 含量与各层土壤全P 之间呈极显著正相关。Fe 、Mn 、Zn 微量元素之间的相关性达显著或极显著水平，Ca 与Mg 之间也呈极显著相关（表5）。Fe 、Mn 、Zn 与Ca 、Mg 元素之间呈显著或极显著正相关性。总体看，微量元素下降明显的原因是随着N 、P 化肥的大量施用，桉树生物量不断提高，每年要从

32、土壤中吸收大量微量元素，加之土壤中微量元素得不到补充，因而造成了土壤微量元素供应不足或严重缺乏，这已成为进一步提高桉树生物量的限制因素。因而应注重有机肥与无机肥相结合的培肥途径。因为土壤有机质是植物营养元素的重要来源，它对改良土壤结构、增加土壤微生物活动、增强土壤酶活性等均有良好的作用。由此可见，当地林场管理部门在重视施K 肥的同时，应增施N 肥和Fe 、Mn 、Zn 等微量元素肥料。从桉树营养需求角度而言，土壤中许多微量元素的含量低，也显示出加强桉树土壤综合培肥管理的重要性。还有更重要的是与南方丘陵山地高温多表5 不同年龄阶段桉树人工林土壤微量元素之间的相关性 Table 5 Correla

33、tions of soil trace elements of eucalyptusplantation in different ages classes土壤微量元素土壤 微量元素土层 Fe Mn Zn 020 cm 0.9298* 0.7493* 2040 cm 0.9683* 0.7289* Fe4060 cm 0.9903* 0.9119* 020 cm 0.9298* 0.7011* 2040 cm 0.9683* 0.8344* Mn4060 cm0.9903* 0.8674* 020 cm 0.7493* 0.7011* 2040 cm 0.7289* 0.8344* Zn406

34、0 cm0.9119*0.8674*注：* r0.01 = 0.708, r0.05 = 0.578。272 生态环境学报 第18卷第1期（2009年1月）雨，使土壤中盐基成分大量淋失有关。因此，通过增施石灰及钙镁磷等碱性肥料是调节土壤pH 环境的重要措施。同时提高土壤阳离子交换量及盐基饱和度，能保证土壤微量元素供给24-25。从以上结果可以看出，土壤有机C 、N 、P 、K 、Ca 、Mg 含量、pH 值与土壤微量元素之间有密切的关系，而且微量元素之间也有明显的协同作用。通过土壤微量元素反映出其较容易实现营养平衡，许多微量元素可以相互促进吸收，微量元素对提高N 、P 、K 、Ca 、Mg 大

35、中量元素营养含量有一定积极影响，反过来，N 、P 、K 、Ca 、Mg 等营养的改善，一定程度也有助于微量元素的吸收。至于产生这些结果的机理还有待进一步去探索研究。参考文献：1 钟继洪, 李淑仪, 蓝佩玲, 等. 刚果桉人工林营养元素生物循环研究J. 水土保持学报, 2004, 18(6: 45-48.Zhong Jihong, Li Shuyi, Lan Peiling, et al. Biological cycling of nu-trients in eucalyptus ABL12W5 plantation ecosystemJ. Journal of Soil Water Cons

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