冀北山地主要林分类型土壤微量元素特征

付立华 张菲 于士涛 孟凡松

摘 要：以燕山北部山地的杨桦天然次生林和华北落叶松人工林为研究对象，分析了10、20、30a表层土壤（0～10cm）Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb等6种微量元素的特征，探讨了土壤大量元素及pH对土壤微量元素的影响。结果表明：（1）2种林分类型中6种微量元素含量的大小排序均为Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu;（2）6种微量元素含量均表现为杨桦天然次生林略高于华北落叶松人工林，但未达到显著水平;（3）6种微量元素含量在2种林分类型中均是10a时的含量最低，随林龄增加表现出累积的趋势;（4）土壤C、N、P、Ca元素与6种微量元素呈正相关，K，Na，Mg，pH值则为负相关，6种微量元素间为正相关。

关键词：微量元素;森林土壤;天然林;人工林

中图分类号 S714.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0123-04

Abstract： The natural secondary forest of poplar birch and larch plantation in mountain area of Northern Hebei were investigated in this study， and we took the surface soil （0～10 cm） from with different forest ages （10a， 20a， and 30a） in these two forest types. The concentrations of Fe、 Mn、 Cu、 Zn、 Ni、 Pb were tested， and the influences of soil macro elements and pH to these microelements also were analyzed. The main results are as follows： （1） on the whole， the content of microelements decreased by order of Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu in both these two forests. （2） the contents of all soil microelements were slightly higher in natural secondary forest than that in larch plantation， although there was no significant difference. （3） the contents of all soil microelements were lowest at the age of 10 years in both these two forests， and increased with the age of forests. （4） there were positive relationships between the soil contents of C， N， P， Ca with the contents of all the six microelements， but the negative relationships between that of K， Na， Mg， pH with that of all microelements， and the positive relationships between the six microelements.

Key words： Microelement; Forest soil; Natural forest; Plantation

土壤是植物正常生長的基础，可以给植物提供其生长所必要的营养元素 [1]。植物所需营养元素包括大量元素、中量元素以及微量元素。一般把植物体内含量（干重）低于0.01%的元素称为微量元素[2]。虽然微量元素在植物体内含量很低，但是对于植物生长有很重要的作用。因此研究土壤微量元素的含量及其在不同生态系统的差异具有重要科学意义和应用价值。

在以往研究中，关于土壤微量元素的研究主要是在农作物中。研究表明，虽然微量元素在作物中含量极低，但作用却很大，对于作物的产量、品质等产生的影响不可忽视[3-7]。然而，土壤微量元素对于自然生态系统，尤其是森林生态系统的研究则相对较少，有学者对青海、陕蒙、贵州等地的森林生态系统土壤微量元素进行了研究[8-10]，主要分析了不同林分类型、不同深度等土壤微量元素的特征及其影响因素。我国人工林面积已是世界之最，进行大面积的人工造林后对土壤微量元素如何影响、是否会造成微量元素损失目前并不是很清楚。燕山北部山地是京津冀地区的生态屏障和重要水源地，在区域环境和碳平衡中发挥了重要作用。20世纪60年代以来，华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）以其抗旱、耐寒、速生、材质优良特性成为该地区人工造林的主要树种。本文以该地区的杨桦天然次生林和华北落叶松人工林2种主要林分类型为研究对象，分析了10、20、30a森林表层土壤（0～10cm）Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb等6种微量元素的特征，并探讨了土壤大量元素及pH值对土壤微量元素的影响，以期从土壤微量元素的角度为指导林业生产实践提供参考。

1 研究地概况

研究区位于河北省围场满族蒙古族自治县大头山乡（41°35′～42°40′N，116°32′～117°14′E），地处滦河上游地区，北与浑善达克沙地南缘相望。属于坝下地形区，地势西北高，东南低，海拔750～1850m。该地属北温带-中温带、半湿润-半干旱、大陆性季风型山地气候，年均温约3.3°C，年降水约300～560mm，风向多变，气温变化剧烈，土壤类型主要有棕壤、褐土、灰色森林土、黑土等。该地区主要的林分类型为杨桦天然次生林和华北落叶松人工林，样地立地条件和林分生长情况如表1所示。

2 研究方法

2.1 土壤取样 分别选取杨桦天然次生林和华北落叶松人工林10、20、30a林龄梯度，尽量保证坡向、坡位、坡度等立地条件一致，每个林龄梯度设置3个20m×20m样地。于2018年7—8月进行土壤样品采集，分别在每个样地对角线3个4等分点处取0～10cm土壤，共获取样品54个。

2.2 样品处理及指标测定 将收集的土壤样品风干过2mm筛，用球磨仪和玛瑙灰浆研磨机磨成细粉用于元素分析。一部分土样用元素分析仪（Vario MAX CN Elemental Analyzer， Elementar， Hanau， Germany）测定出土壤C，N元素的含量;另一部分土样消煮后用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES， Optima5300 DV， Perkin Elmer， Waltham， USA）测定P、K、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb等元素的含量。土壤pH值用土壤pH计测定。

2.3 数据处理 用方差分析法研究2种林分类型不同林龄之间微量元素的差异，用Pearson相关分析法分别研究土壤大量元素及pH与微量元素的相关性、微量元素之间的相关性。数据的基本处理和作图在Excel中完成，数据分析在SPSS 19.0软件中完成。

3 结果与分析

3.1 不同林龄2种林分类型土壤微量元素特征 由图1可见，6种微量元素在2种林分类型表层土壤中含量的大小排序一致，均为Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu。杨桦天然次生林表层土壤Fe、Mn、Zn、Pb、Ni、Cu元素含量的均值分别为27736.37±1446.81、761.16±107.03、81.87±3.50、35.64±0.64、25.23±1.15、19.68±1.82mg/kg;华北落叶松人工林表层土壤Fe、Mn、Zn、Pb、Ni、Cu元素含量的均值分别为26174.10±1024.78、636.56±94.25、79.08±6.17、34.12±1.25、22.79±1.49、18.66±2.17mg/kg。表层土壤中6种微量元素的含量平均值均表现出杨桦天然次生林高于华北落叶松人工林的趋势，其中，杨桦天然次生林表层土壤中Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Pb比华北落叶松人工林分别高约6%、20%、5%、4%、11%、4%，但是大部分没有达到显著水平（图1）。6种微量元素在表层土壤中的含量在2种林分类型中均是10a时的含量最低，随林龄增加表现出累积的趋势，其中杨桦天然次生林Fe元素、Mn元素、Cu元素在20a或30a林分土壤中的含量显著高于10a中的元素含量，华北落叶松人工林Cu元素、Zn元素在20a或30a林分土壤中的含量显著高于10a中的元素含量。

3.2 土壤微量元素与大量元素的相关性 由表2可见：（1）2种林分类型表层土壤中6种微量元素含量与土壤大量元素及pH值的相关性如表2所示。土壤C、N、P、Ca元素与6种微量元素的含量呈正相关，土壤K，Na，Mg元素含量和土壤pH与6种微量元素的含量呈负相关。

（2）土壤C元素含量与6种微量元素含量均呈显著正相关，其中与Ni元素为极显著正相关;土壤N元素含量与6种微量元素含量均呈正相关，其中与Ni元素为极显著正相关，与Fe、Mn、Zn、Pb元素显著正相关;土壤P元素含量与6种微量元素含量均呈正相关，其中与Cn、Zn、Ni元素显著正相关;土壤Ca元素含量与6种微量元素含量均呈正相关，其中与Fe、Mn、Cn、Zn、Ni元素显著正相关。

（3）土壤K元素含量与6种微量元素含量均呈负相关，其中与Mn、Zn、Pb元素显著正相关;土壤Na元素含量与6种微量元素含量均呈负相关，其中与Ni，Pb元素为极显著正相关，与Fe、Mn、Zn元素显著正相关;土壤Mg元素含量和pH与6种微量元素含量均呈负相关，但未达到显著水平。

3.3 土壤微量元素之间的相关性 由表3可见，2种林分类型表层土壤中6种微量元素含量之间的相关性如表3所示。6种微量元素之间均呈正相关。其中，Fe与Mn，Fe与Ni，Mn与Ni，Cu与Zn之间为极显著正相关，Fe与Cu，Mn与Cu，Mu与Zn，Mn与Pb，Cu与Ni，Zn与Ni，Ni与Pb之间为显著正相关，其它微量元素之间的相关性未达到显著水平。

4 讨论

（1）土壤微量元素是近年来的研究热点，本研究分析了燕山北部山地不同林龄杨桦天然次生林和华北落叶松人工林表层土壤微量元素的特征。沈善敏[11]研究得出中国土壤Mn、Zn、Cu元素的平均含量是710.0、100.0、22.0mg/kg，本研究中杨桦天然次生林表层土壤Mn元素的含量略高于全国均值，而Zn、Cu元素含量略低于全国均值，华北落叶松人工林表层土壤的Mn、Zn、Cu元素的含量则均略低于全国均值。整体来看，研究地区土壤微量元素含量偏低，其有可能成為限制该地区森林生长的潜在因素。

（2）土壤元素含量的高低取决于输入和输出的差异。自然生态系统土壤微量元素的输入源主要有土壤母质、植物凋落物、大气沉降，输出途径主要是土壤侵蚀、雨水淋溶、植物吸收等[1， 12-13]，输入和输出量的大小受到气候、地形等强烈影响。本研究中，杨桦天然次生林表层土壤中的微量元素含量整体略高于华北落叶松人工林（p<0.05）。由于这2种林分类型在土壤母质、气候、地形等因素方面几无差异，两者之间的差异主要体现在植物种类和人类影响2个方面。研究表明，阔叶林凋落物的数量和质量一般高于同一地区的针叶纯林[14]，而且天然林保肥和蓄肥能力也比人工林强[15]，但人工林对于养分的需求和消耗要高于天然林[16]，这些可能是本研究杨桦天然次生林土壤微量元素含量高于华北落叶松人工林的主要原因。此外，人工林受到人为影响更大，尤其是造林和抚育的过程易造成表层土壤养分的流失，这可能是华北落叶松人工林表层土壤微量元素较低、杨桦天然次生林较高的另一原因。

（3）杨桦天然次生林和华北落叶松人工林表层土壤微量元素含量均随着林龄的增加呈现增加的趋势，说明这2种林分类型土壤微量元素含量随时间具有累积效应，即输入量高于输出量。华北落叶松是燕山北部山地主要造林树种，虽然较当地天然次生林土壤微量元素含量较低，但并未达到显著水平，且随着林龄的增长土壤微量元素含量出现增加趋势，这说明栽植华北落叶松并未明显降低土壤微量元素的含量，这从土壤微量元素的角度支持了营建华北落叶松人工林的可行性，可用于指导当地林业生产实践。

（4）土壤有机质和pH值是影响土壤微量元素含量的主要因素。土壤有机质与微量元素含量正相关的原因，一是土壤尤其是表层土壤受到地表凋落物的重要影响，凋落物的有机物质中含有微量元素，二是微量元素能与有机化合物发生络合作用[2]。土壤pH可影响土壤矿物的溶解度、胶体表面电性等从而影响微量元素的有效性（pH值越低微量元素有效性越高），进而间接影响微量元素的总量。本研究中，土壤N，P等元素与微量元素正相关，K、Na、Mg等元素与微量元素含量呈负相关，土壤微量元素之间呈显著正相关。进行土壤元素之间的相关分析，不仅可探讨微量元素的来源及影响因素，而且可为在一定空间上进行土壤微量元素含量的尺度拓展提供可能。

5 结论

燕山北部山地杨桦天然次生林土壤微量元素含量略高于华北落叶松人工林，随林龄的增加，土壤微量元素含量均呈增加趋势;在2种林分类型中，不同土壤微量元素含量均表现为Fe>Mn>Zn>Pb>Ni>Cu;土壤不同微量元素含量之间呈现显著正相关，不同土壤大量元素及pH值对微量元素的影响不同。

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（责编：王慧晴）