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2008年在礦區的礦渣廢棄地采用2年生欒樹Koelreuteriapaniclata(苗高1.3m，地徑1.5cm)實生苗，挖穴(0.5m×0.5m×0.5m），客土1.0kg，苗木根系蘸黃土漿造林，株行距為1.0m×1.3m。目前植物生長狀況良好，欒樹能適應礦區廢棄地的土壤條件。2011年10月在造林地測定林木胸徑和樹高，并計算林分的平均胸徑、平均樹高、林分生物量和林分生產力(見表1）。
研究方法
植物和土壤樣品的采集及樣品分析方法：在2011年10月，在湘潭錳礦植被恢復地4年生欒樹人工林中，根據樣地每木調查的結果，按林木生長級Ⅰ級木、Ⅱ級木、Ⅲ級木、Ⅳ級木、Ⅴ級木和平均木各選1株，共選6株標準木伐倒，按樹干、樹皮、樹枝、樹葉和樹根[樹根分為細根(d＜0.2cm)、粗根(0.2cm＜d＜0.5cm)、大根和根頭(d＞0.5cm）]測定各組分鮮質量，同時分別采集各組分的分析樣品，每株標準木的每一組分重復3個樣品，每一組分分析樣品18個。林下植被主要有草本層和死地被物層，在樣地內設置4個1m×1m小樣方，對小樣方草本植物按同種植物進行分別采樣，死地被物層按未分解、半分解和已分解進行采樣。樣地內隨機設置4個土壤采樣點，每個采樣點均按0～15、15～30、30～45cm分層采集分析樣品(約1kg）。植物各組分分析樣品帶回實驗室后在80℃恒溫下烘干，粉碎過100目篩，裝入樣品袋備用。土壤樣品帶回實驗室后自然風干，按各測定指標的測試方法進行處理，裝入樣品袋備用。對樣品逐一測定，同一分析樣品取算術平均值作為最終分析結果。植物、土壤樣品中Fe、Mn、Cu、Zn元素含量用AA-7000型原子吸收光譜儀測定。
數據處理養分積累量(kg/hm2）為生物量與養分含量的乘積，數據全部采用Excel2003進行處理。
結果與分析
土壤微量元素的含量
通過表2可以看出，在欒樹人工林中，各微量元素含量的順序為Fe＞Mn＞Zn＞Cu。元素含量差異顯著，Fe的含量要比Cu和Zn高出兩個數量級以上，Mn比Cu高出一個數量級以上。在土壤垂直分布中，Fe含量隨深度增加而遞增，說明Fe易被淋溶而向下遷移，其它元素的含量隨深度的增加未表現出一致的規律性。從變異系數來看，變化幅度的大小順序為Cu＞Mn＞Zn＞Fe，說明Fe元素的含量在不同的深度變化幅度最小。
林下植被及死地被物層微量元素的含量
經過對草本層和死地被物層各種微量元素的測定，結果（見表3）表明：草本層和死地被物層微量元素的含量高低順序均為Mn＞Fe＞Zn＞Cu；Mn元素含量要高于其它元素，最主要的原因是該廢棄地土壤中Mn元素含量較高。草本層中各元素變化幅度為Cu＞Fe＞Zn＞Mn，死地被物層中變化幅度為Fe＞Zn＞Mn＞Cu，且草本層中各元素的變化幅度都要比死地被物層中要大。值得注意的是，Cu的變化幅度排序由草本層的第一位降至死地被物層的最后一位，說明植物種類不同，其Cu含量差異性較大；而在分解階段，由于Cu的活性低，所以各分解階段含量沒有顯著差異，變化的幅度也小。在死地被物層中，Zn的變化幅度要高于Cu，主要是由于Zn的活性要高于Cu。
欒樹各組分微量元素的含量
地上部分微量元素的含量
表4給出了地上部分微量元素的含量。從表4可以看出，地上部分各組分微量元素含量分別為：樹葉最多，樹干最低，各組分微量元素總量排序為樹葉＞樹枝＞樹皮＞樹干。從各元素總量來看，含量最高的是Mn，占地上部分總含量的58.98%；最低是Cu，僅占地上部分總含量的1.04%。各元素含量排序為：Mn＞Fe＞Zn＞Cu。
地下部分微量元素的含量
植物主要通過根系從土壤中吸收養分。因此，根系吸收養分的能力大小及養分元素的含量對植物的生長發育起著至關重要的作用。表5給出了欒樹根部的微量元素含量，可以看出：地下部分各組分養分含量中，細根含量根高，粗根其次，大根含量最低。細根為植物從土壤中吸取養分最主要的組分，所以其養分含量較粗根高，占地下組分養分總量的40.50%。粗根與大根微量元素含量相近。各組分微量元素總量排序為：細根＞粗根＞根頭＞大根。從各元素總量來看，含量最高的是Mn，占地下部分總含量的49.25%；最低的是Cu，僅占地下部分總含量的0.98%。各微量元素總量排序為：Mn＞Fe＞Zn＞Cu。
微量元素分布特征
在森林生態系統中，元素的積累和分布是一個十分復雜的生理生態過程，它與生物量的增加和生物量中各組分元素含量緊密相關，總的積累量是林木與環境相互作用的結果[8]。各元素在欒樹人工林生態系統中各部分的積累量和分布如表6所示。由表6可以看出，欒樹人工林微量元素總積累量為165836.83kg/hm2，其中喬木層養分積累量為13.75kg/hm2，喬木中各組分微量元素總積累量排序為枝＞干＞葉＞根＞皮。各組分對Fe的積累量排序為枝＞干＞根＞皮＞葉，對Mn的積累量排序為枝＞葉＞干＞皮＞根，對Cu的積累量排序為干＞枝＞根＞葉＞皮，對Zn的積累量排序為干＞根＞枝＞葉＞皮。林下植被層中草本層養分積累量為10.86kg/hm2，占林下植被層的86.53%，且草本層的養分積累量要大于灌木層。在死地被物層中，養分總積累量為7.10kg/hm2，各階段養分積累量排序為已分解＞未分解＞半分解。林下植被層和死地被物層總積累量為19.65kg/hm2，占整個生態系統的0.01%，比例雖小，但仍是重要的養分庫。土壤層微量元素積累量最大，為165804.05kg/hm2，占欒樹人工林生態系統總積累量的99.98%，且養分積累量隨深度增加呈逐漸減小的趨勢。從整個生態系統來看，4種微量元素的積累量在空間分布上表現為：土壤層＞喬木層＞草本層＞死地被物層＞灌木層。其中，喬木層和林下植被層微量元素積累量排序為Mn＞Fe＞Zn＞Cu，死地被物層和土壤層微量元素積累量排序為Fe＞Mn＞Zn＞Cu。
欒樹不同組分對微量元素的生物吸收系數
植物在生長過程中，根系從土壤中吸收養分，并輸送到其他組分，因此，土壤中的養分含量與植物體內的養分含量存在一定的相關性，這種相關性可用生物吸收系數來表示。生物吸收系數是植物中某元素含量與土壤中該元素含量的比值，它反映了植物對化學元素的吸收和積累能力[8]。表7為各組分對這4種微量元素的吸收系數。由表7可以看出，欒樹各組分對這4種微量元素的吸收系數有明顯差異，對有的元素累積能力較強，對有的元素累積能力較弱，欒樹林木對各元素的吸收系數排序為：Zn＞Mn＞Cu＞Fe。對Fe的吸收系數最小，僅為0.05，但并不能由此說明欒樹對Fe的富集能力弱，這可能與土壤中的含量高有關。從各組分來看，樹葉的富集能力最強，生物吸收系數達到0.77；大根的富集能力最弱，為0.26。各組分的生物吸收系數排序為：樹葉＞樹枝＞樹干＞細根＞樹皮＞根頭＞粗根＞大根。#p#分頁標題#e#
結論與討論
(1)土壤中微量元素的含量依次為：Fe＞Mn＞Zn＞Cu，與洞庭湖西岸4種防護林土壤微量元素含量一致[9]。在土壤垂直分布中，Fe含量隨深度增加而遞增，其它元素的含量隨深度的增加未表現出一致的規律性。土壤中Fe含量高，主要是因為土壤類型以紅壤或磚紅壤為主，在長期高溫高濕的作用下發生強度富鋁化作用和生物富集作用。Mn含量高于Zn和Cu，主要是因為研究地為錳礦廢棄地。
(2)草本層和死地被物層微量元素的含量高低順序均為：Mn＞Fe＞Zn＞Cu，與楊麗麗等[10]的研究結果一致。草本層中Mn的變異系數最小，一方面由于該地為錳礦廢棄地，土壤中Mn元素含量高，另一方面也說明了這幾種草本植物對Mn的利用上更趨向于一致。
(3)欒樹中各微量元素的含量順序為：Mn＞Fe＞Zn＞Cu，各組分養分含量以樹葉最高，樹枝其次，樹干最低。各組分微量元素含量順序為：樹葉＞樹枝＞細根＞樹皮＞粗根＞根頭＞大根＞樹干。樹葉為主要的光合作用器官，所以其養分含量最高，樹皮韌皮部中的篩管結構是植物體內光合產物和多種有機物運輸的主要結構，即各種營養元素運輸的主要途徑，所以其中的營養元素含量明顯高于其它組分。田大倫等[11]對不同林齡馬尾松人工林微量元素循環的研究表明，林木各組分微量元素含量規律為Fe＞Mn＞Zn＞Cu，Fe、Mn、Zn、Cu的含量均以根＞葉＞枝＞皮＞干為序。蔡寶玉等[12]的研究表明第2代杉木林速生階段各組分微量元素含量順序為：葉＞枝＞皮＞根＞干,說明林木各器官微量元素含量是隨器官功能和結構而變化的。
(4)欒樹人工林微量元素總積累量為165836.83kg/hm2，由于喬木是森林生態系統中最活躍、最重要的亞系統，4種微量元素總積累量為13.75kg/hm2。但由于各組分生物量占總量的比例不同，不同組分對同一種元素含量的差異造成各組分對同種元素積累量也不同。對Fe的積累量排序為枝＞干＞根＞皮＞葉，對Mn的積累量排序為枝＞葉＞干＞皮＞根，對Cu的積累量排序為干＞枝＞根＞葉＞皮，對Zn的積累量排序為干＞根＞枝＞葉＞皮。林下植被層總積累量為12.55kg/hm2，其中灌木層積累量為1.69kg/hm2，草本層積累量為10.86kg/hm2，占林下植被層總積累量的86.53%，由此可以看出，在林下植被層中，4種微量元素主要集中在草本層中。死地被物層總積累量為7.10kg/hm2，且不同的分解階段其積累量也存在差異。土壤是森林生態系統中比較穩定的組成要素，其微量元素含量受成土母質和局部地形及生物地球化學循環的共同影響，是微量元素主要的存儲庫。在欒樹人工林中，土壤層4種微量元素的積累量為165804.05kg/hm2，占整個生態系統總積累量的99.98%，微量元素積累量排序為：Fe＞Mn＞Zn＞Cu。土壤層微量元素積累量最大，主要是因為土壤層是生態系統微量元素最主要的存儲庫，在森林生態系統物質循環中起著十分重要的作用，加上喬木以枯枝落葉的形式進行養分歸還，所以從系統保持和平衡的角度來看，盡管喬木層積累量較林下植被層高，但在整個生物循環過程中，能直接補給土壤相當多的有效養分，供林木重新吸收利用，有助于維持整個系統的養分平衡。方晰等[13]對10年生杉木林微量元素積累量的研究表明杉木對Fe、Mn、Cu、Zn的積累量為35.971kg/hm2，占整個生態系統的0.0134%，而本文中欒樹僅為5年生，對4種微量元素積累量已達到13.75kg/hm2，占整個生態系統的0.0083%。由此說明欒樹對這4種微量元素的積累能力更強，適宜作為Fe、Mn礦區植被修復的樹種。
(5)欒樹對各元素的吸收和累積能力存在差異性，對Zn的吸收能力最強，其次為Mn，對Fe的吸收能力最弱。同時，不同組分對微量元素的吸收能力也有明顯差異，樹葉的積累能力最強，生物吸收系數達到0.61，這主要是因為樹葉為光合作用的主要器官，對元素的需求和利用要高于其它器官。大根的生物吸收系數最小，為0.26，各組分的生物吸收系數排序為：樹葉＞樹枝＞樹干＞細根＞樹皮＞根頭＞粗根＞大根，樹干與細根生理學功能不同，細根是樹木從土壤中吸收養分的主要組分，故細根生物吸收系數與積累能力要高于樹干。欒樹對Mn和Zn具有較強的富集和累積能力，可以作為錳礦廢棄地生態恢復過程中的先鋒樹種，促進生態系統演替過程，改善林分質量，提高植被覆蓋率，可進一步擴大恢復規模。
(6)雖然湘潭礦區屬亞熱帶季風氣候，有利于植物生長，但在廢棄的尾礦地和礦渣地這種特殊的立地條件上，土壤條件是植被恢復工程最主要的限制因子之一，因此必須采取相關措施改善土壤條件，如加強人工管理措施，實行植被恢復，以達到改良土壤基質、提高土壤養分含量的作用。（本文表略）
本文作者：羅趙慧 田大倫 田紅燈 徐露燕 單位：長沙中南林業科技大學 長沙南方林業生態應用技術國家工程實驗室 湖南會同國家野外科學觀測研究站