2008年1月上旬至2月上旬，我国南方地区遭受突如其来而严重的雨雪冰冻灾害，其范围之大、持续时间之长均为历史罕见。灾害给林业生产造成巨大的损失，除森林资源和林业基础设施的直接损失外，生态系统所遭受的破坏难以计量。目前有关受灾情况及补救措施的报道较多(韦方强等，2008；张勇，2008；吴斌，2008；肖文发，2008；林华，2008；李意德，2008；徐大平等，2008；马兰涛等，2008)，而对于冰冻灾害对森林生态系统养分含量的影响尚未见报道。

矿区废弃地是在矿产资源开发利用过程中形成的。随着我国工业的发展，人类对矿产资源开采规模的扩大，矿区废弃地的面积逐年迅速增长，由此引发的生态破坏、环境污染等问题已成为我国经济发展和人类社会生存的根本问题(李永庚等，2004；方晰等，2006；闫文德等，2006)。因此，矿区废弃地的生态恢复是我国面临的紧迫任务之一，也是我国实施可持续发展战略应优先关注的问题之一(章家恩等，1999)。近年来，我国矿区废弃地生态恢复和重建工作已取得显著成就(李永庚等，2004)。

笔者于2002年开始对矿区废弃地进行植物修复试验，并经盆栽试验(田大伦等，2006a；方晰等，2007)筛选出栾树(Koelreuteria paniculata)和杜英(Elaeocarpus decipens)2个树种，2004年在矿区的矿渣废弃地营造了栾树和杜英混交林，设置了面积为0.67 hm²的固定样地1块，拟作长期定位跟踪研究。有关试验林地的土壤理化性质(方晰等，2006；闫文德等，2006)、混交林生物量(田大伦等，2006b)、混交林生长环境及矿质元素生物循环(Tian et al., 2007)已报道。雨雪冰冻灾害可提供自然干扰对森林生态系统带来某些影响的研究机遇。本文通过对冰冻灾害前后湖南湘潭锰矿废弃地栾树杜英混交林生态系统养分含量的比较，旨在探索森林生态系统养分元素的生物地球化学循环受突发性自然灾害影响的变化规律、植被恢复过程中自然干扰的影响，为森林保护、植被恢复中树种选择及林业生产的科学管理提供基础依据。

1 研究区概况

研究区设在湖南湘潭市北郊的湘潭锰矿区(112°45′—112°55′ E, 27°53′—28°03′ N)，地处丘陵地带，海拔62~165 m。属典型亚热带季风气候，气候湿润，四季分明，年平均气温17.4 ℃，年平均降雨量1 431.4 mm，年平均蒸发量1 321.7 mm。区域内矿藏以沉积碳酸锰及次生氧化锰矿为主，还有部分石灰石、白云石、煤、石英砂岩及石膏等非金属矿藏。

矿渣废弃地形成于20世纪60年代初，由开采的废石和低品位矿石以及煤灰、生活垃圾等堆积而成。自然定居植被稀少，主要是草本植物，如空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)、香附子(Cyperus rotundus)、狗牙根(Cynodon dactylon)、斑地锦(Euphorbiamaculata)、野菊花(Dendranthema indicum)等，覆盖度1%以下。冰雪灾害后混交林中栾树为落叶树种，枝干无损，仅在迎风面存在极少数断枝干现象，而杜英仅叶全部变黄，卷曲皱缩坏死，但未脱落。林地活地被物全部死亡，整个混交林分保存尚好，林分特征见表 1。

2 研究方法 2.1 样品采集

分析样品于2007年11月6日(冰灾前)和2008年2月29日(冰灾后)采集。

地表水样：由于试验林分是在矿区废渣地面，所以林内地表并不平坦，有5~6处小洼地(小穴)分散于林地内，雨后水分下渗速度缓慢，常有积水，因此在小穴内用500 mL清洁塑料瓶平行地表采集1 000 mL，每次采样5个(田大伦等，2002)，冰灾前后共10个，除少数指标于现场测定外，立即送到实验室分析。

土壤样品：在林内设置的固定样地内按方格网式布设10个采样点，在每个采样点内将土壤分层(0~15、15~30、30~45、45 cm以下)每层采样1个，共40个。冰雪灾害前后各采样一次，共80个供试土样。

林木样品：为保持固定样地内林内株数，则在样地外周边结合林木生物量的测定，选取栾树和杜英各5株，在测定生物量的同时，采集林木分析样品40个(分为树干、树叶、树枝、树根)，栾树为落叶树种，冰冻灾害前后未采集到树叶样品，因此供试样品共75个，用去离子水冲洗干净，然后将样品置80 ℃恒温干燥箱中烘干，用2 mm筛孔的粉碎机粉碎备用。

死地被物样品：在固定样地内，按梅花形布点5个，将死地被物分为未分解、半分解和已分解3个组分，共采样15个，冰灾前后共采30个试样。

2.2 研究方法

水中的溶解氧、电导率、pH用多参数水质检测仪U-10现场测定。土壤pH值用pH SJ-4A型pH计测定。植物和土壤含水量用烘干法测定。

植物有机碳用K₂Cr₂O₇-H₂SO₄氧化法测定；灰分用干灰化法测定；全N用半微量凯氏法测定；全P用钒钼黄比色法测定。土壤有机质用重铬酸钾氧化法(水合加热法)测定；全N用半微量凯氏法测定；速效N用蒸馏法；全P用碱熔-钼锑抗比色法；速效P用盐酸-氟化铵法测定；全K用碱熔-火焰光度法；速效K用1 mol·L^-1醋酸铵浸提-火焰光度法测定。植物、土壤、水样中的Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn、Co、Cd、Ni、Pb用HP3510原子吸收分光光度计测定(田大伦，2004)。

3 结果与分析 3.1 冰冻灾害前后林地地表水中养分含量比较

大气中的尘埃物质，随大气降水(雨雪)进入栾树杜英混交林生态系统，经过林冠和树干的淋洗和淋溶过程到达地表，使林地地表水体中的养分元素含量产生变化。表 2显示，冰灾后水的电导率、溶解氧、pH值以及K、Ca、Mg、Cu含量比冰冻灾害前均有所减少，变化幅度最大的是Ca，减少53.2%，其次是Mg(35.6%)、电导率(32.4%)、K(24.5%)、pH(18.1%)、溶解氧(9.5%)，减少幅度最小的是Cu(5.4%)。Fe、Zn、Mn、Pb的含量则有所增加，其中Mn含量的增幅最大，冰灾后比冰灾前增加14.02倍，Zn增加3.13倍，其次是Pb(12.0%)，Fe增幅最小，为6.9%。冰雪灾害前后，pH值及Cu、Fe含量没有显著性差异；电导率，溶解氧。K、Ca、Mg、Zn、Mn、Pb含量则都达到极显著差异水平(P < 0.01)，表明冰灾使林内地表水被矿物质或被易于氧化的有机物质所污染，产生酸化，自净作用速度减慢。

3.2 冰冻灾害前后林地土壤养分含量比较

冰冻雨雪天气，使大气降水量增加，空气湿度大，可从表 3看出，冰灾后混交林内土壤平均含水量为24.5%，比冰灾前增加25.0%；土壤速效N、速效P、速效K则都呈减少趋势；pH值略微升高，有机质稍有减少，但差异不显著(P>0.05)。同一层次土壤速效养分在冰灾前后含量的t检验结果表明：15~30 cm和45 cm以下2个土层含水量差异达到极显著水平(P < 0.01)，土壤表层(0~15 cm)速效N和速效K含量差异极显著(P < 0.01)。

此外，冰灾前后土壤速效养分在不同土层中的分布有所变化。冰灾前0~15 cm土层速效N含量最多，冰灾后30~45 cm土层含量最大，其次是45 cm以下土层。速效P冰灾前后在土层中的分布没有变化，都是15~30 cm含量最多，其次是0~15 cm，再次是30~45 cm，45 cm以下土层速效P含量最少。速效K冰灾前随着土层的加深含量递减，冰灾后表现为15~30 cm>45 cm以下>30~45 cm>0~15 cm。有机质冰灾前0~15cm土层含量最丰富，冰灾后30~45 cm土层含量最丰富，其次是表层0~15 cm。可见，冰冻灾害后，除速效P在土层中的分布没有变化之外，土壤有机质、速效N、速效K都有向下沉积的现象。土壤pH值冰灾前后都是在土壤表层(0~15 cm)最大，含水量随着土层的加深逐渐降低。

由表 4可知，冰灾后土壤中全N、Ca、Mg含量降低；全P和全K含量显著升高。t检验结果表明：冰灾前后15~30 cm和30~45 cm土壤中的全N、全P、全K、Ca、Mg含量没有显著性差异(P>0.05)；45 cm以下土层全P含量差异极显著(P < 0.01)；0~15 cm和45 cm以下土层全K含量差异显著(P < 0.05)。

冰灾后全N、全P、全K、Ca、Mg含量在土层中的分布发生一定的变化。冰冻灾害前，全N含量最高的土层是0~15 cm，15~30 cm土层全P含量最高，30~45 cm土层全K含量最高；冰冻灾害后，全N、全P、全K含量最高的土层为45 cm以下，分别为1.043、1.108、6.010 g·kg^-1。Ca、Mg 2种元素冰冻灾害前后都是表层(0~15 cm)土壤含量最丰富。表明土壤大量元素(全N、全P、全K、Ca、Mg)主要集中分布于土壤上层，受冰冻灾害的影响，全N、全P、全K 3种元素出现向土壤深层沉积的现象。

由表 5可知：冰灾后混交林土壤中Cu、Pb、Co含量比冰灾前增加；Fe、Zn、Mn、Cd、Ni含量则比冰灾前减少。冰灾前，土壤中8种微量元素含量的排列顺序为：Fe>Mn>Pb>Zn>Ni>Cu>Co>Cd；冰灾后，Cu的含量(51.964 mg·kg^-1)大于Ni(19.577 mg·kg^-1)，其他微量元素含量大小顺序不变，依旧是Fe(13 671.598 mg·kg^-1)和Mn(1 483.268 mg·kg^-1)含量最丰富，其次是Pb(315.515 mg·kg^-1)和Zn(84.650 mg·kg^-1)，Co(10.087 mg·kg^-1)和Cd(1.317 mg·kg^-1)含量最少。t检验结果显示：Cu、Fe、Zn含量冰灾前后差异极显著(P < 0.01)。Fe含量在土壤各个层次都表现出极显著差异(P < 0.01)；Cu和Zn含量在土壤表层(0~15 cm)表现最明显，差异达到极显著和显著水平；Co在15~30 cm土层显著差异(P < 0.05)。

同冰灾前相比，冰灾后微量元素在不同土壤层次中的分布有一定的变化。冰灾前Cu和Fe在土壤表层(0~15 cm)含量最丰富，冰灾后在45 cm以下土层含量最丰富。Zn冰灾前随着土层的加深含量逐渐减少，冰灾后Zn在土层中的分布为：15~30 cm>0~15 cm>45 cm以下>30~45 cm。Mn冰冻灾害前后都是土壤表层(0~15 cm)含量最丰富。Cd和Co都是冰灾前表层(0~15 cm)土壤含量最丰富，冰灾后15~30 cm土壤含量最丰富。Ni冰灾前表现为0~15 cm>45 cm以下>15~30 cm>30~45 cm，冰灾后为0~15 cm>15~30 cm>45 cm以下>30~45 cm。Pb冰灾前随着土层的加深含量逐渐减小，冰灾后则正好相反，随着土层的加深Pb含量递增。表明冰灾使得微量元素(Cu、Fe、Zn、Cd、Co、Pb)也产生沉积现象。

上述表明：冰冻灾害后对土壤养分含量带来一定影响，只是大小程度不同，因为冰冻天气使土壤温度产生变化，从而影响土壤养分的转化，这是由于使土壤养分转化的生物学过程和化学过程都受到温度的制约。

3.3 冰冻灾害前后林木养分含量比较

叶片是植物体上对温度最敏感、受环境因素影响最大的器官(朱忠保，1991)。杜英是常绿阔叶树种，在冰冻低温条件下，杜英叶的光合、呼吸、吸收、蒸腾作用，以及物质运输、转移等生理活动的活性降低，彼此之间的协调被破坏，使杜英叶变黄，卷曲皱缩坏死(Nilsen，1991)，含水量、P、K、Ca、Mg含量均减少，冰灾前后的差异显著或极显著水平。栾树为落叶阔叶树种，对冰冻灾害的反应表现在树枝上，枝中含水量N、P、K、Mg含量减少，冻灾前后差异达到显著或极显著水平。

从表 6还可以看出：8种微量元素Cu、Fe、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co含量无论在杜英叶中或在栾树枝中均增加，尤以Fe、Zn、Mn、Cd、Ni明显，冰灾前后差异达到显著或极显著水平。微量元素在植物体生命活动中不可缺少，但需要量很小。冰冻灾害前，植物体维持正常的生命活动，需要消耗微量元素。而在冰冻低温条件下，植物体生理活动下降，使微量元素沉积，而产生含量增加现象。

冰冻灾害前后树干中养分元素含量的变化如表 7。冰灾后杜英干含水量减少，N、P、K、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co含量增加；栾树干含水量，K、Fe含量减少，N、P、Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co含量呈增加趋势。t检验结果表明：冰冻灾害对杜英干中养分元素含量影响较大，K、Mg、Cu为差异显著，含水量、N、P、Ca、Fe、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co含量为差异极显著；对栾树干中养分元素含量的影响相对要小。冰灾前后栾树干中P、Zn、Mn含量差异显著，其含量比冰灾前分别增加51.08%、62.58%、126.68%；差异极显著的是含水量，比冰灾前减少了28.58%；N、K、Ca、Mg、Cu、Fe、Cd、Ni、Pb、Co含量则差异不显著。总体来说，冰灾后植物干中含水量大幅减少，有的养分元素由树干向枝叶运输速度滞缓或滞留，导致其含量在树干中比冰灾前增加。

3.4 冰冻灾害前后林地死地被物养分含量比较

冰灾后与冰灾前林地不同分解程度(未分解、半分解、已分解)死地被物养分元素含量及其比值如表 8。结果表明：N和P冰灾后未分解、半分解死地被物含量增加，已分解死地被物含量减少，但差异不显著(P>0.05)。K和Mg冰灾后含量均呈现下降趋势。t检验结果显示：未分解死地被物K含量显著减少(P < 0.05)，半分解和已分解死地被物变化不显著(P>0.05)；Mg元素含量在不同分解程度的死地被物中冰灾前后含量显著性差异(P < 0.05)。Ca：冰灾后半分解死地被物含量略有增加，其他都有减少趋势，t检验表明冰灾后已分解死地被物中含量减少极显著(P < 0.01)，是冰灾前的64.4%。8种微量元素Cu、Fe、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co除未分解和半分解死地被物Zn以及已分解死地被物Pb和Cd含量减少外，其它元素含量都呈增加趋势。不同分解程度死地被物中Ni含量冰灾前后差异均显著(P < 0.05)；Cd含量在未分解死地被物中表现出极显著差异(P < 0.01)；未分解死地被物中Mn含量明显增加(P < 0.05)。

由上表明：冰灾前林地死地被物经过分解和淋溶后K、Mg被释放进入土壤，使冰灾后含量降低，而重金属元素Cu、Fe、Mn、Ni、Co本身难于分解和淋溶，加之冰雪期天气寒冷，土壤温度低，对微生物活动不利，分解和淋溶作用不畅而沉积于死地被物中，造成冰灾后含量增加。

4 结论与讨论

冰冻灾害期间，大气中的尘埃物质随降水(雨雪)进入矿区废弃地栾树杜英混交林生态系统，经树冠和树干的淋洗或淋溶作用即进入林地地表(田大伦，1987)，由于重金属盐类的水解作用，水体中重金属元素Fe、Zn、Mn、Pb含量，冰灾后比冰灾前增加，导致地表水的pH值由5.66下降至4.64，地表水酸化，水体被矿物质或被易于氧化的有机质所污染，使地表水的电导率和溶解氧明显减少，下降率分别为32.4%和9.5%，冰灾后地表水的自净作用进行速度缓慢，若不及时排除，容易引起厌气菌繁殖活跃，有机物发生腐败作用，会使地表水发生臭气(中国医学科学院卫生研究所，1983)。

由于雨雪冰冻天气，使大气降水进入栾树杜英混交林生态系统，土壤中的水分增加，冰灾后林内土壤的平均含水量比冰灾前增加25.0%。土壤中速效性养分N、P、K含量，冰灾后比冰灾前减少22.4%~74.0%；大量元素全P、全K含量冰灾后比冰灾前增加32.0%~34.1%，而全N、Ca、Mg含量则冰灾后比冰灾前减少13.4%~23.5%；微量元素Cu、Pb、Co含量表现为冰灾后较冰灾前增加16.0%~366.5%，Fe、Zn、Mn、Cd、Ni含量为冰灾后较冰灾前减少5.8%~51.6%。表明冰冻灾害天气导致土壤温度随之变化，而土壤养分转化的生物学过程和化学过程是受控于土壤温度变化所制约的(侯光炯等，1980)。

水是植物生活环境中最重要的因子之一，是植物进行细胞分裂、生长、气体交换和利用光能等各种生理活动的必要条件(王沙生等，1979；潘瑞炽等，1995；Lambers et al., 2005；Kocheva et al., 2005)。生命活动旺盛的组织含水量往往都比较高的，且养分元素是以水溶剂进入植物体并在植物体内运输。冰冻灾害后，栾树和杜英的枝、叶、干含水量减少28.6%~78.5%(Margesin et al，2007)，导致养分元素含量发生变化，其中树干除K和Fe外，其余N、P、Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co的含量，冰灾后比冰灾前增加1.3%~408.3%；树枝和树叶中，大量元素除N和Ca外，其余P、K、Mg含量冰灾后较冰灾前减少0.6%~82.4%，微量元素Cu、Fe、Zn、Mn、Cd、Ni、Pb、Co含量，冰灾后较冰灾前增加19.2%~300.2%。上述表明：冰灾前，林木的枝、叶、干中含水量充足，养分元素运转正常，使其含量低于冰灾后；而冰灾后，林木枝、叶、干中含水量明显降低，养分元素的运输速度滞缓不正常，甚至产生滞留现象，导致多数元素含量高于冰灾前。

在林地地面上的死地被物养分含量中，K、Mg在各组分(未分解、半分解、已分解)的含量为冰灾后明显降低34.2%~77.9%，表明死地被物经分解和淋溶，使这部分元素在冰灾前就逐渐被释放而进入土壤；Cu、Fe、Mn、Ni、Co含量在冰灾后增加6.5%~138.8%，表明这些养分元素为重金属元素，难于分解和淋溶，加之冰冻期间土壤温度低，分解和淋溶作用更不畅，而沉积于地被物中。

2008年初雨雪冰冻天气，使我国南方地区遭受了百年一遇的重大冰冻灾害，其结果对森林生态系统的破坏和影响较大，损失惨重。对此毫无准备，认识不足，冰灾后，立即抢测部分科研数据。本文仅从实测结果进行归纳、总结与分析，像类似突如其来的雨雪冰冻灾害产生对森林生态系统影响的文献报导在国内外尚少，因此，尚待进一步研究突发性的恶劣环境因子对植物生命活动的影响，以及植物对它们的抗御能力及反馈机理。