青檀(Pteroceltis tatarinowii)为榆科青檀属落叶乔木, 是我国特有的纤维树种和三级重点保护植物。在其天然分布区, 青檀多生于石灰岩山地, 对钙质土壤适应性很强, 为钙质土壤的重要指示植物和石灰岩山地优良的造林绿化树种。青檀枝干的韧皮纤维(檀皮)是制造宣纸的主要原料; 木材坚硬可用于家具、细木工及搪材; 叶中粗蛋白含量高达19.43%, 并含有17种氨基酸和多种微量元素, 是一种理想的营养型饲料添加剂, 可作为饲料工业原料进行开发(丁佐龙等, 1997)。青檀造林只要措施得当, 抚育及时, 定植3a后便可割条取皮, 经营较好的青檀人工林, 其经济效益是同期种植杉木(Cunninghamia lanceolata)的2倍多(方升佐, 1996)。因此, 发展青檀人工林是改善生态环境、增加当地农民收入、促进山区脱贫致富的重要途径之一。近年来, 许多学者对青檀种子活力、幼年期生长、叶生理特性、育苗方式和叶的营养成份做了一些研究(姜立烳等, 1992;刘桂华, 1996;方升佐, 1996;丁佐龙等, 1997;方升佐等, 1998), 但对青檀人工林生物生产力和檀皮质量影响方面涉及较少。宣纸以其质地上乘、宜书宜画、能独到地体现中华民族的文化特色而赢得了“纸中之王”、“纸寿千年”等美誉。建国以来, 我国宣纸生产规模发展很快, 产量约增加了40倍以上, 产品达100多个品种(曹天生, 1993)。但是, 檀皮这一独特的宣纸原料日益不能满足造纸工业的要求, 檀皮质量参差不齐, 影响了宣纸的生产规模和产品质量。目前宣纸市场竞争激烈, 为了提高产品质量, 生产厂家在收购生产原料时, 都要求采购生长在石灰岩山地上的檀皮, 这说明生境对檀皮质量有显著影响。北京轻工业学院刘仁庆等对宣纸的耐折度、撕裂度(1986)及润墨性(1985)等的研究结果表明, 宣纸润墨性好、耐久性佳与檀皮质量有关, 特别是润墨性与青檀皮细胞壁上皱纹间积留有CaCO₃有关。深入研究青檀的栽培、生长环境和砍伐技术, 对于宣纸生产发展具有重要意义。本文主要调查研究了立地条件对青檀檀皮中矿质元素含量的影响, 旨在为今后青檀人工林经营、管理和发展提供理论依据。

1 调查区概况

调查区位于安徽省泾县和青阳县。地理位置为东经118°0′~118°40′, 北纬30°20′~30°50′, 处中亚热带北部, 属亚热带湿润季风气候区, 气候温暖、雨量充沛、四季分明, 光照充足。年平均气温15℃, 年降水1300~1600 mm, 全年蒸发量1400~1600 mm。无霜期230 d左右, 相对湿度约79%, 太阳辐射总量为115.4~119.4 kcal·cm^-2, 年日照时数在2000h以上, 日照率为42%~49%, ≥0℃年积温5699.3℃, ≥10℃的年积温4954.4℃; 调查地海拔为100~600 m。青阳县标准地土壤均为钙质土, 且石灰岩裸露。泾县标准地土壤母质类型相对复杂, 成土母岩有千枚岩、石灰岩、板岩、砂岩等。

2 研究方法 2.1 标准地调查

依据青檀人工林栽培面积、成土母质确定调查数量, 共调查标准地33块。标准地大小按条墩数控制, 一般为100墩, 测定条墩间的株行距, 然后测算面积。对标准地上条墩及每条墩萌条数进行统计, 并测定条墩基部直径、条墩年龄、萌条长、萌条基径和生物量。青檀人工林轮伐期一般为3 a, 对3 a生萌条调查时按1 a、2 a、3 a生部位截取并取檀皮、木质部、叶, 实测木质部、檀皮和叶鲜重。在实验室用65℃烘至恒定质量后测干物质质量。

2.2 土壤调查及土壤样品分析

土壤调查及样品采集在青檀人工林标准地上进行。表土和剖面土取样、处理及分析采用常规方法(南京农业大学主编, 1986)。土壤有机质测定用重铬酸钾-硫酸氧化法; 以开氏法测定全N量; 土壤有效P以0.5mol·L^-1NaHCO₃溶液提取, 钼锑抗试剂显色, 用分光光度计测定; 土壤速效K采用火焰光度法测定; 采用快速滴定法测定全Ca、Mg量, 土样经浸提处理后, 测定交换性Ca、Mg量; 全B量测定采用碳酸钠融熔——姜黄素比色法; 全Cu、Zn、Mn、Mo元素采用HClO₄-HNO₃-HF酸消化, 然后用等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定; 有效Cu、Zn测定时应先消煮, 并用0.1 mol·L^-1HCl浸提, 然后以ICP-AES测定; 土壤pH值以pH计测定。

2.3 青檀样品的采集与分析

结合标准地调查, 于1999-08对调查区域的四种成土母岩即板岩、千枚岩、砂岩和石灰岩上生长的青檀人工林, 根据萌条年龄进行檀皮、木质部和叶取样, 以分析不同母岩和萌条年龄叶、木质部和檀皮中元素的变化及其与母岩的关系。植物样品在野外用90℃烘30 min进行杀青, 采回后再在烘箱内用65℃烘24 h。称重后一部分样品进行磨细过筛, 用于元素分析(南京农业大学主编, 1986;北京造纸研究所编, 1978)。

植物样品经处理后进行大量元素(N、P、K、Ca、Mg)及Cu、Zn、B、Mn、Mo 5种微量元素分析。植物样品中全量N、P、K, 用H₂SO₄-H₂O₂消煮法对样品进行了消煮, 然后用蒸馏法测定植物N全量, 用钼锑抗比色法测定P全量, 用火焰光度法测定K的全量; 消煮后的植物样品, 用1 mol·L^-1 HCl浸提法测定植物组织中Ca、Mg; 植物样品中B元素测定是在干灰化后有HCl溶样、姜黄素比色法测定; Cu、Zn、Mn、Mo等元素采用HClO₄-H₂SO₄消化法消化样品后, 以ICP-AES测定。

3 结果与讨论 3.1 成土母质对青檀檀皮中大量元素含量的影响

经实验室测定分析, 檀皮中大量元素N、P、K、Ca和Mg含量结果见图 1和图 2。由图 1可以看出, 4类不同母岩(板岩、千枚岩、砂岩和石灰岩)所发育土壤上生长的青檀檀皮中N元素含量存在一定差异, 以生长在砂岩上的最高, 千枚岩最低。从不同年龄檀皮中N含量看, 1a生、2a生、3a生檀皮中N元素含量分别为5.46~7.12g·kg^-1、4.90~6.78g·kg^-1、4.43~6.19g·kg^-1, 即不同年龄檀皮中N含量为1a生 > 2a生 > 3a生。

不同母岩上生长的青檀檀皮中P元素含量变化较大, P元素平均含量, 亦以生长在砂岩上的最高, 石灰岩、板岩和千枚岩上基本接近。从不同年龄檀皮中P含量看, 1a生、2a生、3a生檀皮中P元素含量分别为0.71~0.97 g·kg^-1、0.63~1.06 g·kg^-1、0.43~1.06 g·kg^-1。同一母岩上1 a、2 a和3 a萌条檀皮中P元素含量没有一定的变化规律。

不同母岩土壤上生长的青檀檀皮中K元素存在一定差异, 但3个年龄段檀皮中平均K元素含量在石灰岩、砂岩、板岩和千枚岩上差异不大。1 a生、2 a生、3 a生檀皮中K元素含量分别为12.12~14.04 g·kg^-1、10.40~11.28 g·kg^-1、9.66~10.60 g·kg^-1。同一母岩上不同年龄段檀皮中K元素比较结果为1 a生 > 2 a生 > 3 a生。

图 2展示了3a生檀皮中Ca、Mg元素在成土母质为板岩、石灰岩和千枚岩上的含量情况。3a生时, 檀皮中Ca含量为石灰岩 > 千枚岩 > 板岩, 石灰岩上生长的青檀皮中Ca含量达17.3g·kg^-1, 分别是千枚岩和板岩上青檀皮中Ca的1.48倍和1.72倍; 檀皮中Mg元素含量则是石灰岩 > 板岩 > 千枚岩, 石灰岩上生长的青檀皮中Mg为5.5g·kg^-1, 分别是千枚岩和板岩上青檀皮中Mg的1.68倍和1.57倍。上述结果均表明石灰岩所发育土壤上生长的青檀檀皮中Ca、Mg含量较高。现有的研究结果表明, 檀皮质量的高低与檀皮中矿质元素含量, 特别是Ca的含量密切相关(刘仁庆等, 1985;曹天生, 1993), 为此还比较了不同萌条年龄檀皮中Ca含量及其在其它各生物组分中的含量(图 3)。随着萌条年龄增大, 檀皮及木质部中Ca含量逐渐提高, 其中3 a生檀皮及木质部中Ca含量分别约为1 a生的2倍和1.8倍; 4 a生檀皮及木质部中Ca含量均为1 a生的2.3倍。

3.2 成土母质对青檀檀皮中微量元素含量的影响

对调查区域的3种土壤(母岩为板岩、千枚岩和石灰岩)上生长的3 a生青檀人工林檀皮Cu、Zn、Mn、Mo和B含量进行了分析, 分析结果见图 4。表明檀皮中微量元素的含量以Mn元素最高, B次之, Mo含量最低。其中, 檀皮中Cu元素含量为石灰岩 > 板岩 > 千枚岩, 生长在板岩和千枚岩上的檀皮Cu含量分别为石灰岩上的83.3%和67.4%;檀皮中Zn元素含量为石灰岩 > 板岩 > 千枚岩, 在板岩和千枚岩上的檀皮Zn含量分别仅为石灰岩上的33.8%和24.7%;而檀皮中Mn元素含量则为千枚岩 > 板岩 > 石灰岩, 板岩和千枚岩上的檀皮Mn含量分别为石灰岩上的198.8%和291.7%;檀皮中Mo元素含量为板岩 > 石灰岩 > 千枚岩, 板岩和千枚岩上的檀皮Mo含量分别为石灰岩上的138.0%和58.3%;檀皮中B元素含量为板岩 > 石灰岩 > 千枚岩, 板岩和千枚岩上的檀皮B含量分别为石灰岩上的105.1%和92.6%。上述结果表明, 微量元素中Cu、Zn元素在以石灰岩为成土母质的青檀檀皮中含量最高, 而Mo和B元素则以板岩类土壤上青檀檀皮中含量最高。在不同土壤(母岩)上生长的檀皮除Mn、Zn外, 其檀皮内相同微量元素含量差异不显著, 这可能与土壤中元素的有效量有关。

3.3 土壤pH值对青檀檀皮中矿质元素含量的影响

在所调查的标准中(33块), 选择萌条年龄相同, 但pH值不同的标准地, 按pH值大小归类(即酸性、中性和碱性)以分析土壤pH值对青檀檀皮中矿质元素含量的影响(表 1)。

从不同pH值土壤中各元素含量可以看出, 无论是全Ca、全Mg还是交换性Ca和交换性Mg含量, 均在碱性土壤中最高; 中性土壤中全B含量最高; 酸性土壤中全Mo含量最高。而钙质土的全Mn、全Cu和有效Cu、全Zn和有效Zn含量最高。在土壤中Cu、Zn含量都低于土壤缺乏临界值1.90mg·kg^-1和1.00mg·kg^-1, 土壤中不缺Mn元素。

从不同pH值土壤中生长的青檀檀皮中矿质元素含量看, Ca、Mg、B和Cu含量为碱性土壤 > 中性土壤 > 酸性土壤, 但Ca、Mg含量在碱性土壤与中性土壤中差异不明显; Mo、Zn含量为中性土壤 > 碱性土壤 > 酸性土壤; Mn含量为酸性土壤 > 中性土壤 > 碱性土壤。

相关分析结果表明, 只有酸性土壤上生长的檀皮, 其元素含量与土壤元素全量或有效量之间都达到极显著相关(α=0.01), 中性及碱性土壤元素与檀皮元素含量之间未达到显著水平。

青檀适生于石灰岩山地, 是钙质土壤的指示植物。因而对石灰岩山地土壤及青檀样品单独进行分析。分析结果表明石灰岩山地土壤中元素全量含量排序为Mg > Ca > Mn > Zn > B > Cu > Mo; 土壤中4种元素有效含量结果为Ca > Mg > Cu > Zn; 从植物对微量元素的需求来看, 石灰岩土属于缺乏Cu、Zn元素的土壤(低于缺乏临界值Cu1.9 mg·kg^-1, Zn1.0 mg·kg^-1)。石灰土上生长的青檀, 檀皮中元素含量大小为Ca > Mg > B > Zn > Mn > Cu > Mo。通过比较发现, 石灰岩土壤中的Ca、Mg元素无论是全量还是交换量都较高, 而檀皮中Ca、Mg量也较高, 说明檀皮有累积Ca、Mg元素的特性。石灰土上生长的青檀, 其檀皮中的Ca量比其它树种如杨树、辐射松(Pinus radiata)及马尾松(P.massoniana)、湿地松(P.elliotti)等同一器官中的钙量高出3~10倍(程彤, 1997;Fang et al., 1999)。

3.4 青檀地上部分各组分矿质元素含量间的相关关系

檀皮中Ca含量变化对宣纸质量有一定影响(刘仁庆, 1985)。分析结果表明, 由于立地条件和萌条年龄不同, Ca在檀皮中含量范围是6.37~17.22 g·kg^-1, 在木质部中为0.91~2.54 g·kg^-1, 在叶中为15.94~30.74 g·kg^-1, Ca含量在地上部分各组分的分布规律为叶 > 檀皮 > 木质部。用33块标准地的分析资料, 对檀皮与木质部中的Ca含量进行相关分析时, 发现它们之间显著相关, 相关系数达到0.9以上(表 2), 说明Ca在檀皮中累积的同时也在木质部中累积。但叶Ca含量与檀皮Ca含量之间相关性不强, 相关系数仅为0.367。檀皮中Ca含量与木质部中Mg含量也存在正相关关系(r=0.779), 与青檀叶中Mo含量成负相关关系(r=-0.805), 而与其它元素相关性均未达到显著水平(α=0.05)。

由表 2还可以看出, 檀皮中Mg含量与木质部中Mg、Ca含量存在明显正相关(r≥0.846), 而与青檀叶中Mo含量成负相关(r=-0.772);檀皮中B含量与木质部中各元素含量相关性较弱, 而与青檀叶中Cu含量成正相关(r=0.791);檀皮中Cu含量与木质部中Zn含量存在明显负相关(r=-0.754), 而与青檀叶中Cu含量成显著正相关(r=0.842);檀皮中Mn含量与木质部中Mn含量及叶Mn含量存在明显正相关(r > 0.80), 而与青檀叶中Zn含量成负相关(r=-0.80);檀皮中Zn含量与木质部中的元素含量不存在明显相关关系, 但与青檀叶中Zn含量呈正相关(r=0.723);檀皮中Mo含量与青檀叶中Mg、Ca含量存在明显负相关(|r|≥0.819), 而与木质部中各元素含量相关性不强。表 2仅说明了地上部分各组分元素间的相关分析结果, 造成这种结果的原因有待于进一步分析探讨。

4 小结

4类不同母岩(板岩、千枚岩、砂岩和石灰岩)所发育土壤上生长的青檀檀皮中N、P和K元素含量存在一定差异(3个年龄段的平均值), N、P含量均以生长在砂岩上的最高, 而檀皮中平均K含量在石灰岩、砂岩、板岩和千枚岩上差异不显著。不同年龄段檀皮中N、K含量为1a生 > 2a生 > 3a生, 但同一母岩上1、2和3a生萌条檀皮中P元素含量没有一定的变化规律。

3a生檀皮中Ca、Mg元素在成土母质为板岩、石灰岩和千枚岩上的含量情况是:檀皮中Ca含量为石灰岩 > 千枚岩 > 板岩, 石灰岩上生长的青檀皮中Ca含量达17.3 g·kg^-1, 分别是千枚岩和板岩上青檀皮中Ca的1.48倍和1.72倍; 檀皮中Mg元素含量则是石灰岩 > 板岩 > 千枚岩, 石灰岩上生长的青檀皮中Mg为5.5 g·kg^-1, 分别是千枚岩和板岩上青檀皮中Mg的1.68的倍和1.57倍。随着萌条年龄增大, 檀皮及木质部中Ca含量逐渐提高, 其中3 a生檀皮及木质部中Ca含量分别约为1a生的2倍和1.8倍; 4 a生檀皮及木质部中Ca含量均为1 a生的2.3倍。

对3种土壤(母岩分别为板岩、千枚岩和石灰岩)上生长的青檀人工林檀皮中Cu、Zn、Mn、Mo和B含量分析表明, 在萌条为3a生的檀皮中微量元素的含量以Mn元素最高, B次之, Mo含量最低。Cu、Zn元素在以石灰岩为成土母质的青檀檀皮中含量最高, 生长在板岩和千枚岩上的檀皮Cu含量分别为石灰岩上的83.3%和67.4%, Zn含量分别仅为石灰岩上的33.8%和24.7%;而Mo和B元素则以板岩类土壤上青檀檀皮中含量最高。在不同土壤(母岩)上生长的檀皮除Mn、Zn外, 其檀皮内同一种微量元素含量差异不显著。

从不同pH值土壤中各元素含量可以看出, 无论是全Ca和全Mg还是交换性Ca和交换性Mg的含量, 碱性土壤中最高; 中性土壤中全B含量最高; 酸性土壤中全Mo含量最高, 而钙质土的全Mn、全Cu和有效Cu、全Zn和有效Zn含量最高。从不同pH值土壤中生长的青檀檀皮中矿质元素含量看, Ca、Mg、B和Cu含量为碱性土壤 > 中性土壤 > 酸性土壤, 但Ca、Mg含量在碱性土壤与中性土壤中差异不明显; Mo、Zn含量为中性土壤 > 碱性土壤 > 酸性土壤; Mn含量为酸性土壤 > 中性土壤 > 碱性土壤。青檀地上部分各组分矿质元素间的相互关系较为复杂, 但檀皮中Ca、Mg含量与木质部中Ca、Mg含量呈明显正相关。