Effects of short-term application of sludge products on migration and accumulation of mercury in soil-Styphnolobium japonicum system
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摘要:目的
研究城镇生活污泥产品中重金属汞（Hg）在土壤–国槐树体中的迁移和积累，探讨国槐幼苗对Hg胁迫的响应机制，明确污泥产品在国槐幼苗抚育方面的应用潜力。
方法以国槐幼苗为研究对象，通过盆栽试验，设置3个污泥使用量梯度（0、2、4 kg/m2）和4个取样时间（40、80、120、160 d），将处理分为移栽国槐组和纯土壤组，探究土壤Hg含量的动态变化，进一步研究Hg在国槐根系和叶片的富集迁移规律、亚细胞分布特点及赋存形态。
结果（1）随污泥产品使用时间增加，土壤Hg含量显著降低，在种植国槐植株土壤中添加污泥产品，短期内土壤Hg含量显著低于纯土壤。（2）污泥产品用量、取样时间及其交互作用均对国槐根和叶中的Hg含量有显著影响。污泥施用40和160 d国槐根系和叶片对Hg的吸收显著高于未施污泥组，使用污泥产品前期会促进Hg在根、叶间的转移，后期抑制。污泥产品的低施用量可以显著增加国槐生物量从而提高对Hg的积累量。（3）在国槐根、叶中，Hg主要分布在细胞壁和可溶性组分中，两者总占比超过90%。（4）国槐根系和叶片中Hg的残渣态占比最大，分别占比57.2% ~ 59.7%和52.6% ~ 69.0%。
结论国槐可以应对低施用量污泥产品带来的Hg胁迫，主要途径为细胞壁固定、液泡区隔化以及将Hg转化为低活性形态贮存。
Abstract:ObjectiveThis paper aims to investigate the migration and accumulation of heavy metal mercury (Hg) in the soil-Styphnolobium japonicum system from sludge products in urban life, so as to explore the response mechanism of S. japonicum seedlings to Hg stress, and to clarify the application potential of sludge products in cultivation of S. japonicum seedlings.
MethodThe study focused on S. japonicum seedlings, employing a pot experiment to establish three gradients of sludge application rates (0, 2, and 4 kg/m2) and four sampling times (40, 80, 120, and 160 d). The treatments were divided into a transplanted S. japonicum group and a pure soil group to explore the dynamic changes in soil Hg content. The study further investigated the enrichment and migration patterns of Hg in the roots and leaves of S. japonicum, as well as the characteristics of subcellular distribution and the forms of existence.
Result(1) With the increase in the duration of sludge product application, the soil Hg content significantly decreased. In the soil planted with S. japonicum, the addition of sludge products resulted in significantly lower Hg content compared with pure soil in short term. (2) The amount of sludge product, sampling time, and their interaction all significantly affected the Hg content in the roots and leaves of S. japonicum. At 40 and 160 d, the application of sludge products significantly promoted the absorption of Hg by roots and leaves of S. japonicum. The use of sludge products in early stage can promote the transfer of Hg between roots and leaves, while in the later stage, it inhibited it. A low application rate of sludge products can significantly increase the biomass of S. japonicum, thereby increasing the accumulation of Hg. (3) In the roots and leaves of S. japonicum, Hg was mainly distributed in cell wall and soluble fractions, with a combined proportion exceeding 90%. (4) The residual form of Hg in roots and leaves of S. japonicum accounted for the largest proportion, with a range of 57.2% to 59.7% and 52.6% to 69.0%, respectively.
ConclusionS. japonicum can cope with the Hg stress brought by low application rates of sludge products, mainly through the pathways of cell wall fixation, vacuolar compartmentalization, and the transformation of Hg into a low-activity form for storage.
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Keywords:
- sewage sludge /
- Styphnolobium japonicum /
- Hg /
- subcellular distribution /
- chemical form
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森林的枯落物层和土壤层是森林水文循环中至关重要的组成部分，它们共同发挥着水源涵养和水土保持的关键作用[1−2]。枯落物层是指树木和林下灌草凋落或者死亡产生的茎、叶、枝、花及果实等的总称，具有减少水分蒸发、涵养水源、净化水质、截留降水、维持地温、拦截泥沙等功能[3]。土壤层在调节径流、促进入渗和保持降水方面发挥着关键作用，同时它也是维持大气、植被与土壤间动态平衡的重要介质。作为森林生态系统中蓄水和保持水分的核心组成部分，土壤层对于维持生态平衡和水资源的可持续利用至关重要[4−5]。孙拥康等[6]发现混交经营模式下枯落物层和土壤层水文性能优于纯林；郭建军等[7]以3种针叶林为研究对象，发现华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）林水源涵养能力优于樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）林和油松（Pinus tabuliformi）林，土壤层持水能力比枯落物更强。牛勇等[8]比较八达岭林场不同树种、不同密度、不同立地条件下枯落物层水文效应得出森林的水文性能受树种、海拔、密度、坡向等因素的影响。也有研究[9−10]指出不同造林树种影响枯落物的分解过程和枯落物层对土壤层的输入过程，从而影响土壤理化性质与土壤水源涵养能力。上述研究表明，森林枯落物层和土壤层水文效应受时空特征和环境异质性的影响，如气候、地形、降水、林分组成等诸多因素[11−14]。因此，深入研究生物学特性不同的纯林和混交林的枯落物层和土壤层水源涵养能力，对厘清森林生态系统的水文调节功能具有重要意义。
坝上地区位于内蒙古高原到华北平原的过渡带，地处华北西北部，是维护京津冀生态安全的重要屏障。在20世纪70—90年代，为改变生态环境，坝上营造了以樟子松和小叶杨（Populus simonii）为代表树种的防护林工程，此工程是“三北”防护林工程的重点地带，在防治“三北”地区沙尘暴、涵养水源、改善农业环境、提高粮食产量等发面发挥了重要作用[15]。前人对森林水源涵养功能的研究多集中在密度、林龄、林分类型、间伐强度、海拔等方面[16−17]，近年来研究者的重点逐渐趋向于多个林分结构指标与水源涵养功能的关系[18−19]。在此基础上，本文以坝上地区华北落叶松林、樟子松林、樟子松华北落叶松混交林为研究对象，调查比较不同防护林枯落物层和土壤层水源涵养能力，利用冗余分析（redundancy analysis，RDA）方法构建多个林分结构指标与枯落物层、土壤层水源涵养能力的关系，旨在为坝上地区防护林水源涵养和减缓水土流失提供科学参考，也为坝上地区防护林后期抚育管理及优化提供指导思路。
1. 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
研究区位于河北省围场县御道口林场（42°12′29″ ~ 42°19′27″N，116°58′52″ ~ 117°13′03″E），属寒温带大陆性季风高原气候，气温常年偏低，年平均气温5 ℃，日照时数2 899 h，年降水量460 mm，年潜在蒸发量2 438 mm（图1）。土壤类型分为灰色森林土、风沙土、草甸土和沼泽土4个类型。该地区风沙频繁，年平均风速3.4 m/s，每年风力等级达到6级以上的天数为50 ~ 70 d。常见乔木有樟子松、华北落叶松、小叶杨、榆树（Ulmus pumila）等。主要灌木有沙棘（Hippophae rhamnoides）、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）等。草本植物有白茅（Imperata cylindrica）和尖裂假还阳参（Crepidiastrum sonchifolium）等[20]。
1.2 样地调查
2022年7月对御道口林场全面踏勘后，选取立地条件（坡度、坡向、坡位和海拔）相似且具有代表性的樟子松林、华北落叶松林以及采用行带混交方式（樟子松与华北落叶松比为2∶1，混交造林时华北落叶松和樟子松苗木平均年龄均为3年）的樟子松华北落叶松混交林样地共30块，标准样地面积为20 m×20 m，样地海拔、土壤类型、林分起源、林下植被等信息详见表1。对样地内所有树木进行每木检尺，记录其胸径、树高和林龄等信息。在样地内沿对角线选择3个1 m×1 m的样方，在保持枯落物原状不变的情况下，用钢尺对样方内的枯落物未分解层厚度和半分解层厚度进行测量，并用小铲将同一样方内的枯落物分层取回。在标准样地内沿对角线在样地中挖掘3个土壤剖面，用100 cm3的环刀按照土层0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60 cm分层取样。
表 1 典型防护林样地基本特征Table 1. Basic characteristics of sample plots in typical protective forests项目 Item 樟子松林
Pinus sylvestris
var. mongolica forest华北落叶松林
Larix principis-
rupprechtii forest樟子松华北落叶松混交林
Pinus sylvestris var. mongolica and
Larix principis-rupprechtii mixed forest样地数量 Number of sample plot 10 10 10 林分密度/（株·hm−2）
Stand density/（tree·ha−1）1 833.00 ± 276.51a 1 583.00 ± 554.71a 1 766.00 ± 475.88a 平均林龄/a Average stand age/year 15.33 ± 2.17a 18.67 ± 2.08a 20.33 ± 2.52a 株距 Plant space/m 2.17 ± 0. 53a 3.42 ± 0.68a 2.37 ± 0.37a 行距 Row space/m 2.22 ± 0.45a 3.51 ± 0.57a 2.12 ± 0.44a 林分起源 Stand origin 人工林 Plantation 人工林 Plantation 人工林 Plantation 坡度 Slope/(°) 8 8 12 坡向 Aspect 阳坡 Sunny slope 阳坡 Sunny slope 阳坡 Sunny slope 坡位 Slope position 中坡位 Mid-slope position 中坡位 Mid-slope position 中坡位 Mid-slope position 海拔 Elevation/m 1402 1402 1366 灌木组成 Shrub composition 柠条锦鸡儿 Caragana korshinskii 柠条锦鸡儿 Caragana korshinskii 柠条锦鸡儿 Caragana korshinskii 林下灌木覆盖率
Understory shrub coverage/%27.00 ± 3.29a 23.54 ± 1.35a 13.18 ± 1.56a 林下草本覆盖率
Understory herb coverage/%27.60 ± 1.77a 35.47 ± 3.69a 30.18 ± 2.96a 草本组成
Herbal composition白茅 Imperata cylindrica、
细叶韭 Allium tenuissimum、
瓣蕊唐松草 Thalictrum petaloideum、
路边青 Geum leppicum蛇含委陵菜 Potentilla kleiniana、
老鹳草 Geranium wilfordii、
白茅 Imperata cylindrica、
细叶韭 Allium tenuissimum老鹳草 Geranium wilfordii、
蛇含委陵菜 Potentilla kleiniana、
猪毛蒿 Artemisia scoparia、
白茅 Imperata cylindrica注：表中数据为平均值±标准误，不同小写字母表示不同林分类型间差异显著（P < 0.05）。下同。Notes: data in the table are mean ± standard error, and different lowercase letters indicate significant differences (P < 0.05) between varied stand types. Same as below. 1.3 指标测定
1.3.1 枯落物层水文效应
将收集的枯落物样品称质量，并在80 ℃烘箱中烘干至质量恒定，将干燥后的枯落物样品装入尼龙网袋中，后将其完全浸入水中浸泡24 h后取出，将水分控干后立即称质量。
M=m1100A (1) S=(m24−m1)×1A (2) R=(m2−m1)/m1×100% (3) W=M×(0.85R24−R) (4) 式中：M为枯落物蓄积量（t/hm2），m1、m2、m24分别为枯落物鲜质量（g）、烘干质量（g）和吸水24 h质量（g）；A为枯落物面积（m2）；S为最大持水量（t/hm2）；R和R24分别是含水率和最大持水率；W为有效拦蓄量（t/hm2）。
1.3.2 土壤层水文效应
将带土环刀在水中浸泡12 h使其达到饱和后称质量，以计算土壤最大持水量。随后将环刀放在沙表面使土壤孔隙水排出，在置沙2 h和置沙48 h之后称其质量，分别计算土壤毛管持水量和田间持水量。具体参照《森林土壤样品的采集与制备》（LY/T 1210—1999）和《森林土壤水化学分析》（LY/T 1275—1999）。
Smax=(m12−N)/(N−n)×100% (5) Sc=(m48−N)/(N−n)×100% (6) Smin=(m2−N)/(N−n)×100% (7) 式中：Smax、Sc、Smin分别为最大持水量（%）、田间持水量（%）和毛管持水量（%）；N、n分别是环刀加干土质量（g）、环刀质量（g）；m12、m48、m2分别是浸泡12 h、置沙48 h、置沙2 h带土环刀质量（g）。
1.4 数据处理
所有绘图与统计分析均在R 4.3.2.中完成。应用“ggplot2”包绘图，应用“stats”包进行单因素方差分析（analysis of variance，ANOVA），由“vegan”包实现林分结构与水源涵养功能的冗余分析。冗余分析前对影响因子进行共线性诊断，均通过（VIF < 10），并对后续分析结果进行蒙特卡洛置换检验，以检验各解释变量的显著性。
2. 结果与分析
2.1 林分结构特征
3种防护林的树高、胸径、郁闭度的大小均为樟子松林 > 华北落叶松林 > 樟子松华北落叶松混交林，且樟子松林的树高、胸径显著大于其他两种防护林，郁闭度显著大于樟子松华北落叶松混交林（图2）。叶面积指数（leaf area index，LAI）、密度和林龄无显著性差异（表1，图2），LAI均值变化范围2.21 ~ 2.58，密度的均值变化范围在1 583 ~ 1 833株/hm2，平均林龄变化范围在15.33 ~ 20.33年。
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图 2 不同防护林的林分结构特征F1~F3分别为樟子松林、华北落叶松林和樟子松华北落叶松混交林。 F1−F3 indicate Pinus sylvestris var. mongolica forest, Larix principis-rupprechtii forest, Pinus sylvestris var. mongolica and Larix principis-rupprechtii mixed forest, respectively.Figure 2. Characteristics of stand structure of different protective forests2.2 枯落物层和土壤层水源涵养功能
将未分解层和半分解层的枯落物相加得到总枯落物量（表2）。3种防护林枯落物厚度从大到小依次为樟子松华北落叶松混交林、樟子松林和华北落叶松林，枯落物有效拦蓄量从大到小依次为樟子松华北落叶松混交林、华北落叶松林和樟子松林。枯落物最大持水率从大到小依次为华北落叶松林、樟子松华北落叶松混交林和樟子松林。不同林分在蓄积量和枯落物最大持水量方面均无显著差异。
表 2 不同林分类型枯落物蓄积量和持水特征Table 2. Accumulation and water holding characteristics of litter in different forest types林分类型
Stand type枯落物层
Litter layer厚度
Thickness/cm蓄积量/（t·hm−2）
Volume/（t·ha−1）枯落物最大持水量/（t·hm−2）
Max. water holding
capacity of
litter/（t·ha−1）最大持水率
Max. water
holding rate/%有效拦蓄
量/（t·hm−2）
Effective storage
capacity/（t·ha−1）樟子松林
Pinus sylvestris
var. mongolica forest未分解层
Undecomposed layer1.67 ± 0.29a 8.89 ± 3.16a 18.07 ± 6.36a 203.32 ± 28.00b 13.84 ± 2.92a 半分解层
Semi-decomposed layer0.77 ± 0.25a 16.39 ± 6.59a 31.58 ± 3.68a 177.22 ± 19.67b 19.26 ± 1.16b 总枯落物层
Total litter layer2.44 ± 0.05b 25.28 ± 2.92a 49.65 ± 9.97a 190.27 ± 5.25b 33.10 ± 3.35b 华北落叶松林
Larix principis-
rupprechtii forest未分解层
Undecomposed layer0.77 ± 0.25b 5.02 ± 1.41a 12.72 ± 3.68a 252.48 ± 17.23a 9.79 ± 2.84a 半分解层
Semi-decomposed layer1.50 ± 0.30a 12.35 ± 2.34a 34.20 ± 8.24a 239.35 ± 27.94a 25.89 ± 2.09a 总枯落物层
Total litter layer2.27 ± 0.06b 17.37 ± 2.85a 46.92 ± 9.30a 245.92 ± 6.13a 35.68 ± 2.88ab 樟子松华北落叶松
混交林
Pinus sylvestris var.
mongolica and
Larix principis-
rupprechtii
mixed forest未分解层
Undecomposed layer1.93 ± 0.51a 11.76 ± 4.87a 20.50 ± 5.50a 265.45 ± 7.26a 15.19 ± 4.28a 半分解层
Semi-decomposed layer1.50 ± 0.50a 15.59 ± 5.82a 40.55 ± 2.10a 222.54 ± 13.66a 27.77 ± 4.25a 总枯落物层
Total litter layer3.43 ± 0.12a 27.35 ± 1.17a 61.05 ± 5.84a 244.00 ± 9.04a 42.96 ± 6.00a 0 ~ 60 cm土层中，土壤密度随深度加深而增加，土壤总孔隙度、土壤含水量、土壤最大持水量、田间持水量以及毛管持水量均随深度加深而减小。华北落叶松林的土壤密度在各土层中均为最小。3种防护林土壤含水量大小依次为为华北落叶松林（5.91 ± 1.14）% > 樟子松林（4.52 ± 1.22）% > 樟子松华北落叶松混交林（4.10 ± 1.08）%（图3）。0 ~ 30 cm土层土壤总孔隙度、土壤最大持水量、田间持水量、毛管持水量均表现为华北落叶松林 > 樟子松华北落叶松混交林 > 樟子松林，在30 ~ 60 cm土层为华北落叶松林 > 樟子松林 > 樟子松华北落叶松混交林。
2.3 林分结构与水源涵养功能的关系
林分结构与枯落物层水文效应的冗余分析结果表明（图4），林分结构解释了枯落物层水文效应变异的84.51%（P < 0.05）（图4a），解释土壤层水文效应变异的89.90%（P < 0.05）（图4b）。枯落物蓄积量与林分密度、树高、胸径、林龄、郁闭度、LAI等林分结构指标之间呈现正相关关系。在各影响因子中对枯落物层水文效应变异有显著性影响的是密度（F = 17.71，P < 0.01）和树高（F = 8.63，P < 0.05）（图4a，表3）。土壤最大持水量与树高、林龄、林分密度、胸径和郁闭度呈现正相关关系，与LAI呈负相关关系。对土壤层水文效应变异有显著性影响的是树高（F = 13.98，P < 0.01）和林龄（F = 5.82，P < 0.05）（图4b，表3）。
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图 4 林分结构与枯落物层、土壤层水文效应的冗余分析DEN.林分密度；TH.树高；DBH.胸径；Age.林龄；CAN.郁闭度；LAI.叶面积指数；d.枯落物厚度；V.蓄积量；Max-L.枯落物层最大持水量；Rate.最大持水率；ESC.有效拦蓄量；Max-S.土壤层最大持水量； FC.田间持水量；CC.毛管持水量。实线表示林分结构因子，虚线表示枯落物层和土壤层水文特征因子。DEN, stand density; TH, tree height; DBH, diameter at breast height; Age, stand age; CAN, canopy density; LAI, leaf area index; d, litter thickness; V, volume; Max-L, max. water holding capacity of litter layer; Rate, max. water holding rate; ESC, effective storage capacity; Max-S, max. water holding capacity of soil layer; FC, field holding capacity; CC, capillary water capacity. Solid lines indicate stand structure factors and dashed lines indicate individual hydrological characteristic factors of litter and soil layers.Figure 4. Redundancy analysis of hydrological effects in litter and soil layers with respect to each influencing factor表 3 林分结构对枯落物层和土壤层水文效应的解释率Table 3. Explanatory rate of stand structure for hydrological effects in litter and soil layers林分结构
Stand structure枯落物 Litter 土壤层 Soil layer 解释率 Explanatory rate/% F P 解释率 Explanatory rate/% F P 密度 Density 57.10 17.71 < 0.01 0.40 0.10 0.74 树高 Tree height 18.21 8.63 < 0.05 39.63 13.98 < 0.01 胸径 DBH 5.13 2.65 0.10 12.70 1.17 0.29 林龄 Forest age 1.55 0.64 0.47 16.26 5.82 < 0.05 郁闭度 Canopy density 0.47 0.35 0.62 15.47 4.73 0.06 叶面积指数 LAI 0.38 0.20 0.68 0.25 < 0.10 0.83 3. 讨 论
3.1 不同林分类型枯落物层水源涵养功能
枯落物层持水能力的大小不仅与枯落物总蓄积量、厚度以及分解程度有关，还与小气候、微生物、防护林类型以及林下植被分布有着密切关系[13]。其中枯落物最大持水量主要与蓄积量有关，而枯落物最大持水率主要与枯落物的分解程度有关[21]。在坝上地区的3种防护林中，樟子松华北落叶松混交林的枯落物厚度、最大持水量和有效拦蓄量均为最高。这可能是因为混交针叶树种的枯枝落叶中含有单宁、酚类、萜类等难以分解的物质[22]，也可能与混交林的堆叠方式有关，较为蓬松的堆叠方式可使林分的最大持水量增加[23]，因此樟子松华北落叶松混交林枯落物层的水源涵养能力表现出较为显著的优势。
3.2 不同林分类型土壤层水源涵养功能
土壤密度和土壤孔隙度是反映土壤水文物理特性的重要指标，分别影响着土壤紧实度和土壤透水通气性[24]。在0 ~ 60 cm土层，土壤密度随着土层的加深而增加，而土壤总孔隙度、土壤含水量、土壤最大持水量、田间持水量以及毛管持水量均随深度的增加而减小，这与兰道云等[25]研究结果一致。这可能是表层土壤容易受到风力侵蚀和水力侵蚀的影响，土壤孔隙较大，粒径相对较高[26]；也可能是因为枯落物分解后向土壤层输入有机质等化学物质，致使表层的土壤疏松，下层土壤紧实[27]。各土层土壤含水量都表现为华北落叶松林 > 樟子松林 > 樟子松华北落叶松混交林。这可能跟华北落叶松林根系发达，透水透气性较好有关[28−29]，也可能与新增枯落物厚度、通气透水性、土壤紧实程度等有关[30]。本研究中，3种防护林土壤持水量存在差异，随着土壤深度的加深均表现出减小的规律，在30 cm深度处其降低的趋势开始减小，30 cm土层向下，樟子松林的持水量逐渐大于樟子松华北落叶松混交林，这有可能与浅层土壤根系和微生物活动相关，也与枯落物对上层土壤结构的改善有关[24,31]。
3.3 林分结构与水源涵养功能的关系
合理的林分结构对提高森林生产力和森林生态系统服务功能具有重要意义[32−33]。由冗余分析可知，各林分结构指标与枯落物层、土壤层水文效应之间存在着紧密且复杂的关系。其中，树高和密度对枯落物层水文效应影响显著。因为树高和林分密度直接影响枯落物量，进而影响枯落物层的水文效应。另一方面，林分密度和树高直接影响林分结构，合理的林分结构能够营造出更好的生长空间，使得树木更有效地获取光照、水分和养分等资源，进而促进树木的生长发育[34]。在生长过程中，枯落物逐年累积，枯落物层的持水能力显著增强。这不仅有助于减少地表径流，降低水土流失的风险，还能够在干旱时期为森林生态系统提供重要的水分来源[2,18]。树高和林龄对土壤层水文效应的变异具有显著影响。这可能是因为较高的树木在水分截留方面发挥着重要作用，大量降雨被拦截在树冠表面，一部分水分沿树干流下或蒸发，减少了直接落到地面的雨量，伴随着雨水从较高位置滴落，较大的重力势能，可能改变土壤表面结构，使地表板结，导致土壤紧实度增加，孔隙度减小，进而降低水分入渗能力[35]。随着林龄增长，树木枯落物积累形成腐殖质层，改善土壤结构和保水性。高林龄树木的根系更加发达，使土壤更加疏松，利于水分入渗和存储[36]。在森林生态系统演替过程中，由于不同林龄的森林物种组成和群落结构不同，随着林龄的增长，森林生态系统更趋于稳定，物种多样性越高，植被覆盖度越大，调节水分循环的能力越强[37]。此外，土壤理化性质的改善还能够促进土壤微生物的活动，提高土壤肥力，进一步增强森林生态系统的稳定性和可持续性[38−39]。
然而，林分结构是一个极为复杂的概念，仅仅依靠本研究中有限的指标难以全面反映整个林分结构。因此，未来的研究将进一步拓展林分结构指标，综合更多因素如林下植被、土壤微生物、林分空间结构等，也可以开展长期的定位观测研究，深入分析不同林分结构在不同气候条件和地形地貌下的水文响应。
4. 结 论
本研究分析了坝上地区3种典型防护林的枯落物层和土壤层水源涵养功能。在枯落物层，樟子松华北落叶松混交林的水源涵养功能较好，其枯落物厚度、蓄积量、最大持水量和有效拦蓄量均优于其他林分。在土壤层，随着土壤深度增加，土壤总孔隙度、土壤含水量、土壤最大持水量、田间持水量以及毛管持水量均呈递减趋势，且不同林分在不同土层深度的表现各有差异。密度和树高显著影响枯落物层水文效应，树高和林龄对土壤层水文效应影响显著。
在后期林分管理中，可以从间伐高密度林分、引入阔叶树种、构建异龄复层混交林等方面优化林分结构，以增强土壤肥力和保水能力。此外，减少人为干扰，保护枯落物的积累和稳定，可提高枯落物层和土壤层水源涵养能力。未来进一步厘清森林生态系统水文调节功能，需开展长期定位监测研究，持续跟踪不同林分结构下森林水文变化动态，综合多学科研究方法，深入剖析森林生态系统水文调节的影响因素和机制。
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图 1 短期使用污泥产品后土壤中汞含量的动态变化
不同大写字母表示同一处理不同取样时间之间差异显著（P < 0.05），不同小写字母表示同一取样时间不同处理之间差异显著（P < 0.05），S0 ~ S2为国槐组分别添加0、2、4 kg/m2污泥，CK0 ~ CK2为纯土壤组分别添加0、2、4 kg/m2污泥。下同。Different capital letters indicate significant differences between varied sampling times of same treatment (P < 0.05), and different lowercase letters indicate significant differences between varied treatments at same sampling time (P < 0.05), S0−S2 are Styphnolobium japonicum groups with 0, 2, and 4 kg/m2 of sludge, and CK0−CK2 are pure soil groups with 0, 2, and 4 kg/m2 of sludge, respectively. The same below.
Figure 1. Dynamic change of soil Hg content after short-term use of sludge products
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图 2 短期使用污泥产品后国槐器官中汞含量的动态变化
***表示差异极其显著（P < 0.001）。*** means extremely significant difference (P < 0.001).
Figure 2. Dynamic changes of Hg contents in organs of Styphnolobium japonicum after short-term use of sludge products
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图 3 国槐根系（a）和叶片（b）亚细胞中Hg的分布
Fa.细胞壁组分；Fb.细胞核组分；Fc.线粒体和叶绿体成分；Fd.核蛋白成分和可溶性组分。Fa, cell wall component; Fb, nucleus component; Fc, mitochondrial and chloroplast component; Fd, nucleoprotein component and soluble fraction.
Figure 3. Distribution of Hg in root (a) and leaf (b) subcellular components of Styphnolobium japonicum
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图 4 国槐根系和叶片中Hg的化学形态分布
FW.水提取态；FNaCl.氯化钠提取态；FHAc.醋酸钠提取态；FHCl.盐酸提取态；FR.残渣态。FW, fresh water extractable fraction; FNaCl, sodium chloride extractable fraction; FHAc, acetic acid extractable fraction; FHCl, hydrochloric acid extractable fraction; FR, residual extractable fraction.
Figure 4. Chemical form distribution of Hg in roots and leaves of Styphnolobium japonicum
表 1 污泥产品和土壤中的重金属含量
Table 1 Contents of heavy metals in sludge products and soil
mg/kg 项目 Item Cd Cr Pb Hg Cu Zn As Ni 城镇生活污泥产品
Urban domestic sludge products0.79 72.65 15.55 5.57 208.50 535.00 12.25 34.75 苗圃土壤 Nursery soil 0.30 67.67 17.63 0.40 15.67 89.77 15.58 25.33 
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表 2 短期使用污泥产品后国槐器官的汞富集系数及转运系数
Table 2 Bioconcentration factor and translocation factor of Hg in Styphnolobium japonicum organs after short-term use of sludge products
取样时间
Sampling time/d处理
Treatment富集系数 Bioconcentration factor 转运系数
Translocation factor根 Root 叶 Leaf 40 S0 0.008 ± 0.001aB 0.006 ± 0.000bC 0.810 ± 0.116aC S1 0.009 ± 0.001aB 0.008 ± 0.001aC 0.931 ± 0.085aD S2 0.008 ± 0.001aC 0.008 ± 0.001aD 1.019 ± 0.170aD 80 S0 0.004 ± 0.001aB 0.017 ± 0.002aBC 4.546 ± 0.237bA S1 0.005 ± 0.001aC 0.024 ± 0.005aB 5.065 ± 0.305aA S2 0.005 ± 0.001aC 0.023 ± 0.003aC 4.730 ± 0.176abA 120 S0 0.010 ± 0.001bB 0.027 ± 0.002bB 2.817 ± 0.326aB S1 0.010 ± 0.001abB 0.028 ± 0.003bB 2.706 ± 0.079aB S2 0.016 ± 0.006aB 0.039 ± 0.007aB 2.487 ± 0.510aB 160 S0 0.022 ± 0.008bA 0.066 ± 0.020aA 3.020 ± 0.195aB S1 0.026 ± 0.002abA 0.039 ± 0.001bA 1.484 ± 0.062bC S2 0.034 ± 0.002aA 0.065 ± 0.006aA 1.894 ± 0.098cC
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表 3 短期使用污泥产品对国槐不同器官生物量、重金属含量及积累量的影响
Table 3 Effects of short-term use of sludge products on biomass, heavy metal content and accumulation of various organs of Styphnolobium japonicum
项目
Item处理
Treatment器官 Organ 总量
Total地上/地下
Aboveground/
underground根 Root 干 Trunk 枝 Branch 叶 Leaf 汞含量
Hg content/（μg∙kg−1）S0 7.58 ± 0.83cB 2.15 ± 0.22aD 4.78 ± 0.58aC 35.63 ± 0.88bA 50.14 ± 2.17b 5.65 ± 0.46a S1 10.82 ± 1.88bB 1.45 ± 0.38bD 4.82 ± 1.39aC 33.99 ± 0.45bA 51.08 ± 3.39a 3.78 ± 0.59b S2 14.13 ± 1.61aB 2.56 ± 0.23aC 2.73 ± 0.50bC 44.94 ± 1.28aA 64.35 ± 3.60a 3.57 ± 0.26b 生物量 Biomass/g S0 20.95 ± 1.92bC 83.82 ± 1.79aA 15.70 ± 1.19aD 28.08 ± 3.43cB 148.54 ± 1.36b 6.13 ± 0.57a S1 68.61 ± 1.37aB 102.89 ± 11.55aA 18.33 ± 7.69aC 90.53 ± 15.87aA 280.36 ± 24.88a 3.09 ± 0.41b S2 73.91 ± 4.21aB 114.66 ± 26.93aA 14.33 ± 0.47aC 64.74 ± 7.20bB 267.65 ± 27.07b 2.62 ± 0.18b 汞积累量
Hg accumulation/μgS0 0.16 ± 0.01cB 0.18 ± 0.02bB 0.07 ± 0.01abB 1.00 ± 0.14bA 1.41 ± 0.16b 7.96 ± 0.80a S1 0.74 ± 0.12bB 0.15 ± 0.05bC 0.08 ± 0.03aC 3.08 ± 0.58aA 4.06 ± 0.58a 4.61 ± 1.54b S2 1.04 ± 0.07aB 0.29 ± 0.06aC 0.04 ± 0.01bC 2.91 ± 0.29aA 4.28 ± 0.21a 3.12 ± 0.35b 注：不同大写字母表示同一处理国槐各器官之间差异显著（P < 0.05），不同小写字母表示同一器官不同处理之间差异显著（P < 0.05）。Notes: different capital letters indicate significant differences between varied organs of Styphnolobium japonicum of the same treatment (P < 0.05), and different lowercase letters indicate significant differences between varied treatments of the same organ (P < 0.05).
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