植被恢復對紅壤侵蝕區(qū)土壤鐵鋁氧化物和理化性質(zhì)的影響

吳敏敏, 劉俊第, 林雪萍, 楊逸偉, 方 熊, 易志剛

(福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點實驗室，福建 福州 350002)

福建省龍巖市長汀縣是我國中亞熱帶紅壤侵蝕退化治理的典型示范區(qū).20世紀80年代初開始的植被恢復治理措施顯著提高了當?shù)刂脖桓采w度[1]，地上和地下凋落物的輸入促進了土壤有機質(zhì)的累積，土壤結(jié)構(gòu)逐漸改善[2]，土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分的固持量顯著提高[3-4]，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得以提升.

土壤肥力是評價水土流失治理成效的重要指標.土壤中鐵鋁氧化物對土壤養(yǎng)分以及土壤不同組分碳的累積有著重要的影響[5-6].研究表明，土壤養(yǎng)分與鐵鋁氧化物主要通過共沉淀或吸附作用[7-8]促進有機碳和養(yǎng)分的固持.Wiseman et al[9]對德國中部的堿性土壤研究發(fā)現(xiàn)，草酸銨提取的鐵鋁能夠很好地預測土壤有機質(zhì)的儲存量.因此，鐵鋁氧化物的變化特征可作為評價植被恢復過程中土壤肥力改善程度的依據(jù).

土壤不同形態(tài)鐵鋁氧化物中，游離態(tài)氧化鐵(free iron oxide, Fed)和游離態(tài)氧化鋁(free aluminum oxide, Ald)主要來源于成土母質(zhì)[7]；土壤非晶形氧化鐵(amorphous iron oxide, Feo)和非晶形氧化鋁(amorphous aluminum oxide, Alo)對土壤有機碳和有機氮的固持有重要貢獻，效果較游離態(tài)鐵鋁氧化物更為顯著[6,8]；土壤絡(luò)合態(tài)氧化鐵(complex iron oxide, Fes)和絡(luò)合態(tài)氧化鋁(complex aluminum oxide, Als)與土壤有機質(zhì)結(jié)合形成復合物是引起土壤中金屬離子，特別是鐵鋁離子在土壤中遷移的重要原因之一，因而其對土壤剖面的發(fā)生、土壤肥力的形成和保持具有重要的作用[10].

目前，有關(guān)植被恢復過程中土壤不同形態(tài)鐵鋁氧化物變化特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系尚不清楚.因此，本研究以我國南方退化紅壤為研究對象，利用時空互代法分析不同植被恢復階段土壤鐵鋁氧化物和理化性質(zhì)變化特征及二者的關(guān)系，以期為退化土地治理過程中進行土壤養(yǎng)分管理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

福建省龍巖市長汀縣河田鎮(zhèn)(116°18′—116°31′E、25°33′—25°48′N)位于福建省西南部、汀江上游，屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫度17.5～18.8 ℃，年均降水量約1 580 mm，平均無霜期260 d，平均日照時數(shù)1 925 h，≥10 ℃積溫4 100～4 650 ℃，屬于河谷盆地，海拔300～500 m.土壤為中粗粒花崗巖發(fā)育的紅壤，抗蝕能力低[11].以河谷盆地為中心的丘陵地帶人類活動頻繁，地帶性植被(常綠闊葉林)破壞殆盡，現(xiàn)有植被主要以馬尾松(Pinusmassoniana)、灌叢等次生植被和人工林為主，林下植被以芒萁(Dicranopterisdichotoma)為主；其他伴生植被主要有木荷(Schimasuperba)、杉木(Cunninghamialanceolata)、楊梅(Myricarubra)、楓香(Liquidambarformosana)、小葉赤楠(Syzygiumgrijsii)、毛冬青(Ilexpubescens)、檵木(Loropetalumchinensis)等.

1.2 試驗設(shè)計與土壤樣品采集

選擇不同植被(主要為馬尾松)恢復階段的5個代表性區(qū)域為樣地(表1)，分別為未治理裸地(零星分布“老頭松”，bare land, B)、馬尾松恢復5年人工林(restored 5 years plantation, R-5)、馬尾松恢復15年人工林(restored 15 years plantation, R-15)、馬尾松恢復30年人工林(restored 30 years plantation, R-30)和天然次生林(natural secondary forest, N).

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of the study areas

于2017年4月采集土壤樣品，每個區(qū)域分別選擇3個坡向、坡度一致的10 m×10 m樣方，除天然次生林外相鄰樣方距離大于1 km.采樣時，先去除采樣點土壤上部生長的草本植物、土壤表層的凋落葉和半分解的凋落物，然后取表層(0～10 cm)土壤.在每個樣方中，用5點取樣法采集5份土壤樣品，并混合成1個樣品，3個同坡向和坡度的土壤混合樣品作為試驗的3個重復，土壤樣品總計15個.將樣品帶回實驗室后，先剔除其中的石塊和植物殘體，再將土壤過2 mm篩，使土壤樣品充分混勻，然后將其風干，用于測定土壤pH值、含水率，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、堿解氮、有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量.另外，從風干土樣中取約5 g土壤，用研缽磨細，過0.149 mm篩，用于測定土壤全碳、全氮、全磷和鐵鋁氧化物含量.

1.3 土壤樣品測定

土壤含水率測定采用鋁盒烘干法(24 h)；土壤pH值測定采用電位法(pH計測定)；有機質(zhì)含量測定采用硫酸—重鉻酸鉀氧化法[12]；全碳、全氮含量采用元素分析儀測定；全磷含量測定采用硫酸—高氯酸消解—鉬藍比色法[12]；銨態(tài)氮含量測定采用靛酚藍比色法；硝態(tài)氮含量測定采用氯化鉀浸提—紫外分光光度比色法；堿解氮含量測定采用堿解擴散法；速效磷含量測定采用氟化銨(NH4F)浸提法；速效鉀含量測定采用1 mol·L-1醋酸銨浸提—火焰光度法[12].

土壤鐵鋁氧化物的提取及測定采用魯如坤[12]的方法.Fed和Ald采用連二亞硫酸鈉—檸檬酸鈉—重碳酸鈉提取，水浴加熱，80 ℃維持15 min；Feo和Alo采用草酸銨—草酸提取，遮光條件下震蕩2 h；Fes和Als采用焦磷酸鈉震蕩提取2 h，再用濃硫酸和硝酸混合酸(1∶2)消煮去除提取液中的有機質(zhì).鐵鋁氧化物均采用試鐵靈鐵鋁聯(lián)合比色法測定，測定波長分別設(shè)置為600和370 nm.

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗植被恢復年限對不同形態(tài)土壤鐵鋁氧化物和土壤理化性質(zhì)影響的顯著性，并采用LSD法進行多重比較；采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤鐵鋁氧化物含量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系.顯著水平設(shè)置為P<0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復階段土壤的理化性質(zhì)

由表2可見，裸地土壤pH為4.56，顯著高于其他樣地(P<0.05)；裸地土壤含水率顯著低于其他樣地(P<0.05).從裸地到天然次生林的5個不同植被恢復階段，土壤全碳、全氮和有機質(zhì)含量呈現(xiàn)遞增的趨勢，且天然次生林(最高)比裸地(最低)分別高8.7、1.4和10.0倍.天然次生林的土壤全磷含量分別比裸地和馬尾松恢復5年人工林高166.7%和100.0%(P<0.05).天然次生林的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、堿解氮和速效磷含量顯著高于其他樣地(P<0.05).天然次生林的土壤速效鉀含量分別比馬尾松恢復5年人工林和裸地高143.6%和225.5%(P<0.05).

表2 不同植被恢復階段土壤的理化性質(zhì)1)Table 2 Soil physical and chemical properties in different vegetation restoration stages

1)數(shù)據(jù)為平均值±標準差.同行數(shù)據(jù)后附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05),附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).

2.2 不同植被恢復階段土壤Fed和Ald變化特征

隨著植被恢復年限的增加，土壤Fed和Ald含量均顯著增多.馬尾松恢復30年人工林的土壤Fed含量分別比馬尾松恢復15年人工林、馬尾松恢復5年人工林和裸地高25.70%、31.57%和46.14%(P<0.05)；天然次生林的土壤Fed含量分別比馬尾松恢復15年人工林、馬尾松恢復5年人工林和裸地高57.38、63.87和77.73 mg·kg-1(P<0.05)(圖1A).天然次生林和馬尾松恢復30年人工林的土壤Ald含量也顯著高于其他樣地(P<0.05)(圖1B).

2.3 不同植被恢復階段土壤Feo和Alo變化特征

天然次生林的土壤Feo含量分別比馬尾松恢復5年人工林和裸地高74.79和89.66 mg·kg-1(P<0.05)(圖2A).土壤Alo含量隨植被恢復年限增加呈增多趨勢.其中，天然次生林的土壤Alo含量顯著高于馬尾松恢復5年人工林和裸地(P<0.05)，馬尾松恢復15年人工林和馬尾松恢復30年人工林的土壤Alo含量也顯著高于裸地(P<0.05)(圖2B).

2.4 不同植被恢復階段土壤Fes和Als變化特征

天然次生林的土壤Fes含量顯著高于馬尾松恢復15年人工林、馬尾松恢復5年人工林和裸地(P<0.05)，馬尾松恢復30年人工林的土壤Fes含量比馬尾松恢復5年人工林高12.78%，比裸地高18.13%(圖3A).天然次生林的土壤Als含量顯著高于馬尾松恢復15年人工林、馬尾松恢復5年人工林和裸地，馬尾松恢復30年人工林的土壤Als含量高于馬尾松恢復5年人工林和裸地，差異顯著(P<0.05)(圖3B).

2.5 土壤不同形態(tài)鐵鋁氧化物與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤Fed和Ald與土壤pH呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；除Feo外，其他形態(tài)鐵鋁氧化物與土壤全碳、全氮、全磷、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量多呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表3).

表3 土壤鐵鋁氧化物與土壤理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Pearson correlation coefficients between soil Fe-Al oxides and physicochemical properties

1)*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著(P<0.05)；**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(P<0.01).

3 討論

一般認為，鐵鋁氧化物是成土過程和土壤發(fā)育環(huán)境的指示物，可用于評價土壤的相對成土年齡[13].研究表明，土壤中鐵鋁氧化物一般會隨著成土年齡的增加呈現(xiàn)規(guī)律性變化[14].如楊艷芳等[15]對我國雷州半島第四紀以來不同時代玄武巖發(fā)育土壤的研究發(fā)現(xiàn)，游離鐵、鐵游離度與成土年齡有正相關(guān)性.本研究中，不同形態(tài)鐵鋁氧化物含量隨著植被恢復年限增加而增多.一方面，由于土壤鐵鋁氧化物主要來自于成土母巖[7]，植被恢復過程中根系的物理作用、根系有機酸的化學作用以及微生物作用逐漸加強，必然會促進母巖的風化，從而導致土壤中鐵鋁氧化物逐漸增多;另一方面，馬尾松人工林的恢復模式改善了土壤的物理性能(土壤容重、滲透速度、孔隙比等)和化學性能(土壤酸堿度、陰陽離子、有機物含量等)[2-4]，鐵鋁氧化物容易與腐殖質(zhì)表面的羥基或羧基位點發(fā)生配位體交換，結(jié)合土壤硅酸鹽和鈣碳酸鹽形成較為穩(wěn)定的有機無機復合體，從而呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢[16]；此外，植被恢復過程中土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定促成了不同粒徑土壤團聚體的形成[2]，有利于土壤對鐵鋁氧化物的吸附固定，也是鐵鋁氧化物在土壤中積聚的重要因素之一[11,17].雖然本研究中植被恢復年限相對較短(約為70年)，但由于所選擇樣地土壤發(fā)育的母質(zhì)條件基本一致，也能在相對較短時間梯度上體現(xiàn)土壤的發(fā)育過程.植被恢復過程中土壤鐵鋁氧化物的形成和轉(zhuǎn)化機制較為復雜，但卻是土壤生物地球化學過程的重要組成部分，仍需進一步研究.

本研究中，植被恢復過程中土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量顯著增多，與Gloria et al[18]和Xue et al[19]對橡樹混交林和黃土高原丘陵區(qū)的植被修復研究結(jié)論類似.土壤有機質(zhì)含量升高的原因主要是在植被恢復過程中，植物生產(chǎn)力提高，地上、地下凋落物和根際分泌物增多，增加的有機物在微生物作用下轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)[3-4,20].本研究中，土壤全氮和全磷在植被恢復過程中也呈增多趨勢，與趙棟等[21]對甘肅白龍江林區(qū)典型干旱河谷封育治理的研究結(jié)果一致.天然次生林土壤的堿解氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷含量顯著高于其他樣地，與李春等[22]和Chen et al[23]的研究結(jié)果一致.一方面可能是由于隨著植被恢復時間的延長，加強的植物根系會促進對土壤深層氮、磷等養(yǎng)分的吸收，并通過凋落物分解過程聚積在土壤表層[4]；另一方面，植被恢復過程中，植物根系分泌的有機酸增多，有助于提高土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力[24]；同時，植被恢復過程中，土壤物理性能會不斷增強，有助于土壤不同粒徑團聚體的形成，進而促進各種養(yǎng)分在土壤中的積累.

4 結(jié)論

(1)從裸地到天然次生林的5個不同植被恢復階段，土壤全量養(yǎng)分(全碳、全氮、全磷)、有機質(zhì)和速效養(yǎng)分(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、堿解氮、速效磷、速效鉀)含量呈增多的趨勢.

(2)土壤不同形態(tài)鐵鋁氧化物含量在植被恢復過程中均顯著增多.除非晶形氧化鐵外，其他形態(tài)鐵鋁氧化物含量與土壤全量養(yǎng)分、有機質(zhì)和速效養(yǎng)分具有較強的相關(guān)性.但植被恢復過程中土壤鐵鋁氧化物的形成和轉(zhuǎn)化機制及其對土壤養(yǎng)分累積的作用機理尚不清楚，有待進一步研究.