九寨溝不同受損林地土壤特征研究

葉頌, 劉邵謀, 鄧東周, 莊文化, 李卓, 潘紅麗, 刁元彬, 劉玉平

1. 四川大學(xué) a. 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；

2. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081；

3. 四川省貢杠嶺自然保護(hù)區(qū)九寨溝縣管理處，四川 九寨溝 623400；

4. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，四川 成都 610066

土壤是物種最豐富的棲息地之一，在陸地生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作中起著至關(guān)重要的作用，Jurga等人通過(guò)綜述歐洲相關(guān)的226篇論文發(fā)現(xiàn)，森林土壤各項(xiàng)指標(biāo)尤其是土壤生物群體等相關(guān)指標(biāo)直接影響著自然環(huán)境，同時(shí)與人類社會(huì)文化價(jià)值密切相關(guān)[1]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤為植物生長(zhǎng)和繁殖提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素[2,3]，同時(shí)提供了代謝和循環(huán)的場(chǎng)所載體[4]，其土壤肥力水平直接決定著森林的生物產(chǎn)量和功能發(fā)揮，不同林分對(duì)林下土壤理化性質(zhì)的形成又有一定的影響[5,6]. Carlos Alberto Quesada等利用在亞馬遜盆地8個(gè)國(guó)家采集的147個(gè)原始森林土壤，研究發(fā)現(xiàn)了土壤礦物組成、pH和有機(jī)碳（SOC）應(yīng)對(duì)氣候變化的穩(wěn)定性與土壤風(fēng)化程度關(guān)系密切，該發(fā)現(xiàn)對(duì)理解亞馬遜森林土壤如何應(yīng)對(duì)正在發(fā)生的和未來(lái)的氣候變化具有重要意義[7]。土壤微生物通過(guò)將孔隙中的二氧化碳還原為有機(jī)物的固碳作用，影響著二氧化碳進(jìn)入大氣的陸地通量，Rachael Akinyede量化研究了1 m深二氧化碳固定率，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有土壤固碳作用過(guò)程的話海尼奇森林土壤的二氧化碳排放量會(huì)增加5.6%，因此全球溫帶森林土壤碳儲(chǔ)量對(duì)全球以后影響的潛在意義重大[8]。自然因素如地震及人為因素如砍伐都會(huì)引起森林土壤理化性質(zhì)的改變。地震發(fā)生引起的滑坡、塌方、泥石流等次生災(zāi)害以及土壤液化等理化性質(zhì)惡化，進(jìn)一步加劇森林植被破壞和生境破碎化程度，嚴(yán)重影響該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和改善[9,10]。在巴西開(kāi)展的不同程度的人類干擾對(duì)森林砍伐對(duì)土壤酶活性、有機(jī)碳含量、微生物生物量和微生物群落的影響研究發(fā)現(xiàn)，人為干擾程度較高的森林轉(zhuǎn)牧可使土壤中-葡萄糖苷酶、脲酶、堿性磷酸酶和熒光素二乙酸酯的活性分別降低87%、66%、62%和58%，土壤有機(jī)碳含量等指標(biāo)顯著下降[11]。森林土壤的質(zhì)量與周圍環(huán)境相互影響，正確的人為因素能夠有效地提高林地土壤對(duì)環(huán)境影響的正效應(yīng)[12]。如增加熱帶石楠林地土壤pH值可以提高動(dòng)物群落的活性，而土壤酸堿度和速效氮對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的影響較小[13]。汶川地震誘發(fā)了大量林被損害、邊坡崩塌和泥石流災(zāi)害，黃海等以北川縣都?jí)魏有×饔驗(yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)調(diào)查災(zāi)損土地稟賦、災(zāi)害特征、土地需求,建立了震區(qū)土地利用和生態(tài)修復(fù)模式，協(xié)調(diào)了人地矛盾，提升了綠色經(jīng)濟(jì)和人居環(huán)境[14]。

本文通過(guò)在不同震損程度區(qū)設(shè)置樣方采取土樣，分析土壤理化性質(zhì)，旨在分析不同震損林地土壤理化特征，探索震損林地土壤分布規(guī)律同時(shí)為更加合理的修復(fù)措施提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川西北部高原，阿壩藏族羌族自治州東北部的九寨溝縣，地貌類型以高山山原、高山峽谷和中山河谷為主，海拔1 000～4 500 m。全縣面積5 286 km2，森林覆蓋率54.9%，是四川省第二大林區(qū)。2017年8月8日九寨溝縣發(fā)生7.0級(jí)地震，震中發(fā)生在九寨溝保護(hù)區(qū)，同時(shí)漳扎鎮(zhèn)、貢杠嶺保護(hù)區(qū)也受損嚴(yán)重。地震受災(zāi)林地主要分布在險(xiǎn)坡、急坡、陡坡和斜坡區(qū)。明顯垮塌山體破損面達(dá)1 500處以上。地震引發(fā)的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成棲息地森林植被及土壤被不同程度的損壞。根據(jù)受損程度，把受損林地分為極重度、重度、中度和輕度四大類（見(jiàn)表1）。地震引發(fā)的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成部分棲息地森林植被完全損毀，地表巖石堆積或完全裸露的屬于極重度受損林地。植被幾乎完全被垮塌物深埋，殘存樹(shù)木蓋度不足10%，殘存很少土壤覆蓋的屬于重度受損林地。森林植被因滑坡導(dǎo)或崩塌的滾石滑落造成林木折斷、倒伏或樹(shù)冠嚴(yán)重受損，滾石較多，土壤裸露，但具備一定土壤條件的屬于中度受損林地。少量林木被地震崩塌產(chǎn)生的滾石等災(zāi)害造成折斷、倒伏或樹(shù)冠受損，滾石較少，地表土壤輕微受損的屬于輕度受損林地。極重度和重度受損棲息地主要分布于震中附近日則溝的五花海到箭竹海一帶和則查洼溝的下季節(jié)海附近部分區(qū)域。中度受損棲息地主要分布在長(zhǎng)海、中季節(jié)海、上季節(jié)海等區(qū)域。輕度受損棲息地主要分布在縣境內(nèi)高山峽谷區(qū)兩側(cè)大部分區(qū)域。

2 研究方法

2.1 樣地選取及土壤樣品采集

輻射全區(qū)震損林地類型，針對(duì)生境修復(fù)、生境恢復(fù)、生境保育等不同受損林地地塊，結(jié)合海拔、土壤、坡向、坡度、光照等立地因子，以及林相，選設(shè)108個(gè)代表性固定監(jiān)測(cè)樣方開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，其中極重度受損樣地32個(gè)，嚴(yán)重受損樣地37個(gè)，中度受損樣地9個(gè)，輕度受損樣地30個(gè)。主要土壤類型為山地褐土、山地棕壤和山地暗棕壤3種。每個(gè)樣方選用5點(diǎn)采樣法，取土壤剖面為0～20 cm土壤，分別用環(huán)刀及小鐵鏟取樣，現(xiàn)場(chǎng)稱重測(cè)得土壤容重，用鋁盒和自封袋保存散裝樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)檢測(cè)。

2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

（1）土壤容重：采用土壤環(huán)刀法測(cè)定（LY/T 1215—1999）；（2）土壤pH值：用酸度計(jì)測(cè)量（NY/T 1121.2—2006）；（3）有效磷：利用氟化銨—鹽酸溶液浸提酸性土壤中有效磷，再根據(jù)鉬銻抗比色法測(cè)定（NY/T 1121.7—2014）；（4）速效鉀：土壤以 1 mol·L?1熱硝酸浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定（NY/T 889—2004）；（5）硝態(tài)氮：酚二磺酸比色法（LY/T 1228—2015）；（6）銨態(tài)氮：靛酚藍(lán)比色法（LY/T 1228—2015）。

3 結(jié)果與分析

3.1 九寨溝林地不同受損程度對(duì)土壤容重的影響

隨著震損程度的增加，土壤容重呈先下降后上升的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。輕度到中度的震損程度的變化中，土壤容重變低，在中度震損程度時(shí)土壤容重最小，為0.95 g·cm?3。原因可能是輕度和中度的震損地因震動(dòng)導(dǎo)致流失的表層土壤較少，而隨著震動(dòng)的增強(qiáng)導(dǎo)致表面土壤松弛。土壤容重隨著震損程度從中度到極重度的變化中逐漸提高。在極重度震損程度時(shí)土壤容重最大，達(dá)1.01 g·cm?3?？赡苁且?yàn)殡S著震損程度從中度到極重度的變化中，受損地的表層土壤因強(qiáng)烈的震動(dòng)發(fā)生滑坡而流失，導(dǎo)致受損地地震前的地下土壤露出成為現(xiàn)在的表層土。而同一沒(méi)被破壞的地點(diǎn)，越遠(yuǎn)離地表的土層容重越高[15]。

3.2 九寨溝林地不同受損程度對(duì)土壤pH的影響

土壤酸堿性影響著土壤肥力，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育[16]。隨著震損程度的增加，土壤pH值上下波動(dòng)（見(jiàn)圖2），pH值的變化范圍在7.5～7.8之間。震損程度達(dá)重度時(shí)pH值最低，為7.5。中度時(shí)pH值最高，為7.8。輕度、中度、重度和極重度震損程度土壤都呈堿性。而土壤pH值為5.5～7.5時(shí)，更有利于植物的生長(zhǎng)[17]。可能是因受地震影響，樣地中地表植物多被滾石破壞或砂石掩埋，使因植物體自然凋零進(jìn)入表層土壤的有機(jī)體減少，進(jìn)而影響其被分解者解產(chǎn)生二氧化碳和有機(jī)酸[18]。使土壤pH值偏高。

圖 1 各震損程度樣地土壤容重Fig. 1 Soil bulk density of the quadrats with different earthquake damage degrees

圖 2 各震損程度樣地土壤 pH 值Fig. 2 Soil pH value of the quadrats with different earthquake damage degrees

3.3 九寨溝林地不同受損程度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3.3.1 九寨溝林地不同受損程度對(duì)土壤中有效磷的影響

磷元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必須營(yíng)養(yǎng)元素之一[19]，一般用有效磷來(lái)表示土壤供磷能力的高低，所以有效磷的含量決定著土壤肥力。隨著震損程度的增加，土壤中有效磷的含量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)（見(jiàn)圖3），有效磷含量范圍在 20.55～34.36 mg·kg?1。其中土壤有效磷含量在極重度震損程度達(dá)到最高，分別比輕度、重度和重度高67.2%、65.7%和52.8%。極重度震損程度土壤中有效磷含量最高，這是由于地震使地面的樹(shù)木倒塌，使更多樹(shù)葉和枝干覆蓋在土壤上。地表枯落物增多，有利于減少土壤中磷流失，使更多的速效磷在保存在土壤中[18]。

圖 3 各震損程度樣地土壤有效磷含量Fig. 3 Soil available phosphorus content of the quadrats with different earthquake damage degrees

3.3.2 九寨溝林地不同受損程度對(duì)土壤中速效鉀的影響

鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必須營(yíng)養(yǎng)元素[20]，植物生長(zhǎng)過(guò)程中吸收土壤中的鉀元素主要是以速效鉀的形式，速效鉀的含量能直接反應(yīng)土壤中鉀元素的供應(yīng)能力，決定著土壤肥力。隨著震損程度的增加，土壤中速效鉀的含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)（見(jiàn)圖4），在中度震損程度達(dá)到最高值為227.49 mg·kg?1，和土壤pH值具有相同的趨勢(shì)。經(jīng)顯著性分析，中度震損程度土壤速效鉀含量顯著比輕度和重度高49.9%、44.6%，極重度震損程度土壤速效鉀含量顯著比中度和重度低46.8%、23.0%。說(shuō)明震損程度從中度到集中重度增強(qiáng)的過(guò)程中，震損程度越大土壤中的速效鉀越少。

圖 4 各震損程度樣地土壤速效鉀含量Fig. 4 Soil available potassium content of the quadrats with different earthquake damage degrees

3.3.3 九寨溝林地不同受損程度對(duì)土壤中無(wú)機(jī)氮的影響

氮元素是生物體蛋白質(zhì)和核酸的主要合成元素，是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必需的營(yíng)養(yǎng)元素[21]。其含量高低決定著土壤肥力。在土壤中N主要以有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮的形式存在，無(wú)機(jī)氮主要以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的形式存在。不同震損程度土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為輕度>重度>中度>極重度（見(jiàn)圖5），其平均值分別為 114.97，113.15，101.24，65.02 mg·kg?1?？梢?jiàn)，除重度震損程度偏高外，整體隨著震損程度的加強(qiáng)，土壤中硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。隨著震損程度的增加，土壤中銨態(tài)氮的含量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，在中度震損程度達(dá)到最低值（見(jiàn)圖5），和土壤pH值具有相反的趨勢(shì)。隨著震損程度從中度到極重度的變化，土壤中氨氮的含量有上升趨勢(shì)，極重度受損程度土壤中氨氮含量比中度和重度分別高227.5%、50.4%。說(shuō)明隨著震損程度的加強(qiáng)，土壤中硝態(tài)氮減少而銨態(tài)氮增多，土壤中的硝化作用減弱[22]。

圖 5 各震損程度樣地土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量Fig. 5 Soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in the quadrats with different earthquake damage degrees

4 結(jié)論與討論

（1）輕度、中度、重度和極重度4種震損程度林地土壤容重分別為1.00、0.95、0.97 和 1.01 g·cm?3。土壤容重隨著震損程度增強(qiáng)呈現(xiàn)出先減小再逐漸增大的趨勢(shì)。土壤容重超過(guò)1.6 g·cm?3時(shí)，會(huì)限制植物根系的生長(zhǎng)[15]，單純從土壤容重角度出發(fā)，各個(gè)震損程度林地土壤容重都能夠滿足植物生長(zhǎng)的需求。

（2）4種震損程度林地土壤pH值變化范圍在7.5～7.8之間。各震損程度林地土壤皆呈堿性，而堿性土壤不利于植物的生長(zhǎng)恢復(fù)，土壤偏酸性有利于土壤肥力的提高[23]，有利于植物的生長(zhǎng)恢復(fù)。

（3）震損林地土壤中有效磷和銨態(tài)氮含量隨著震損程度的增加而升高，速效鉀和硝態(tài)氮含量隨著震損程度的增加而降低。氮、磷和鉀都是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。隨著震損程度的增加雖然有效磷的含量增加，但速效鉀的含量降低。同時(shí)硝態(tài)氮含量降低，銨態(tài)氮含量升高，可能是由于土壤中的硝化反應(yīng)減緩所導(dǎo)致。