云南省森林土壤酸堿度現(xiàn)狀及影響因素分析

肖蒙，秋新選，何忠俊，陳金林

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,云南 昆明 650051；4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

土壤pH是土壤性質(zhì)的基本指標(biāo)之一，反映了土壤溶液中交換性酸總量的多少[1]，與土壤中重金屬的釋放[2]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與數(shù)量[3]、酶活性[4]等密切相關(guān)，甚至影響土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性及植物種群多樣性[5]，對土壤物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)及區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義.當(dāng)土壤pH降低到一定臨界值時(shí)，土壤中的礦質(zhì)元素會嚴(yán)重流失，植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收減少，影響根系生長[6].已有眾多學(xué)者研究探討了土壤酸化問題對于農(nóng)田土壤的危害[6-7]，森林土壤酸化多歸因于自然環(huán)境的變化，且變幅緩慢不易產(chǎn)生較大變化，但其pH值變化影響到森林養(yǎng)分循環(huán)、植物及動(dòng)物生存環(huán)境，應(yīng)引起重視.

森林土壤與植被互為依存體，在植物體的生長與衰亡過程中，完成養(yǎng)分的吸收與歸還，是森林生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素.而土壤酸化可顯著影響?zhàn)B分有效性及含量[8-9]，造成土壤肥力低下，植被物種豐富度和森林生產(chǎn)力下降[10].區(qū)別于農(nóng)田土壤，森林土壤pH變化主要源于土壤自然演變，時(shí)間跨度較大，同時(shí)酸沉降、大氣污染等人類行為也會加速這一進(jìn)程[11].云南省森林覆蓋面積較廣，且多數(shù)為酸性森林土壤，與溫性森林土壤具有強(qiáng)大的緩沖能力不同，酸性森林土壤多數(shù)時(shí)間處于濕熱與高降雨情況下，鹽基離子被大量淋洗，鹽基飽和度較低，使土壤日趨酸化[12]，對森林生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展及林木資源可持續(xù)利用造成不利影響，因此，迫切需要了解云南省森林土壤酸堿度現(xiàn)狀及變化規(guī)律.本研究以云南省102個(gè)典型森林土壤剖面為研究對象，通過測定土壤發(fā)生層的主要養(yǎng)分指標(biāo)與物理特性，分析其與pH值之間的關(guān)系，得出云南省森林土壤酸堿度基本變化情況，探討云南省森林土壤pH空間變化規(guī)律及影響因素，旨在為云南省森林資源合理利用提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

云南省位于N 21°9′～ 29°15′和E 97°39′～106°12′之間，大部分地區(qū)海拔在1 000～6 000 m之間，相對高差較大，地貌以類型繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜著稱，高原和山地約占總面積的93.29%[13].云南省具有典型的季風(fēng)氣候特征，雨季與旱季交替出現(xiàn)，干濕變化顯著，5～10月為雨季，降雨量在800～2 810 mm之間，降雨量占全年降水量的85%左右.氣溫日變化較大，年平均日較差為10～14 ℃，干季日較差約為15～20 ℃[14].云南省森林覆蓋率可達(dá)60.3%，植被種類豐富，典型的森林類型有元江栲林(CastanopsisconcolorRehd.et Wils)、川滇高山櫟林(QuercusaquifolioidesRehd.et Wils)等常綠闊葉林，及長苞冷杉林(AbiesgeorgeiOrr)、云南松林(Pinusyunnanensis)等針葉林或針闊混交林.森林土壤面積較大，主要土壤類型為磚紅壤、紅壤、黃壤及紫色土等[15].

2 材料與方法

2.1 供試材料

在云南省16個(gè)地州市，共采集59個(gè)林型，102個(gè)土壤剖面.依照海拔高度與陰坡陽坡設(shè)置采集點(diǎn)(圖1)，劃分土壤層次、記錄采集地點(diǎn)、地形、坡度、坡向、母質(zhì)類型、地表植被狀況、土壤剖面形態(tài)特征等剖面基本信息；根據(jù)每個(gè)林型分布地點(diǎn)隨機(jī)有代表性地挖取3個(gè)剖面，同時(shí)按照發(fā)生層分層采樣，混合四分法取土1kg帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干過篩后進(jìn)行理化性質(zhì)測定.

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Map of soil sampling sites

2.2 分析項(xiàng)目與方法

野外采集的土壤樣品放在干燥通風(fēng)處自然風(fēng)干，去除草根、樹葉等雜物，按照《土壤理化分析》[16]和《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》[17]進(jìn)行分析測定，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測定3次.土壤機(jī)械組成：甲種比重計(jì)法；pH：水土比 1∶2.5，電位計(jì)法；有機(jī)碳：K2CrO7-H2SO4氧化法；全氮：半微量凱氏法；全磷：氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法；堿解氮：堿解擴(kuò)散法;有效磷：采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法;速效鉀：乙酸銨浸提火焰光度法；陽離子交換量：NH4OAc法；交換性 K+、 Na+、 Ca2+、Mg2+離子：原子吸收光譜法；游離態(tài)氧化鐵：連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉浸提，鄰菲羅琳比色法；化學(xué)組成:偏硼酸鋰熔融法，原子吸收分光光度法測定K、Na、Ca、Mg，重量法測定 Si，鄰啡羅林顯色法測Fe，KF取代EDTA容量法測Al，變色酸法測 Ti.

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003對所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 18.0對所有土壤樣品pH值進(jìn)行非參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)和相關(guān)性分析，符合正態(tài)分布后，通過Arc GIS 9.2地統(tǒng)計(jì)軟件繪制云南省森林各層土壤 pH空間分布圖.

3 結(jié)果與分析

3.1 各層土壤pH值描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

云南省森林土壤不同土層pH值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表1)顯示，淋溶層(A層)pH變化范圍在3.74～6.77之間，變異系數(shù)為11.94%，為中等變異程度：淀積層(B層)變化范圍4.30～6.59之間，變化幅度較小，變異系數(shù)為7.64%，為弱變異程度.根據(jù)不同土層pH值均值的變化，可以得出土壤pH值隨著土壤深度的增加而增大.云南省森林不同土層的pH值分別通過非參數(shù)K-S檢驗(yàn)顯示，P值均大于0.05，表明均服從正態(tài)分布，對不同土層峰度與偏度的檢驗(yàn)均<1.49,也表明土壤pH值服從正態(tài)分布，可進(jìn)行下一階段分析.

表1 不同土層pH值描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Descriptive statistical results of pH values of different soil layers

3.2 各層土壤pH值空間分布

云南省森林不同土層pH值變化規(guī)律見圖2～3.淋溶層pH值空間分布圖(圖2)顯示，云南省西雙版納東南地區(qū)、普洱中部以及麗江中部土壤pH值在5.7～6.2之間，按照土壤酸堿度程度[16]可劃分為酸性或強(qiáng)酸性土壤，約占總剖面的16%；而在滇中部、滇西南以及滇西北地區(qū)，pH值在5.0～5.6的土壤剖面約占總剖面的30%，為強(qiáng)酸性土壤；滇東北、滇東南部分地區(qū)pH值在4.2～4.9之間，為極強(qiáng)酸性表層土壤，約占總剖面的32%.由圖3可知，在淀積層pH值變化規(guī)律與淋溶層相似，但變幅較小，pH值較高的地區(qū)分布在滇西北及東部，其他大部分地區(qū)土壤pH值在4.9～5.4之間，為強(qiáng)酸性土壤.從云南省森林土壤整體酸堿度來看，滇西北地區(qū)土壤pH值較高，在5.5～6.0之間，而在云南省中部及東部廣大地區(qū)pH值較低，一般在4.5～5.5之間.

圖2 淋溶層pH值空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of pH value in A layer

圖3 淀積層土壤pH值空間分布圖Figure 3 Spatial distribution of pH value in B layer

3.3 各層土壤基本特性

不同土層土壤基本特性(表2)中粘粒與砂粒占比較高，且不同剖面間變化幅度較大，根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類[16]，多數(shù)土壤剖面土壤質(zhì)地為輕砂質(zhì)或中砂質(zhì)黏壤土；土壤表層呈現(xiàn)較明顯的養(yǎng)分表聚特性，且含量差別較大，有機(jī)碳含量較高，在2.5～430.6 g/kg之間，平均有機(jī)碳含量為61.6 g/kg，多數(shù)剖面C/N在10～28之間；A層與B層平均陽離子交換(CEC)量分別為28.4和22.5 cmol/kg，鹽基離子組成中以Ca2+為主，含量在0.96～47.1 cmol/kg之間，多數(shù)剖面A層和B層呈鹽基不飽和狀態(tài)，平均鹽基飽和度分別為28.0%和25.5%，在氧化鐵組成中，游離鐵占比較高，表明多數(shù)剖面風(fēng)化程度較高；不同土層的礦物全量組成均以Si和Al含量較高，分別占主體的50%及20%以上，不同礦物成分均表現(xiàn)出B層大于A層的趨勢，主要和地區(qū)降雨量及地勢有關(guān)，使大量礦物風(fēng)化并向下淋溶淀積，部分剖面出現(xiàn)漂白層，且Sa與Saf較小，表明多數(shù)剖面已進(jìn)入中度富鋁化階段.

表2 不同土層土壤基本性質(zhì)Table 2 Basic characteristics of different soil layers

3.4 各層土壤pH值相關(guān)性分析

不同土層pH值與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析結(jié)果見表3.土壤全氮、堿解氮以及有機(jī)碳與淋溶層pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.淀積層土壤pH值與堿解氮、粉粒含量呈顯著性負(fù)相關(guān)，與砂粒含量呈顯著性正相關(guān)關(guān)系.淋溶層土壤pH值與交換性Mg2+以及交換性K+顯著正相關(guān)，而與交換性Al3+總量呈顯著性負(fù)相關(guān)，淀積層和淋溶層皆與鹽基飽和度、交換性Ca2+呈顯著正相關(guān).淋溶層pH值與氧化鐵中的絡(luò)合鐵及無定行鐵具有顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系.在礦物全量養(yǎng)分中，淋溶層pH值與Ca和Mg含量分別具極顯著性和顯著正相關(guān)，而對淀積層土壤pH值與Si含量呈顯著性負(fù)相關(guān)，與Al和Ti呈顯著性正相關(guān)關(guān)系，與Fe含量呈極顯著性正相關(guān).

表3 不同土層pH值相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of pH values of different soil layers

不同土層pH值變化還受包括海拔、林型等環(huán)境因素的影響.云南屬青藏高原南延部分，平均海拔在2 000 m左右，且海拔相差懸殊，研究結(jié)果顯示(表4)，多數(shù)森林土壤剖面海拔在2 000～3 500 m之間，不同海拔之間pH值存在差異，但不存在較明顯的變化規(guī)律，不同海拔組之間以2 500～3 500的pH值最高，而極高山組海拔地區(qū)森林土壤pH值最小.這與Lubos Boruvka等[21]研究結(jié)果不同，原因可能與較高海拔下土壤溫度與微生物活性降低有關(guān)，使得土壤中有機(jī)酸的分解較慢.

表4 不同海拔與林型土壤pH值變化Table 4 pH value of soil of different altitude and forest type changes

4 討論

森林土壤是森林健康發(fā)展的支撐，自然酸化及人為干擾使得土壤酸度提高而肥力下降，造成大面積的森林退化和生態(tài)破壞[18].云南省植被類型豐富，森林面積廣闊，但多為酸性森林土壤，大部分土壤pH值低于6.5，其中一部分土壤表層的pH值低于4.0，此時(shí)土壤緩沖機(jī)制主要源自對硅酸鋁的沉淀與釋放[11,19]，對土壤中Al3+離子聚集有一定的促進(jìn)作用.土壤淋溶層與淀積層空間分布規(guī)律相似，且均表現(xiàn)出滇西北pH值較高，pH值在5.5以上，而滇東南較低，pH值在4.2～5.0之間，主要與海拔高度有關(guān)，整個(gè)云南省的地勢表現(xiàn)出北高南低，西北向東南方向傾斜，且海拔差距較大，南北差值最高可達(dá)2 000 m.高海拔地區(qū)土壤礦化程度與淋溶作用較小，且淋溶出的交換性陽離子可能會隨水流由高海拔地區(qū)流向低處，造成鹽基離子在低處聚集的現(xiàn)象，符合pH值在空間分布的趨勢[20].

土壤pH值在A層與B層的變化差異較小，但對于不同土壤養(yǎng)分含量及相關(guān)性存在較大差異(表3)，且A層土壤養(yǎng)分及CEC含量顯著高于B層，礦物組分元素則在B層大量聚集.表層土壤易受森林凋落物的類型與質(zhì)量及其他人為因素影響，養(yǎng)分含量高且變化波動(dòng)性較大，而淀積層主要受土壤形成過程以及地質(zhì)作用影響，易造成礦物成分累積且敏感性較低[21].多數(shù)森林土壤剖面鹽基不飽和，CEC含量低于100 cmol/kg，與antrucková等[20]對于捷克酸性森林土壤研究結(jié)果相似.表層pH與鹽基離子呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)而與交換性Al3+呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，且鹽基離子Ca2+占比較大，含量高于Al3+.由Gruba等[22]模型指出，當(dāng)Ca2+/Al3+>1，Ca2+/CEC>4%時(shí)，鋁毒危害認(rèn)為被降到最低，因此，可認(rèn)為云南省森林表層土壤受鋁毒迫害較小.同時(shí)，礦物養(yǎng)分Ca和Mg含量較高，A層與pH值呈正相關(guān)性，而B層不具有相關(guān)性，主要與該地區(qū)成土母質(zhì)及其風(fēng)化程度有關(guān)，母質(zhì)類型多為紫色砂巖、石灰?guī)r、花崗巖等，且呈中度以上風(fēng)化，表明研究區(qū)域的微量養(yǎng)分豐富，森林生長發(fā)育受Ca和Mg因素限制的可能性較小.

不同林型間土壤pH值變化不明顯，闊葉林A層pH值較低于針葉林，B層變化趨勢與之相反，主要因?yàn)椴煌中烷g存在典型的優(yōu)勢樹種差異之外，還分布著混交林及灌木、草甸，對土壤pH值有一定的影響.而其他研究發(fā)現(xiàn)針葉林土壤pH值更趨向于酸性，源于落葉剛分解時(shí)產(chǎn)生大量有機(jī)酸，可能因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地及森林生長環(huán)境的不同導(dǎo)致結(jié)果差異[23].與廣東、福建沿海地區(qū)森林土壤平均pH值4.5～4.9相比，云南省森林土壤平均pH值在4.8～5.3之間，除海拔較高，腐殖質(zhì)含量豐富，降低了有機(jī)酸的分解以外，同時(shí)還存在人為影響，如大量表層凋落物的收集與移除會使得表層土壤pH值呈下降趨勢[24]，以及人工林營造、大氣酸沉降及土壤腐殖質(zhì)類型[25]等其他因素，因此，對于森林土壤pH值在不同相關(guān)因子間的變化規(guī)律及影響機(jī)制仍需要進(jìn)一步的探索.

5 結(jié)論

1) 云南省森林土壤質(zhì)地多為砂質(zhì)黏土，多數(shù)剖面中度以上發(fā)育程度，鹽基不飽和，陽離子交換量較低，鹽基離子以Ca2+和Mg2+為主，表層與底層養(yǎng)分含量差異較大，表層有機(jī)碳含量在2.5～430 g/kg之間，碳氮比在10～28之間，微量元素硅、鈣、鎂含量充分.

2) 80%的剖面土壤pH值小于5.7，且隨深度的增加而增加，全省pH值變化規(guī)律表現(xiàn)為：滇西北地區(qū)土壤pH值在5.5～6.0之間，中部及東部廣大地區(qū)pH一般在4.5～5.5之間，絕大部分土壤為酸性或強(qiáng)酸性土壤.A層pH值受養(yǎng)分指標(biāo)全氮、有機(jī)碳含量及鹽基離子的影響，而B層pH值變化幅度較小，主要受土壤質(zhì)地組成及礦物成分的影響.

3) 不同土層pH值均表現(xiàn)出受環(huán)境因素海拔、林型的影響，中高山海拔處pH值與針葉林下pH值高于其他海拔和林型.