杉木老齡林不同地形土壤活性鋁形態(tài)特征

費(fèi)裕翀 ，王 妍 ，陳義堂 ，張 筱 ，陳愛玲 2，，鄭 宏 ，曹世江 ，楊秋菊 ，曹光球 *

（1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州 350002；2.國家林業(yè)和草原杉木工程技術(shù)研究中心，福州 350002；3.中國林學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部，北京 100091；4.福建省洋口國有林場(chǎng)，福建 南平 353211；5.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002）

杉木（Cunninghamialanceolata）是我國南方最重要的人工造林樹種之一，據(jù)第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)表明，其栽培面積及蓄積皆居我國主要造林樹種的首位[1-2]。隨著林業(yè)集約生產(chǎn)水平的提高，杉木人工林獲得速生、豐產(chǎn)等喜人成果，但同時(shí)其地力下降現(xiàn)象也成為可持續(xù)經(jīng)營的主要障礙，而土壤鋁毒害則是造成該現(xiàn)象最為重要的原因之一[3]。鋁是地殼中含量最為豐富的金屬元素之一，正常條件下土壤中的鋁通常以難溶性硅酸鹽或氧化鋁的形式存在，對(duì)植物和環(huán)境沒有毒害作用。但在酸性條件下，難溶性的鋁會(huì)轉(zhuǎn)變成為可溶性的鋁，又稱活性鋁，當(dāng)土壤酸化到一定程度，鋁的積累達(dá)到植物耐受的極限時(shí)，便會(huì)阻礙植物的生長發(fā)育，造成鋁毒害[4]。研究表明土壤中過量的鋁可使杉木葉片中與植物活性氧代謝有關(guān)的過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和過氧化物酶等酶活性降低，對(duì)杉木葉片細(xì)胞造成損害[5]。此外高濃度的鋁脅迫對(duì)于杉木葉片的光合效率[6]、礦質(zhì)營養(yǎng)代謝[7]和氮代謝[8]等生理生化過程均具有抑制作用，并能阻礙杉木幼苗根尖分生組織細(xì)胞的分裂，不利于杉木營養(yǎng)物質(zhì)的積累[6]。同時(shí)杉木人工林土壤中活性鋁的積累能夠顯著降低細(xì)菌和放線菌數(shù)量，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致杉木人工林土壤的養(yǎng)分周轉(zhuǎn)障礙[9]。因此，如何緩解鋁對(duì)杉木人工林的毒害作用一直是眾多林業(yè)工作者研究的熱點(diǎn)。

由于我國杉木產(chǎn)區(qū)森林土壤大多呈酸性，土壤中難溶性鋁在生產(chǎn)經(jīng)營過程中被大量活化與釋放，而鋁在土壤中的化學(xué)形態(tài)與其對(duì)杉木生長發(fā)育的毒害作用密切相關(guān)[10]，為此加強(qiáng)杉木人工林土壤活性鋁形態(tài)的研究顯得尤為重要。目前有關(guān)鋁對(duì)杉木毒害的內(nèi)在生理機(jī)理[6-8]，以及不同樹種與杉木混交對(duì)于土壤鋁毒性的緩解機(jī)制[9，11]等方面已有研究，但單一林分下不同地形造成活性鋁含量和形態(tài)變化的研究則鮮有報(bào)道。亞熱帶地區(qū)山地丘陵眾多，雨水充沛，空間異質(zhì)性強(qiáng)，在長期的水土遷移過程中，不同地形間土壤理化性質(zhì)存在顯著差異；即使在同一土壤利用方式下，山地下坡位因受雨水沖刷，有機(jī)物質(zhì)不斷積累，土壤的pH值和吸附絡(luò)合能力相對(duì)提高，相比上坡位其活性鋁含量顯著減少[12]。大量研究表明，隨著杉木生長年限的增加，土壤趨于酸化，活性鋁含量處于不斷累積過程中[13-14]。因此，研究杉木老齡林可能更有助于探究不同地形下杉木人工林土壤鋁形態(tài)的差異規(guī)律。福建省南平市王臺(tái)鎮(zhèn)溪后村安曹下百年生杉木林為當(dāng)今世界上現(xiàn)存的林齡最大和單位面積蓄積量最高的杉木人工林，具有極大科研價(jià)值。本研究以此林分為研究對(duì)象，分析該林分不同地形不同土層土壤pH值和活性鋁形態(tài)差異，對(duì)于認(rèn)識(shí)杉木人工林活性鋁的轉(zhuǎn)換過程，以及杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)鋁毒害的精細(xì)化治理具有一定的科研和實(shí)踐意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究林分地位于福建省南平市王臺(tái)鎮(zhèn)溪后村安曹下（117°57′E，26°28′N），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，年均氣溫19.3℃，年均降水量1 699 mm，年均蒸發(fā)量1 413 mm，年均相對(duì)濕度83%。本區(qū)屬武夷山系南伸支脈，平均海拔200 m，土壤類型為山地暗紅壤，土層深度1 m以上。該林地前身為天然闊葉林，由王臺(tái)鎮(zhèn)溪后村村民承包后，于1918年10月采伐煉山后翌年立春進(jìn)行造林，初始造林密度為3 600株/hm2，造林后前5年定期進(jìn)行撫育，幼林郁閉后第8年與第11年砍除部分生長不良木后采取近自然化管理。該林分為世界上現(xiàn)存杉木人工林林齡最老和單位面積蓄積量最大的林分之一，具有極大的科研價(jià)值。

1.2 樣地概況與研究方法

1.2.1 樣品采集與處理

2018年4月根據(jù)前期調(diào)查，按不同地形條件，將杉木老齡林樣地分為西南坡（WS）、西北坡（WN）、山凹部（CT）和山洼地（VT），在西南坡、西北坡和山凹地分別設(shè)置3塊20 m×20 m樣地，山洼地因面積限制，共設(shè)置3塊15 m×15 m樣地，不同地形樣地基本情況見表1。在每塊樣地按對(duì)角線設(shè)置5個(gè)土壤樣品采樣點(diǎn)，去除表層枯枝落葉后分別取0～20、20～40和40～60 cm土層土壤，將同一樣地5個(gè)采樣點(diǎn)同一土層的土壤混合，去除石塊和根系等雜質(zhì)后用四分法取約1 kg左右的土壤裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)風(fēng)干后粉碎過1 mm和0.25 mm篩，用于測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic characteristics of sample plots

表2 不同地形土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil samples in different terrains

1.2.2 測(cè)定方法

采用環(huán)刀法和烘干法測(cè)定土壤容重、含水率和孔隙度等物理性，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀采用堿熔-火焰光度法測(cè)定，土壤pH值采用電位測(cè)定法測(cè)定，土壤全鋁含量采用酸溶—鋁試劑比色法，以上測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[15]。土壤交換性鋁（Al3+）、單聚體羥基鋁（Al（OH）2+、Al（OH）2+）、酸溶無機(jī)鋁（Al（OH）3）和腐殖酸鋁（Al-HA）的測(cè)定分別采用 KCl、NH4AC、HCl和NaOH浸提[16-17]，使用鋁試劑比色法測(cè)定不同形態(tài)活性鋁含量[18]。

1.2.3 計(jì)算和統(tǒng)計(jì)方法

初始數(shù)據(jù)采用WPS 2012進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)和作圖，采用單因素（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD法）檢驗(yàn)同一土層單變量或同一地形單變量對(duì)相關(guān)指標(biāo)的影響差異；采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）地形、土層深度及其交互作用對(duì)土壤理化指標(biāo)的影響；運(yùn)用Person相關(guān)分析檢測(cè)各土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)性；運(yùn)用主成分分析，分析各地形土壤活性鋁形態(tài)差異。數(shù)據(jù)分析均采用SPSS 24.0軟件，作圖采用WPS 2012軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地形及土層對(duì)土壤活性鋁形態(tài)的雙因素分析

雙因素方差分析結(jié)果表明，地形對(duì)于杉木老齡林土壤pH值，交換性鋁、腐殖酸鋁和酸溶無機(jī)鋁的含量具有顯著影響，土層對(duì)于腐殖酸鋁和酸溶無機(jī)鋁的含量具有顯著影響，地形和土層僅對(duì)腐殖酸鋁的含量具有顯著的交互作用（表3）。

表3 不同地形及土層對(duì)土壤活性鋁形態(tài)的雙因素分析Table 3 Two-factor analysis of soil active aluminum form by terrain and soil layers

2.2 不同地形土壤pH值和全鋁含量特征

研究結(jié)果表明，杉木老齡林土壤pH值介于4.72～5.09之間，均為酸性土壤。方差分析表明不同土層、不同地形對(duì)土壤pH值、全鋁含量均無顯著影響。整體而言，4類地形pH值和全鋁含量均隨著土層深度的增加而呈增加趨勢(shì)；同一土層下，4類地形pH值總體表現(xiàn)為VT＞W(wǎng)S＞CT＞W(wǎng)N，全鋁含量表現(xiàn)為CT＞W(wǎng)N＞VT＞W(wǎng)S（表 4）。

表4 不同地形土壤pH值和全鋁含量特征Table 4 Characteristics of soil pH value and total aluminum content in in different terrains

2.3 不同地形土壤活性鋁形態(tài)特征

本研究區(qū)杉木老齡林土壤活性鋁含量占全鋁含量的25.52%～60.35%，隨著土壤深度的增加鋁活化程度逐漸降低，4類地形活性鋁占全鋁的比例總體表現(xiàn)為WN＞W(wǎng)S＞CT＞VT。由圖1可見，該杉木老齡林土壤中活性鋁主要為酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁，分別占活性鋁總量的17.82%～56.85%和39.39%～78.40%，各形態(tài)活性鋁所占百分比均為腐殖酸鋁＞酸溶無機(jī)鋁＞交換性鋁＞單聚體羥基鋁。4類地形交換性鋁、單聚體羧基鋁和酸溶無機(jī)鋁含量均隨著土層深度的增加而減少，而腐殖酸鋁則隨著土層深度的增加而不斷增加。同一土層中，單聚體羧基鋁含量總體表現(xiàn)為 CT＞W(wǎng)S＞W(wǎng)N＞VT，但僅在 0～20 cm 土層，CT地形含量顯著高于其他地形，相比WS、WN和VT分別提高了36.67%、45.22%和51.82%，在20～40 cm和40～60 cm土層，地形對(duì)于單聚體羧基鋁含量影響較小，各地形之間差異均未達(dá)到顯著水平；同一土層中，腐殖酸鋁含量總體表現(xiàn)為WN＞CT＞W(wǎng)S＞VT，在各土層中WN地形腐殖酸含量均顯著高于其他地形；對(duì)同一土層深度而言，4類地形交換性鋁和酸溶無機(jī)鋁含量總體表現(xiàn)為WN＞W(wǎng)S＞CT＞VT。在0～20 cm土層，WN地形土壤交換性鋁含量相比WS、CT和VT分別提高了17.13%、34.57%和66.45%，其中與CT和VT地形間差異達(dá)到顯著水平，酸溶無機(jī)鋁含量則分別提高了8.27%、14.58%和49.46%，其中與VT地形間差異達(dá)到顯著水平。

圖1 不同地形各類活性鋁含量特征Figure 1 Active aluminum content of various forms in different terrains

2.4 不同地形土壤活性鋁形態(tài)差異

按照特征值＞1且累積貢獻(xiàn)率＞85%的原則抽取了2個(gè)主成分（表5），其特征值分別為2.34和1.244，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.76%，已提供了全部指標(biāo)85%以上的信息。PC1高權(quán)重變量為交換性鋁、酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁，PC2高權(quán)重變量為單聚體羥基鋁。由圖2可知，WS和CT地形土壤活性鋁形態(tài)分布較為相似，與WN和VT地形差異較大。WN和VT地形在PC2上得分差異較小，在PC1得分差異較大，兩者間土壤活性鋁形態(tài)差異主要體現(xiàn)為交換性鋁、酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量。

表5 土壤活性鋁形態(tài)主成分分析的貢獻(xiàn)率及因子載荷Table 5 Contribution rate and factor loading of principal component analysis about soil active aluminum forms

圖2 土壤活性鋁形態(tài)主成分分析Figure 2 Principal component analysis about soil active aluminum form

2.5 土壤鋁形態(tài)及pH的相關(guān)關(guān)系

由表6可見，在0～20 cm土層中，pH值與交換性鋁、腐殖酸鋁和全鋁含量具有顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，交換性鋁含量與單聚體羧基鋁含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，單聚體羧基鋁含量與酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量具有顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。在20～40 cm土層中pH值與交換性鋁含量、酸溶無機(jī)鋁含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在40～60 cm土層中pH值僅與全鋁含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。交換性鋁含量在各土層均與酸溶無機(jī)鋁、腐殖酸鋁含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，酸溶無機(jī)鋁含量在20～40和40～60 cm土層均與腐殖酸鋁含量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)含量與各形態(tài)活性鋁含量普遍呈正相關(guān)關(guān)系，其中與交換性鋁、酸溶無機(jī)鋁呈顯著正相關(guān)。總體而言，除 20～40和40～60 cm土層單聚體羧基鋁含量與pH值呈正相關(guān)關(guān)系，其余各形態(tài)活性鋁含量均與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。值得注意的是，隨著土層深度的增加各形態(tài)活性鋁含量與pH值的相關(guān)系數(shù)逐漸降低，表明本研究區(qū)杉木老齡林土壤中各形態(tài)活性鋁含量隨pH值的變化主要表現(xiàn)在土壤上層，交換性鋁、酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量三者間則具有密切的正相關(guān)關(guān)系。

表6 不同地形土壤鋁形態(tài)與pH和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis of soil aluminum morphology，organic matter and pH in different terrains

3 討論

鋁對(duì)杉木的毒害作用與其在土壤中的形態(tài)密切相關(guān)，不同形態(tài)活性鋁的毒害作用具有明顯差異，其中交換性鋁因具有較強(qiáng)的生物有效性，是造成杉木人工林土壤鋁毒害的主要形態(tài)[19]。本研究中交換性鋁、腐殖酸鋁和酸溶無機(jī)鋁含量均表現(xiàn)為西北坡最高，山洼地最低，且4類地形中以西北坡的土壤活性鋁積累現(xiàn)象最為明顯，可見4類地形中西北坡的土壤鋁毒性最高。主成分分析表明西南坡和山凹部土壤活性鋁形態(tài)分布則較為相似，土壤中交換性鋁、酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量介于西北坡和山洼地間，雖具有較高含量的單聚體羧基鋁，但鑒于單聚體羥基鋁占活性鋁總量的比例較低，且毒害作用不及交換性鋁，西南坡和山凹部土壤鋁毒性可能同樣介于山洼地和西北坡兩者間。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相比于西北坡，山洼地水熱條件相對(duì)較好，林下植被發(fā)育水平較高，而林下植被根系能夠分泌大量包括糖類、氫基酸、有機(jī)酸和酶類等小分子有機(jī)物，這些小分子有機(jī)物可在常溫環(huán)境下與土壤中的交換性鋁穩(wěn)定絡(luò)合[20-22]，這可能是山洼地活性鋁尤其是交換性鋁積累現(xiàn)象較輕，而西北坡積累現(xiàn)象較高的原因。從本研究的表2可知，由于長期的水土遷移，4類型地形中山洼地土壤全磷和全鉀含量較高，有機(jī)質(zhì)含量卻較低，且相關(guān)性分析表明有機(jī)質(zhì)含量與各形態(tài)活性鋁含量總體呈正相關(guān)關(guān)系，這與以往研究結(jié)果不同；現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為土壤中有機(jī)質(zhì)含量的增加有利于增強(qiáng)土壤對(duì)鋁的吸附絡(luò)合能力，尤其能夠降低交換性鋁含量[23]，且有機(jī)質(zhì)中所含有的弱酸基可與氫離子結(jié)合，阻礙氫-鋁轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而提高土壤pH值，減少土壤礦物中活性鋁的溶出量[24]。造成該差異的原因可能與本試驗(yàn)取樣時(shí)間為春季，此時(shí)土壤中較高的微生物活性促進(jìn)了杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分周轉(zhuǎn)[21]，造成有機(jī)質(zhì)被大量分解轉(zhuǎn)化有關(guān)。

本研究結(jié)果表明隨著土層深度的增加，各地形土壤中交換性鋁、單聚體羧基鋁和酸溶無機(jī)鋁含量不斷減少，且各形態(tài)活性鋁含量隨pH值的變化主要表現(xiàn)在淺層土壤，和大量研究結(jié)果相一致[24-25]，這與淺層土壤受雨水淋溶和酸沉降[26]、凋落物分解[27]以及植物根系分泌[28]等因素影響最為直接有關(guān)。但腐殖酸鋁卻并未隨著土層深度的增加而減少，可能與酸化環(huán)境下，土壤腐殖質(zhì)易發(fā)生分解，pH越低分解量越大有關(guān)[29]。相關(guān)性分析表明交換性鋁與酸溶無機(jī)鋁、腐殖酸鋁含量之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系。這與交換性鋁是土壤潛性酸最主要的來源，是氫離子的直接產(chǎn)生者[25]，其含量的升高將進(jìn)一步促進(jìn)土壤礦物中鋁的溶出有關(guān)。因此，降低杉木人工林土壤中交換性鋁含量是改善杉木人工林土壤鋁毒害的重點(diǎn)。值得注意的是，Liu B.等[29]對(duì)土壤鋁毒害閾值的研究表明，當(dāng)土壤中交換性鋁含量約達(dá)到37.53 mg/kg時(shí)便會(huì)對(duì)杉木生長造成毒害作用，但由于本研究的林分為杉木老齡林，樹體抗逆性較高，加之長期的近自然化管理，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，樹體并未表現(xiàn)出鋁毒害現(xiàn)象。此外，通過對(duì)比福建地區(qū)不同林齡杉木人工林土壤后發(fā)現(xiàn)，該杉木老齡林土壤中酸溶無機(jī)鋁含量明顯高于其他研究結(jié)果[30-31]。酸溶無機(jī)鋁是介于沉淀鋁及可溶性鋁間的一種特殊形態(tài)，當(dāng)土壤pH＜5時(shí)酸溶無機(jī)鋁可向交換性鋁轉(zhuǎn)化，pH＜4.5時(shí)土壤中酸溶無機(jī)鋁將大量轉(zhuǎn)化，交換性鋁含量將占活性鋁含量的70%[32-34]。目前該林分土壤pH值范圍為4.72～5.09，因此應(yīng)注重合理的經(jīng)營管理，否則林分環(huán)境遭遇重大變化，土壤酸化將使得鋁毒性快速增強(qiáng)。相關(guān)研究表明營造混交林可顯著降低酸溶無機(jī)鋁的含量[35]，說明適當(dāng)在該林分中引入闊葉樹種，營造復(fù)層混交林，可降低土壤活性鋁含量。

4 結(jié)論

研究表明該杉木人工林西北坡土壤活性鋁積累現(xiàn)象最為明顯，西南坡和山凹部其次，山洼地最低，土壤淺層活性鋁含量較高。目前針對(duì)杉木鋁毒害較常采用的防治措施主要為施用腐殖酸、有機(jī)肥，鈣鎂磷肥和硅酸鹽石灰等。結(jié)合本研究結(jié)果來看，在杉木人工林的經(jīng)營管理中，制定鋁毒害防治措施可根據(jù)地形適當(dāng)增減土壤改良劑用量。此外，該杉木老齡林土壤活性鋁主要為酸溶無機(jī)鋁和腐殖酸鋁，酸溶無機(jī)鋁生物毒性較小，但易發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化，具有較大潛在鋁毒性。在今后研究中需要對(duì)該形態(tài)活性鋁的固定、釋放和遷移等理化性質(zhì)加以關(guān)注，以期為杉木人工林的鋁毒害防治進(jìn)行更為深入的研究。