華西雨屏區(qū)植被恢復(fù)對(duì)紫色土酸化的影響

楊 帆,郝梓君,2,黃來(lái)明,蘆園園,楊 峰,韓光中,*

1 內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院,土壤過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)江 641100

2 攀枝花市第三十二中小學(xué)校,攀枝花 617066

3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

5 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,國(guó)家環(huán)境保護(hù)土壤環(huán)境管理與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210042

6 成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,成都 610225

酸化是土壤形成過(guò)程中產(chǎn)生H+,酸性增加的一種普遍現(xiàn)象[1—2]。自然條件下,土壤酸化是一個(gè)緩慢的成土過(guò)程[3]；近年來(lái),人為作用,如施用化肥、改變土地利用方式、酸沉降等加劇了土壤酸化[4—8]。土壤酸化加速養(yǎng)分和鹽基離子的淋失,造成土壤養(yǎng)分保蓄能力及肥力下降；活化金屬離子(如鋁、錳、重金屬等),毒害植物生長(zhǎng)、危害水體；降低土壤生物活動(dòng)及其酶活性,造成植被退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降等[3—4, 9—10]。因此,土壤酸化改變了生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán),對(duì)生物群落產(chǎn)生有害作用,造成土壤退化[3, 11]。林地是酸性土壤分布面積最大的生態(tài)系統(tǒng),其酸化現(xiàn)象嚴(yán)重[3, 5, 12—13]。植物和酸雨被認(rèn)為是林地土壤酸化的兩大成因,關(guān)于植物對(duì)土壤酸化的影響已取得一系列共識(shí):林木根系吸收鹽基離子同時(shí)釋放H+(以達(dá)電荷平衡)引起的鹽基離子重新分配、有機(jī)酸性物質(zhì)的輸入(林木凋落物分解形成腐殖質(zhì))和土壤呼吸產(chǎn)生CO2(形成HCO-3淋失)[11, 14—16]。1949—1970年間,瑞典南部森林表層土壤pH下降了0.5—1.0個(gè)單位[12]；1950—1980年間德國(guó)森林2 m土壤pH下降了約1個(gè)單位[13]；1980—2000年間我國(guó)森林表層30 cm土壤pH平均下降了0.36個(gè)單位,西南地區(qū)森林土壤pH下降程度最高[17]。自退耕還林工程實(shí)施以來(lái),我國(guó)森林覆蓋率增加,對(duì)全球綠化面積的增加貢獻(xiàn)顯著[18],但森林恢復(fù)也加速了土壤酸化[19]。比利時(shí)耕地改種闊葉林35a后,表層5 cm土壤pH下降了2—3.3個(gè)單位,樹(shù)種類型是導(dǎo)致土壤酸化的重要因素[20],但退耕還林后植物加速土壤酸化的機(jī)理尚不明確。在退耕還林工程中,科學(xué)合理地選擇還林樹(shù)種是有效控制水土流失、恢復(fù)自然生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵,但不同樹(shù)種對(duì)土壤酸化的影響程度及其差異的研究還十分匱乏。

華西雨屏區(qū)是四川盆地向青藏高原過(guò)渡區(qū),是四川省降雨量最豐富的地區(qū)之一,也是我國(guó)水土流失及相關(guān)自然災(zāi)害頻發(fā)區(qū)[21]。自1999年起,該地區(qū)開(kāi)展大規(guī)模退耕還林,將坡耕地停止耕種,改種杉樹(shù)、光皮樺、竹子、茶樹(shù)等恢復(fù)森林植被。紫色土是華西雨屏區(qū)分布最廣的土壤資源,由于紫色土化學(xué)成分具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,鹽基得到母巖風(fēng)化的不斷補(bǔ)充,使得紫色土對(duì)酸性物質(zhì)的緩沖性較為復(fù)雜,其酸化特征和過(guò)程仍不清楚[22]?；诖?本研究以華西雨屏區(qū)紫色土坡耕地作為參考,分析了柳杉純林、柳杉-光皮樺混交林、慈竹林、茶園植被恢復(fù)20a后紫色土pH變化及其垂直分布特征,對(duì)理解紫色土坡耕地植被恢復(fù)過(guò)程土壤酸化以及人工林的經(jīng)營(yíng)管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洪雅縣(102°49′—103°47′ E,29°24′—30°01′ N)是四川省退耕還林工程重點(diǎn)區(qū)域,位于四川盆地西南緣華西雨屏區(qū),地貌以低山丘陵為主[19]。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)山地氣候,降雨量1300—2000 mm,降雨集中在6—8月,年均溫14—16℃,地帶性植被為常綠闊葉林,廣泛分布著發(fā)育于中生代紫色泥巖、砂巖和頁(yè)巖的紫色土[19]。地質(zhì)條件不穩(wěn)定、降雨強(qiáng)度大以及耕作粗放、林地破壞等自然和人為原因?qū)е滤亮魇?yán)重。基于此,洪雅縣于1999年啟動(dòng)退耕還林(草)工程。為了兼顧生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益,建立了生態(tài)林和經(jīng)濟(jì)林的復(fù)合還林模式,主要造林樹(shù)種有柳杉(Cryptomeriafortunei)、杉木(Cunninghamialanceolata)、光皮樺(Betulaluminifera)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)、茶樹(shù)(Camelliasinensis)等。1999—2006年,洪雅縣退耕還林面積達(dá)14600 hm2,森林覆蓋率超過(guò)65%。

1.2 樣品采集與分析

2019年對(duì)洪雅縣退耕還林工程進(jìn)行實(shí)地考察,設(shè)計(jì)以紫色土坡耕地(玉米地,SF)為對(duì)照,采集退耕后形成的代表性柳杉純林(CF)、柳杉-樺樹(shù)混交林(MF)、慈竹林(NA)、茶園(CS)紫色土為研究對(duì)象(表1)。各樣點(diǎn)挖掘三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面,記錄土壤剖面形態(tài)特征,按照10 cm間隔采集0—50 cm(紫色土體淺薄)土壤分析樣品和環(huán)刀原狀樣品。土壤樣品挑去植物殘?bào)w和侵入體,室內(nèi)自然風(fēng)干。風(fēng)干土樣過(guò)10目尼龍篩,記錄礫石和細(xì)土重量；然后將細(xì)土在瑪瑙研缽磨細(xì),分別過(guò)60目和100目尼龍篩,保存?zhèn)溆?。土壤理化屬性分析參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[23]:土壤pH,電位法(土水比1: 2.5)；土壤含水量、容重,環(huán)刀法；土壤比重,比重瓶法；土壤有機(jī)質(zhì),重鉻酸鉀-硫酸消化法；土壤全氮,凱氏定氮法；另外,土壤K、Na全量,碳酸鋰-硼酸熔融法[24]。土壤化學(xué)指標(biāo)均設(shè)置全程空白,并以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS- 3和GSS- 5)作為質(zhì)量控制。

表1 樣地基本特征

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤孔隙是容納水分和空氣的空間,也是水分遷移的通道。本研究運(yùn)用容重的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)土壤孔隙度進(jìn)行計(jì)算[23]。

式中,f為土壤總孔隙度(%),ρb為土壤容重(g/cm3),ρs為土壤比重(g/cm3)。

采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行不同植被類型土壤屬性間、同一植被類型下不同土層間土壤pH值的方差分析(ANOVA)和土壤屬性間相關(guān)分析(Pearson),并運(yùn)用線性逐步回歸來(lái)解釋不同土壤屬性對(duì)紫色土酸化的影響(篩選并剔除引起多重共線性的變量,使得保留在模型中的解釋變量是最重要的),采用OriginPro 2016軟件進(jìn)行圖像化處理。

2 結(jié)果

2.1 不同植被恢復(fù)后紫色土理化屬性的變化

不同植被類型下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為7.15—38.63 g/kg和0.53—1.91 g/kg(圖1)。玉米地各層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量最低(10—20 cm除外),顯著低于退耕還林后土壤(P<0.05),植被恢復(fù)促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)和氮的積累,以茶園土壤最為明顯。土壤全K含量為18.69—34.59 g/kg,柳杉純林各層土壤全K含量最高,顯著高于其他土壤(P<0.05),玉米地土壤次之,慈竹林土壤最低(圖1)。土壤全Na含量為5.80—17.01 g/kg,玉米地各層土壤全Na含量最高,顯著高于退耕還林后土壤(P<0.05),茶園土壤次之,慈竹林土壤最低(圖1)。

圖1 不同植被類型土壤理化屬性

土壤容重為1.02—1.50 g/cm3(圖1)。0—20 cm土壤容重,玉米地土壤最高,柳杉純林土壤次之,混交林土壤最低；20—50 cm土壤容重,混交林土壤最高,玉米地土壤次之,柳杉純林土壤最低(40—50 cm除外)(圖1)。土壤總孔隙度為42.32%—61.51%(圖1)。0—20 cm土壤總孔隙度,混交林土壤最高,茶園土壤次之,玉米地土壤最低；20—40 cm柳杉純林土壤總孔隙度顯著高于其他土壤(P<0.05),不同植被類型40—50 cm土壤總孔隙度差異不顯著(P>0.05)。土壤含水量為25.05%—44.46%(圖1)。0—20 cm土壤含水量,混交林土壤最高,茶園土壤次之,玉米地土壤最低(圖1)。綜上表明華西雨屏區(qū)植被恢復(fù)有利于降低表層土壤容重、增加表層土壤孔隙度和含水量,改善了紫色土物理狀況。

2.2 不同植被恢復(fù)后紫色土pH的變化及其剖面分異

不同植被類型0—50 cm土壤pH加權(quán)平均值(n=3)為5.00—5.66(圖2),玉米地(5.66±0.45)>慈竹林(5.55±0.05)>茶園(5.12±0.05)>混交林(5.03±0.05)>柳杉純林(5.00±0.03)。以玉米地為參照,慈竹林0—50 cm土壤pH加權(quán)平均值下降0.11個(gè)單位,差異不顯著；而茶園、混交林和柳杉純林0—50 cm土壤pH加權(quán)平均值分別下降了0.54、0.63和0.66個(gè)單位,顯著下降(P<0.01,n=15)。茶園、混交林和柳杉純林土壤酸性增強(qiáng),紫色土由酸性變?yōu)閺?qiáng)酸性。

圖2 不同植被類型0—50 cm土壤pH加權(quán)平均值

不同植被類型土壤pH值垂直分布特征見(jiàn)圖3。玉米地各層土壤pH值為5.54—5.73,呈酸性；相鄰?fù)翆觩H值差異不顯著(P>0.05,n=15),且不同土層pH的變異系數(shù)(CV)=1.5%,變異弱, pH在玉米地土壤剖面中呈均一分布。慈竹林各層土壤pH值為5.21—5.90,CV=5.3%,隨土壤深度的增加而增加；0—20 cm土壤pH值顯著低于20—50 cm土壤(P<0.01,n=15),0—10 cm和10—20 cm土壤pH值較40—50 cm土壤分別降低了0.69和0.61個(gè)單位。茶園各層土壤pH值為4.79—5.42,呈強(qiáng)酸性,CV=5.1%,隨土壤深度的增加而增加；0—10 cm土壤pH值顯著低于10—50 cm土壤(P<0.01,n=15),較40—50 cm土壤pH值下降0.63個(gè)單位。柳杉純林和混交林各層土壤pH值為4.72—5.26,呈強(qiáng)酸性,CV分別為4.3%和2.2%,均隨土壤深度的增加先增加后降低,在30—40 cm處達(dá)到最大值,但40—50 cm與30—40 cm土壤pH值差異不顯著(圖3)；柳杉純林和混交林0—10 cm土壤pH值顯著低于其下部土壤(P<0.01,n=15),較40—50 cm土壤pH值分別下降了0.24和0.45個(gè)單位。

圖3 不同植被類型土壤pH的垂直分布

華西雨屏區(qū)植被恢復(fù)20a后,人工林紫色土pH值總體隨土壤深度的增加而增加。以母質(zhì)層(40—50 cm)為參照,慈竹林、柳杉純林、混交林和茶園0—10 cm土壤pH值下降了0.24—0.69個(gè)單位,呈顯著下降趨勢(shì)。華西雨屏區(qū)植被恢復(fù)不僅引起了土壤酸化,同時(shí)也改變了土壤pH值的剖面分異,由玉米地的均一分布模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡S土壤深度的增加而增加的分布特征,表層0—10 cm土壤酸化明顯。

2.3 土壤pH值與理化屬性的相關(guān)性分析

土壤pH值與土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。植被恢復(fù)增加了林地生物量及其凋落物返還土壤,有利于土壤腐殖質(zhì)的積累,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量增加；另外,凋落物分解形成土壤腐殖質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生H+。因此,人工林土壤形成腐殖質(zhì)的過(guò)程,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量增加,pH值降低,土壤酸化。水和孔隙是土壤元素溶解、運(yùn)移的載體和通道,土壤pH與土壤總孔隙度、含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。Na/K比值是表征土壤風(fēng)化的重要參數(shù),土壤pH值與土壤Na/K比值呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4)。在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)土壤pH值進(jìn)行逐步回歸分析?；貧w模型為:pH=-0.029SOM+0.723Na/K+5.35,模型通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.01,n=25),其決定系數(shù)R2= 0.539,表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與Na/K比值共同解釋了土壤pH變異的53.9%,土壤有機(jī)質(zhì)積累和風(fēng)化是紫色土酸化的重要驅(qū)動(dòng)因素。

圖4 土壤pH值與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、總孔隙度、含水量及其Na/K比值相關(guān)性

3 討論

3.1 植被類型對(duì)紫色土酸化的影響

研究區(qū)定位(n=3)試驗(yàn)表明2006年紫色土坡耕地表層(0—20 cm)土壤pH值約為5.6[25],這與本研究紫色土坡耕地表層土壤pH值相當(dāng),其相對(duì)變化小于1%,表明本研究選用紫色土坡耕地作為參照是合理的。研究區(qū)植被恢復(fù)20a后紫色土pH值均呈下降趨勢(shì),慈竹林土壤pH值下降不顯著,柳杉純林、混交林(柳杉為建群種)和茶園土壤pH值則呈顯著下降趨勢(shì),表明不同植物類型對(duì)紫色土酸化的影響程度不同。在華西雨屏區(qū),胡慧蓉對(duì)雅安退耕還林區(qū)的研究表明紫色土坡耕地植被恢復(fù)30a后,柳杉林、慈竹林0—20 cm土壤pH值分別降低了0.97和0.25個(gè)單位,種植柳杉造成土壤表層明顯酸化[26]。Jackson等[19]的研究表明大規(guī)模種樹(shù)可能造成土壤酸化,柳杉生長(zhǎng)迅速[27],樊吉尤等[28]研究表明廣西柳杉成年林平均每年凈生產(chǎn)力為7.89 t/hm2,柳杉從土壤中吸收鹽基陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、K+和Na+)的同時(shí),為保持土壤體系的電荷平衡,向土壤溶液釋放H+,使土壤酸性增強(qiáng)。土壤腐殖質(zhì)的形成過(guò)程是土壤自然酸化過(guò)程之一[11],柳杉成年林每年凋落物為8.89 t/hm2(葉片年凋落量為1.88 t/hm2)[29],而30年齡的柳杉林凋落物可達(dá)9.60 t/hm2[26],凋落物分解形成土壤腐殖質(zhì)過(guò)程中,尤其以萜類、醇類及酸類為主的葉片在分解過(guò)程中產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì),進(jìn)入土壤造成pH值下降。本研究的結(jié)果表明植被恢復(fù)有利于人工林地土壤腐殖質(zhì)積累,其土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加,而土壤pH值則顯著下降,兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。本研究中柳杉-光皮樺混交林土壤pH高于柳杉純林,酸化程度低于柳杉純林,這與張鼎華等[30]在寧德市杉木混交林的研究結(jié)果相似。一方面柳杉初級(jí)生產(chǎn)力高于光皮樺[31],柳杉純林比混交林從土壤吸收更多的鹽基物質(zhì),釋放更多的H+到土壤溶液；另一方面柳杉落葉凋落物酸不溶組分含量高于闊葉樹(shù)光皮樺[32],土壤形成腐殖質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生更多的酸性物質(zhì)。相對(duì)于混交林,柳杉純林樹(shù)種單一,林木競(jìng)爭(zhēng)生存環(huán)境產(chǎn)生自毒作用分泌有機(jī)酸和酚類物質(zhì),增加了土壤H+的來(lái)源[33]。

1980—2000年間,我國(guó)茶園0—20 cm土壤pH值下降了0.47—1.43個(gè)單位,茶園土壤酸化問(wèn)題突出[34]。本研究紫色土坡耕地種植茶樹(shù)20a后0—20 cm土壤pH下降0.77—0.99個(gè)單位,茶園土壤酸化明顯。茶樹(shù)自身的生長(zhǎng)發(fā)育特性與茶園管理是造成土壤酸化的主要原因[34—37]。茶樹(shù)生長(zhǎng)吸收大量養(yǎng)分(包括鹽基離子)和Al3+(富集在葉片),通過(guò)離子交換作用向土壤釋放H+,經(jīng)過(guò)土壤-植物元素的生物化學(xué)循環(huán)引起土壤酸化(圖5)。另外,茶樹(shù)凋落物、修剪物歸還茶園和茶樹(shù)根系代謝物(單寧酸)分別以凋落物和分泌物形式進(jìn)入土壤[34,37],進(jìn)一步加速土壤酸化并活化Al3+。因此,退耕還林種植茶樹(shù)促進(jìn)了紫色土向高酸度、高活性鋁的方向演化。

圖5 華西雨屏區(qū)植被恢復(fù)紫色土酸化示意圖

3.2 紫色土酸化的土壤過(guò)程

土壤腐殖質(zhì)指有機(jī)物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化形成一種構(gòu)造復(fù)雜的大分子膠體,是土壤有機(jī)質(zhì)存在的主要形式。腐殖質(zhì)按在酸、堿中溶解性的差異分為胡敏酸、富里酸和胡敏素,呈弱酸性[38]。華西雨屏區(qū)植被恢復(fù)進(jìn)程中增加了人工林凋落物的歸還,在微生物作用下形成腐殖質(zhì),顯著提高了紫色土有機(jī)質(zhì)含量,以表層土壤(0—10 cm)最為明顯。腐殖質(zhì)形成過(guò)程產(chǎn)生大量有機(jī)酸進(jìn)入土壤,引起土壤酸化(圖5)。因此,植被恢復(fù)過(guò)程人工林紫色土表層0—10 cm酸化嚴(yán)重。本研究表明樹(shù)種對(duì)退耕還林區(qū)紫色土的酸化程度影響不同,這與De Schrijver[20]的研究結(jié)果相似:不同樹(shù)種葉片組成及其凋落物分解速率具有明顯差異,植被類型是影響比利時(shí)退耕還林土壤酸化的主要因素。另外,植被類型對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分在土壤-植物的生物循環(huán)過(guò)程也具有重要影響,植物吸收鹽基陽(yáng)離子的種類、總量不同,釋放H+總量不同,這是森林土壤酸化的主要過(guò)程之一(圖5)。為了更加全面地理解華西雨屏區(qū)紫色土酸化的進(jìn)程,將來(lái)應(yīng)加強(qiáng)植物生理過(guò)程對(duì)土壤酸化的研究,為人工林的管理提供全面的參考。

紫色砂頁(yè)巖礦物組成復(fù)雜,易風(fēng)化的長(zhǎng)石類礦物豐富[39—40],因此,紫色土成土速度快,在風(fēng)化過(guò)程中快速地消耗H+,同時(shí)釋放Na+和K+,在降雨豐富的氣候條件下,Na+優(yōu)先被淋失,部分K+則轉(zhuǎn)化形成伊利石或蛭石等黏土礦物保存下來(lái),淋溶作用使土壤膠體表面吸附的鹽基離子減少,土壤pH值下降[11, 41]。本研究中紫色土快速風(fēng)化,土壤Na/K比值增加,而土壤pH值下降(圖4)。表明紫色砂頁(yè)巖含有豐富的長(zhǎng)石類礦物風(fēng)化是華西雨屏區(qū)紫色土酸化的重要特征(圖5)。

華西雨屏區(qū)位于四川盆地向青藏高原過(guò)渡地理單元,是四川省降雨量最豐富的地區(qū)之一[21]。成都平原產(chǎn)生的NOx和SO2受華西雨屏區(qū)地形影響,形成酸雨沉降下來(lái),造成土壤酸化[42—43]。另外,Huang等研究表明我國(guó)南方酸沉降不僅直接向土壤中輸入H+,而且還會(huì)通過(guò)氮素轉(zhuǎn)化間接產(chǎn)生H+,加劇土壤酸化過(guò)程[6]。華西雨屏區(qū)人工林的形成增加了林冠對(duì)酸雨的截留,減少了地表徑流[44],增加了土壤下滲；另外,植被恢復(fù)改善了紫色土物理狀況,表層土壤總孔隙度和含水量增加,較高的土壤孔隙度和含水量,有利于紫色土鐵錳氧化物的水化和鹽基離子淋溶,造成土壤pH值下降(圖5)。本研究主要探討植被類型和土壤形成過(guò)程對(duì)紫色土酸化的影響,酸沉降對(duì)華西雨屏區(qū)紫色土酸化的貢獻(xiàn)未來(lái)仍需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

紫色土酸化是土壤-植物-大氣系統(tǒng)中相互作用的結(jié)果。本研究表明植物類型是影響華西雨屏區(qū)紫色土酸化的重要因素,柳杉和茶樹(shù)的植被恢復(fù)模式造成了紫色土酸化明顯。植被恢復(fù)提升了紫色土有機(jī)質(zhì)含量,凋落物分解形成土壤腐殖質(zhì)引起紫色土酸化,以表層0—10 cm土壤最為明顯；另外,紫色砂頁(yè)巖長(zhǎng)石類礦物快速風(fēng)化及其隨后鹽基離子重新分配是華西雨屏區(qū)紫色土酸化的重要特征。本研究結(jié)果可為紫色土退耕還林區(qū)土壤酸化治理及其構(gòu)建可持續(xù)人工林生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)和參考。