重慶酸雨區馬尾松純林改造對土壤酸化特征及團聚體穩定性的影響

王軼浩，陳 展， 周建崗， 張媛媛

1 重慶師范大學地理與旅游學院 重慶市三峽庫區地表生態過程野外科學觀測研究站,重慶 401331 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 3 山西省沁縣漳源林場, 長治 046400

酸沉降是全球面臨的主要環境問題之一,對全球生態系統造成極大威脅,嚴重影響著人類生存與發展。我國已成為繼歐洲和北美之后的世界第三大酸雨區,特別是我國南方的酸雨污染尤為嚴重[1]。重慶是我國老酸雨區,早在20世紀80年代就報道了重慶南山風景區馬尾松林受酸雨影響普遍生長不良,甚至大面積死亡的現象[2]。雖然自2010年開始重慶酸沉降量總體呈下降趨勢,但其降水pH值仍然較低[3],并且酸沉降引起的土壤酸化現象短期內不會消除。馬尾松(Pinusmassoniana)對酸沉降危害極其敏感,已有研究表明,馬尾松受到酸沉降危害后會表現出明顯的落葉率增加[4]、根系分布變淺[5]、生物量下降[6]等受害特征。同時,馬尾松在我國南方山地丘陵區廣泛分布,是當地主要造林樹種和先鋒樹種,這種馬尾松林和酸沉降區的空間分布范圍高度重疊,給我國南方山地丘陵區森林經營管理帶來了極大困難和挑戰。

為應對酸沉降對馬尾松林的危害,進行馬尾松純林的闊葉林替代或林下補植闊葉樹種是常采用的主要改造措施。目前國內外學者對于酸沉降影響森林已做了大量研究[7-10],取得了較多成果,如表明酸沉降能引起土壤酸化,進而造成土壤鹽基離子淋失及一些有毒元素活化[11]；王軼浩等[12]研究認為酸沉降導致馬尾松林土壤水文物理性質變差,涵養水源功能下降。土壤團聚體作為土壤結構與肥力的重要指標,對土壤養分的維持、供給和轉化等都有重要影響[13],其中土壤團聚體含量及穩定性是表征土壤結構好壞的重要參數[14],而土壤團聚體穩定性往往通過幾何平均直徑(Geometric Mean Diameter, GMD)和平均質量直徑(Mean Weight Diameter, MWD)衡量[15],GWD和MWD值越大表明土壤團聚體的平均粒徑團聚度越高,穩定性越強[16]。但以往研究更多關注酸沉降對森林植被、土壤、地表水等方面的影響,而對馬尾松純林的不同闊葉化改造措施的影響還缺乏研究,尤其對土壤酸化特征及團聚體穩定性的影響還未見研究報道,這限制著酸雨區馬尾松林科學經營管理。

本文在酸沉降影響嚴重的重慶江北區鐵山坪林場,采用空間代替時間的方法,以馬尾松天然次生林純林為對照,研究改造成香樟(Cinnamomumcamphora)林、木荷(Schimasuperba)林、馬尾松×香樟混交林、馬尾松×木荷混交林后的土壤酸化特征及團聚體穩定性變化,以期掌握馬尾松純林的不同改造措施的影響差異,從而為酸雨區馬尾松林改造成效評價及其可持續經營與管理提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶市江北區鐵山坪林場(北緯29°38′,東經106°41′),屬亞熱帶濕潤氣候,多年平均降水量1100 mm,年均氣溫18 ℃。該地屬四川盆東平行嶺谷地貌,海拔變化在242—584 m,坡度變化在5°—30°。土壤以砂巖上發育的山地黃壤為主,土壤質地為粉砂壤土和粉砂粘壤土,厚度50—80 cm。研究區酸沉降影響嚴重,測定的林外和林內降水pH值平均為4.06和3.20,土壤酸化明顯[12]。森林主要為起源于20世紀60年代天然林皆伐后自然更新形成的馬尾松次生林,因受酸沉降危害特征明顯,落葉率多年平均為40%—50%[4]。故20世紀80、90年代以來,陸續在馬尾松林下及其采伐跡地、火燒跡地補植了闊葉樹種,或結合森林防火栽植或補植防火樹種木荷,目前已形成了馬尾松純林、香樟林、木荷林以及針闊混交林等多種森林類型鑲嵌分布的空間格局,森林覆蓋率高達90%以上。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設置

采用空間代替時間的方法,在鐵山坪林場楠木灣選擇馬尾松天然次生林純林、香樟林、木荷林、馬尾松×香樟混交林、馬尾松×木荷混交林等5種森林類型,以馬尾松純林為對照,研究對比馬尾松純林不同改造措施的效果差異。馬尾松純林的林齡平均約為62 a,下木有杜英(Elaeocarpussylvestris)、杉木(Cuninhamalanceolata)、檵木(Loropetalumchinense)等,草本植物以鐵芒萁(Dicranopterislinearis)為主。香樟林為20世紀80年代初在馬尾松林采伐跡地營造的人工林,林齡約為37 a,下木有杜英、木荷、白櫟(Quercusfabric)等,草本植物有鐵芒萁。木荷林是20世紀90年代初在馬尾松林火燒跡地上營造的人工林,林齡約為29 a,無下木,僅零星分布有草本植物。馬尾松×香樟混交林是20世紀80年代初在馬尾松林下通過星狀補植香樟形成的,其中,馬尾松林齡約為62 a,香樟林齡約為37 a,林分平均林齡約為50 a,下木有杜英、木荷、杉木等。馬尾松×木荷混交林是20世紀90年代初建設生物防火隔離帶時,在馬尾松林下帶狀栽植木荷形成的,其中,馬尾松林齡約為62 a,香樟林齡約為29 a,林分林齡平均約為45 a,下木有香樟、杜英、杉木等。

在以上5種森林類型中,選擇土壤、地形條件基本一致的代表性地點,設置規格為20 m×20 m的典型樣地18個,其中馬尾松純林、香樟林和馬尾松×香樟混交林各4個,木荷林和馬尾松×木荷混交林各3個。調查各樣地的基本情況,并每木檢尺(表1)。

表1 典型樣地基本概況

1.2.2土壤取樣

2018年8月,首先在各典型樣地按“S”型布設10個取樣點,之后在各取樣點挖一個土壤剖面,并按土壤形成層(O層、A層、B層)取樣,其中O層為腐殖質層,即有機殘留物層,有明顯的枯枝落葉等有機物殘體；A層為淋溶層,富含有機質,顏色較暗；B層為淀積層,中度風化,顏色較淺。最后將各土層的全部取樣點土壤按樣地分別混合,即每個典型樣地獲得三個不同土層的混合土樣。

1.2.3土壤指標測定

將土樣帶回實驗室,測定土壤的pH值和有機碳、全氮、全磷、全鉀、交換性陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、AI3+)含量,以及陽離子交換量、土壤團聚體及其有機碳含量等指標[17],其中,土壤pH值測定采用電位法；土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀容量-外加熱法；土壤全氮、全磷、全鉀測定均采用硫酸-雙氧水消煮,半微量凱氏定氮法；交換性陽離子用電感耦合等離子體原子發射光譜儀測定；陽離子交換量在采用草酸銨-氯化銨法浸提后用半微量凱氏定氮法測定；土壤團聚體及其有機碳含量采用濕篩法-重鉻酸鉀容量外加熱法測定。

土壤鹽基飽和度(BS,%)[18]、土壤團聚體的幾何平均直徑(GMD,mm)和平均質量直徑(MWD,mm)[15]分別通過公式(1)、(2)、(3)計算得到。

(1)

式中,EBC為土壤交換性鹽基離子含量(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)(cmol/kg),CEC為土壤陽離子交換量(cmol/kg)。

(2)

(3)

1.2.4數據處理

采用Excel 2019和Origin9.0軟件對數據進行處理與作圖,利用SPSS 23.0軟件進行馬尾松純林改造后不同森林類型、不同土壤層次之間的土壤養分含量、酸化特征、團聚體穩定性的單因素方差分析(one-way ANOVA)及LSD檢驗法的多重均值比較分析。

2 結果

2.1 馬尾松純林改造對土壤養分的影響

由圖1可知,馬尾松純林改造對各土層的有機碳、全氮、全磷和全鉀含量均有顯著影響(P<0.05),但各森林類型對不同土層的影響不同。對O層土壤有機碳含量,除馬尾松×木荷混交林顯著增加外,其他森林類型則均顯著降低(P<0.05)；對A層土壤有機碳含量,香樟林和馬尾松×木荷混交林均顯著增加,其他2種森林類型則變化不顯著(P>0.05)；對B層土壤有機碳含量,改造后的4種森林類型均顯著降低(P<0.05)。同樣地,對O層土壤全氮含量,馬尾松×木荷混交林相比其他森林類型均顯著增加,而A、B層土壤全氮含量均以香樟林最高。

香樟林和馬尾松×香樟混交林的各土層全磷含量和B層土壤全鉀含量均顯著增加(P<0.05),而木荷林和馬尾松×木荷混交林的各土層全磷和全鉀含量總體上均顯著下降(圖1)。這說明改造成香樟林或其混交林有助于增加土壤的全磷、全鉀含量,而改造成木荷林或其混交林則可能對磷、鉀吸收利用較多而歸還不足。總體上,除土壤全鉀含量外,各森林類型的土壤有機碳、全氮和全磷含量隨土層加深的變化規律一致,均表現為O層>A層>B層,即隨土層加深而顯著降低。

圖1 不同森林類型各土層的土壤養分含量變化Fig.1 Variation of soil nutrient contents in various soil layers of different forest types 不同大寫字母表示同一森林類型不同土層之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一土層的不同森林類型之間差異顯著(P<0.05)

2.2 馬尾松純林改造對土壤酸化特征的影響

馬尾松純林改造對土壤pH值、陽離子交換量和鹽基飽和度均有顯著影響(P<0.05)。由圖2可知,5種森林類型的各層土壤pH值變化在3.80—4.84之間,說明當地土壤酸化仍然嚴重。馬尾松純林改造成香樟林和馬尾松×香樟混交林后,除馬尾松×香樟混交林的B層土壤外,其他各層土壤pH值均顯著升高(P<0.05)；改造成木荷林和馬尾松×木荷混交林后,其B層及馬尾松×木荷混交林的O層土壤pH值均顯著降低(P<0.05),其他土層的pH值則變化不明顯(P>0.05)。

圖2 不同森林類型各土層的pH值、陽離子交換量和鹽基飽和度變化Fig.2 Variation of soil pH-value and cation exchange capacity and base saturation in various soil layers of different forest types

與馬尾松純林相比,改造為香樟林和馬尾松×香樟混交林的各土層陽離子交換量差異均不顯著(P>0.05),但木荷林除B層外的其他各土層均顯著降低(P<0.05),馬尾松×木荷混交林則除O層顯著增加外,其他各土層變化均不顯著。當馬尾松純林改造為香樟林和馬尾松×香樟混交林后,除B層土壤的鹽基飽和度差異不顯著外,其他各層均顯著增加(P<0.05),但木荷林和馬尾松×木荷混交林的各土層差異均不顯著(P>0.05)。

由圖3可知,馬尾松純林改造對土壤交換性陽離子含量影響顯著(P<0.05),改造為香樟林和馬尾松×香樟混交林后,除B層土壤受影響總體不明顯外,其他各土層的交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量均顯著增加(P<0.05),且土壤致酸陽離子(Fe3+、Al3+)含量均顯著減少(P<0.05)。與馬尾松純林相比,木荷林各土層的交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量總體顯著降低；對土壤致酸陽離子(Fe3+、Al3+)含量,除A層的Fe3+顯著增加外,O層的Fe3+及Al3+和A層的Al3+均顯著降低,而B層的Fe3+、Al3+變化均不顯著(P>0.05)。改造為馬尾松×木荷混交林后,O層土壤的交換性Na+、Mg2+顯著增加,交換性Al3+顯著降低(P<0.05),其他各交換性陽離子則變化不明顯(P>0.05)；A層土壤除交換性Fe3+顯著增加外,其他各交換性陽離子均顯著降低(P<0.05)；B層土壤除交換性K+顯著降低和Al3+顯著增加外,其他各交換性陽離子變化不明顯(P>0.05)。

圖3 不同森林類型各土層的土壤交換性陽離子含量變化Fig.3 Variation of soil exchangeable cations in various soil layers of different forest types

2.3 馬尾松純林改造對土壤團聚體穩定性的影響

由圖4可知,馬尾松純林改造成其他森林類型后,對0.25—2 mm水穩性團聚體含量,除木荷林和馬尾松×木荷混交林B層土壤顯著增加外,各森林類型的其他各土層均變化不明顯(P>0.05)。對0.053—0.25 mm水穩性團聚體含量,馬尾松×香樟混交林的O層和A層、馬尾松×木荷混交林的O層和香樟林的A層均顯著增加(P<0.05),其他則變化不明顯。對<0.053 mm水穩性團聚體含量,木荷林O層顯著增加,但香樟林和馬尾松×香樟混交林A層顯著降低(P<0.05),其他則不明顯。總體上,馬尾松純林改造對土壤團聚體含量的影響不太明顯,但能有效促進香樟林和馬尾松×香樟混交林土壤微團聚體(0.053—0.25 mm)含量增加,而黏粉粒(<0.053 mm)含量減少。各森林類型的土壤水穩性大團聚體(0.25—2 mm)含量均以O層最高、微團聚體含量以A層最高、黏粉粒含量則以B層最高,說明各森林類型的土壤均隨土層加深而愈加緊實。

馬尾松純林改造對土壤團聚體有機碳含量影響顯著(P<0.05),其中香樟林的O層土壤0.25—2 mm團聚體有機碳含量顯著降低,但在A層顯著增加,其他各森林類型的B層土壤0.25—2 mm團聚體有機碳含量均也顯著降低(圖4)。相比馬尾松純林,香樟林O層土壤0.053—0.25 mm團聚體有機碳含量顯著降低,但在A層顯著增加,其他森林類型的A層土壤0.053—0.25 mm團聚體有機碳含量則顯著降低；在B層土壤中,僅木荷林顯著降低,其他森林類型則差異不顯著。同樣地,香樟林O層土壤<0.053 mm團聚體有機碳含量也顯著降低,木荷林、馬尾松×香樟混交林和馬尾松×木荷混交林的B層土壤<0.053 mm團聚體有機碳含量也顯著降低,但香樟林、木荷林、馬尾松×木荷混交林的A層和馬尾松×木荷混交林的O層土壤<0.053 mm團聚體有機碳含量均顯著增加(P<0.05)。

圖4 不同森林類型各土層土壤團聚體及其有機碳含量變化Fig.4 Variation of soil aggregates and its organic carbon content in various soil layers of different forest types

由圖5可知,各森林類型的O層土壤GMD、MWD分別變化在3.19—4.02 mm、0.53—1.03 mm之間,馬尾松純林改造對其影響不明顯(P>0.05),但對A、B層土壤GMD和B層土壤MWD的影響均顯著(P<0.05),表現為香樟林和馬尾松×香樟混交林的A層土壤GMD分別顯著增加21.51%、14.34%；馬尾松×木荷混交林B層土壤的GMD和MWD也分別顯著增加16.81%、47.22%,而其他森林類型的差異并不顯著(P>0.05)。

圖5 不同森林類型各土層土壤幾何平均直徑和平均質量直徑變化Fig.5 Variation of soil geometric mean diameter (GMD) and mean weight diameter (MWD) in various soil layers of different forest types

3 結論與討論

土壤肥力高低影響著植物的分布、組成、生長、結構和功能,反過來植被又影響土壤養分的分布及循環[19],而土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量是土壤肥力評價的主要指標[20]。本研究中,馬尾松純林的闊葉化改造對土壤的有機碳、全氮、全磷和全鉀含量均有顯著影響,這與盧立華等[21]研究結果一致。但各森林類型對各土層養分的影響不同,如改造為馬尾松×香樟混交林后,其腐殖質層土壤有機碳含量顯著降低,但各土層全磷和淀積層全鉀含量均顯著增加；當改造成馬尾松×木荷混交林后,其腐殖質層土壤有機碳和全氮含量均顯著增加,但各土層全磷和全鉀含量卻顯著下降,這與簡尊吉等[20]研究結果不同。

多數研究表明,馬尾松混交林土壤養分含量高于馬尾松純林[22-23],這是因馬尾松混交林的林下植物種類普遍較豐富,有助于凋落物分解和促進土壤養分回歸[24],而馬尾松純林的凋落物一般以馬尾松針葉為主,富含單寧、樹脂、木質素等難分解物質,限制了凋落物養分釋放和歸還土壤[25]。本研究中改造成馬尾松混交林的腐殖質層土壤的部分養分指標下降可能與土壤養分淋溶、遷移有關,也可能與林分起源有關[20]。簡尊吉等[20]研究表明馬尾松天然林土壤有機質、全氮、全鉀含量均顯著高于人工林,正如本研究中馬尾松天然次生林改造成香樟、木荷人工林后,其腐殖質層土壤養分含量普遍下降,尤其木荷人工林,各層土壤養分含量均顯著減低。究其原因可能主要還是受研究區木荷林生長快、對土壤養分吸收與積累較多和其林下環境對凋落物分解的影響所致,本研究中木荷人工林密度大(表1),林下光照不足,且林下分布的植物種類和數量較少,不利于凋落物分解及其養分釋放。任來陽等[26]在酸雨區同一林下環境的研究表明,馬尾松和木荷的凋落物分解速率并無顯著差異。可見,在酸雨區營造適宜的森林類型及其林下環境,對于改善土壤養分條件非常重要。

土壤pH值、陽離子交換量、交換性陽離子含量和鹽基飽和度均是反映土壤酸化程度的重要指標[27],這些指標一般隨土壤酸化程度加重而降低,但交換性Al3+含量增加[28]。本研究表明,馬尾松純林改造對土壤酸化特征影響明顯,改造成香樟林和馬尾松×香樟混交林后能顯著提高土壤pH值、交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量和鹽基飽和度,明顯降低土壤致酸陽離子(Fe3+、Al3+)含量；當改造成木荷林和馬尾松×木荷混交林后,部分土層的pH值和交換性鹽基離子含量顯著降低,而部分土層的大部分土壤酸化指標變化不顯著。這說明馬尾松純林改造成香樟林和馬尾松×香樟混交林能有效減弱土壤酸化程度,提高對土壤酸的緩沖能力,但對淀積層影響作用不明顯,這可能與凋落物歸還養分和樹木根系的影響隨土層加深而變弱有關；改造成木荷林和馬尾松×木荷混交林雖總體上對土壤酸化特征影響不明顯,但能通過降低土壤pH值使土壤進一步酸化,這與李志勇等[17]、任來陽等[26]在該區域的研究結果一致。李志勇等[17]研究表明,木荷抗酸能力很強,在酸雨區生長迅速,枝葉繁茂,往往不利于林下植物生長及天然更新和生物多樣性保護。可見,木荷雖是優良的森林防火樹種[29],但用作酸雨區馬尾松純林改造的替代樹種時應慎重,至少首先應科學確定合理的栽植密度和混交方式,并加強木荷林分的全過程撫育經營管理,以促進其林下植物生長及天然更新和物種多樣性增加,進而改善凋落物組分和加快凋落物分解及養分回歸,避免對土壤環境產生不利影響。

≥0.25 mm水穩性大團聚體可在一定程度上表征土壤結構和質量的好壞[30],其含量越高,土壤結構穩定性越好[31]。本研究表明,馬尾松純林改造成其他森林類型后,總體對各粒徑土壤團聚體含量的影響不太明顯,但木荷林及馬尾松×木荷混交林能有效增加淀積層的土壤水穩性大團聚體(0.25—2 mm)含量；香樟林和馬尾松×香樟混交林能增加土壤微團聚體(0.053—0.25 mm)含量,而減少黏粉粒(<0.053 mm)含量。這說明馬尾松純林改造成其他森林類型后可有效改善部分土層的土壤結構及其穩定性,這可能與各森林類型的根系深度分布特征有關,根系及其分泌物的增加有利于大顆粒團聚體形成[32]。GMD和MWD是評價土壤團聚體穩定性的重要參數[15],本研究表明馬尾松純林改造對各森林類型的腐殖質層和木荷林的淋溶層及淀積層的土壤團聚體穩定性無顯著影響,但均能顯著增強香樟林、馬尾松×香樟混交林和馬尾松×木荷混交林的淋溶層或淀積層的土壤團聚體穩定性,尤其馬尾松×木荷混交林,這與徐海東等[33]研究結果一致。

土壤團聚體作為土壤有機碳儲存的重要場所,影響著土壤有機碳轉化[34],其中土壤大團聚體雖能儲存更多有機碳,但不穩定,而微團聚體利于有機碳長期固定[35]。有機碳則能促進土壤團聚體形成,增強其穩定性[31]。本研究表明馬尾松純林改造成馬尾松×木荷混交林后腐殖質層的大團聚體有機碳含量有所降低,對應的微團聚體及黏粉粒有機碳含量卻均增加,說明馬尾松×木荷混交林有助于將腐殖質層大團聚體中儲存的有機碳向微團聚體和黏粉粒轉變,從而促進土壤有機碳的長期固定。香樟林腐殖質層的各粒徑團聚體有機碳含量均顯著降低,而其淋溶層的各粒徑團聚體有機碳含量均顯著增加,這與其土壤有機碳含量變化一致(圖1),說明改造成香樟林有助于有機碳向淋溶層富集[36]。

綜上,酸雨區馬尾松純林改造對土壤養分、酸化特征及團聚體穩定性的影響較為明顯,其中以改造成香樟林和馬尾松×香樟混交林的改善效果總體上較好,而改造成木荷林和馬尾松×木荷混交林的改善效果相對較差,尤其木荷林。因此,對酸雨區馬尾松純林改造,首先應科學選擇馬尾松替代樹種及其林下補植樹種,然后根據所選樹種的生物學、生態學特性及林分特征,合理確定相應的改造方法及措施,避免對土壤環境產生不利影響。然而,由于受實驗條件所限,本研究只能采用空間代替時間的方法來反映馬尾松純林改造的不同林分類型,未能從時間尺度對馬尾松純林改造前后開展原位研究,今后需加強馬尾松純林改造控制試驗設計及其長期固定監測樣地建設,以對同一地點的馬尾松純林改造前后開展土壤環境監測研究。同時,還需加強對已改造林分的地上、地下部分特征長期定位監測,以更加全面認識營林措施及其林分特征對土壤酸化環境的影響機理與時間效應,并能結合改造林分的現狀及問題動態調整營林措施,進而實現林分改造全過程的可持續管理。