華西雨屏區植被恢復對紫色土酸化的影響

楊 帆,郝梓君,2,黃來明,蘆園園,楊 峰,韓光中,*

1 內江師范學院地理與資源科學學院,土壤過程模擬實驗室,內江 641100

2 攀枝花市第三十二中小學校,攀枝花 617066

3 中國科學院地理科學與資源研究所,生態網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

4 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049

5 生態環境部南京環境科學研究所,國家環境保護土壤環境管理與污染控制重點實驗室,南京 210042

6 成都信息工程大學資源環境學院,成都 610225

酸化是土壤形成過程中產生H+,酸性增加的一種普遍現象[1—2]。自然條件下,土壤酸化是一個緩慢的成土過程[3]；近年來,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]。土壤酸化加速養分和鹽基離子的淋失,造成土壤養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、危害水體；降低土壤生物活動及其酶活性,造成植被退化、農作物產量和品質下降等[3—4, 9—10]。因此,土壤酸化改變了生態系統生物地球化學循環,對生物群落產生有害作用,造成土壤退化[3, 11]。林地是酸性土壤分布面積最大的生態系統,其酸化現象嚴重[3, 5, 12—13]。植物和酸雨被認為是林地土壤酸化的兩大成因,關于植物對土壤酸化的影響已取得一系列共識:林木根系吸收鹽基離子同時釋放H+(以達電荷平衡)引起的鹽基離子重新分配、有機酸性物質的輸入(林木凋落物分解形成腐殖質)和土壤呼吸產生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個單位[12]；1950—1980年間德國森林2 m土壤pH下降了約1個單位[13]；1980—2000年間我國森林表層30 cm土壤pH平均下降了0.36個單位,西南地區森林土壤pH下降程度最高[17]。自退耕還林工程實施以來,我國森林覆蓋率增加,對全球綠化面積的增加貢獻顯著[18],但森林恢復也加速了土壤酸化[19]。比利時耕地改種闊葉林35a后,表層5 cm土壤pH下降了2—3.3個單位,樹種類型是導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理尚不明確。在退耕還林工程中,科學合理地選擇還林樹種是有效控制水土流失、恢復自然生態環境的關鍵,但不同樹種對土壤酸化的影響程度及其差異的研究還十分匱乏。

華西雨屏區是四川盆地向青藏高原過渡區,是四川省降雨量最豐富的地區之一,也是我國水土流失及相關自然災害頻發區[21]。自1999年起,該地區開展大規模退耕還林,將坡耕地停止耕種,改種杉樹、光皮樺、竹子、茶樹等恢復森林植被。紫色土是華西雨屏區分布最廣的土壤資源,由于紫色土化學成分具有較強的穩定性,鹽基得到母巖風化的不斷補充,使得紫色土對酸性物質的緩沖性較為復雜,其酸化特征和過程仍不清楚[22]。基于此,本研究以華西雨屏區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20a后紫色土pH變化及其垂直分布特征,對理解紫色土坡耕地植被恢復過程土壤酸化以及人工林的經營管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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區域,位于四川盆地西南緣華西雨屏區,地貌以低山丘陵為主[19]。研究區屬中亞熱帶濕潤山地氣候,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,廣泛分布著發育于中生代紫色泥巖、砂巖和頁巖的紫色土[19]。地質條件不穩定、降雨強度大以及耕作粗放、林地破壞等自然和人為原因導致水土流失嚴重。基于此,洪雅縣于1999年啟動退耕還林(草)工程。為了兼顧生態和經濟效益,建立了生態林和經濟林的復合還林模式,主要造林樹種有柳杉(Cryptomeriafortunei)、杉木(Cunninghamialanceolata)、光皮樺(Betulaluminifera)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)、茶樹(Camelliasinensis)等。1999—2006年,洪雅縣退耕還林面積達14600 hm2,森林覆蓋率超過65%。

1.2 樣品采集與分析

2019年對洪雅縣退耕還林工程進行實地考察,設計以紫色土坡耕地(玉米地,SF)為對照,采集退耕后形成的代表性柳杉純林(CF)、柳杉-樺樹混交林(MF)、慈竹林(NA)、茶園(CS)紫色土為研究對象(表1)。各樣點挖掘三個標準土壤剖面,記錄土壤剖面形態特征,按照10 cm間隔采集0—50 cm(紫色土體淺薄)土壤分析樣品和環刀原狀樣品。土壤樣品挑去植物殘體和侵入體,室內自然風干。風干土樣過10目尼龍篩,記錄礫石和細土重量；然后將細土在瑪瑙研缽磨細,分別過60目和100目尼龍篩,保存備用。土壤理化屬性分析參照《土壤農業化學分析方法》[23]:土壤pH,電位法(土水比1: 2.5)；土壤含水量、容重,環刀法；土壤比重,比重瓶法；土壤有機質,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]。土壤化學指標均設置全程空白,并以國家標準土壤樣品(GSS- 3和GSS- 5)作為質量控制。

表1 樣地基本特征

1.3 數據分析

土壤孔隙是容納水分和空氣的空間,也是水分遷移的通道。本研究運用容重的經驗公式對土壤孔隙度進行計算[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統計軟件進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)和土壤屬性間相關分析(Pearson),并運用線性逐步回歸來解釋不同土壤屬性對紫色土酸化的影響(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軟件進行圖像化處理。

2 結果

2.1 不同植被恢復后紫色土理化屬性的變化

不同植被類型下土壤有機質和全氮含量分別為7.15—38.63 g/kg和0.53—1.91 g/kg(圖1)。玉米地各層土壤有機質和全氮含量最低(10—20 cm除外),顯著低于退耕還林后土壤(P<0.05),植被恢復促進了土壤有機質和氮的積累,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植被恢復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加權平均值下降0.11個單位,差異不顯著；而茶園、混交林和柳杉純林0—50 cm土壤pH加權平均值分別下降了0.54、0.63和0.66個單位,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,紫色土由酸性變為強酸性。

圖2 不同植被類型0—50 cm土壤pH加權平均值

不同植被類型土壤pH值垂直分布特征見圖3。玉米地各層土壤pH值為5.54—5.73,呈酸性；相鄰土層pH值差異不顯著(P>0.05,n=15),且不同土層pH的變異系數(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個單位。茶園各層土壤pH值為4.79—5.42,呈強酸性,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個單位。柳杉純林和混交林各層土壤pH值為4.72—5.26,呈強酸性,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個單位。

圖3 不同植被類型土壤pH的垂直分布

華西雨屏區植被恢復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個單位,呈顯著下降趨勢。華西雨屏區植被恢復不僅引起了土壤酸化,同時也改變了土壤pH值的剖面分異,由玉米地的均一分布模式轉變為隨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性分析

土壤pH值與土壤有機質(SOM)、全氮均呈極顯著負相關關系(圖4)。植被恢復增加了林地生物量及其凋落物返還土壤,有利于土壤腐殖質的積累,土壤有機質和全氮含量增加；另外,凋落物分解形成土壤腐殖質過程產生H+。因此,人工林土壤形成腐殖質的過程,土壤有機質和全氮含量增加,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、含水量呈極顯著負相關關系(圖4)。Na/K比值是表征土壤風化的重要參數,土壤pH值與土壤Na/K比值呈顯著正相關關系(圖4)。在相關分析的基礎上,對土壤pH值進行逐步回歸分析。回歸模型為:pH=-0.029SOM+0.723Na/K+5.35,模型通過顯著性檢驗(P<0.01,n=25),其決定系數R2= 0.539,表明土壤有機質含量與Na/K比值共同解釋了土壤pH變異的53.9%,土壤有機質積累和風化是紫色土酸化的重要驅動因素。

圖4 土壤pH值與土壤有機質、全氮、總孔隙度、含水量及其Na/K比值相關性

3 討論

3.1 植被類型對紫色土酸化的影響

研究區定位(n=3)試驗表明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,其相對變化小于1%,表明本研究選用紫色土坡耕地作為參照是合理的。研究區植被恢復20a后紫色土pH值均呈下降趨勢,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,表明不同植物類型對紫色土酸化的影響程度不同。在華西雨屏區,胡慧蓉對雅安退耕還林區的研究表明紫色土坡耕地植被恢復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]的研究表明大規模種樹可能造成土壤酸化,柳杉生長迅速[27],樊吉尤等[28]研究表明廣西柳杉成年林平均每年凈生產力為7.89 t/hm2,柳杉從土壤中吸收鹽基陽離子(Ca2+、Mg2+、K+和Na+)的同時,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。土壤腐殖質的形成過程是土壤自然酸化過程之一[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9.60 t/hm2[26],凋落物分解形成土壤腐殖質過程中,尤其以萜類、醇類及酸類為主的葉片在分解過程中產生大量的酸性物質,進入土壤造成pH值下降。本研究的結果表明植被恢復有利于人工林地土壤腐殖質積累,其土壤有機質含量顯著增加,而土壤pH值則顯著下降,兩者呈極顯著負相關關系(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果相似。一方面柳杉初級生產力高于光皮樺[31],柳杉純林比混交林從土壤吸收更多的鹽基物質,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光皮樺[32],土壤形成腐殖質過程中產生更多的酸性物質。相對于混交林,柳杉純林樹種單一,林木競爭生存環境產生自毒作用分泌有機酸和酚類物質,增加了土壤H+的來源[33]。

1980—2000年間,我國茶園0—20 cm土壤pH值下降了0.47—1.43個單位,茶園土壤酸化問題突出[34]。本研究紫色土坡耕地種植茶樹20a后0—20 cm土壤pH下降0.77—0.99個單位,茶園土壤酸化明顯。茶樹自身的生長發育特性與茶園管理是造成土壤酸化的主要原因[34—37]。茶樹生長吸收大量養分(包括鹽基離子)和Al3+(富集在葉片),通過離子交換作用向土壤釋放H+,經過土壤-植物元素的生物化學循環引起土壤酸化(圖5)。另外,茶樹凋落物、修剪物歸還茶園和茶樹根系代謝物(單寧酸)分別以凋落物和分泌物形式進入土壤[34,37],進一步加速土壤酸化并活化Al3+。因此,退耕還林種植茶樹促進了紫色土向高酸度、高活性鋁的方向演化。

圖5 華西雨屏區植被恢復紫色土酸化示意圖

3.2 紫色土酸化的土壤過程

土壤腐殖質指有機物經微生物分解轉化形成一種構造復雜的大分子膠體,是土壤有機質存在的主要形式。腐殖質按在酸、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]。華西雨屏區植被恢復進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,顯著提高了紫色土有機質含量,以表層土壤(0—10 cm)最為明顯。腐殖質形成過程產生大量有機酸進入土壤,引起土壤酸化(圖5)。因此,植被恢復過程人工林紫色土表層0—10 cm酸化嚴重。本研究表明樹種對退耕還林區紫色土的酸化程度影響不同,這與De Schrijver[20]的研究結果相似:不同樹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退耕還林土壤酸化的主要因素。另外,植被類型對礦質養分在土壤-植物的生物循環過程也具有重要影響,植物吸收鹽基陽離子的種類、總量不同,釋放H+總量不同,這是森林土壤酸化的主要過程之一(圖5)。為了更加全面地理解華西雨屏區紫色土酸化的進程,將來應加強植物生理過程對土壤酸化的研究,為人工林的管理提供全面的參考。

紫色砂頁巖礦物組成復雜,易風化的長石類礦物豐富[39—40],因此,紫色土成土速度快,在風化過程中快速地消耗H+,同時釋放Na+和K+,在降雨豐富的氣候條件下,Na+優先被淋失,部分K+則轉化形成伊利石或蛭石等黏土礦物保存下來,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化,土壤Na/K比值增加,而土壤pH值下降(圖4)。表明紫色砂頁巖含有豐富的長石類礦物風化是華西雨屏區紫色土酸化的重要特征(圖5)。

華西雨屏區位于四川盆地向青藏高原過渡地理單元,是四川省降雨量最豐富的地區之一[21]。成都平原產生的NOx和SO2受華西雨屏區地形影響,形成酸雨沉降下來,造成土壤酸化[42—43]。另外,Huang等研究表明我國南方酸沉降不僅直接向土壤中輸入H+,而且還會通過氮素轉化間接產生H+,加劇土壤酸化過程[6]。華西雨屏區人工林的形成增加了林冠對酸雨的截留,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程對紫色土酸化的影響,酸沉降對華西雨屏區紫色土酸化的貢獻未來仍需要進一步研究。

4 結論

紫色土酸化是土壤-植物-大氣系統中相互作用的結果。本研究表明植物類型是影響華西雨屏區紫色土酸化的重要因素,柳杉和茶樹的植被恢復模式造成了紫色土酸化明顯。植被恢復提升了紫色土有機質含量,凋落物分解形成土壤腐殖質引起紫色土酸化,以表層0—10 cm土壤最為明顯；另外,紫色砂頁巖長石類礦物快速風化及其隨后鹽基離子重新分配是華西雨屏區紫色土酸化的重要特征。本研究結果可為紫色土退耕還林區土壤酸化治理及其構建可持續人工林生態系統提供依據和參考。