云南省森林土壤酸碱度现状及影响因素分析
2021-03-15肖蒙秋新选何忠俊陈金林
肖蒙,秋新选,何忠俊,陈金林
(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037;2.中国科学院南京土壤研究所,江苏 南京 210008;3.云南省林业调查规划院,云南 昆明 650051;4.云南农业大学资源与环境学院,云南 昆明 650201)
土壤pH是土壤性质的基本指标之一,反映了土壤溶液中交换性酸总量的多少[1],与土壤中重金属的释放[2]、土壤微生物群落结构与数量[3]、酶活性[4]等密切相关,甚至影响土壤养分空间异质性及植物种群多样性[5],对土壤物质循环、能量流动及区域内生态系统结构稳定性具有重要意义.当土壤pH降低到一定临界值时,土壤中的矿质元素会严重流失,植物对营养物质的吸收减少,影响根系生长[6].已有众多学者研究探讨了土壤酸化问题对于农田土壤的危害[6-7],森林土壤酸化多归因于自然环境的变化,且变幅缓慢不易产生较大变化,但其pH值变化影响到森林养分循环、植物及动物生存环境,应引起重视.
森林土壤与植被互为依存体,在植物体的生长与衰亡过程中,完成养分的吸收与归还,是森林生态系统健康发展的重要因素.而土壤酸化可显著影响养分有效性及含量[8-9],造成土壤肥力低下,植被物种丰富度和森林生产力下降[10].区别于农田土壤,森林土壤pH变化主要源于土壤自然演变,时间跨度较大,同时酸沉降、大气污染等人类行为也会加速这一进程[11].云南省森林覆盖面积较广,且多数为酸性森林土壤,与温性森林土壤具有强大的缓冲能力不同,酸性森林土壤多数时间处于湿热与高降雨情况下,盐基离子被大量淋洗,盐基饱和度较低,使土壤日趋酸化[12],对森林生态系统的健康发展及林木资源可持续利用造成不利影响,因此,迫切需要了解云南省森林土壤酸碱度现状及变化规律.本研究以云南省102个典型森林土壤剖面为研究对象,通过测定土壤发生层的主要养分指标与物理特性,分析其与pH值之间的关系,得出云南省森林土壤酸碱度基本变化情况,探讨云南省森林土壤pH空间变化规律及影响因素,旨在为云南省森林资源合理利用提供参考依据.
1 研究区概况
云南省位于N 21°9′~ 29°15′和E 97°39′~106°12′之间,大部分地区海拔在1 000~6 000 m之间,相对高差较大,地貌以类型繁多、结构复杂著称,高原和山地约占总面积的93.29%[13].云南省具有典型的季风气候特征,雨季与旱季交替出现,干湿变化显著,5~10月为雨季,降雨量在800~2 810 mm之间,降雨量占全年降水量的85%左右.气温日变化较大,年平均日较差为10~14 ℃,干季日较差约为15~20 ℃[14].云南省森林覆盖率可达60.3%,植被种类丰富,典型的森林类型有元江栲林(CastanopsisconcolorRehd.et Wils)、川滇高山栎林(QuercusaquifolioidesRehd.et Wils)等常绿阔叶林,及长苞冷杉林(AbiesgeorgeiOrr)、云南松林(Pinusyunnanensis)等针叶林或针阔混交林.森林土壤面积较大,主要土壤类型为砖红壤、红壤、黄壤及紫色土等[15].
2 材料与方法
2.1 供试材料
在云南省16个地州市,共采集59个林型,102个土壤剖面.依照海拔高度与阴坡阳坡设置采集点(图1),划分土壤层次、记录采集地点、地形、坡度、坡向、母质类型、地表植被状况、土壤剖面形态特征等剖面基本信息;根据每个林型分布地点随机有代表性地挖取3个剖面,同时按照发生层分层采样,混合四分法取土1kg带回实验室,风干过筛后进行理化性质测定.
图1 采样点分布图Figure 1 Map of soil sampling sites
2.2 分析项目与方法
野外采集的土壤样品放在干燥通风处自然风干,去除草根、树叶等杂物,按照《土壤理化分析》[16]和《土壤调查实验室分析方法》[17]进行分析测定,每个指标重复测定3次.土壤机械组成:甲种比重计法;pH:水土比 1∶2.5,电位计法;有机碳:K2CrO7-H2SO4氧化法;全氮:半微量凯氏法;全磷:氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法;碱解氮:碱解扩散法;有效磷:采用氟化铵-盐酸浸提钼锑抗比色法;速效钾:乙酸铵浸提火焰光度法;阳离子交换量:NH4OAc法;交换性 K+、 Na+、 Ca2+、Mg2+离子:原子吸收光谱法;游离态氧化铁:连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠浸提,邻菲罗琳比色法;化学组成:偏硼酸锂熔融法,原子吸收分光光度法测定K、Na、Ca、Mg,重量法测定 Si,邻啡罗林显色法测Fe,KF取代EDTA容量法测Al,变色酸法测 Ti.
2.3 数据处理
利用Excel 2003对所有指标数据进行描述性统计分析,采用SPSS 18.0对所有土壤样品pH值进行非参数正态检验和相关性分析,符合正态分布后,通过Arc GIS 9.2地统计软件绘制云南省森林各层土壤 pH空间分布图.
3 结果与分析
3.1 各层土壤pH值描述性统计结果分析
云南省森林土壤不同土层pH值统计分析结果(表1)显示,淋溶层(A层)pH变化范围在3.74~6.77之间,变异系数为11.94%,为中等变异程度:淀积层(B层)变化范围4.30~6.59之间,变化幅度较小,变异系数为7.64%,为弱变异程度.根据不同土层pH值均值的变化,可以得出土壤pH值随着土壤深度的增加而增大.云南省森林不同土层的pH值分别通过非参数K-S检验显示,P值均大于0.05,表明均服从正态分布,对不同土层峰度与偏度的检验均<1.49,也表明土壤pH值服从正态分布,可进行下一阶段分析.
表1 不同土层pH值描述性统计结果Table 1 Descriptive statistical results of pH values of different soil layers
3.2 各层土壤pH值空间分布
云南省森林不同土层pH值变化规律见图2~3.淋溶层pH值空间分布图(图2)显示,云南省西双版纳东南地区、普洱中部以及丽江中部土壤pH值在5.7~6.2之间,按照土壤酸碱度程度[16]可划分为酸性或强酸性土壤,约占总剖面的16%;而在滇中部、滇西南以及滇西北地区,pH值在5.0~5.6的土壤剖面约占总剖面的30%,为强酸性土壤;滇东北、滇东南部分地区pH值在4.2~4.9之间,为极强酸性表层土壤,约占总剖面的32%.由图3可知,在淀积层pH值变化规律与淋溶层相似,但变幅较小,pH值较高的地区分布在滇西北及东部,其他大部分地区土壤pH值在4.9~5.4之间,为强酸性土壤.从云南省森林土壤整体酸碱度来看,滇西北地区土壤pH值较高,在5.5~6.0之间,而在云南省中部及东部广大地区pH值较低,一般在4.5~5.5之间.
图2 淋溶层pH值空间分布图Figure 2 Spatial distribution of pH value in A layer
图3 淀积层土壤pH值空间分布图Figure 3 Spatial distribution of pH value in B layer
3.3 各层土壤基本特性
不同土层土壤基本特性(表2)中粘粒与砂粒占比较高,且不同剖面间变化幅度较大,根据国际土壤质地分类[16],多数土壤剖面土壤质地为轻砂质或中砂质黏壤土;土壤表层呈现较明显的养分表聚特性,且含量差别较大,有机碳含量较高,在2.5~430.6 g/kg之间,平均有机碳含量为61.6 g/kg,多数剖面C/N在10~28之间;A层与B层平均阳离子交换(CEC)量分别为28.4和22.5 cmol/kg,盐基离子组成中以Ca2+为主,含量在0.96~47.1 cmol/kg之间,多数剖面A层和B层呈盐基不饱和状态,平均盐基饱和度分别为28.0%和25.5%,在氧化铁组成中,游离铁占比较高,表明多数剖面风化程度较高;不同土层的矿物全量组成均以Si和Al含量较高,分别占主体的50%及20%以上,不同矿物成分均表现出B层大于A层的趋势,主要和地区降雨量及地势有关,使大量矿物风化并向下淋溶淀积,部分剖面出现漂白层,且Sa与Saf较小,表明多数剖面已进入中度富铝化阶段.
表2 不同土层土壤基本性质Table 2 Basic characteristics of different soil layers
3.4 各层土壤pH值相关性分析
不同土层pH值与土壤养分相关性分析结果见表3.土壤全氮、碱解氮以及有机碳与淋溶层pH值呈极显著负相关关系.淀积层土壤pH值与碱解氮、粉粒含量呈显著性负相关,与砂粒含量呈显著性正相关关系.淋溶层土壤pH值与交换性Mg2+以及交换性K+显著正相关,而与交换性Al3+总量呈显著性负相关,淀积层和淋溶层皆与盐基饱和度、交换性Ca2+呈显著正相关.淋溶层pH值与氧化铁中的络合铁及无定行铁具有显著性负相关关系.在矿物全量养分中,淋溶层pH值与Ca和Mg含量分别具极显著性和显著正相关,而对淀积层土壤pH值与Si含量呈显著性负相关,与Al和Ti呈显著性正相关关系,与Fe含量呈极显著性正相关.
表3 不同土层pH值相关性分析Table 3 Correlation analysis of pH values of different soil layers
不同土层pH值变化还受包括海拔、林型等环境因素的影响.云南属青藏高原南延部分,平均海拔在2 000 m左右,且海拔相差悬殊,研究结果显示(表4),多数森林土壤剖面海拔在2 000~3 500 m之间,不同海拔之间pH值存在差异,但不存在较明显的变化规律,不同海拔组之间以2 500~3 500的pH值最高,而极高山组海拔地区森林土壤pH值最小.这与Lubos Boruvka等[21]研究结果不同,原因可能与较高海拔下土壤温度与微生物活性降低有关,使得土壤中有机酸的分解较慢.
表4 不同海拔与林型土壤pH值变化Table 4 pH value of soil of different altitude and forest type changes
4 讨论
森林土壤是森林健康发展的支撑,自然酸化及人为干扰使得土壤酸度提高而肥力下降,造成大面积的森林退化和生态破坏[18].云南省植被类型丰富,森林面积广阔,但多为酸性森林土壤,大部分土壤pH值低于6.5,其中一部分土壤表层的pH值低于4.0,此时土壤缓冲机制主要源自对硅酸铝的沉淀与释放[11,19],对土壤中Al3+离子聚集有一定的促进作用.土壤淋溶层与淀积层空间分布规律相似,且均表现出滇西北pH值较高,pH值在5.5以上,而滇东南较低,pH值在4.2~5.0之间,主要与海拔高度有关,整个云南省的地势表现出北高南低,西北向东南方向倾斜,且海拔差距较大,南北差值最高可达2 000 m.高海拔地区土壤矿化程度与淋溶作用较小,且淋溶出的交换性阳离子可能会随水流由高海拔地区流向低处,造成盐基离子在低处聚集的现象,符合pH值在空间分布的趋势[20].
土壤pH值在A层与B层的变化差异较小,但对于不同土壤养分含量及相关性存在较大差异(表3),且A层土壤养分及CEC含量显著高于B层,矿物组分元素则在B层大量聚集.表层土壤易受森林凋落物的类型与质量及其他人为因素影响,养分含量高且变化波动性较大,而淀积层主要受土壤形成过程以及地质作用影响,易造成矿物成分累积且敏感性较低[21].多数森林土壤剖面盐基不饱和,CEC含量低于100 cmol/kg,与antrucková等[20]对于捷克酸性森林土壤研究结果相似.表层pH与盐基离子呈现出显著正相关而与交换性Al3+呈现出显著负相关,且盐基离子Ca2+占比较大,含量高于Al3+.由Gruba等[22]模型指出,当Ca2+/Al3+>1,Ca2+/CEC>4%时,铝毒危害认为被降到最低,因此,可认为云南省森林表层土壤受铝毒迫害较小.同时,矿物养分Ca和Mg含量较高,A层与pH值呈正相关性,而B层不具有相关性,主要与该地区成土母质及其风化程度有关,母质类型多为紫色砂岩、石灰岩、花岗岩等,且呈中度以上风化,表明研究区域的微量养分丰富,森林生长发育受Ca和Mg因素限制的可能性较小.
不同林型间土壤pH值变化不明显,阔叶林A层pH值较低于针叶林,B层变化趋势与之相反,主要因为不同林型间存在典型的优势树种差异之外,还分布着混交林及灌木、草甸,对土壤pH值有一定的影响.而其他研究发现针叶林土壤pH值更趋向于酸性,源于落叶刚分解时产生大量有机酸,可能因为土壤质地及森林生长环境的不同导致结果差异[23].与广东、福建沿海地区森林土壤平均pH值4.5~4.9相比,云南省森林土壤平均pH值在4.8~5.3之间,除海拔较高,腐殖质含量丰富,降低了有机酸的分解以外,同时还存在人为影响,如大量表层凋落物的收集与移除会使得表层土壤pH值呈下降趋势[24],以及人工林营造、大气酸沉降及土壤腐殖质类型[25]等其他因素,因此,对于森林土壤pH值在不同相关因子间的变化规律及影响机制仍需要进一步的探索.
5 结论
1) 云南省森林土壤质地多为砂质黏土,多数剖面中度以上发育程度,盐基不饱和,阳离子交换量较低,盐基离子以Ca2+和Mg2+为主,表层与底层养分含量差异较大,表层有机碳含量在2.5~430 g/kg之间,碳氮比在10~28之间,微量元素硅、钙、镁含量充分.
2) 80%的剖面土壤pH值小于5.7,且随深度的增加而增加,全省pH值变化规律表现为:滇西北地区土壤pH值在5.5~6.0之间,中部及东部广大地区pH一般在4.5~5.5之间,绝大部分土壤为酸性或强酸性土壤.A层pH值受养分指标全氮、有机碳含量及盐基离子的影响,而B层pH值变化幅度较小,主要受土壤质地组成及矿物成分的影响.
3) 不同土层pH值均表现出受环境因素海拔、林型的影响,中高山海拔处pH值与针叶林下pH值高于其他海拔和林型.