云南省森林土壤酸碱度现状及影响因素分析

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.