杉木林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換對(duì)土壤鋁形態(tài)的影響及其機(jī)制.pdf

1、鋁是自然界最常見(jiàn)的元素,在地殼中分布廣泛,占地殼總重量的7.45％,僅次于氧和硅,是含量最豐富的金屬元素和無(wú)機(jī)礦物元素。在自然界中鋁通常以難溶性的硅酸鹽或氧化鋁的形式存在于一系列含鋁礦物中,其它的鋁則以各種化學(xué)形態(tài)存在。土壤中鋁的存在形態(tài)可以影響土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),從而影響人類和動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境[1-6]。自從德國(guó)林學(xué)家Ulrich等[7]提出森林衰退的鋁毒害學(xué)說(shuō)之后,土壤各形態(tài)鋁的毒性和鋁毒害形成機(jī)理就成為研究熱點(diǎn),國(guó)外的研究較早,國(guó)內(nèi)

2、對(duì)鋁毒研究在上世紀(jì)80年代后才成為研究熱點(diǎn)。
　　 近些年來(lái),林木連栽而引起的地力衰退問(wèn)題已成為林業(yè)工作者研究的熱點(diǎn),許多學(xué)者認(rèn)為地力衰退與有毒鋁形態(tài)在土壤中的積累有很大關(guān)系[8-14]。隨著研究的不斷深入,土壤中的鋁對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越受到人們的重視。從目前研究結(jié)果來(lái)看,植物鋁脅迫[15-18]、植物的抗鋁毒機(jī)制[19-20]、模擬實(shí)驗(yàn)研究土壤鋁毒形成機(jī)理[21-23]和緩解土壤鋁毒的措施[24-27]的研究較多,但是

3、對(duì)于自然狀況下的土壤鋁毒害狀況及其發(fā)展趨勢(shì)研究較少。目前有關(guān)杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤鋁形態(tài)的研究相對(duì)較薄弱,研究資料較少。杉木多代連栽林地土壤中是否存在鋁毒害現(xiàn)象,有效證據(jù)仍不充分,還處于爭(zhēng)論之中。
　　 有鑒于此,本研究選擇了在南平西芹教學(xué)林場(chǎng)內(nèi)已建立的5個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)模式(包括天然常綠闊葉林模式、老齡杉木林模式、二代杉木萌芽天然更新林模式、91年二代杉木人工林模式和93年二代杉木人工林模式)作為杉木林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式的系列樣地

4、,采用實(shí)地定位研究方法,著重對(duì)杉木林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中土壤全鋁、各形態(tài)鋁和酸度組成的含量及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究。采用模擬酸雨的實(shí)驗(yàn)方法,研究不同酸度酸雨及同種酸度不同酸化時(shí)間對(duì)土壤中鋁形態(tài)及其含量的影響。為探索酸雨引起鋁毒害的機(jī)理提供科學(xué)的理論依據(jù)；同時(shí)還采用人工模擬技術(shù)手段,對(duì)添加不同樹種凋落物和外源碳酸鈣對(duì)土壤鋁形態(tài)的影響機(jī)理進(jìn)行深入研究,為揭示土壤鋁形態(tài)在杉木林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中變化規(guī)律、土壤鋁毒害機(jī)理、制定鋁毒害的緩解技術(shù)措施以及

5、人工林地力衰退機(jī)理和人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。主要研究結(jié)論如下:
　　 (1)各系統(tǒng)土壤全鋁含量差異較小,二代杉木林(包括二代杉木萌芽天然更新林、91年二代杉木人工林和93年二代杉木人工林)土壤全鋁含量略高于老齡杉木林和天然常綠闊葉林,各系統(tǒng)土壤總鋁含量季節(jié)變化規(guī)律不明顯。
　　 (2)土壤交換性鋁是生物毒性最強(qiáng)的一種鋁形態(tài)。各系統(tǒng)土壤交換性鋁含量差異較大,二代杉木林土壤交換性鋁含量低于老齡杉木林

6、和天然常綠闊葉林的含量,二代杉木萌芽天然更新林含量最低,可見(jiàn)杉木連栽未造成土壤交換性鋁積累。各系統(tǒng)土壤交換性鋁含量季節(jié)變化規(guī)律較明顯,一月和十月較高,四月和七月較低。
　　 (3)土壤單聚體羥基鋁是生物毒性僅次于交換性鋁的一種鋁形態(tài)。各系統(tǒng)土壤單聚體羥基鋁含量差異較大,93年二代杉木人工林土壤單聚體羥基鋁含量較高,明顯高于其它系統(tǒng),呈現(xiàn)出一定的積累現(xiàn)象。各系統(tǒng)土壤單聚體羥基鋁含量季節(jié)變化規(guī)律較明顯,十月較高,其它月份較低,這與D

7、riscoll等[79]提出的,酸化土壤單核鋁秋季含量最高的規(guī)律基本一致。
　　 (4)各系統(tǒng)土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量差異相對(duì)較小,各系統(tǒng)土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁含量季節(jié)變化規(guī)律相對(duì)不明顯,而各系統(tǒng)土壤腐殖酸鋁含量季節(jié)變化規(guī)律較為明顯,一般是七月含量較高,其它月份含量較低。
　　 (5)坡位對(duì)土壤全鋁和各形態(tài)鋁含量影響不大,坡向?qū)ν寥廊X和交換性鋁含量影響較大,土壤全鋁和交換性鋁含量均高于陰坡,而坡向?qū)ν寥绬尉垠w羥基鋁、土壤腐

8、殖酸鋁和酸溶無(wú)機(jī)鋁含量影響較小。
　　 (6)各種形態(tài)鋁占土壤全鋁的比例大小為:腐殖酸鋁>酸溶無(wú)機(jī)鋁>交換性鋁>單聚體羥基鋁?？傮w來(lái)看,93年二代杉木人工林各形態(tài)鋁以及活性鋁在全鋁中所占比例均較高,而其它系統(tǒng)相對(duì)較低,這說(shuō)明93年二代杉木人工林受鋁毒害的潛在危險(xiǎn)較高。
　　 (7)土壤各鋁形態(tài)與土壤化學(xué)性質(zhì)有一定的關(guān)系。從相關(guān)性分析結(jié)果可以看出,土壤交換性鋁(EX-A1)與交換性總酸(EX-AC)顯著正相關(guān),可以用直線方

9、程:EX-A1=0.0193 EX-AC+0.1827(r=0.375*)擬合,交換性鋁與土壤pH值極顯著負(fù)相關(guān),可用方程:EX-A1=-0.2606 pH+1.4916(r=-0.547**)擬合；單聚體羥基鋁(Hy-A1)與有機(jī)質(zhì)(OM)顯著正相關(guān),可用直線方程:Hy--A1=0.0010M+0.024(r=0.394*)來(lái)擬合,與pH值顯著正相關(guān),可用方程:Hy-A1=0.0555pH-0.1915(r=0.352*),與CEC極

10、顯著正相關(guān),可以用直線方程:Hy-A1=0.0071CEC-0.0401(r=0.607**)來(lái)擬合。
　　 (8)各系統(tǒng)土壤交換性A1(中和滴定法)含量差異較大,二代杉木林土壤交換性鋁含量低于老齡杉木林和天然常綠闊葉林的含量,二代杉木萌芽天然更新林含量最低,可見(jiàn)杉木連栽未造成土壤交換性鋁積累。各系統(tǒng)土壤pn值差異較大,二代杉木林土壤pH值高于老齡杉木林和天然常綠闊葉林的pH值,正好與土壤交換性A1含量變化規(guī)律相反。各系統(tǒng)土壤交

11、換性A1含量季節(jié)變化不明顯,而各系統(tǒng)土壤pH值季節(jié)變化較明顯,一般呈現(xiàn)一月>四月>十月>七月的規(guī)律。
　　 (9)各系統(tǒng)土壤經(jīng)不同pH值模擬酸雨浸提后,土壤浸出液中鋁含量都隨模擬酸雨pH值降低而升高,在模擬酸雨的pH值大于3.5時(shí),各系統(tǒng)土壤浸出液的鋁含量隨著模擬酸雨pH值降低而緩慢增加,當(dāng)模擬酸雨的pH值小于3.5時(shí),土壤浸出液中鋁含量急劇增加。在5個(gè)系統(tǒng)中,二代杉木萌芽天然更新林土壤經(jīng)不同pH值酸雨浸提后土壤浸出液中有較低的

12、鋁含量,這說(shuō)明二代杉木萌芽天然更新林土壤對(duì)酸雨緩沖能力較強(qiáng),是5個(gè)系統(tǒng)中最不易受鋁毒害影響的系統(tǒng)。各系統(tǒng)土壤經(jīng)pH3.5模擬酸雨連續(xù)浸提5次和15次后,各次土壤浸出液中鋁含量隨著模擬酸雨浸提次數(shù)增加而增加。
　　 (10)各系統(tǒng)土壤經(jīng)不同pH模擬酸雨浸提后,浸出液中Al／Ca比值,隨著pH降低而增大。經(jīng)pH4.5和pH3.5浸提后,天然常綠闊葉林、93年二代杉木人工林和91年二代杉木人工林AI／Ca比值大于3.0,經(jīng)pH2.5酸

13、雨浸提后,各系統(tǒng)A忱a比值均大于3.0,隨著模擬酸雨pH值降低,各系統(tǒng)開(kāi)始受鋁毒害的影響,可見(jiàn)酸化是導(dǎo)致鋁毒害的因?yàn)橹?。土壤交換性鋁和單聚體羥基鋁含量,隨pH值降低而升高,酸溶無(wú)機(jī)鋁和腐殖酸鋁與酸雨pH值的關(guān)系不明顯。
　　 (11)各系統(tǒng)土壤經(jīng)酸雨浸提后,土壤交換性鋁和單聚體羥基鋁含量與初始土壤含量相比,都有不同程度的上升,而后其含量隨著浸提次數(shù)的增加而降低。各系統(tǒng)土壤長(zhǎng)期酸化后,土壤交換性鋁含量有降低的趨勢(shì),而土壤單聚體羥

14、基鋁含量則有增加的趨勢(shì),土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量變化不大。此外,93年二代杉木人工林土壤長(zhǎng)期酸化后,土壤中的交換性鋁和單聚體羥基鋁含量最高,土壤浸出液中含鋁量也是最高,可以推斷93年二代杉木人工林在5個(gè)系統(tǒng)中,最易受酸雨影響而產(chǎn)生鋁毒害。
　　 (12)添加凋落物對(duì)土壤各形態(tài)鋁含量和土壤pH值都有明顯影響。加入凋落物培養(yǎng)后,各處理土壤交換性鋁和單聚體羥基鋁含量基本上均比對(duì)照有不同程度的降低,而土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁、腐殖酸鋁含量和土

15、壤pH值則基本上均比對(duì)照有不同程度的增加。杉楠混合處理不僅有較好的降低交換性鋁和單聚體羥基鋁的效果,增加土壤pH值、酸溶無(wú)機(jī)鋁和腐殖酸鋁的效果也很好。因此,在杉木人工林經(jīng)營(yíng)中,杉木與楠木樹種混交,可以有效減少土壤交換性鋁和單聚體羥基鋁在杉木林生態(tài)系統(tǒng)土壤中積累,以避免或降低鋁毒害。
　　 (13)各處理土壤交換性鋁和單聚體羥基鋁含量隨加入凋落物分解時(shí)間延長(zhǎng)而降低,而各處理土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁含量、腐殖酸鋁含量和pH值則隨著加入凋落物分

16、解時(shí)間延長(zhǎng)而升高。
　　 (14)添加外源碳酸鈣對(duì)土壤各形態(tài)鋁和pH值均有明顯的影響。土壤中加入碳酸鈣培養(yǎng)后,土壤已經(jīng)檢測(cè)不到交換性鋁,各處理土壤單聚體羥基鋁均比對(duì)照有不同程度的降低,并且有隨著加入碳酸鈣量的增加而降低,土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁含量、腐殖酸鋁含量和土壤pH值基本上隨著加入碳酸鈣增加而升高,同時(shí),隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)土壤酸溶無(wú)機(jī)鋁和腐殖酸鋁含量有升高的趨勢(shì)。因此,采用添加外源碳酸鈣的方法對(duì)土壤各形態(tài)鋁和pH值的調(diào)控有明顯的效果

17、。
　　 (15)二代杉木林土壤交換性鋁含量低于老齡杉木林和天然常綠闊葉林。93年二代杉木人工林土壤單聚體羥基鋁含量較高,明顯高于其它系統(tǒng),呈現(xiàn)出一定的積累現(xiàn)象,但各系統(tǒng)土壤單聚體羥基鋁含量仍在正常范圍之內(nèi)。同時(shí),各個(gè)系統(tǒng)土壤Al／Ca比值也均小于3.0,因此,根據(jù)目前鋁毒害一些評(píng)判指標(biāo),認(rèn)為在本研究區(qū)域內(nèi)杉木連栽導(dǎo)致土壤鋁毒害可能性很小,模擬酸雨試驗(yàn)結(jié)果表明,93年二代杉木人工林土壤對(duì)酸雨較為敏感,一旦遭受酸雨而出現(xiàn)鋁毒害的潛