王轶浩，陈 展， 周建岗， 张媛媛

1 重庆师范大学地理与旅游学院 重庆市三峡库区地表生态过程野外科学观测研究站,重庆 401331 2 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室,北京 100091 3 山西省沁县漳源林场, 长治 046400

酸沉降是全球面临的主要环境问题之一,对全球生态系统造成极大威胁,严重影响着人类生存与发展。我国已成为继欧洲和北美之后的世界第三大酸雨区,特别是我国南方的酸雨污染尤为严重[1]。重庆是我国老酸雨区,早在20世纪80年代就报道了重庆南山风景区马尾松林受酸雨影响普遍生长不良,甚至大面积死亡的现象[2]。虽然自2010年开始重庆酸沉降量总体呈下降趋势,但其降水pH值仍然较低[3],并且酸沉降引起的土壤酸化现象短期内不会消除。马尾松(Pinusmassoniana)对酸沉降危害极其敏感,已有研究表明,马尾松受到酸沉降危害后会表现出明显的落叶率增加[4]、根系分布变浅[5]、生物量下降[6]等受害特征。同时,马尾松在我国南方山地丘陵区广泛分布,是当地主要造林树种和先锋树种,这种马尾松林和酸沉降区的空间分布范围高度重叠,给我国南方山地丘陵区森林经营管理带来了极大困难和挑战。

为应对酸沉降对马尾松林的危害,进行马尾松纯林的阔叶林替代或林下补植阔叶树种是常采用的主要改造措施。目前国内外学者对于酸沉降影响森林已做了大量研究[7-10],取得了较多成果,如表明酸沉降能引起土壤酸化,进而造成土壤盐基离子淋失及一些有毒元素活化[11]；王轶浩等[12]研究认为酸沉降导致马尾松林土壤水文物理性质变差,涵养水源功能下降。土壤团聚体作为土壤结构与肥力的重要指标,对土壤养分的维持、供给和转化等都有重要影响[13],其中土壤团聚体含量及稳定性是表征土壤结构好坏的重要参数[14],而土壤团聚体稳定性往往通过几何平均直径(Geometric Mean Diameter, GMD)和平均质量直径(Mean Weight Diameter, MWD)衡量[15],GWD和MWD值越大表明土壤团聚体的平均粒径团聚度越高,稳定性越强[16]。但以往研究更多关注酸沉降对森林植被、土壤、地表水等方面的影响,而对马尾松纯林的不同阔叶化改造措施的影响还缺乏研究,尤其对土壤酸化特征及团聚体稳定性的影响还未见研究报道,这限制着酸雨区马尾松林科学经营管理。

本文在酸沉降影响严重的重庆江北区铁山坪林场,采用空间代替时间的方法,以马尾松天然次生林纯林为对照,研究改造成香樟(Cinnamomumcamphora)林、木荷(Schimasuperba)林、马尾松×香樟混交林、马尾松×木荷混交林后的土壤酸化特征及团聚体稳定性变化,以期掌握马尾松纯林的不同改造措施的影响差异,从而为酸雨区马尾松林改造成效评价及其可持续经营与管理提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市江北区铁山坪林场(北纬29°38′,东经106°41′),属亚热带湿润气候,多年平均降水量1100 mm,年均气温18 ℃。该地属四川盆东平行岭谷地貌,海拔变化在242—584 m,坡度变化在5°—30°。土壤以砂岩上发育的山地黄壤为主,土壤质地为粉砂壤土和粉砂粘壤土,厚度50—80 cm。研究区酸沉降影响严重,测定的林外和林内降水pH值平均为4.06和3.20,土壤酸化明显[12]。森林主要为起源于20世纪60年代天然林皆伐后自然更新形成的马尾松次生林,因受酸沉降危害特征明显,落叶率多年平均为40%—50%[4]。故20世纪80、90年代以来,陆续在马尾松林下及其采伐迹地、火烧迹地补植了阔叶树种,或结合森林防火栽植或补植防火树种木荷,目前已形成了马尾松纯林、香樟林、木荷林以及针阔混交林等多种森林类型镶嵌分布的空间格局,森林覆盖率高达90%以上。

1.2 研究方法

1.2.1样地设置

采用空间代替时间的方法,在铁山坪林场楠木湾选择马尾松天然次生林纯林、香樟林、木荷林、马尾松×香樟混交林、马尾松×木荷混交林等5种森林类型,以马尾松纯林为对照,研究对比马尾松纯林不同改造措施的效果差异。马尾松纯林的林龄平均约为62 a,下木有杜英(Elaeocarpussylvestris)、杉木(Cuninhamalanceolata)、檵木(Loropetalumchinense)等,草本植物以铁芒萁(Dicranopterislinearis)为主。香樟林为20世纪80年代初在马尾松林采伐迹地营造的人工林,林龄约为37 a,下木有杜英、木荷、白栎(Quercusfabric)等,草本植物有铁芒萁。木荷林是20世纪90年代初在马尾松林火烧迹地上营造的人工林,林龄约为29 a,无下木,仅零星分布有草本植物。马尾松×香樟混交林是20世纪80年代初在马尾松林下通过星状补植香樟形成的,其中,马尾松林龄约为62 a,香樟林龄约为37 a,林分平均林龄约为50 a,下木有杜英、木荷、杉木等。马尾松×木荷混交林是20世纪90年代初建设生物防火隔离带时,在马尾松林下带状栽植木荷形成的,其中,马尾松林龄约为62 a,香樟林龄约为29 a,林分林龄平均约为45 a,下木有香樟、杜英、杉木等。

在以上5种森林类型中,选择土壤、地形条件基本一致的代表性地点,设置规格为20 m×20 m的典型样地18个,其中马尾松纯林、香樟林和马尾松×香樟混交林各4个,木荷林和马尾松×木荷混交林各3个。调查各样地的基本情况,并每木检尺(表1)。

表1 典型样地基本概况

1.2.2土壤取样

2018年8月,首先在各典型样地按“S”型布设10个取样点,之后在各取样点挖一个土壤剖面,并按土壤形成层(O层、A层、B层)取样,其中O层为腐殖质层,即有机残留物层,有明显的枯枝落叶等有机物残体；A层为淋溶层,富含有机质,颜色较暗；B层为淀积层,中度风化,颜色较浅。最后将各土层的全部取样点土壤按样地分别混合,即每个典型样地获得三个不同土层的混合土样。

1.2.3土壤指标测定

将土样带回实验室,测定土壤的pH值和有机碳、全氮、全磷、全钾、交换性阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、AI3+)含量,以及阳离子交换量、土壤团聚体及其有机碳含量等指标[17],其中,土壤pH值测定采用电位法；土壤有机碳测定采用重铬酸钾容量-外加热法；土壤全氮、全磷、全钾测定均采用硫酸-双氧水消煮,半微量凯氏定氮法；交换性阳离子用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定；阳离子交换量在采用草酸铵-氯化铵法浸提后用半微量凯氏定氮法测定；土壤团聚体及其有机碳含量采用湿筛法-重铬酸钾容量外加热法测定。

土壤盐基饱和度(BS,%)[18]、土壤团聚体的几何平均直径(GMD,mm)和平均质量直径(MWD,mm)[15]分别通过公式(1)、(2)、(3)计算得到。

(1)

式中,EBC为土壤交换性盐基离子含量(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)(cmol/kg),CEC为土壤阳离子交换量(cmol/kg)。

(2)

(3)

1.2.4数据处理

采用Excel 2019和Origin9.0软件对数据进行处理与作图,利用SPSS 23.0软件进行马尾松纯林改造后不同森林类型、不同土壤层次之间的土壤养分含量、酸化特征、团聚体稳定性的单因素方差分析(one-way ANOVA)及LSD检验法的多重均值比较分析。

2 结果

2.1 马尾松纯林改造对土壤养分的影响

由图1可知,马尾松纯林改造对各土层的有机碳、全氮、全磷和全钾含量均有显著影响(P<0.05),但各森林类型对不同土层的影响不同。对O层土壤有机碳含量,除马尾松×木荷混交林显著增加外,其他森林类型则均显著降低(P<0.05)；对A层土壤有机碳含量,香樟林和马尾松×木荷混交林均显著增加,其他2种森林类型则变化不显著(P>0.05)；对B层土壤有机碳含量,改造后的4种森林类型均显著降低(P<0.05)。同样地,对O层土壤全氮含量,马尾松×木荷混交林相比其他森林类型均显著增加,而A、B层土壤全氮含量均以香樟林最高。

香樟林和马尾松×香樟混交林的各土层全磷含量和B层土壤全钾含量均显著增加(P<0.05),而木荷林和马尾松×木荷混交林的各土层全磷和全钾含量总体上均显著下降(图1)。这说明改造成香樟林或其混交林有助于增加土壤的全磷、全钾含量,而改造成木荷林或其混交林则可能对磷、钾吸收利用较多而归还不足。总体上,除土壤全钾含量外,各森林类型的土壤有机碳、全氮和全磷含量随土层加深的变化规律一致,均表现为O层>A层>B层,即随土层加深而显著降低。

图1 不同森林类型各土层的土壤养分含量变化Fig.1 Variation of soil nutrient contents in various soil layers of different forest types 不同大写字母表示同一森林类型不同土层之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一土层的不同森林类型之间差异显著(P<0.05)

2.2 马尾松纯林改造对土壤酸化特征的影响

马尾松纯林改造对土壤pH值、阳离子交换量和盐基饱和度均有显著影响(P<0.05)。由图2可知,5种森林类型的各层土壤pH值变化在3.80—4.84之间,说明当地土壤酸化仍然严重。马尾松纯林改造成香樟林和马尾松×香樟混交林后,除马尾松×香樟混交林的B层土壤外,其他各层土壤pH值均显著升高(P<0.05)；改造成木荷林和马尾松×木荷混交林后,其B层及马尾松×木荷混交林的O层土壤pH值均显著降低(P<0.05),其他土层的pH值则变化不明显(P>0.05)。

图2 不同森林类型各土层的pH值、阳离子交换量和盐基饱和度变化Fig.2 Variation of soil pH-value and cation exchange capacity and base saturation in various soil layers of different forest types

与马尾松纯林相比,改造为香樟林和马尾松×香樟混交林的各土层阳离子交换量差异均不显著(P>0.05),但木荷林除B层外的其他各土层均显著降低(P<0.05),马尾松×木荷混交林则除O层显著增加外,其他各土层变化均不显著。当马尾松纯林改造为香樟林和马尾松×香樟混交林后,除B层土壤的盐基饱和度差异不显著外,其他各层均显著增加(P<0.05),但木荷林和马尾松×木荷混交林的各土层差异均不显著(P>0.05)。

由图3可知,马尾松纯林改造对土壤交换性阳离子含量影响显著(P<0.05),改造为香樟林和马尾松×香樟混交林后,除B层土壤受影响总体不明显外,其他各土层的交换性盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量均显著增加(P<0.05),且土壤致酸阳离子(Fe3+、Al3+)含量均显著减少(P<0.05)。与马尾松纯林相比,木荷林各土层的交换性盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量总体显著降低；对土壤致酸阳离子(Fe3+、Al3+)含量,除A层的Fe3+显著增加外,O层的Fe3+及Al3+和A层的Al3+均显著降低,而B层的Fe3+、Al3+变化均不显著(P>0.05)。改造为马尾松×木荷混交林后,O层土壤的交换性Na+、Mg2+显著增加,交换性Al3+显著降低(P<0.05),其他各交换性阳离子则变化不明显(P>0.05)；A层土壤除交换性Fe3+显著增加外,其他各交换性阳离子均显著降低(P<0.05)；B层土壤除交换性K+显著降低和Al3+显著增加外,其他各交换性阳离子变化不明显(P>0.05)。

图3 不同森林类型各土层的土壤交换性阳离子含量变化Fig.3 Variation of soil exchangeable cations in various soil layers of different forest types

2.3 马尾松纯林改造对土壤团聚体稳定性的影响

由图4可知,马尾松纯林改造成其他森林类型后,对0.25—2 mm水稳性团聚体含量,除木荷林和马尾松×木荷混交林B层土壤显著增加外,各森林类型的其他各土层均变化不明显(P>0.05)。对0.053—0.25 mm水稳性团聚体含量,马尾松×香樟混交林的O层和A层、马尾松×木荷混交林的O层和香樟林的A层均显著增加(P<0.05),其他则变化不明显。对<0.053 mm水稳性团聚体含量,木荷林O层显著增加,但香樟林和马尾松×香樟混交林A层显著降低(P<0.05),其他则不明显。总体上,马尾松纯林改造对土壤团聚体含量的影响不太明显,但能有效促进香樟林和马尾松×香樟混交林土壤微团聚体(0.053—0.25 mm)含量增加,而黏粉粒(<0.053 mm)含量减少。各森林类型的土壤水稳性大团聚体(0.25—2 mm)含量均以O层最高、微团聚体含量以A层最高、黏粉粒含量则以B层最高,说明各森林类型的土壤均随土层加深而愈加紧实。

马尾松纯林改造对土壤团聚体有机碳含量影响显著(P<0.05),其中香樟林的O层土壤0.25—2 mm团聚体有机碳含量显著降低,但在A层显著增加,其他各森林类型的B层土壤0.25—2 mm团聚体有机碳含量均也显著降低(图4)。相比马尾松纯林,香樟林O层土壤0.053—0.25 mm团聚体有机碳含量显著降低,但在A层显著增加,其他森林类型的A层土壤0.053—0.25 mm团聚体有机碳含量则显著降低；在B层土壤中,仅木荷林显著降低,其他森林类型则差异不显著。同样地,香樟林O层土壤<0.053 mm团聚体有机碳含量也显著降低,木荷林、马尾松×香樟混交林和马尾松×木荷混交林的B层土壤<0.053 mm团聚体有机碳含量也显著降低,但香樟林、木荷林、马尾松×木荷混交林的A层和马尾松×木荷混交林的O层土壤<0.053 mm团聚体有机碳含量均显著增加(P<0.05)。

图4 不同森林类型各土层土壤团聚体及其有机碳含量变化Fig.4 Variation of soil aggregates and its organic carbon content in various soil layers of different forest types

由图5可知,各森林类型的O层土壤GMD、MWD分别变化在3.19—4.02 mm、0.53—1.03 mm之间,马尾松纯林改造对其影响不明显(P>0.05),但对A、B层土壤GMD和B层土壤MWD的影响均显著(P<0.05),表现为香樟林和马尾松×香樟混交林的A层土壤GMD分别显著增加21.51%、14.34%；马尾松×木荷混交林B层土壤的GMD和MWD也分别显著增加16.81%、47.22%,而其他森林类型的差异并不显著(P>0.05)。

图5 不同森林类型各土层土壤几何平均直径和平均质量直径变化Fig.5 Variation of soil geometric mean diameter (GMD) and mean weight diameter (MWD) in various soil layers of different forest types

3 结论与讨论

土壤肥力高低影响着植物的分布、组成、生长、结构和功能,反过来植被又影响土壤养分的分布及循环[19],而土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量是土壤肥力评价的主要指标[20]。本研究中,马尾松纯林的阔叶化改造对土壤的有机碳、全氮、全磷和全钾含量均有显著影响,这与卢立华等[21]研究结果一致。但各森林类型对各土层养分的影响不同,如改造为马尾松×香樟混交林后,其腐殖质层土壤有机碳含量显著降低,但各土层全磷和淀积层全钾含量均显著增加；当改造成马尾松×木荷混交林后,其腐殖质层土壤有机碳和全氮含量均显著增加,但各土层全磷和全钾含量却显著下降,这与简尊吉等[20]研究结果不同。

多数研究表明,马尾松混交林土壤养分含量高于马尾松纯林[22-23],这是因马尾松混交林的林下植物种类普遍较丰富,有助于凋落物分解和促进土壤养分回归[24],而马尾松纯林的凋落物一般以马尾松针叶为主,富含单宁、树脂、木质素等难分解物质,限制了凋落物养分释放和归还土壤[25]。本研究中改造成马尾松混交林的腐殖质层土壤的部分养分指标下降可能与土壤养分淋溶、迁移有关,也可能与林分起源有关[20]。简尊吉等[20]研究表明马尾松天然林土壤有机质、全氮、全钾含量均显著高于人工林,正如本研究中马尾松天然次生林改造成香樟、木荷人工林后,其腐殖质层土壤养分含量普遍下降,尤其木荷人工林,各层土壤养分含量均显著减低。究其原因可能主要还是受研究区木荷林生长快、对土壤养分吸收与积累较多和其林下环境对凋落物分解的影响所致,本研究中木荷人工林密度大(表1),林下光照不足,且林下分布的植物种类和数量较少,不利于凋落物分解及其养分释放。任来阳等[26]在酸雨区同一林下环境的研究表明,马尾松和木荷的凋落物分解速率并无显著差异。可见,在酸雨区营造适宜的森林类型及其林下环境,对于改善土壤养分条件非常重要。

土壤pH值、阳离子交换量、交换性阳离子含量和盐基饱和度均是反映土壤酸化程度的重要指标[27],这些指标一般随土壤酸化程度加重而降低,但交换性Al3+含量增加[28]。本研究表明,马尾松纯林改造对土壤酸化特征影响明显,改造成香樟林和马尾松×香樟混交林后能显著提高土壤pH值、交换性盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)含量和盐基饱和度,明显降低土壤致酸阳离子(Fe3+、Al3+)含量；当改造成木荷林和马尾松×木荷混交林后,部分土层的pH值和交换性盐基离子含量显著降低,而部分土层的大部分土壤酸化指标变化不显著。这说明马尾松纯林改造成香樟林和马尾松×香樟混交林能有效减弱土壤酸化程度,提高对土壤酸的缓冲能力,但对淀积层影响作用不明显,这可能与凋落物归还养分和树木根系的影响随土层加深而变弱有关；改造成木荷林和马尾松×木荷混交林虽总体上对土壤酸化特征影响不明显,但能通过降低土壤pH值使土壤进一步酸化,这与李志勇等[17]、任来阳等[26]在该区域的研究结果一致。李志勇等[17]研究表明,木荷抗酸能力很强,在酸雨区生长迅速,枝叶繁茂,往往不利于林下植物生长及天然更新和生物多样性保护。可见,木荷虽是优良的森林防火树种[29],但用作酸雨区马尾松纯林改造的替代树种时应慎重,至少首先应科学确定合理的栽植密度和混交方式,并加强木荷林分的全过程抚育经营管理,以促进其林下植物生长及天然更新和物种多样性增加,进而改善凋落物组分和加快凋落物分解及养分回归,避免对土壤环境产生不利影响。

≥0.25 mm水稳性大团聚体可在一定程度上表征土壤结构和质量的好坏[30],其含量越高,土壤结构稳定性越好[31]。本研究表明,马尾松纯林改造成其他森林类型后,总体对各粒径土壤团聚体含量的影响不太明显,但木荷林及马尾松×木荷混交林能有效增加淀积层的土壤水稳性大团聚体(0.25—2 mm)含量；香樟林和马尾松×香樟混交林能增加土壤微团聚体(0.053—0.25 mm)含量,而减少黏粉粒(<0.053 mm)含量。这说明马尾松纯林改造成其他森林类型后可有效改善部分土层的土壤结构及其稳定性,这可能与各森林类型的根系深度分布特征有关,根系及其分泌物的增加有利于大颗粒团聚体形成[32]。GMD和MWD是评价土壤团聚体稳定性的重要参数[15],本研究表明马尾松纯林改造对各森林类型的腐殖质层和木荷林的淋溶层及淀积层的土壤团聚体稳定性无显著影响,但均能显著增强香樟林、马尾松×香樟混交林和马尾松×木荷混交林的淋溶层或淀积层的土壤团聚体稳定性,尤其马尾松×木荷混交林,这与徐海东等[33]研究结果一致。

土壤团聚体作为土壤有机碳储存的重要场所,影响着土壤有机碳转化[34],其中土壤大团聚体虽能储存更多有机碳,但不稳定,而微团聚体利于有机碳长期固定[35]。有机碳则能促进土壤团聚体形成,增强其稳定性[31]。本研究表明马尾松纯林改造成马尾松×木荷混交林后腐殖质层的大团聚体有机碳含量有所降低,对应的微团聚体及黏粉粒有机碳含量却均增加,说明马尾松×木荷混交林有助于将腐殖质层大团聚体中储存的有机碳向微团聚体和黏粉粒转变,从而促进土壤有机碳的长期固定。香樟林腐殖质层的各粒径团聚体有机碳含量均显著降低,而其淋溶层的各粒径团聚体有机碳含量均显著增加,这与其土壤有机碳含量变化一致(图1),说明改造成香樟林有助于有机碳向淋溶层富集[36]。

综上,酸雨区马尾松纯林改造对土壤养分、酸化特征及团聚体稳定性的影响较为明显,其中以改造成香樟林和马尾松×香樟混交林的改善效果总体上较好,而改造成木荷林和马尾松×木荷混交林的改善效果相对较差,尤其木荷林。因此,对酸雨区马尾松纯林改造,首先应科学选择马尾松替代树种及其林下补植树种,然后根据所选树种的生物学、生态学特性及林分特征,合理确定相应的改造方法及措施,避免对土壤环境产生不利影响。然而,由于受实验条件所限,本研究只能采用空间代替时间的方法来反映马尾松纯林改造的不同林分类型,未能从时间尺度对马尾松纯林改造前后开展原位研究,今后需加强马尾松纯林改造控制试验设计及其长期固定监测样地建设,以对同一地点的马尾松纯林改造前后开展土壤环境监测研究。同时,还需加强对已改造林分的地上、地下部分特征长期定位监测,以更加全面认识营林措施及其林分特征对土壤酸化环境的影响机理与时间效应,并能结合改造林分的现状及问题动态调整营林措施,进而实现林分改造全过程的可持续管理。