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杉木林生态系统转换对土壤铝形态的影响及其机制

李卿叁  
【摘要】:铝是自然界最常见的元素,在地壳中分布广泛,占地壳总重量的7.45%,仅次于氧和硅,是含量最丰富的金属元素和无机矿物元素。在自然界中铝通常以难溶性的硅酸盐或氧化铝的形式存在于一系列含铝矿物中,其它的铝则以各种化学形态存在。土壤中铝的存在形态可以影响土壤的结构和性质,从而影响人类和动植物生态与环境。自从德国林学家Ulrich等提出森林衰退的铝毒害学说之后,土壤各形态铝的毒性和铝毒害形成机理就成为研究热点,国外的研究较早,国内对铝毒研究在上世纪80年代后才成为研究热点。 近些年来,林木连栽而引起的地力衰退问题已成为林业工作者研究的热点,许多学者认为地力衰退与有毒铝形态在土壤中的积累有很大关系。随着研究的不断深入,土壤中的铝对森林生态系统的影响也越来越受到人们的重视。从目前研究结果来看,植物铝胁迫]、植物的抗铝毒机制、模拟实验研究土壤铝毒形成机理和缓解土壤铝毒的措施的研究较多,但是对于自然状况下的土壤铝毒害状况及其发展趋势研究较少。目前有关杉木人工林生态系统土壤铝形态的研究相对较薄弱,研究资料较少。杉木多代连栽林地土壤中是否存在铝毒害现象,有效证据仍不充分,还处于争论之中。 有鉴于此,本研究选择了在南平西芹教学林场内已建立的5个森林生态系统模式(包括天然常绿阔叶林模式、老龄杉木林模式、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)作为杉木林生态系统转换模式的系列样地,采用实地定位研究方法,着重对杉木林生态系统转换过程中土壤全铝、各形态铝和酸度组成的含量及其动态变化进行研究。采用模拟酸雨的实验方法,研究不同酸度酸雨及同种酸度不同酸化时间对土壤中铝形态及其含量的影响。为探索酸雨引起铝毒害的机理提供科学的理论依据;同时还采用人工模拟技术手段,对添加不同树种凋落物和外源碳酸钙对土壤铝形态的影响机理进行深入研究,为揭示土壤铝形态在杉木林生态系统转换过程中变化规律、土壤铝毒害机理、制定铝毒害的缓解技术措施以及人工林地力衰退机理和人工林可持续经营管理提供科学的理论依据和实践指导。主要研究结论如下: (1)各系统土壤全铝含量差异较小,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)土壤全铝含量略高于老龄杉木林和天然常绿阔叶林,各系统土壤总铝含量季节变化规律不明显。 (2)土壤交换性铝是生物毒性最强的一种铝形态。各系统土壤交换性铝含量差异较大,二代杉木林土壤交换性铝含量低于老龄杉木林和天然常绿阔叶林的含量,二代杉木萌芽天然更新林含量最低,可见杉木连栽未造成土壤交换性铝积累。各系统土壤交换性铝含量季节变化规律较明显,一月和十月较高,四月和七月较低。 (3)土壤单聚体羟基铝是生物毒性仅次于交换性铝的一种铝形态。各系统土壤单聚体羟基铝含量差异较大,93年二代杉木人工林土壤单聚体羟基铝含量较高,明显高于其它系统,呈现出一定的积累现象。各系统土壤单聚体羟基铝含量季节变化规律较明显,十月较高,其它月份较低,这与Driscoll等[79]提出的,酸化土壤单核铝秋季含量最高的规律基本一致。 (4)各系统土壤酸溶无机铝和腐殖酸铝含量差异相对较小,各系统土壤酸溶无机铝含量季节变化规律相对不明显,而各系统土壤腐殖酸铝含量季节变化规律较为明显,一般是七月含量较高,其它月份含量较低。 (5)坡位对土壤全铝和各形态铝含量影响不大,坡向对土壤全铝和交换性铝含量影响较大,土壤全铝和交换性铝含量均高于阴坡,而坡向对土壤单聚体羟基铝、土壤腐殖酸铝和酸溶无机铝含量影响较小。 (6)各种形态铝占土壤全铝的比例大小为:腐殖酸铝酸溶无机铝交换性铝单聚体羟基铝。总体来看,93年二代杉木人工林各形态铝以及活性铝在全铝中所占比例均较高,而其它系统相对较低,这说明93年二代杉木人工林受铝毒害的潜在危险较高。 (7)土壤各铝形态与土壤化学性质有一定的关系。从相关性分析结果可以看出,土壤交换性铝(EX-Al)与交换性总酸(EX- AC)显著正相关,可以用直线方程:EX-Al = 0.0193 EX-AC+0.1827 (r =0.375*)拟合,交换性铝与土壤pH值极显著负相关,可用方程:EX-Al= -0.2606 pH+1.4916 (r=-0.547**)拟合;单聚体羟基铝(Hy-Al)与有机质(OM)显著正相关,可用直线方程:Hy--Al=0.001OM+0.024 (r=0.394*)来拟合,与pH值显著正相关,可用方程:Hy-Al=0.0555pH -0.1915(r=0.352*),与CEC极显著正相关,可以用直线方程:Hy-Al =0.0071CEC-0.0401 (r=0.607**)来拟合。 (8)各系统土壤交换性Al(中和滴定法)含量差异较大,二代杉木林土壤交换性铝含量低于老龄杉木林和天然常绿阔叶林的含量,二代杉木萌芽天然更新林含量最低,可见杉木连栽未造成土壤交换性铝积累。各系统土壤pH值差异较大,二代杉木林土壤pH值高于老龄杉木林和天然常绿阔叶林的pH值,正好与土壤交换性Al含量变化规律相反。各系统土壤交换性Al含量季节变化不明显,而各系统土壤pH值季节变化较明显,一般呈现一月四月十月七月的规律。 (9)各系统土壤经不同pH值模拟酸雨浸提后,土壤浸出液中铝含量都随模拟酸雨pH值降低而升高,在模拟酸雨的pH值大于3.5时,各系统土壤浸出液的铝含量随着模拟酸雨pH值降低而缓慢增加,当模拟酸雨的pH值小于3.5时,土壤浸出液中铝含量急剧增加。在5个系统中,二代杉木萌芽天然更新林土壤经不同pH值酸雨浸提后土壤浸出液中有较低的铝含量,这说明二代杉木萌芽天然更新林土壤对酸雨缓冲能力较强,是5个系统中最不易受铝毒害影响的系统。各系统土壤经pH3.5模拟酸雨连续浸提5次和15次后,各次土壤浸出液中铝含量随着模拟酸雨浸提次数增加而增加。 (10各系统土壤经不同pH模拟酸雨浸提后,浸出液中Al/Ca比值,随着pH降低而增大。经pH4.5和pH3.5浸提后,天然常绿阔叶林、93年二代杉木人工林和91年二代杉木人工林Al/Ca比值大于3.0,经pH2.5酸雨浸提后,各系统Al/Ca比值均大于3.0,随着模拟酸雨pH值降低,各系统开始受铝毒害的影响,可见酸化是导致铝毒害的原因之一。土壤交换性铝和单聚体羟基铝含量,随pH值降低而升高,酸溶无机铝和腐殖酸铝与酸雨pH值的关系不明显。 (11)各系统土壤经酸雨浸提后,土壤交换性铝和单聚体羟基铝含量与初始土壤含量相比,都有不同程度的上升,而后其含量随着浸提次数的增加而降低。各系统土壤长期酸化后,土壤交换性铝含量有降低的趋势,而土壤单聚体羟基铝含量则有增加的趋势,土壤酸溶无机铝和腐殖酸铝含量变化不大。此外,93年二代杉木人工林土壤长期酸化后,土壤中的交换性铝和单聚体羟基铝含量最高,土壤浸出液中含铝量也是最高,可以推断93年二代杉木人工林在5个系统中,最易受酸雨影响而产生铝毒害。 (12)添加凋落物对土壤各形态铝含量和土壤pH值都有明显影响。加入凋落物培养后,各处理土壤交换性铝和单聚体羟基铝含量基本上均比对照有不同程度的降低,而土壤酸溶无机铝、腐殖酸铝含量和土壤pH值则基本上均比对照有不同程度的增加。杉楠混合处理不仅有较好的降低交换性铝和单聚体羟基铝的效果,增加土壤pH值、酸溶无机铝和腐殖酸铝的效果也很好。因此,在杉木人工林经营中,杉木与楠木树种混交,可以有效减少土壤交换性铝和单聚体羟基铝在杉木林生态系统土壤中积累,以避免或降低铝毒害。(13)各处理土壤交换性铝和单聚体羟基铝含量随加入凋落物分解时间延长而降低,而各处理土壤酸溶无机铝含量、腐殖酸铝含量和pH值则随着加入凋落物分解时间延长而升高。(14)添加外源碳酸钙对土壤各形态铝和pH值均有明显的影响。土壤中加入碳酸钙培养后,土壤已经检测不到交换性铝,各处理土壤单聚体羟基铝均比对照有不同程度的降低,并且有随着加入碳酸钙量的增加而降低,土壤酸溶无机铝含量、腐殖酸铝含量和土壤pH值基本上随着加入碳酸钙增加而升高,同时,随着培养时间的延长土壤酸溶无机铝和腐殖酸铝含量有升高的趋势。因此,采用添加外源碳酸钙的方法对土壤各形态铝和pH值的调控有明显的效果。 (15)二代杉木林土壤交换性铝含量低于老龄杉木林和天然常绿阔叶林。93年二代杉木人工林土壤单聚体羟基铝含量较高,明显高于其它系统,呈现出一定的积累现象,但各系统土壤单聚体羟基铝含量仍在正常范围之内。同时,各个系统土壤Al/Ca比值也均小于3.0,因此,根据目前铝毒害一些评判指标,认为在本研究区域内杉木连栽导致土壤铝毒害可能性很小,模拟酸雨试验结果表明,93年二代杉木人工林土壤对酸雨较为敏感,一旦遭受酸雨而出现铝毒害的潜在风险较高。


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