模拟酸沉降对桉树纯林和混交林土壤化学性质的影响

韩小美，陆湘云,杨 梅，刘世男，王永堂，唐梦云，翟卫玲

（1.广西大学林学院，广西 南宁 530004；2.广西国有高峰林场，广西 南宁 530001）

【研究意义】酸雨已经成为全球性的环境问题，我国酸雨区域面积占国土面积的30%，已成为继欧洲、北美之后的世界第三大重酸雨区域［1］，目前已经形成华中、西南、华南和华东四大酸雨区。广西地处华南，是酸雨污染较为严重的区域［2-3］。【前人研究进展】刘厚田等［4］认为铝中毒是南山酸雨对马尾松的主要危害，土壤酸化的不良后果主要有：使土壤K、Na、Ca和Mg等养分含量降低［5］，重金属活化［6-7］，土壤出现Al毒［8-10］和Mn毒［11］。【本研究切入点】森林是陆地生态系统中重要的组成部分，森林土壤一旦酸化，将会导致森林大面积死亡，桉树是广西森林生态系统的重要组成树种，具有速生、高产、轮伐期短、经济效益显著等特点［12-14］，广西桉树面积和产量均居全国前列［15］。然而，桉树对土壤的危害近年来饱受争议，有人认为桉树是“抽水机”“耗肥机”，甚至认为桉树有毒，进而对桉树有抵触情绪。也有研究认为桉树人工林之所以会出现这种情况，主要是酸雨沉降，导致土壤酸化，土壤被酸化后会加速土壤中交换性离子淋失，降低某些重要营养元素（如Ca、Mg）对林木生长的有效性，产生土壤肥力下降等各种问题［16-17］。由于酸雨对桉树人工林土壤造成严重危害，所以营造桉树与其他树种人工混交林日益受到人们重视，唐仕明［18］通过调查桉树与大叶相思的行间混交情况，发现桉树与大叶相思混交可以改良土壤、涵养水源、调节气候、促进生态平衡、提高林分的抗灾害能力。邓海燕等［19］也认为营造合适的桉树与其他树种的混交林可以更充分地利用林地条件，增强抗御灾害和病虫害的能力。【拟解决的关键问题】本研究以广西南宁高峰林场的10年生巨尾桉纯林和10年生巨尾桉与红椎混交林两种林分的林间土壤作为试验材料，通过人为模拟酸沉降，分析了不同酸度淋溶下的两林分土壤化学性质变化，比较两种林分对酸雨的缓冲能力，判定该混交树种的适宜性，为该区今后选择营造混交林树种提供依据。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

广西国有高峰林场位于广西南宁市盆地北缘，属大明山山脉，地理坐标为108°08'～108°53'E、22°49' ～23°15' N，海拔 150～ 400 m。地貌主要由山丘和丘陵构成，丘陵占全场面积的55.5%，山地占38.7%［20］。土壤构成物质为古生代的泥岩、泥质页岩、砂页岩等沉积岩系，局部有石英砂岩、花岗岩及第四纪沉积物，风化发育为赤红壤［21］。样地属热带北缘气候，雨量充足，年平均气温在21 ℃左右，极端最低温-2 ℃，极端最高气温为40 ℃，积温为7 500 ℃左右，年降雨量为1 200～1 500 mm、多集中在每年6～9月［22］。

1.2 采样方法

在广西南宁高峰林场，选择具有代表性的10年生巨尾桉纯林、10年生巨尾桉与红椎混交林两种人工林，均采用无性系造林，在每个林分中按上坡、中坡、下坡设置20 m×20 m的样地，每个林分设置3个样地，在样地内按照对角线法挖取各样地土壤剖面，采集0～-20 cm的土样装入塑料袋中，每个样地取3个土样，贴好标签，带回实验室。

表1 采样林分基本信息Table 1 Basic information of sampling forests

1.3 试验设计

广西城市降水中阴离子主要是以SO42-和NO3-为主［23］，按照广西城市降水中SO42-和NO3-组成的配比［24-26］，调配 H2SO4和 HNO3溶液浓度比为8∶1的酸雨溶液，调配的酸雨溶液pH分别为3.0、4.0、5.6，以pH值为6.0的清水为对照（CK）。模拟酸沉降试验所用酸雨总量相当于当地年均降水量，按广西桉树主要种植区年平均降水量1 300 mm，树冠枝叶截留后剩余70%左右进入林地，每年进入林地土壤雨量为910 mm。取10年生桉树纯林和桉树与红椎混交林0～-20 cm土壤，分别装入PVC塑料管（高40 cm、内径 7.5 cm），管底铺一层窗纱和玻璃棉，在土层上面分别按照林地落叶厚度覆盖大约5 cm厚度落叶，以恢复到桉树纯林和混交林的最原始状态。装置上方采用能控制流速的树体专用输液袋（1L）倒挂在PVC塑料管上方，下方用漏斗罩住，漏斗下方用塑料广口瓶接取淋洗液，且密封接口处，防止滤液蒸发，每个林分4个处理，每个处理3次重复。总共淋溶量约4 L，淋溶速率控制在100 mL/d 左右，试验历时40 d。40 d后进行滤液收集测定，淋溶后将土样取出，进行pH值测定，风干后进行养分测定。

1.4 测定方法

土壤和淋洗液pH值用pH计进行测定，全氮含量测定采用重铬酸钾-硫酸消化法，全磷含量测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，硝态氮（NO3-）、铵态氮（NH4+）和速效磷含量测定采用点滴比色联合速测法。

试验数据采用SPSS软件进行分析，并使用Excel软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对两种林分土壤pH的影响

模拟酸沉降下两林分土壤pH值如图1所示。桉树纯林土壤pH值在各处理下表现为pH 3.0处理极显著低于pH 5.6处理和CK，pH 5.6处理和CK相比差异不显著。桉树+红椎混交林土壤pH值在各处理下表现为pH 3.0处理显著低于pH 4.0和pH 5.6处理，极显著低于CK。CK下两林分土壤pH值相比，桉树+红椎混交林土壤pH值极显著高于桉树纯林土壤，可知在不加外界酸雨处理下，桉树纯林土壤本身的酸性强于桉树+红椎混交林土壤，通常情况下土壤酸性越强，受酸雨酸化影响程度越大，可见桉树纯林受酸雨影响程度大于桉树+红椎混交林。在酸雨作用下，对两种林分土壤pH的平均下降幅度进行比较，桉树纯林的平均下降幅度为1.41，混交林为1.66，桉树+红椎混交林大于桉树纯林，说明桉树+红椎混交林土壤对酸的缓冲能力大于桉树纯林。

图1 模拟酸沉降下两种林分土壤pH比较Fig.1 Comparison of soil pH of two stands under simulated acid deposition

2.2 模拟酸雨对两种林分土壤氮、磷含量的影响

2.2.1 酸沉降对土壤全氮含量的影响 模拟酸沉降下两种林分土壤全氮含量如图2所示。从图2可以看出，桉树纯林土壤全氮含量随模拟酸雨pH减小呈先增加后减少的趋势，pH 4.0处理下土壤全氮含量最高，且极显著高于其他3个处理，各处理下土壤全氮含量大小为pH 4.0＞ pH 5.6＞CK＞ pH 3.0。可见，酸雨pH 4.0是一个临界值，当酸雨pH≥4.0时，酸雨对土壤全氮含量具有促进作用，显著增加土壤全氮含量，而当酸雨pH＜4.0时，土壤全氮含量降低。桉树+红椎混交林各处理间的变化规律与桉树纯林变化规律一致，同样为酸雨pH 4.0时，土壤全氮含量最高。与对照相比，pH 3.0处理下两种林分土壤全氮含量下降率分别为桉树纯林28.7%、桉树+红椎混交林18.9%。桉树+红椎混交林土壤全氮含量下降率小于桉树纯林，说明桉树+红椎混交林土壤对酸雨的缓冲能力和固氮能力强于桉树纯林。

图2 模拟酸沉降下两种林分土壤全氮含量比较Fig.2 Comparison of total N content in soil of two stands under simulated acid deposition

2.2.2 酸沉降对土壤铵态氮含量的影响 模拟酸沉降下两种林分土壤铵态氮含量如图3所示，供试土壤铵态氮含量在酸雨pH 5.6处理下最大，极显著高于其他3个处理，与CK相比，pH 5.6处理土壤铵态氮含量处于增加状态，当酸雨pH小于5.6时，桉树纯林土壤铵态氮含量开始下降，且pH 3.0处理显著降低了土壤铵态氮含量，各处理下土壤铵态氮含量大小顺序为pH 5.6＞ CK＞pH 4.0＞pH 3.0。桉树+红椎混交林在酸雨pH 4.0处理达到最大，与CK相比，桉树+红椎混交林在酸雨pH≥4.0时土壤铵态氮含量都处于增加状态，在pH 3.0处理下土壤铵态氮含量开始下降，且pH 3.0处理显著降低了土壤铵态氮含量。可见，不同pH酸雨处理下桉树纯林和桉树+红椎混交林变化有明显差异性，桉树纯林在pH 5.6时达到最大，桉树+红椎混交林在酸雨pH 4.0时最大。与CK相比，pH 3.0处理下两种林分土壤铵态氮含量下降率分别为桉树纯林为46.6%、桉树+红椎混交林23.5%。桉树+红椎混交林铵态氮下降率远小于桉树纯林。

2.2.3 酸沉降对土壤硝态氮含量的影响 模拟酸沉降下两种林分土壤硝态氮含量如图4所示，从图4可以看出，桉树纯林供试土壤硝态氮含量随模拟酸雨pH的减小同样呈现先增加后降低的规律，pH 4.0处理下硝态氮含量最高，极显著高于其他3个处理，pH 3.0处理低于CK。桉树+红椎混交林各处理间的变化规律与桉树纯林变化规律相一致。与CK相比，pH 3.0处理下两种林分土壤硝态氮含量下降率分别为桉树纯林12.4%、桉树+红椎混交林11.3%。模拟酸沉降下两种林分对于硝态氮下降率大小相近，说明两种林分对于硝态氮的淋失无明显差异。

图3 模拟酸沉降下两种林分土壤铵态氮含量比较Fig.3 Comparison of ammonium N content in soil of two stands under simulated acid deposition

图4 模拟酸沉降下两种林分土壤硝态氮含量比较Fig.4 Comparison of nitrate N content in soil of two stands under simulated acid deposition

2.2.4 酸沉降对土壤全磷含量的影响 模拟酸沉降下两种林分土壤全磷含量如图5所示，从图5可以看出，桉树纯林供试土壤全磷含量随模拟酸雨pH增加而依次增加，且各处理间差异性显著。pH 3.0处理土壤全磷含量显著低于其他3个处理，各处理土壤全磷含量大小顺序为CK＞pH 5.6＞pH 4.0＞pH 3.0。可见酸处理下桉树纯林土壤全磷含量与CK相比显著减少。桉树+红椎混交林各处理间供试土壤全磷含量随模拟酸雨pH变化没有显著变化，各处理间差异不显著。可见，酸雨淋溶状态下，桉树纯林土壤全磷更易流失，而酸雨对桉树+红椎混交林土壤全磷磷含量影响不大，说明桉树+红椎混交林土壤对全P保持能力强于桉树纯林土壤。

图5 模拟酸沉降下两种林分土壤全磷含量比较Fig.5 Comparison of total P content in soil of two stands under simulated acid deposition

2.2.5 酸沉降对土壤速效磷含量的影响 模拟酸沉降下两种林分土壤速效磷含量如图6所示，从图6可以看出，桉树纯林供试土壤速效磷含量随模拟酸雨pH增加而依次增加，pH 3.0处理土壤速效磷含量显著低于其他3个处理，pH 5.6和CK间差异不显著，但显著高于pH 3.0和pH 4.0处理。说明与CK相比，pH 5.6的酸雨对桉树纯林速效磷含量无明显影响，而pH 3.0和pH 4.0处理显著降低了桉树纯林土壤速效磷含量，可见酸处理下桉树纯林土壤速效磷含量显著减少。桉树+红椎混交林各处理间供试土壤速效磷含量随模拟酸雨pH变化没有显著变化，各处理间差异不显著。说明酸雨对桉树+红椎混交林土壤速效磷含量无显著影响。

图6 模拟酸沉降下两种林分土壤速效磷含量比较Fig.6 Comparison of available P content in soil of two stands under simulated acid deposition

2.3 模拟酸雨对两林分土壤淋洗液pH值和养分含量的影响

2.3.1 酸沉降对两种林分土壤淋洗液pH值的影响 模拟酸沉降下桉树纯林和桉树+红椎混交林土壤淋洗液pH值变化如图7所示，两种林分土壤淋洗液pH值随模拟酸雨pH值的增加均表现出增加状态，桉树纯林除在pH 3.0和pH 4.0处理差异不显著外，其他处理间均表现极显著差异，桉树+红椎混交林各处理间均表现出极显著差异。淋洗液pH的高低在一定程度上反映了土壤的缓冲能力，两种林分土壤淋洗液pH在CK下差异不显著，其他pH酸雨淋洗后，桉树+红椎混交林土壤淋洗液pH极显著高于桉树纯林，说明桉树+红椎混交林土壤缓冲酸雨的能力高于桉树纯林。

2.3.2 酸沉降对两种林分土壤淋洗液养分含量的影响 模拟酸沉降下桉树纯林和桉树+红椎混交林土壤淋洗液养分含量变化如图8和图9所示，两林分土壤淋洗液的全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、速效磷含量随模拟酸雨pH的增加均表现出降低的规律，pH3.0酸雨处理下，两种林分土壤淋洗液的养分含量最高，在桉树纯林中，pH3.0处理下土壤淋洗液养分含量极显著高于其他3个处理，pH 5.6处理和CK差异不显著，在桉树+红椎混交林混交林土壤中，pH 3.0和pH 4.0处理下土壤淋洗液各养分含量变化差异不显著，但极显著高于pH 5.6处理和CK。总体来看，两种林分土壤淋洗液养分含量变化表现为酸雨越严重，土壤淋洗出来的养分含量就越高。

图7 模拟酸沉降下两种林分土壤淋洗液pH比较Fig.7 Comparison of pH of soil eluent from two stands under simulated acid deposition

图8 模拟酸沉降下桉树纯林土壤淋洗液养分含量比较Fig.8 Comparison of nutrient content in soil eluent of pure eucalyptus forest under simulated acid deposition

图9 模拟酸沉降下桉树+红椎混交林土壤淋洗液养分含量比较Fig.9 Comparison of nutrient content in soil eluent of mixed forest (eucalyptus + Castanopsis hystrix)under simulated acid deposition

3 讨论

刘莉等［27］通过室内模拟酸雨土柱淋溶实验，研究了酸雨作用下三峡库区4种典型土壤盐基离子的释放特点和释放机制，结果表明土壤pH值随酸雨pH值下降而下降；刘旭阳等［28］研究了模拟酸雨对福州平原稻田土壤酸化情况，结果表明，酸雨沉降加速了土壤酸化，这与本文得出的pH 3.0处理下桉树人工林土壤pH值显著降低的结论相符。张新明等［29］报道了模拟酸雨下荔枝园对N素变化的影响，结果表明模拟酸沉降下供试土壤各处理间全氮、硝态氮、铵态氮的含量随着模拟酸雨酸度的增强而依次增加。本研究结果表明，酸沉降下两种林分土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量随酸雨酸度增强均呈现先增加后减少的趋势，弱酸性或者中性酸雨对土壤全氮、硝态氮和铵态氮具有促进作用，使土壤全氮、硝态氮和铵态氮显著增加，而强酸性降雨会使土壤全氮、硝态氮和铵态氮大量淋失，这可能与土壤内部结构有关：当酸雨为弱酸性或中性时，会促进土壤空气中的分子态氮转化成大量有机态氮和无机态氮，同时也会促进土壤中有机物质的水解、硝化作用和氨化作用，从而使土壤中氮素含量大量积累，积累量大于流失量，所以总体处于积累状态。而当酸雨为强酸性时，由于强酸性的酸雨会破坏土壤内部结构，抑制了氮转化和水解，同时强酸性降雨也会影响土壤微生物的活动，抑制了微生物的分解作用，使微生物分解有机含氮化合物释放出氨的过程受到抑制，从而使土壤铵态氮含量增加缓慢，同时强酸性降雨又会使土壤中可溶性氨基酸大量流失，所以总体上会使土壤铵态氮处于大量淋失状态。铵态氮的减少抑制了土壤的氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程，由于硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程受到抑制，土壤硝态氮积累量小于流失量，所以使硝态氮总体上也减少。酸沉降下两种林分氮素降低率相比，可知桉树纯林全氮和铵态氮降低率远远大于桉树+红椎混交林，表明氮素在桉树纯林中的流失量大于桉树+红椎混交林，所以在酸雨严重地区可以营造桉树+红椎混交林，以减少氮素流失，使氮素能够更好地为植物吸收利用。

刘广深等［30］采用pH 3.0、4.5两种模拟酸雨与对照pH 6.0的雨水，湿润培育加磷后的土壤，结果表明模拟酸雨pH值愈低，有效磷衰减得愈快，酸雨加快土壤有效磷的衰减，这与本研究模拟酸沉降下桉树纯林土壤磷素随酸雨酸度的增加而减少，表现出酸沉降下磷素大量流失状态的结论一致，酸雨的淋溶大大增加了土壤中活性铝的含量，从而使磷的活性吸附点位增多，更多的磷酸根离子与活性铝离子配位吸附［31］，所以土壤中的磷素在酸雨处理后有所流失，雷波等［32］也表明酸雨引起重庆蔬菜土壤磷素淋失。而桉树+红椎混交林土壤磷素在不同酸度的酸雨沉降下没有显著变化，可知酸沉降对桉树+红椎混交林磷素无明显影响，说明桉树+红椎混交林土壤对素保持力较强，在造林方面我们可以选择在酸雨地区营造桉树+红椎混交林来缓解林木缺磷状况。

4 结论

（1）模拟酸雨沉降下两种林分土壤pH、土壤淋洗液pH均随酸雨pH的降低而降低，桉树+红椎混交林土壤pH的平均下降幅度大于桉树纯林，说明桉树+红椎混交林对酸的缓冲能力大于桉树纯林。

（2）模拟酸雨沉降下两种林分土壤全氮、硝态氮和铵态N含量随酸雨pH减小均呈现先增加后减小的变化，同一pH（pH 3.0）处理下，与CK相比，桉树纯林土壤全氮和铵态氮含量下降率远远大于桉树+红椎混交林，说明桉树+红椎混交林固定全氮和铵态氮的能力强于桉树纯林。

（3）模拟酸雨沉降下两种林分土壤全磷和速效磷变化规律有所差异，在桉树纯林中全磷和速效磷均呈现随酸雨pH的降低而降低，在桉树+红椎混交林中无显著变化，说明桉树+红椎混交林土壤磷素受酸雨影响较小，桉树+红椎混交林固磷能力较强。