植被恢复对红壤侵蚀区土壤铁铝氧化物和理化性质的影响

吴敏敏, 刘俊第, 林雪萍, 杨逸伟, 方 熊, 易志刚

(福建农林大学资源与环境学院土壤环境健康与调控福建省重点实验室，福建 福州 350002)

福建省龙岩市长汀县是我国中亚热带红壤侵蚀退化治理的典型示范区.20世纪80年代初开始的植被恢复治理措施显著提高了当地植被覆盖度[1]，地上和地下凋落物的输入促进了土壤有机质的累积，土壤结构逐渐改善[2]，土壤碳、氮、磷等养分的固持量显著提高[3-4]，区域生态系统服务功能得以提升.

土壤肥力是评价水土流失治理成效的重要指标.土壤中铁铝氧化物对土壤养分以及土壤不同组分碳的累积有着重要的影响[5-6].研究表明，土壤养分与铁铝氧化物主要通过共沉淀或吸附作用[7-8]促进有机碳和养分的固持.Wiseman et al[9]对德国中部的碱性土壤研究发现，草酸铵提取的铁铝能够很好地预测土壤有机质的储存量.因此，铁铝氧化物的变化特征可作为评价植被恢复过程中土壤肥力改善程度的依据.

土壤不同形态铁铝氧化物中，游离态氧化铁(free iron oxide, Fed)和游离态氧化铝(free aluminum oxide, Ald)主要来源于成土母质[7]；土壤非晶形氧化铁(amorphous iron oxide, Feo)和非晶形氧化铝(amorphous aluminum oxide, Alo)对土壤有机碳和有机氮的固持有重要贡献，效果较游离态铁铝氧化物更为显著[6,8]；土壤络合态氧化铁(complex iron oxide, Fes)和络合态氧化铝(complex aluminum oxide, Als)与土壤有机质结合形成复合物是引起土壤中金属离子，特别是铁铝离子在土壤中迁移的重要原因之一，因而其对土壤剖面的发生、土壤肥力的形成和保持具有重要的作用[10].

目前，有关植被恢复过程中土壤不同形态铁铝氧化物变化特征及其与土壤养分的关系尚不清楚.因此，本研究以我国南方退化红壤为研究对象，利用时空互代法分析不同植被恢复阶段土壤铁铝氧化物和理化性质变化特征及二者的关系，以期为退化土地治理过程中进行土壤养分管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

福建省龙岩市长汀县河田镇(116°18′—116°31′E、25°33′—25°48′N)位于福建省西南部、汀江上游，属于中亚热带季风性湿润气候，年均温度17.5～18.8 ℃，年均降水量约1 580 mm，平均无霜期260 d，平均日照时数1 925 h，≥10 ℃积温4 100～4 650 ℃，属于河谷盆地，海拔300～500 m.土壤为中粗粒花岗岩发育的红壤，抗蚀能力低[11].以河谷盆地为中心的丘陵地带人类活动频繁，地带性植被(常绿阔叶林)破坏殆尽，现有植被主要以马尾松(Pinusmassoniana)、灌丛等次生植被和人工林为主，林下植被以芒萁(Dicranopterisdichotoma)为主；其他伴生植被主要有木荷(Schimasuperba)、杉木(Cunninghamialanceolata)、杨梅(Myricarubra)、枫香(Liquidambarformosana)、小叶赤楠(Syzygiumgrijsii)、毛冬青(Ilexpubescens)、檵木(Loropetalumchinensis)等.

1.2 试验设计与土壤样品采集

选择不同植被(主要为马尾松)恢复阶段的5个代表性区域为样地(表1)，分别为未治理裸地(零星分布“老头松”，bare land, B)、马尾松恢复5年人工林(restored 5 years plantation, R-5)、马尾松恢复15年人工林(restored 15 years plantation, R-15)、马尾松恢复30年人工林(restored 30 years plantation, R-30)和天然次生林(natural secondary forest, N).

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of the study areas

于2017年4月采集土壤样品，每个区域分别选择3个坡向、坡度一致的10 m×10 m样方，除天然次生林外相邻样方距离大于1 km.采样时，先去除采样点土壤上部生长的草本植物、土壤表层的凋落叶和半分解的凋落物，然后取表层(0～10 cm)土壤.在每个样方中，用5点取样法采集5份土壤样品，并混合成1个样品，3个同坡向和坡度的土壤混合样品作为试验的3个重复，土壤样品总计15个.将样品带回实验室后，先剔除其中的石块和植物残体，再将土壤过2 mm筛，使土壤样品充分混匀，然后将其风干，用于测定土壤pH值、含水率，铵态氮、硝态氮、碱解氮、有机质、速效磷和速效钾含量.另外，从风干土样中取约5 g土壤，用研钵磨细，过0.149 mm筛，用于测定土壤全碳、全氮、全磷和铁铝氧化物含量.

1.3 土壤样品测定

土壤含水率测定采用铝盒烘干法(24 h)；土壤pH值测定采用电位法(pH计测定)；有机质含量测定采用硫酸—重铬酸钾氧化法[12]；全碳、全氮含量采用元素分析仪测定；全磷含量测定采用硫酸—高氯酸消解—钼蓝比色法[12]；铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法；硝态氮含量测定采用氯化钾浸提—紫外分光光度比色法；碱解氮含量测定采用碱解扩散法；速效磷含量测定采用氟化铵(NH4F)浸提法；速效钾含量测定采用1 mol·L-1醋酸铵浸提—火焰光度法[12].

土壤铁铝氧化物的提取及测定采用鲁如坤[12]的方法.Fed和Ald采用连二亚硫酸钠—柠檬酸钠—重碳酸钠提取，水浴加热，80 ℃维持15 min；Feo和Alo采用草酸铵—草酸提取，遮光条件下震荡2 h；Fes和Als采用焦磷酸钠震荡提取2 h，再用浓硫酸和硝酸混合酸(1∶2)消煮去除提取液中的有机质.铁铝氧化物均采用试铁灵铁铝联合比色法测定，测定波长分别设置为600和370 nm.

1.4 统计分析

采用SPSS 19.0软件对数据进行统计，用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验植被恢复年限对不同形态土壤铁铝氧化物和土壤理化性质影响的显著性，并采用LSD法进行多重比较；采用Pearson相关分析法分析土壤铁铝氧化物含量与土壤理化性质的关系.显著水平设置为P<0.05.

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复阶段土壤的理化性质

由表2可见，裸地土壤pH为4.56，显著高于其他样地(P<0.05)；裸地土壤含水率显著低于其他样地(P<0.05).从裸地到天然次生林的5个不同植被恢复阶段，土壤全碳、全氮和有机质含量呈现递增的趋势，且天然次生林(最高)比裸地(最低)分别高8.7、1.4和10.0倍.天然次生林的土壤全磷含量分别比裸地和马尾松恢复5年人工林高166.7%和100.0%(P<0.05).天然次生林的土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮和速效磷含量显著高于其他样地(P<0.05).天然次生林的土壤速效钾含量分别比马尾松恢复5年人工林和裸地高143.6%和225.5%(P<0.05).

表2 不同植被恢复阶段土壤的理化性质1)Table 2 Soil physical and chemical properties in different vegetation restoration stages

1)数据为平均值±标准差.同行数据后附不同小写字母者表示差异显著(P<0.05),附相同小写字母者表示差异不显著(P>0.05).

2.2 不同植被恢复阶段土壤Fed和Ald变化特征

随着植被恢复年限的增加，土壤Fed和Ald含量均显著增多.马尾松恢复30年人工林的土壤Fed含量分别比马尾松恢复15年人工林、马尾松恢复5年人工林和裸地高25.70%、31.57%和46.14%(P<0.05)；天然次生林的土壤Fed含量分别比马尾松恢复15年人工林、马尾松恢复5年人工林和裸地高57.38、63.87和77.73 mg·kg-1(P<0.05)(图1A).天然次生林和马尾松恢复30年人工林的土壤Ald含量也显著高于其他样地(P<0.05)(图1B).

2.3 不同植被恢复阶段土壤Feo和Alo变化特征

天然次生林的土壤Feo含量分别比马尾松恢复5年人工林和裸地高74.79和89.66 mg·kg-1(P<0.05)(图2A).土壤Alo含量随植被恢复年限增加呈增多趋势.其中，天然次生林的土壤Alo含量显著高于马尾松恢复5年人工林和裸地(P<0.05)，马尾松恢复15年人工林和马尾松恢复30年人工林的土壤Alo含量也显著高于裸地(P<0.05)(图2B).

2.4 不同植被恢复阶段土壤Fes和Als变化特征

天然次生林的土壤Fes含量显著高于马尾松恢复15年人工林、马尾松恢复5年人工林和裸地(P<0.05)，马尾松恢复30年人工林的土壤Fes含量比马尾松恢复5年人工林高12.78%，比裸地高18.13%(图3A).天然次生林的土壤Als含量显著高于马尾松恢复15年人工林、马尾松恢复5年人工林和裸地，马尾松恢复30年人工林的土壤Als含量高于马尾松恢复5年人工林和裸地，差异显著(P<0.05)(图3B).

2.5 土壤不同形态铁铝氧化物与土壤理化性质的相关性

土壤Fed和Ald与土壤pH呈极显著负相关关系(P<0.01)；除Feo外，其他形态铁铝氧化物与土壤全碳、全氮、全磷、有机质、铵态氮、硝态氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量多呈极显著正相关关系(P<0.01)(表3).

表3 土壤铁铝氧化物与土壤理化性质的Pearson相关系数1)Table 3 Pearson correlation coefficients between soil Fe-Al oxides and physicochemical properties

1)*表示相关性在0.05水平上显著(P<0.05)；**表示相关性在0.01水平上显著(P<0.01).

3 讨论

一般认为，铁铝氧化物是成土过程和土壤发育环境的指示物，可用于评价土壤的相对成土年龄[13].研究表明，土壤中铁铝氧化物一般会随着成土年龄的增加呈现规律性变化[14].如杨艳芳等[15]对我国雷州半岛第四纪以来不同时代玄武岩发育土壤的研究发现，游离铁、铁游离度与成土年龄有正相关性.本研究中，不同形态铁铝氧化物含量随着植被恢复年限增加而增多.一方面，由于土壤铁铝氧化物主要来自于成土母岩[7]，植被恢复过程中根系的物理作用、根系有机酸的化学作用以及微生物作用逐渐加强，必然会促进母岩的风化，从而导致土壤中铁铝氧化物逐渐增多;另一方面，马尾松人工林的恢复模式改善了土壤的物理性能(土壤容重、渗透速度、孔隙比等)和化学性能(土壤酸碱度、阴阳离子、有机物含量等)[2-4]，铁铝氧化物容易与腐殖质表面的羟基或羧基位点发生配位体交换，结合土壤硅酸盐和钙碳酸盐形成较为稳定的有机无机复合体，从而呈现出逐渐升高的趋势[16]；此外，植被恢复过程中土壤结构的稳定促成了不同粒径土壤团聚体的形成[2]，有利于土壤对铁铝氧化物的吸附固定，也是铁铝氧化物在土壤中积聚的重要因素之一[11,17].虽然本研究中植被恢复年限相对较短(约为70年)，但由于所选择样地土壤发育的母质条件基本一致，也能在相对较短时间梯度上体现土壤的发育过程.植被恢复过程中土壤铁铝氧化物的形成和转化机制较为复杂，但却是土壤生物地球化学过程的重要组成部分，仍需进一步研究.

本研究中，植被恢复过程中土壤有机质和养分含量显著增多，与Gloria et al[18]和Xue et al[19]对橡树混交林和黄土高原丘陵区的植被修复研究结论类似.土壤有机质含量升高的原因主要是在植被恢复过程中，植物生产力提高，地上、地下凋落物和根际分泌物增多，增加的有机物在微生物作用下转化为有机质[3-4,20].本研究中，土壤全氮和全磷在植被恢复过程中也呈增多趋势，与赵栋等[21]对甘肃白龙江林区典型干旱河谷封育治理的研究结果一致.天然次生林土壤的碱解氮、铵态氮、硝态氮、速效磷含量显著高于其他样地，与李春等[22]和Chen et al[23]的研究结果一致.一方面可能是由于随着植被恢复时间的延长，加强的植物根系会促进对土壤深层氮、磷等养分的吸收，并通过凋落物分解过程聚积在土壤表层[4]；另一方面，植被恢复过程中，植物根系分泌的有机酸增多，有助于提高土壤养分的转化能力[24]；同时，植被恢复过程中，土壤物理性能会不断增强，有助于土壤不同粒径团聚体的形成，进而促进各种养分在土壤中的积累.

4 结论

(1)从裸地到天然次生林的5个不同植被恢复阶段，土壤全量养分(全碳、全氮、全磷)、有机质和速效养分(铵态氮、硝态氮、碱解氮、速效磷、速效钾)含量呈增多的趋势.

(2)土壤不同形态铁铝氧化物含量在植被恢复过程中均显著增多.除非晶形氧化铁外，其他形态铁铝氧化物含量与土壤全量养分、有机质和速效养分具有较强的相关性.但植被恢复过程中土壤铁铝氧化物的形成和转化机制及其对土壤养分累积的作用机理尚不清楚，有待进一步研究.