九寨沟不同受损林地土壤特征研究

叶颂, 刘邵谋, 邓东周, 庄文化, 李卓, 潘红丽, 刁元彬, 刘玉平

1. 四川大学 a. 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室；b. 水利水电学院，四川 成都 610065；

2. 四川省林业科学研究院，森林和湿地生态恢复与保育四川省重点实验室，四川 成都 610081；

3. 四川省贡杠岭自然保护区九寨沟县管理处，四川 九寨沟 623400；

4. 四川省农业科学院作物研究所，四川 成都 610066

土壤是物种最丰富的栖息地之一，在陆地生态系统的运作中起着至关重要的作用，Jurga等人通过综述欧洲相关的226篇论文发现，森林土壤各项指标尤其是土壤生物群体等相关指标直接影响着自然环境，同时与人类社会文化价值密切相关[1]。作为森林生态系统的重要组成部分，土壤为植物生长和繁殖提供必需的营养元素[2,3]，同时提供了代谢和循环的场所载体[4]，其土壤肥力水平直接决定着森林的生物产量和功能发挥，不同林分对林下土壤理化性质的形成又有一定的影响[5,6]. Carlos Alberto Quesada等利用在亚马逊盆地8个国家采集的147个原始森林土壤，研究发现了土壤矿物组成、pH和有机碳（SOC）应对气候变化的稳定性与土壤风化程度关系密切，该发现对理解亚马逊森林土壤如何应对正在发生的和未来的气候变化具有重要意义[7]。土壤微生物通过将孔隙中的二氧化碳还原为有机物的固碳作用，影响着二氧化碳进入大气的陆地通量，Rachael Akinyede量化研究了1 m深二氧化碳固定率，发现没有土壤固碳作用过程的话海尼奇森林土壤的二氧化碳排放量会增加5.6%，因此全球温带森林土壤碳储量对全球以后影响的潜在意义重大[8]。自然因素如地震及人为因素如砍伐都会引起森林土壤理化性质的改变。地震发生引起的滑坡、塌方、泥石流等次生灾害以及土壤液化等理化性质恶化，进一步加剧森林植被破坏和生境破碎化程度，严重影响该地区森林生态系统的恢复和改善[9,10]。在巴西开展的不同程度的人类干扰对森林砍伐对土壤酶活性、有机碳含量、微生物生物量和微生物群落的影响研究发现，人为干扰程度较高的森林转牧可使土壤中-葡萄糖苷酶、脲酶、碱性磷酸酶和荧光素二乙酸酯的活性分别降低87%、66%、62%和58%，土壤有机碳含量等指标显著下降[11]。森林土壤的质量与周围环境相互影响，正确的人为因素能够有效地提高林地土壤对环境影响的正效应[12]。如增加热带石楠林地土壤pH值可以提高动物群落的活性，而土壤酸碱度和速效氮对有机质分解的影响较小[13]。汶川地震诱发了大量林被损害、边坡崩塌和泥石流灾害，黄海等以北川县都坝河小流域为研究对象，通过调查灾损土地禀赋、灾害特征、土地需求,建立了震区土地利用和生态修复模式，协调了人地矛盾，提升了绿色经济和人居环境[14]。

本文通过在不同震损程度区设置样方采取土样，分析土壤理化性质，旨在分析不同震损林地土壤理化特征，探索震损林地土壤分布规律同时为更加合理的修复措施提供理论依据与数据支撑。

1 研究区概况

研究区位于四川西北部高原，阿坝藏族羌族自治州东北部的九寨沟县，地貌类型以高山山原、高山峡谷和中山河谷为主，海拔1 000～4 500 m。全县面积5 286 km2，森林覆盖率54.9%，是四川省第二大林区。2017年8月8日九寨沟县发生7.0级地震，震中发生在九寨沟保护区，同时漳扎镇、贡杠岭保护区也受损严重。地震受灾林地主要分布在险坡、急坡、陡坡和斜坡区。明显垮塌山体破损面达1 500处以上。地震引发的崩塌、滑坡等地质灾害造成栖息地森林植被及土壤被不同程度的损坏。根据受损程度，把受损林地分为极重度、重度、中度和轻度四大类（见表1）。地震引发的崩塌、滑坡等地质灾害造成部分栖息地森林植被完全损毁，地表岩石堆积或完全裸露的属于极重度受损林地。植被几乎完全被垮塌物深埋，残存树木盖度不足10%，残存很少土壤覆盖的属于重度受损林地。森林植被因滑坡导或崩塌的滚石滑落造成林木折断、倒伏或树冠严重受损，滚石较多，土壤裸露，但具备一定土壤条件的属于中度受损林地。少量林木被地震崩塌产生的滚石等灾害造成折断、倒伏或树冠受损，滚石较少，地表土壤轻微受损的属于轻度受损林地。极重度和重度受损栖息地主要分布于震中附近日则沟的五花海到箭竹海一带和则查洼沟的下季节海附近部分区域。中度受损栖息地主要分布在长海、中季节海、上季节海等区域。轻度受损栖息地主要分布在县境内高山峡谷区两侧大部分区域。

2 研究方法

2.1 样地选取及土壤样品采集

辐射全区震损林地类型，针对生境修复、生境恢复、生境保育等不同受损林地地块，结合海拔、土壤、坡向、坡度、光照等立地因子，以及林相，选设108个代表性固定监测样方开展监测工作，其中极重度受损样地32个，严重受损样地37个，中度受损样地9个，轻度受损样地30个。主要土壤类型为山地褐土、山地棕壤和山地暗棕壤3种。每个样方选用5点采样法，取土壤剖面为0～20 cm土壤，分别用环刀及小铁铲取样，现场称重测得土壤容重，用铝盒和自封袋保存散装样品带回实验室进行化学性质检测。

2.2 测定项目与方法

（1）土壤容重：采用土壤环刀法测定（LY/T 1215—1999）；（2）土壤pH值：用酸度计测量（NY/T 1121.2—2006）；（3）有效磷：利用氟化铵—盐酸溶液浸提酸性土壤中有效磷，再根据钼锑抗比色法测定（NY/T 1121.7—2014）；（4）速效钾：土壤以 1 mol·L−1热硝酸浸提，火焰光度计测定（NY/T 889—2004）；（5）硝态氮：酚二磺酸比色法（LY/T 1228—2015）；（6）铵态氮：靛酚蓝比色法（LY/T 1228—2015）。

3 结果与分析

3.1 九寨沟林地不同受损程度对土壤容重的影响

随着震损程度的增加，土壤容重呈先下降后上升的趋势（见图1）。轻度到中度的震损程度的变化中，土壤容重变低，在中度震损程度时土壤容重最小，为0.95 g·cm−3。原因可能是轻度和中度的震损地因震动导致流失的表层土壤较少，而随着震动的增强导致表面土壤松弛。土壤容重随着震损程度从中度到极重度的变化中逐渐提高。在极重度震损程度时土壤容重最大，达1.01 g·cm−3。可能是因为随着震损程度从中度到极重度的变化中，受损地的表层土壤因强烈的震动发生滑坡而流失，导致受损地地震前的地下土壤露出成为现在的表层土。而同一没被破坏的地点，越远离地表的土层容重越高[15]。

3.2 九寨沟林地不同受损程度对土壤pH的影响

土壤酸碱性影响着土壤肥力，进而影响植物的生长和发育[16]。随着震损程度的增加，土壤pH值上下波动（见图2），pH值的变化范围在7.5～7.8之间。震损程度达重度时pH值最低，为7.5。中度时pH值最高，为7.8。轻度、中度、重度和极重度震损程度土壤都呈碱性。而土壤pH值为5.5～7.5时，更有利于植物的生长[17]。可能是因受地震影响，样地中地表植物多被滚石破坏或砂石掩埋，使因植物体自然凋零进入表层土壤的有机体减少，进而影响其被分解者解产生二氧化碳和有机酸[18]。使土壤pH值偏高。

图 1 各震损程度样地土壤容重Fig. 1 Soil bulk density of the quadrats with different earthquake damage degrees

图 2 各震损程度样地土壤 pH 值Fig. 2 Soil pH value of the quadrats with different earthquake damage degrees

3.3 九寨沟林地不同受损程度对土壤理化性质的影响

3.3.1 九寨沟林地不同受损程度对土壤中有效磷的影响

磷元素是植物生长发育的必须营养元素之一[19]，一般用有效磷来表示土壤供磷能力的高低，所以有效磷的含量决定着土壤肥力。随着震损程度的增加，土壤中有效磷的含量呈现递增趋势（见图3），有效磷含量范围在 20.55～34.36 mg·kg−1。其中土壤有效磷含量在极重度震损程度达到最高，分别比轻度、重度和重度高67.2%、65.7%和52.8%。极重度震损程度土壤中有效磷含量最高，这是由于地震使地面的树木倒塌，使更多树叶和枝干覆盖在土壤上。地表枯落物增多，有利于减少土壤中磷流失，使更多的速效磷在保存在土壤中[18]。

图 3 各震损程度样地土壤有效磷含量Fig. 3 Soil available phosphorus content of the quadrats with different earthquake damage degrees

3.3.2 九寨沟林地不同受损程度对土壤中速效钾的影响

钾是植物生长发育的必须营养元素[20]，植物生长过程中吸收土壤中的钾元素主要是以速效钾的形式，速效钾的含量能直接反应土壤中钾元素的供应能力，决定着土壤肥力。随着震损程度的增加，土壤中速效钾的含量呈现先增加后减少的趋势（见图4），在中度震损程度达到最高值为227.49 mg·kg−1，和土壤pH值具有相同的趋势。经显著性分析，中度震损程度土壤速效钾含量显著比轻度和重度高49.9%、44.6%，极重度震损程度土壤速效钾含量显著比中度和重度低46.8%、23.0%。说明震损程度从中度到集中重度增强的过程中，震损程度越大土壤中的速效钾越少。

图 4 各震损程度样地土壤速效钾含量Fig. 4 Soil available potassium content of the quadrats with different earthquake damage degrees

3.3.3 九寨沟林地不同受损程度对土壤中无机氮的影响

氮元素是生物体蛋白质和核酸的主要合成元素，是植物生长发育过程中必需的营养元素[21]。其含量高低决定着土壤肥力。在土壤中N主要以有机氮和无机氮的形式存在，无机氮主要以硝态氮和铵态氮的形式存在。不同震损程度土壤硝态氮含量表现为轻度>重度>中度>极重度（见图5），其平均值分别为 114.97，113.15，101.24，65.02 mg·kg−1。可见，除重度震损程度偏高外，整体随着震损程度的加强，土壤中硝态氮含量呈现出逐渐降低的趋势。随着震损程度的增加，土壤中铵态氮的含量呈现先减少后增加的趋势，在中度震损程度达到最低值（见图5），和土壤pH值具有相反的趋势。随着震损程度从中度到极重度的变化，土壤中氨氮的含量有上升趋势，极重度受损程度土壤中氨氮含量比中度和重度分别高227.5%、50.4%。说明随着震损程度的加强，土壤中硝态氮减少而铵态氮增多，土壤中的硝化作用减弱[22]。

图 5 各震损程度样地土壤硝态氮和铵态氮含量Fig. 5 Soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in the quadrats with different earthquake damage degrees

4 结论与讨论

（1）轻度、中度、重度和极重度4种震损程度林地土壤容重分别为1.00、0.95、0.97 和 1.01 g·cm−3。土壤容重随着震损程度增强呈现出先减小再逐渐增大的趋势。土壤容重超过1.6 g·cm−3时，会限制植物根系的生长[15]，单纯从土壤容重角度出发，各个震损程度林地土壤容重都能够满足植物生长的需求。

（2）4种震损程度林地土壤pH值变化范围在7.5～7.8之间。各震损程度林地土壤皆呈碱性，而碱性土壤不利于植物的生长恢复，土壤偏酸性有利于土壤肥力的提高[23]，有利于植物的生长恢复。

（3）震损林地土壤中有效磷和铵态氮含量随着震损程度的增加而升高，速效钾和硝态氮含量随着震损程度的增加而降低。氮、磷和钾都是植物生长所必需的营养元素。随着震损程度的增加虽然有效磷的含量增加，但速效钾的含量降低。同时硝态氮含量降低，铵态氮含量升高，可能是由于土壤中的硝化反应减缓所导致。