杉木老龄林不同地形土壤活性铝形态特征

费裕翀 ，王 妍 ，陈义堂 ，张 筱 ，陈爱玲 2，，郑 宏 ，曹世江 ，杨秋菊 ，曹光球 *

（1.福建农林大学林学院，福州 350002；2.国家林业和草原杉木工程技术研究中心，福州 350002；3.中国林学会学术部，北京 100091；4.福建省洋口国有林场，福建 南平 353211；5.福建农林大学资源与环境学院，福州 350002）

杉木（Cunninghamialanceolata）是我国南方最重要的人工造林树种之一，据第九次全国森林资源清查数据表明，其栽培面积及蓄积皆居我国主要造林树种的首位[1-2]。随着林业集约生产水平的提高，杉木人工林获得速生、丰产等喜人成果，但同时其地力下降现象也成为可持续经营的主要障碍，而土壤铝毒害则是造成该现象最为重要的原因之一[3]。铝是地壳中含量最为丰富的金属元素之一，正常条件下土壤中的铝通常以难溶性硅酸盐或氧化铝的形式存在，对植物和环境没有毒害作用。但在酸性条件下，难溶性的铝会转变成为可溶性的铝，又称活性铝，当土壤酸化到一定程度，铝的积累达到植物耐受的极限时，便会阻碍植物的生长发育，造成铝毒害[4]。研究表明土壤中过量的铝可使杉木叶片中与植物活性氧代谢有关的过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和过氧化物酶等酶活性降低，对杉木叶片细胞造成损害[5]。此外高浓度的铝胁迫对于杉木叶片的光合效率[6]、矿质营养代谢[7]和氮代谢[8]等生理生化过程均具有抑制作用，并能阻碍杉木幼苗根尖分生组织细胞的分裂，不利于杉木营养物质的积累[6]。同时杉木人工林土壤中活性铝的积累能够显著降低细菌和放线菌数量，改变土壤微生物群落结构，导致杉木人工林土壤的养分周转障碍[9]。因此，如何缓解铝对杉木人工林的毒害作用一直是众多林业工作者研究的热点。

由于我国杉木产区森林土壤大多呈酸性，土壤中难溶性铝在生产经营过程中被大量活化与释放，而铝在土壤中的化学形态与其对杉木生长发育的毒害作用密切相关[10]，为此加强杉木人工林土壤活性铝形态的研究显得尤为重要。目前有关铝对杉木毒害的内在生理机理[6-8]，以及不同树种与杉木混交对于土壤铝毒性的缓解机制[9，11]等方面已有研究，但单一林分下不同地形造成活性铝含量和形态变化的研究则鲜有报道。亚热带地区山地丘陵众多，雨水充沛，空间异质性强，在长期的水土迁移过程中，不同地形间土壤理化性质存在显著差异；即使在同一土壤利用方式下，山地下坡位因受雨水冲刷，有机物质不断积累，土壤的pH值和吸附络合能力相对提高，相比上坡位其活性铝含量显著减少[12]。大量研究表明，随着杉木生长年限的增加，土壤趋于酸化，活性铝含量处于不断累积过程中[13-14]。因此，研究杉木老龄林可能更有助于探究不同地形下杉木人工林土壤铝形态的差异规律。福建省南平市王台镇溪后村安曹下百年生杉木林为当今世界上现存的林龄最大和单位面积蓄积量最高的杉木人工林，具有极大科研价值。本研究以此林分为研究对象，分析该林分不同地形不同土层土壤pH值和活性铝形态差异，对于认识杉木人工林活性铝的转换过程，以及杉木人工林生态系统铝毒害的精细化治理具有一定的科研和实践意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究林分地位于福建省南平市王台镇溪后村安曹下（117°57′E，26°28′N），属中亚热带季风气候，雨热同期，年均气温19.3℃，年均降水量1 699 mm，年均蒸发量1 413 mm，年均相对湿度83%。本区属武夷山系南伸支脉，平均海拔200 m，土壤类型为山地暗红壤，土层深度1 m以上。该林地前身为天然阔叶林，由王台镇溪后村村民承包后，于1918年10月采伐炼山后翌年立春进行造林，初始造林密度为3 600株/hm2，造林后前5年定期进行抚育，幼林郁闭后第8年与第11年砍除部分生长不良木后采取近自然化管理。该林分为世界上现存杉木人工林林龄最老和单位面积蓄积量最大的林分之一，具有极大的科研价值。

1.2 样地概况与研究方法

1.2.1 样品采集与处理

2018年4月根据前期调查，按不同地形条件，将杉木老龄林样地分为西南坡（WS）、西北坡（WN）、山凹部（CT）和山洼地（VT），在西南坡、西北坡和山凹地分别设置3块20 m×20 m样地，山洼地因面积限制，共设置3块15 m×15 m样地，不同地形样地基本情况见表1。在每块样地按对角线设置5个土壤样品采样点，去除表层枯枝落叶后分别取0～20、20～40和40～60 cm土层土壤，将同一样地5个采样点同一土层的土壤混合，去除石块和根系等杂质后用四分法取约1 kg左右的土壤装入自封袋带回实验室，经风干后粉碎过1 mm和0.25 mm筛，用于测定相关指标。土壤基本理化性质见表2。

表1 样地基本情况Table 1 Basic characteristics of sample plots

表2 不同地形土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of soil samples in different terrains

1.2.2 测定方法

采用环刀法和烘干法测定土壤容重、含水率和孔隙度等物理性，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用半微量凯氏法测定，全磷采用碱熔-钼锑抗比色法测定，全钾采用碱熔-火焰光度法测定，土壤pH值采用电位测定法测定，土壤全铝含量采用酸溶—铝试剂比色法，以上测定方法参考文献[15]。土壤交换性铝（Al3+）、单聚体羟基铝（Al（OH）2+、Al（OH）2+）、酸溶无机铝（Al（OH）3）和腐殖酸铝（Al-HA）的测定分别采用 KCl、NH4AC、HCl和NaOH浸提[16-17]，使用铝试剂比色法测定不同形态活性铝含量[18]。

1.2.3 计算和统计方法

初始数据采用WPS 2012进行整理统计和作图，采用单因素（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD法）检验同一土层单变量或同一地形单变量对相关指标的影响差异；采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）地形、土层深度及其交互作用对土壤理化指标的影响；运用Person相关分析检测各土壤理化指标间的相关性；运用主成分分析，分析各地形土壤活性铝形态差异。数据分析均采用SPSS 24.0软件，作图采用WPS 2012软件。

2 结果与分析

2.1 不同地形及土层对土壤活性铝形态的双因素分析

双因素方差分析结果表明，地形对于杉木老龄林土壤pH值，交换性铝、腐殖酸铝和酸溶无机铝的含量具有显著影响，土层对于腐殖酸铝和酸溶无机铝的含量具有显著影响，地形和土层仅对腐殖酸铝的含量具有显著的交互作用（表3）。

表3 不同地形及土层对土壤活性铝形态的双因素分析Table 3 Two-factor analysis of soil active aluminum form by terrain and soil layers

2.2 不同地形土壤pH值和全铝含量特征

研究结果表明，杉木老龄林土壤pH值介于4.72～5.09之间，均为酸性土壤。方差分析表明不同土层、不同地形对土壤pH值、全铝含量均无显著影响。整体而言，4类地形pH值和全铝含量均随着土层深度的增加而呈增加趋势；同一土层下，4类地形pH值总体表现为VT＞WS＞CT＞WN，全铝含量表现为CT＞WN＞VT＞WS（表 4）。

表4 不同地形土壤pH值和全铝含量特征Table 4 Characteristics of soil pH value and total aluminum content in in different terrains

2.3 不同地形土壤活性铝形态特征

本研究区杉木老龄林土壤活性铝含量占全铝含量的25.52%～60.35%，随着土壤深度的增加铝活化程度逐渐降低，4类地形活性铝占全铝的比例总体表现为WN＞WS＞CT＞VT。由图1可见，该杉木老龄林土壤中活性铝主要为酸溶无机铝和腐殖酸铝，分别占活性铝总量的17.82%～56.85%和39.39%～78.40%，各形态活性铝所占百分比均为腐殖酸铝＞酸溶无机铝＞交换性铝＞单聚体羟基铝。4类地形交换性铝、单聚体羧基铝和酸溶无机铝含量均随着土层深度的增加而减少，而腐殖酸铝则随着土层深度的增加而不断增加。同一土层中，单聚体羧基铝含量总体表现为 CT＞WS＞WN＞VT，但仅在 0～20 cm 土层，CT地形含量显著高于其他地形，相比WS、WN和VT分别提高了36.67%、45.22%和51.82%，在20～40 cm和40～60 cm土层，地形对于单聚体羧基铝含量影响较小，各地形之间差异均未达到显著水平；同一土层中，腐殖酸铝含量总体表现为WN＞CT＞WS＞VT，在各土层中WN地形腐殖酸含量均显著高于其他地形；对同一土层深度而言，4类地形交换性铝和酸溶无机铝含量总体表现为WN＞WS＞CT＞VT。在0～20 cm土层，WN地形土壤交换性铝含量相比WS、CT和VT分别提高了17.13%、34.57%和66.45%，其中与CT和VT地形间差异达到显著水平，酸溶无机铝含量则分别提高了8.27%、14.58%和49.46%，其中与VT地形间差异达到显著水平。

图1 不同地形各类活性铝含量特征Figure 1 Active aluminum content of various forms in different terrains

2.4 不同地形土壤活性铝形态差异

按照特征值＞1且累积贡献率＞85%的原则抽取了2个主成分（表5），其特征值分别为2.34和1.244，累积贡献率达到89.76%，已提供了全部指标85%以上的信息。PC1高权重变量为交换性铝、酸溶无机铝和腐殖酸铝，PC2高权重变量为单聚体羟基铝。由图2可知，WS和CT地形土壤活性铝形态分布较为相似，与WN和VT地形差异较大。WN和VT地形在PC2上得分差异较小，在PC1得分差异较大，两者间土壤活性铝形态差异主要体现为交换性铝、酸溶无机铝和腐殖酸铝含量。

表5 土壤活性铝形态主成分分析的贡献率及因子载荷Table 5 Contribution rate and factor loading of principal component analysis about soil active aluminum forms

图2 土壤活性铝形态主成分分析Figure 2 Principal component analysis about soil active aluminum form

2.5 土壤铝形态及pH的相关关系

由表6可见，在0～20 cm土层中，pH值与交换性铝、腐殖酸铝和全铝含量具有显著或极显著负相关关系，交换性铝含量与单聚体羧基铝含量呈极显著正相关关系，单聚体羧基铝含量与酸溶无机铝和腐殖酸铝含量具有显著或极显著正相关关系。在20～40 cm土层中pH值与交换性铝含量、酸溶无机铝含量呈显著或极显著负相关关系，在40～60 cm土层中pH值仅与全铝含量呈极显著负相关关系。交换性铝含量在各土层均与酸溶无机铝、腐殖酸铝含量呈极显著正相关关系，酸溶无机铝含量在20～40和40～60 cm土层均与腐殖酸铝含量呈显著或极显著正相关关系。有机质含量与各形态活性铝含量普遍呈正相关关系，其中与交换性铝、酸溶无机铝呈显著正相关。总体而言，除 20～40和40～60 cm土层单聚体羧基铝含量与pH值呈正相关关系，其余各形态活性铝含量均与pH值呈负相关关系。值得注意的是，随着土层深度的增加各形态活性铝含量与pH值的相关系数逐渐降低，表明本研究区杉木老龄林土壤中各形态活性铝含量随pH值的变化主要表现在土壤上层，交换性铝、酸溶无机铝和腐殖酸铝含量三者间则具有密切的正相关关系。

表6 不同地形土壤铝形态与pH和有机质的相关分析Table 6 Correlation analysis of soil aluminum morphology，organic matter and pH in different terrains

3 讨论

铝对杉木的毒害作用与其在土壤中的形态密切相关，不同形态活性铝的毒害作用具有明显差异，其中交换性铝因具有较强的生物有效性，是造成杉木人工林土壤铝毒害的主要形态[19]。本研究中交换性铝、腐殖酸铝和酸溶无机铝含量均表现为西北坡最高，山洼地最低，且4类地形中以西北坡的土壤活性铝积累现象最为明显，可见4类地形中西北坡的土壤铝毒性最高。主成分分析表明西南坡和山凹部土壤活性铝形态分布则较为相似，土壤中交换性铝、酸溶无机铝和腐殖酸铝含量介于西北坡和山洼地间，虽具有较高含量的单聚体羧基铝，但鉴于单聚体羟基铝占活性铝总量的比例较低，且毒害作用不及交换性铝，西南坡和山凹部土壤铝毒性可能同样介于山洼地和西北坡两者间。

经调查发现，相比于西北坡，山洼地水热条件相对较好，林下植被发育水平较高，而林下植被根系能够分泌大量包括糖类、氢基酸、有机酸和酶类等小分子有机物，这些小分子有机物可在常温环境下与土壤中的交换性铝稳定络合[20-22]，这可能是山洼地活性铝尤其是交换性铝积累现象较轻，而西北坡积累现象较高的原因。从本研究的表2可知，由于长期的水土迁移，4类型地形中山洼地土壤全磷和全钾含量较高，有机质含量却较低，且相关性分析表明有机质含量与各形态活性铝含量总体呈正相关关系，这与以往研究结果不同；现有研究普遍认为土壤中有机质含量的增加有利于增强土壤对铝的吸附络合能力，尤其能够降低交换性铝含量[23]，且有机质中所含有的弱酸基可与氢离子结合，阻碍氢-铝转化反应，从而提高土壤pH值，减少土壤矿物中活性铝的溶出量[24]。造成该差异的原因可能与本试验取样时间为春季，此时土壤中较高的微生物活性促进了杉木人工林生态系统的养分周转[21]，造成有机质被大量分解转化有关。

本研究结果表明随着土层深度的增加，各地形土壤中交换性铝、单聚体羧基铝和酸溶无机铝含量不断减少，且各形态活性铝含量随pH值的变化主要表现在浅层土壤，和大量研究结果相一致[24-25]，这与浅层土壤受雨水淋溶和酸沉降[26]、凋落物分解[27]以及植物根系分泌[28]等因素影响最为直接有关。但腐殖酸铝却并未随着土层深度的增加而减少，可能与酸化环境下，土壤腐殖质易发生分解，pH越低分解量越大有关[29]。相关性分析表明交换性铝与酸溶无机铝、腐殖酸铝含量之间具有显著正相关关系。这与交换性铝是土壤潜性酸最主要的来源，是氢离子的直接产生者[25]，其含量的升高将进一步促进土壤矿物中铝的溶出有关。因此，降低杉木人工林土壤中交换性铝含量是改善杉木人工林土壤铝毒害的重点。值得注意的是，Liu B.等[29]对土壤铝毒害阈值的研究表明，当土壤中交换性铝含量约达到37.53 mg/kg时便会对杉木生长造成毒害作用，但由于本研究的林分为杉木老龄林，树体抗逆性较高，加之长期的近自然化管理，生态系统较为稳定，树体并未表现出铝毒害现象。此外，通过对比福建地区不同林龄杉木人工林土壤后发现，该杉木老龄林土壤中酸溶无机铝含量明显高于其他研究结果[30-31]。酸溶无机铝是介于沉淀铝及可溶性铝间的一种特殊形态，当土壤pH＜5时酸溶无机铝可向交换性铝转化，pH＜4.5时土壤中酸溶无机铝将大量转化，交换性铝含量将占活性铝含量的70%[32-34]。目前该林分土壤pH值范围为4.72～5.09，因此应注重合理的经营管理，否则林分环境遭遇重大变化，土壤酸化将使得铝毒性快速增强。相关研究表明营造混交林可显著降低酸溶无机铝的含量[35]，说明适当在该林分中引入阔叶树种，营造复层混交林，可降低土壤活性铝含量。

4 结论

研究表明该杉木人工林西北坡土壤活性铝积累现象最为明显，西南坡和山凹部其次，山洼地最低，土壤浅层活性铝含量较高。目前针对杉木铝毒害较常采用的防治措施主要为施用腐殖酸、有机肥，钙镁磷肥和硅酸盐石灰等。结合本研究结果来看，在杉木人工林的经营管理中，制定铝毒害防治措施可根据地形适当增减土壤改良剂用量。此外，该杉木老龄林土壤活性铝主要为酸溶无机铝和腐殖酸铝，酸溶无机铝生物毒性较小，但易发生形态转化，具有较大潜在铝毒性。在今后研究中需要对该形态活性铝的固定、释放和迁移等理化性质加以关注，以期为杉木人工林的铝毒害防治进行更为深入的研究。