林业科学  2000, Vol. 36 Issue (1): 9-14   PDF    
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罗承德, 张健, 刘继龙.
Luo Chengde, Zhang Jian, Liu Jilong.
四川盆周山地杉木人工林衰退与铝毒害阈值的探讨
RESEARCHES ON THE THRESHOLD OF ALUMINUM TOXICITY AND THE DECLINE OF CHINESE FIR PLANTATION IN HILLY AREA AROUND THE SICHUAN BASIN
林业科学, 2000, 36(1): 9-14.
Scientia Silvae Sinicae, 2000, 36(1): 9-14.

文章历史

收稿日期:1998-09-10

作者相关文章

罗承德
张健
刘继龙

四川盆周山地杉木人工林衰退与铝毒害阈值的探讨
罗承德 , 张健 , 刘继龙     
四川农业大学 雅安 625014
摘要: 根据四川盆周山地杉木人工林调查分析数据, 借鉴国内外森林土壤酸化研究方法, 在立地分类基础上, 确定二代杉木人工纯林作为研究对象, 选择根际土壤pH值(KCl)、Al3+、Ca2+ /Al3+和凋落物Ca2+/(Ca2+ +Fe3++ Al3+)作为参数, 探讨杉木人工林衰退与铝毒害阈值。研究结果表明, 有的林地立地质量差, 树种与立地不相适应, 导致杉木人工林生产力下降; 另有的林地, 虽然立地条件较好, 但是已出现铝毒害, 导致杉木人工林衰退。铝毒害阈值是pH≤ 4.18, Al3 +≥ 31.66 mg/kg, Ca2+ /Al3+ ≤ 1.809 mol/mol和Ca2+/(Ca2+ + Fe3++Al3+)≤ 0.55 mol/mol。
关键词: 立地类型    铝毒害阈值    杉木人工林    缓冲容量    
RESEARCHES ON THE THRESHOLD OF ALUMINUM TOXICITY AND THE DECLINE OF CHINESE FIR PLANTATION IN HILLY AREA AROUND THE SICHUAN BASIN
Luo Chengde, Zhang Jian, Liu Jilong     
College of Forestry and Holticulture, Sichuan Agricultural University Ya'an 625014
Abstract: Using the experiences of researching on forest soil acidification both at home and abroad, collecting the data from hilly area around the sichuan basin, the pure Chinese fir(Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook)second generation plantation was studied basing on the site classification. The rhizosphere soil pH(KCl), Al3+, Ca2+/Al3+, litter Ca2+/(Ca2++Fe3++Al3+)were selected as reference factors to study the cause of growth decline of Chinese fir plantation and the thresholds of aluminum toxicity. The results showed that the causes of decline of Chinese fir plantation were: (1)The tree species was not suitable to the bad site conditions; (2)Aluminum toxicity occurred in the stands with good or better site conditions. The thresholds were: pH≤ 4.18, Al3+≥ 31.66mg/kg, Ca2+/Al3+≤ 1.809mol/mol and Ca2+/(Ca2++Fe3++Al3+)≤ 0.55mol/mol.
Key words: Site type    Thresholds of aluminum toxicity    chinese fir plantaion    Buffer capacity    

人工林地力退化, 以及由此引起的生产力锐减, 是一个困扰世界林业界、生态学界的重大难题(沈国舫, 1991; 徐化成, 1992; 马燕玲, 1989)。自70年代以来, 杉木(Cunninghamia lanceolata Lamb.Hook)人工林地力退化, 杉木黄化病等, 一直严重地制约着中国南方林业生产。因此, 这不仅是理论探讨的学术问题, 而且已成为我国南方主要用材树种——杉木生产的技术难题, 至今仍是我国林业学科领域的重大攻关项目。

与天然林相比, 人工林生态系统固有的弱点, 增强了它对灾害和立地扰动的敏感性。国内已有的杉木人工林地力退化研究, 多侧重于营养元素的供需矛盾, 究其原因, 可归结为树种与立地不相适应和人为经营管理不当近年的研究逐渐向植物营养胁迫特别是铝毒锰毒及其作用机制逼近(张福锁, 1993)。杉木苗正常生长的pH值范围在4.5~6.5之间, 最适宜的土壤pH值(均是水浸pH值) 6.0左右(俞新妥, 1997)。我国杉木产区的森林土壤, 大多呈酸性反应。由大气污染(有的称作酸性沉降), 或者森林生态系统的一些生物、生理过程, 导致系统内离子循环脱链(Ulrich, 1981), 更是加速了杉木林土壤酸化的速率。森林土壤酸化时, 不但土壤中一些营养元素的形态和溶解度发生变化。而且诸如铝和一些重金属及酚类物质之类的潜在毒性物质的形态和溶解度也将发生变化。当酸化达到一定程度时, 势必诱发铝毒害, 而铝毒害对养分循环, 林木生理、生化反应, 微生物种群数量, 土壤酶活性等, 都有很大影响。造成杉木人工林衰退的原因是什么?如若是由铝毒害所致, 描述铝毒害的参数和取值(区间)自然都是我们关心的问题。本文根据四川盆周山地杉木人工林调查数据, 借鉴国内外有关森林土壤酸化研究方法(田仁生等, 1990; 罗承德, 1993), 在立地分类基础上, 探讨杉木人工林衰退与铝毒害阈值。以期丰富人工林退化基础研究理论, 并为林业生产提供一定的参考。

1 研究地区自然地理概况

研究地区位于四川盆周南缘和西南缘山地(东经102°29′~105°42′, 北纬27°50′~29°54′), 含叙水县、纳溪县、珙县和洪雅县所属林场。该地区属亚热带湿润季风气候, 最高气温33℃, 最低气温-3.3℃, 年降水量1000mm以上, 西缘山地局部地区高达2700mm; 原生植被为亚热带常绿阔叶林, 但现在大多不复存在, 已垦殖为杉木人工林, 林下有悬钩子、蕨类和茅草着生; 出露岩层侏罗——白垩系红色、紫色砂、泥岩, 西缘山地有古变质岩、玄武岩及石灰岩; 林下土壤是山地黄壤, 紫色土镶嵌其间。

2 研究内容与方法 2.1 野外调查

野外调查采用典型抽样设置标准地调查, 共设32个标准地。调查内容有:林分调查, 包括经营史、测树因子和物种多样性; 立地因子调查, 含地形地貌、土壤剖面形态特征等。然后, 采集根系分布范围内(0~60cm)的细小根(根径 < 2mm)及细根(根径2~5mm)周围1cm空间的根际土壤样品; 采集地表的凋落物样品。

2.2 室内分析

为了尽可能再现野外条件下土壤溶液中的离子浓度及其比率, 实验室内制备根际土壤平衡溶液作待测液。一般说来, 在有关森林土壤酸化研究中, 所有具有重要数量意义的离子, 都能以土壤平衡溶液作为待测液(罗承德, 1993)。凋落物样品以硝酸—高氯酸消煮作前处理。测定铝采用铝试剂比色法, 铁采用邻啡罗啉比色法, 钙、镁采用EDTA容量法。测定土壤pH值, 采用中性盐浸提酸度计法。

2.3 参数选择

来自大气输入的酸性沉降, 或者生态系统内的生理、生物反应产生的离子胁迫, 破坏了生态系统的稳定状态。在这种情况下, 生态系统能否恢复原来的状态, 取决于它的缓冲容量。当生态系统处于离子胁迫状态下, 生态系统对离子胁迫应激反应的能力, 可以作为度量生态系统缓冲容量的参数。如果生态系统不再具备对离子胁迫应激反应的能力, 或者即使有, 但已经很微弱, 于是, 土壤化学性质发生变化, 以至产生离子毒性。生态系统对离子胁迫应激反应能力的极限值, 即是铝毒害阈值。本文选择根据土壤pH值, 土壤溶液和凋落物化学组成, 尤其是铝的含量及其相关离子的比率, 作为度量杉木人工林缓冲容量的参数。

2.3.1 根际土壤pH值

大多数情况下, 盐浸的pH值比土壤溶液自身的pH值低。这表明土壤中存在潜在酸。在我国中亚热带西部山地红黄壤带, 盐浸与水浸值相差约1.0pH单位(俞新妥, 1997)。因为潜在酸只在一定条件下才显示出酸性, 所以, 与动力学的思维方法不同的是, 本研究不涉及土壤中的潜在酸释放的过程, 而是以中性盐浸土壤pH值, 描述生态系统最终所处的状态。

2.3.2 根际土壤Al3+和Ca2+/Al3+

随着土壤酸化过程的进行, 土壤溶液中的Ca2+的含量逐渐减少, Al3+的含量不断增加。据此, 可作为度量土壤酸化程度的尺度。据Rost-Siebert (1985)研究结果, 相比之下, 同时采用Ca2+/Al3+去度量它, 比采用Ca2+、Al3+的绝对浓度效果更好。

2.3.3 凋落物Ca2+/ (Ca2++Fe3++Al3+)

因Mn2+的移动性相对较大, 凋落物Ca2+/ (Ca2++Fe3++Al3+), 可作度量营养元素与酸性阳离子比率的一个复合指标。其含义是凋落物酸性有机基团在分解过程中, 生态、生理必需的Ca2+, 或者Al3+、Fe3+等酸性阳离子显示毒性危害性的尺度。

2.4 界定研究范围

已有的研究结果表明, 杉木人工林的生态效应随树龄、生长状况、立地条件和经营措施的不同, 而有明显差异(俞新妥, 1997)。为了消除上述因素对研究结果的影响, 在主成分分析基础上, 采用聚类分析划分立地类型。研究地区的杉木人工林, 可划为三个立地类型。各立地类型的主要特征是:

类型1   共包括8个样地, 分布在海拔800~1200m山地; 有效土层厚度50~80cm, 间有80cm以上, 质地中壤至重壤, A1层厚度大于10cm, 土壤自然含水量15%~25%。

类型2  共包括16个样地, 分布在海拔300~500m的丘陵地区; 有效土层厚度小于50cm, A1层厚度小于10cm, 石砾含量大多在15%~20%, 土壤自然含水量10%~15%, 质地轻壤。间有石砾含量少, 质地中壤至重壤, 通透性差。

类型3  共包括8个样地, 分布在海拔1400~1600m山地; 有效土层厚度50~80cm, 间有80cm以上, 质地轻壤至中壤, A1层厚度大于10cm, 土壤自然含水量20%~34%。

本文以杉木优势高检验分类的合理性。但是, 因为研究地区杉木人工林树龄差异很大(5~20a), 所以, 很难直接用优势高进行比较。为了消除树龄不同的影响, 采用协方差分析, 将树龄调整到相同年龄(12a), 并经F检验达显著(F=2.422), 说明各立地类型杉木优势高仍存在显著差异。因此, 所划分的立地类型是合理的。杉木优势木平均高依次是:

至于铝的临界毒害水平, 目前倒是争论的焦点。有研究指出, 使林木总干物质积累量减少20%的铝浓度, 可视为临界水平(William et al., 1989)。需要指出, 在不同的产区, 或者同一产区杉木人工林的生物量, 由于立地条件、培育方式及经营强度不同, 差异必然很大。但是, 林分生物量差异与测树指标的差异是一致的(俞新妥, 1997)。于是, 我们以杉木优势高作为林木总干物质积累量的近似值, 选择二代人工纯林作为研究对象, 并同样以较正常林分优势高约减少20% (Y=12.60)的诸参数取值, 确定为铝毒害阈值。调查分析数据列于表 1

表 1 调查分析数据 Tab.1 Data for analysis
3 结果与分析

根据表 1所列数据, 首先描散点图, 然后在分析散点图基础上, 选用合适的数学模型拟合, 建立相应的回归方程, 探讨杉木人工林衰退与铝毒害阈值。

3.1 根际土壤pH值对杉木生长的影响

共有32个样点, 利用最小二乘法得二次拟合方程为:

其曲线图如图 1所示。

图 1 pH与杉木生长的关系 Fig. 1 Relation between pH and growth of Chinese fir

图 1可直观地看出:在土壤反应呈酸性条件下, pH值增加, 利于杉木生长; pH值减少, 杉木长势明显下降, 当杉木优势高较正常林分减少20%, 即Y1=12.60时, pH值为4.18。

3.2 根际土壤Al3+对杉木生长的影响

共有31个样点, 利用最小二乘法得二次拟合方程为:

其曲线图如图 2所示。

图 2 Al3+与杉木生长的关系 Fig. 2 Relation between Al3+and growth of Chinese fir

根据图 2, 再结合考察回归方程可知, 土壤溶液中Al3+的含量越高, 越不利于杉木生长。当Y2=12.60, 此时Al3+含量为31.66。

3.3 根际土壤Ca2+/Al3+对杉木生长的影响

共有31个样点, 作线性拟合得:

其线性图如图 3所示。

图 3 Ca2+/Al3+与杉木生长的关系 Fig. 3 Relation between Ca2+/Al3+and growth of Chinese fir

图 3可见, 杉木长势随土壤溶液中Ca2+/Al3+增加而趋好, 随土壤溶液中Ca2+/Al3+降低明显下降, 当Y3=12.60时, Ca2+/Al3+等于1.809。

3.4 凋落物Ca2+/ (Ca3++Fe3++Al3+)对杉木生长的影响

共有31个样点, 利用最小二乘法得二次拟合方程为:

其曲线图如图 4所示。

图 4 Ca2+/ (Ca2++Fe3++Al3+)与杉木生长的关系 Fig. 4 Relation between Ca2+/ (Ca2++Fe3++Al3+) and growth of Chinese fir

图 4可见, 杉木长势随凋落物Ca2+/ (Ca3++Fe3++Al3+)增加转好, 而随Ca2+/ (Ca3++Fe3++Al3+)降低明显下降, 当Y4=12.60, x4=0.55。

4 结论与讨论

本文在立地分类基础上, 选择杉木人工林二代纯林, 以优势高作为林分生物量近似值, 并且以较正常林分优势高低20% (12.60)的诸参数取值, 确定铝毒害阈值。其值分别是pH (KCl) ≤4.18, Al3+≥31.66mg/kg, Ca2+/Al3+≤1.809mol/mol, Ca2+/ (Ca3++Fe3++Al3+) ≤0.55mol/mol。

立地类型1, 包含8个样地, 虽然有效土层和A1层均较厚, 立地条件较好, 但是优势木平均高(12.28m)比正常林分(15.83 m)低22%。逐一分析各参数因子, 唯样地5Al3+含量(28.6)和样地14Al3+含量(27.0)接近阈值, 其余均满足所确定的铝毒害阈值(表 1)。这表明该类林地已出现铝毒害, 致使杉木人工林衰退。

立地类型2, 包含16个样地。逐一考察各参数因子, 有的样地Al3+的含量已达到铝毒害阈值, 其他因子却未达到铝毒害阈值(表 1), 由于钙与铝的拮抗作用, 因而尚不能作出已出现铝毒害的推断。该类林地有效土层和Al层均较薄, 且多石砾, 土壤自然含水量低, 水分、养分总贮量少; 间有的林地虽然石砾含量少, 但是土壤粘重, 通透性差。立地质量差, 导致杉木人工林生产力下降, 优势木平均高(12.95m)比正常林分低18%。

本文得出的铝毒害阈值, 除铝的含量外, 其它的均高出国内外同类研究结果(刘厚田等, 1992; 罗承德, 1993; 高吉喜等, 1991)。这或许是:一方面, 树种及分布区不同, 生态特性也不相同, 而杉木则适宜在微酸性土壤上生长另一方面为了尽可能再现野外条件下土壤溶液中的离子浓度及其比率我们采用制备根际土壤平衡溶液作待测液, 而用这种方法检出的铝, 只包括可溶态的铝(刘厚田等, 1992)。为了进一步揭示四川盆地周山地杉木人工林衰退与铝毒害阈值, 有待在野外布置定位实验, 抽提土壤溶液并辅之杉木根系特征等研究。

参考文献(References)
高吉喜, 曹洪法. 1991. 离子强度、pH值和Ca2+/Al3+对马尾松幼苗的铝毒影响. 环境科学学报, 11(2): 194-198. DOI:10.3321/j.issn:0253-2468.1991.02.005
刘厚田, 田仁生. 1992. 重庆南山马尾松衰亡与土壤铝活化的关系. 环境科学学报, 12(3): 297-304. DOI:10.3321/j.issn:0253-2468.1992.03.008
罗承德.森林土壤酸化及其化学研究方法.成都: 四川大学出版社, 1993
马燕玲译.森林衰退之谜.国外林业, 1989, (1) : 14 ~18 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GWLY198901004.htm
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