酚是土壤有毒物质的主要成分(李天杰, 1995)。它主要来源于植物碎屑中木质素的分解、微生物的合成及根的分泌(Jose et al., 1991)。杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方最重要的速生用材树种, 经济价值高, 深受群众喜爱。但杉木对气候、土壤条件要求较严, 可以栽杉的土地有限, 因此, 连栽难以避免。不少专家认为, 杉木连栽会引起减产, 这已成为南方木材生产的重要障碍(盛炜彤, 1992; 方奇, 1987)。引起减产的原因有多种。有的专家认为, 酚类物质可能在土壤中积累, 从而使土壤中毒, 成为杉木连栽减产的重要原因之一(张宪武, 1993; 俞新妥, 1989)。这些结论尚缺乏直接的数据证明。

一般认为, 与阔叶树种轮作或混交可以消除或降低连栽减产现象。如果酚中毒是引起连栽减产的重要原因, 则以土壤酚含量而言, 似乎应是阔叶林比杉木林为低, 一代林应比二代林为低。作者以多处相邻生长的杉木林和阔叶林以及不同连栽世代的杉木林为对象, 把它们看成是成对随机样本, 研究了酚类物质在土壤中积累和消散的过程, 用统计学成对样本T检验法比较了两者土壤酚含量的差异, 在此基础上对酚在土壤中积累并导致中毒的可能性做了估计。

1 材料和方法 1.1 样地概况及样本采集

成对样地设在湖北省崇阳县桂花林场和京山县虎爪山林场(李传涵等, 1999)。1996-04, 选生长在同一地点, 同一坡向, 同一海拔高度, 母质、土壤条件无明显差异, 林龄在20 a以上, 郁闭度0.9左右, 而又相邻生长的杉木林、阔叶林组成一对样本; 共8对样本林分。在距两林分交界处各20 m的林地内均匀对称地分别布设6个样点; 从0~30 cm深度取土样, 总计96个样本。土样分为两部分, 一部分置4℃冰箱中, 并迅速测定其挥发性酚含量; 另一部分经风干后, 过2 mm筛贮存于塑料袋中, 供水溶性酚和复合态酚测定用。与杉木林配对的阔叶林为南方常见树种。林地崇1为枫香(Liguidambar formosana)林, 崇2、崇3、崇4为苦槠(Castanopsis sclerophylla)林, 均位于崇阳县; 林地京1、京2、京3、京4均为栎树(Quercus acutissima), 位于京山县。

1997-03, 在京山县3块杉木林(京5、京6、京7)中分别采集0~30 cm和30~60 cm处土壤样品, 迅速测定其挥发性酚含量, 并将同一批样本分装成多份, 分别置于4℃、25℃和室温(15~27℃)下, 在03-10~05-30, 每隔约20 d测定一次, 共测5次, 研究土壤挥发性酚含量变化的规律。

与此同时, 在湖北崇阳、京山、红安和湖南通道杉木一代林和二代林中, 从0~30 cm处采集土壤样品供分析用。

1.2 测定项目和方法

挥发性酚:水蒸汽蒸镏-4氨基安替比林-分光光度比色法(城乡建设环境保护部环保局, 1983); 水溶性酚:水提取-Folin试剂-分光光度比色法(徐礼等, 1984;营原洁等, 1981; Kuiters et al., 1980); 复合态酚:NaOH提取-Folin试剂-分光光度比色法(徐礼等, 1984;营原洁等, 1981; Kuiters et al., 1980); 挥发性酚以苯酚为标准, 水溶性酚和复合态酚均以单宁酸为标准。

1.3 数椐处理

以每林分6个样点的平均数作为计算单元, 用微机SAS软件进行成对样本T检验以判断阔叶林与杉木林, 不同世代杉木林酚含量差异的显著性。

2 结果与分析 2.1 土壤挥发性酚的变化 2.1.1 林地挥发性酚的季节性变化

挥发性酚是土壤中对植物有直接毒害作用的酚类物质(李天杰, 1995)。为了解土壤挥发性酚在不同季节的变化, 并在不同树种间进行比较, 分别于1月、3月和10月, 从苦槠(Castanopsis sclerophylla)、麻栎(Quercus acutissima)、枫香(Liguidambar formosana)、湿地松(Pinus elliottii)、马尾松(P.massoniana)和杉木(C.lanceolata)林地采样, 测定土壤挥发性酚含量(见表 1)。

从表 1可以看出, 在野外, 不同树种林地土壤挥发性酚含量不同。值得注意的是, 在6个所测树种中, 杉木林土壤挥发性酚含量几乎是最低的。从表 1还可以看出, 除杉木外, 其它树种土壤中挥发性酚含量呈一致的下降的趋势, 即1月份最高, 3月次之, 10月最低。可以想像, 到下一年1月时, 土壤中挥发性酚含量又会恢复到一个较高的水平。这是一种循环过程。在生长季, 温度高, 一些酚挥发或降解; 到冬季, 由于枯枝落叶, 另一些酚又不断地补充进来。这是一个动态的循环过程。这些事实说明, 挥发性酚在一年中就有很大的变化, 它很容易挥发或分解。

2.1.2 挥发性酚消解的速度

在03-18第一批样本测定后(见表 1), 将同一批样品保存在室内, 经过一段时间后再进行测定, 以了解在没有外来酚补充的情况下酚消解的速度。现将结果列于表 2。从表 2可以看出, 在没有外来酚补充的情况下, 土壤挥发性酚含量会迅速下降, 从01-13~03-05, 在一个多月的时间里, 酚含量平均下降了62.10%, 而且土壤酚含量愈高, 其下降的程度也愈大。第二批样品于03-18测定后, 至04-04, 在不到一个月的时间内, 酚含量平均降了31.82%。这表明, 土壤中挥发性酚会迅速挥发或分解。由此可以推断, 如果没有另外的酚继续加入, 即使土壤原有的挥发性酚含量很高, 也会很快降下来, 很难在土壤中积累, 并达到使植物中毒的浓度。

2.1.3 挥发性酚消解与温度的关系

为了解杉木林土壤挥发性酚变化的动态, 03-10从京山县虎爪山林场三块杉木林中分层采集土壤样品进行了测定, 结果列于表 3。然后将土样分别置于4℃、25℃和室温(15~27℃)下直至05-30, 定期测定酚含量, 结果列于表 4。表 3表明, 上层土壤挥发性酚含量高于下层, 说明土壤中的挥发性酚主要来自植物的枯落物。表 4表明, 挥发性酚含量下降的速度与温度有密切的关系, 以室温条件下下降最快, 其次是25℃, 4℃时下降最慢。表 4进一步表明, 酚含量愈高的土壤, 下降的百分率也愈大, 因而到后来, 其含酚量反比其他土壤更低些, 挥发在各种温度条件下都是如此。

2.2 杉木林、阔叶林土壤含酚量的差异

崇阳、京山8对杉木林、阔叶林土壤挥发性酚、水溶性酚和复合态酚测定结果列于表 5。

表 5表明, 杉木林土壤挥发性酚含量与阔叶林相近, 而水溶性酚和复合态酚含量略低于阔叶林。但成对样本T检验表明, 两种林分的三种酚含量均无显著差异。

2.3 不同世代杉木林土壤酚含量比较

从不同地点在相近条件下采集的杉木一代林和二代林土壤酚含量列于表 6。

从表 6看出, 无论一代林或二代林, 水溶性酚比复合态酚含量低而且稳定得多; 同为一代林或二代林, 不同林分土壤水溶性酚, 尤其是复合态酚含量差异很大, 而其平均数却相差不大。结果是, T检验表明, 一代林和二代林土壤水溶性酚与复合态酚含量没有显著差异。

3 讨论

近些年来, 在论述杉木人工林地力衰退问题的论文中, 我国部分学者认为杉木连栽会引起酚类物质积累, 导致土壤中毒。而本研究表明, 其可能性很小。

酚类化合物可分为挥发性酚与非挥发性酚两类。土壤中高浓度挥发性酚对植物有直接毒害作用, 因此在环境质量检测中多检测挥发性酚。国家标准规定, 水中挥发性酚含量低于1~3 μg·g^-1时可作为一类灌溉用水(李天杰, 1995)。挥发性酚的特点是容易挥发, 也容易被氧化或被土壤微生物分解。本研究表明, 不同树种林地土壤, 在室内常温下, 经过一个月后, 其挥发性酚含量平均下降了62.10%;含酚量越高的土壤降低的程度越大。可以推想, 如果没有另外的酚继续加入, 即使原有的酚含量很高, 也会很快降下来。杉木林砍伐后, 要经过很多年才能形成下一代郁闭的森林。这期间, 林地暴露, 土温升高, 整地、造林增加了土壤透气性, 这都有利于酚的挥发、氧化和微生物的分解。有报道认为, 酚在土壤中容易被降解转化, 一般不发生积累现象(李天杰, 1995)。本研究还表明, 杉木林和阔叶林土壤挥发性酚含量一般都在0.3 μg·g^-1以下, 下层土壤的含量比表层土壤更低, 都远低于可使植物产生中毒的浓度。因此, 作者认为, 挥发性酚很难在土中积累而达到使林木产生中毒的浓度, 并成为杉木连栽减产的原因。

在土壤中, 水溶性酚含量较低, 几种常见酚酸含量一般变化在0.1~30 μg·g^-1的范围内, 只有少数高达60~100 μg·g^-1的。水溶性酚含量低首先是由于吸附作用(Jose et al., 1991)。当土壤中水溶性酚酸含量高时可被土壤腐殖质和矿物胶体吸附, 成为复合态酚; 而当土壤中水溶性酚含量降低时, 复合态酚又从土壤胶体上释放出来, 转化为水溶性酚。这是一个动态的平衡(Jose et al., 1991)。其次是由于酚很容易被微生物分解。例如, 据研究, 用不同浓度的几种酚酸加入经消毒过的土壤中, 24 h后, 酚含量仅降低了5%, 但如在同样消毒过的土壤中接种土壤微生物, 则24 h后, 酚酸全部消失(Dalton et al., 1983)。对羟基苯甲酸、丁香酸、香草酸和Anisic酸结构上的羧基碳在与土壤混合培养一周后, 有90%被分解为CO₂, 12周后95%被分解(Haider et al., 1975; Martin et al., 1976)。这证明微生物有很强的分解酚酸的能力。因此, 土壤水溶性酚含量低且较稳定。

水溶性酚可以被植物吸收。低浓度的水溶性酚可以促进植物生长, 浓度高时有毒害作用。不同植物受危害的起始浓度不同, 水稻为200 μg·g^-1, 黄瓜、西红柿为100 μg·g^-1。用低浓度含酚污水灌溉蔬莱时, 可以增产(李天杰, 1995)。我们用不同浓度的对羟基苯甲酸、阿魏酸和邻香草醛等酚酸对杉木种子进行培养试验时发现, 浓度为50 μg·g^-1可促进种子胚根生长, 浓度大于100 μg·g^-1时对杉木种子胚根生长有明显的抑制作用(Li Chuanhan et al., 1996)。本研究中测得的不同地点、不同林分水溶性酚含量均小于30 μg·g^-1, 低于可使植物产生中毒的浓度。

我们用丁香酸、龙胆酸、香草酸和香豆酸等四种酚酸, 每种酚酸各设50 μg·g^-1、100 μg·g^-1、200 μg·g^-1、400 μg·g^-1和600 μg·g^-1等5种浓度对杉苗进行盆栽试验。结果发现, 浓度越高, 杉苗中毒越严重(待发表)。但生长期结束后发现, 各种施用浓度土壤中水溶性酚和复合态酚含量与施用前的酚含量没有显著的差异, 即没有随处理浓度的加大而表现出积累的趋势。因此, 很难相信酚酸会在几个世代, 数十年中逐渐积累而成为使土壤中毒的因素。

土壤中水溶性酚含量高时可被土壤腐殖质和矿物胶体吸附, 成为复合态酚。它能稳定地保存并积累而达到很高的含量(Jose et al., 1991)。例如, 不同的土壤, 香豆酸的含量变化在40~7730 μg·g^-1; 对羟基苯甲酸的含量变化在100~11800 μg·g^-1 (Jose et al., 1991)。用碱性溶液比用水提取所得酚酸浓度高很多, 这表明土壤中的酚主要是以复合态存在的。复合态酚由于被土壤胶体吸附, 不溶于水, 不能被植物吸收, 也不对植物产生毒害。因此, 即使酚类物质可能在不同世代杉木林地逐代积累, 也不会对后继世代杉木林的生长产生影响。

目前关于杉木连栽导致土壤酚中毒的结论来源于对野外少数不同世代杉木林的调查分析。我们认为这种方法很难准确。因为不同世代的杉木林也生长在不同的地点, 其坡向、坡度、母质、土层厚度、质地、有机质含量、pH值、各种养分元素含量、微生物的种类和数量、土壤酶活性, 等等, 都很难相同。即使是同一地点, 历史上所经历的气候条件, 所用种子的遗传品质, 经营管理的强度, 等等, 也难说一致。这必然会影响到酚含量的差异。例如, 质地、有机质含量、pH值都影响胶体对酚的吸附量(Jose et al., 1991)。一片生长在粘壤土上的一代林, 其酚含量可能高于生长在砂壤土上的二代林。从表 6中可以看出, 同是一个地方的一代林或二代林, 酚的含量可以相差很大, 而两种林分酚含量平均数的差异却并不大, 一代林土壤酚含量可能比二代林更高。从少数林地所获得的数据无法进行统计可靠性分析, 在确定什么是典型的样地时难免主观性。因此, 我们认为目前关于不同世代杉木林土壤酚类物质积累和中毒的论据的可靠性值得怀疑。

本研究采用成对样本T检验法, 把相邻生长的林分看成成对随机样本, 以排除上述各种因素影响, 而把不同地点的成对样地看成重复, 以便给论证以统计可靠性估计。虽然本研究所抽样本对数偏少, 世代偏低, 可能使某些本来存在的差异未被发现, 但这种方法比从少数样地所得结果为可靠。

欧洲曾有连栽云杉人工林土壤累积酚类物质毒害云杉幼苗的报道。但云杉减产是由于把云杉种在潮湿粘重的土壤上, 而不是由于连作(中国林业科学研究院林业科学信息研究所, 1997)。现在欧洲云杉连作没有地力衰退现象。连作减产不是规律。非洲斯威士兰引种湿地松、展叶松、火炬松己有50a历史, 根据众多样地对比, 一、二、三代人工林的生产力是一致的, 或是一代胜过一代。因此, 外国专家认为, 杉木林生产力降低的原因未必是连栽, 而可能是别的(中国林业科学研究院林业科学信息研究所, 1997)。当然, 他们也不认为连栽会使酚类物质积累, 并使土壤中毒。