目前,中国已成为继欧洲和北美地区之后的世界第三大酸雨地区,酸雨危害已成中国严峻的环境问题之一^[1]。中国主要酸雨分布区域又与南方酸性土壤分布区域重叠,这在一定程度上加速了南方酸性土壤的酸化过程。酸雨造成的土壤退化,主要表现为土壤微生物活性降低,土壤盐基饱和度降低,促进了活性铝的溶出^{[2, 3, 4, 5]}。土壤盐基离子在酸雨作用下易被H⁺置换而淋失,土壤中和酸的能力下降,消耗土壤养分,导致土壤贫瘠^[6]。土壤盐基离子的淋失是阻碍酸性土壤改良和修复的重要因素之一^[7]。

森林是生态系统的重要组成部分,也是酸沉降的直接承受者,酸雨会影响森林土壤的特性,从而影响森林生态系统的物种组成及演替过程。杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是中国南方最重要的速生造林树种之一,有研究表明酸雨不仅会影响杉木的光合作用及生长,而且影响土壤酶活性和凋落物分解^{[8, 9, 10, 11]}。邵武市是中国酸雨污染较为严重的地区之一,2008年3月酸雨率最高(70.10%),酸雨的pH值最低为3.74^[12]。本课题组以邵武市下沙镇不同林龄杉木人工林为研究对象,通过测定杉木人工林土壤盐基离子含量,探讨在酸雨背景下,不同林龄杉木人工林土壤盐基离子含量的动态规律,从而为酸雨区杉木人工林土壤修复、生态系统的恢复与重建提供理论依据。

邵武市下沙镇位于福建省西北部,北纬26°55',东经117°35';该地属中亚热带季风气候,冬短夏长,雨量充足,雨季集中在3-9月,相对湿度82%,年平均气温18.3 ℃,年平均降水量约1 863.4 mm;平均海拔275 m;土壤是由花岗岩发育形成的红壤。下沙镇是邵武市的工业重镇,工业基础好,主导产业有精细化工、化肥厂、草酸厂、林产加工和纺织服装等化工产业。

分别在下沙镇不同林龄(1、5、10、15、20 a)杉木人工林建立3个20 m×30 m监测样地,共计15个,5种林龄杉木人工林直线距离不超过100 m,立地条件相近。样地内每木调查杉木胸径(地径)及树高等生长指标,生长情况见表1。2011年3、6、9、12月初在每个林分中按"S"形挖3个土壤剖面,分别取土层深度0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm的土壤样品。样品风干后按四分法取样并过筛备用。

土壤理化性质测定方法参考文献^[13]。土壤交换性K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量用1 mol·L^-1中性醋酸铵溶液浸提—原子吸收分光光度法测定。杉木人工林土壤养分状况见表2。

用Excel 2007软件处理试验数据,SPSS 18.0软件进行方差分析。

同一林龄同一土层深度杉木人工林土壤交换性K⁺含量总体表现为夏秋季含量较高,而春冬季含量较低(表3)。随着林龄的增长,同一季节同一土层深度杉木人工林土壤交换性K⁺含量总体呈先升高后降低再升高的趋势。0-10 cm、20-40 cm及40-60 cm土层,在春季、秋季及冬季,幼龄期(1-5 a)土壤交换性K⁺含量呈上升趋势,中龄期(5-15 a)呈下降趋势,而近成熟龄期(15-20 a)则呈上升趋势。10-20 cm土层,在夏秋季及冬季,从幼龄期至中龄前期(1-10 a)土壤交换性K⁺含量呈上升趋势,中龄前期至中龄后期(10-15 a)土壤交换性K⁺含量呈下降趋势,而在近成熟龄期(15-20 a)则呈上升趋势。 随着土层深度的增加,同一林龄同一季节杉木人工林土壤交换性K⁺含量总体呈现出下降的趋势。1年生杉木人工林,春季0-10 cm土层深度土壤交换性K⁺含量与20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了76.32%、81.08%,比10-20 cm土层减少了1.47%;夏季0-10 cm土层土壤交换性K⁺含量与10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了31.03%、28.09%、65.22%;秋季0-10 cm土层土壤交换性K⁺含量与10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了12.77%、1.92%、70.97%;冬季0-10 cm土层土壤交换性K⁺含量与10-20 cm相近,分别比20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了103.03%、157.69%。

同一林龄同一土层深度杉木人工林土壤交换性Na⁺含量具有较为明显的季节变化规律,总体表现为夏秋季含量较高,春冬季含量较低(表4)。同一季节同一土层条件下,杉木人工林土壤交换性Na⁺含量随林龄的增长呈现出较为复杂的变化规律,但总体呈现出"升高—降低—升高"的变化趋势。同一林龄同一季节,随着土层深度的增加,杉木人工林土壤交换性Na⁺含量总体呈现出下降的趋势。以20年生杉木人工林为例,春季0-10 cm土层土壤交换性Na⁺含量与10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了24.53%、57.14%、69.23%;夏季0-10 cm土层土壤交换性Na⁺含量与10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了33.96%、30.28%、46.39%;秋季0-10 cm土层土壤交换性Na⁺含量与10-20 cm、40-60 cm土层相比分别提高了2.71%、9.30%,与20-40 cm土层表现相近;冬季0-10 cm土层土壤交换性Na⁺含量与10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土层相比分别提高了226.67%、276.92%、308.33%。

同一土层同一林龄杉木人工林土壤交换性Ca²⁺含量总体表现为春夏季高于秋冬季;同一季节同一土层交换性Ca²⁺含量随林龄的变化总体呈现出:1-10 a呈增加的趋势,10-20 a呈减少的趋势;而同一林龄同一季节交换性Ca²⁺含量随着土层深度的增加呈现出不同的变化规律(表5)。1年生杉木人工林交换性Ca²⁺含量在0-40 cm土层,随着土层深度的增加呈降低的趋势,而在40-60 cm土层则呈略微上升趋势。5年生夏秋季和冬季10-20 cm土层土壤交换性Ca²⁺含量最高。10、15 a杉木人工林不同季节土壤交换性Ca²⁺含量均表现随着土层深度的加深,其含量总体呈下降的趋势。

土壤交换性Mg²⁺含量主要体现出春夏季含量较高,冬季含量较低的变化趋势(表6)。同一季节同一土层交换性Mg²⁺含量随林龄增大总体呈现出先增加后减少的趋势。0-10 cm土层,春季5 a杉木人工林土壤交换性Mg²⁺含量与1、10、15、20 a杉木人工林相比分别提高了165.96%、106.61%、140.38%及257.14%,其中5、10、15 a杉木人工林交换性Mg²⁺含量两两间呈显著性差异。

同一林龄条件下,在春季随着土层深度的增加,交换性Mg²⁺含量表现是降低—升高—降低的趋势;在夏秋季及冬季表现为随土层深度的增加,杉木人工林土壤交换性Mg²⁺含量总体呈现出逐渐降低的趋势。

从表7可知,杉木人工林土壤盐基离子含量与季节、林龄及土层深度呈极显著相关,它们两两之间差异极显著(P＜0.01)。

酸沉降是当前世界面临的主要环境问题之一。土壤酸碱平衡直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性,还影响植物的生长、破坏植物细胞膜、破坏植物的形态、抑制植物的新陈代谢^{[14, 15]}。土壤pH影响土壤盐基离子组成和含量,酸雨会加剧土壤化学失衡^[16]。土壤盐基离子是土壤质量的重要指标,其含量能反映出土壤保蓄、缓冲阳离子养分等能力。盐基离子的含量高低不仅受土壤的湿度、温度、粘度、微生物等影响,还受植物生长吸收、矿物质风化和凋落物分解速度的制约。中国杉木人工林目前依然主要依靠土壤的自然肥力,因此,土壤盐基离子含量状况直接关系着杉木人工林的可持续经营。试验结果表明,杉木人工林的土壤盐基离子与土层深度、季节及林龄均呈极显著相关关系。5个林龄杉木人工林的各种土壤盐基离子含量在四季总体表现出表层高于中下层,这可能与植物在土壤形成过程中的作用有关,凋落物归还主要集中在土壤表层,凋落物中的养分通过微生物的分解释放呈现出较强的"表聚性"^[17]。

5种林龄杉木人工林土壤交换性K⁺、Na⁺含量在4个土层中均表现出夏季或秋季含量高,而交换性Ca²⁺、Mg²⁺含量表现是夏季或春季含量显著高于秋冬季。杉木的生长旺盛期处于夏季,对营养元素吸收量大,土壤养分消耗多,但由于研究地处亚热带湿润季风气候区,夏季高温多雨,林内温暖湿润,微生物活动增强,凋落物的分解速率也加快,养分归还速率也较大,使土壤养分能够及时得到补充。秋季降雨量略有下降,但凋落物归还量大,此时研究区气温依然较高,林分的温度和湿度适宜,微生物的活性大,凋落物分解依然较快,而K、Na在凋落物中以离子态存在为多,释放快,且杉木因生长减缓需求减少,因此在秋季土壤中的K⁺、Na⁺含量也较高。冬季气温低且气候干燥,凋落物分解慢;春季时,雨季到来,气温回升,凋落物分解开始变快,但同时杉木生长开始复苏,吸收也多,因此导致该季节K⁺含量下降。这与江远清等^[18]的研究结果一致。交换性Ca²⁺、Mg²⁺含量增加的时间比交换性K⁺、Na⁺含量增加的时间提前了1个季度,这可能与Ca²⁺、Mg²⁺在凋落物中以有机态存在,分解释放相对滞后有关。

4个土层深度、4个季节杉木人工林土壤交换性K⁺、Na⁺含量从幼龄期到中龄期总体呈减少趋势,而中龄期到近成熟林期呈增加的趋势。土壤交换性Ca²⁺、Mg²⁺含量1-10 a增加,10-20 a减少,1 a或20 a达到最低值。本结果在幼林期的规律与吴蔚东等^[19]研究5-8 a杉木人工林土壤盐基离子随林龄增加缓慢回升结果一致。杉木栽植前,林地多采用炼山方式清理,炼山灼烧可将矿物中无效养分及凋落物中缓效养分转化为有效养分,使幼林期土壤盐基离子含量提高;中龄期的杉木处于生长旺盛时期,养分需求量大,从土壤中吸收大量养分致土壤中盐基离子减少;近成熟期的杉木林经疏伐,郁闭度和密度有所减小,透光度增大,林下植被生长恢复,结构多层,淋溶减弱,而凋落物的分解归还量增大致土壤盐基含量增加^{[20, 21, 22]}。交换性K⁺、Na⁺与交换性Ca²⁺、Mg²⁺因林龄变化规律不同,这可能与杉木在不同生长期对不同养分的吸收利用量、归还释放量不同有关。