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铝毒(Altoxicity)是酸性土壤中限制植物生长最重要因子之一。半个世纪以来,关于森林植物Al毒与森林衰退的研究尤其是森林Al毒风险评价指标及其阈值的研究主要集中在欧洲、北美中高纬度的温带、寒温带针叶林中进行,目前尚缺乏适合于我国亚热带酸雨地区森林铝毒评价标准和风险阈值。本论文以木荷(Schimasuperba)、马尾松(Pinusmassoniana)为对象,以地带性常绿阔叶林成熟森林土壤和退化丘陵人工林土壤为基质,设定系列Al浓度,探讨植物生长及生物量分配格局、敏感组织(叶、新梢、细根)元素化学和土壤溶液化学对Al处理的响应,以期建立适合于我国亚热带酸雨地区代表性森林植物的Al毒评价指标体系和危害阈值,为我国亚热带地区森林健康评价,衰退森林的恢复与持续经营提供理论依据和科学指导。主要结论如下:
1、Al胁迫下木荷、马尾松敏感组织元素化学、生长及生物量分配格局特征
低浓度Al添加对植物光合作用有一定促进作用,高浓度Al胁迫则强烈抑制植物的光合作用。总体上Al胁迫下马尾松成活率、最大光饱和同化速率(Pmax)、最大羧化效率(Vcmax)、最大电子传递效率(Jmax)、相对生长速率高于木荷,且马尾松能够存活的最高Al添加量高于木荷,表明马尾松对Al胁迫的耐受和适应能力高于木荷。鹤山土壤的Al毒风险低于鼎湖山土壤。
土壤溶液Al含量随着Al添加量的增加而迅速升高。木荷、马尾松各组织Al含量也随着Al添加量的增加而显著升高。细根Al含量树种间差别较小,而木荷老叶、新叶、新梢Al含量显著高于马尾松,与马尾松相比,木荷向地上部运输更多的Al,这可能是木荷比马尾松对Al毒更敏感的原因之一。木荷、马尾松不同组织Al含量从大到小均为细根>老叶>新梢(≥)新叶,表现出组织Al含量沿着Al运输梯度(土壤——根系——地上部)递减及随着组织存续时间增加(新叶≤新梢<老叶)而增加的趋势。
土壤溶液Ca/Al、(Ca+Mg)/Al、(Ca+Mg+K)/Al、(Ca+Mg+K+Na)/Al摩尔比均随着Al添加量的增加而迅速降低。木荷、马尾松各组织Ca/Al、(Ca+Mg)/Al、(Ca+Mg+K)/Al、(Ca+Mg+K+Na)/Al摩尔比也均随着Al添加量的增加而显著下降,且不同组织间以细根最低。
除鼎湖山木荷外,总体上木荷、马尾松组织Al含量、Ca/Al摩尔比与土壤溶液Al含量、Ca/Al摩尔比呈显著或极显著相关。细根/粗根比、相对生长速率均随着土壤溶液Al含量的增加、Ca/Al摩尔比的下降而下降。类似地,除鼎湖山木荷外,木荷、马尾松细根/粗根比、生物量相对增长速率与组织Al含量、Ca/Al摩尔比呈显著或极显著相关。随着土壤溶液Al含量升高、Ca/Al摩尔比降低,植物根系吸收、储存并转运到地上部的Al显著增加,组织Ca/Al摩尔比降低,植物生长受到抑制,根系尤其是细根生长受到的抑制程度最大。
2、木荷、马尾松Al毒敏感指标
本研究中筛选出了一些对Al毒响应比较敏感的指标:(1)土壤溶液Ca/Al摩尔比对Al毒的指示作用比Al含量更好。(2)相对于地上部,细根Ca、Al含量、Ca/Al摩尔比对Al毒更敏感。(3)细根/粗根比、生物量相对生长速率、组织Al含量、Ca/Al摩尔比对铝毒较为敏感,其中植物组织元素化学比生长及生物量分配格局对Al毒更敏感。
土壤基质对植物生长及生物量分配格局、敏感组织元素化学与土壤溶液化学的回归关系影响相对较小,而总体上木荷、马尾松存在较大种间差异,但也有一些种间差异较小的Al毒响应关系:(1)老叶Ca/Al摩尔比—土壤溶液Al含量;(2)新叶Ca/Al摩尔比—土壤溶液Ca/Al摩尔比;(3)细根Ca/Al摩尔比—土壤溶液Ca/Al摩尔比;(4)相对生长速率—新梢Al含量;(5)相对生长速率—新叶Ca/Al摩尔比;(6)相对生长速率—细根Ca/Al摩尔比。其中新叶、细根Ca/Al摩尔比与土壤溶液化学和植物生长相关性均较好,可考虑用作指示Al毒的通用指标。
本研究得到的土壤溶液临界Ca/Al摩尔比阈值高于CronanandGrigal(1995)提出的Al毒阈值(1.0);而木荷、马尾松组织(叶片、细根)Ca/Al受害阈值则低于CronanandGrigal(1995)提出的Al毒阈值(12.5、0.20),这表明基于欧美温带森林得到的Al毒阈值并不完全适用于我国亚热带酸雨地区。