Micro vertical changes in soil pH and base cations over time after application of wood ash on forest soil

木灰施用后森林土壤pH和鹽基陽離子的微垂直變化隨時(shí)間變化

來源: Forest Ecology and Management, Volume 406, 2017, Pages 274-280

《森林生態(tài)與管理》，第406卷，2017年，第274-280頁

 

摘要

論文摘要指出，木灰施用可抵消森林土壤酸化并補(bǔ)充因采伐損失的養(yǎng)分，但缺乏對灰分施用后微尺度土壤pH變化的研究。本研究通過柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M森林土壤，施用不同劑量木灰（0、3和9噸/公頃），使用微傳感器測量O層和A層土壤pH的微垂直變化，并分析鹽基陽離子。結(jié)果顯示，灰分施用造成土壤頂部1-1.5厘米內(nèi)強(qiáng)烈的pH梯度（pH 11至4.5），最高變異出現(xiàn)在施用后50天內(nèi)。灰分增加養(yǎng)分有效性，但若忽略微尺度變異，平均pH值會(huì)誤導(dǎo)實(shí)際極端條件。

 

研究目的

研究旨在探究木灰施用后森林土壤pH和鹽基陽離子在微垂直尺度上的時(shí)間變化，驗(yàn)證灰分施用是否在酸性森林土壤中產(chǎn)生強(qiáng)烈pH梯度，以及鹽基陽離子濃度是否隨深度和時(shí)間發(fā)生類似變化。

 

研究思路

研究在丹麥Gedhus種植園的挪威云杉林采集O層和A層土壤，重建柱實(shí)驗(yàn)（有機(jī)層1厘米，礦質(zhì)層15厘米）。設(shè)置三種處理（對照、Ash3、Ash9），每月取土壤芯使用Unisense微傳感器測量pH剖面（500微米間隔），并在四個(gè)時(shí)間點(diǎn)（62、152、278、363天）取樣分析交換性鹽基陽離子。通過統(tǒng)計(jì)模型分析pH最大值、下降速率和陽離子變化。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 pH微垂直變化數(shù)據(jù)來自Figure 1，通過等高線圖展示不同處理隨時(shí)間在0-5厘米深度的pH分布。研究意義是首次揭示灰分施用后土壤頂部存在的極端pH梯度（7個(gè)單位/1.5厘米），證明傳統(tǒng)批量采樣會(huì)低估局部條件對微生物和生態(tài)過程的影響。

 

2 pH參數(shù)量化數(shù)據(jù)來自Figure 2，包括最大值（a）、最大值深度（b）、pH下降速率（c）和0-5厘米平均pH（d）。研究意義是量化灰分劑量效應(yīng)：Ash9比Ash3的最大pH高1.214單位，pH下降速率慢1.269厘米?1，表明高劑量灰分效應(yīng)更持久。

 

3 鹽基陽離子數(shù)據(jù)來自Table 2，顯示不同深度和時(shí)間的陽離子濃度、陽離子交換量（CEC）和鹽基飽和度。研究意義是驗(yàn)證灰分促進(jìn)養(yǎng)分遷移：Ash9在0-5厘米深度均顯著增加鹽基陽離子，CEC在0-2厘米提升，鹽基飽和度全層提高，而鋁鐵濃度下降，改善土壤肥力。

 

 

結(jié)論

木灰施用在土壤頂部1-1.5厘米產(chǎn)生強(qiáng)pH梯度，最大變異出現(xiàn)在施用后50天內(nèi)。高劑量灰分（9噸/公頃）效應(yīng)更深入持久。批量采樣的平均pH會(huì)掩蓋局部極端條件，建議未來研究采用微尺度深度增量和高時(shí)間分辨率采樣以準(zhǔn)確評估灰分效應(yīng)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense pH微傳感器實(shí)現(xiàn)500微米間隔的高分辨率垂直剖面測量，突破傳統(tǒng)批量采樣限制。研究意義在于：首次捕獲灰分顆粒周邊pH的瞬時(shí)空間變異（如Ash9表層pH瞬時(shí)升至11.5），揭示化學(xué)反應(yīng)的局部強(qiáng)度；通過連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)pH梯度隨時(shí)間平滑化（最大值每日下降0.006單位），明確灰分中和效應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程；微尺度數(shù)據(jù)證明土壤微生物可能暴露于短期極端pH環(huán)境，為解釋微生物群落變化提供新機(jī)制。該技術(shù)為評估灰分對土壤生物地球化學(xué)過程的真實(shí)影響提供關(guān)鍵方法學(xué)進(jìn)步。