2025, Vol. 57
桉树(Eucalyptus robusta)具有生产力高、适应性广、经济效益快等优点，是全球种植范围最广泛的阔叶树种[1]。全球有95个国家种植桉树，热带、亚热带地区的种植面积已超过2 257万hm2，占全球人工林的6.5%。桉树原产澳大利亚，对主要种植国巴西(730万hm2)、印度(800万hm2)和中国(546万hm2)而言，桉树为外来树种，相比起前茬树种如马尾松、杉木等针叶树及红椎、米老排、灰木莲等阔叶树，桉树叶中含有大量单宁酸，约为40 mg/g[2]，高于前茬树种的20% 以上[3]。因此改种桉树后，大量单宁以凋落物与枯死物降解、雨水或径流的方式输入林地土壤。
植物单宁是一种多酚，能与金属离子、蛋白质、多糖等结合从而间接对土壤环境产生影响。单宁含有两个相邻的酚羟基能与多种金属离子(Fe、Al、Mn、Zn、Cu、Cr等)形成络合物。张又弛等[4]的研究表明，外源添加的有机碳源能够促进铁氧化物的还原溶解。苏有健等[5]的研究中单宁酸与土壤溶液中的铝进行络合从而增加腐殖酸铝的含量，使铝的吸附-解吸平衡向解吸方向移动，总结果是使可溶性铝增加，交换性铝减小。但不同类型的植物单宁对金属离子络合能力有所不同，水解单宁与Fe3+反应生成的络合物具有不可溶性，只有加入还原剂使其还原成Fe2+才具可溶性，而鞣酸则能与Fe3+直接形成可溶性的亚铁络合物，并且所形成的络合物比没食子酸与Fe3+形成的络合物稳定[6]。桉树叶分解液中的单宁属于混合单宁[7]，同时拥有水解单宁和缩合单宁的组分及结构特性，如没食子酸及没食子单宁、表儿茶素[8]，桉树叶中含有的混合单宁对土壤中可溶性铁铝锰锌的浸出动态的影响研究较少。
桉树种植大国多处于热带和亚热带的高温潮湿型气候，主要土壤类型有花岗岩为母质发育[9]的红壤、砖红壤、赤红壤(砖红壤化红壤)等，高温潮湿气候伴随土壤酸化富铝化[10]。前茬林改种桉树后，不同的土壤水分条件下土壤单宁输入量增加，将对林地土壤可溶性铁铝锰锌淋失存在潜在影响。因此，本文于广西高峰林场1年生的桉树人工林下采集赤红壤，通过土柱控制培养试验，探究不同土壤水分条件培养下，桉树单宁对人工林土壤可溶性铁铝锰锌浸出含量的影响。
1 材料与方法 1.1 供试土壤采集与处理供试土壤采自广西壮族自治区国有高峰林场(22°57′ N，108°21′ E)，海拔188 m。该地为丘陵地形，雨热同期，年均气温22.6 ℃，年均降水量1 200 ~ 1 300 mm，属于热带季风气候；土壤母质多以沉积岩系为主，均风化发育为赤红壤。在研究区高峰林场选择1年生桉树人工林(杉木改种桉树)为采样地，设置20 m×20 m的样方，剔除土壤表面的杂草、凋落物和碎石等，使用五点采样法进行供试土壤采集。采集的土样带回实验室后剔除植物根系等杂物并置于阴凉处自然风干，过10目筛混合以形成均匀土壤备用。供试土壤pH为4.09，有机质含量为41.64 g/kg。
1.2 分解液制备 1.2.1 桉树新鲜叶分解液制备于广西大学林学院苗圃采集8年生桉树新鲜叶片，用蒸馏水冲洗叶片去除表面杂质，自然晾干剪切成约2 cm长的碎片。叶片与蒸馏水按质量比1∶10加入腐解器皿，并添加200 mL野外沟渠采集的菌源水，以促进腐解；置于恒定室温25 ℃下，定期搅动确保均匀腐解；7 d后过滤去除固体残渣，得到分解液，储存于4 ℃冰箱中。使用前对分解液进行单宁酸和DOC含量测定，结果显示单宁酸含量为240.00 mg/L，DOC含量为4.92 g/L。
1.2.2 稻草分解液制备稻草用量及制备方法与桉树叶分解液制备相同，稻草分解液单宁酸含量为55.90 mg/L，DOC含量为4.84 g/L。稻草分解液与桉树叶分解液在相同DOC浓度条件下存在显著的单宁酸含量差异，因此，选择稻草分解液可确保试验对比的有效性。
1.3 试验设计本研究设置添加两种分解液培养试验，即桉树叶分解液(EU处理)、稻草分解液(RS处理)，并以蒸馏水为对照组(CK)；每种分解液设置不同土壤含水量处理，分别为饱和持水量的50%、70%、90%，记作W5、W7、W9(表 1)。称取150 g土样，填充至一端盖有封盖的PVC管(长250 mm，内径28 mm)，填充过程中边加土边按照处理缓缓倒入相应的分解液(或蒸馏水)，保证土壤与分解液混匀。土柱装填完成后，放置于20 ℃的恒温培养室内进行培养。培养期间定期通过称重与补水维持土壤水分含量不变。分别于培养后的第3、6、10、15、21天，每个处理随机抽取3个培养管，剖开PVC管将土壤取出。将取出的土壤置于500 mL聚乙烯瓶，加蒸馏水至300 mL，充分摇匀后放入转速为180 r/min摇床中振荡30 min，静置，而后用0.45 μm滤膜过滤，测量滤液体积。取一部分滤液测定pH，另取一部分滤液添加硝酸(体积占比达1% 左右)，用于可溶性铁铝锰锌含量的测定。
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表 1 试验处理设置 Table 1 Test design |
土壤有机质的测定使用重铬酸钾容量法(GB 9834—88)[11]；土壤饱和持水量(WHC)使用环刀法测定[11]；桉树叶、稻草分解液中单宁酸含量的测定使用紫外分光光度法[12]；pH的测定使用电位法测定(型号FE20，梅特勒–托利多仪器有限公司)[11]；可溶性铁铝锰锌的测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪(型号ICAP-7400，赛默飞世尔科技有限公司)测定。
1.5 数据处理利用Excel 2021进行试验数据统计；采用SPSS Statistics 27.0.1软件对试验数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)；通过Duncan法对不同土壤水分、不同分解液及不同培养时间土壤浸出液pH和可溶性铁铝锰锌浸出量进行差异显著性分析，显著性水平为P < 0.05；运用Pearson法对各项指标进行相关性分析。采用Origin 2021进行绘图。
2 结果与分析 2.1 添加桉树单宁对土壤浸出液pH的影响不同水分含量培养下，各分解液处理土壤浸出液pH平均值均为W9时最大，CK、RS、EU处理分别为4.22、4.26、4.17；CK与RS处理在W7时pH平均值最小，分别比W9低了1.57%、2.59%；EU处理在W5时pH平均值最小，比W9低1.94%。添加不同分解液培养下，CK与RS处理土壤浸出液的pH平均值均为4.17，EU处理土壤浸出液的pH平均值为4.14，比CK和RS处理低0.76%。不同培养天数下，pH呈先升高后下降再缓慢升高的趋势，6 d时pH最低，均值为2.02，比0 d低2.12，比pH均值最大的21 d低了2.14。
2.2 添加桉树单宁对可溶性铁铝锰锌浸出含量的影响 2.2.1 可溶性铁浸出含量的变化不同水分含量培养下，土壤可溶性铁浸出量受添加的分解液影响较大，EU、RS处理在W5时可溶性铁浸出量较高，为0.213、0.373 mg/kg，CK在W9时可溶性铁浸出量较高，平均为0.438 mg/kg；CK、RS和EU处理均在W7时可溶性铁浸出量较低，平均值分别为0.244、0.036、0.204 mg/kg。添加不同分解液培养下，土壤浸出液可溶性铁含量表现为EU < CK < RS，平均值分别为0.03、0.06、0.16 mg/kg。不同培养天数下，可溶性铁浸出量呈先降低后升高再缓慢降低的趋势，EU处理在21 d时浸出量最低，均值为0.003 mg/kg；RS处理在15 d时浸出量最低，均值为0.016 mg/kg；CK处理在15 d时有明显峰值，其中在W9水分下最高，为2.03 mg/kg。
2.2.2 可溶性铝浸出含量的变化不同水分含量培养下，各处理间土壤浸出液可溶性铝含量从大到小为W9 > W5 > W7，平均值分别为0.73、0.60、0.59 mg/kg，其中CK在W9条件下15 d的可溶性铝浸出液含量显著提高，达3.66 mg/kg。添加不同分解液培养下，土壤浸出液可溶性铝含量表现为EU < RS < CK，平均值分别为0.50、0.61、0.81 mg/kg，EU处理的可溶性铝浸出量比RS处理低了18.95%。不同培养天数下，可溶性铝浸出量呈先减小后增加再减小，21 d时平均可溶性铝浸出量最低，为0.42 mg/kg；15 d时平均可溶性铝浸出量最高，为0.98 mg/kg。
2.2.3 可溶性锰浸出含量的变化不同水分含量培养下，EU、RS处理的土壤可溶性锰浸出量在W9时最高，分别为0.199、0.226 mg/kg；在W5时最低，为0.156、0.182 mg/kg；W9的可溶性锰浸出量是W5的0.78倍和0.81倍。添加不同分解液培养下，土壤浸出液可溶性锰含量为EU < RS=CK，平均值分别为0.18、0.21、0.21 mg/kg。不同培养天数下，土壤可溶性锰浸出量呈先升高后降低再缓慢升高的趋势，可溶性锰浸出量在10 d时平均值最低，为0.16 mg/kg；在3 d时最高，为0.24 mg/kg。
2.2.4 可溶性锌浸出含量的变化不同水分含量培养下，土壤浸出液可溶性锌的平均含量在W7时最高，为0.039 mg/kg，W5时最低，为0.034 mg/kg。添加不同分解液培养下，土壤浸出液可溶性锌含量表现为EU < CK=RS，平均值分别为0.034、0.039、0.039 mg/kg。不同培养天数下，可溶性锌浸出量呈先降低再升高的趋势，可溶性锌浸出量在15 d时平均值最低，为0.029 mg/kg；在0 d时最高，为0.043 mg/kg。
2.3 主成分分析及相关性分析主成分分析表明PC1(41.1%)和PC2(33.5%)累计解释了74.6% 的变异(图 6)。pH变化体现在PC1负轴，正轴为可溶性铁铝；PC2关联可溶性锌锰。CK居中，EU和RS沿PC1分离，EU提升pH抑制铝铁溶解，RS促进其释放，处理机制差异显著。Pearson相关性分析(图 7)表明，土壤水分与可溶性铝锰锌浸出量呈显著负相关(P < 0.01)，分解液单宁含量与可溶性铝呈显著负相关(P < 0.001)；土壤pH与培养天数呈显著正相关(P < 0.001)，与可溶性铝呈显著负相关(P < 0.05)。
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(图中大写字母不同表示同一分解液处理不同培养时间差异显著(P < 0.05)，小写字母不同表示同一培养时间不同分解液处理间差异显著(P < 0.05)；下图同) 图 1 不同水分含量、不同分解液培养下土壤浸出液pH Fig. 1 pH of soil leachate under varying moistures and decomposition treatments |
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图 2 不同水分含量、不同分解液培养下土壤可溶性铁浸出量 Fig. 2 Leaching amounts of soluble Fe in soils cultured with different moistures and decomposition solutions |
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图 3 不同水分含量、不同分解液培养下土壤可溶性铝浸出量 Fig. 3 Leaching amounts of soluble Al in soils cultured with different moistures and decomposition solutions |
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图 4 不同水分含量、不同分解液培养下土壤可溶性锰浸出量 Fig. 4 Leaching amounts of soluble Mn in soils cultured with different moistures and decomposition solutions |
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图 5 不同水分含量、不同分解液培养的土壤可溶性锌浸出量 Fig. 5 Leaching amounts of soluble Zn in soils cultured with different moistures and decomposition solutions |
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(图 6中TD-Fe、TD-Al、TD-Mn、TD-Zn分别表示可溶性铁、可溶性铝、可溶性锰、可溶性锌；*、**、*** 分别表示相关性达P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001显著水平) 图 6 pH与可溶性铁铝锰锌主成分分析(A)以及各处理与可溶性铁铝锰锌和pH的相关性热图(B) Fig. 6 PCA of pH with soluble Fe, Al, Mn and Zn concentrations(A) and correlation heatmap between treatments and soluble Fe, Al, Mn, Zn and pH(B) |
桉树叶和稻草分解液是有机碳源，相比CK，RS处理能有效提升土壤pH，但EU处理pH升高不明显(图 1)。酸性土壤中，碱性阳离子是导致土壤pH提升的主要原因[13]，输入有机质的分解程度、阴阳离子的释放模式以及微生物的固定也会影响土壤pH变化。培养前期特别是6 d，pH下降的主要原因是低分子量脂肪族羧酸(LACAs)和阴离子的大量释放。有机质分解初期快速释放LACAs，浓度可达12.6 ~ 24.7 mmol/L，LACAs刺激微生物代谢[14]，属于植物残体分解初期酸化现象[15]。15 ~ 21 d，RS处理的土壤浸出液快速碱化是因为稻草C/N较桉树叶低，15 d后基本被分解[16]，释放大量碱性阳离子中和酸性物质。桉树叶分解液中含桉树单宁，化学结构复杂，分解速率慢，碱性阳离子释放延迟[17]；其次桉树单宁与阳离子、蛋白质络合，降低土壤阳离子浓度，抑制酶活性，进一步减缓分解速率。
低水分(W5)下土壤的酸化可能是因为限制了碱性离子的溶解能力，导致酸性有机物和CO2积累[18]。高水分(W9)则由于稀释作用降低了有机酸和H+的浓度，且加速Ca2+、Mg2+等碱性离子的扩散，从而中和部分酸性物质[19]；其次高水分使土壤加快形成厌氧环境，好氧微生物活性降低，有机酸生成减少，同时厌氧过程可能产生碱性产物(如NH4+)，部分抵消酸化[20]。
3.2 添加桉树单宁对可溶性铁铝锰锌浸出量的影响本研究中添加碳源能抑制土壤可溶性铁铝锰锌的浸出，EU处理比RS更显著。EU和RS处理均能通过释放DOC与金属离子结合[21]，同时DOC与溶解的矿物离子在存在有机酸的情况下在矿物表面络合[22]。桉树单宁作为多酚类有机酸也能够为金属离子提供C3-OH、C4＝O或C5OH以及邻苯二酚羟基等结合位点[23]，从而削弱铁铝锰锌离子在土壤中的迁移能力，使其难以被植物吸收或淋溶到地下水中[24-25]。因此EU处理在培养周期内更抑制了可溶性铁铝锰锌的释放。
pH的协同效应以及桉树单宁对微生物活性的抑制作用间接影响了土壤中可溶性铁铝锰锌浸出[26]。本研究中培养6 d时土壤pH显著下降随后逐渐升高，可溶性铝浸出量与pH呈显著负相关；而可溶性铁锰锌与pH无显著相关性，可能是其离子与单宁酸络合较强，受到pH影响较小[27]。但酸性土壤中Zn2+与可溶性有机化合物络合的比例极低(1% ~ 4%)，土壤溶液低pH不允许形成锌的稳定配合物[22]。培养后期(10 ~ 21 d)CK土壤可溶性金属含量出现峰值，RS处理浸出可溶性金属含量显著高于EU处理，可能是由于随着有机质的增加，微生物代谢增强，导致微生物分泌的相关酶活性提高，金属-大分子络合物迅速解体。桉树单宁会通过与蛋白质、氨基酸络合降低酶活性，从而降低微生物活性。此时，桉树单宁-金属络合物比较稳定，不易被分解[28]，因此在21 d培养结束也没有显著升高的情况。
3.3 土壤水分条件对可溶性铁铝锰锌浸出量的影响不同土壤水分对可溶性金属浸出影响显著。90% 饱和持水量(W9)时土壤孔隙充满水分，促进厌氧环境形成，从而降低氧化还原电位，引发金属氧化物的还原与解离。在分解液高单宁(EU处理)条件下，可溶性铁含量在W5、W7、W9处理间无显著差异，可能与高水分下Ca2+浓度升高，桉树单宁优先结合Ca2+有关[29]；而可溶性锰锌在W5时浸出量最低，推测与土壤氧含量有关[30]。可溶性锰锌浸出量与土壤水分含量呈极显著负相关，说明可溶性锰锌受到水分条件影响更强。氧气浓度变化改变了好氧和厌氧反应的平衡，通过抑制微生物活动，从而影响金属氧化物的还原和解离。广西桉树人工林下土壤自然含水率一般为饱和持水量的54.2% ~ 84.34%[31]，本研究中的W7处理比较贴近实际栽种环境，W7时可溶性铁的浸出量显著降低，但是其余可溶性金属的浸出量在W7时显著高于W5。因此，在桉树人工林管理中，合理调控土壤水分，避免过度饱和状态，能有效减少可溶性金属的迁移，保护土壤和水源环境。
4 结论本研究阐明了不同水分含量和单宁输入对桉树人工林土壤可溶性金属离子淋溶的影响。高水分含量显著促进可溶性铝锰的释放；中水分含量更有利于可溶性锌的浸出，抑制可溶性铁的浸出；而低水分含量则抑制可溶性锰锌的浸出。高单宁桉树叶分解液能显著降低可溶性铁铝锰锌的浸出量，并维持土壤pH稳定，表明单宁通过络合作用抑制金属迁移。可溶性铁铝锰锌的浸出动态呈现明显的时间异质性，可溶性锰锌的释放峰值(分别为3 d和0 d)早于可溶性铁铝(均为15 d)，反映出不同金属离子氧化还原能力的差异。本研究为桉树人工林土壤重金属污染防控和养分管理提供了理论依据，建议在实际管理中根据目标金属的迁移特性调控土壤水分条件和凋落物输入。未来的研究可进一步探讨桉树单宁对土壤中金属氧化物的形态变化及其对金属稳定性的影响，为土壤改良与污染防控提供理论依据。
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