大小興安嶺林區不同林型土壤養分綜合評價

王 芳，黃 玫，孫希華，龔亞珍，王軍邦

（1．山東師范大學，山東 濟南250014；2．生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室

中國科學院 地理科學與資源研究所，北京100101；3．中國人民大學 環境學院，北京100872）

土壤是森林生態系統的重要組成部分，是森林植被存在和發展的物質基礎。它不僅供給林木生活所需的營養元素，同時也供給林木水分，為林木生長提供支撐，對森林的發育起著巨大的作用。大小興安嶺林區是我國最重要的林區之一，也是我國北方的重要生態屏障，研究其不同林型土壤養分特征對于了解該林區森林與土壤的關系、土壤肥力的維持以及森林生態系統可持續發展具有重要意義。

陳志新等［1］、姜春前等［2］、劉鴻雁等［3］對不同地區的森林土壤養分有過大量研究，但目前專門針對大小興安嶺地區不同林型土壤的養分特征的研究比較少。雖然渠開躍等［4］研究了遼東山區不同林型土壤有機質和氮、磷、鉀分布特征，王剛等［5］研究了小興安嶺地區主要森林類型土壤理化性狀特征，但沒有對森林土壤養分狀況進行綜合評價。

本研究在大小興安嶺林區選取主要代表性林型進行大范圍取樣，選取土壤有機質、氮、磷和鉀元素作為評價大小興安嶺林區土壤養分的主要指標，并分析了不同林型土壤各養分指標的分布特征，運用改進的內梅羅綜合指數法對不同林型土壤的養分狀況進行綜合評價。本研究可為該地區的森林經營管理提供參考。

1 研究區概況

研究區位于中國黑龍江省東北部，屬溫帶大陸季風氣候區，四季分明，冬季嚴寒、干燥而漫長，年平均氣溫為－1．15～－6．15℃，年降水量在459．71～572．93mm。地勢呈西高東低，最高海拔1 514m。研究區森林類型是以紅松為主的針闊混交林和針葉林，主要樹種有紅松、落葉松、樟子松、白樺、楊、榆等，藤條灌木遍布整個林區。主要土壤類型為暗棕壤。

本研究的采樣點位于東經124°22′—129°12′，北緯48°8′—52°45′，海拔在181～529m。采樣點空間分布及采樣點的基本信息如表1所示。根據地形坡度，一般在上位、中位和下位分別取樣。

表1 研究區土壤采樣點概況

2 材料與方法

2．1 取樣方法

根據不同林型選擇典型的具有代表性的樣地，在每個樣地內按照梅花形布點原則設置2～3個采樣點并分別取樣，分0—10，10—20，20—40cm這3個層次取土，以環刀、塑料袋分別取樣。帶回實驗室風干，挑根，研磨，過篩備用。同時調查了采樣點的經緯度、林型、優勢樹種、郁閉度、地形（坡向、坡度等）、林齡等信息。

2．2 土壤化學性質的測定方法

土壤有機碳測定用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全N含量用元素分析儀測定；速效P采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定；速效K測定采用醋酸銨浸提，火焰光度計測定。

2．3 數據處理

數據處理采用Excel進行統計分析，用SPSS軟件進行多重比較。

2．4 土壤質量綜合評價方法

2．4．1 評價指標的選取 一般認為土壤養分可以反映土壤質量的好壞，因而本研究選取土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀作為土壤質量的評價指標［1－13］。

2．4．2 評價指標分級標準 參照全國第二次土壤普查標準，并結合研究區實際情況，將土壤有機質、全N、速效P、速效K含量按照最小值、中間值和最大值分為4個級別（見表2）。

2．4．3 評價方法 本文采用改進的內梅羅綜合指數法［7－9］對不同林型的土壤質量進行綜合評價，土壤綜合質量指數計算方法如式（1）所示：

式中：Q——土壤綜合質量指數；ˉPi——參評各指標分質量指數的平均值；Pimin——值最小的分質量指數；n——參評指標總數。

表2 土壤質量評價指標分級標準

式（1）中用Pimin代替了內梅羅公式中的Pimax，并加上修正項（n－1）／n，一方面主要為突出土壤屬性因子中最差一個對土壤質量的影響，反映作物生長的最小因子律，另一方面，參評因子越多，（n－1）／n的值越大，可信度越高［10］。

分質量指數Pi的計算方法如下［11－12］：

式中：Pi——分質量指數；Xi——評價指標的測定值；Ximin——“差”級分級標準；Ximid——“中等”級分級標準；Ximax——“良好”級分級標準；i——評價指標（i＝1，2，3，4）。

土壤綜合質量指數Q分級標準如表3所示。

表3 土壤綜合質量等級標準

3 結果與分析

3．1 不同林型土壤有機質分布特征

圖1為不同林型土壤有機質垂直分布特征。經統計發現，不同林型（0—40cm）土壤有機質的分布為白樺林＞針闊混交林3＞紅松林＞針闊混交林1＞樟子松林＞落葉松林＞針闊混交林2＞蒙古櫟林，有機質含量依次為188．61，111．66，82．86，80．39，75．51，71．71，42．57，32．93g／kg。由此可知，受森林立地特征、優勢樹種的影響，不同林型枯落物總量、水分含量、物質組成和分解程度不同，導致各林型土壤有機質含量差異很大［2］。

圖1 不同林型土壤有機質的垂直分布特征

白樺林、針闊混交林3土壤有機質含量較高，蒙古櫟林、針闊混交林2較低。白樺林正處于中林齡階段，凋落物比較多，因此其土壤有機質含量較高；蒙古櫟林土壤的有機質含量最少，比針闊混交林和針葉林還低很多，比較反常，分析其原因，除與植被有關外，主要與地形和土壤的pH值有關，該地坡度較大，凋落物不易蓄積，加之土壤pH值比較高，使得蒙古櫟的枯枝落葉很難分解［6］，不利于有機質的形成，最終導致蒙古櫟林土壤有機質含量偏低。針葉林中，紅松林的有機質含量比較高，主要是因為有機質的形成除與地形、植被類型有關外，還與人為活動有關，受管理措施的影響［13］，紅松林屬于原始天然林，人為影響比較少，土壤結構性好，有利于凋落物的蓄積及微生物活動，有利于土壤有機質形成，故紅松林土壤的有機質含量偏高。

從圖1可以看出，同一林型不同層次土壤的有機質含量分布不同，除了樟子松林外，各林型土壤有機質的垂直分布規律較為一致，即表層＞亞表層＞底層。主要原因是土壤表層通氣性好，微生物量高，且枯落物較多，利于有機質的積累，而隨著土層加深，土壤通氣性下降，微生物減少，不利于土壤結構發展，養分循環較慢，因而土壤有機質含量顯著低于表層［4］。經多重比較發現，針闊混交林的土壤有機質表層大于下層，垂直分布有顯著性差異（p＜0．05）；樟子松林是底層＞表層＞亞表層，但是其土壤有機質的垂直分布無顯著性差異（p＞0．05）。

3．2 不同林型土壤全N分布特征

圖2為不同林型土壤全N垂直分布特征。經統計，各林型土壤（0—40cm）全N分布規律與有機質的分布規律基本一致，排序為白樺林＞針闊混交林1＞針闊混交林3＞紅松林＞落葉松林＞樟子松林＞針闊混交林2＞蒙古櫟林，含量依次為：5．63，3．16，3．08，2．73，2．43，1．81，1．50，1．41g／kg，白樺林土壤的全N含量最高，針闊混交林2和蒙古櫟林最低。土壤全N分布規律與祖元剛等［6］、姜春前等［2］的研究結果基本一致。

圖2 不同林型土壤全N垂直分布特征

由圖2可見，各林型（樟子松林除外）土壤全N含量的剖面特征和有機質一樣，呈表層＞亞表層＞底層的分布規律，分析是由于受地表枯落物影響，土壤肥力較高、結構性好、微生物量高，利于N素循環。經多重比較分析得出，紅松林、針闊混交林2、針闊混交林3土壤的表層與亞表層和底層有顯著性差異（p＜0．05），針闊混交林1土壤的垂直分布有顯著性差異，樟子松林土壤全N的垂直分布為底層＞表層＞亞表層，但是無顯著性差異（p＞0．05）。

針闊混交林1、針闊混交林3的全N含量差異不顯著，但針闊混交林3表層土壤的全N含量明顯高于針闊混交林1，而底層卻比較少，主要是因為針闊混交林3處于幼林齡階段。

3．3 不同林型土壤速效P分布特征

圖3為不同林型土壤速效P垂直分布特征。經統計發現，不同林型土壤（0—40cm）速效P分布為白樺林＞針闊混交林3＞針闊混交林1＞樟子松林＞落葉松林＞紅松林＞針闊混交林2＞蒙古櫟林，含量分別 為 71．18，67．05，58．51，39．14，34．36，29．04，27．33，26．73mg／kg。不同林型土壤速效 P分布也與有機質相似，白樺林土壤的速效P含量最高，針闊混交林2和蒙古櫟林最低，且除針闊混交林2和蒙古櫟林外，呈白樺林＞針闊混交林＞針葉林的分布規律。

圖3 不同林型土壤速效P垂直分布特征

從圖3可知，不同林型表層土壤（0—10cm）速效P分布特征為針闊混交林3＞白樺林＞針闊混交林1＞蒙古櫟林＞針闊混交林2＞落葉松林＞紅松林＞樟子松林。不同林型的表層土壤速效P含量針闊混交林3最多，主要原因是該采樣點16a前過火的緣故。森林過火以后，表層土壤的速效P含量變化比較明顯，隨時間的推移逐漸增多［14］。針葉林中，樟子松林土壤的速效P含量比較高，但是其表層土壤的速效P含量卻比較低，底層土壤的速效P含量幾乎是表層的兩倍，可能原因是P元素受土壤母質影響較大，而受植被、微生物等因素影響較小，在一定程度上影響速效P養分的緣故。

不同林型土壤速效P垂直分布情況如下：落葉松林是亞表層＞表層，樟子松林為底層＞表層＞亞表層，白樺林的亞表層略小于底層，其他為表層＞亞表層＞底層，主要原因是凋落物通過養分釋放使得土壤表層養分增加的同時，養分元素還會在土壤中發生遷移，逐步進入表層以下的土壤，而P元素在土壤中不易發生遷移［15］，故速效P在表層土壤含量較高。多重比較結果顯示：除蒙古櫟林土壤的表層與亞表層、底層有顯著性差異（p＜0．05）外，其他林型土壤速效P的垂直分布均無顯著性差異。

3．4 不同林型土壤速效K分布特征

圖4為不同林型土壤速效K的垂直分布特征。經統計，不同林型土壤（0—40cm）的速效K的分布為蒙古櫟林＞白樺林＞落葉松林＞針闊混交林2＞樟子松林＞針闊混交林3＞針闊混交林1＞紅松林，含量 依 次 為 212．96，198．45，168．18，163．08，160．33，157．77，157．27，145．99mg／kg。不同林型表層土壤（0—10cm）速效K的分布特征為針闊混交林3＞蒙古櫟林＞白樺林＞針闊混交林1＞針闊混交林2＞樟子松＞紅松林＞落葉松林。垂直分布情況如下：針葉林2土壤速效K的垂直分布為亞表層＞表層＞底層，樟子松林的底層＞亞表層，蒙古櫟林的底層稍大于亞表層，其余為表層＞亞表層＞底層，且多重比較結果顯示各林型土壤速效K的垂直分布均無顯著性差異（p＞0．05）。

圖4 不同林型土壤速效K的垂直分布特征

分析結果表明，各林型土壤速效K含量的分布規律與有機質、全氮、速效磷明顯不同，蒙古櫟林、白樺林較高，而針葉林、針闊混交林的速效K含量差異不顯著，其中落葉松林和樟子松林的含量稍高于針闊混交林。但是由各林型表層（0—10cm）土壤速效K含量分布可知，表層土壤速效K含量除針闊混交林3外，符合闊葉林＞針闊混交林＞針葉林的規律，出現這種異常的原因，除與植被、郁閉度和地形有關系外，主要與土壤母質有很大關系。

多重分析結果顯示土壤速效K含量的剖面特征不顯著，這是因為K為極易遷移元素［16］，速效K很容易遷移到亞表層和底層，因而其剖面特征不顯著。

3．5 不同林型土壤質量綜合評價

表4表示不同林型土壤質量評價分指數和綜合指數。由表4看到，不同林型土壤質量綜合指數變幅為1．621～2．235，介于優和良之間，平均為“良”（1．865），其中白樺林土壤的綜合質量屬于“優”級（2．235），其余林型土壤質量綜合評價均處于“良”，說明興安嶺地區不同林型土壤質量總體處于良偏優水平。土壤質量綜合指數由高到底依次為白樺林、針闊混交林3、落葉松林、針闊混交林1、樟子松林、針闊混交林2、紅松林、蒙古櫟林。

表4 不同林型土壤質量評價分指數和綜合指數

從表4還可以看出，興安嶺林區土壤質量普遍受到速效K和速效P含量的限制，其中紅松林主要是受速效K的限制，蒙古櫟林主要受全N的限制。

4 結 論

（1）0—40cm針闊混交林土壤的有機質含量為42．57～111．66g／kg，全氮含量為1．50～3．16g／kg，速效磷為27．33～67．05mg／kg，速效鉀為157．27～163．08mg／kg；針葉林土壤的有機質含量為71．71～82．86g／kg，全氮含量為1．81～2．73g／kg，速效磷為29．04～39．14mg／kg，速 效 鉀 為 145．99～168．18mg／kg。

（2）除樟子松林外，各林型土壤的有機質、全氮垂直分布均為表層＞亞表層＞底層，但多重比較結果顯示，樟子松林、白樺林、蒙古櫟林、針葉林土壤有機質、全氮的垂直分布無顯著性差異，針闊混交林的垂直分布大都有顯著性差異，各林型土壤速效磷（蒙古櫟林除外）、速效鉀的垂直分布均沒有顯著性差異。

（3）大小興安嶺林區有機質和全氮含量特別豐富，有效磷含量為中等至較豐富，不同林型土壤質量總體處于良偏優水平，但土壤速效鉀比較缺乏，成為該地區土壤質量的主要限制因素。

致 謝：黑龍江省森林防火辦王志成博士，中國科學院地理資源所的研究生李雷、孫向陽、王昭生、商貴鐸、岳溪柳、夏芹參予了本研究的野外采樣工作，為本研究的順利完成提供了大力支持，在此一并表示衷心的感謝！

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