河北霧靈山5種人工純林土壤養分綜合評價

王慧元，榮 譽，楊新兵

（1.中國環境管理干部學院，河北 秦皇島066000；2.河北農業大學 林學院，河北 保定071000）

土壤養分作為土壤環境的一部分，對植被恢復有著極其重要的作用［1］。森林土壤養分狀況，與構成林分樹種、樹種組成及林分結構等林分因子有密切關系［2］。不同植被類型影響著土壤養分循環，通過研究土壤養分變化，對于了解各群落土壤肥力和營養元素循環機制有重要意義［3－6］。目前，國內外有關土壤養分的研究很多。本文以河北霧靈山不同林分類型土壤為研究對象，對不同林分的土壤養分進行綜合評價，分析不同林分類型土壤養分特征和綜合效應，以確定那種林分的土壤養分排序最高，為評價霧靈山森林和土壤生態系統健康狀況提供依據。

1 研究區概況

霧靈山位于河北省興隆縣境內，地處117°17′—117°35′E，40°29′—40°36′N，與北京市密云縣相鄰，海拔為800～1 900m，其頂峰海拔2 116.2m，為燕山山脈第一高峰。土壤以褐土和棕壤為主，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。霧靈山是河北省多雨地域之一，年降水量763mm。水熱同季，有利于植物生長。山上空氣濕度大且多霧。由于地形的影響，北坡降水少于南坡。霧靈山優越的自然條件和復雜的生態環境使其具有比較豐富的植物種類，約有高等植物151科，598屬，1 600余種。此外，還有低等植物200余種。霧靈山絕大多數植物種類屬于華北植物區系，部分屬于蒙古植物區系，還受東北植物區系的影響。油松（Pinus tabulaeformis）、華北落葉松（Larix principic-rupprechtii）、蒙古櫟（Quecus momgolica）、核桃楸（Juglans mandshurica）、山楊（Populus davidi-ana）、白樺（Betula platyphylla）是該區分布最廣，作用最大的優勢種。單種屬植物較多，還有一定數量的栽培區系成分。

2 研究方法

2.1 土壤養分測試

2008年7月中旬在河北霧靈山選取5種代表性的純林林分進行采樣分析，每個林分類型做3個重復，樣地面積為40m×40m，對其進行每木檢尺，各樣地基本特征如表1所示。將5種代表性的純林林分土壤分別按0—10cm，10—20cm，20—40cm三層機械取樣，把取得的土壤樣品帶回實驗室風干，過0.2 mm的篩子用于土壤養分的測定。用pH酸度計測土壤pH，用重鉻酸鉀容量法測定有機質含量，土壤全氮含量采用凱氏定氮法，土壤堿解氮含量采用堿解擴散法，土壤全磷為硫酸—高氯酸—鉬銻抗比色法，土壤速效磷為碳酸氫鈉浸提比色方法，土壤速效鉀采用火餡光度計法［7］。

表1 標準地基本概況

2.2 土壤養分主成分分析方法

利用主成分分析法，對研究區內不同林分土壤養分研究結果進行綜合評價。

綜合評價土壤養分的7項指標，包括pH值（X1）、有機質（X2）、全氮（X3）、全磷（X4）、速效磷（X5）、速效鉀（X6）、堿解氮（X7）。

本文采用SPSS17.0，對所測定的7項指標進行主成分分析。主成分分析法是一種降維的方法，通過分析多個變量，篩選出貢獻量最大的成分作為主要成分進行綜合評價。

3 結果與分析

3.1 不同林分土壤pH值比較

土壤酸堿性（pH值）是土壤化學性質的一個重要方面。微生物的活動、土壤有機質的分解、土壤中養分元素的釋放、轉化以及遷移都與酸堿度有關［8］。由圖1可知，5種不同林分的土壤pH值均為弱酸性，其變化范圍為4.61～6.31，蒙古櫟純林和白樺純林隨土層增加pH值減小；油松純林和核桃楸純林均隨土層增加先減小后增大，落葉松純林隨土層增加先增大后減小。這是由于林地土壤表層森林枯落物的分解產生大量的有機酸，而且鹽基又從礦質土壤表層淋失出來所致，與趙廣亮等人在北京市八達嶺林場的研究結果一致［9］，進一步證實了凋落物對pH值的影響。

圖1 不同林分不同土層土壤pH值

3.2 不同林分土壤有機質含量比較

如圖2所示，在0—10cm和10—20cm土層內，有機質排序均為白樺純林最大，油松純林最小，20—40cm土層，土壤有機質排序為核桃楸純林最大，油松純林最小。只有油松純林在0—10cm的表層土壤其有機質含量高于下層，其他林分類型均是表層土壤有機質高于下層土壤有機質。從三層土壤層有機質來看，0—10cm土層土壤有機質最大，為8.50g／kg；10—20cm 土層土壤有機質居中，為4.41g／kg；20—40cm土層土壤有機質最小，僅為3.12g／kg。從三層土壤有機質均值來看，白樺純林（9.60g／kg）最大，油松純林（2.53g／kg）最小，白樺純林是油松純林的3.79倍。從針闊林角度來看，闊葉林的土壤有機質普遍大于針葉林，說明闊葉林的土壤肥力大于針葉林，其原因是土壤有機質主要來源于地上植物的凋落物及地下根系，闊葉樹種其根系多于針葉樹種，凋落物量也相對較多。

圖2 不同林分不同土層土壤有機質含量

3.3 不同林分土壤全P、全N含量比較

由表2可知，隨土壤厚度的增加，只有蒙古櫟純林全P含量呈逐漸遞增的趨勢，其他林分類型均呈逐漸遞減的趨勢。土壤全P含量每10cm均值的變化趨勢為：白樺純林＞核桃楸純林＞蒙古櫟純林＞落葉松純林＞油松純林。

表2顯示，隨土層增加，核桃楸純林全N含量先減小后增大；其他林分類型均呈現遞減的趨勢。土壤全N含量每10cm均值的變化趨勢為：油松純林＞蒙古櫟純林＞白樺純林＞核桃楸純林＞落葉松純林，即油松純林的土壤供N的總水平最高為3.45g／kg。

不同林分全P和全N養分含量均是闊葉林大于針葉林，全P和全N比較，不論是不同土層還是養分含量均值都是全N含量大于全P含量。

3.4 不同林分土壤速效養分含量比較

表3顯示，隨著土壤深度的增加，土壤中速效K含量呈逐漸減少的趨勢。不同林分土壤速效K含量每10cm均值在67.54～169.88mg／kg之間，變化趨勢為：蒙古櫟純林＞白樺純林＞核桃楸純林＞落葉松純林＞油松純林，速效K含量均值最大的蒙古櫟純林（169.88mg／kg）是最小的油松純林（67.54mg／kg）的2.52倍。

表2 不同林分土壤全P全N含量

表3 不同林分土壤速效養分含量

由表3可知，不同林分土壤速效P含量每10cm均值在0.84～6.84mg／kg之間，排序為：白樺純林（6.84mg／kg）＞蒙古櫟純林（4.50mg／kg）＞核桃楸純林（4.42mg／kg）＞油松純林（4.41mg／kg）＞落葉松純林（0.84mg／kg），白樺純林的土壤速效P含量最大，是最小的油松純林的8.14倍。

5種不同林分中（表3），土壤堿解N含量每10 cm均值在65.68～147.88mg／kg之間，變化趨勢為：白樺純林（147.88mg／kg）＞ 核桃楸純林（117.13 mg／kg）＞油松純林（100.72mg／kg）＞落葉松純林（80.07mg／kg）＞蒙古櫟純林（65.68mg／kg），白樺純林的堿解N均值含量是蒙古櫟純林的2.25倍。闊葉林分的速效N含量高于針葉林。

3.5 不同林分土壤養分綜合效應評價

研究5個林分類型綜合評價土壤養分效應，對各樣地所測的三層原始數據的加權平均值進行標準化處理，結果見表4。將5個林分類型的7項指標轉化為7個成分。由表5可以看出，前3個成分的累計貢獻率為99.645%，表明前3個主成分已經把5個林分類型的99.645%信息反映出來，且前3個主成分的特征值均大于1，介于1.418～4.000。因此，前3個成分可以較好的反映出各評價指標所包含的綜合信息。根據各性狀相關矩陣的特征向量（表6）可構造土壤養分效應評價函數，3個主成分的權重依次為：0.573，0.223，0.203；5種不同林分的綜合得分和排名如表7所示。

表4 不同林分評價指標標準化數據

表5 主成分初始特征值

由表7可知，不同林分類型土壤養分效應評價值表現為：白樺純林（1.122）＞核桃楸純林（0.203）＞蒙古櫟純林（0.106）＞油松純林（－0.261）＞落葉松純林（－0.819）。

表6 主成分得分系數矩陣

表7 不同林分類型綜合效應評價結果

4 結論與討論

5種不同林分綜合排序為白樺純林＞核桃楸純林＞蒙古櫟純林＞油松純林＞落葉松純林。白樺純林的林齡最大，為39a，且其土壤有機質、全P、全N、速效P和堿解N含量均是5種林分類型中最高的；且處于半陰坡，坡度21°較平緩，郁閉度0.7也較大，海拔1 480m，是5種林分類型中最大的。核桃楸純林和蒙古櫟純林均為闊葉林，其枯枝落葉層積累的腐殖質均高于針葉林，且樹種根系發達，有助于有機質的積累，核桃楸純林土壤類型為褐土，而蒙古櫟純林土壤類型為棕壤，本有的土壤肥力核桃楸純林高于蒙古櫟純林。油松純林和落葉松純林均為針葉樹種，根和枝葉積累的有機質較少；油松純林海拔最低，且處于陽坡，樹木生長狀況較好，枯枝落葉層分解速度較快，積累的營養物質高于落葉松純林；落葉松純林，坡度較低，僅為11°，枯枝落葉不易積累，處于陰坡，接收陽光較少，生長狀況不良，枯枝落葉層不易分解，積累的營養物質最少。

5種不同林分的土壤pH值均為弱酸性，蒙古櫟純林和白樺純林隨土層增加pH值減小；油松純林和核桃楸純林均隨土層增加先減小后增大，落葉松純林隨土層增加先增大后減小；土壤有機質含量油松純林隨土層深度增加而增大，其它林分類型隨土層增加而減小，闊葉林的土壤有機質普遍大于針葉林的；隨土壤厚度的增加，土壤速效養分含量和土壤全量養分含量呈現遞減的趨勢，全N含量大于全P含量，闊葉林大于針葉林；土壤速效K含量均值蒙古櫟純林最大油松純林最小，土壤速效P含量白樺純林最大油松純林最小，堿解N含量白樺純林最大蒙古櫟純林最小。不同林分類型土壤養分綜合效應評價白樺純林最大，落葉松純林最小。

［1］ 陳彩虹，葉道碧.4種人工林土壤酶活性與養分的相關性研究［J］.中南林業科技大學學報，2010，30（6）：64-68.

［2］ 耿玉清，余新曉，孫向陽，等.北京八達嶺地區油松與灌叢林地土壤肥力特征的研究［J］.北京林業大學學報，2007，29（2）：50-54.

［3］ 常超，謝宗強，熊高明，等.三峽庫區不同植被類型土壤養分特征［J］.生態學報，2009，29（11）：5978-5985.

［4］ Augusto L，Ranger J，Binkley D，Rothe A.Impact of several common tree species of European temperate forests on soil fertility［J］.Annals of Forest Science，2002，59（3）：233-253.

［5］ Finzi A C，Van Breemen N，Canham C D.Canopy tree-soil interactions with in temperate forests：species effects on soil carbon and nitrogen［J］.Ecological Applications，1998，8（2）：440-446.

［6］ Hook R，Burke I，Lauenroth W.Heterogeneity of soil and plant N and C associated with individual plants and opening in North America short grass steppe［J］.Plant Soil，1991，138（2）：247-256.

［7］ 鮑士旦.土壤農化分析［M］.北京：中國農業出版社，2002.

［8］ 王海燕，雷相東，陸元昌，等.海南4種典型林分土壤化學性質比較研究［J］.林業科學研究，2009，22（1）：129-133.

［9］ 趙廣亮，王繼興，王秀珍，等.油松人工林密度與養分循環的研究［J］.北京林業大學學報，2006，28（4）：39-44.