冀西北3種植被恢復類型土壤理化性質差異及肥力評價

李潔，滑磊，任啟文，孫杰肖，馬香玲

1.河北省水利科學研究院，河北 石家莊 050051；2.河北省英烈紀念園管理處，河北 石家莊 050051；3.河北省林業和草原科學研究院，河北 石家莊 050061

土壤是森林的載體，森林質量的提升離不開土壤肥力的提升和可持續利用，而森林土壤的自我維持和調節在土壤可持續利用中發揮著關鍵作用。森林植被種類、結構、恢復年限不同對土壤肥力的改善作用也不盡相同。已有研究表明，喬木林對露天煤礦排土場土壤容重的改善作用大于灌木林和荒草地（李葉鑫等，2017）；湘西北石漠化區，不同植被類型土壤有機C和全P均表現為闊葉林＞針闊混交林＞針葉林＞灌木叢（劉興鋒等，2019）；貴州杠寨小流域華山松和馬尾松林土壤持水能力最好（周瑋等，2012）；華西雨屏區恢復30年的6種植被表土層N、P、K含量差異顯著（胡慧蓉等，2014）。大興安嶺密度2 850 plant·hm-2的落葉松白樺混交林，經中度（40%）間伐可有效提高土壤肥力（管惠文等，2019）。土壤肥力的改善主要與三方面的過程有關，一是根系的生長、分布及其分泌物，二是植物枯落物累積、性狀及分解，三是土壤動物及微生物的活動，而所有過程又都受當地氣候及環境的影響（任啟文等，2018）。植物根系新陳代謝產物能夠增加有機質含量，進而影響根際微生物（胡嬋娟等，2012）；根系生長機械力可改變土壤結構，增加孔隙度。森林枯落物已成為土壤營養元素的重要來源，而凋落物的積累量、元素組成與含量、分解速度等都影響著土壤有機質、N、P、K的補充（曲浩等，2010）。土壤動物活動可使表層有機質運移到中下層（馬香麗等，2016），土壤微生物可使有機質分解為C、N、P、K等元素。土壤動物、線蟲和微生物群落組成和多樣性受森林物種組成的顯著影響，凋落物的多樣化能夠驅動土壤動物、微生物豐富度的增加（李宜濃等，2016）。

冀西北是京津冀上游的重要生態涵養區，發揮著極其重要的生態服務功能。因此，本研究選擇立地條件基本相同，人為干擾少，恢復年限一致的3種植被類型（油松林、落葉松林、虎榛子灌木林）設置研究樣地，對3種植被恢復類型多項理化性質指標進行分層分析，并對土壤肥力進行綜合評價，揭示不同植被恢復類型對土壤肥力的改善作用，為冀西北森林質量提升提供理論依據，為生態公益林的可持續經營提供技術支撐。

1 研究區概況

本研究區地處張家口市崇禮區清水河流域，屬中溫帶亞干旱區，大陸性季風氣候，具有雨熱同期，冬季寒冷漫長，夏季涼爽短促，晝夜溫差大，雨量集中等特點。夏季均溫19 ℃，冬季均溫-12 ℃；無霜期100—120 d，年均降雨量450—550 mm（李潔等，2018）。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2018年7月，采用相鄰樣地比較法，在同一坡面上選擇海拔相近（1 410—1 430 m），坡向一致，坡面均一，恢復年限一致（40 a）的油松林、落葉松林和虎榛子灌木林為研究對象。在每一林分中設置30 m×40 m的標準樣地3塊，并進行每木檢尺和基本調查（表1）。3種林分土壤均為森林褐土。

2.2 土壤樣品采集

每塊樣地按對角線端點和中點挖掘3個土壤剖面，每個剖面分上、中、下3層（0—20、20—40、40—60 cm），每層用環刀取原狀土樣3個，共計243個樣品（60 cm以下礫石較多，無法用環刀取樣，80 cm基本達到土壤母質層）。同樣，每個剖面分上、中、下、底4層（0—20、20—40、40—60、60—80 cm），每層取擾動土樣300 g裝袋，共計108個擾動土樣。取樣工作用時5 d，取樣期間無降雨。

2.3 土壤樣品測試

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、土壤含水量、毛管持水量、最大持水量和田間持水量采用環刀法測定（張萬儒等，1999）。擾動土樣風干后，過1 mm篩，按照相關方法測定有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量（鮑士旦，1999）。

2.4 數據分析

2.4.1 數據處理

采用Excel 2007作圖，SPSS 19.0進行主成分分析和Duncan差異顯著性檢驗。

由于各植被類型不同土層間容重的差異，不能簡單平均各層的持水和養分含量指標值來代表該植被類型土壤的持水能力和養分狀況，因此計算了各項持水指標和養分含量指標的絕對儲量R（kg·m-2）。

式中：B為第i層的土壤容重，h為第i層的土層厚度，C為第i層的持水量指標或養分含量指標值，n為土壤分層數；計算過程中換算相應的單位。

2.4.2 土壤肥力評價

采用土壤肥力指數法進行綜合評價，主要步驟如下：

主成分分析：將測定的土壤理化性質指標通過主成分分析確定主成分數量，選擇貢獻率較大指標作為評價指標。若同一主成分中可選指標較多，通過相關性分析剔除與貢獻率最大指標顯著相關的指標（Andrews et al.，2002）。

標準化處理（Bastida et al.，2006）：

Y標準化指標值；a=1；x評價指標值；x0評價指標平均值；b取2.5（當x在主成分中的系數為負時）或-2.5（當x在主成分中的系數為正時）。

土壤肥力指數I：

I土壤肥力指數；Yi為標準化指標值；Wi權重，確定方法為Yi所在主成分能夠解釋方差變異量的百分比（Sinha et al.，2009）。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型土壤容重和孔隙度差異

由表2可見，土壤容重表現為土層越深，容重越大的變化過程。從土壤容重分層結果來看，上層落葉松林容重最小，虎榛子灌木次之，油松林最大，且差異顯著；中層落葉松林與虎榛子灌木明顯好于油松林；下層虎榛子灌木明顯好于油松和落葉松林。0—60 cm土層落葉松林與虎榛子灌木容重明顯低于油松林。3種植被類型土壤總孔隙度表現為土層越深，總孔隙度越小的變化過程。總孔隙度分層變化與土壤容重一致，0—60 cm土壤總孔隙度表現為落葉松林與虎榛子灌木明顯大于油松林。土壤毛管孔隙度隨土層深度無明顯變化規律。3種植被類型土壤上、中、下3層毛管孔隙度表現為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林。由以上分析可見，3種植被恢復類型對土壤容重和孔性的改善作用表現為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林。

表1 樣地基本情況Table 1 General condition of the sample plots

表2 不同植被類型土壤容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity of different vegetation types

3.2 不同植被類型土壤持水能力差異

由表3可見，土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、田間持水量總體上表現為上層大于中下層，且上層與中層間的變幅很大，中下層間的變幅較小。3種植被類型中虎榛子灌木林的土壤水分自然儲量明顯大于油松林和落葉松林，而油松林和落葉松林土壤水分儲量差異不明顯。這種差異主要在于中下層土壤含水量的增加，可能是由于喬木根系分布深、耗水量大所致。毛管持水量顯示落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林，落葉松林上中層土壤毛管發達，而虎榛子灌木中下層毛管較油松林發達。最大持水量和田間持水量同樣表現為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林，且差異顯著，從分層結果看，落葉松林上中層持水量大，而虎榛子灌木中下層持水量大。由以上分析結果可以看出，落葉松林土壤持水能力最大，虎榛子灌木次之，油松林最小。

3.3 不同植被類型土壤養分含量差異

由表4可見，3種植被類型0—80 cm土壤有機質、全氮儲量均表現為落葉松林和虎榛子灌木差異不顯著，但都顯著高于油松林；從分層結果看，落葉松林上、中層較高，虎榛子灌木中、下層較高，而油松林各層都較低。0—80 cm土壤全磷儲量油松林＞落葉松林＞虎榛子灌木；分層結果表明油松林下層和底層含量較高，落葉松林上、中層含量較高，虎榛子灌木各層均較低。全鉀0—80 cm土壤儲量含量表現為油松林＞落葉松林＞虎榛子灌木，油松與落葉松林差異不顯著，但都顯著大于虎榛子灌木；油松林中、下、底層含量較高，落葉松林上、中、下層含量較高，虎榛子各層均較低。0—80 cm土壤速效氮儲量落葉松林大于虎榛子灌木和油松林，后者之間差異不顯著；速效磷和速效鉀儲量均為油松林最大，落葉松林最小。由此可見，落葉松林土壤有機質、全氮、全鉀、堿解氮儲量較高，虎榛子灌木林有機質、全氮、速效鉀儲量較高，油松林全磷、全鉀、速效磷、速效鉀儲量較高。

表3 不同植被類型土壤持水能力Table 3 Soil water holding capacity of different vegetation types

3.4 不同植被類型土壤肥力評價

為進一步探討不同植被恢復類型土壤肥力差異，選擇反映土壤物理性質（SBD、STP、SCP）、持水能力（SWC、CW、MW、FW）和養分含量（SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK）的指標進行主成分分析（表5），借此來選擇最具代表性的評價指標，從而摒棄相互關聯的指標。主成分1、2、3方差貢獻率分別為67.06%、11.89%、7.72%，累計方差貢獻率86.67%，說明這3個主成分能夠表達大部分信息，具有較好的代表性。主成分1中SBD、STP、SCP、SWC、CW、MW、FW、SOM、TN、AN、AP、AK都有較高的系數；但SOM與SBD顯著負相關，與STP、SCP、SWC、CW、MW、FW、TN、AN、AP、AK顯著正相關（表6），且SOM在主成分1中系數最大，因此選擇SOM為主成分1的評價指標。同理，分別選擇TK、TP為主成分2、3的評價指標。

表4 不同植被類型土壤養分含量Table 4 Soil nutrient content of different vegetation types

從不同植被類型各層土壤肥力指數之和SI來看（表7），落葉松林為1.76、虎榛子灌木為1.60、油松林為1.26，說明總體上落葉松林土壤肥力最好，虎榛子灌木次之，而油松林最差，且油松林土壤肥力與其他兩種林分差距較大。從分層指數來看，土壤肥力指數差異主要在0—40 cm土層。0—20 cm土壤肥力表現為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林；20—40 cm土壤肥力表現為落葉松林與虎榛子灌木一致，但顯著優于油松林。從有機質、全鉀、全磷3個評價指標的分層得分來看，油松林0—40 cm土壤肥力差主要由于其有機質含量低導致的，尤其20—40 cm土壤更為明顯。油松林中層土壤有機質得分0.17，而落葉松林和虎榛子灌木得分分別為0.46和0.48，可見其差異非常之大。

4 討論

植被類型不同對土壤理化性質的影響程度不同（邰姍姍等，2010；楊媛媛等，2012）。容重、孔性和持水能力等土壤物理性質是土壤肥力的重要影響因素。容重、孔隙度直接影響持水能力（李卓等，2010）。本研究發現，3種植被恢復類型中落葉松林與虎榛子灌木土壤容重明顯低于油松林，總孔隙度大于油松林，直接導致其持水能力優于油松林。3種植被恢復類型的土壤持水能力及與之直接相關的容重、孔隙度間呈現顯著差異的主要原因是土壤有機質含量的差異，由表6可見土壤有機質與容重極顯著負相關，與孔隙度和持水能力指標均為極顯著正相關，說明了物理性質的改善與有機質含量的關系。經計算，落葉松林和虎榛子灌木0—80 cm土壤有機質儲量分別為26.87 kg·m-2和25.03 kg·m-2，而油松林僅為20.72 kg·m-2，解釋了3種植被恢復類型間土壤容重、孔隙度和持水能力差異的主要原因。

表5 不同植被類型土壤指標主成分分析結果Table 5 Principal component analysis of soil index of different vegetation types

在土壤肥力綜合評價中，落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林，落葉松林與虎榛子灌木土壤肥力相差并不大，但都顯著優于油松林；從分層指數來看，起關鍵作用的是0—40 cm土層有機質含量，尤其是20—40 cm土層有機質含量。森林植被通過凋落物返還土壤有機質對于改善土壤肥力有重要影響，而3種植被恢復類型間土壤有機質含量的差異主要是由于枯落物的化學性質、分解速率，以及土壤微生物活性造成的。李強（2013）研究冀北山地主要植物凋落物葉片得出，油松具有很高的C/N、C/P、木質素/N和木質素/P，是落葉松和虎榛子的2—3倍多，而落葉松與虎榛子以上指標均無顯著差異。當環境一致時，以C/N、C/P、木質素/N、木質素/P為主要指標的凋落物化學屬性是其分解快慢的主要影響因子。當C/N、C/P等比值較低時，分解較快；反之，分解較慢（李英花等，2017）。這可能是3種植被恢復類型中，油松林土壤肥力差的主要原因。另外，油松葉表面含有角質層，落葉透水性較差，角質層阻礙真菌菌絲侵入，影響微生物的分解腐化作用，降低了凋落物的分解速率（胡亞林等，2005；郭培培等，2009）。這可能是油松林土壤肥力差的另一原因。綜上，冀西北地區大量的油松純林極有可能受阻于林地枯落物分解而使土壤有機質得不到及時補充，進而由此引發土壤容重、孔隙度、持水能力和養分含量得不到有效改善，導致油松林地土壤肥力相對低下，進而影響森林健康。因此，在森林可持續經營中，應充分關注森林植被恢復對土壤肥力的改善作用，選擇對土壤肥力改善作用明顯的植被類型，并通過多樹種混交增加枯落物多樣性，促進其分解。同時，灌木植被對土壤肥力的改善作用應引起足夠的重視，充分合理的利用灌木植被改善土壤有時比喬木植被更有優勢。

表6 土壤各項指標相關性矩陣Table 6 Correlation matrix of soil indexes

表7 不同植被類型土壤肥力指數Table 7 Soil fertility index of different vegetation types

5 結論

3種植被恢復類型中，落葉松林與虎榛子灌木土壤容重明顯低于油松林，土壤總孔隙度和毛管孔隙度大于油松林。虎榛子灌木林的土壤水分自然儲量明顯大于油松林和落葉松林。最大持水量、田間持水量和毛管持水量均表現為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林。3種植被恢復類型中，落葉松林土壤有機質、全氮、全鉀、堿解氮儲量高，虎榛子灌木林有機質、全氮、速效鉀儲量高，油松林全磷、全鉀、速效磷、速效鉀儲量高。3種植被類型對土壤肥力的改善作用落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林；油松林土壤肥力與其他兩種林分差距較大，主要由于其枯落物難于分解，上中層土壤（0—40 cm）有機質得不到及時補充。