白于山區不同坡位油松人工林土壤理化性質差異

摘要為探究不同坡位油松林下土壤理化性質的空間分布特征，以白于山區典型油松人工林為例，選取立地條件一致、植被分布狀況相似的油松人工林3處，于坡上、坡中、坡下分別采集0～＜10、10～＜40、40～＜60cm土層土樣，分析不同坡位條件下土壤物理性質及化學指標的差異。結果表明：（1）土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機質含量、C/N、N/P均表現出坡下>坡中>坡上的變化規律，土壤容重、土壤pH則表現為坡上>坡中>坡下的規律。（2）坡位與土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機質、全氮、全磷均呈極顯著正相關（P<0.01），其相關性排序為：含水率>孔隙度>有機質>全氮>速效氮>全磷，說明坡位是影響土壤含水率變化的主要因素。（3）無論哪一坡位條件下，土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則隨土層深度的增加而減小。在經營管理中，應充分考慮坡位因素，同時應適當增加上、中坡位的油松人工林土壤養分，提高肥力，因地制宜，促進白于山區困難立地人工林可持續經營。

關鍵詞油松；坡位；土壤理化性質

中圖分類號：S791.254;S714.2文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.004

DifferencesinSoilPhysicalandChemicalPropertiesofPinustabulaeformisForestatDifferentSlopePositionsinBaiyuMountainArea

GaoTianjian

（ForestryCollege，NorthwestUniversityofAgricultureandForestryScienceandTechnology，Yangling712100，China）

AbstractTakingthetypicalPinustabulaeformisplantationinBaiyumountainareaasanexample，thespatialdistributioncharacteristicsofsoilphysicalandchemicalpropertiesunderPinustabulaeformisforestatdifferentslopepositionswereexplored.ThreePinustabulaeformisplantationswiththesamesiteconditionsandsimilarvegetationdistributionwereselected.Soilsamplesof0-＜10cm，10-＜40cm，40-＜60cmsoillayerswerecollectedfromtheupper，middleandlowerslopes，respectively，toanalyzethedifferencesofsoilphysicalpropertiesandchemicalindexesunderdifferentslopeconditions.Theresultsshowedthefollowingthreeaspects.（1）Soilmoisturecontent，porosity，availablenitrogen，organicmattercontent，C/NandN/Pallshowedthechangeruleoflowerslope>middleslope>upperslope，whilesoilbulkdensityandsoilpHshowedtheruleofupperslope>middleslope>lowerslope.（2）Slopepositionwaspositivelycorrelatedwithsoilwatercontent，porosity，availablenitrogen，organicmatter，totalnitrogenandtotalphosphorus（P<0.01），andthecorrelationorderwaswatercontent>porosity>organicmatter>totalnitrogen>availablenitrogen>totalphosphorus，whichindicatedthatslopepositionwasthemainfactoraffectingsoilwatercontent.（3）Nomatterwhichslopepositionconditions，soilbulkdensityincreasedwiththeincreaseofsoildepth，andporositydecreasedwiththeincreaseofsoildepth.Intheoperationandmanagement，thefactorsofslopepositionshouldbefullyconsidered，andatthesametime，andthesoilnutrientsandfertilityoftheupperandmiddleslopeofPinustabulaeformisplantationshouldappropriatelybeincreasedtopromotethesustainablemanagementoftheplantationonthedifficultsiteintheBaiyumountainareaaccordingtolocalconditions.

KeywordsPinustabuliformis;positiononslope;soilphysicalandchemicalproperties

油松（Pinustabulaeformis）是我國北方主要造林樹種，適應性強，栽培面積大，在困難立地森林可持續經營中占有極其重要的地位[1]。土壤是陸地生態系統的重要組成部分，土壤有機質、氮、磷等化學元素及含水率、孔隙度等物理性質是植被生長發育過程中最重要的限制因子，也是衡量土壤養分、土質及細根分布狀況的重要參數，了解土壤養分分布規律，對了解森林生態系統物質循環、碳匯等具有十分重要的意義[2]。目前，關于油松人工林的研究，集中體現在密度調控[3]、樹冠模型建立[4]、林下更新[5]對地上地下生物量分配的影響等方面。

白于山區植被稀少，黃土裸露，土壤侵蝕嚴重，是陜西省植被蓋度最小、生態環境最為脆弱的地區之一[6]。已有研究表明，山地森林生態系統的地形因素對土壤養分的分配格局具有重要影響，其中坡位是關鍵影響因素之一[7，8]，而鮮有學者以白于山區油松林地為研究對象，開展坡位對土壤養分及物理性質的影響研究。因此，本研究選擇白于山區典型油松林地，探究坡位與林地土壤理化性質的關系，旨在揭示地形對林分土壤理化性質的影響，為困難立地造林及森林經營管理提供科學依據。

1研究區概況

研究區域位于陜西省榆林市定邊縣，地理坐標37°15′74″E，107°56′22″N，海拔1587m，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，主要特點是：春多風、夏干旱、秋陰雨、冬嚴寒，日照充足，雨季遲且雨量年際變化大，年平均氣溫7.9℃，年平均日照2743.3h，年均降水量316.9mm，年平均無霜期141d左右，絕對無霜期110d，土壤大多為細沙黃綿土，主要植被類型有油松（Pinustabulaeformis）、側柏（Platycladusorientalis）、水桐（Camptothecaacuminata）、大果榆（Ulmusmacrocarpa）、臭椿（Ailanthusaltissima）、沙棗（Elaeagnusangustifolia）、百里香（Thymusmongolicus）、長芒草（Stipabungeana）、針茅（Stipacapillata）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、檸條（Caraganakorshinskii）、沙棘（Hippophaerhamnoides）、苜蓿（Medicagosativa）等。根據實地調查，結合當地地形特征，選取具有代表性的典型人工油松林作為研究對象，樣地信息如表1所示。

2材料與方法

2.1樣地布設與樣品采集

于研究區內選擇立地條件一致、植被分布情況相似的油松人工林3處，坡度15°左右，于坡面設置上、中、下3個坡位（坡長100m），于每個坡位上平行設置15m×15m的3個標準地，采用多點取樣的方法，用環刀分層采集0～＜10、10～＜40、40～＜60cm土層土樣，用于土壤理化性質的測定。

2.2指標測定

土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮（TN）采用濃硫酸消煮－半微量凱氏定氮法測定，堿解N采用堿解擴散法測定，全磷（TP）采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，速效磷采用雙酸提取后利用鉬銻抗比色法測定，速效鉀用中性醋酸銨浸提后用火焰光度計測定。土壤孔隙度、土壤容重、含水率用環刀法測定[9，10]。

2.3數據處理及分析

利用Excel2019進行數據整理，用Origin2021完成數據繪圖，用SPSS25.0中單因素方差分析法（One-wayANOVA）對不同坡位條件下的土壤理化指標進行差異性分析，并采用Duncan法進行多重比較（α=0.05），用Pearson法對土壤理化性質及坡位之間的相關性進行分析。

3結果與分析

3.1不同坡位油松林土壤物理性質分布規律

不同坡位油松林土壤含水率、容重及孔隙度隨土層深度的變化規律如表2所示。

由表2可知，土壤含水率與孔隙度均表現出坡下（17.84%、57.50%）>坡中（14.49%、55.84%）>坡上（9.58%、50.94%）的變化規律，土壤容重則表現為坡上（1.35g.cm-3）>坡中（1.20g.cm-3）>坡下（1.14g.cm-3）的規律。無論哪一坡位，土壤含水率均以10～＜40cm土層最高。土壤容重隨土層深度的增加而增大，土壤孔隙度的變化規律則與之相反。任一土層的土壤容重均呈現出坡上>坡中>坡下的規律，土壤孔隙度則呈坡下>坡中>坡上的規律，土壤含水率在0～＜10cm土壤表層以坡中為最大，達13.64%，在10cm土層深度以下則呈坡下>坡中>坡上的變化規律。

3.2不同坡位油松林土壤化學性質分布規律

由表3可知，土壤pH呈坡上>坡中>坡下的變化規律，速效氮的變化規律則與之相反。由圖1和圖2可知，有機質、全氮及全磷均表現為坡下（12.67、0.87、0.57mg.kg-1）>坡中（9.54、0.77、0.53mg.kg-1）>坡上（6.39、0.49、0.47mg.kg-1）。無論哪一坡位，速效磷含量均以0～＜10cm土壤表層為最高，速效鉀含量均以40～＜60cm土層為最低，且與其余土層差異顯著（P<0.05）。土壤pH則隨土層深度的加深而增大（P>0.05），說明土層深度的變化對土壤pH無顯著影響。

由圖1可知，同一坡位條件下，土壤有機質含量均隨土層深度的加深而顯著降低（P<0.05），同一土層深度條件下，土壤有機質含量均呈現坡下>坡中>坡上的變化規律。

由圖2可知，在坡上、坡中兩坡位，土壤全氮含量均隨土層深度的加深而降低，全磷含量以10～＜40cm土層為最高，且表層土壤（0～＜10cm）全氮含量與其余土層差異顯著（P<0.05）。全氮及全磷含量的最低值均出現在坡上40～＜60cm土層，其值分別為0.34和0.43g.kg-1。

3.3不同坡位條件下油松林土壤化學計量比特征

由圖3、圖4可知，C/N在不同坡位的均值總體呈坡下（14.69）>坡上（12.68）>坡中（12.29）的變化規律，C/P和N/P均值總體呈坡下（23.08、1.57）>坡中（18.13、1.46）>坡上（13.67、1.04）的變化規律。任一坡位，土壤C/N均隨土層深度的增加而降低，且C/N最小值出現在坡上40～＜60cm處，最大值出現在坡下0～＜10cm處，其值分別為10.99和16.22。除坡下外，C/P、N/P均隨土層深度的加深而減小，且最大值均出現在坡中0～＜10cm處（24.43、1.81），最小值均出現在坡上40～＜60cm處（8.87、0.80）。

3.4坡位與土壤理化性質的相關性分析

將坡位與土壤理化指標進行相關性分析（表4），結果表明，坡位與土壤容重呈極顯著負相關（P<0.01，r=-0.592），與土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機質、全氮、全磷均呈顯著（P<0.05）或極顯著正相關（P<0.01），相關系數rmax=0.847，rmin=0.462，其相關性排序為：含水率>孔隙度>有機質>全氮>速效氮>全磷，說明坡位是影響土壤含水率變化的主要因素，含水率的變化引起土壤孔隙度的改變（P<0.01，r=0.538），進而引起孔隙度在不同坡位上的變化（P<0.01，r=0.798）。

土壤有機質含量除與土壤深度、土壤容重、pH呈極顯著負相關（P<0.01）外，其與坡位、含水率、孔隙度、速效氮、速效磷、全氮、全磷均呈顯著或極顯著正相關關系（P<0.05或P<0.01），說明土壤有機質含量的增加會促進元素的積累，表明土壤有效養分一部分來源于林地枯落物、有機物的輸入。

4討論與結論

4.1坡位對白于山區油松林地土壤理化性質的影響

坡位是影響土壤有機質形成及水分分布狀況的重要限制因子，余明等[11]以杉木林為研究對象，結果表明，土壤養分含量普遍表現為坡下>坡中>坡上，出現這一現象的原因可能是不同坡位上，土壤水熱資源分配不均，物質循環產生差異，坡上光照條件最強，削弱了土壤水分固持能力，促使有機碳向坡下轉移，同時，雨水沖刷也是促使養分向坡下轉移的重要因素。本研究結果表明，土壤有機質、全氮、全磷、含水率、孔隙度均呈現坡下>坡中>坡上的規律，這表明坡下土壤養分和持水能力更好，這可能是受自然作用的影響，坡下枯落物較多，土壤有機質含量較高，孔隙度較大，使土壤持水能力增加，養分蓄積能力增加，這與前人研究結果一致[12，13]。本研究中，全氮和全磷主要集中在下坡位，且土壤養分含量呈坡上>坡下的規律，說明油松根系對養分的吸收促使土壤養分含量降低[14]，在林分管理時應加以重視。

本研究中，任一土層深度的土壤容重均呈現坡上>坡下的規律，這可能是因為坡上長期受雨水沖刷及陽光直射，土壤侵蝕嚴重，緊實度提高，這與賈茜等[15]的研究結果一致。

前人研究表明，C/P值低，有利于促進微生物分解有機質釋放養分，提高土壤含磷量；而C/P值高則說明了土壤微生物對土壤有效磷有同化作用，出現微生物與作物競爭土壤有效磷，具有較強的固磷能力[16]。同時，當土壤N/P＜10時，區域植被生長受到土壤N素限制[17]。本研究中，C/P和N/P總體呈坡下>坡中>坡上的變化規律，說明白于山區油松林地的氮素流失速度更加強烈，生長過程易受氮元素限制，坡上氮素流失速度更為明顯，且坡上油松林的固磷能力更強。

4.2土層深度對白于山區油松林地土壤理化性質的影響

任一坡位下，土壤有機質、全氮、全磷含量均隨土層深度的增加而降低，表明C、N、P具表聚效應，這可能是隨著土層深度的增加，土壤微生物活動增加，養分消耗強度增大，再加上植物根系的影響，底層養分向表層根系的輸送量增加，導致土壤養分含量下降[18]。

本研究表明，土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則隨土層深度的增加而減小，說明無論哪一坡位條件下，下層土壤孔隙度均顯著低于上層土壤（P<0.05），這可能是由于土壤本身的團聚作用，造成單位體積重力增大，下層土壤更緊實，因而孔隙更小，這與前人研究結果一致[19，20]。由此可看出，孔隙度與土壤容重具有一定的相關性，而本研究結果表明兩者呈極顯著負相關（r=-0.552），這與本研究結果相符。3種坡位條件下，0～＜10cm土層土壤有機質含量均顯著高于其他土層，這可能因凋落物分解，在土壤表層積累了較多的腐殖質，進而造成有機質含量在土壤表層最高[21]。

前人研究表明，土壤的持水、蓄水能力受土壤孔隙度、有機質含量影響較大[22]。本研究中，有機質與含水率、孔隙度、速效氮、速效磷、全氮、全磷均呈顯著或極顯著正相關關系，這可能是由于土壤疏松多孔的結構有效促進了土壤團聚體的形成，進而影響土壤吸水、持水能力，有效改善土壤透氣性[23]，進而影響土壤元素的吸收。

本研究以白于山區油松人工林為研究對象，通過對比不同坡位條件下0～60cm土層土壤的理化性質差異，得出以下結論：（1）總體看，土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機質含量、C/N、N/P均表現出坡下>坡中>坡上的變化規律，土壤容重、土壤pH則表現為坡上>坡中>坡下的規律。（2）坡位與土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機質、全氮、全磷均呈極顯著正相關（P<0.01），其相關性排序為：含水率>孔隙度>有機質>全氮>速效氮>全磷，說明坡位是影響土壤含水率變化的主要因素。（3）無論哪一坡位條件下，土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則隨土層深度的增加而減小。（4）在日后的經營管理中，應充分考慮坡位因素，同時應適當考慮增加中、上坡油松人工林的水分養分條件，因地制宜制定營林措施，促進養分、肥力維持。

參考文獻：

[1]孫巧玉，劉勇，李國雷，等.坡位對油松人工林地上生物量分配格局的影響[J].中南林業科技大學學報，2012，32（9）：102-105

[2]王凱，齊悅彤，劉建華，等.油松與榆樹人工林植物-凋落葉-土壤碳、氮、磷化學計量特征[J].生態學雜志，2022，41（3）：427-434

[3]吳海平，孫清琳，張彥君，等.不同密度油松人工林群落特征與物種多樣性耦合關系[J].西北林學院學報，2022，37（5）：1-8

[4]劉家騰，趙雪晗，劉偉韜，等.基于邊際回歸的沈陽市綠化樹種人工油松冠形模擬[J].應用生態學報，2022，33（11）：2915-2922

[5]武秀娟，奧小平.油松林火燒跡地恢復初期林下植被特征[J].西北林學院學報，2022，37（5）：155-161

[6]白崗栓.白于山山區大扁杏適應性評價及花期延后研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2005

[7]趙汝東，樊劍波，何園球，等.坡位對馬尾松林下土壤理化性質、酶活性及微生物特性影響[J].生態環境學報，2010，19（12）：2857-2862

[8]TopicV，AnicI，ButoracL.

Effectsofstandsofblackpine（PinusnigraArn.）andaleppopine（PinushalepensisMill）ontheprotectionofsoilfromerosion[J].EkologiaBratislava，2008（3）：27

[9]伍海兵，李愛平，方海蘭，等.綠地土壤孔隙度檢測方法及其對土壤肥力評價的重要性[J].浙江農林大學學報，2015，32（1）：98-103

[10]鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京：中國農業出版社，2008

[11]余明，王卓敏，薛立.杉木林土壤化學性質對林分改造及不同坡位的響應[J].中南林業科技大學學報，2019，39（6）：38-44

[12]李傳人，艾應偉，郭培俊，等.鐵路邊坡不同坡位土壤物理化學性質差異性[J].水土保持學報，2012，26（6）：91-95

[13]周萍，劉國彬，侯喜祿.黃土丘陵區侵蝕環境不同坡面及坡位土壤理化特征研究[J].水土保持學報，2008（1）：7-12

[14]徐松，廖超英，多杰吉，等.毛烏素沙地樟子松人工林不同坡向的碳儲量及空間分布研究[J].水土保持研究，2015，22（6）：14-18

[15]賈茜，宋淑霞，曹航，等.冀西北不同坡位油松林土壤理化性質差異[J].林業與生態科學，2022，37（3）：251-257

[16]彭佩欽，張文菊，童成立，等.洞庭湖濕地土壤碳、氮、磷及其與土壤物理性狀的關系[J].應用生態學報，2005（10）：1872-1878

[17]溫晨，楊智姣，楊磊，等.半干旱黃土小流域不同植被類型植物與土壤生態化學計量特征[J].生態學報，2021，41（5）：1824-1834

[18]魏亞偉，于大炮，王清君，等.東北林區主要森林類型土壤有機碳密度及其影響因素[J].應用生態學報，2013，24（12）：3333-3340

[19]時鐘瑜，李婕.長白山不同林型土壤水源涵養功能特征[J].水土保持研究，2019，26（6）：158-164

[20]陳乾，劉凱，王希賢，等.福建柏混交林主要土壤理化性質與土壤含水量的關聯研究[J].福建農林大學學報（自然科學版），2021，50（6）：771-780

[21]喻陽華，程雯，楊丹麗，等.黔西北次生林優勢樹種葉片-凋落物-土壤連續體有機質碳穩定同位素特征[J].生態學報，2018，38（24）：8733-8740

[22]叢日亮，張金池，黃進，等.蘇南丘陵區主要林分類型土壤水文效應[J].亞熱帶水土保持，2010，22（4）：13-17

[23]LebronI.Theeffectoftotalcarbononmicroscopicsoilpropertiesandimplicationsforcropproduction[J].JournalofAridLand，2012，4（3）：251-259

收稿日期：2022-11-07

基金項目：西北農林科技大學大學生創新訓練項目“林隙對黃土高原油松人工林天然更新的影響研究”（X202210712266）

作者簡介：高天健（2002-），男，陜西榆林人，大學在讀，從事林業技術研究，E-mail：494837003@qq.com