川西米亚罗林区不同林分类型土壤养分性质研究

2012-05-07霍小鹏张兴华李贤伟

水土保持研究 2012年3期

霍小鹏，张兴华，李贤伟，张健，张毅

（1.西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院，成都610213；2.四川农业大学生态林业工程省级重点实验室，四川雅安625014；3.金堂县林业局，四川金堂610400）

土壤是在气候、植被、地形、母质等因子综合作用下形成的，不同的植被类型影响着土壤养分的积累、分布与循环，而土壤养分含量又是植被生长的重要影响因子［1－2］。森林土壤由矿物和有机质组成，是植物生长繁育的基底，提供植物必需的水、肥、气、热等生活条件。森林植被是影响土壤理化性质的重要因素，充分了解植被与土壤性质间的相互关系，是森林经营的基础。因此，研究不同林型下土壤性状的变化规律及差异，对了解森林与土壤之间的关系，合理利用森林和森林土壤资源，建立良性循环的森林系统具有重要意义［3］。随着生态环境问题的日趋尖锐，人们越来越重视对土壤与植被之间关系的研究［4］。不同学者对不同地区不同林分类型或植被类型土壤养分效应开展了大量研究［2，5－7］，虽然结果不尽相同，但大都认为同一地区不同林型间土壤养分相差较大，土壤养分受植被类型影响较明显。

川西亚高山林区是长江上游重要的水源涵养林区，是中国半壁江山的“水塔”，是西南及长江上游地区重要的生态屏障，被誉为庇护四川及长江流域的“绿色万里长城”［8］。上个世纪天然林被大规模砍伐后实施了封育及人工更新，形成了不同恢复阶段的人工林、次生林和人工与天然更新共同作用的林分镶嵌分布状态。目前，该区研究主要集中在人工云杉林土壤性质［9－12］、土壤微生物及酶活性［13－15］和土壤水文效应［16－18］等方面，然而对于该地区不同林分类型土壤养分效应的研究报道尚不多见。笔者对川西亚高山不同林分类型土壤养分状况进行了测定与分析，旨在探讨该区域不同林分类型与土壤养分状况间的关系，了解不同林分类型土壤养分规律，为进一步改进不同林型营林技术，更为林分结构调整及森林生态系统的更新、恢复与重建提供依据。

1 研究区概况

研究地区位于四川省阿坝州理县米亚罗林区，地理坐标 31°24′—31°55′N、102°35′—103°4′E，海拔2 850～4 200m，属于青藏高原向四川盆地过渡的高山峡谷区。气候受着青藏高原地形的决定性影响，属于季风山地气候，夏季湿润多雨，冬季寒冷干燥。年均气温6～12℃，1月份平均气温－8℃，7月份平均气温12.6℃，≥10℃的年积温为1 200～1 400℃。年降水量为600～1 100mm，年蒸发量为1 000～1 900 mm。成土母岩主要为千枚岩、板岩和白云岩等残坡积风化物，土壤自低到高依次为棕壤（2 700～3 300 m）、暗棕壤（3 300～3 600m）、棕色针叶林土（3 600～3 850m）。原生森林分布于海拔2 400～4 200m，以亚高山暗针叶林为主，乔木优势树种为川西云杉［Picea likiangensis （Franch）Pritz var.balfouriana（Rehd.et Wils.）Hillier ex Slavin］、岷江冷杉（Abies faxoniana Rehd.et Wils.）、桦木（Betula platyphylla Suk.）等。1955年以后，砍伐迹地上陆续开展了粗枝云杉（Picea asperata Mast.）、日本落叶松（Larix kaempferi Lambert Carriere）为主的人工更新。主要灌木有散生栒子（Cotoneaster divaricatus Rehd.et Wils.）、扁刺蔷薇（Rosa sweginzowii Koehne）、紫花卫矛（Euonymus porphyreus Loes.）等。

2 研究方法

2.1 样地选择

在米亚罗林区选取有代表性的25a云杉—落叶松林（A）、40a落叶松林（B）、40a云杉林（C）、40a云杉—落叶松林（D）、55a云杉林（E）、70a云杉林（F）、冷杉林（FF）、桦木林（BF）和灌木林（SF）共9种林分类型为研究对象。每种林分类型设置20m×20m的标准地，对各标准地进行每木检尺，并调查标准地内植物种类、数量、群落年龄和生物量。同时调查标准地的坡度、坡向和土壤类型。各标准地基本概况见表1。

表1 标准地基本概况

2.2 土壤采集

在上述标准地上、中、下选取有代表性的3个采样点，去除地表凋落物，在每一个采样点分层（0—10 cm，10—20cm，20—30cm）取样，按照四分法取约1 kg鲜土（3个采样点每层混匀），装袋贴好标签，带回实验室后测定土壤养分。

2.3 分析方法与数据处理

2.3.1 样品测试土壤pH值采用酸度计法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化比色法测定；全N采用重铬酸钾—硫酸消化法测定；全K采用NaOH碱熔—原子吸收分光光度法测定；速效K采用1mol／L乙酸铵浸提—原子吸收分光光度法测定；全P采用NaOH碱熔—钼锑抗比色法有效磷的测定；有效P采用0.03mol／L的NH4F和0.025mol／L盐酸浸提法测定［19］。

2.3.2 数据统计分析利用Excel和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型土壤pH值

酸碱度是森林土壤中最为重要的化学特性之一，受土壤母质、气候和植被等条件的制约，是指示土壤形成、发育和演替过程的一个重要指标。土壤pH变化直接影响着土壤中养分存在的形态，而且还能显著影响土壤理化性质、土壤动物群落和微生物群落的结构和功能以及植物的生长发育等。

由图1可以看出，9种林分类型土壤pH均＜5.6，属于酸性土壤，这与雨水的淋溶作用及与表层有机物在降解过程中生成大量酸性物质积累有关［20］。从土壤剖面pH垂直分布看，除林分类型A，D，E，SF外，其它林地土壤剖面pH值均具有从表层到下层逐渐增大的趋势。

图1 不同林地土壤pH变化

3.2 不同林分类型土壤有机质

土壤有机质是评价土壤肥力的一项重要指标，它既是植物矿质和有机营养的源泉，又是土壤微生物的能源物质。它不仅能增加土壤的保肥和供肥能力，提高土壤养分的有效性，而且能促进团粒结构的形成，改善土壤的通透性、蓄水能力及通气性，增加土壤的抗蚀性等。

由图2分析可知，冷杉林地有机质含量最大，55a云杉林地最低，9种林分类型土壤剖面有机质平均含量大小顺序为：冷杉林（FF）＞40a云杉—落叶松林（D）＞70a云杉林（F）＞40a云杉林（C）＞灌木林（SF）＞桦木林（BF）＞40a落叶松林（B）＞25a云杉—落叶松林（A）＞55a云杉林（E）。可见，在0—30 cm土层中，人工林地土壤有机质含量总体上随林分年龄增加而增大，而天然林地土壤有机质含量变化则不明显。在表层（0—20cm）中，25a云杉—落叶松林土壤有机质含量为冷杉林的38.0%，比冷杉林减少了62.0%；当土层深度为20—30cm时，40a云杉—落叶松林土壤有机质最大，为55a云杉林的3.15倍。此外，从图2还可以看出，9种林分均以表层土壤有机质含量最大，随着土层深度的增加，有机质含量下降。

图2 不同林地土壤有机质含量比较

土壤有机质的这种分布状况主要是由不同的林分类型的凋落物量及凋落物分解速率差异引起的，而凋落物的分解速率又受凋落物自身性质与土壤温度的影响。冷杉林高有机质含量与林地长年累积较厚的枯枝落叶密不可分；55a云杉林因大幅度间伐后林分密度显著降低，有机质含量随年凋落量降低而减小；桦木林和灌木林地有机质含量高于其它一些针叶是其凋落量易分解的缘故。

3.3 不同林分类型土壤氮素含量

土壤全N包括所有形式的有机和无机氮素，其含量是土壤氮素养分的贮备指标，综合反映了土壤的氮素状况。土壤中的氮素以生物为主要来源，随死亡的生物有机体进入土壤，以有机形态储存起来，故土壤氮素含量与土壤有机质的关系较为密切。

由图3可见，在9种林分土壤剖面全N含量平均值大小顺序为：FF＞D＞C＞SF＞B＞F＞BF＞E＞A；其中，25a云杉—落叶松土壤全N含量最低，冷杉林含量最大；表层土壤中，25a云杉—落叶松林地全N含量仅为冷杉林的23.0%；在20—30cm土层中，25 a落叶松—云杉林地全N含量比冷杉林下降了78.0%。此外，9种林分表层土壤全N含量都高于心土层，且并随着土层的加深，土壤全N含量的总体差异逐渐减小。在天然林中，冷杉林全N含量表现最好，这主要是因为其土壤有机质含量高，而土壤全N量的分布特征和动态在很大程度上又取决于土壤有机质含量的变化［20］；在人工林中，40a云杉—落叶松林凋落物易分解，土壤有机质含量高，所以土壤全N含量高于其它人工林地，这也说明了混交林可以有效地改善林地土壤养分状况。

图3 不同林地土壤全N含量比较

3.4 不同林分类型土壤钾素含量

土壤钾是植物光合作用、淀粉合成和糖类转化所必须的元素，也是衡量土壤肥力的一个重要指标。土壤中的钾主要有矿物钾、缓效钾和速效性K等3种形态。其中，土壤速效K可以直接被植物吸收利用，可以反映土壤钾素供应能力，可以作为判断是否需要施肥的依据。

由图4可见，9种林分土壤剖面全K含量平均值大小顺序为：B＞SF＞BF＞C＞E＞D＞A＞F＞FF；其中，40a落叶松林表层土壤全K含量最大，为冷杉林的1.73倍；20—30cm土层中，冷杉林全K含量最低，比含量最高的40a落叶松林下降了41.4%。9种林分土壤剖面速效K含量平均值大小顺序为：D＞SF＞A＞E＞BF＞C＞F＞B＞FF；40a落叶松—云杉林表层土壤速效K含量最高，为冷杉林的2.50倍；20—30cm土层中，55a云杉林最小，为含量最高的40a落叶松—云杉林的46.2%。对比不同剖面土壤钾素含量变化可知，土壤速效钾含量均随土壤深度的增加而减小，而土壤全K含量却随土层深度加深变化不明显；其中，A，B，C，D，F和FF林分类型0—20cm土层全K含量低于20—30cm土层含量，而E、BF和SF林分类型土壤全K含量变化则相反。土壤钾素的这种含量变化说明林地土壤钾素含量除了受雨水的淋洗作用影响外，还与土壤质地、成土母质、生物等因素有关。

图4 不同林地土壤钾素含量比较

3.5 不同林分类型土壤磷素含量

磷在土壤中主要以有机和无机两种形态存在，其含量与母质中的矿物成分、土壤质地、剖面层次等有关。土壤全P在一定程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力，但其并不能作为土壤磷素供应的指标，而土壤有效P能相对反映土壤磷素供应水平高低，可以作为判断是否需要施肥的依据，在实际生产中有重大意义。

图5 不同林地土壤磷素含量比较

由图5可见，40a落叶松林土壤全P含量最大。在表层和20—30cm土层中，40a落叶松林地全P含量分别为25a云杉—落叶松林的2.22倍和2.14倍；9种林地土壤剖面全P含量平均值大小顺序为：B＞D＞C＞SF＞FF＞E＞F＞BF＞A。9种林分类型中，土壤速效P含量以55a云杉林为最大，其表层土壤有效P含量为40a云杉林的10.55倍；在20—30cm土层时，55 a云杉林土壤速效P含量为冷杉林的10.24倍；9种林分类型土壤剖面速效P含量平均值大小顺序为：E＞A＞B＞SF＞BF＞FF＞C＞F＞D。不同林分全P和速效P含量都表现为表土层高于心土层，这种含量变化可能受气候、地表植被和其它一些生物因素的影响。

3.6 林地表层理化性质相关性分析

依据9种林分类型土壤养分含量测定结果，对其土壤养分进行相关性分析，结果见表2。由表2可以看出，土壤pH与土壤有机质含量极显著负相关，与土壤全N显著负相关，但与其它养分相关性不显著；土壤有机质含量与全N极显著正相关，与土壤有效P和全K显著负相关；土壤全K和全P分别与土壤速效K和有效P相关性不显著，说明土壤总的磷素和钾素含量不能直接表征土壤钾元素和磷元素的有效利用性。

表2 土壤养分指标间的相关性分析

4 结论

（1）9种林分类型土壤pH均＜5.6，土壤有机质含量大小顺序为：冷杉林（FF）＞40a云杉—落叶松林（D）＞70a云杉林（F）＞40a云杉林（C）＞灌木林（SF）＞桦木林（BF）＞40a落叶松林（B）＞25a云杉—落叶松林（A）＞55a云杉林（E）；25a云杉—落叶松林地全N含量最低，冷杉林含量最大，大小顺序为：FF＞D＞C＞SF＞B＞F＞BF＞E＞A。

（2）9种林分类型中，40a落叶松林土壤全K含量最大，冷杉林最小，大小顺序为：B＞SF＞BF＞C＞E＞D＞A＞F＞FF；40a落叶松－云杉地土壤速效K含量最大，大小顺序为：D＞SF＞A＞E＞BF＞C＞F＞B＞FF。

（3）9种林分类型中，40a落叶松林地最大土壤全P含量，大小顺序为：B＞D＞C＞SF＞FF＞E＞F＞BF＞A。55a云杉林土壤速效P含量最大，大小顺序为：E＞A＞B＞SF＞BF＞FF＞C＞F＞D。

（4）土壤pH值与土壤有机质含量极显著负相关，与土壤全N显著负相关；土壤有机质含量与全N极显著正相关，与土壤有效P和全K显著负相关；土壤全K和全P含量分别与速效K和有效P相关性不显著。

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