大小兴安岭林区不同林型土壤养分综合评价

2013-12-16孙希华龚亚珍王军邦

水土保持通报 2013年1期

王芳，黄玫，孙希华，龚亚珍，王军邦

（1．山东师范大学，山东济南250014；2．生态系统网络观测与模拟重点实验室

中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3．中国人民大学环境学院，北京100872）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，是森林植被存在和发展的物质基础。它不仅供给林木生活所需的营养元素，同时也供给林木水分，为林木生长提供支撑，对森林的发育起着巨大的作用。大小兴安岭林区是我国最重要的林区之一，也是我国北方的重要生态屏障，研究其不同林型土壤养分特征对于了解该林区森林与土壤的关系、土壤肥力的维持以及森林生态系统可持续发展具有重要意义。

陈志新等［1］、姜春前等［2］、刘鸿雁等［3］对不同地区的森林土壤养分有过大量研究，但目前专门针对大小兴安岭地区不同林型土壤的养分特征的研究比较少。虽然渠开跃等［4］研究了辽东山区不同林型土壤有机质和氮、磷、钾分布特征，王刚等［5］研究了小兴安岭地区主要森林类型土壤理化性状特征，但没有对森林土壤养分状况进行综合评价。

本研究在大小兴安岭林区选取主要代表性林型进行大范围取样，选取土壤有机质、氮、磷和钾元素作为评价大小兴安岭林区土壤养分的主要指标，并分析了不同林型土壤各养分指标的分布特征，运用改进的内梅罗综合指数法对不同林型土壤的养分状况进行综合评价。本研究可为该地区的森林经营管理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于中国黑龙江省东北部，属温带大陆季风气候区，四季分明，冬季严寒、干燥而漫长，年平均气温为－1．15～－6．15℃，年降水量在459．71～572．93mm。地势呈西高东低，最高海拔1 514m。研究区森林类型是以红松为主的针阔混交林和针叶林，主要树种有红松、落叶松、樟子松、白桦、杨、榆等，藤条灌木遍布整个林区。主要土壤类型为暗棕壤。

本研究的采样点位于东经124°22′—129°12′，北纬48°8′—52°45′，海拔在181～529m。采样点空间分布及采样点的基本信息如表1所示。根据地形坡度，一般在上位、中位和下位分别取样。

表1 研究区土壤采样点概况

2 材料与方法

2．1 取样方法

根据不同林型选择典型的具有代表性的样地，在每个样地内按照梅花形布点原则设置2～3个采样点并分别取样，分0—10，10—20，20—40cm这3个层次取土，以环刀、塑料袋分别取样。带回实验室风干，挑根，研磨，过筛备用。同时调查了采样点的经纬度、林型、优势树种、郁闭度、地形（坡向、坡度等）、林龄等信息。

2．2 土壤化学性质的测定方法

土壤有机碳测定用重铬酸钾容量法—外加热法；全N含量用元素分析仪测定；速效P采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定；速效K测定采用醋酸铵浸提，火焰光度计测定。

2．3 数据处理

数据处理采用Excel进行统计分析，用SPSS软件进行多重比较。

2．4 土壤质量综合评价方法

2．4．1 评价指标的选取一般认为土壤养分可以反映土壤质量的好坏，因而本研究选取土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾作为土壤质量的评价指标［1－13］。

2．4．2 评价指标分级标准参照全国第二次土壤普查标准，并结合研究区实际情况，将土壤有机质、全N、速效P、速效K含量按照最小值、中间值和最大值分为4个级别（见表2）。

2．4．3 评价方法本文采用改进的内梅罗综合指数法［7－9］对不同林型的土壤质量进行综合评价，土壤综合质量指数计算方法如式（1）所示：

式中：Q——土壤综合质量指数；¯Pi——参评各指标分质量指数的平均值；Pimin——值最小的分质量指数；n——参评指标总数。

表2 土壤质量评价指标分级标准

式（1）中用Pimin代替了内梅罗公式中的Pimax，并加上修正项（n－1）／n，一方面主要为突出土壤属性因子中最差一个对土壤质量的影响，反映作物生长的最小因子律，另一方面，参评因子越多，（n－1）／n的值越大，可信度越高［10］。

分质量指数Pi的计算方法如下［11－12］：

式中：Pi——分质量指数；Xi——评价指标的测定值；Ximin——“差”级分级标准；Ximid——“中等”级分级标准；Ximax——“良好”级分级标准；i——评价指标（i＝1，2，3，4）。

土壤综合质量指数Q分级标准如表3所示。

表3 土壤综合质量等级标准

3 结果与分析

3．1 不同林型土壤有机质分布特征

图1为不同林型土壤有机质垂直分布特征。经统计发现，不同林型（0—40cm）土壤有机质的分布为白桦林＞针阔混交林3＞红松林＞针阔混交林1＞樟子松林＞落叶松林＞针阔混交林2＞蒙古栎林，有机质含量依次为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、优势树种的影响，不同林型枯落物总量、水分含量、物质组成和分解程度不同，导致各林型土壤有机质含量差异很大［2］。

图1 不同林型土壤有机质的垂直分布特征

白桦林、针阔混交林3土壤有机质含量较高，蒙古栎林、针阔混交林2较低。白桦林正处于中林龄阶段，凋落物比较多，因此其土壤有机质含量较高；蒙古栎林土壤的有机质含量最少，比针阔混交林和针叶林还低很多，比较反常，分析其原因，除与植被有关外，主要与地形和土壤的pH值有关，该地坡度较大，凋落物不易蓄积，加之土壤pH值比较高，使得蒙古栎的枯枝落叶很难分解［6］，不利于有机质的形成，最终导致蒙古栎林土壤有机质含量偏低。针叶林中，红松林的有机质含量比较高，主要是因为有机质的形成除与地形、植被类型有关外，还与人为活动有关，受管理措施的影响［13］，红松林属于原始天然林，人为影响比较少，土壤结构性好，有利于凋落物的蓄积及微生物活动，有利于土壤有机质形成，故红松林土壤的有机质含量偏高。

从图1可以看出，同一林型不同层次土壤的有机质含量分布不同，除了樟子松林外，各林型土壤有机质的垂直分布规律较为一致，即表层＞亚表层＞底层。主要原因是土壤表层通气性好，微生物量高，且枯落物较多，利于有机质的积累，而随着土层加深，土壤通气性下降，微生物减少，不利于土壤结构发展，养分循环较慢，因而土壤有机质含量显著低于表层［4］。经多重比较发现，针阔混交林的土壤有机质表层大于下层，垂直分布有显著性差异（p＜0．05）；樟子松林是底层＞表层＞亚表层，但是其土壤有机质的垂直分布无显著性差异（p＞0．05）。

3．2 不同林型土壤全N分布特征

图2为不同林型土壤全N垂直分布特征。经统计，各林型土壤（0—40cm）全N分布规律与有机质的分布规律基本一致，排序为白桦林＞针阔混交林1＞针阔混交林3＞红松林＞落叶松林＞樟子松林＞针阔混交林2＞蒙古栎林，含量依次为：5．63，3．16，3．08，2．73，2．43，1．81，1．50，1．41g／kg，白桦林土壤的全N含量最高，针阔混交林2和蒙古栎林最低。土壤全N分布规律与祖元刚等［6］、姜春前等［2］的研究结果基本一致。

图2 不同林型土壤全N垂直分布特征

由图2可见，各林型（樟子松林除外）土壤全N含量的剖面特征和有机质一样，呈表层＞亚表层＞底层的分布规律，分析是由于受地表枯落物影响，土壤肥力较高、结构性好、微生物量高，利于N素循环。经多重比较分析得出，红松林、针阔混交林2、针阔混交林3土壤的表层与亚表层和底层有显著性差异（p＜0．05），针阔混交林1土壤的垂直分布有显著性差异，樟子松林土壤全N的垂直分布为底层＞表层＞亚表层，但是无显著性差异（p＞0．05）。

针阔混交林1、针阔混交林3的全N含量差异不显著，但针阔混交林3表层土壤的全N含量明显高于针阔混交林1，而底层却比较少，主要是因为针阔混交林3处于幼林龄阶段。

3．3 不同林型土壤速效P分布特征

图3为不同林型土壤速效P垂直分布特征。经统计发现，不同林型土壤（0—40cm）速效P分布为白桦林＞针阔混交林3＞针阔混交林1＞樟子松林＞落叶松林＞红松林＞针阔混交林2＞蒙古栎林，含量分别为 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分布也与有机质相似，白桦林土壤的速效P含量最高，针阔混交林2和蒙古栎林最低，且除针阔混交林2和蒙古栎林外，呈白桦林＞针阔混交林＞针叶林的分布规律。

图3 不同林型土壤速效P垂直分布特征

从图3可知，不同林型表层土壤（0—10cm）速效P分布特征为针阔混交林3＞白桦林＞针阔混交林1＞蒙古栎林＞针阔混交林2＞落叶松林＞红松林＞樟子松林。不同林型的表层土壤速效P含量针阔混交林3最多，主要原因是该采样点16a前过火的缘故。森林过火以后，表层土壤的速效P含量变化比较明显，随时间的推移逐渐增多［14］。针叶林中，樟子松林土壤的速效P含量比较高，但是其表层土壤的速效P含量却比较低，底层土壤的速效P含量几乎是表层的两倍，可能原因是P元素受土壤母质影响较大，而受植被、微生物等因素影响较小，在一定程度上影响速效P养分的缘故。

不同林型土壤速效P垂直分布情况如下：落叶松林是亚表层＞表层，樟子松林为底层＞表层＞亚表层，白桦林的亚表层略小于底层，其他为表层＞亚表层＞底层，主要原因是凋落物通过养分释放使得土壤表层养分增加的同时，养分元素还会在土壤中发生迁移，逐步进入表层以下的土壤，而P元素在土壤中不易发生迁移［15］，故速效P在表层土壤含量较高。多重比较结果显示：除蒙古栎林土壤的表层与亚表层、底层有显著性差异（p＜0．05）外，其他林型土壤速效P的垂直分布均无显著性差异。

3．4 不同林型土壤速效K分布特征

图4为不同林型土壤速效K的垂直分布特征。经统计，不同林型土壤（0—40cm）的速效K的分布为蒙古栎林＞白桦林＞落叶松林＞针阔混交林2＞樟子松林＞针阔混交林3＞针阔混交林1＞红松林，含量依次为 212．96，198．45，168．18，163．08，160．33，157．77，157．27，145．99mg／kg。不同林型表层土壤（0—10cm）速效K的分布特征为针阔混交林3＞蒙古栎林＞白桦林＞针阔混交林1＞针阔混交林2＞樟子松＞红松林＞落叶松林。垂直分布情况如下：针叶林2土壤速效K的垂直分布为亚表层＞表层＞底层，樟子松林的底层＞亚表层，蒙古栎林的底层稍大于亚表层，其余为表层＞亚表层＞底层，且多重比较结果显示各林型土壤速效K的垂直分布均无显著性差异（p＞0．05）。

图4 不同林型土壤速效K的垂直分布特征

分析结果表明，各林型土壤速效K含量的分布规律与有机质、全氮、速效磷明显不同，蒙古栎林、白桦林较高，而针叶林、针阔混交林的速效K含量差异不显著，其中落叶松林和樟子松林的含量稍高于针阔混交林。但是由各林型表层（0—10cm）土壤速效K含量分布可知，表层土壤速效K含量除针阔混交林3外，符合阔叶林＞针阔混交林＞针叶林的规律，出现这种异常的原因，除与植被、郁闭度和地形有关系外，主要与土壤母质有很大关系。

多重分析结果显示土壤速效K含量的剖面特征不显著，这是因为K为极易迁移元素［16］，速效K很容易迁移到亚表层和底层，因而其剖面特征不显著。

3．5 不同林型土壤质量综合评价

表4表示不同林型土壤质量评价分指数和综合指数。由表4看到，不同林型土壤质量综合指数变幅为1．621～2．235，介于优和良之间，平均为“良”（1．865），其中白桦林土壤的综合质量属于“优”级（2．235），其余林型土壤质量综合评价均处于“良”，说明兴安岭地区不同林型土壤质量总体处于良偏优水平。土壤质量综合指数由高到底依次为白桦林、针阔混交林3、落叶松林、针阔混交林1、樟子松林、针阔混交林2、红松林、蒙古栎林。

表4 不同林型土壤质量评价分指数和综合指数

从表4还可以看出，兴安岭林区土壤质量普遍受到速效K和速效P含量的限制，其中红松林主要是受速效K的限制，蒙古栎林主要受全N的限制。

4 结论

（1）0—40cm针阔混交林土壤的有机质含量为42．57～111．66g／kg，全氮含量为1．50～3．16g／kg，速效磷为27．33～67．05mg／kg，速效钾为157．27～163．08mg／kg；针叶林土壤的有机质含量为71．71～82．86g／kg，全氮含量为1．81～2．73g／kg，速效磷为29．04～39．14mg／kg，速效钾为 145．99～168．18mg／kg。

（2）除樟子松林外，各林型土壤的有机质、全氮垂直分布均为表层＞亚表层＞底层，但多重比较结果显示，樟子松林、白桦林、蒙古栎林、针叶林土壤有机质、全氮的垂直分布无显著性差异，针阔混交林的垂直分布大都有显著性差异，各林型土壤速效磷（蒙古栎林除外）、速效钾的垂直分布均没有显著性差异。

（3）大小兴安岭林区有机质和全氮含量特别丰富，有效磷含量为中等至较丰富，不同林型土壤质量总体处于良偏优水平，但土壤速效钾比较缺乏，成为该地区土壤质量的主要限制因素。

致谢：黑龙江省森林防火办王志成博士，中国科学院地理资源所的研究生李雷、孙向阳、王昭生、商贵铎、岳溪柳、夏芹参予了本研究的野外采样工作，为本研究的顺利完成提供了大力支持，在此一并表示衷心的感谢！

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