河北雾灵山5种人工纯林土壤养分综合评价

王慧元，荣 誉，杨新兵

（1.中国环境管理干部学院，河北 秦皇岛066000；2.河北农业大学 林学院，河北 保定071000）

土壤养分作为土壤环境的一部分，对植被恢复有着极其重要的作用［1］。森林土壤养分状况，与构成林分树种、树种组成及林分结构等林分因子有密切关系［2］。不同植被类型影响着土壤养分循环，通过研究土壤养分变化，对于了解各群落土壤肥力和营养元素循环机制有重要意义［3－6］。目前，国内外有关土壤养分的研究很多。本文以河北雾灵山不同林分类型土壤为研究对象，对不同林分的土壤养分进行综合评价，分析不同林分类型土壤养分特征和综合效应，以确定那种林分的土壤养分排序最高，为评价雾灵山森林和土壤生态系统健康状况提供依据。

1 研究区概况

雾灵山位于河北省兴隆县境内，地处117°17′—117°35′E，40°29′—40°36′N，与北京市密云县相邻，海拔为800～1 900m，其顶峰海拔2 116.2m，为燕山山脉第一高峰。土壤以褐土和棕壤为主，属暖温带半湿润大陆性季风气候。雾灵山是河北省多雨地域之一，年降水量763mm。水热同季，有利于植物生长。山上空气湿度大且多雾。由于地形的影响，北坡降水少于南坡。雾灵山优越的自然条件和复杂的生态环境使其具有比较丰富的植物种类，约有高等植物151科，598属，1 600余种。此外，还有低等植物200余种。雾灵山绝大多数植物种类属于华北植物区系，部分属于蒙古植物区系，还受东北植物区系的影响。油松（Pinus tabulaeformis）、华北落叶松（Larix principic-rupprechtii）、蒙古栎（Quecus momgolica）、核桃楸（Juglans mandshurica）、山杨（Populus davidi-ana）、白桦（Betula platyphylla）是该区分布最广，作用最大的优势种。单种属植物较多，还有一定数量的栽培区系成分。

2 研究方法

2.1 土壤养分测试

2008年7月中旬在河北雾灵山选取5种代表性的纯林林分进行采样分析，每个林分类型做3个重复，样地面积为40m×40m，对其进行每木检尺，各样地基本特征如表1所示。将5种代表性的纯林林分土壤分别按0—10cm，10—20cm，20—40cm三层机械取样，把取得的土壤样品带回实验室风干，过0.2 mm的筛子用于土壤养分的测定。用pH酸度计测土壤pH，用重铬酸钾容量法测定有机质含量，土壤全氮含量采用凯氏定氮法，土壤碱解氮含量采用碱解扩散法，土壤全磷为硫酸—高氯酸—钼锑抗比色法，土壤速效磷为碳酸氢钠浸提比色方法，土壤速效钾采用火馅光度计法［7］。

表1 标准地基本概况

2.2 土壤养分主成分分析方法

利用主成分分析法，对研究区内不同林分土壤养分研究结果进行综合评价。

综合评价土壤养分的7项指标，包括pH值（X1）、有机质（X2）、全氮（X3）、全磷（X4）、速效磷（X5）、速效钾（X6）、碱解氮（X7）。

本文采用SPSS17.0，对所测定的7项指标进行主成分分析。主成分分析法是一种降维的方法，通过分析多个变量，筛选出贡献量最大的成分作为主要成分进行综合评价。

3 结果与分析

3.1 不同林分土壤pH值比较

土壤酸碱性（pH值）是土壤化学性质的一个重要方面。微生物的活动、土壤有机质的分解、土壤中养分元素的释放、转化以及迁移都与酸碱度有关［8］。由图1可知，5种不同林分的土壤pH值均为弱酸性，其变化范围为4.61～6.31，蒙古栎纯林和白桦纯林随土层增加pH值减小；油松纯林和核桃楸纯林均随土层增加先减小后增大，落叶松纯林随土层增加先增大后减小。这是由于林地土壤表层森林枯落物的分解产生大量的有机酸，而且盐基又从矿质土壤表层淋失出来所致，与赵广亮等人在北京市八达岭林场的研究结果一致［9］，进一步证实了凋落物对pH值的影响。

图1 不同林分不同土层土壤pH值

3.2 不同林分土壤有机质含量比较

如图2所示，在0—10cm和10—20cm土层内，有机质排序均为白桦纯林最大，油松纯林最小，20—40cm土层，土壤有机质排序为核桃楸纯林最大，油松纯林最小。只有油松纯林在0—10cm的表层土壤其有机质含量高于下层，其他林分类型均是表层土壤有机质高于下层土壤有机质。从三层土壤层有机质来看，0—10cm土层土壤有机质最大，为8.50g／kg；10—20cm 土层土壤有机质居中，为4.41g／kg；20—40cm土层土壤有机质最小，仅为3.12g／kg。从三层土壤有机质均值来看，白桦纯林（9.60g／kg）最大，油松纯林（2.53g／kg）最小，白桦纯林是油松纯林的3.79倍。从针阔林角度来看，阔叶林的土壤有机质普遍大于针叶林，说明阔叶林的土壤肥力大于针叶林，其原因是土壤有机质主要来源于地上植物的凋落物及地下根系，阔叶树种其根系多于针叶树种，凋落物量也相对较多。

图2 不同林分不同土层土壤有机质含量

3.3 不同林分土壤全P、全N含量比较

由表2可知，随土壤厚度的增加，只有蒙古栎纯林全P含量呈逐渐递增的趋势，其他林分类型均呈逐渐递减的趋势。土壤全P含量每10cm均值的变化趋势为：白桦纯林＞核桃楸纯林＞蒙古栎纯林＞落叶松纯林＞油松纯林。

表2显示，随土层增加，核桃楸纯林全N含量先减小后增大；其他林分类型均呈现递减的趋势。土壤全N含量每10cm均值的变化趋势为：油松纯林＞蒙古栎纯林＞白桦纯林＞核桃楸纯林＞落叶松纯林，即油松纯林的土壤供N的总水平最高为3.45g／kg。

不同林分全P和全N养分含量均是阔叶林大于针叶林，全P和全N比较，不论是不同土层还是养分含量均值都是全N含量大于全P含量。

3.4 不同林分土壤速效养分含量比较

表3显示，随着土壤深度的增加，土壤中速效K含量呈逐渐减少的趋势。不同林分土壤速效K含量每10cm均值在67.54～169.88mg／kg之间，变化趋势为：蒙古栎纯林＞白桦纯林＞核桃楸纯林＞落叶松纯林＞油松纯林，速效K含量均值最大的蒙古栎纯林（169.88mg／kg）是最小的油松纯林（67.54mg／kg）的2.52倍。

表2 不同林分土壤全P全N含量

表3 不同林分土壤速效养分含量

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之间，排序为：白桦纯林（6.84mg／kg）＞蒙古栎纯林（4.50mg／kg）＞核桃楸纯林（4.42mg／kg）＞油松纯林（4.41mg／kg）＞落叶松纯林（0.84mg／kg），白桦纯林的土壤速效P含量最大，是最小的油松纯林的8.14倍。

5种不同林分中（表3），土壤碱解N含量每10 cm均值在65.68～147.88mg／kg之间，变化趋势为：白桦纯林（147.88mg／kg）＞ 核桃楸纯林（117.13 mg／kg）＞油松纯林（100.72mg／kg）＞落叶松纯林（80.07mg／kg）＞蒙古栎纯林（65.68mg／kg），白桦纯林的碱解N均值含量是蒙古栎纯林的2.25倍。阔叶林分的速效N含量高于针叶林。

3.5 不同林分土壤养分综合效应评价

研究5个林分类型综合评价土壤养分效应，对各样地所测的三层原始数据的加权平均值进行标准化处理，结果见表4。将5个林分类型的7项指标转化为7个成分。由表5可以看出，前3个成分的累计贡献率为99.645%，表明前3个主成分已经把5个林分类型的99.645%信息反映出来，且前3个主成分的特征值均大于1，介于1.418～4.000。因此，前3个成分可以较好的反映出各评价指标所包含的综合信息。根据各性状相关矩阵的特征向量（表6）可构造土壤养分效应评价函数，3个主成分的权重依次为：0.573，0.223，0.203；5种不同林分的综合得分和排名如表7所示。

表4 不同林分评价指标标准化数据

表5 主成分初始特征值

由表7可知，不同林分类型土壤养分效应评价值表现为：白桦纯林（1.122）＞核桃楸纯林（0.203）＞蒙古栎纯林（0.106）＞油松纯林（－0.261）＞落叶松纯林（－0.819）。

表6 主成分得分系数矩阵

表7 不同林分类型综合效应评价结果

4 结论与讨论

5种不同林分综合排序为白桦纯林＞核桃楸纯林＞蒙古栎纯林＞油松纯林＞落叶松纯林。白桦纯林的林龄最大，为39a，且其土壤有机质、全P、全N、速效P和碱解N含量均是5种林分类型中最高的；且处于半阴坡，坡度21°较平缓，郁闭度0.7也较大，海拔1 480m，是5种林分类型中最大的。核桃楸纯林和蒙古栎纯林均为阔叶林，其枯枝落叶层积累的腐殖质均高于针叶林，且树种根系发达，有助于有机质的积累，核桃楸纯林土壤类型为褐土，而蒙古栎纯林土壤类型为棕壤，本有的土壤肥力核桃楸纯林高于蒙古栎纯林。油松纯林和落叶松纯林均为针叶树种，根和枝叶积累的有机质较少；油松纯林海拔最低，且处于阳坡，树木生长状况较好，枯枝落叶层分解速度较快，积累的营养物质高于落叶松纯林；落叶松纯林，坡度较低，仅为11°，枯枝落叶不易积累，处于阴坡，接收阳光较少，生长状况不良，枯枝落叶层不易分解，积累的营养物质最少。

5种不同林分的土壤pH值均为弱酸性，蒙古栎纯林和白桦纯林随土层增加pH值减小；油松纯林和核桃楸纯林均随土层增加先减小后增大，落叶松纯林随土层增加先增大后减小；土壤有机质含量油松纯林随土层深度增加而增大，其它林分类型随土层增加而减小，阔叶林的土壤有机质普遍大于针叶林的；随土壤厚度的增加，土壤速效养分含量和土壤全量养分含量呈现递减的趋势，全N含量大于全P含量，阔叶林大于针叶林；土壤速效K含量均值蒙古栎纯林最大油松纯林最小，土壤速效P含量白桦纯林最大油松纯林最小，碱解N含量白桦纯林最大蒙古栎纯林最小。不同林分类型土壤养分综合效应评价白桦纯林最大，落叶松纯林最小。

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