长白山云冷杉混交林不同针阔比与土壤养分的关系1)

贺燕 张青 亢新刚 张梦弢 徐光 杨英军

(北京林业大学，北京，100083) (吉林省汪清林业局)

责任编辑:王广建。

土壤为森林植物生长发育提供所必须的营养元素［1］，是影响森林生产力的最主要因素，影响并控制林木的健康状况［2］。因此，土壤质量的优劣在一定程度上反映森林的总体质量。而林分树种的差异，对土壤养分也有影响。研究发现大叶栎林分具有明显的改良土壤的作用(土壤毛管持水量、土壤总孔隙度比红锥、顶果木最高)［3－4］;Sun 等［5］研究发现不同类型林分的土壤碳质量分数不同，北美云杉和西部铁杉林分土壤碳质量分数最高;长期营造针叶纯林，土壤酸化程度增加，理化性质变劣［6－7］;方伟东等［8］分析了长白山金沟岭林场的原始林、云冷杉林、杨桦次生林和人工阔叶松林四种林型的土壤理化性质和水源涵养功能，得到不同林型间土壤特征及水源涵养功能的差异规律;耿玉清等［9］对长白山林区次生云冷杉林、人工落叶松纯林、天然云冷杉林土壤肥力状况进行了研究，得到云冷杉林的有机质、全氮、速效磷质量分数最高。上述研究虽然分析了云冷杉林型的土壤理化性质和养分状况，但并没有研究云冷杉林不同针阔比与土壤养分的变动关系及评价不同针阔比林分土壤养分状况。为了使土壤养分保持最优状态，同时优化树种组成，有必要对不同针阔比云冷杉林土壤养分进行分析和评价。以汪清林业局金沟岭林场云冷杉林为研究对象，分析不同针阔比土云冷杉林壤养分的变化趋势及其相互关系，以期为云冷杉林经营(如抚育、间伐等)提供一定的理论参考。

1 研究区概况

研究林区位于吉林省汪清县林业局金沟岭林场，该区属于长白山老爷岭山脉雪岭支脉。地貌类型为低山丘陵;海拔高度在300～1 200 m，坡度5°～25°;气候类型为温带大陆性季风气候，年平均气温3.9 ℃;年降水量600～700 mm;根据1981—1984年汪清县土壤普查资料，该区属灰化土灰棕壤，母岩为玄武岩，土壤多为针叶林灰棕壤，沟谷是草甸土、泥炭土(沼泽土或冲积土)，土壤结构普遍为黏壤土，平均土层厚度40 cm。

研究区内主要针叶树种有臭冷杉(Abies nephrolepis)、鱼鳞云杉(Picea jezoensis)、红松(Pinus koraiensis)、红皮云杉(Picea koraiensis)等，阔叶树种为椴木(Tilia L)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、色木槭(Acer mono)、春榆(Ulmus propingqua)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、山槐(Sophora L)、蒙古栎(Quercus mongolica)等，下木主要有暴马丁香(Syringa amurensis)、毛榛(Corylus mandshurica)、忍冬(Lonicera japonica)、卫矛(Euonymus alatus)等。主要地被植物为禾本科草类及少数灌木，如柳叶绣线菊(Speraea salicifolia)、溲疏(Deutzia amurensis)珍珠梅(Sorbaria sorbifolia)等。

2 研究方法

2.1 样地布设与选取

经实地踏查和原有固定标准地资料，选择有代表性的不同针阔比的云冷杉林样地7 块(样地大小40 m×50 m)。为避免误差，样地选择时，保证地形条件(海拔、坡向、坡度)、林分特征因子(郁闭度、密度)尽量一致。样地基本资料见表1。

表1 云冷杉样地基本情况

2.2 土壤分析方法

在每个样地挖取4 个1.0 m×1.5 m 的土壤剖面，在最能反映土壤养分状况的A1 层(即腐殖质层)［10］，根据梅花点取样法，用环刀(体积100 cm3)和小铝盒取土，每个样地取土样20 个，共计140 个土壤样品。将土壤样品带回实验室风干、分检、研磨，然后对土壤有机质、全N、全K、全P、碱解N、速效K、有效P 等指标进行测定，并测定土壤pH 值。有机质采用重铬酸钾氧化－外加热法;全N 采用半微量凯氏定氮法;全P 采用氢氧化钠熔－钼锑抗比色法;全K 采用氢氧化钠熔－火焰光度法;碱解N 采用碱解扩散法;有效P 采用氯化铵(0.03 mol·L－1)盐酸(－0.025 mol·L－1)浸提法;速效K 采用乙酸铵(1 mol·L－1)浸提火焰光度法;pH 采用电位法［11－13］。

2.3 统计方法

对土壤养分指标(有机质，全N、全K、全P、碱解N、速效K、有效P 及土壤pH 值)分别运用单因素方差分析法、多重比较分析法进行分析。

本文利用目前广泛应用的土壤养分综合评价方法［10，14－16］，该方法消除了不同土壤养分指标单位不同所带来的不可综合的问题，首先运用模糊线性隶属度函数确定土壤养分评价因素的等级指标，经过隶属函数标准化后，所有指标都转化为0.1～1.0 的无量纲值。且越接近1 代表此评价指标越接近“理想”值，即1 是土壤质量最“理想”的值，0.1 是土壤质量最差的值。根据土壤评价指标对应的隶属函数模型的一般原则［14－15，17］，土壤pH 值采用峰值型(也称抛物线型)隶属度函数模型，该类模型中指标在一定范围内，对树木生长影响最佳，偏离该范围，对树木生长不利。土壤有机质、N、P、K、碱解N、有效P、速效K 采用戒上型(也称S 型)隶属度函数模型，该类模型中，指标在一定范围内，与土壤养分呈正相关，低于或超过这个范围，效用趋于恒定。

峰值型隶属度函数模型:

戒上型隶属度函数模型:

式中:U 为评价指标的上限值，L 为评价指标的下限值，o1、o2为评价指标最优值，x 为各指标实测值。

采用主成分分析法确定各养分指标的权重。主成分分析法(PCA)是将多个错综复杂的成分，归结为数量较少的几个因子作综合分析的一种多元统计方法［17］。本文运用统计软件计算得到的各主成分贡献率和特征值，选择能够代表原变量信息的主成分因子负荷量确定各指标权重。最后根据加乘法则计算各针阔比林分土壤的养分综合指标值(IFI)，计算公式为式中:n 表示某样地所有养分指标;Wi和F(Xi)分别表示第i 种指标的权重系数和隶属度值，该值即为总的土壤养分得分值，反映不同针阔比样地的土壤养分状况的综合水平，是进行土壤养分比较和划分土壤等级的依据。土壤质量划分为高(IFI＞0.7)、中(0.5～0.7)、低(＜0.5)三级［17］。本研究所有统计均采用软件SPSS 19.0 进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤pH 值

经单因素方差分析以及多重比较，不同针阔比样地的pH 值差异显著，所有云冷杉林样地土壤整体偏酸性(见表2)。由表2可知，pH 值介于4.70～5.02。最大值为5.02，针阔比4 ∶6;最小值为4.70，针阔比9 ∶1。pH 值由大到小的顺序为:Z4K6、Z2K8、Z6K4、Z5K5、Z7K3、Z8K2、Z10。随着林分中阔叶树的增加，pH 值呈增大趋势，即林地酸性逐渐减弱。

表2 云冷杉林不同针阔比林分土壤pH 值

3.2 土壤有机质

方差分析表明云冷杉林不同针阔比林地的有机质质量分数差异显著(见表3)。由表3可知，土壤有机质质量分数与针阔比关系显著。随着林分中阔叶树种比例的增加，有机质质量分数呈单峰状分布。有机质质量分数由高到低的顺序为:Z7K3、Z4K6、Z5K5、Z6K4、Z2K8、Z8K2、K10。在Z7K3 时，即针阔比为7 ∶3 时达到最高值(4.10%)，说明此时凋落物分解状况好，腐殖质较其他样地多。在Z6K4 和Z5K5 时，也能保持较高有机质质量分数，随后向两侧逐渐减少。在Z10 时最低(1.88%)，且与其他针阔比林分质量分数的差异极显著(α=0.05，p＜0.01)。原因是纯针叶林的有机质分解速率、微生物及细菌(例:氨化细菌)数量少于针阔混交林［18－19］。

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表3 云冷杉林不同针阔比林分土壤有机质质量分数 %

3.3 土壤全量养分质量分数

全N、全P、全K 三种养分指标质量分数在不同针阔比林分土壤中均差异显著(见表4)。由表4可知，全氮质量分数全部大于全P、全K 质量分数。全N 和全P 随着林分内阔叶树种的减少，整体呈增大趋势，反映了针叶树的增加促进了N、P 的积累，也在一定程度上说明森林演替过程，即顶级针叶树种增加的过程促进全氮和全磷的积累，与孟京辉［20］的研究结果吻合。全N 质量分数在Z8K2 样地最高(0.32%)，其次在Z7K3 和Z10 时，也保持了较高的质量分数;且这三块样地与其他样地中的质量分数具有极显著差异(a=0.05，p＜0.01);最低值出现在Z2K8(0.22%)。

全P 质量分数在Z7K3 样地质量分数最大，达到0.104%，并显著高于其他样地全磷质量分数，然后是Z8K2 样地，最小值出现在Z4K6。除针阔比7 ∶3 的样地外，其他样地全磷质量分数差异不明显，说明当针阔比是7 ∶3 时，土壤中全磷质量分数最丰富。

全K 质量分数曲线没有明显的规律性，最高值出现在Z8K2 样地，质量分数为0.369%，而在Z7K3样地也保持了较高的质量分数，两块样地之间质量分数差异不显著，但都与其他针阔比样地全钾质量分数差异显著。3 种养分指标最大值分别出现在Z7K3 和Z8K2 样地，而这两块样地的土壤有机质质量分数也是最高的，这揭示了该天然林中土壤N、P、K 部分来源于有机质分解。

表4 云冷杉林不同针阔比土壤全N、全P、全K 质量分数 %

3.4 土壤速效养分质量分数

方差分析结果见表5。由表5可知，碱解N 和速效K 质量分数在不同针阔比云冷杉林中差异不显著。碱解氮质量分数由大到小的排序为:Z8K2、Z2K8、Z10、Z4K6、Z7K3、Z6K4、Z5K5;速效钾质量分数由大到小的排序为:Z6K4、Z10、Z2K8、Z7K3、Z5K5、Z8K2、Z4K6;有效P 在各林地中质量分数差异显著，质量分数最大值出现在Z7K3 样地(18.57 mg·kg－1)，与Z5K5 样地差异不显著，与其他多有样地差异极显著，质量分数由大到小的排序为:Z7K3、Z5K5、Z10、Z6K4、Z8K2、Z2K8、Z4K6。土壤速效养分质量分数最高值分别出现在Z8K2 和Z6K4 样地，全量养分质量分数较大值也出现在Z8K2、Z7K3 和Z6K4 样地，说明速效养分质量分数与全量养分质量分数有一定正相关性。

表5 云冷杉林不同针阔比土壤速效养分质量分数 mg·kg－1

3.5 不同针阔比土壤养分综合评价

3.5.1 隶属度函数曲线临界值的确定

对各养分指标异常数据进行平均值±2 倍离差剔除，使数据服从正态分布或对数分布，对已矫正数据做频率直方图，依据x±0.5λ，x±2λ(x 为各指标平均值，λ 为标准差)进行3 级和5 级的划分，为使无量纲化数据具有可比性，避免出现过多的极值，根据试验地区实际情况进行调整。隶属度函数曲线临界值见表6。

表6 各指标隶属度函数曲线临界值

由表7可知，第2 主成分累计贡献率(72.803%)足以代表原变量的信息，且主成分1、2 特征值都大于1，所以选择主成分1 和2 的分子负荷量，计算各指标权重，结果见表8。

表7 土壤养分指标主成分特征值和贡献率

表8 各项指标加权因子负荷量和权重

由表8可知，全N 权重系数最大(0.202)，其次为速效钾(0.192)，说明二者对土壤养分贡献较大。pH 值占权重最小，说明所研究林分的pH 值对土壤养分综合质量分数影响不大。

3.5.3 土壤养分综合指标值

土壤养分综合指标值计算结果见表9。

表9 各针阔比林分土壤养分综合指标值

由表9可知，实验区云冷杉林土壤养分总体中等偏好。针阔比为7 ∶3 时，土壤养分综合指标值最高(0.750);其次针阔比为6 ∶4 和8 ∶2 的林分;最低值出现在10 成针叶树样地。土壤养分综合指标值由大到小排序为:Z7K3、Z6K4、Z8K2、Z2K8、Z4K6、Z5K5、Z10。

4 结论与讨论

基于土壤养分综合评价方法研究长白山重要林型之一的云冷杉针阔混交林的针阔比与土壤养分的关系。采用模糊线性隶属度函数标准化所有养分指标，主成分分析法确定权重系数，用综合指数法对土壤养分进行计算及综合评价。并得出初步结论，即在该林区进行云冷杉林林分抚育或间伐等经营措施时，保持针阔比7 ∶3 为宜，该针阔比林分土壤养分综合指标值最高，即土壤有机质和土壤全N、全P、全K、有效P、碱解N 质量分数相对较高。

土壤养分与混交比之间存在一定规律。即随着林分内阔叶树种的增多，林地土壤pH 值具有增大趋势，说明阔叶树能够降低土壤酸性。有研究表明，长期单纯营造针叶纯林，导致土壤酸化和微生物活力降低，极不利于枯落物和腐殖质的分解和转化，林分养分还原能力弱，不能很好的保存和积累土壤养分［6－7］，土壤养分综合指标值的计算结果也说明了纯针叶林土壤养分较差。

有机质质量分数最多的样地是Z7K3 和Z8K2，全N、全P、全K、碱解N、有效P 质量分数最高值也出现在这两块样地中，说明有有机质是土壤肥力的基础，是土壤N、P、K 等主要来源，是土壤养分重要的指标［21］。同时，土壤有机质也是土壤抗腐蚀性的重要指标，Cihacek 等［22］研究发现，丰富的有机质有利于形成良好的土壤结构，增加土壤的疏松度、通透性和土壤的抗蚀能力。有机质质量分数高的样地(Z7K3、Z8K2)土壤结构好、抗腐蚀能力强且土壤养分综合质量分数高。

土壤全N、全P、全K 是土壤肥力高低的重要指标。氮素是植物体必须元素之一，也是土壤养分中最重要的元素组成部分;磷素是成土母岩分化后释放的沉积矿物，供植物吸收;钾是地壳中较丰富的营养元素之一，在森林植物生物化学和生态生理中起着重要的作用［23］。全N、全P、全K 质量分数是衡量土壤N、P、K 的供应容量的指标，反映土壤的总体供应N、P、K 的水平［9］。研究发现，土壤全K 质量分数高于全N 和全P 质量分数，土壤全N 和全P 质量分数随着林分阔叶树种比例的减少，呈增加趋势。说明森林的正向演替有利于N 和P 的积累，但是纯针叶林地土壤养分偏低。汪思龙等［24］研究认为杉阔混交林的土壤养分质量分数明显高于杉木纯林土壤。

林地土壤养分质量分数很大一部分来源于林木凋落物。已有研究表明针叶中含有大量木质素和植物单宁等难分解物质［10］，Hemingway R W 等［25］认为植物单宁对微生物具有广谱的抑制性，给植物单宁的生物降解带来一定的困难，同时，单宁的化学结构复杂，结构差异大，结构上的多样性也增加了单宁降解的难度，因此，针叶树的叶子比阔叶树的叶子难分解。由于阔叶树枯枝落叶量大且易分解，能很好的补充土壤养分，提高林地腐殖质的质量分数。严海元等［26］研究表明林地多样的凋落物能够为微生物提供多样的生态位，因而针阔混交林样地比纯阔叶林和纯针叶林拥有更多适应性的微生物存在，从而有更高的分解速率，即混交林土壤养分更高。此外，Kubartovà［27］通过研究法国南部温带森林凋落物分解过程中的真菌多样性，发现在分解后期(24 个月)，欧洲山毛榉和挪威云杉混合凋落物样品中的真菌丰富度显著高于单一树种凋落物中真菌丰富度，且混合凋落物的分解率也显著高于单一的山毛榉和云杉凋落物。因此，证明针阔混交林分土壤养分质量分数更高。同时表明当针叶树和阔叶树达到一定比例时，土壤养分质量分数才能达到最大值。根据文中土壤养分综合评价结果，云冷杉针阔混交林针阔比为7 ∶3 时，林地土壤养分质量分数最高。

本文研究结果与前人对于林分最优针阔混交比研究的结果一致。李菁等［28］基于生物多样性保护能力最大，确定了兴安落叶松与白桦最佳混交比例，即针阔比介于5 ∶5～7 ∶3 时，最有利于森林多样性保护，是林分疏伐的理想模式;黄云鹏［29］对红锥与杉木混交林不同比例林分进行研究，通过分析林分平均胸径、树高、蓄积量，得出在相似郁闭度下，7 杉3 锥林分混交比例最佳，最有利于实现林分经济效益。本文并未讨论优势树种或者某些特定树种最佳混交比例，本林区树种最佳混交比例有待进一步研究。

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