坡向、坡位对泡桐人工林土壤养分空间分布的影响

张顺平，乔 杰，孙向阳，王保平，王炜炜，崔令军，于 鑫

(1.北京林业大学，北京100083；2.国家林业局 泡桐研究开发中心，河南 郑州 450003)

坡向、坡位对泡桐人工林土壤养分空间分布的影响

张顺平1，乔 杰2，孙向阳1，王保平2，王炜炜2，崔令军2，于 鑫1

(1.北京林业大学，北京100083；2.国家林业局 泡桐研究开发中心，河南 郑州 450003)

为选择适宜泡桐生长的坡向坡位，对湖北省咸宁市浅山丘陵区不同坡向和坡位的土壤养分空间分布差异进行了测定、比较和分析。结果表明：①坡位对有机质含量、全氮含量、有效钾含量和有效磷含量空间分布的影响均达显著及以上程度，坡向和坡向与坡位的交互作用对土壤有效P、有效K空间分布的影响多达极显著程度。②对4项养分指标在0～40cm土层范围内的标准化数据进行聚类分析，可将12个坡向坡位划分为3类，其中第1类为东坡下部、南坡下部、西坡下部、北坡下部；第2类为北坡上部、北坡中部、东坡上部、东坡中部；第3类为南坡上部、西坡上部、南坡中部、西坡中部。③在此3类坡向坡位中，第1类与第2类相比较，土壤有机质含量高29.02％，全氮含量高28.77％，有效磷含量高257.37％，有效钾含量高23.69％，可视为最适宜的坡向坡位；第2类与第3类相比，有机质含量高7.84％，全氮含量高11.30％，有效磷含量低76.56％，有效钾含量低5.59％，整体较第1类坡向坡位差。

泡桐人工林；坡向；坡位；土壤养分；空间分布；聚类分析

泡桐Paulownia spp.是我国重要的优质、速生、多用途树种，在我国农林业生产、生态工程建设和出口创汇方面一直发挥着十分重要的作用。南方低山丘陵区是适宜建立泡桐速生丰产商品林基地的重要区域，在林业和生态建设工程的推动下，近几年的泡桐发展十分迅速，仅在湖北省咸宁市和江西省上饶市的栽培面积已超过1.33 万hm2。随着泡桐在该区域的发展，盲目选地整地问题日益突出，选择适宜的立地条件势在必行。地形因素可以通过影响土壤的微气候、土壤的理化性质、植被的生长等途径影响人工林的生长质量，即使很小的地形变化也会造成短距离内土壤条件的剧烈变化[1]。坡向、坡位作为重要的地形因子，经常运用在对人工林生长及其材性的影响研究中[2-7]。不同坡向的坡面由于其水热条件的差异，造成土壤含水量变异明显[8]。坡向和坡位也是影响土壤有机质空间分布及其腐殖化和矿化过程的重要因素[9]。但是目前对于低山丘陵区土壤养分状况在坡向、坡位尺度上的空间分布特征的研究仍然不够深入。

本文中以咸宁市石城镇低山丘陵区的5年生泡桐9501无性系人工林地为研究对象，研究不同坡向、坡位土壤养分空间分布的差异，旨在为当地的泡桐发展选择适宜的立地条件，确定适合泡桐生长的最佳坡向、坡位，为泡桐的可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖北省咸宁市崇阳县石城镇，北纬 29°32′，东经 113°48′，海拔高 180m，为典型的低山丘陵区，坡度15°～25°，土壤为黄红壤，质地为中壤土。该区属亚热带季风气候，日照充足，雨量充沛，平均气温15.8℃，年均降水量1 988.5mm，相对湿度为80％。自然植被主要以杉木Cvnninghamia lanceolata、栎类Quercus、胡枝子Lespedeza、芒Miscanthus为主的稀树灌草丛及小块雷竹Ventricousinternode丛。在2008年春按梯田状整地，同年4月统一采用9501泡桐无性系1年生根桩造林，根桩基径为3～4cm，株行距为4m×5m。

1.2 样地的设置与调查

2013年6月在该泡桐试验基地范围内，按4个坡向(东坡、南坡、西坡、北坡)、3个坡位(上部、中部、下部，各部均占坡面长度的1/3)布设样地。在同一坡向坡位内按“品”字形设置3次重复，共设立25m×25m的固定观测标准地36块。在样地内进行林分结构和立地特点调查(见表1)。每块样地内土壤剖面统一挖深至1m，并进行机械分层(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm)，观察记录土层有效厚度、土壤中石砾含量情况等，分层采集原状土带回实验室测定分析。土壤样品测定项目包括：土壤密度、土壤的pH值、有机质、全氮、有效磷、有效钾。

表1 样地立地条件Table 1 Site conditions of plots

1.3 土壤理化性质的测定

土壤密度采用环刀法测定，土壤pH值采用玻璃电极法测定，有机质采用重铬酸钾-硫酸溶液-油浴法测定，全氮采用半微量开氏法测定，有效磷、有效钾采用国际最新浸提方法(Mehlich3)浸提。大量研究表明Mehlich3法与常规方法测定具有极显著的相关性[10-11]，Mehlich3浸提法的有效磷跟国家标准方法(Bray1)的换算关系为：y=1.2+0.93x(pH值＜6.5)；y=2.7+0.98x(pH值6.5～7.3)；Mehlich3浸提法的有效钾跟国家标准方法(1mol/L乙酸铵溶液)的换算关系为：y=15+0.82x(pH 值＜6.5)；y=14+0.83x(pH 值6.5～7.3)，y=24+0.73x(pH值7.3～8.2)。

1.4 统计方法

数据处理和分析采用Excel2007和SPSS15.0软件。

坡向、坡位间土壤养分空间分布差异性采用双因素方差分析方法。在此基础上，选择相关指标，将其统一标准化到0～1的范围内，采用分层聚类法中的最远邻法[12]对12个坡向和坡位进行综合分类、评价和选择。

2 结果与分析

2.1 不同坡向、坡位土壤有机质空间差异

土壤有机质在同一坡向不同坡位相同土层中整体表现为坡上部位各土层中含量最小，坡中和坡下整体较坡上部位大，且表现为交替变化(见图1)。北坡在0～20cm土层中土壤有机质含量表现为坡下＞坡中＞坡上，20～40cm土层中表现为坡下＞坡中≌坡上，40～60cm土层中表现为坡下＞坡上＞坡中，60～100cm土层中均表现为坡中＞坡上＞坡下；东坡在0～40cm土层中均表现为坡中＞坡下＞坡上，40～80cm土层中均表现为坡上＞坡下＞坡中，在80～100cm土层中表现为坡上＞坡中≌坡下；南坡在0～20cm土层中表现为坡中＞坡下＞坡上，20～40cm土层中表现为坡下＞坡上≌坡中，40～100cm土层中均表现为坡下＞坡中＞坡上；西坡在0～20cm土层中表现为坡中＞坡下＞坡上，20～40cm土层中表现为坡下＞坡中＞坡上，60～100cm土层中均表现为坡中＞坡下＞坡上。

图1 不同坡向、坡位土壤有机质含量变化趋势Fig.1 Trends of soil organic matter contents in different aspect,slope position

不同坡向坡位土壤有机质含量在0～100cm土层中的垂直变化趋势均呈折线变化。坡上部位，北坡、东坡和西坡土壤有机质含量变化趋势相同，即0～60cm土层中均随土层深度增加而先减少后增加，60～100cm土层中均随土层深度增加减少；南坡随土层深度增加波动式减少。坡中部位，北坡和南坡在0～80cm土层中变化趋势相同，均随深度增加而减小，80～100cm土层中北坡随深度增加而减少，南坡随深度增加略增加；东坡和西坡在0～40cm土层中均随深度增加略增加，40～100cm土层中东坡随深度增加而先减少后增加，西坡随深度增加先增加后减小。坡下部位，北坡和东坡变化趋势相同，即0～100cm土层中均随深度增加而减少；南坡和西坡在0～80cm土层中变化趋势相同，均随深度增加而先增加后减少，80～100cm土层中南坡随深度增加而减少，西坡随深度增加而增加。总体上看，在0～100cm的土层中，不同坡向、坡位土壤有机质含量呈波动式减少趋势。

2.2 不同坡向、坡位土壤全N空间差异

土壤全N在同一坡向不同坡位相同土层中同样整体表现为坡上部位各土层中含量最小，坡中和坡下整体较坡上部位大，且表现为交替变化(见图2)。 北坡在0～40cm土层中土壤全N含量均表现为坡下＞坡中＞坡上，40～60cm土层中表现为坡下＞坡上≌坡中，60～100cm土层中均表现为坡中＞坡下＞坡上。东坡在0～40cm土层中均表现为坡中＞坡下＞坡上，40～100cm土层中均表现为坡上＞坡下＞坡中。南坡在0～20cm土层中表现为坡中＞坡下＞坡上，20～100cm土层中均表现为坡下＞坡中＞坡上。西坡在0～40cm土层中均表现为坡下＞坡中＞坡上，40～80cm土层中均表现为坡中＞坡下＞坡上，80～100cm土层中表现为坡中≌坡下＞坡上。同一坡向内，土壤全N在不同坡位0～40cm土层中，均表现为坡下、坡中＞坡上；在40～100cm土层中，除东坡上部、北坡中部外，均表现为坡下、坡中＞坡上，坡下、坡中呈现交替变化。

图2 不同坡向、坡位土壤全N含量变化趋势Fig.2 Trends of soil TN contents in different aspect,slope position

坡上部位，北坡在0～100cm土层土壤全N随深度增加而先增加后减少，变化幅度较小，在40～60cm土层中达到最大值(0.66g/kg)；东坡在0～100cm土层随深度增加波动式减少；南坡在0～100cm土层随深度增加而减少；西坡在0～80cm土层随深度增加而减少，80～100cm土层随深度增加而增加；后三者均在0～20cm土层含量最大，分别为0.79、0.93、0.86g/kg。坡中部位，北坡和东坡垂直变化趋势相同，即0～100cm土层中随深度增加而减少；南坡在0～80cm土层随深度增加而减少，80～100cm土层随深度增加几乎保持恒定；西坡在0～100cm土层随深度增加而先减少后增加进而又减少，40～60cm土层中含量最大为0.97g/kg；前三者均在0～20cm土层含量最大，分别为0.93、1.16、1.05g/kg。坡下部位，北坡和东坡垂直变化趋势相同，即0～100cm土层中随深度增加而减少，均在0～20cm土层中含量最大，分别为1.22、1.01g/kg；南坡和西坡在坡下部位0～80cm土层中土壤全N垂直变化趋势相同，即0～80cm土层中随深度的增加而先增加后减少，80～100cm土层中南坡随深度增加几乎保持恒定，北坡随深度增加而增加，二者均在20～40cm土层中达到最大值，分别为1.20、0.95g/kg。

2.3 不同坡向、坡位土壤有效P空间差异

土壤有效P在同一坡向不同坡位相同土层中整体表现为坡上部位各土层中含量最小，坡中和坡下整体较坡上部位大，且表现为交替变化(见图3)。土壤中有效P在同一坡向不同坡位同一土层中差异较大，北坡在0～20cm和40～60cm土层中表现为坡下＞坡中＞坡上，20～40cm土层中含量非常接近，从坡上到坡下依次为1.86、1.91、1.94mg/kg，60～80cm土层中表现为坡下＞坡中≌坡上，80～100cm土层中表现为坡中＞坡下＞坡上。东坡在0～60cm和80～100cm土层中表现为坡中＞坡下＞坡上，60～80cm土层中表现为坡下＞坡中＞坡上。南坡在0～20cm和60～100cm土层中大致表现为坡中＞坡下≌坡上，20～60cm土层中均表现为坡下＞坡中＞坡上，80～100cm土层中表现为坡中＞坡上＞坡下。西坡在0～20cm土层中表现为坡下＞坡中＞坡上，20～40cm土层中表现为坡下＞坡上＞坡中，40～60cm土层中表现为坡中＞坡上＞坡下，60～80cm土层中均表现为坡上＞坡中＞坡下，80～100cm土层中均表现为坡上≌坡中＞坡下。

图3 不同坡向、坡位土壤有效P含量变化趋势Fig.3 Trends of soil effective phosphorus in different aspect,slope position

坡上部位，北坡和西坡土壤有效P垂直变化趋势相同，即0～100cm土层中随深度增加呈波动式减少，均在20～40cm土层中含量最大，分别为1.86、7.24mg/kg；东坡在0～100cm土层中随深度增加而先增加后减少，但是幅度不大，40～60cm土层中含量最大，为1.24mg/kg；南坡在0～100cm土层中随深度增加而先减少后增加，0～20cm土层中含量最大，为6.84mg/kg。坡中部位，北坡和南坡在0～80cm土层中变化趋势相同，均随深度增加而减少，在80～100cm土层中，北坡随深度增加而增加，南坡随深度增加而减少，均在20～40cm土层中含量最大，分别为2.69、9.85mg/kg；东坡在0～60cm土层中随深度增加而增加，60～100cm土层中随深度增加先减少后增加，40～60cm土层中含量最大，为7.08mg/kg；西坡在0～60cm土层中随深度增加而先减少后增加，60～100cm土层中随深度增加而减少，0～20cm土层中含量最大，为8.01mg/kg。坡下部位，北坡和东坡垂直变化趋势相同，即0～100cm土层中随深度增加先增加后减少进而又增加，北坡在0～20cm土层中含量最大，为3.80mg/kg，东坡在60～80cm土层中含量最大，为5.82mg/kg；南坡在0～100cm土层中随深度增加先增加后减少，20～40cm土层中含量最大，为8.96mg/kg；西坡在0～80cm土层随深度增加而减少，在80～100cm土层，随深度增加略增加，0～20cm土层含量最大，为9.92mg/kg。

2.4 不同坡向、坡位土壤有效K空间差异

土壤有效K在同一坡向不同坡位相同土层中整体表现为坡上部位各土层中含量最小，坡中和坡下整体较坡上部位大，且表现为交替变化(见图4)。北坡在0～20cm土层中土壤有效K含量表现为坡中＞坡下＞坡上，20～40cm土层中表现为坡下＞坡上＞坡中，40～100cm土层中均表现为坡上＞坡中＞坡下。东坡坡上部位各土层中含量均最大，坡中和坡下部位交替变化。南坡坡下部位各土层中含量均最大，0～20cm土层中表现为坡中＞坡上，20～60cm土层中含量接近，60～100cm土层中表现为坡上＞坡中。西坡坡上和坡下部位在0～20、40～80cm土层中含量接近，各土层中整体表现为坡下＞坡上＞坡中。

图4 不同坡向、坡位土壤有效K含量变化趋势Fig.4 Trends of soil effective potassium in different aspect,slope position

东坡、南坡和西坡在坡上部位土壤有效K垂直变化趋势相同，即:在0～100cm土层中随深度增加先减少后增加进而又减少，均在0～20cm土层中含量最大，分别为84.40、82.99、100.21mg/kg；北坡在0～100cm土层中随深度增加而波动，但是幅度不大，80～100cm土层中含量最大，为90.45mg/kg，与0～20cm土层中含量接近。北坡和东坡在坡中部位0～100cm土层中变化趋势相同，均随深度增加而减小；南坡在0～100cm土层随深度增加先减少后增加进而又减少；西坡在0～100cm土层随深度增加先减少后增加。四者均在0～20cm土层中含量最大，分别为127.89，64.08，88.69和96.39mg/kg。北坡、南坡和西坡在坡下部位垂直变化趋势相同，即：0～100cm土层中随深度增加先减少后略增加，东坡在0～100cm土层中随深度增加而减少，四者均在0～20cm土层含量最大，分别为116.17、132.04、101.46、70.60mg/kg。

2.5 不同坡向、坡位土壤养分空间分布差异性

为探究坡向、坡位对土壤有机质、全N、有效P、有效K含量的影响及其显著性水平，对各项指标作坡向、坡位双因素方差分析，结果见表2。

表2 不同坡向、坡位土壤养分差异性分析结果Table 2 ANOVA results of soil nutrient contents in different aspect, slope position

土壤有机质仅在坡位间达到显著差异(p＜0.05)，土壤全N仅在坡位间差异达极显著程度(p＜0.01)；土壤有效P在坡向、坡位及其二者的交互作用间均达到极显著差异(p＜0.01)，土壤有效K在坡向、坡位及其二者的交互作用间均达到显著以上差异(p＜0.05)，由此可见，相对于坡向而言，各项指标整体更易受到坡位的影响。因此，泡桐人工林立地选择过程中，若能充分考虑坡向，尤其是坡位的影响，优化经营方式，将有助于改善立地土壤环境，提高泡桐人工林的生长质量状况。

2.6 不同坡向、坡位土壤养分的聚类分析

由于该试验区内泡桐人工林根系生长深度大多集中在地下0～40cm土层，故在分析坡向坡位间生长差异性的基础上，采用最远距离聚类方法对12个坡向坡位上0～40cm土层范围内土壤有机质、全氮、有效磷、有效钾4项指标的标准化数据进行聚类。聚类分析的结果表明，12个坡向坡位可分为3类(见图5)，其中：第1类为东坡下部、南坡下部、西坡下部、北坡下部；第2类为北坡上部、北坡中部、东坡上部、东坡中部；第3类为南坡上部、西坡上部、南坡中部、西坡中部。

图5 不同坡向、坡位土壤养分聚类结果Fig.5 Clustering results of soil nutrient in different aspect,slope position

对该3类坡向坡位的立地因子进行比较和分析(见表3)表明，第1类与第2类相比较，有机质高29.02％，全氮高28.77％，有效磷高257.37％，有效钾高23.69％，土层有效厚度高21.52％，土壤密度高5.08％，石砾百分含量低27.57％；第2类与第3类相比，有机质高7.84％，全氮高11.30％，土层有效厚度高3.78％，石砾百分含量低9.13％，土壤密度低2.84％，有效磷低76.56％，有效钾低5.59％。

表3 各类坡向坡位土壤肥力特征比较†Table 3 Fertility characteristics comparison between 3 categories slope direction,position

3 结论和讨论

研究表明，第1类包括东坡下部、南坡下部、西坡下部、北坡下部，可初步视为最适宜的坡向坡位；第2类的北坡上部、北坡中部、东坡上部、东坡中部和第3类的南坡上部、西坡上部、南坡中部、西坡中部土壤肥力状况整体不如第一类。以上聚类结果总体表现为同一坡向的下部比中上部土壤肥力质量更高，这与坡下部位林分生长较好有关，对增加土壤有机质含量有重要的影响。研究中之所以把土壤有机质作为坡向坡位综合评价指标之一，是因为有机质是土壤肥力的基础物质，是土壤中最活跃的部分，对土壤肥力的高低产生巨大的影响[13]。

本研究中，试验区范围内土壤有机质仅在坡位间达到显著差异(p＜0.05)，土壤全N仅在坡位间差异达极显著程度(p＜0.01)；土壤有效P和有效K在坡向间和坡向与坡位的交互作用间的差异性也均达到显著以上程度。

土壤有机质、全N、有效P和有效K含量在同一坡向不同坡位相同土层中，多表现为坡下、坡中部位高于坡上部位，0～40cm土层中范围内尤为明显。土壤养分表聚性明显，最大值大多出现在0～20cm土层中，少数坡向坡位上最大值出现在20～40cm土层范围内，个别出现在40～80cm土层范围内，可能是由于按梯田状造林整地过程中，部分上一级梯田表层土壤被人为翻埋到下一级梯田下层土中所致。

在生态系统中，土壤是维持林木健康生长的基础，其肥力特征影响并控制着林木的健康状况[14]。坡向、坡位作为重要的立地因子，直接或间接地影响土壤养分的空间分布。坡向的影响可能通过接受光照的变化来体现，而坡位在地形要素中，不仅是一个位置的概念，它代表着水分、养分等的生态梯度变化[15]。在适当海拔范围内，坡位是影响土壤养分状况的关键因子[16]。许多研究表明:坡位对土壤养分的剖面分布有着重要影响，且不同坡位土壤养分剖面分布的差异主要是由坡面土壤性质和坡面养分在降雨侵蚀过程中的再分配所造成的[17-18]。本文中仅对低山丘陵区5年生泡桐人工林土壤养分在不同坡向、坡位上的空间分布差异进行了研究，但对于该区域人工林的立地选择仍具有一定实践指导意义。就坡向、坡位对泡桐人工林土壤养分空间分布差异的影响是否会随林龄而发生变化还需要长期定位观测与分析。另外，针对该区域范围内立地土壤养分条件与林分生长之间的关系也有待进一步验证。

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Effects of slope aspect and slope position on spatial distribution of soil nutrients of Paulownia fortunei plantation

ZHANG Shun-ping1,QIAO Jie2,SUN Xiang-yang1,WANG Bao-ping2,WANG Wei-wei2,CUI Ling-jun2,YU Xin1
(1.Beijing Forestry University,Beijing 100083,China; 2.Research and Development Center of Paulownia,State Forestry Administration,Zhengzhou 450003,Henan,China)

The Paulownia fortunei plantations in the hilly region of Xianning city of Hubei province were selected as the Paulownia test base,in order to study the effects of slope aspect and slope position on spatial distribution of soil nutrients of P.fortunei plantations.The spatial distribution differences of soil nutrients in different slopes and slope position of the region were determined,compared and analyzed.The results show that ① the effects of slope position on spatial distributions of four nutrient indicators all were signi fi cant level and above,the effects of slope aspect and position on spatial distributions of soil available P and available K both reached extremely signi fi cant levels.② By using the standardized data of the above four nutrient indexes within the range of 0～40cm soils for clustering analysis,the results are divided into three categories，the fi rst category including lower part of southern slope,eastern slope,north slope and western slope; the second category including the middle part and upper part of north slope and eastern slope；the third category including middle part and upper part of southern slope and western slope.③ Between the three categories,comparing the fi rst category with the second category,the soil organic matter content was 29.02％ percent higher than that of the second category,TN content was 28.77％ percent higher,effective phosphorus content was 257.37％ percent higher,effective potassium content is 23.69％ percent higher,therefore the fi rst category can be regarded as the most suitable slope aspect and slope position; comparing the second category with the third category,the soil organic matter content was 7.84％ percent higher than that of the second category,TN content was 11.30％ percent higher,effective phosphorus content was 76.56％ percent less,effective potassium content was 5.59％ percent less,so the soil nutrient contents of 2nd category and 3rd category were not as good as that ofthe 1th category asa whole.

Paulownia fortunei plantation; slope aspect; slope position; soil nutrients; spatial distribution; clustering analysis

S792.43；S718.51+6

A

1673-923X(2015)01-0109-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.020

2013-12-01

国家林业公益性行业科研专项(201204705)

张顺平，硕士研究生；E-mail：Zhang_shun_ping@163.com

孙向阳，教授；王保平，研究员

张顺平,乔 杰,孙向阳,等.坡向、坡位对泡桐人工林土壤养分空间分布的影响[J].中南林业科技大学学报,2015,35(1):109-116.

[本文编校：谢荣秀]