乌拉山自然保护区不同林分类型的土壤特征*



乌拉山自然保护区不同林分类型的土壤特征*

刘永宏1,2，张立欣2，王伟峰2，王博2

(1.北京林业大学 水土保持学院,北京100083;

2.内蒙古自治区林业科学研究院 生态功能与森林碳汇研究所,内蒙古呼和浩特010010)

摘要：以乌拉山自然保护区7种林分类型为研究对象，在白桦林、蒙古扁桃林、油松林和草地设置7块样地，从0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层取样，测定其物理和化学性状，探讨了研究区不同林分类型的土壤特征。结果表明,土壤物理性状(土壤容重、含水量与最大持水量)具有明显的分层特征，土壤容重表层最低，随土层加深逐渐增加；土壤含水量、最大持水量则表层最高，随土层加深逐渐降低，样地间物理性状具有显著差异。土壤有机质含量与土壤容重呈极显著负相关关系(r=-0.843**)，而与土壤含水量(r=0.714**)、最大持水量(r=0.713**)呈极显著正相关关系，不同林分类型通过凋落物的组成和产量影响土壤有机质含量从而间接影响土壤的物理性状。土壤化学性状中有机质及全N含量具有明显分层现象，表现出随土层加深而降低的趋势，而土壤全P含量及pH值各土层无显著差异。各样地土壤有机质含量与全N含量具有极显著正相关性(r=0.817**)；群落结构及其动态变化与土壤有机质及全N含量具有显著关系。该地区不同林分类型之间的土壤——植被协同反馈机制主要由土壤有机质含量调控。

关键词：林分类型；白桦林；檬古扁桃林；油松林；土壤特征

森林生态系统是陆地生态系统的主体，是维护生态平衡的重要调节器。不同植被类型及其土壤特征反映了森林生态系统演替过程中的规律，因此，植被与土壤的相互作用关系是一个生态反馈过程[1]。山地森林生态系统的土壤受植被类型、气候条件等因素的复杂影响具有较高的变异性，不同林分类型对土壤有限资源竞争与适应能力的差异导致山地群落异质性。土壤植被变异的协同关系是生态系统结构和功能的体现，开展相关研究具有重要的科学价值。乌拉山自然保护区地处荒漠草原与典型草原过渡区，具有针叶林、落叶阔叶林、各种灌丛及山地草甸等典型的植被类型。土壤主要类型有山地草甸草原土、灰褐土、栗钙土、棕钙土[2]，生物群落的结构及其动态变化与土壤基质的物理及化学状况具有显著相关性[3～4]。以往关于该地区的研究，主要集中于植物群落的结构、物种变化及土壤的物理、化学性状等方面[5～7]，而对不同林分类型的土壤特征还缺乏一定的认识，特别是植被与土壤两者之间的互馈作用研究较少。本研究以该区域不同林龄的次生白桦林(BetulaplatyphyllaSuk.)、人工及天然油松林(PinustabulaeformisCarr.)、蒙古扁桃〔Amygdalusmongolica(Maxim.) Ricker〕灌木林及山地草甸为研究对象，取252个土样，分析了不同林分类型的土壤物理、化学性状及植被与土壤之间的互馈作用，以期为山地森林生态系统的植被保护与恢复提供相关科学依据。

1研究区概况

试验区位于乌拉山自然保护区，地理坐标为东经108°42′～109° 49′ 、北纬40°38′～40°52′，海拔在1 060～2 322 m之间，属于中温带亚干旱大陆性季风气候区。年均气温3.9～5.9℃，年均降水量250～500 mm，主要集中于7-9月，约占全年总降水量的60 %，日照时数3 110-3 300 h，无霜期100-145天。山地母质为花岗岩、石英岩与石灰岩等岩石风化的残积和坡积物。土壤垂直分布特征明显，土壤pH值为7.49～8.40。该区域干旱阳坡和阴坡植被类型有明显的差异，森林植被主要以次生白桦林、天然及人工油松林为主，低海拔干旱阳坡区域分布有侧柏〔Platycladusorientalis(L.)Franco〕、杜松(JuniperusrigidaS.et Z.)、灰榆(Ulmusglaucescens)、圆柏〔Sabinachinensis(L.) Ant.〕等构成的针叶林、针阔混交林。灌木群落主要有柄扁桃(AmygdaluspedunculataPall.)灌丛、蒙古扁桃灌丛、绣线菊(SpiraeasalicifoliaL.)灌丛、黄刺玫(RosaxanthinaLindl.)灌丛等[2]。本研究选取不同林龄白桦次生林、天然及人工油松林、蒙古扁桃林及阳坡草地为研究对象，对植被及土壤理化性质进行测定，各林分类型的立地条件及植被组成情况等见表1。

2研究方法

2013年8月中旬，在上述7种林分类型内各设置1块调查样地(每个样地为100 m×100 m)，每个样地挖取3个1 m×1 m的土壤剖面，按土壤发生层次，分0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm取样。采用环刀法测定土壤容重(g/cm3)、土壤含水量(%)、毛管最大持水量(%)，每层3个重复，计算后取各指标的平均值。另取约1 kg土壤装入土壤袋带回实验室，风干、去杂、过筛后进行土壤有机质、全N、全P等含量以及pH值的测定。其中，有机质含量采用重铬酸钾法测定，全N含量采用凯氏定氮法测定，全P含量采用钼锑抗比色法测定，pH值采用pH值测定仪PB-10。

表1　样地基本信息

注：虎榛子(Ostryopsisdavidiana), 水栒子(Cotoneastermultiflorus), 山楂(Crataeguspinnatifida), 大叶野豌豆(Viciapseudorobus), 糙苏(Phlomisumbrosa), 小红菊(Dendranthemachanetii), 三裂绣线菊(Spiraeatrilobata), 忍冬(Lonicerajaponica), 萎陵菜(Potentillachinensis), 羊草(Leymuschinensis), 蒙古蒿(Artemisiamongolica), 克氏针茅(Stipakrylovii), 亚洲百里香(Thymusmongolicus), 冷蒿(Artemisiafrigida), 达乌里龙胆草(Gentianadahurica), 糙叶黄芪(Astragalusscaberrimus), 黄刺玫(Rosaxanthina), 油松(Pinustabulaeformis), 蒙古绣线菊(Spiraeamongolica), 灰栒子(Cotoneasteracutifolius), 早熟禾(Poaannua), 沙参(Adenophorastricta), 猪殃殃(Galiumaparine), 地榆(Sanguisorbaofficinalis), 稠李(Prunuspadus), 车前(Plantagoasiatica), 黄芪(Astragalusmembranaceus), 猪毛蒿(Artemisiascoparia), 地锦(Parthenocissustricuspidata)。

使用Excel 2003和PASW Statistics 18.0(SPSS Inc.,Chicago, IL,USA)对数据进行平均值计算、方差分析和多重比较等统计分析。

3结果与分析

3.1不同林分类型土壤物理性状空间分异特征

7种林分类型不同土层的土壤物理性状测定结果显示(表2)，同一样地土壤容重基本表现为随土层加深而增大。不同样地间，白桦次生林Ⅰ样地各层土壤容重均呈最低，第2和第3土层与其他样地相同土层数值达到显著水平(p<0.05)，草地样地各层土壤容重均显著高于其他样地(p<0.05)，其他5块样地各层之间容重相近，趋势基本一致。

表2　7种林分类型不同土层的土壤物理性状

注：不同小写字母表示不同林分类型同一土层间差异显著(P<0.05)，误差线为平均值的标准误差，n=3。

与土壤容重变化规律正好相反，同一样地土壤含水量表现为随土层加深而降低。7块样地相比较，白桦次生林Ⅰ样地土壤含水量最高，而草地样地土壤各层含水量均低于其他各样地。各样地土壤含水量变化规律为：白桦次生林Ⅰ﹥白桦次生林Ⅲ﹥白桦次生林Ⅱ﹥蒙古扁桃林﹥天然油松林﹥人工油松林﹥草地，土壤容重与含水量之间呈显著负相关(p<0.05)。

土壤最大持水能力是土壤水分有效性的基础，计算结果表明，同一样地土壤最大持水能力与土壤含水量具有相同变化规律，表现为随土层加深而降低。样地间相比较，同样是以白桦次生林Ⅰ样地的最大持水能力最强，而草坡样地的最大持水能力最弱。此外，白桦次生林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ样地上层土壤最大持水能力显著高于其他样地(p<0.05)，样地间其他土层差异不大(除白桦次生林Ⅰ样地外)，这可能与土壤表层枯落物持水作用有关。

图17种林分类型不同土层的土壤化学性状

Fig.1Soil chemical properties of different soil layers in 7 forest stand types

3.2不同林分类型土壤化学性状空间分异特征

7种林分类型不同土层的土壤化学性状测定结果显示(图1A)，同一样地各层土壤有机质含量变化规律差异较大，其中白桦次生林Ⅱ、Ⅲ样地与天然油松林有机质含量呈现随土层加深而降低的趋势，草地与人工油松林土壤各土层有机质含量变化不大，而白桦次生林Ⅰ样地0～20 cm土层间与蒙古扁桃林0～40 cm土层间有机质含量变化不大，下层土壤依次降低。不同林分类型有机质含量结果表明，草坡样地有机质含量最低，白桦次生林Ⅰ样地有机质含量(除0～10 cm外)均显著高于其他各样地(p<0.05)。各样地土壤间有机质含量变化规律与全N含量变化规律相同，有机质含量的差异随土层加深而减小，植被生长状况对上层土壤有机质影响较大，而对深层土壤影响效果不明显，这与样地凋落物对表层和深层土壤养分输入的差异有关。此外，土壤有机质与全量养分之间相关性分析表明，有机质含量与全N含量之间表现为显著相关(图2D)。

同一林分类型土壤全N含量均表现为随土层加深而降低，表层土壤含N量最高，底层最低(图1B)，其中草地、天然和人工油松林各层全N含量差异不大。不同林分类型相比较，草地各土层全N含量最低，显著低于其他样地(p<0.05)；白桦次生林Ⅰ样地各层全N含量均显著高于其他样地(p<0.05)，且白桦次生林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ样地及蒙古扁桃林0～10cm土层全N含量显著高于其他3块样地，说明植物的种类变化对上层土壤全N含量影响较大。各样地土壤全N含量变化规律为，白桦次生林Ⅰ﹥白桦次生林Ⅱ﹥白桦次生林Ⅲ﹥蒙古扁桃林﹥人工油松林﹥天然油松林﹥草地，由于土壤有机质及全N含量具有显著正相关关系，因此，不同样地土壤全N含量的差异可能是由于土壤上层不同植被类型产生的凋落物量不同，从而使土壤有机质含量不同引起的。

全P含量变化不同于全N，同一林分类型土壤全P含量分层分布特征不明显，各土层全P含量变化不大(图1C)。不同林分类型同一土层相比较，草地样地各层全P含量均低于其他各样地，而蒙古扁桃林样地各层全P含量均高于其他各样地，各土层全P含量分别是草地的1.59、2.02、2.26、2.27倍。样地间全P含量变化规律为：蒙古扁桃林﹥白桦次生林 Ⅰ﹥白桦次生林 Ⅱ﹥白桦次生林 Ⅲ﹥人工油松林﹥天然油松林﹥草地，不同样地各土层全P总含量分别为1.64 g/kg、1.42 g/kg、1.26 g/kg、1.21 g/kg、1.00 g/kg、0.98 g/kg、0.83 g/kg。

同一样地各层土壤pH值变化不大，而样地间土壤pH值具有明显的差异(图1D)，且与植被演替阶段有显著负相关性，其顺序依次为：草地﹥人工油松林﹥蒙古扁桃林﹥白桦次生林Ⅰ﹥白桦次生林Ⅱ﹥天然油松林﹥白桦次生林Ⅲ，pH值由8.32降为7.67。

4讨论与结论

4.1不同林分类型对土壤物理性状的影响

生物群落的结构及其动态变化是与土壤协同作用的结果。土壤容重、含水量与持水能力是影响植物生长的重要因子，其大小直接或间接受到土壤有机质含量的影响[8]。

图27种林分类型的土壤有机质与容重、含水量、最大持水量及土壤全N的关系

Fig.2Relations of soil organic matter and bulk density(A) ,moisture(B) ,

water holding capacity(C) and soil total N(D) in 7 forest stand types

研究表明，不同林分类型的土壤有机质含量与土壤容重呈显著负相关(图2A，r=-0.843**)，而与土壤含水量和最大持水能力呈显著正相关(图2B、2C，r=0.714**、r=0.713**)，说明不同林分类型的土壤容重、含水量与最大持水能力直接取决于土壤有机质含量的大小。凋落物作为联系地上植被与土壤的中间载体，是森林土壤有机质和养分的主要补给者[9]，凋落物的积累通过地表截流以及经过土壤微生物的分解使林下土壤得到发育，进而导致不同林分类型土壤容重、含水量和最大持水量的差异[10]。同时，植物群落通过其生长过程对土壤水分、容重等的互馈作用，逐渐改变土壤养分状况，进而又增强了土壤物理性状的空间异质性[11]。

4.2不同林分类型对土壤化学性状的影响

群落结构及其动态变化与土壤有机质及全N含量具有显著关系[12]，土壤有机质含量受植物凋落物和死亡根系分解等因素影响，凋落物对土壤有机质的归还是增加有机质含量的重要途径，而土壤中有机质含量的高低会影响到系统土壤质地和其他全量养分含量[13]。研究结果表明，不同林分类型间各层土壤有机质含量具有显著差异(图1C)，且与土壤全N含量具有极显著的正相关性(图2D，r=0.817**)，土壤有机质及全N含量总体表现为：阔叶林﹥针叶林﹥灌草丛，这与宋会兴等[4]研究结果相同，这可能与不同林分类型的凋落物量有直接关系。此外，不同林分类型间土壤全P含量及pH值无显著差异，这可能与土壤基质变化导致的植物对养分的不同选择性利用有关[14]。

4.3植被—土壤变异的协同关系

山地森林生态系统中，植被对土壤的反馈作用包括土壤物理性状的改变与土壤基质养分的改变。不同林分类型下植物种类对土壤有限养分资源的竞争能力和适应能力差异导致群落异质性，而植物通过其生长过程对土壤物理及化学性状的反馈作用，逐渐改变土壤养分状况，增强了土壤的空间异质性[11]。研究表明，不同林分类型的土壤容重、含水量、最大持水能力、有机质及全N含量均具有显著差异，这与不同林分类型产生凋落物量的不同导致土壤有机质含量的差异性有关，也间接导致了土壤容重、含水量、最大持水能力等土壤物理性状及全N等其他养分含量的差异。不同林分类型的土壤容重、含水量、最大持水能力等土壤物理性状及有机质、全N等土壤养分含量的不同，进而导致植被群落类型的演替，最终又加强了不同林分类型土壤物理性状及土壤养分含量的空间异质性。因此，不同林分类型的土壤物理和化学性状的空间异质性，是植被和土壤协同适应、反馈的结果，其变化与群落结构动态变化相对应[15]。同时，不同林分类型群落结构的差异性也必将加大土壤物理和化学性状的空间异质性，植被和土壤是相互制约、促进的两个对立统一系统[16]。

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Soil Characteristics of Different Forest Stand Types in

Wulashan Natural Reserve of Inner Mongolia

LIU Yong-hong1,2, ZHANG Li-xin2, WANG Wei-feng2, WANG Bo2

(1.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 100083，P.R.China;2.Research Institute of

Ecological Function and Forest Carbon Sink，Inner Mongolia Academy of Forestry，Hohhot Inner Mongolia 010010，P.R.China)

Abstract:To measure the physical and chemical properties of soil and understand soil characteristics of different forest stand types in the Wulashan Natural Reserve，7 sample plots of Betula platyphylla Suk., Amygdalus mongolica (Maxim.) Ricker, Pinus tabulaeformis Carr.and grass land were set, and soil sampling from soil layers of 0～10 cm, 10 ～20 cm, 20～40 cm, and 40～60 cm were collected by taking 7 forest stand types as research objects.The results shows that there were obvious layering characteristics in the soil bulk density, moisture content, and the maximum water holding capacity, soil bulk density was the lowest in surface layer and increased with soil depth, while the soil moisture content and the maximum water holding capacity had the opposite rule, and there were significant difference among the plots in terms of physical properties.The content of soil organic matter had significant negatively relationship with soil bulk density (r=-0.843**), while had significant positive correlation with the moisture content and soil (r=0.714**) and maximum water holding capacity (r=0.713**).By the composition and production of litter, different forest stand types could indirectly influenced soil physical properties through the soil organic matter content.The soil organic matter and total nitrogen content had an obvious phenomenon of layering, and showed a tendency of N content decreased with soil depth, while the total phosphorus content and the pH value had no significant difference among each layer.There were extremely significant positive correlation between the content of soil organic matter and total nitrogen among each plot (r=0.817**).The community structure and its dynamics had significant correlation with soil organic matter and total nitrogen content.This study showed that the cooperative feedback mechanism of soil and vegetation was mainly regulated by the soil organic matter content.

Key words:forest stand types;Betula platyphylla Suk.; Amygdalus mongolica (Maxim.) Ricker; Pinus tabulaeformis Carr.; soil characteristics

中图分类号：S 714

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)06-0020-07

通讯作者简介：王伟峰(1985-)，男，助理研究员，博士，主要从事森林生态系统结构与功能方面的研究。E-mail：wang.wf1985@163.com

作者简介：第一刘永宏(1964-)，男，研究员，博士生，主要从事水土保持与荒漠化防治等方面的研究。E-mail：yhliu718@163.com

基金项目：林业科技创新平台运行补助项目(2015-LYPT-DW-037)；内蒙古自然科学基金博士基金项目(2015BS0323)。

收稿日期：*2015-08-18

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.005