纳板河自然保护区不同坡向和坡位的常绿阔叶林土壤养分1)

2016-05-06袁勇李小英刘晓梅申佳艳

东北林业大学学报 2016年3期

关键词：方差分析坡位土壤养分

袁勇　李小英　刘晓梅　申佳艳

(西南林业大学，昆明，650224)

纳板河自然保护区不同坡向和坡位的常绿阔叶林土壤养分1)

袁勇李小英刘晓梅申佳艳

(西南林业大学，昆明，650224)

摘要采取野外调查和室内分析相结合的方法，研究了坡向和坡位对纳板河自然保护区季风常绿阔叶林土壤养分的影响。结果表明：研究区土壤为微酸性、酸性；土壤有机质、全氮和全钾质量分数较高，全磷质量分数相对偏低；土壤有机质和全氮质量分数在各土层(表层、中层、底层)间存在显著差异，而土壤pH值和全磷质量分数只在阳坡的各土层间表现出显著差异；坡向主要影响土壤pH值和土壤全钾质量分数；坡位主要影响土壤有机质和全氮质量分数，且其对土壤养分质量分数的影响程度在不同土层表现不同；坡向和坡位的交互作用显著影响土壤的pH值，而其对其他土壤指标影响不显著；不同土层土壤有机质与全氮、全磷均表现为显著正相关关系。从而为森林资源的管理和保护提供指导。

关键词常绿阔叶林；土壤养分；坡向；坡位；方差分析

分类号S714.5

Soil Nutrient of Evergreen Broad-leaved Forests in Different Slope Aspects and Slope Positions in Nabanhe Nature Reserve

Yuan Yong, Li Xiaoying, Liu Xiaomei, Shen Jiayan

(Southwest Forestry University, Kunming 650224, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(3)：12-15,25.

We studied the effects of aspect and position of slope on soil nutrients variation of evergreen broad-leaved forests in Nabanhe Nature Reserve by the field investigation and laboratory analysis. Soil in the study area was slightly acidic and acidic. Soil organic matter, total nitrogen and total potassium content were rich, and total phosphorus content was relatively low; The content of soil organic matter and total nitrogen in each soil layer (surface layer, middle layer and bottom layer) was significantly different, but the soil pH value and total phosphorus content showed difference only in sunny slope. The soil pH value and soil total potassium content were mainly affected by slope aspect. The soil organic matter and total nitrogen were mainly affected by slope position, and its influence on soil nutrient content was different in different soil layers. The interaction between slope aspect and slope position had a significant effect on soil pH value, and its effect on other soil indicators was not significant; Soil organic matter had significant positive correlation with total nitrogen and total phosphorus in different soil layers.

KeywordsEvergreen broad-leaved forest； Soil nutrient； Slope aspect； Slope position； Analysis of variance

土壤养分是植被生长的主要影响因子，也是反映土地退化的主要标志[1]。国内外有关森林土壤养分的研究较多，主要集中在森林土壤养分的影响因素及其空间分布特征上。森林土壤养分质量分数受母质、地形、气候、植被等自然因素的影响[2]，且其质量分数在不同土层间差异显著[3]。地形因素可以通过影响土壤的微气候，引起土壤条件的剧烈变化，最终制约植被的生长，进而影响森林的健康状况[4]。坡向和坡位作为重要的地形因子，常常运用在对森林土壤养分的影响研究中[5-7]。坡向、坡位不同程度地影响着土壤养分的空间分布[8]。不同坡向和坡位由于水热条件的差异，造成土壤含水量变异明显[9]。坡向和坡位也是影响土壤有机碳和全氮变化的重要地形因素[10]。研究坡向和坡位对森林土壤养分的影响，有利于了解土壤养分变异格局，促进植物资源的保护与管理。

近年来，纳板河流域国家级自然保护区开展了大量植物资源现状调查与保护方面的研究[11-16]，但是对该保护区森林土壤养分方面的研究还鲜见报导。因此，选取了纳板河自然保护区不同坡向、坡位季风常绿阔叶林为研究对象，对保护区森林土壤养分状况进行分析，为森林资源的管理和保护提供基础性资料。

1研究区概况

纳板河流域国家级自然保护区位于云南省西双版纳傣族自治州中北部(100°32′～100°44′E，22°04′～22°17′N)，保护区总土地面积26 600 hm2。

研究样地位于纳板河流域国家级自然保护区内20 hm2永久监测实验地内，该实验地位于保护区北部过门山管理站，海拔890～1 130 m，地势较陡，平均坡度25°。植被类型为季风常绿阔叶林，森林上层优势种主要为顶果木(Acrocarpusfraxinifolius)、绒毛番龙眼(Pometiatomentosa)、千果榄仁(Terminaliamyriocarpa)等，树高可达50～60 m，胸径最大可达2 m。土壤类型以砖红壤、赤红壤为主。该区域属于北热带湿润气侯，年降水量1 100～1 600 mm，年平均气温20 ℃，热量丰富，雨量充沛。

2研究方法

2015年2月，在永久实验地内按坡向(阴坡、阳坡)、坡位(山脊、沟谷)布设样地，共布设22块20 m×20 m固定观测样地。布设样地立地条件及林分结构相似，植被总盖度都在95%以上，其中：乔木盖度均达90%以上，灌木盖度约为25%，阴坡草本盖度平均为8%，阳坡草本盖度平均为2%。阴坡平均树高22 m，阳坡平均树高18 m，不同坡向、坡位枯落物厚在2～4 cm。每块样地按对角线选取3个具代表性的采样点，挖60 cm深的土壤剖面，分为表层(0～20 cm)、中层(>20～40 cm)、底层(>40～60 cm)3个层次取土样。采样的同时记录样地林分结构和立地特点。

取好的土壤样品带回实验室，置于通风清洁无氨气、灰尘等污染的室内自然风干，土样半干时，捏碎大块土团，样品风干后，拣去动植物残体(如根、茎、叶等)和石块。将风干土样用木棍研细，使之全部通过2 mm孔径的尼龙筛，混匀后用四分法分成两份，一份用自封袋密封保存，另一份进一步研细，使之全部通过0.25 mm孔径的尼龙筛，并装袋密封保存，以待测定。

pH值采用电位法；有机质采用油浴加热-重铬酸钾容量法；全氮采取半微量凯氏定氮法；全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法；全钾采取氢氧化钠碱熔-火焰光度法[17-18]。

数据处理和分析采用Excel2010和SPSS13.0软件。研究区土壤养分分级及总体评价参照全国第二次土壤普查养分分级标准(见表1)；不同土层间土壤养分空间分布差异特征采用单因素方差分析(ANOVA)方法，差异程度用Ducan的多重比较(P<0.05)；不同坡向、坡位及它们的交互作用对土壤养分的影响采取双因素方差分析；养分间的关系采用简单相关分析。

表1全国第二次土壤普查养分分级标准

g·kg-1

3结果与分析

3.1研究区土壤养分总体特征

由表2可知，纳板河自然保护区季风常绿阔叶林土壤为微酸性、酸性。其中表层、中层土壤pH值平均值分别为5.88、5.59，属于微酸性；底层土壤pH值平均值为5.46，属酸性。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准，纳板河自然保护区季风常绿阔叶林土壤有机质在表层含量较丰富(一级)，土壤有机质质量分数变幅为15.15～102.29 g·kg-1，平均值54.22 g·kg-1；中层和底层土壤有机质含量中等，中层和底层土壤有机质质量分数变幅分别为8.20～53.47、5.66～35.82 g·kg-1，均值分别为25.12、17.30 g·kg-1，分别对应国家土壤养分标准的三级和四级。

对照国家土壤养分标准，表层全氮含量丰富，养分含量等级为二级；中层全氮含量中等，养分含量等级为四级；底层全氮含量低，养分含量等级为五级。在3个土层中全磷含量均为中等，表层养分含量等级为三级；中层和底层养分含量等级均为四级。3个土层中全钾含量都高，养分含量等级均为二级。

可见，纳板河自然保护区季风常绿阔叶林表层土壤养分等级均在三级以上，土壤养分含量丰富；中层和底层土壤养分含量中等且偏下。总体上，保护区土壤有机质、全氮和全钾含量丰富，全磷含量相对偏低。

变异系数(CV)的大小反映了特性参数的空间变异程度。纳板河自然保护区季风常绿阔叶林土壤pH值、有机质、全氮、全磷和全钾在不同土层中的变异系数(CV)均在0.1～1.0，属中等变异性，反映了该研究区土壤养分性状相对均匀一致的特点。

表2　纳板河自然保护区常绿阔叶林土壤养分总体特征

3.2不同深度土壤养分差异

由表3可知，保护区季风常绿阔叶林所有坡向、坡位土壤有机质和全氮质量分数表层明显高于中层和底层，在中层与底层间差异不显著；不同土层间土壤全钾质量分数无显著差异；阳坡土壤pH值和全磷质量分数表层明显高于中层和底层，在中层与底层间无显著差异；其余坡向和坡位的土壤pH值和全磷质量分数在不同土层间不存在差异。因此，纳板河自然保护区季风常绿阔叶林各养分质量分数在不同土层间差异最大的是土壤有机质和全氮；阳坡显著影响着土壤pH值和土壤全磷质量分数在不同土层间的分布状况；土壤全钾含量在不同土层间分布均匀一致，且其在垂直土壤剖面上的分布规律不受坡向和坡位的影响。

表3　不同深度土壤养分质量分数

注:表中数据为“平均值±标准差”；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.3坡向和坡位对土壤养分的影响

由表4可知，研究区表层土壤pH值在不同坡向间差异极显著(P<0.01)，在不同坡位间无显著差异，坡向和坡位之间的交互作用对土壤pH值的影响极显著；表层土壤有机质质量分数在坡位间差异极显著；表层土壤全氮、全磷和全钾质量分数在不同坡向和坡位间差异不显著。中层、底层土壤pH值在坡向(或坡位)单独作用下差异不显著；中层、底层土壤pH值在坡向/坡位交互作用下差异极显著。中层和底层土壤全钾质量分数均在坡向间具有极显著差异；底层土壤全氮质量分数在不同坡位间差异极显著；土壤全磷质量分数在表层、中层和底层均不受坡向、坡位以及坡向/坡位交互作用的影响。

因此，坡向显著影响表层土壤pH值，同时也影响中层、底层土壤全钾质量分数；坡位显著影响表层土壤有机质和底层土壤全氮质量分数；坡向/坡位的交互作用显著影响研究区土壤pH值，对土壤有机质、全氮、全磷和全钾质量分数的影响不显著。

3.4土壤养分相关性

由表5可知，研究区表层土壤有机质与土壤全氮存在极显著的正相关性，相关系数为0.659；土壤有机质与土壤全磷存在极显著的正相关性，相关系数为0.607。中层土壤有机质与土壤全氮间相关性达到极显著水平，相关系数为0.545；土壤有机质与土壤全磷相关性达到显著水平，相关系数为0.523。底层土壤有机质与土壤全氮间具有极显著相关关系，相关系数为0.654；土壤有机质与土壤全磷存在显著相关关系，相关系数为0.458。

表4　坡向、坡位对土壤养分影响方差分析

注：表中数据为显著性检验F值；** 为差异性极显著(P<0.01)。

表5　纳板河自然保护区常绿阔叶林土壤养分间相关性

注：表中数据为皮尔逊相关系数；** 为相关性极显著(P<0.01)；*为相关性显著(P<0.05)。

4结论与讨论

纳板河自然保护区季风常绿阔叶林土壤为微酸性、酸性，土壤酸碱度适中，能够促进土壤形成及发育，促进营养元素的释放与转化，有利于植物生长发育及持续健康发展。保护区土壤养分分布均匀一致，变异性不大，这很大程度上与该区域受人为扰动小、保护完整、植被繁茂有直接关系。研究区土壤有机质、全氮和全钾含量丰富，全磷含量相对偏低，这与何蓉等[19]、张继平等[20]的研究结果相似。而与吴鹏等[21]的研究结果不太一致，主要原因在于土壤全磷和全钾主要受成土母质的影响，母质不同，所形成的土壤类型也不同。贵州习水自然保护区常绿阔叶林土壤为紫色土，而纳板河自然保护区森林土壤类型主要为砖红壤和赤红壤，进而引起同种植被类型下不同区域土壤养分含量的差异。所有坡向、坡位土壤有机质和全氮质量分数在表层均显著高于中层和底层。土壤全氮与有机质质量分数存在显著的正相关性[22]，从而表现出土壤全氮与有机质在垂直剖面上呈现相似的变异趋势。相对深层土壤而言，表层土壤有机质及氮素含量状况较好，与森林枯落物及其分解速率有关。土壤中氮素在森林凋落物分解过程中具有明显的表层富集现象[23]。研究区土壤pH值和土壤全磷质量分数只在阳坡的表层与中层、底层间呈现出显著差异，在阴坡及山脊和沟谷的不同土层间均无显著差异，说明阳坡能显著影响土壤pH值和全磷质量分数在垂直剖面上的空间分布特征。除阳坡外，研究区土壤全磷在不同土层间无显著差异性，这可能是由于土壤中的磷易同钙、镁等成分发生作用形成难溶性磷酸盐[24]，而降低磷元素在土层中的垂直流动性，最终导致土壤全磷在垂直剖面上的分布相对均匀。不同坡向和坡位，土壤全钾在不同土层中的质量分数均无显著差异，这是因为钾元素大部分以原生矿物形态存在，其质量分数差异和空间变异程度较小[25]。

坡向制约着生境水热条件，进而对土壤养分产生影响[26]。坡向主要影响纳板河自然保护区季风常绿阔叶林表层土壤pH值和中层、底层土壤全钾质量分数。研究区阳坡表层土壤pH值明显高于中层和底层，而阴坡土壤pH值在不同土层间差异不显著。通常阳坡日照强烈，地温更高，尤其对表层土壤影响较大，加之本次是在旱季采样，降雨较少，气温高，蒸发量大，从而引起表层土壤含水量明显低于深层，进而导致土壤中盐类溶质相对较高，最终表现出表层土壤pH值明显高于深层。阴坡土壤中，光照和温度相对较恒定，不同土层水热状况均匀一致，从而使得阴坡不同土层土壤pH值无显著差异。阳坡表层土壤有机质和全氮质量分数高于阴坡，这与吴昊[25]对秦岭山地松栎混交林研究结果一致。因为在阳坡充足光照条件下，地温变化更剧烈，而影响森林土壤微生物活性[27]；而阴坡光照恒定，地温趋于稳定，更有利于土壤动物、微生物活动[28]，因此，阳坡土壤中有机质及氮素的分解和转化速率相对低于阴坡，使阳坡土壤更有利于养分的积累。土壤全钾质量分数主要受气候和母质的影响，阴坡稳定的光热资源及适宜的水热条件更有利于土壤中钾素的释放，从而引起研究区阴坡土壤全钾质量分数高于阳坡。

坡位对土壤养分质量分数的影响程度在不同土层表现不同。表层显著影响土壤有机质质量分数；底层显著影响土壤全氮质量分数；坡向和坡位的交互作用显著影响研究区土壤pH值，其对土壤有机质、全氮、全磷和全钾质量分数的影响无显著差异。研究区沟谷土壤有机质和全氮质量分数低于山脊，这与赵汝东等[29]、高雪松等[30]学者关于土壤养分向下坡位方向富集的研究结果不一致，主要原因在于研究区群落林分组成及所选坡位较为特殊。研究区林分为常绿阔叶混交林，郁闭度大，沟谷区地势较陡，汇水面积大，光照和温度恒定；而山脊部位相对平缓，汇水面积小，光温变化相对剧烈。因而降雨对山脊侵蚀小，不易形成降雨径流，表层营养元素容易淋溶至深层，加之光温的强烈变化使得土壤中有机质及氮化物的分解和转化速率减慢而促进养分积累。沟谷易形成地表径流，表层养分随径流而流失，转移至深层的养分较少。因此，表现出山脊土壤有机质和全氮质量分数高于沟谷，并且全氮质量分数在深层(底层)土壤表现出显著差异。不管在表层还是中层，坡向和坡位的交互作用对土壤pH值均产生显著影响，表明研究区土壤pH值受坡向和坡位综合作用的影响，坡向和坡位交互作用对土壤有机质、全氮、全磷和全钾质量分数无显著影响。

森林自然保护区各土壤养分之间具有一定的关系，而不是孤立存在的[31]。研究区不同土层土壤有机质与全氮、全磷间的相关关系均表现为显著正相关；土壤有机质与土壤氮、磷的相关性以及在不同土壤深度的稳定性，表明土壤氮、磷主要来源于土壤有机物质的分解。因此，加强保护区森林植被的保护，并促进凋落物的分解，能够有效提高土壤中氮素和磷素含量，从而大幅改善森林土壤养分状况。

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