八仙山不同立地落叶阔叶林凋落物养分特征及土壤肥力评价研究

陈国平 俎丽红 高张莹 周美利 乔艳云 赵铁建 冯小梅 石福臣*

(1.南开大学生命科学学院，天津 300071； 2.天津九龙山国家森林公园，天津 301900； 3.天津八仙山国家级自然保护区管理局，天津 301900)

八仙山不同立地落叶阔叶林凋落物养分特征及土壤肥力评价研究

陈国平1俎丽红1高张莹1周美利1乔艳云2赵铁建3冯小梅3石福臣1*

(1.南开大学生命科学学院，天津 300071；2.天津九龙山国家森林公园，天津 301900；3.天津八仙山国家级自然保护区管理局，天津 301900)

为了更好地了解北暖温带落叶阔叶林凋落物养分特征及土壤肥力的状况，本研究在天津八仙山国家级自然保护区阳坡、山脊和阴坡3种典型立地条件下分别设置1 hm2样地，进行了每木调查并分析了凋落物养分特征及土壤肥力。结果发现：在3个样地中阳坡样地树木个体数和物种丰富度均最大，而个体数最小的是山脊样地，物种丰富度最小的是阴坡样地。立木材积则以山脊样地为最大，阳坡样地较小，阴坡样地最小。3个样地阳坡样地凋落物蓄积量(37.21 t·hm-2)显著大于山脊样地(26.79 t·hm-2)和阴坡样地(23.87 t·hm-2)。3个样地中阳坡样地凋落物碳、氮含量最高，而其土壤碳、氮含量最低。凋落物8种矿质元素(Ca、K、Fe、Mg、Na、Mn、Zn、Cu)总含量：阳坡样地>山脊样地>阴坡样地。通过因子分析对18个土壤肥力指标进行综合评价，发现：山脊样地(0.350)>阴坡样地(0.091)>阳坡样地(-0.491)，说明3个样地中山脊样地土壤肥力较好，阴坡样地次之，阳坡样地较差。

落叶阔叶林；立地条件；凋落物养分；土壤肥力评价

土壤是在气候、母质、地形、植被等因子的综合作用下形成，并随着植被演替的进行而不断发生着变化。森林凋落物作为森林生态系统的重要组成部分，是该系统物质循环和能量流动的主要途径之一。土壤作为凋落物的载体，其养分状况、生物活性和物理稳定性与凋落物质量、数量及分解快慢密切相关[1～2]。同时，森林土壤作为林木健康生长的基质，其肥力特征直接影响林木的生长状况[3]。La Manna and Rajchenberg[4]研究发现，森林的退化与土壤肥力衰退有着密切的联系；Bautista-Cruz,et al.[5]研究发现，在较少人工干扰情况下，土壤肥力会影响森林植物的生长和分布；刘秋锋等[6]对植被与环境因子进行综合分析，发现土壤因子是影响乔木物种分布分异的最主要环境因子。随着森林健康理念的发展，世界各国在森林经营实践过程中非常重视土壤状况的监测[7～8]。因此，土壤作为森林生态系统中诸多生态过程的载体，其结构和养分状况常作为度量生态系统生态功能的关键指标之一[9]。

暖温带落叶阔叶林是我国主要植被类型之一，主要分布于我国的华北地区，相比欧洲和北美的落叶阔叶林其成分要更加复杂丰富[10～11]。落叶阔叶林作为暖温带区域的顶极群落，在无人为干扰和自然灾害的情况下会保持稳定状态[10]。由于人类长期活动对森林生态系统的干扰和破坏，使得原始暖温带落叶阔叶林几乎消失殆尽，目前仅在中山地区或偏远山地存在次生性的暖温带落叶阔叶林[12～13]。针对暖温带不同区域山地土壤在森林生态系统中重要性研究已有许多。如，暖温带—北亚热带过渡区宝天曼保护区森林土壤碳氮分布格局[14～15]、黄土高原不同森林类型土壤肥力状况[16～17]、太岳山森林土壤理化性状及养分循环[18～19]、东灵山落叶阔叶林土壤氮矿化[20]等，这些研究为理解暖温带山地土壤结构、土壤理化性质、土壤养分状态及循环等方面规律起到重要作用。然而，对于北暖温带，特别是接近温带地区的典型落叶阔叶林土壤肥力研究相对较少。八仙山国家级自然保护区位于暖温带北部，该区现保留有华北地区罕见的具有原始森林特征的典型天然落叶阔叶次生林。本研究拟通过因子分析等统计方法，对保护区内3个典型立地类型的落叶阔叶林土壤肥力和凋落物养分状况进行量化分析，以期为北暖温带区域的森林经营和管理提供科学参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

八仙山国家级自然保护区位于天津市蓟县东北部，属于燕山山脉南翼，处在暖温带北部，是华北、东北、内蒙的过渡带(地理坐标：40°7′24″N～40°13′53″N，117°30′35″～117°36′24″E)，保护区总面积5 360 hm2，其中900 m以上的山峰有19座，主峰1 052 m，是天津市最高峰。该区为暖温带大陆性季风气候区，年平均气温8～10℃，1月平均气温-7.2℃，7月平均气温23.4℃，年平均降水量为968.5 mm，多集中在夏季，全年日平均气温在10℃以上的天数为180 d，年积温3 800～3 900℃，无霜期为180 d左右。在中山带以山地棕色森林土为主，低山带以淋溶褐土为主，土层相对贫瘠，含砂砾较多。由于该区毗邻清东陵，因此在清末宣统二年(1910年)开禁之前，一直保持着原始森林的面貌。后由于人为破坏，原始森林消失殆尽。新中国成立后，经过多年的封山育林，特别是1984和1990年先后由天津市政府批准为县级和市级自然保护区，1995年经国务院批准成为国家级自然保护区，目前该区森林植被已自然恢复良好，同时已被评为国家级示范自然保护区。

1.2 研究样地概况

2014年7～10月在3个不同立地条件的次生林地分别设置1 hm2的永久性固定样地，用全站仪将3个1 hm2(100 m×100 m)样地划分为100个样方，每个样方10 m×10 m，样方间用测量绳进行分割，同时对样方进行编号：00-99。对每个样方内胸径≥3 cm的树木个体进行逐一挂牌，并记录树号、种名、胸径、树高和生长状况等指标(表1)。

1.3 凋落物样品采集及测定

将每个1 hm2研究样地划分为25个样方(每个样方面积20 m×20 m),在每个样方中心设置1个1 m×1 m的小样方，这样每个样地选取25个凋落物样，收集小样方内全部凋落物(不包括直径大于2 cm的粗木质残体)，并分别称其鲜重，然后取部分凋落物带回实验室。将带回的凋落物放入80℃的烘箱中烘干至恒重，通过干重/鲜重计算含水率，从而推算出样地凋落物的蓄积量。凋落物矿质元素(钾(K)、钙(Ca)、钠(Na)、镁(Mg)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)和锌(Zn))测定：先经微波消解，然后用ICP-AES进行测定。利用Vario MICRO cube元素分析仪(德国Elementar)测定凋落物中碳(C)、氮(N)含量。

表1 研究样地自然概况及各样地主要优势树种特征

1.4 土壤样品采集及测定

在每个样方取表层10 cm的土样，紧邻的4个样方混成一个样，这样1个样地中共计25个土样。土样带回实验室，部分风干，过筛，部分放冰箱保存。利用Vario MICRO cube元素分析仪(德国Elementar)测定土壤中碳(C)、氮(N)含量。土壤交换性钾(K)、交换性钙(Ca)、交换性钠(Na)和交换性镁(Mg)采用醋酸铵溶液进行浸提；有效铁(Fe)采用二乙三胺五乙酸浸提剂进行浸提；有效锰(Mn)分别采用醋酸铵溶液和对苯二酚—醋酸铵溶液进行浸提；有效铜(Cu)和有效锌(Zn)采用盐酸溶液进行浸提；所有浸提液均用ICP-AES进行测定[21]。同时在上述每个取凋落物的小样方下做土壤剖面，在表层10 cm的土层中用100 cm3环刀取样，将环刀盖好(保持环刀内土壤结构不受到破坏)带回实验室，这样1个样地取25个环刀样。参考LY/T1215-1999《森林土壤水分—物理性质的测定》，由环刀法计算土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通气度、土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和最小持水量等指标。

1.5 数据处理

立木材积的计算参考吴富桢[22]的平均实验形数法。文中数据均采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，采用最小显著差异法(Duncan)分析不同数据组间的差异性，显著性水平设置为α=0.05。作图使用Origin 8.0软件完成。土壤肥力综合评价采用SPSS19.0软件进行分析。因子分析是指通过降维多元统计，从多个变量中选择少数几个综合变量，以达到简化数据的方法。数据经因子分析得到相关系数矩阵、特征值及贡献率、因子载荷矩阵和因子得分系数矩阵，然后计算不同立地条件下土壤肥力评价分值[23～24]。

SFAV=∑ai·zi

(1)

式中：SFAV为土壤肥力评价分值；ai为各因子的方差贡献率；zi为得分因子。

zi=∑wijxij

(2)

式中：wij为第i个变量在第j个因子处的因子得分系数；xij为第i个变量在第j个因子处的标准化值。

2 结果与分析

2.1 不同立地条件落叶阔叶林土壤物理性质分析

3个样地间土壤容重和土壤通气度无显著差异；对于毛管孔隙度而言，B样地最大，C样地最小，且B样地显著高于C样地，而A样地与B、C样地之间无显著差异；对于非毛管孔隙度而言，C样地显著低于A、B样地，而A、B样地间无显著差异(表2)。同时，3个样地最小持水量之间无显著差异；而3个样地的土壤含水量、最大持水量和毛管持水量皆以B样地最大，A样地次之，C样地最小，且B样地和C样地之间达显著差异水平。

2.2不同立地条件落叶阔叶林凋落物和土壤养分含量的特征

表层土壤中有效Zn和交换性Mg的含量3个样地间无显著差异(图1)。B样地表层土壤中的有效Mn和交换性Ca含量显著大于C样地，而与A样地间无显著差异。A、B样地表层土壤中有机碳和总氮含量显著大于C样地，而前两者间无显著差异。土壤交换性K含量则以B样地>A样地>C样地，且三者间达显著差异水平。C样地表层土壤有效Fe含量显著大于A样地，而交换性Na的含量却相反。土壤有效Cu含量则以B样地最低，而A样地与C样地间无显著差异。总的来说，土壤中4种交换性盐基的总含量(Ca、K、Mg、Na)和4种有效矿质元素的总含量(Fe、Mn、Cu、Zn)：B样地>C样地>A样地。分析凋落物养分的含量，发现Cu、Mg、C、N含量以C样地>B样地>A样地，且3个样地间达显著差异水平(Mg除外)；C样地Mn、Fe、Zn、Ca含量显著高于A样地，但与B样地间无显著差异(Mn除外)；Na含量和K含量，3个样地间无显著差异。总的来说，3个样地凋落物8种矿质元素总含量：C样地>B样地>A样地。

表2 不同立地条件林下土壤物理性质和持水能力特征

注：小写字母表示不同立地条件样地之间的差异显著性(P<0.05) 下同。

Note:Small letters are significantly different among the different plots.The same as below.

2.3 土壤肥力评价

本研究对18个土壤指标进行Bartlett球形检验结果显示显著系数0.00<0.05，说明数据适合做因子分析。通过因子分析得到因子特征值和方差贡献率及因子载荷矩阵等。

按照特征值>1的原则，从表3中可以看出，共抽取5个公因子，公因子的特征值分别为7.78、3.92、1.76、1.48和1.11，累计方差贡献率达86.23%，这说明因子分析用于评价土壤肥力是可靠的。

表3因子特征值和方差贡献率

Table3Theeigenvaluesandpercentofvarianceexplained

因子Component特征值Eigenvalues方差贡献率Varianceexplained(%)累计方差贡献率Cumulativevarianceexplained(%)17．7843．2443．2423．9218．8562．0931．769．8071．8941．488．2080．0951．116．1486．23

按照因子载荷值的绝对值>0.6进行分类，从表4中可以看出，公因子1主要支配毛管空隙、非毛管孔隙、土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、最小持水量、有机碳、总氮、交换性钾、交换性钙、有效铁、有效锰和有效铜，公因子2主要支配容重和土壤通气度，公因子3主要支配有效锌，公因子4主要支配交换性镁，公因子5无明显的支配因子。

表4 因子载荷矩阵

图1 不同立地条件林下凋落物和土壤碳氮及矿质元素含量特征Fig.1 Carbon,nitrogen and mineral elements content of forest floor and soil under different site conditions

Table5Factorscoresofsoilfertilityassessmentunderdifferentsiteconditions

样地类型Plottypes因子得分Factorscore因子1Factor1因子2Factor2因子3Factor3因子4Factor4因子5Factor5综合评价值SFAV阴坡样地Shadyplot0．1150．1860．483-0．012-0．6580．091山脊样地Ridgeplot0．7840．311-0．290-0．4360．2740．350阳坡样地Sunnyplot-1．010-0．542-0．1520．5110．345-0．491

经过因子分析处理的18个土壤指标，通过得分系数矩阵和标准化数据值加权，获得5个公因子在不同样地的得分，进一步由各因子得分和方差贡献率加权得到不同立地条件样地土壤肥力综合得分为：山脊样地(0.350)>阴坡样地(0.091)>阳坡样地(-0.491)。

3 讨论

森林凋落物是指森林植物生长发育过程的新陈代谢产物，在生态系统的物质循环和养分平衡过程中发挥着重要作用[25～27]。有研究报道，在陆地生态系统中，90%以上的地上部分净生产量是通过凋落物的方式返回地表[28]，同时有研究发现，多数生态系统中植物吸收的养分，氮和磷90%、矿质元素60%以上均来自凋落物归还给土壤的养分再循环过程[29]。3个样地凋落物碳、氮含量：阳坡样地>山脊样地>阴坡样地，且3个样地间达差异显著水平，矿质元素Cu、Mg也呈相似趋势(图1)。阳坡样地凋落物Mn、Fe、Zn、Ca含量显著高于阴坡样地，但与山脊样地间无显著差异(Mn含量除外)(图1)。凋落物Na含量和K含量，3个样地间无显著差异。总的来说，3个样地凋落物8种矿质元素总含量以阳坡样地最高。这主要是由于阳坡样地由于地势平缓、树木密度大，使得其样地内凋落物蓄积量(37.21 t·hm-2)显著大于山脊样地(26.79 t·hm-2)和阴坡样地(23.87 t·hm-2)，而后两者间无显著差异。

土壤是凋落物的载体，因此凋落物在分解过程中通过养分的垂直输送，可对下层土壤的理化性质及养分状况产生重要影响[30～31]。阴坡样地和山脊样地表层土壤中C和N含量显著大于阳坡样地，而前两者间无显著差异(图1)。土壤盐基离子作为评价土壤质量的重要方面，其含量在很大程度上反映了盐基类元素的生物有效性和移动、循环的状况[32]。表层土壤中有效Zn和交换性Mg的含量3个样地间无显著差异(图1)。山脊样地表层土壤中的有效Mn和交换性Ca含量显著大于阳坡样地，而与阴坡样地间无显著差异(图1)。交换性K含量则以山脊样地>阴坡样地>阳坡样地，且三者间达显著差异水平(图1)。阳坡样地表层有效Fe含量显著大于阴坡样地，而交换性Na的含量却相反(图1)。总的来说，土壤中4种交换性盐基的总含量(Ca、K、Mg、Na)和4种有效矿质元素的总含量(Fe、Mn、Cu、Zn)呈现：山脊样地>阴坡样地>阳坡样地。同时，经过因子分析处理的18个土壤指标，得到不同立地条件样地土壤肥力综合得分为：山脊样地(0.350)>阴坡样地(0.091)>阳坡样地(-0.491)(表5)。单一因子的比较和因子分析得出的结果是相似的，可以相互印证。出现阳坡凋落物养分含量最高，但其林下土壤养分含量并不是最高的现象，主要原因可能是由于阳坡样地的树木密度在3个样地中最大，较大的树木密度对土壤的肥力消耗较大，加之植物与微生物对养分的争夺，进一步影响凋落物的降解和养分回归，从而使得土壤养分“供”大于“还”，导致土壤肥力较低[33～35]。综上所述，在本研究样地中阳坡样地树木密度最大，凋落物养分含量最高，但其林下土壤肥力小于山脊样地和阴坡样地。

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The Project of Wild Plant Resources Inventory of Tianjin(20120024002);The Ph.D. Candidate Research Innovation Fund of Nankai University

introduction：CHEN Guo-Ping(1985—),male,Ph.D,Major in plant resources and plant ecology.

date:2016-06-13

TheCharacteristicsofForestFloorNutrientsandSoilFertilityAssessmentforDeciduousBroad-LeavedForestwithDifferentSiteConditions

CHEN Guo-Ping1ZU Li-Hong1GAO Zhang-Ying1ZHOU Mei-Li1QIAO Yan-Yun2ZHAO Tie-Jian3FENG Xiao-Mei3SHI Fu-Chen1*

(1.College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin 300071；2.Jiulongshan National Forest Park,Tianjin 301900；3.Baxian Mountain National Nature Reserves,Tianjin 301900)

Deciduous broad-leaved forest is one of the vegetation types in the northern hemisphere, however, warm temperate deciduous broad-leaved forest is the most typical in North China. Our objective was to better study the characteristics of forest floor nutrient and soil fertility quality in deciduous broad-leaved forest of north warm temperate. We carried out plant census, and compared forest floor nutrient and soil physicochemical properties in shady slope plot, ridge plot, and sunny slope plot in Baxian Mountain National Nature Reserve. The results showed individuals was most in sunny slope plot and least in ridge plot, and species richness was most in sunny slope plot and least in shady slope plot. Standing tree volume was highest in ridge plot, and lowest in the shady plot. The amount of forest floor accumulation was significantly higher in sunny slope plot than in ridge plot and shady slope plot. In three plots, soil C and N content were lowest and forest floor C and N content were highest in sunny slope plot. The content of mineral elements: sunny slope plot>ridge plot>shady slope plot. This is the reason that The integrated soil fertility assessment scores for ridge plot, shady slope plot, and sunny slope plot were, in a descending order, 0.350, 0.091, -0.491, through factor analysis.

deciduous broad-leaved forest;sites condition;forest floor nutrients;soil fertility assessment

天津市野生植物资源调查项目(20120024002)资助；南开大学博士研究生科研创新计划立项资助

陈国平(1985—)，男，博士，现主要从事植物资源学、植物生态学研究。

* 通信作者：E-mail:fcshi@nankai.edu.cn

2016-06-13

* Corresponding author：E-mail:fcshi@nankai.edu.cn

S158

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.06.011