伏牛山南北坡针阔混交林土壤养分对比分析

陈 诗，海 鑫，叶永忠，袁志良，姚 松，王 婷

（1. 河南农业大学，河南 郑州 450002；2. 河南宝天曼国家级自然保护区管理局，河南 内乡 474350）

森林具有保持水土、涵养水源、调节气候、防风固沙等多种生态功能，对维护自然生态环境具有不可替代的作用。土壤则是森林生态系统的重要组成部分，是森林植物主要生活基质的供体，也直接影响到森林的生长[1]。土壤养分状况及其供应特性可作为森林土壤生产潜力的特征评价指标[2]，也是土壤质量研究的核心内容。森林土壤养分状况与林分结构、树种组成、立地条件、土层分布等因子关系密切[3-4]。国内不少学者也从不同林分类型[5]、不同林分密度[6]、人工林与次生林[7]、林隙土壤[8]、季节动态[9]等角度对土壤养分进行了一些对比研究。清楚地认识和把握土壤特性及其变化规律，有利于林区土壤资源的可持续利用和区域森林的可持续发展[10]。

伏牛山地处我国南北地理气候分界线上，即位于我国暖温带和北亚热带过渡区，又处于地形地貌第二级阶梯和第三级阶梯过渡带[11]，其独特的地理位置、复杂的地形地貌和适宜的气候条件使得动植物资源非常丰富。有研究表明，全球气候变暖对森林生态系统的影响比对其它生态系统更为明显[12]，处于气候与地形地貌过渡带的伏牛山对全球气候变暖更加敏感，因此加强对伏牛山森林生态系统的研究显得尤为重要。针阔混交林是伏牛山主要的森林群落之一，不仅具有经济意义、防护效能及美学价值，而且在维护生态系统平衡方面亦具有重要作用。目前关于秦岭针阔混交林土壤养分的研究有很多，但研究地点多位于秦岭南坡，且属于秦岭山脉中段[13-15]，较少涉及秦岭北坡以及位于秦岭东段的伏牛山区，不利于了解针阔混交林在整个秦岭的生长状况。伏牛山是秦岭东段的代表性区域，本研究在伏牛山的南坡和北坡建立样地，通过比较分析伏牛山南坡和北坡针阔混交林土壤养分的分布特征及含量差异，可以了解伏牛山针阔混交林的土壤养分状况，为该区森林的经营与管理、防止生态系统退化等提供理论依据，同时也为森林类保护区土壤的深入研究提供理论基础。

1 研究区概况

伏牛山位于河南省西部，为秦岭的东延余脉，也称东秦岭。地理坐标为 110°30′～113°05′E，32°45′～34°00′N，呈西北—东南走向。试验地位于暖温带向亚热带的过渡区域，气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，冬春干旱，夏秋多雨[16]。植被属暖温带落叶阔叶林向亚热带常绿阔叶林的过渡型[17]。伏牛山南坡的宝天曼国家级自然保护区是我国中部地区保存最完整的自然综合基因库，年平均气温为14.1～15.1 ℃，年降水量为885.6 mm。北坡的白云山风景区植物种类丰富，生态系统稳定，年平均气温为12.1～12.7 ℃，年降水量为546 mm。南坡和北坡林分的主要优势树种有油松Pinus tabuliformis、华山松Pinus armandii、锐齿槲栎Quercus alienavar.acutiserrata、三桠乌药Lindera obtusiloba、华东椴Tilia japonica等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

于2016年7—8月在伏牛山南坡的宝天曼国家级自然保护区和北坡的白云山风景区内，选取立地条件基本一致的针阔混交林作为调查样区，分别设置100 m×100 m的样地。再将样地划分为25个20 m×20 m的小样方，调查样方内的物种信息并采取土壤样品，样地具体情况见表1。

表1 伏牛山南北坡样地的基本概况Table1 Basic profile of southern and northern slope of Funiu mountain

2.2 土壤样品采集与处理

以每个小样方（20 m×20 m）的顶点为圆心，在其周围5 m半径范围内随机选取一个样点采取土样，每个采样点分上、中、下3层，每层10 cm的间隔钻取土样，装入自封袋，并标明土层深度。

将土壤样品带回实验室，去除土样中掺杂的石块、动植物残体等，将其自然风干。待土壤风干后，将其捣碎并过1、0.25 mm筛以待后续测定养分。以鲍士旦[18]的《土壤农化分析》为参考依据：有机质采用重铬酸钾外加热法测定；全氮采用半微量开氏法测定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度法测定；pH值采用酸度计测定。

2.3 数据处理

数据分析采用软件Excel、SPSS17.0，运用Sigmaplot12.0进行作图。

3 结果与分析

3.1 伏牛山南坡和北坡主要物种及其重要值

在对伏牛山南坡和北坡样地内的物种进行全面调查的基础上，通过计算得出物种的重要值，表2列出了南坡和北坡样地内重要值排在前10位的物种。

从表2中可以看出：南坡重要值排名前3的物种为锐齿槲栎、油松、华山松，重要值分别为30.99%、15.54%、11.15%，油松和华山松重要值合计为26.69%；北坡重要值排名前3的物种为锐齿槲栎、华山松、三桠乌药，重要值分别为33.01%、12.87%、6.73%，北坡油松的重要值排第9位，与华山松重要值合计只有15.7%，远远小于南坡，说明伏牛山北坡样地的阔叶树比例高于南坡，但针叶树比例小于南坡。

表2 伏牛山南坡、北坡样地重要值排在前十的物种Table2 The top ten species of southern and northern slope of Funiu mountain

3.2 伏牛山南坡和北坡土壤养分比较

伏牛山南坡和北坡的土壤养分情况见表3。从表3中可以看出，伏牛山南坡、北坡的土壤养分含量存在一定的差异：南坡土壤的有机质、全氮、速效磷和速效钾平均含量均低于北坡，分别为55.48 g/kg、2.44 g/kg、18.01 mg/kg、83.71 mg/kg；北坡土壤的有机质、全氮、速效磷和速效钾平均含量分别比南坡高1.91 g/kg、0.41 g/kg、16.97 mg/kg、7.62 mg/kg，说明伏牛山北坡土壤肥力水平高于南坡。

根据全国第二次土壤养分等级评价标准[19]，并结合表3可以得出南坡和北坡各土壤养分所处的等级水平及变异情况（见表4）。通过对比可以看出：南坡土壤pH值为6.06，呈弱酸性，北坡土壤pH值为5.05，小于南坡，呈酸性；南坡和北坡的有机质、全氮均很丰富，速效磷均处于中等水平，但南坡速效钾较缺乏，北坡速效钾处于中等水平。另外南坡和北坡的土壤pH值呈弱变异，其余各养分都呈中等变异。

表3 伏牛山南坡、北坡0～30 cm土层土壤养分含量†Table3 The content of soil nutrients between 0-30 cm soil layer on the southern and northern slope of Funiu mountain

表4 伏牛山南坡、北坡各养分含量所处等级及变异情况Table4 The level and variation of the nutrients content on the southern and northern slope of Funiu mountain

3.3 伏牛山南坡和北坡土壤养分垂直差异

3.3.1 土壤养分含量垂直分布情况

伏牛山南坡、北坡的土壤养分垂直分布情况如图1所示。从图1中可以看出，南坡和北坡的有机质、全氮、速效钾、速效磷含量都呈现出从表层（0～10 cm）向下层（20～30 cm）逐渐减小的趋势，pH值随土层的变化不明显，但略有上升；北坡0～10、10～20、20～30 cm各土层所含的有机质、全氮、速效钾、速效磷含量均高于南坡，各土层的pH值小于南坡。

图1 各土壤养分的垂直分布情况Fig.1 Vertical distribution of soil nutrients

通过方差分析得出不同土层间土壤养分含量的差异性，发现不同土层间南坡土壤的有机质、全氮、速效磷、速效钾含量存在显著性差异（P＜0.05），各土层的pH值差异不显著；北坡不同土层的有机质、全氮、速效磷、速效钾含量也存在显著性差异（P＜0.05），表层和中层的土壤pH值差异不显著，但与下层pH值存在显著差异（P＜0.05）。同一土层南坡和北坡的有机质、速效钾含量差异不显著；速效磷含量和pH值差异显著（P＜0.05）；全氮含量在表层和中层差异显著（P＜0.05），在下层差异不显著。

3.3.2 土壤养分的变异情况

在生物和淋溶作用下，再加上土壤本身性质因素的影响，土壤养分的分布具有一定的空间变异性。南坡和北坡各土壤养分在土层间的变异情况如图2所示。从变异系数来看，0～10、10～20、20～30 cm土层，南坡和北坡的土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量均属于中等变异，变异系数在13%～69%之间。不同土层的土壤pH值变异系数在4%～8%之间，属弱变异性，说明土壤pH值数据的离散程度较低。同一土层南坡有机质、全氮的变异系数大于北坡，速效钾、速效磷的变异系数小于北坡。表层土壤pH值的变异系数南坡小于北坡，中层和下层的土壤pH值变异系数南坡大于北坡。从各土壤养分在3个土层间的变异系数还可以看出，0～20 cm土层各养分指标的变异系数相对较小，随着土层的加深，土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾的空间变异程度增大。

图2 各土壤养分的垂直变异情况Fig.2 Vertical variation of soil nutrients

3.4 土层深度与土壤养分含量之间的相关关系

为了更好地说明和比较南坡和北坡土壤养分的垂直分布特征，将南坡和北坡各土壤养分含量进行回归拟合。以土层深度为自变量，以土壤养分含量为因变量，建立土层与养分含量之间的回归模型（见表5）。从表5中可以看出，伏牛山南坡对各土壤养分含量的拟合决定系数R2在0.472～0.667之间，北坡对各土壤养分含量的拟合决定系数R2在0.475～0.692之间，拟合程度都比较好，说明伏牛山南坡和北坡的土壤养分含量与土层深度之间有着较显著的回归关系。南坡对速效钾的回归拟合决定系数R2大于北坡，北坡对有机质、速效磷、全氮的回归拟合决定系数R2大于南坡，说明南坡的土壤速效钾测定值与回归方程拟合度更好，北坡的有机质、速效磷、全氮测定值与回归方程拟合度更好。另外南坡和北坡对土壤pH值的回归拟合决定系数R2分别为0.002、0.120，说明伏牛山南坡和北坡土壤pH值与土层深度之间的回归关系不显著。

表5 伏牛山南坡、北坡土壤养分含量随土层深度变化的拟合方程†Table5 Fitting equation of soil nutrients content with soil depth change on the southern and northern slope of Funiu mountain

3.5 伏牛山南坡和北坡土壤养分间的相关性比较

通过person相关分析，分别得出伏牛山南坡、北坡各养分之间的相关性（如表6所示）。南坡土壤的全氮与速效磷、有机质与速效磷、有机质与全氮之间呈显著正相关，相关系数分别为0.453、0.461、0.982；除pH值与速效磷呈不显著负相关外，其余各养分之间相关性不明显。北坡土壤的全氮与速效钾、有机质与速效钾、有机质与全氮呈显著正相关，相关系数分别为0.437、0.448、0.993；北坡土壤pH值与速效钾、全氮、有机质之间呈不显著负相关，其余各养分之间相关性不明显。

表6 南北坡各土壤养分之间的相关性†Table6 Correlations among soil nutrients on the southern and northern slope

4 结论与讨论

（1）土壤养分如有机质、氮、磷和钾的含量是反映土壤肥力的主要指标[20]。通过对伏牛山南坡和北坡的土壤养分进行对比分析，发现南坡和北坡的土壤养分存在一定的差异，除pH值南坡大于北坡外，其余各养分含量南坡均小于北坡，表明北坡土壤肥力整体高于南坡，这可能是由于：虽然两块样地同为针阔叶混交林，但具体的针阔混交比是不一样的，南坡的针叶树所占比例高于北坡，阔叶树比例低于北坡，即伏牛山北坡针阔叶混交林中阔叶树比例较高，阔叶树的凋落物量多导致枯枝落叶层较厚，因而有机质含量比较丰富。另一方面，伏牛山北坡枯落物归还量多，土壤有机物的分解及腐殖质再合成的转化速率较快，由腐殖质胶结形成的团聚体与水稳性团聚体含量及质量就越高，土壤结构性和抗蚀性就越好[21]，所以北坡的土壤养分淋失较少，而伏牛山南坡一方面枯落物归还量不及北坡，另一方面南坡的年降雨量又高于北坡，这就加强了对地表土壤的冲刷，土壤养分容易流失。李华超[22]对伏牛山南北坡土壤性质对比得出的结论与本文有所不同，他认为南坡样地的酸性、有机质、有效氮、有效磷等平均数值比北坡大，而北坡样地的有效钾、全氮和全钾含量稍高。这可能是因为样地设置的海拔高度不同造成的，本文中的样地海拔在1 500 m，而李华超的样地设置在1 650～1 870 m。吴昊[13]在对秦岭山地松栎混交林土壤养分空间变异及其与地形因子的关系研究中也发现，在制约不同层次土壤养分的地形因素中海拔一直存在，表明其对土壤空间变异的影响作用最大。

（2）森林土壤养分与地表植被及枯落物密切相关，表层土壤因地表植被及枯落物的覆盖，其养分含量较高，随降雨的淋溶及土壤水分的垂直运动，携带土壤养分向土壤深层迁移，致使土壤养分表现出垂直变化[23]。从各土壤养分的垂直分布情况来看，同一土层中北坡的有机质、全氮、速效钾、速效磷含量都高于南坡，但土壤pH值小于南坡；南坡和北坡的有机质、全氮、速效钾、速效磷含量都呈现出从表层向下层逐渐减小的趋势，具有表聚性，这与前人的研究结果一致[24-26]。一般情况下，土壤表层积累了大量的枯枝落叶等植物残体，且植物根系的密度一般随着土层的变深而减小[27]，受地表植被凋落物的矿化分解、转化积累和土壤呼吸等过程的综合影响[28]，土壤养分呈现出富集于表层的状态。另外南坡和北坡的土壤pH值随土层的变化虽然不明显，但略有上升，底层pH值较大，略呈酸性，可能是因为表层土壤的植物根系、腐殖质含量等较下层土壤要高，对土壤酸碱度具有一定的调节作用[29]，这与曹永昌[30]对秦岭山地典型林分下的土壤pH值研究结果一致。

在不同土层中，由于地上植被及枯落物存在较大差异，再加上温度、降水等其他环境因子的影响，使得伏牛山南坡、北坡各层土壤养分均表现为中等变异。土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾的空间分异程度都随着土层的加深而增大，0～20 cm 土层土壤养分的变异系数相对较小，主要是因为采样点均在有植被覆盖的林地，且位于自然保护区内，人为干扰较少，土壤养分循环良好，植被对表层、亚表层土壤养分的消耗和利用，因枯落物的分解释放而得到及时补充[23]，因而变异系数相对较小。

（3）基于回归拟合方法，建立土壤养分含量与土层深度之间的数学模型，发现南坡和北坡的土壤养分含量与土层深度之间都有着较为显著的回归关系，表明土层深度对土壤有机质、全氮、速效钾、速效磷养分元素解释度较高；南坡和北坡的土壤pH值与土层深度之间的回归关系不显著，说明土层深度对土壤pH值的解释度较低，即各土层土壤pH值差异不显著，这与秦娟[31]等对安徽省枞阳县3种马尾松不同林型土壤pH值的分析结果一致。

（4）相关分析表明，不同土壤养分及pH值之间存在一定的相关性。伏牛山南坡和北坡都为针阔混交林，地表的枯枝落叶较多，在腐殖化作用下，表层土壤的有机质含量较丰富，再加上有机质的矿化以及生物固氮作用的加强，土壤表层的全氮含量也会相应提高，因此南、北坡的有机质与全氮都呈极显著正相关，这与魏强等[32]的分析结果一致。伏牛山南坡和北坡其余各土壤养分之间的相关性有所差异，南坡土壤的速效磷与有机质、全氮呈显著正相关，与pH值呈负相关。北坡土壤的速效钾与有机质、全氮呈显著正相关，与pH值呈负相关。通过分析伏牛山南坡和北坡各土壤养分之间的相关性可以看出，有机质、全氮、速效磷、速效钾之间存在不同程度的正相关关系，而与土壤pH值之间多呈负相关关系。此结论也从另一个方面解释了南坡的整体土壤养分水平低于北坡的原因，即南坡的土壤pH值较高，pH值与各养分之间呈负相关关系，因此各土壤养分含量减少。森林土壤养分的差异特征不仅与植被组成、土层深度、海拔高度等有关，还与坡度、坡向及植被生长状况等其它环境因素有关。本研究主要考虑了森林植被、土层深度等因素，其它环境因素考虑较少，这可能对研究结果产生一定影响，在今后的研究中应尽量全面考虑这些因子对土壤肥力特性的影响。