冀北山地3种森林植被恢复类型对土壤质量的影响

任启文 ，毕君 *，李联地 ，王超，尤海舟

1. 河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061；2. 河北小五台山森林生态系统定位研究站，河北 涿鹿 075600

土壤是森林生态系统中林木赖以生存的物质基础，枯落物是连接林木与土壤的中间体，在维持土壤肥力、促进森林生态系统正常物质循环和养分平衡方面起着重要作用（李强，2013）。云南元谋县干热河谷不同植被恢复 22年后，土壤物理性质改良率为3.0%～20.2%（唐国勇等，2015）。不同森林植被类型由于其根系生长分布和枯落物特性不同，对土壤质量的改善效应也不同。森林植被主要通过根系的物理作用力及植物对土壤有机质的归还影响土壤容重、孔隙度、持水能力及养分状况，从而影响土壤质量，这一过程是复杂而长期的。研究表明，露天煤矿排土场不同植被类型对土壤容重的改善表现为乔木林地＞灌木林地＞荒草地（李叶鑫等，2017）；贵州杠寨小流域不同植被下土壤现有含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量差异显著（周玮等，2012）；不同植被类型土壤氮磷钾含量差异显著，表土层差异最明显（胡慧蓉等，2014）。森林土壤质量的改善与植物根系生长及其在土壤中的分布有关，尤其与植物毛细根有关，由细根周转进入土壤的有机物是地上凋落量的一倍至数倍（英慧等，2010）；也与森林枯落物的碳、氮、磷、钾、木质素、粗脂肪以及分解后的有机酸等有关（曲浩等，2010），这些成分的含量直接影响微生物种类、数量、活力及菌群稳定性，而微生物是影响凋落物分解过程中酶活性的重要因素（张东来等，2006）。

当前有关森林植被改善土壤质量的研究，大多林龄较小（樊后保等，2006；李叶鑫等，2017；秦娟等，2013），研究结果相对于生态公益林长期经营的特点，其指导意义具有短暂性和局限性。另外，一些研究只对土壤整体做出评价（唐国勇等，2015；李叶鑫等，2017），未进行分层评价，对于精准评价不同森林植被改善土壤质量效应稍显不足。土壤质量分层评价有助于深入研究森林植被改善土壤质量的垂直进程，而土壤物理性质、持水能力、养分含量的分层分析有助于阐明森林植被对土壤结构、孔性和营养元素空间分布的影响，以及各项物理、化学指标间的相互关系，因此土壤质量分层评价对揭示森林植被改善土壤质量的垂直进程具有重要意义。本研究以冀北3种优势森林群落——华北落叶松Larix principis-rupprechtiii林、白桦Betula platyphylla林、华北落叶松-白桦混交林为研究对象，严格控制试验条件，选择恢复年限完全一致（46 a），立地条件基本相同，恢复后极少受人为干扰的3种植被类型设置研究样地，采用反映土壤物理性质、持水能力及养分含量的多项指标作为评价指标，将不同植被恢复类型对土壤质量的影响进行分层和综合评价，为冀北山地通过森林植被恢复提高土壤质量提供理论依据，为区域生态公益林可持续经营提供技术支撑。

1 研究区概况

本研究区位于河北小五台山自然保护区，地理坐标为 114º47'～115º30'E，39º50'～40º7'N。小五台山脉地处冀西北与晋北间山盆地的南缘，为河北最高峰，地理位置特殊，山体相对高差大，地形复杂，生境多变，气候变化明显，是华北地区植物种类最丰富的地区之一。具有暖温带完整的植被垂直带谱，分布有次生灌草带、阔叶林带、针阔混交林带、针叶林带、亚高山灌丛带、亚高山草甸带等，海拔1200 m以下多为农田、裸地等（白晓航等，2017a）。小五台山自然保护区土壤类型主要为褐土、山地棕壤及亚高山草甸土。气候属暖温带大陆季风型山地气候，年均气温6.4 ℃，1月平均气温-12.3 ℃，7月平均气温22.1 ℃，年降水量400～700 mm，无霜期100～140 d（白晓航等，2017b）。

2 研究方法

2.1 样地设置

2016年，采用相邻样地比较法在研究区内选择经过人工恢复 46年的华北落叶松纯林（L）、白桦纯林（B）、华北落叶松-白桦混交林（L&B，以下简称“落白混交林”）为研究对象，进行不同植被恢复模式对土壤质量和土壤肥力影响的研究。3种植被类型相邻，且处于同一坡面上，坡向一致，坡面均一，海拔跨度1674～1697 m，土壤为森林褐土。根据典型性和代表性原则，分别在不同林分中布设面积为20 m×20 m的标准样地，每种植被类型设置3块样地，对标准样地进行每木检尺和基本调查，样地基本情况见表1。

2.2 土壤样品采集

在每个样地内根据坡位按照上、中、下布点挖掘3个土壤剖面，共27个土壤剖面。每个土壤剖面按深度0～20、20～40、40～60 cm分3层（60 cm以下接近土壤母岩，砾石较多无法用环刀取样）取样，每层利用环刀采集土样3个，共取得243个土样，以备土壤物理性质和土壤持水能力测定。按照土壤剖面深度0～20、20～40、40～60 cm分3层取样，每层均匀取土样1个，重约500 g，分别装入土袋，带回实验室，共取得81个土样，以备土壤养分含量测定。

2.3 评价指标选取

为了能够全面评价不同植被恢复类型对土壤质量和肥力的影响，本研究主要选取三类指标，分别为反映土壤物理性状的指标、反映土壤持水能力的指标和反映土壤养分特征的指标。反映土壤物理性状的指标包括土壤容重、总孔隙度和毛管孔隙度；反映土壤持水能力的指标包括土壤含水量、毛管持水量、最大持水量和田间持水量；反映土壤养分特征的指标包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量。

2.4 样品测试方法

采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量和田间持水量；采用烘干称重法测定土壤含水量。将装袋土壤样品风干后过0.15 mm筛，测定土壤养分含量。采用重铬酸钾-浓硫酸消解-硫酸亚铁滴定法测定土壤有机质含量；凯氏定氮法测定全氮含量；钼锑抗比色法测定全磷含量；原子吸收法测定全钾含量；碱解扩散法测定碱解氮含量；碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量；醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量（中国科学院南京土壤研究所，1978）。

2.5 数据分析

运用Excel 2007进行数据处理；运用SPSS 19.0进行单因素方差分析、差异显著性检验（Duncan）和主成分分析。

表1 样地基本情况Table 1 General condition of the sample plots

采用土壤质量指数法（SQI）综合评价不同恢复植被类型土壤质量，该评价方法主要包括以下步骤：

（1）将各土壤理化指标进行主成分分析，确定主成分数量，在每一主成分中选择贡献率较大的土壤指标，若同一主成分中有多个贡献较大的指标，则通过相关矩阵，选取相关系数不强的指标（Andrews et al.，2002）。

（2）按照下式对所选取的指标进行标准化处理（Bastida et al.，2006）。

式中，Y是标准化后的指标值；a=1；x为选取的指标值；x0为选取指标值的平均值；当x在主成分中的系数为正时，b=-2.5，当x在主成分中的系数为负时，b=2.5。

（3）计算土壤质量指数 ISQ（Bastida et al.，2006；Sinha et al.，2009），计算式如下：

式中，ISQ为土壤质量指数；Yi为标准化后的指标值；Wi为权重，确定方法为Yi所在主成分能够解释方差变异量的百分比；i为主成分指标（Sinha et al.，2009；Masto et al.，2008）。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型对土壤物理性状的影响

由表2可知，3种植被类型土壤容重随土层深度增加而增加，说明研究区土壤总体上表现为浅层疏松，深层致密。3种植被类型0～20 cm土壤容重差异极小，20 cm以下土层差异逐渐显现，落白混交林土壤容重最小，白桦林次之，华北落叶松林最大；经差异显著性检验，落白混交林与华北落叶松林差异显著，而与白桦林差异不显著。总孔隙度随土层深度增加而逐渐减小。3种植被类型0～20 cm总孔隙度差异不显著，但随着深度增加，土壤深度20 cm以下，白桦林和落白混交林保持较高的总孔隙度。3种植被类型下土壤毛管孔隙度变化较为复杂，华北落叶松林随土层深度增加而降低，白桦林与落白混交林毛管孔隙度随土层加深而先升高后降低；总体上落白混交林0～20 cm土层毛管孔隙度在3种植被类型中居中，而在20 cm以下土层中，其毛管孔隙度最大，且与华北落叶松林、白桦林差异显著。

表2 不同植被类型土壤物理性状Table 2 Soil physical properties of different vegetation types

从3种植被恢复类型下土壤物理性状的差异可以看出，落白混交林对于中下层土壤（20～60 cm）土壤物理性状的改善作用较大，而其浅层土壤（0～20 cm）物理性质与两种纯林的差异不明显。

3.2 不同植被类型对土壤持水能力的影响

由表 3可知，毛管持水量、最大持水量、田间持水量总体上表现为随土层深度增加而减小；土壤含水量随土层深度的变化均表现为先升后降。0～20 cm土层，华北落叶松林毛管持水量最大，落白混交林次之，白桦林最小；20 cm以下土层，落白混交林毛管持水量最大，且与华北落叶松林、白桦林差异显著。最大持水量和田间持水量在土壤各层均表现为落白混交林最大，且与华北落叶松林、白桦林的差异均达显著水平。在0～20 cm土层，落白混交林土壤含水量居中，白桦林最大，华北落叶松林最小；20 cm以下土层，落白混交林最大且与华北落叶松和白桦纯林差异显著。

表3 不同植被类型土壤持水能力Table 3 Soil water holding capacity of different vegetation types

由以上分析可知，落白混交林对土壤持水能力的改善作用较大，特别是对最大持水量和田间持水量的改善作用相较于两类纯林非常明显；其对毛管持水量和土壤含水量有明显改善的土层为20 cm以下。由于土壤物理性状对土壤持水能力影响很大，落白混交林通过改善土壤物理性状而间接改善土壤持水能力。

3.3 不同植被类型对土壤养分含量的影响

由表4可知，3种植被恢复类型土壤有机质、全氮含量均表现为：0～20 cm土层，落白混交林与华北落叶松林含量差异不显著，但显著高于白桦林；20 cm以下土层，落白混交林显著大于华北落叶松纯林和白桦纯林。落白混交林土壤全磷和速效钾含量在所有土层中均为最大，白桦林全磷含量最小，而华北落叶松林速效钾含量最小。3种植被类型下不同深度土壤全钾含量变化较为复杂，0～40 cm土层全钾含量表现为白桦林＞落白混交林＞华北落叶松林，40～60 cm土层为落白混交林＞白桦林＞华北落叶松林。落白混交林与华北落叶松林土壤各层碱解氮、速效磷含量差异不显著，但均显著大于白桦林。

表4 不同植被类型土壤养分含量Table 4 Soil nutrient content of different vegetation types

华北落叶松、白桦林、落白混交林0～60 cm土壤有机质含量分别为 38.38、30.27、40.82 g·kg-1，全氮含量分别为1.62、1.10、1.65 g·kg-1，全磷含量分别为0.50、0.36、0.55 g·kg-1，均表现为落白混交林＞华北落叶松林＞白桦林。全钾含量分别为8.68、9.44、9.28 g·kg-1，碱解氮含量分别为 151.67、99.71、144.89 mg·kg-1，速效磷含量分别为 0.383、0.343、0.380 mg·kg-1，落白混交林均处于第二位；速效钾含量分别为87.63、103.84、130.90 mg·kg-1，表现为落白混交林＞白桦林＞华北落叶松林。由以上分析及图1可知，落白混交林土壤各层养分含量指标排名明显优于华北落叶松林，而华北落叶松林优于白桦林。因此，3种植被恢复类型中落白混交林土壤养分状况最好，华北落叶松林次之，白桦林最差。

图1 不同植被类型土壤各层养分含量排序频次Fig. 1 Rank frequency of nutrient contents of different soil types in different vegetation types

3.4 不同植被类型土壤质量评价

不同植被恢复类型各土壤理化指标主成分分析结果见表 5，第一到第四主成分方差贡献率分别为62.92%、14.63%、10.67%、7.73%，4个主成分的累计方差贡献率为95.95%，认为这4个主成分能够解释大部分信息，可作为主成分进行土壤质量综合评价。在第一主成分中，土壤容重、总孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田间持水量、有机质含量、全氮含量、全磷含量、碱解氮含量、速效钾含量都有较高的系数；结合土壤各项指标相关性矩阵（表6）分析可知，有机质与土壤容重呈显著负相关，与总孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田间持水量、全氮含量、全磷含量、碱解氮含量和速效钾含量均呈显著正相关，且有机质含量在第一主成分中系数最大，因此选择有机质含量为第一主成分中的土壤质量评价指标。同理，分别选择全钾含量、土壤含水率和速效磷含量为第二、第三和第四主成分中的土壤质量评价指标。

表5 不同植被恢复类型土壤指标主成分分析结果Table 5 Principal component analysis of soil index of different vegetation restoration types

根据式（1）和式（2）计算出不同植被恢复类型土壤质量指数，结果见表7。从3层土壤质量指数之和ITSQ来看，落白混交林＞华北落叶松林＞白桦林。从分层指数来看，0～20 cm土层落白混交林与华北落叶松林几乎一致，但都大于白桦林；20～40 cm和40～60 cm土层都表现为落白混交林＞华北落叶松林＞白桦林，且深层土壤（40～60 cm）较中层土壤（20～40 cm）差距大。可见，落白混交林对土壤质量的改善优于华北落叶松纯林和白桦纯林，而改善作用最明显的是中下层土壤（20 cm以下）。

4 结论与讨论

4.1 讨论

植被恢复对土壤性状产生影响，不同植被类型对土壤理化性质的影响程度并不相同（刘乃君，2008；邰姗姗等，2010；杨媛媛等，2012）。很多研究表明，混交林对土壤理化性状的改善效果优于纯林（秦娟等，2013；樊后保等，2006；丁绍兰等，2010），本研究也得出相同结论；然而，对于不同层次土壤改善效果的研究尚不多见，王会利等（2010）研究广西苍梧县马尾松（Pinus massoniana）和湿地松（Pinus elliotti）纯林混交荷木（Schima superba）后对土壤理化性状的改善效果，发现0～20 cm土层的改善效果大于20～40 cm土层，与本研究结果不同，可能原因是林龄长短所致，前者是 18年生马尾松混交14年生荷木以及32年生湿地松混交14年生荷木，相对于本研究46年林龄还较短。混交林对于土壤物理性状的改善应随着林龄的增加由表土层逐渐深入到中下层土壤，而对于表土层的改善，虽然不同林种改善能力与速度不同，但随着时间推移，最终会达到一个相对一致的阈值。本研究浅层土壤3种林型物理性质差异不明显，可能原因是经过46年的持续作用，3种林型表土层物理性质已趋于一致。

表6 土壤各项指标相关性矩阵Table 6 Correlation matrix of soil indexes

表7 不同植被恢复类型土壤质量指数Table 7 Soil quality index of different vegetation restoration types

不同植被恢复类型对土壤肥力质量的影响不同。植被对土壤质量的改善主要通过改善土壤容重、孔隙度、有机质含量等方面产生作用。所有作用都和以下三方面过程相关，一是根系的生长及分布，植物根系生长产生的机械力可以疏松土壤，根系新陈代谢可以增加土壤有机质，根系分泌物有利于根际微生物生长繁殖（胡婵娟等，2012），因此根系在土层中的分布直接影响土壤不同层次的理化性状、持水能力和肥力状况。二是植物枯落物累积及分解，枯落物是土壤有机质的重要来源，是森林土壤得以改善的关键因素；枯落物累积量、元素含量和分解速度是影响土壤有机质及 N、P、K补充速率的重要因素（曲浩等，2010）。三是土壤动物及微生物的活动，土壤动物的活动是土壤浅表层有机质逐渐进入中下层的关键因素，在缺乏人为管理的森林中尤其重要；而土壤微生物是土壤有机质分解为各种营养元素的作用者。植物物种组成对线虫、大型土壤动物和微生物的群落组成和多样性均有显著影响，凋落物的多样性从物理、化学和生物等过程优化微生境，驱动土壤动物及微生物丰富性的增加（李宜浓等，2016）。有研究表明，华北落叶松-白桦混交林凋落物层土壤动物个体密度和类群数显著高于华北落叶松纯林，全氮含量是影响土壤动物多样性的主要因子（马香丽等，2016）。因此，生态公益林营建应避免单一树种，尽量提高物种丰富度。

在土壤质量综合评价结果表明，华北落叶松-白桦混交林土壤质量最好。从土壤质量分层指数来看，起关键作用的是对中下层土壤的改善，这个结论在不同植被类型对土壤物理性质、持水能力及养分特征影响的分析中也得到了证实。王青天（2012）研究发现，马尾松纯林改造成混交林14年后根幅比纯林大12.67%，根系深度比纯林深14.13%。因此，本研究结果的出现可能是由于混交林中华北落叶松与白桦种间竞争的结果，尤其是对土壤水分的争夺促使其根系向下生长，中下层土壤根系数量增加，根系生长的机械力疏松了土壤，增加了土壤有机质，进而促进土壤及根际微生物活动从而起到改善中下层土壤理化性状的效果。另外，华北落叶松与白桦枯落物混合分解对土壤性质的影响存在相互促进作用，两种枯落物的混合为分解者提供了更为有利的微环境，使得微生物数量、活性得以提高，群落结构更加完善，从而加快了混合枯落物的分解速度和土壤养分的提高（李茜，2013）。白桦凋落物由于有较高的C/N和木质素/N，其凋落物较华北落叶松难于分解（李强，2013），这可能是华北落叶松林土壤质量好于白桦林的原因之一。

由此可见，森林植被恢复对土壤质量的改善作用是一个由浅及深的过程，随着林龄的增大，其对土壤质量的改善作用逐渐深入到土壤中下层。而混交林的改善作用是否较纯林明显还不能一概而论，需要经过试验验证，因为有些混交林种凋落物之间有相互促进分解作用，而有些则有相互抑制分解的作用。

4.2 结论

本研究表明，华北落叶松-白桦混交林对中下层（20～60 cm）土壤物理性状的改善作用较大，浅层土壤（0～20 cm）物理性质与华北落叶松和白桦纯林差异不明显。华北落叶松-白桦混交林对土壤持水能力的改善作用较大，特别是对最大持水量和田间持水量的改善作用明显大于华北落叶松和白桦纯林；对20 cm以下土层毛管持水量和土壤含水量有明显的改善作用。3种植被恢复类型中，土壤养分状况表现为华北落叶松-白桦混交林＞华北落叶松林＞白桦林。土壤质量综合评价结果表明，不同植被恢复类型对土壤质量的改善作用表现为华北落叶松-白桦混交林＞华北落叶松林＞白桦林，改善作用最明显的是中下层土壤（20 cm以下）。森林植被恢复对土壤质量的改善作用是一个由浅及深的过程，随着林龄增大，其对土壤质量的改善作用逐渐深入到土壤中下层。