起源和坡向对陕北黄龙山油松林土壤特征的影响

武建超，吴普侠*，刘奕博，陈佳卉，宋 淏

(1.陕西省林业科学院，西安 710082；2.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

土壤对森林生态系统的演替与发展具有显著影响，土壤中有机质的转化和矿物元素的释放与植物的生长发育密切相关，土壤营养的缺失会显著影响植物生长过程[1-2]。目前，土壤退化仍然是人工林生态系统广泛存在的问题之一，其原因多种多样，一方面，在受到干扰的生态系统，植物吸收的主要驱动力源自根部的主动运输[3]，而在人工林生态系统中，由于受到强烈的人为干扰(如施肥、除草等)，植被根际养分浓度快速变化，会破坏原有的土壤结构和元素循环过程。另一方面，人工林生态系统的物种组成往往过于单一，会直接导致特定元素快速流失[4-5]。植物凋落物的分解是一个漫长过程，一些元素大量积累在凋落物层内，并使其在土壤中的含量快速降低。与此同时，人工林土壤养分在降水、风蚀等作用下不断流失，导致人工林土壤质量不断退化[6]。

黄土高原是我国乃至世界水土流失最为严重的区域之一，受区域环境影响，天然林储量较低[7]。近年来，当地大力开展植树造林工作，人工林面积快速增长[8]。伴随着人工林面积的增长，人工林质量的提升已成为当前和未来水土保持和森林生态系统保护必须解决的问题[9-10]。因此，为实现该地区森林质量的精准提升，亟需开展不同林分森林土壤性质研究。分析理化性质的差异，探讨引起差异的主要原因，为人工林经营提供理论依据。

1 研究区概况

陕西省延安市黄龙县黄龙山林区，位于黄土高原东南部，南北长约60 km，东西宽约50 km，黄龙山林区森林资源储量丰富，林区总面积约194 171 hm2，其中各类林地面积占比超过99.8%。研究区属于温带大陆性季风气候类型，年平均温度8.6 ℃，年平均降水量611.8 mm，平均日照2 370 h，无霜期175 d。森林植被类型以暖温带落叶阔叶林为主，乔木群落主要由油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、辽东栎(Quercuswutaishanica)、杨树(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)等树种组成。实验样地布设于黄龙山林区石堡林场，各实验样地内优势树种均为油松。

2 研究方法和数据处理

2.1 样地布设

依据森林的起源和坡向的差异，本研究共计设置四组不同类型的样地，分别为阳坡油松人工林(PP)、阴坡油松人工林(MP)、阳坡油松天然林(PN)、阴坡油松天然林(MN)。依据2005年延安市森林资源二类清查成果与实地勘察结果，于2017年7-8月在研究区内油松林内设置600 m2典型样地24块，其中每组各6块。各样地的基本信息如表1所示。

表1 油松林标准地基本情况

续表1

2.2 土壤采样和理化性质分析

土壤样品于2017年8月10-12日采集。样地内，土壤采样点依照“S”型布设，每个样地内共计设置15个采样点，各采样点之间间距不少于5 m。在移除地表凋落物后，用土钻采集0～30 cm的土壤，混合均匀后，装入塑封袋，并用冰盒运输至实验室，储存在-4 ℃的冰箱中备用。同时，使用环刀在样地中心和样地对角线中点分别进行5次取样，用于土壤物理性质的分析。

土壤容重(BD)、含水量(SWC)和毛管孔隙度(CP)采用环刀法测量；土壤pH值通过制备1∶1的土壤∶氯化钾(KCl)悬浮液，使用Sartorius p-10 pH计(Sartorius,德国)测定了；土壤有机质含量(SOM)采用重铬酸钾氧化法[11]测定；土壤全氮含量(TN)采用凯氏定氮法，用FOSS 8400凯氏定氮仪(FOSS, 丹麦)测定；土壤全磷含量(TP)通过硫酸-高氯酸消化法，使用分光光度计测定[12]；土壤全碳含量(TC)使用Liaui TOC II分析仪(ELMENTAR, 德国)进行测定。土壤碳氮比(C/N)为土壤全碳含量与全氮含量的比值。

2.3 土壤理化性质的相关性分析

采用R语言软件3.6.1版本中的“lattse”包对土壤物理和化学性质指标进行Pearson相关性分析；使用SPSS 25.0软件8个理化性质指标对样地组间土壤理化性质指标的基本情况进行方差分析；主成分分析使用R语言软件3.6.1版本。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质相关性

黄龙山油松林土壤物理和化学性质指标相关性分析(图1)结果显示：在PP样地中，土壤全碳含量与碳氮比具有很强的相关性并达到极显著水平，两指标的相关系数为0.97(P<0.01)；土壤酸碱度与土壤容重相关，相关系数0.85(P<0.05)；土壤有机质含量与土壤毛管孔隙度含量间也显示了较强的相关性，相关系数达到0.86(P<0.05)。在MP样地中，土壤全碳含量与土壤碳氮比相关，相关系数为0.85(P<0.05)；土壤的酸碱度与土壤全碳和全磷含量均显著相关，相关系数分别为0.86(P<0.05)和0.82(P<0.05)；土壤毛管孔隙度与土壤容重间呈负相关，达到极显著水平相关系数0.98(P<0.001)。在PN样地中，土壤含水量分别与土壤的全碳、全磷含量均有显著的正相关性，相关系数分别为0.87(P<0.05)和0.85(P<0.05)。此外，土壤全碳和土壤全磷之间也显示出较强的相关性，二者的相关系数为0.96(P<0.01)。而土壤毛管孔隙度与土壤碳氮比间则具有较强的负相关性(相关系数：-0.95，P<0.01)。在MN样地中，土壤全碳含量与土壤碳氮比密切相关性，两指标的相关系数达到0.85(P<0.05)；土壤中含水量与全磷含量呈显著正相关(相关系数：0.85，P<0.05)；土壤全氮含量与土壤容重间也显示了较强的正相关性，相关系数达到0.86(P<0.05)。

注：“*”表示P<0.05；“**”表示P<0.01；“***”表示P<0.001。图1 不同类型样地中土壤理化性质间相关性

3.2 土壤理化性质差异分析

不同森林土壤养分循环和储存状况不同。黄龙山不同油松林土壤理化特征方差分析结果如(图2)所示， 土壤化学性质方面： PP样地的全磷含量最高， 达到0.68 g·kg-1， 显著高于其他三种样地，全磷含量：PP≫PN>MN>MP。土壤有机质含量MP样地最高(21.19 g·kg-1)，而MN样地次之(20.37 g·kg-1)；在人工林和天然林中，阴坡样地均大于阳坡样地，MP>MN≫PN>PP。土壤全氮含量阴坡样地高于阳坡样地，但未达到显著水平，最大值出现在MP样地中(1.427 g·kg-1)；在不同起源样地土壤全氮含量并无显著差异，土壤全氮的含量：MP>MN>PP>PN。土壤全碳含量各个样地差异显著，PP≫PN≫MP≫MN，PP样地土壤全碳平均含量达到23.608 g·kg-1，而MN样地，土壤全碳含量仅有13.179 g·kg-1。土壤中碳氮比是反应土壤肥力的重要指标，具有重要的意义，本研究中，土壤碳氮比大小差异显著，各类样地土壤碳氮比排序：PP≫MP≫PN>MN。土壤物理性质方面，本研究不同类型样地土壤均呈酸性，其中pH值PN>PP>MN≫MP。在各类型样地中，MP样地土壤酸性显著低于其余三块样地；土壤含水量：PP>MP>MN>PN，各样地间差异并不显著(P=0.429)，土壤含水量最高者是PP样地，达到18.463%；不同类型样地内，土壤容重和土壤毛管孔隙度均无明显差异，其中容重：MN>PN>PP>MP，毛管孔隙度：MN>MP>PP>PN。

图2 土壤理化性质间差异分析,不同字母表示差异显著(P<0.05)

3.3 土壤理化性质特征分析

不同类型样地内土壤理化性质主成分分析(表2)表明：在PP样地中，前三个主成分的贡献分别为：0.432、0.329、0.128，累计贡献达到0.890，大于0.8，表明前三个主成分可以表征PP样地的主要特征；前三个主成分各土壤指标的总载荷：SWC≫pH>BD>C/N>TC>CP>TP>TN>SOM，即PP样地中土壤物理性质的特征明显。在MP样地中，前三个主成分的贡献分别为：0.486、0.269、0.146，累计贡献达到0.900，大于0.8，表明前三个主成分可以表征PP样地的主要特征；在前三个主成分上，各土壤指标的总载荷：TN>SOM>SWC≫C/N>TC>CP>pH>BD>TP，所以在MP样地中，土壤物理和化学性质的特征均较为明显。在PN样地中，前三个主成分的贡献分别为：0.450、0.346、0.152，累计贡献达到0.949，大于0.8，表明前三个主成分可以表征PN样地的主要特征；在前三个主成分上，各土壤指标的总载荷：SOM≫C/N>pH>CP>TP>SWC>TN>TC>BD，故在PN样地中，土壤化学性质的特征较为明显。在MN样地中，前三个主成分的贡献分别为：0.557、0.164、0.145，累计贡献达到0.865，大于0.8，表明前三个主成分可以表征MN样地的主要特征；在前三个主成分上，各土壤指标的总载荷：SOM≫TN>BD>TC>CP>TP>C/N>SWC>pH，故MN样地土壤化学性质的特征较为明显，并与PN样地的主要土壤特征相似。

表2 主成分的标准差及贡献率

4 讨论与结论

土壤养分的合理利用对森林的可持续经营有着非常重要的意义，研究表明无论人工林还是天然林，阳坡样地(PP和PN)土壤全磷含量均高于阴坡样地(MP和MN)，与张飞结论相悖[13]，主要原因是本研究以油松林作为研究对象，张飞以柠条作为研究对象，而磷元素的富集和迁移主要是由生物因素主导的[14]，受植物类型影响较大。而作为植物营养主要来源之一的有机质，在阴坡样地中含量均高于阳坡样地，这与陈诗在伏牛山的研究结论相似[15]。在四类不同的样地中，土壤全碳含量均有显著的差异。一方面，不同坡向对土壤全碳含量有显著的影响，阳坡样地PP和PN中土壤全碳含量显著高于阴坡样地MP和MN，这与在阳坡，植被生长发育速度较快有关[16]，同时也受到阳坡土壤呼吸熵更大影响[17]。而另一方面，考虑到不同起源的样地土壤碳固定速度的差异，人工林样地PP和MP土壤全碳含量显著高于天然林样地PN和MN，主要是因为人工林生态系统长期受到人为干扰，土壤系统未达到稳定状态，因此，碳固定的速度较天然林更快。土壤碳氮比决定着土壤生态系统内部一系列的生物化学反应，土壤碳氮比越小，则土壤生态系统内大分子含氮化合物分解速度越慢，可以被植物有效利用的氮含量越低。因此，本研究天然林土壤中碳氮比显著低于人工林，土壤氮分解速度较快，从而增加了土壤碳、氮含量[18]，所以天然林土壤肥力高于人工林。人工林阳坡土壤碳氮比显著高于阴坡，表明人工林阳坡土壤地力不及人工林阴坡。

表3 因子载荷矩阵表

续表3

土壤物理性质方面，土壤含水量在不同坡向和不同起源的样地均存在差异，但差异不显著。这与翟朝阳等[19]的研究结论不同。主要是因为，虽然本区地处黄土高原，但采样期在8月，研究区内降水丰富，表层土壤受降水影响，采于表层土壤的土样均较湿润。土壤容重和毛管孔隙度在不同起源样地间差异不显著，这与倪晓薇[20]在喀斯特地区针对不同起源马尾松林下土壤的研究结论相似，表明研究区内各个样地间，土壤的透气性及植物根系发育受到的阻力均较为近似[21]。

不同类型样地，土壤理化性质的主要特征存在差异。在天然林中，土壤有机质含量对阴坡样地和阳坡样地均有较大的贡献。这与天然林生态系统中稳定的物质与养分循环密不可分。天然林生态系统受外界干扰较少，受淋溶作用流失和被植物吸收的养分总量与大气沉降作用积累和植被凋落物、动物粪便和尸体等分解积累的养分总量大致相当[22]，因此有机质储量丰富，为天然林的土壤性质主要特征。而人工林土壤含水量有较大的贡献。这是由于相比天然林人工林栽植密度较大，森林蒸腾作用消耗水分更多，对土壤水分的需求更大，而研究区黄土高原年降水量较低，也一定程度限制了人工林的发展[23]。因此，在人工林中，土壤含水量成为土壤性质的主要特征。