油松天然林不同土壤层养分及其与地形因子的关系

王慧，梁文俊，南宏伟

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

土壤养分是植物生长的物质基础，是衡量土壤肥力高低的重要指标，土壤养分的空间变异是植被类型、人为干扰、动物及微生物等生物因素[1～2]和成土母质、地形因子[3～5]等非生物因素综合作用的结果。地形条件是土地构成、气象变化的重要基础，也是小气候形成的主导因素，直接影响着地表物质循环和能量流动[6]，在山地区域，海拔、坡度、坡向和坡位等地形因子很大程度上决定了区域光照、水分和温度等资源的重新分配，对植被类型分布、土壤理化性质和养分状况有着显著影响。关于地形对土壤养分的影响研究，学者们在荒漠沙地、荒漠沙地、喀斯特峰丛洼地、片麻岩山区等特殊立地环境做了大量的研究[7～10]，从多尺度上探讨了土壤养分对地形因子的响应特征，而森林地形因子对土壤养分的影响机制研究还有待深入。

油松(PinustabulaeformisGarr.)为我国特有树种，其中心分布区为我国的华北地区，是该区域中低海拔(0～1 900 m)暖温性针叶林的主要建群树种，以常绿针叶纯林或与辽东栎(QuercusliaotungensisKoidz.)成针阔混交林形式存在。前期对油松林的研究主要集中在群落结构、空间分布格局、林内环境资源特征等方面[11～13]，油松林土壤方面的研究则侧重于土壤结构、性质及养分现存量[14～16]等方面的研究。本研究选取华北山地典型油松纯林为研究对象，通过野外土壤采集和地形因子测定，分析油松林腐殖质层(H层)和壤土层(L层)总碳、全氮和有效P养分状况，以及地形因子单一及其交互作用对土壤养分状况的影响，以期为研究华北地区暖温性针叶林养分循环、进一步进行森林资源保护与可持续经营利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究区位于山西省中部吕梁山脉，地理坐标为东经110°05′～113°33′，北纬34°34～37°43′之间，海拔范围1 100～2 830 m，属温带大陆性季风气候区，年平均气温4.3 ℃，无霜期平均145 d，年均降水量822 mm，降水多集中在6～8月，雨热同季。山地土壤为风积黄土母质，壤土层类型以褐土和棕壤为主，土层10～60 cm厚薄不等，腐殖质层0～10 cm。

1.2 样地调查

本研究于2017年夏季进行野外调查，在庞泉沟国家级自然保护区及苍儿会生态旅游区设置样地(111°0′～111°37′E, 37°34′～37°43′N)。在研究区油松纯林分布范围内，沿海拔梯度按照不同坡向、坡位、坡度进行完全随机设计设置样地共15个，所选样地均为完全郁闭纯林林分(优势树种断面积比例≥80%)，林分发育类型为幼龄林～成熟林不等，样地面积至少1 hm2，在所选样地内设置20 m×20 m的调查样方，为减少样方之间的空间自相关性，两块样方间距至少1 km，同时样方四边距离林缘50 m以上以降低边缘效应。对样方内林冠层活立木(DBH≥10 cm)进行每木检尺，统计其密度；每一样方内采用生长锥法估测其优势树种年龄，采用样地内优势树种平均年龄作为林分年龄的保守估计；选用标准木建立树高-胸径曲线模型计算林分平均高。

采用便携式GPS测量并记录样方的地形因子，包括海拔(E)、坡向(A)、坡度(S)，坡位(P)根据林分所在位置记录，分为上、中、下坡，样地概况见表1。

表1 油松天然林样地概况

在每一样方内随机设置4 m×4 m的林下灌木小样方5个、1 m×1 m的林下草本小样方5个。在每一小样方内，记录灌木(包括幼树、幼苗)/草本植物种类，统计其多度，估算其盖度。调查样方中林下灌木总盖度16.68%～76.23%，灌木物种28种，分属于15科24属，灌木层常见的植物种类有：土庄绣线菊(SpiraeapubescensTurcz.)、二色胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、虎榛子(OstryopsisdavidianaDecaisne)、水栒子(CotoneastermultiflorusBge.)、美蔷薇(RosabellaRehd.et Wils)、山刺玫(RosadavuricaPall.)等。林下草本植物44种，分属于22科41属，草本层常见的植物种类有：披针叶苔草(Carex lanceolata Boott)、早熟禾(PoaannuaL.)、唐松草(ThalictrumaquilegifoliumLinn.var.sibiricum Regel)、小红菊(Dendranthemachanetii)、茜草(RubiacordifoliaL.)、柴胡(Bupleurumchinense)等。

1.3 土壤样品采集与测定

样地土壤剖面(T)形态：0≤T<3 cm为枯落物层，3 cm≤T<5 cm为半腐败枯落物层，5 cm≤T<15 cm为深灰色或深灰棕色腐殖质层，质地疏松，颜色与下层土壤层过渡明显，15 cm≤T<75 cm为土壤层。在每一样方内，按照“S”形取样法设5个土壤采样点，在采样点手动拨开枯落物及半腐败枯落物层，对腐殖质层(即土壤剖面5～15 cm层)、0～10 cm(即土壤剖面15～25 cm层)、10～20 cm(即土壤剖面25～35 cm层)壤土层采用土钻法进行取样，不同层次样品分别混合后采用四分法均匀取样放置冰盒带回实验室，冷冻待测[17]。其中，土壤总C(TC)测定采用灼烧法测定，全N(TN)采用凯氏定氮法测定，有效P(AP)采用氟化铵-盐酸浸提法测定，壤土层含水量采用烘干法测定，土壤pH值采用复合电极测定[18]。样地腐殖质层与壤土层理化性质概况见表2。

1.4 统计分析

对关帝山油松天然纯林不同土壤层养分含量进行单因素方差分析(ANOVA)以及 LSD差异性检验，同时对不同土壤层养分含量做Pearson相关性分析，为探究地形因子及其交互作用对关帝山油松天然纯林不同土壤层理化性质的影响，本研究采用广义线性模型(generalized linear model, GLM)对其进行分析，其表达式为：

表2 油松天然林样地腐殖质层与壤土层理化性质概况

Yi=β+E+A+P+S+E*A+E*P+

E*S+A*P+A*S+P*S+ε

式中，Yi表示腐殖质层和壤土层总C、总N及有效P含量，β为截距，E、A、S、P分别表示地形因子海拔、坡向、坡度和坡位，因子相乘表示因子间的交互效应；ɛ为残差，符合正态分布。为便于模型统计，将坡位和坡向数据以等级制表示，其中坡位表示：0.2代表下坡，0.6代表中坡，1代表上坡；根据实地样地调查的结果，油松林天然林多分布在东北坡、北坡、西北坡、西坡、东南等5个坡向，因此坡向表示：0.1代表北坡(以正北为 0°，顺时针旋转0°～22.5°，337.5°～360°)，0.2代表东北坡(22.5°～67.5°)，0.3代表东南(112.5°～135°)，0.4代表西坡(247.5° ～292.5°)，0.5代表西北坡(292.5°～337.5°)。影响效应通过forward选出显著影响因子，数据分析由R3.3.1完成。

2 结果与分析

2.1 不同土壤层养分状况

碳、氮、磷是土壤中重要的生源要素。对关帝山油松天然纯林不同土壤层养分含量进行单因素方差分析(ANOVA)，结果见图1。对不同土壤层养分含量做Pearson相关性分析，结果见表3。

图1 不同土壤层养分含量

由图1可以看出，关帝山油松天然纯林腐殖质层和0～10 cm、10～20 cm壤土层总碳(TC)、全氮(TN)和有效磷(AP)含量均随着土壤层次的加深呈现递减趋势，但3种营养元素变化不尽相同，其中TC含量在腐殖质层(210.86±22.38 g·kg-1)和壤土层差异显著(F=50.697,P<0.001)，而在0～10 cm(58.03±5.08 g·kg-1)与10～20 cm壤土层(36.22±3.03 g·kg-1)差异不显著；TN含量在不同土壤层间差异显著(F=103.56,P<0.001)，含量从腐殖质层至10～20 cm壤土层依次为0.87±0.06 g·kg-1、0.26±0.02 g·kg-1、0.12±0.02 g·kg-1；AP含量在腐殖质层和10～20 cm壤土层间差异显著(F=3.889,P=0.028)，其中腐殖质层含量为1.44±0.21 g·kg-1，0～10 cm含量1.06±0.15 g·kg-1，10～20 cm层含量为0.84±0.11 g·kg-1。

由表3可以看出，同一土壤层次间，关帝山油松天然纯林腐殖质层TC、TN和AP间存在着不同程度的显著性正相关，0～10 cm壤土层TC和TN呈极显著性正相关(P<0.001)；同一营养元素间，腐殖质层与10～20 cm壤土层TC呈显著性正相关(P=0.014)，腐殖质层与0～10 cm壤土层TN呈显著性正相关(P=0.004)，而腐殖质层、0～10 cm与10～20 cm壤土层AP三者间均存在极显著性正相关(P<0.001)。

表3 不同土壤层养分Pearson相关性分析

注：*表示P<0.05水平相关，**表示P<0.01水平相关，***表示P<0.001水平相关

Note:*means the correlation was significant at 0.05 level,**means at 0.01 level，***means at 0.001 level

2.2 不同土壤层养分与地形因子关系

利用GLM模型对显著影响不同土壤层养分含量的单一地形因子做图，结果见图2，拟合各因子对关帝山油松天然纯林腐殖质层和0～10 cm、10～20 cm壤土层养分影响的程度，结果见表4。

图2 地形因子对不同土壤层养分含量的单一影响

由表4可知，海拔和坡位的交互效应对腐殖质层和0～10 cm壤土层养分影响较为显著，绘制海拔和坡位交互效应图(图3)。

2.2.1 不同土壤层总碳含量

分析各地形因子对关帝山油松天然纯林腐殖质和0～10 cm、10～20 cm壤土层TC含量的影响，由图2a与表4可知，本研究中关帝山油松天然纯林仅腐殖质层TC含量对海拔有响应(R2=0.343,P=0.022)，两者呈显著负相关关系，即随着海拔的增加，腐殖质层TC含量会显著降低；由图3c可知，海拔和坡位的交互效应对0～10 cm壤土层TC含量有影响(R2=0.523,P=0.037)，对于下坡位，随着海拔的升高，0～10 cm壤土层TC含量增高，但总体来说，随着坡位和海拔的增加，0～10 cm壤土层TC含量呈降低趋势。

表4 基于GLM模型拟合地形因子对土壤养分影响系数

注：-表示效应不显著因子

Note: - represents the insignificant factors

图3 海拔和坡位对土壤养分的交互效应

2.2.2 不同土壤层全氮含量

分析各地形因子对关帝山油松天然纯林不同土壤层TN含量的影响，由图2b与表4可知，本研究中关帝山油松天然纯林腐殖质层TN含量与坡位的关系密切(R2=0.377,P=0.019)，随着坡位的上升，腐殖质层TN含量显著下降，经LSD检验，上坡、中坡与下坡之间差异显著(F=8.239,P=0.004)，腐殖质层TN含量还同时受到海拔和坡位、海拔和坡向交互效应的影响(R2=0.458,P=0.010)，由图3a可知，在下坡位，随着海拔的增加，腐殖质层TN含量呈增加趋势，但总体来说，随着坡位和海拔的增加，腐殖质层TN含量呈降低趋势；由图3 d可知，0～10 cm壤土层TN含量仅受海拔和坡位的交互效应影响(R2=0.475,P=0.018)，变化趋势与腐殖质层TN趋势相同，10～20 cm壤土层TN含量则在坡向的前提下受坡位和坡度的交互效应影响(R2=0277,P=0.020)，呈正相关关系。

2.2.3 不同土壤层有效磷含量

分析各地形因子对关帝山油松天然纯林不同土壤层AP含量的影响，由图2c与表4可知，关帝山油松天然纯林腐殖质层AP含量与海拔呈显著负相关关系(R2=0.460,P=0.003)，此外还受到海拔和坡位、坡向和坡度交互效应的影响(R2=0.525,P=0.009)，由图3b可知，随着海拔和坡位的增加，腐殖质层AP含量呈降低趋势；由图2 d可知，10～20 cm壤土层AP含量与海拔呈显著负相关关系(R2=0.440,P=0.007)，此外还受到坡向和坡度交互效应的影响(R2=0.465,P=0.023)。

3 讨论

3.1 不同土壤层养分现存状况

森林土壤养分状况很大程度上制约着植物群落的生长和演替[19]。本研究中，关帝山油松纯林土壤养分含量明显低于亚热带、暖温带常绿阔叶林、落叶阔叶林以及华山松、云南松等针叶树种林下土壤[20～22]，符合针叶树种凋落叶与阔叶树种相比更难分解周转时间较长、转化为可利用养分的程度较低的一般理论[23,24]，此外，研究地所在的黄土高原处于大陆性半干旱季风气候下，蒸发大于降水所带来的土壤水分缺乏减缓了油松凋落物的分解，亦降低了土壤养分的循环速率，说明研究地针叶林在养分循环和能量转换等方面的限制，因此建议在后续的营林活动中可适当调整林分结构，合理营造针阔混交林[25]，通过改善林地凋落物组分，促进林内养分的良性循环。

关帝山油松纯林土壤养分含量随土层深度的增加呈递减趋势，与前人的研究结论相似[21, 26]，符合土壤生态系统生物微循环和植被根系养分吸收的基本规律。本研究中，腐殖质层与壤土层的TC与TN含量差异显著，可能与研究区半干旱气候相关，季节性雨水的缺少可能会导致腐殖质层的养分无法通过淋溶作用进入到土壤下层，而土壤环境中P素的复杂反应使得土壤AP的含量在一定程度上受土壤性质、有机质含量、根际微生物以及P素的形态等多种要素决定[27,28]，这可能是本研究中腐殖质层AP含量和10～20 cm壤土层间差异显著，与0～20 cm壤土层AP三者间均存在极显著性正相关的原因。森林腐殖质层内部以及与壤土层养分之间的显著相关性，说明腐殖质层在森林养分循环和平衡方面的重要作用，对于该地区森林生态系统涵养水源、养分贮存等方面具有重要意义。

3.2 地形因子对土壤养分的影响

本研究可以看出，油松林不同土壤层养分受地形因子的影响，其中与海拔和坡位单一地形因子的关系较为密切，这与高杰等学者关于土壤养分与地形因子关系相关性较小的研究结论不同[29]。本研究中油松林腐殖质层TC和不同分层AP含量受海拔影响显著(海拔范围1 300～1 900 m)，与其呈显著负相关关系，说明海拔的变化明显影响了林内土壤水热条件，引起土壤养分含量的差异，一方面可能是由于随着海拔的升高，林内气温及地表温度逐渐降低，不仅减缓了林地土壤生态系统凋落物的分解速度，而且植被生长量减少，导致有机质含量降低，从而引起土壤养分含量降低，另一方面也可能是缘于山地地表径流所致，使得土壤养分在低海拔处积累，这与朱菊兰等学者的研究结论相反(海拔范围0～100 m)[3]，可能是由于研究区域的海拔范围不同导致。本研究中关帝山油松天然纯林腐殖质层TN含量与坡位的关系密切，呈现出下坡位腐殖质层TN含量高于中坡和上坡的趋势，这亦可能是由于山地地表径流，且下坡位坡度较缓，导致土壤TN含量表现出在下坡汇集的现象[30]。

此外，地形因子交互效应对土壤养分的影响也不可忽视。本研究中，由表4和图3可以看出，海拔和坡位的交互效应对于腐殖质层TN及AP、0～10 cm壤土层TC及TN含量影响显著，结合前述讨论可以得出，海拔和坡位这两种地形因子对土壤营养元素的影响不仅存在单一作用并且存在联合协同机制，其中TC和TN含量对海拔和坡位交互效应表现出相似的动态响应，即在下坡位，虽然随着海拔的增加(海拔1 400～1 600 m)，养分含量增加，而总体来说，随着海拔和坡位的增加，养分含量呈减少趋势，而AP含量表现出无论何种坡位，随着海拔和坡位的增加，养分含量呈减少趋势，进一步说明了地形因子对林地土壤养分影响的复杂状况以及营养元素的性质差异。坡向与坡度的交互作用对腐殖质层以及10～20 cm壤土层AP含量影响显著，说明在特定的坡向，坡度的改变可能会引起微地形光、热的差异，从而影响到P元素的循环和营养状况。而海拔和坡度的交互效应以及坡向和坡位交互效应对任何土壤层养分的影响均不显著，可能是由于因子的单一效应模糊了彼此间的互作，当然空间数据的不准确性也是影响因素之一[3]。

4 结论

关帝山油松纯林土壤养分含量低于其他植被类型林下土壤，土壤养分含量随土层深度的增加呈递减趋势，森林腐殖质层内部以及与壤土层养分之间存在不同程度的显著正相关关系；基于GLM模型拟合地形因子对土壤养分状况的单一及交互作用影响，海拔和坡位对于油松纯林林下土壤养分的单一和交互效应均较为显著。在今后的研究中，加强对油松纯林土壤生态系统的综合研究，可以为防止其地力衰退、增强林地土壤养分的良性循环以及科学营林提供依据。