滇西北亚高山典型退化次生林土壤肥力状况特征研究

和丽萍，李贵祥，柴 勇，邵金平，马赛宇

（云南省林业和草原科学院，云南 昆明 650201）

【研究意义】土壤类型的形成、分布与其所处的综合自然环境密切相关，自然条件发生变化，土壤的性状也随之作相应变化［1］。由于自然因素和人为因素的影响，土壤矿物组成、空气、水分和肥力特征均存在一定差异，导致土壤类型及其养分空间格局分异［2］。森林土壤不仅是影响林木生长发育的重要环境因素，还是森林生态系统物质循环和能量交换的重要场所［3］，土壤中有机质、氮、磷、钾等元素是土壤肥力的主要组成部分，也是土壤动物和微生物赖以生存的根本［4］。森林土壤肥力水平不仅受成土条件的制约，也可以通过人为管理措施加以调控。【前人研究进展】随着生态环境问题的日趋尖锐，土壤与植被之间关系的研究越来越受到人们重视［5］。许多学者在不同地区不同林分类型或植被类型土壤肥力状况方面开展了大量研究［6-10］，大都认为同一地区不同林型间土壤肥力相差较大，土壤肥力状况受植被类型影响较明显。

【本研究切入点】滇西北地处我国西南三江并流区，属大江大河上游源头区域，山高坡陡，地形结构极为复杂，属潜在侵蚀极严重区域。保护和恢复好该区域的森林植被，对于维护长江、澜沧江和怒江沿线国土安全及保护我国西南生态安全具有重要意义。滇西北亚高山森林类型主要是以云杉（Picea）、冷杉（Abies）及落叶松（Larix）为主要优势树种的寒温性针叶林，在长期人为干扰下，逐渐形成了大面积的退化次生林。与当地原始森林生态系统相比，这些退化次生林的稳定性、抗逆能力及系统生产力更为低弱，但在维持区域生态平衡、涵养水源、保持水土、调节气候等方面仍发挥不可替代的作用，对其进行保护、生态修复和重建显得尤为重要［11］。由于滇西北亚高山退化次生林分布面积广，林分结构有较大差异，导致不同林分类型土壤性质具有显著差异。土壤肥力状况及分布特征直接影响土壤生产力的高低和生态恢复的途径和方向。【拟解决的关键问题】本研究选择滇西北亚高山20世纪70年代、80年代、90年代采伐云、冷杉后形成的典型退化次生林，测定其不同层次土壤pH、有机质，全量及速效氮磷钾含量，分析不同退化次生林土壤肥力状况及分布特征，为实现维持和提高滇西北地区退化生态系统植被恢复土壤生产力提供理论依据，同时为该区域进行生态恢复与重建提供一定的科学依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在滇西北迪庆藏族自治州香格里拉县建塘林场。建塘林场属青藏高原南缘横断山脉腹地，位于迪庆州东部，属寒温带山地季风气候，年均温度6.3℃，平均最高温度14℃，最低温度-1.6℃，年均降雨量800～1 000 mm，主要集中在6—9月份，占全年降水量的75%。干湿季分明，日温差大，太阳辐射强烈，海拔3 300～3 500 m，属低纬度高海拔地区。植被主要以高山针叶林为主，组成森林的树种主要有高山松（Pinus densata）、云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies）以及一些高山栎类矮灌丛。研究区主要土壤类型为棕壤、暗棕壤、漂灰土和草甸土等。

1.2 试验方法

2018年10—11月，在试验区内选择70年代、80年代和90年代采伐云杉、冷杉后形成的5种退化次生林，包括退化高山栎灌丛、退化杜鹃灌丛、退化大果红杉林、稀疏云杉+冷杉林、退化桦木林，以原始冷杉林为对照，于每个林型内设置3块20 m×20 m样地，分别调查乔木、灌木及草本植物，调查时记录样地的生境及群落特征，对样地内乔木进行每木调查，记录种名、树高、胸径、冠幅及其他一些生态学特征。灌木、草本记录种名、株（丛）数、盖度、高度及其他重要生态特征（表1）。在每个样地分别按对角线随机布设3个点，挖取土壤剖面，并按0～20、20～40、40～60 cm 3个层次分别用环刀取土样及混合土样，用于室内化学分析。基于研究区土壤的形成特点以及林分特性，选取土壤pH值、有机质、速效氮、速效磷和速效钾、全氮、全磷、全钾8项因子构建土壤肥力评价指标。

依据鲍士旦［12］方法对土壤pH值、有机质、速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾进行测定。

试验数据采用SPSS（11.5）软件、Microsoft Excel 2003进行统计分析和图表处理。

表1 样地基本情况Table 1 Basic information of sampling plots

2 结果与分析

2.1 不同退化林分类型土壤pH值

从图1可以看出，试验区土壤pH值为4.55～5.46，呈酸性。退化高山栎灌丛、退化杜鹃灌丛及稀疏云杉+冷杉林不同层次土壤pH值差异不显著，退化大果红杉林、退化桦木林及原始冷杉林不同土层土壤pH值存在显著性差异。比较同一土层不同林分类型的土壤pH值发现，在0～20 cm土层中，退化大果红杉林土壤pH值与其他5个退化林分差异显著，退化高山栎灌丛与退化杜鹃灌丛、原始冷杉林差异不显著，与稀疏云杉+冷杉林、退化桦木林存在显著差异，稀疏云杉+冷杉林、退化桦木林差异不显著；在20～40 cm土层中，各退化林分土壤pH值差异不显著；在40～60 cm土层中，退化大果红杉林与原始冷杉林差异不显著，与退化高山栎灌丛、退化杜鹃灌丛、退化桦木林存在显著差异，稀疏云杉+冷杉林和与其他5个退化林分存在显著差异。

图1 不同退化林分类型土壤pH值Fig. 1 Soil pH of different degraded forest types

2.2 不同退化林分类型土壤有机质与养分特征

通过表2～表4可以看出，不同退化林分类型土壤养分含量存在显著差异。由表2可知，同一林分类型土壤有机质含量随土壤深度增加而逐渐降低，各层土壤有机质含量均存在显著差异；比较同一土层不同林分类型的土壤有机质含量，发现在0～20 cm土层中，除退化高山栎灌丛和退化大果红杉林土壤有机质含量差异不显著外，其余3个退化林分之间存在显著性差异；在20～40 cm土层中，不同退化林分类型土壤有机质含量均存在显著性差异，有机质含量大小为退化桦木林＞退化高山栎灌丛＞稀疏云杉+冷杉林＞退化大果红杉林＞原始冷杉林＞退化杜鹃灌丛；在40～60 cm土层中，稀疏云杉+冷杉林的有机质含量最大、为20.21（±1.76）g/kg，与其他5个退化林分类型存在显著差异，退化高山栎灌丛与其他5个退化林分类型存在显著差异，退化杜鹃灌丛、退化大果红杉林、退化桦木林和原始冷杉林土壤有机质含量差异不显著。

表2 不同退化林分类型土壤有机质含量Table 2 Soil organic matter contents of different degraded forest types（g/kg）

表3 不同退化林分类型土壤速效养分含量Table 3 Soil available nutrient contents of different degraded forest types（mg/kg）

表4 不同退化林分类型土壤全量养分含量Table 4 Soil total nutrient contents of different degraded forest types（g/kg）

由表3可知，同一林分类型土壤速效养分含量随土壤深度增加而逐渐降低，且存在较显著差异，同一土层不同林分类型的土壤速效养分也存在较显著差异。从表3可以看出，退化高山栎灌丛和退化桦木林碱解氮含量较接近，表现为退化高山栎灌丛＞退化桦木林＞退化大果红杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞退化杜鹃灌丛＞原始冷杉林；表4显示，退化桦木林土壤有效磷含量远远高于其他各退化林分类型，表现为退化桦木林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化大果红杉林＞退化杜鹃灌丛＞退化高山栎灌丛；原始冷杉林0～20 cm土层的速效钾含量显著高于20～40 cm和40～60 cm土层的，表现为退化高山栎灌丛＞原始冷杉林＞退化大果红杉林＞退化杜鹃灌丛＞稀疏云杉+冷杉林＞退化桦木林。

由表4可知，各林分类型全氮和碱解氮大小趋势大致相同，同一林分类型土壤全氮含量随着土壤深度的增加而逐渐降低，存在较显著差异，同一土层不同林分类型的土壤全氮含量也存在较显著差异。从表4可看出，各林分类型全氮含量为退化高山栎灌丛＞退化桦木林＞稀疏云杉+冷杉林＞退化大果红杉林＞退化杜鹃灌丛＞原始冷杉林林；原始冷杉林不同土层的全磷含量存在显著差异，退化大果红杉林和稀疏云杉+冷杉林的0～20 cm、20～40 cm土层的全磷含量存在显著差异，其他林分类型的各土层之间差异不显著，表现为原始冷杉林＞退化高山栎灌丛＞稀疏云杉+冷杉林＞退化杜鹃灌丛＞退化桦木林＞退化大果红杉林；退化桦木林各土层间土壤全钾存在显著差异，退化大果红杉林0～20 cm、20～40 cm土层间存在显著差异，稀疏云杉+冷杉林20～40 cm、40～60 cm土层间存在显著差异，其他各林型不同土层差异不显著，全钾含量在不同林型之间无明显规律，表现为退化桦木林＞退化杜鹃灌丛＞原始冷杉林＞退化大果红杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞退化高山栎灌丛。

2.3 不同退化林分类型土壤养分因子相关性

通过对不同退化林分类型土壤养分因子相关分析（表5）发现，不同退化林分类型各个土壤养分因子之间存在较为紧密的相关关系。土壤pH值与全氮、碱解氮、速效磷含量呈显著负相关，与全钾含量呈显著正相关；土壤有机质含量与全氮、碱解氮含量呈极显著正相关，与全钾含量呈极显著负相关，与速效磷、速效钾含量呈显著正相关；全氮含量与碱解氮含量呈极显著正相关，与全钾含量呈极显著负相关，与速效磷、速效钾含量呈显著正相关；全磷与速效钾含量呈极显著正相关，全钾含量与碱解氮、速效钾含量呈显著负相关；碱解氮与速效磷、速效钾含量呈极显著正相关。由此可见，不同退化林分类型土壤养分因子之间存在显著性相关关系，可以用来综合反映土壤肥力水平。

2.4 不同退化林分类型土壤养分的综合评价

2.4.1 主成分分析 采用主成分分析法对不同退化林分类型土壤养分进行综合评价，主成分分析结果见表6。按照特征值＞1的原则，抽取3个主成分，其特征值分别为4.199、1.502、1.045，方差贡献率分别为52.493%、18.781%、13.060%。由表6可知，第1主成分主要代表全氮、碱解氮、有机质含量的变化，第2主成分主要代表速效钾、速效磷和全磷含量的变化，第3主成分主要代表pH值的变化。三者之和达到84.334%，说明前3个主成分的综合指标基本能反映土壤肥力评价系统内的变异信息，即取前3个主成分基本包含了全部8个评价指标所有的信息，可以较好地反映土壤肥力质量的综合状况，表明主成分分析用于评价土壤养分状况是可靠的。因此，可以用这3个主成分代表原来8个评价指标对滇西北退化次生林林分土壤养分状况进行分析和评价。

表5 不同退化林分类型土壤养分因子相关性Table5 Correlation analysis of soil nutrient factors of different degraded forest types

表6 土壤养分因子载荷矩阵、特征向量及贡献率Table 6 Load matrix, eigenvectors and contribution rates of soil fertility factors

2.4.2 不同退化林分类型土壤肥力的综合评价在土壤肥力综合评价方面，通过主成分分析计算各个退化林分类型综合得分并进行排序（表7）。从表7可以看出，6种退化林分类型土壤肥力综合得分分别为3.06、-2.27、-0.04、-0.13、0.14、-0.75，土壤综合肥力最高的为退化高山栎灌丛，最低为退化杜鹃灌丛。结果表明，土壤综合肥力大小为退化高山栎灌丛＞退化桦木林＞退化大果红杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化杜鹃灌丛，表明阔叶林（高山栎、桦木林）的土壤养分状况最好，而针叶林（杉木林为主）的土壤养分较差，这是由于阔叶林土壤表面的枯落物较多，加之枯落物的分解速度较快，增加了土壤腐殖质含量，有利于土壤团聚结构的形成，进而增强土壤的自肥能力。

表7 不同退化林分类型土壤养分综合得分Table 7 Comprehensive scores of soil nutrients in different degraded forest types

3 讨论

土壤pH值是土壤肥力和作物生长的重要限制因子，不但影响土壤养分元素的存在形态及转化，而且影响土壤微生物区系，进而影响养分的有效性［13-15］。本研究发现，试验区土壤pH值为4.55～5.46，呈酸性，随着土壤深度的加深，pH值无显著变化，且表层（0～20 cm）pH值往往小于其他土壤层次，原因一方面可能是由于林分枯落物含有大量树脂、单宁和木质素等物质，这些物质分解会产生酸性物质，导致土壤酸化［16］；另一方面可能是由于试验区降雨量相对集中，植物分泌物及枯落物分解的致酸物质通过淋洗作用首先进入表层土壤，且主要分布在表层的植物根系从土壤中吸收阳离子时会释放H+，从而促进表层土壤酸化［17］。

不同退化林分类型和不同层次土壤有机质含量均存在显著差异，且随着土壤深度增加而逐渐降低，这是因为植物枯落物在土壤表层具有“表聚性”［18-20］。土壤速效养分是指植物能够直接吸收利用的养分，是评价土壤演化程度的重要指标之一，其含量高低是土壤养分供给的强度指标［18］。同一林分类型土壤速效养分含量随着土壤深度增加而逐渐降低，且通常存在较显著差异，同一土层不同林分类型的土壤速效养分也存在较显著差异，退化高山栎灌丛和退化桦木林碱解氮含量最高，且较接近，最小为原始冷杉林，退化桦木林土壤有效磷含量远远高于其他各退化林分类型，原始冷杉林0～20 cm土层的速效钾含量显著高于20～40 cm和40～60 cm土层。

各林分类型全氮和碱解氮含量大小趋势大致相同，同一林分类型土壤全氮含量随着土壤深度增加而逐渐降低，存在较显著差异，同一土层不同林分类型的土壤全氮含量也存在较显著差异。除原始冷杉林不同土层、退化大果红杉林和稀疏云杉+冷杉林的0～20 cm、20～40 cm土层的全磷含量存在显著差异外，其他林分类型的各土层之间差异不显著，退化桦木林各土层间土壤全钾存在显著差异，退化大果红杉林0～20 cm、20～40 cm土层间存在显著差异，稀疏云杉+冷杉林20～40 cm、40～60 cm土层间存在显著差异，其他各林型不同土层差异不显著，全钾含量在不同林型之间无明显规律。

土壤养分因子相关分析显示，不同退化林分类型各个土壤养分因子之间存在较为紧密的相关关系。本研究表明，主成分分析可以用于评价土壤养分状况，各退化林分类型综合得分排序为退化高山栎灌丛＞退化桦木林＞退化大果红杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化杜鹃灌丛。可见，阔叶林（高山栎、桦木林）的土壤肥力状况最好，而针叶林（杉木林为主）的土壤肥力较差，这是由于阔叶林土壤表面的枯落物较多，枯落物的分解增加了土壤腐殖质含量，有利于土壤团聚结构形成，进而增强土壤的自肥能力［21］。因此可根据不同退化林分类型的土壤肥力状况建立科学的土壤培肥及林分结构调控体系，采取不同配方施肥技术和低效次生林林分结构调控恢复技术，为滇西北退化次生林的生态恢复土壤改良合理配置与布局提供科学依据。

4 结论

土壤肥力因子相关分析显示，不同退化林分类型各个土壤肥力因子之间存在较为紧密的相关关系，可用来综合反映土壤肥力水平；通过主成分分析计算各个退化林分类型综合得分并进行排序结果表明，6种退化林分类型土壤肥力综合得分分别为3.06、-2.27、-0.04、-0.13、0.14、-0.75，土壤综合肥力大小为退化高山栎灌丛＞退化桦木林＞退化大果红杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化杜鹃灌丛；不同林分类型对土壤肥力状况影响显著，林分类型差异导致土壤肥力状况各异，其中退化高山栎灌丛土壤综合肥力最好，退化杜鹃灌丛土壤综合肥力最差。因此，可根据不同退化林分类型的土壤肥力状况研究结果建立科学的土壤培肥及林分结构调控体系。