蛮汉山典型森林植被土壤理化性质特征研究

李银祥，季 蒙,3，曹恭祥,3，邢钰坤，杨跃文，王志波，赵志俊，火凤翎，赵冬苑，白高娃

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古鄂尔多斯森林生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 016100； 3. 内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010； 4. 凉城县林业和草原局，内蒙古 凉城 013750)

森林土壤是植被生存的主要环境因子，为林木正常生长提供养分补给[1-2]，森林土壤的物理特性和养分含量更是评价森林稳定性和林分健康状况的重要指标[3]。目前，针对不同地区不同树种森林土壤理化性质已有较多研究[4]，多数认为，森林物种组成和结构特征通过直接影响凋落物量和养分释放速率，从而影响土壤理化性状，是土壤物理特性和养分含量的重要影响因素[5-8]，而相同树种在不同地区对土壤理化性质影响存在较大差异，因此，想要认识区域森林土壤对植被的响应及其演化规律，就需要针对不同地区开展森林土壤特性研究。

凉城县蛮汉山是内蒙古中部地区重要的天然生态屏障，该地区森林植被具有涵养水源、保育土壤、改善大气环境和减少水土流失等多种生态功能。目前已有关于蛮汉山森林状况的相关研究，如郭艳荣等[9]对蛮汉山油松人工林健康状况进行评价，认为油松人工林处于亚健康状态。吕竟斌等[10]研究了间伐抚育对蛮汉山油松林、华北落叶松林土壤理化性质及微生物影响，认为间伐抚育有利于提高林地有机质含量和促进细菌生长。杨美灵[11]、张秋良等[12]、莫日根[13]也在蛮汉山进行了林分生长规律、林分抚育、服务功能评估等相关研究，已有研究对蛮汉山森林现状认识起到了一定作用。然而，现有研究中仍缺乏对蛮汉山典型森林植被林地土壤性状和养分含量的相关研究，在对蛮汉山森林状况进行综合分析时，限制了对其生态服务功能和森林健康状况的准确评价。本研究以凉城县蛮汉山林场典型森林植被为研究对象，利用环刀法和室内测试分析对典型森林林地土壤物理特性和养分含量进行比较分析，旨在对比不同森林结构林分土壤理化特性差异，以期了解蛮汉山典型森林植被对土壤特性的影响作用，为凉城及周边地区森林植被认识、评估，以及植被恢复和生态建设提供科学依据和技术支持。

1 研究区概况

研究区为阴山山脉南段凉城县蛮汉山林场，位于40°10′—40°50′N ，112°02′—113°02′E之间，平均海拔1 500 m。研究区地处中温带大陆性气候区，属于典型的大陆性半干旱季风气候，寒暑剧烈，降雨少，蒸发量大，昼夜温差大。年均气温 5.9 ℃，最高气温 39.3 ℃，最低气温 -34.0 ℃。≥10 ℃的年有效积温2 430 ℃，年均日照时数为3 026 h，无霜期80～125 d。年均降水量 4 11.4 mm，6—9月的降雨占全年降水量的 75%，4—5月的降水量占全年的 10%。年平均蒸发量2 100 mm，年平均湿度 37%，年平均风速 2.6 m·s-1。土壤为酸性岩砂壤质中厚淋溶灰褐土。植被为典型森林灌丛植被，天然林主要有白桦(Betulaplatyphylla)和山杨(Populusdavidiana)，人工林主要有华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，天然灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、山刺玫(Rosadavurica)等，草本有本氏针茅(Stipabungeana)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、苔草(Carexspp.)、羊草(Leymuschinensis)等。

2 研究方法

2.1 观测样地设置

根据蛮汉山林场主要森林类型和空间分布特征，选择5种典型森林植被，按照分布位置、树种等设置样地，乔木林样地大小为30 m × 30 m，灌木林样地大小为10 m × 10 m。调查样地的海拔、坡度等立地因子，同时对观测样地进行每木检尺(调查株数、树高、胸径、冠幅、枝下高等)，样地的基本特征见表1。

表1 主要森林类型样地基本特征Tab.1 Basic characteristics of main forest type sample plot

2.2 研究方法

样地土壤物理性质测定：在观测样地内布设3个采样点，挖掘土壤剖面，利用200 cm3环刀按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层取样，利用环刀法测定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度。同时将根系主要分布层，分0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm采集300 g左右土样，带回实验室阴干后过筛(1 mm孔隙)处理，待测化学性质。有机质测定采用重铬酸钾外加热法；速效氮采用碱解扩散法；速效磷采用 0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效钾采用NH4OAc提取，火焰光度法测定。

2.3 数据处理

应用Excel 2010和SPSS 18.0统计分析软件对数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质特征

不同森林类型土壤容重变化表现出一定的规律性。由表2可知，随着土壤深度增加，土壤容重逐渐增大。不同森林类型土壤容重大小依次为樟子松林(1.43 g·cm-3)>山杨林(1.31 g·cm-3)>白桦林(1.28 g·cm-3)>华北落叶松林(1.24 g·cm-3)>虎榛子林(1.14 g·cm-3)，变化规律与树种和林地起源无明显相关性。不同森林类型土壤孔隙度变化规律基本一致，表现为毛管孔隙度和总孔隙度随土层深度增加总体呈下降趋势，非毛管孔隙度变化趋势不明显。毛管孔隙度大小依次为华北落叶松林(50.00%)>虎榛子林(49.83%)>白桦林(47.15%)>山杨林(46.80%)>樟子松林(43.32%)。总孔隙度大小变化与毛管孔隙度基本一致，大小依次为虎榛子林(55.42%)>华北落叶松林(53.41%)>白桦林(50.25%)>山杨林(49.75%)>樟子松林(45.94%)。通过比较不同森林类型土壤容重和孔隙度差异，可以看出，华北落叶松林和虎榛子林土壤物理性状较好，其次是白桦和山杨林，樟子松林土壤性状相对较差。

表2 不同林分结构土壤物理性质Tab.2 The physical properties of soil in different structure stand

3.2 土壤养分含量特征

3.2.1土壤酸碱性变化

由表3可知，不同树种林地土壤pH值存在一定差异，其中樟子松林(pH值 8.03)、华北落叶松林(pH值 7.71)、山杨林(pH值 7.83)、虎榛子林(pH值 7.61)为微碱性土壤，白桦林(pH值 7.47)为中性土壤。各林地土壤pH值随土层深度变化无明显规律，且差异较小，土壤pH值变异系数大小依次为华北落叶松林(1.32%)>白桦林(1.08%)>山杨林(0.80%)>樟子松林(0.63%)>虎榛子林(0.40%)。可以看出，不同树种对土壤酸碱性影响作用较小，未造成明显的酸化或碱化。其中，华北落叶松林对不同深度土壤pH值变化影响较大(CV：1.32%)，虎榛子林对不同深度土壤pH值影响较小(CV：0.40%)。

3.2.2土壤有机质变化

由表3可知，不同树种林地土壤有机质变化呈明显规律性，即表层土壤有机质含量最高，随着土层深度增加，土壤有机质逐渐减小。不同树种林地之间土壤有机质存在明显差异，有机质含量大小依次为虎榛子林(54.99 g·kg-1)>华北落叶松林(34.99g·kg-1)>山杨林(24.20 g·kg-1)>白桦林(24.02 g·kg-1)>樟子松林(8.01 g·kg-1)，表现为落叶树种显著大于常绿针叶树种。通过对土壤物理性状变化特征进行分析，可以看出不同树种土壤有机质含量变化差异与林地土壤容重等物理性状保持一致，说明土壤有机质含量可有效改善林地状况。其中山杨对不同土层有机质含量影响较大(CV：44.25%)，华北落叶松对不同土层有机质含量影响较小(CV：22.84%)。

3.2.3土壤全量养分变化

由表3可见，不同树种林地土壤全量养分变化基本呈一定规律性，即随着土层深度的增加，土壤全量养分逐渐减小。不同树种林地之间土壤全量养分存在一定差异，全氮表现为虎榛子林(2.34 g·kg-1)>华北落叶松林(1.65 g·kg-1)>白桦林(1.03 g·kg-1)>山杨林(1.00 g·kg-1)>樟子松林(0.63 g·kg-1)；全磷表现为樟子松林(0.71 g·kg-1)>虎榛子林(0.63 g·kg-1)=华北落叶松林(0.63 g·kg-1)>山杨林(0.61 g·kg-1)>白桦林(0.54 g·kg-1)；全钾表现为白桦林(27.57 g·kg-1)>山杨林(26.96 g·kg-1)>虎榛子林(26.22 g·kg-1)>华北落叶松林(26.21 g·kg-1)>樟子松林(26.08 g·kg-1)。其中全氮变化特征与有机质含量变化基本一致，全磷、全钾变化与有机质变化无相关性，说明不同树种林地对全氮影响较大，而对全磷、全钾无明显影响。

3.2.4土壤速效养分变化

由表3可见，不同树种林地土壤速效养分变化呈明显规律性，即表层土壤速效养分含量最高，随着土层深度增加，土壤速效养分逐渐减小。不同树种林地之间土壤速效养分存在一定差异，速效氮表现为虎榛子林(51.00 mg·kg-1)>华北落叶松林(43.73 mg·kg-1)>山杨林(39.23 mg·kg-1)>樟子松林(38.97 mg·kg-1)>白桦林(38.60 mg·kg-1)；速效磷表现为虎榛子林(5.85 mg·kg-1)>华北落叶松林(3.85 mg·kg-1)>白桦林(2.80 mg·kg-1)>山杨林(2.73 mg·kg-1)>樟子松林(1.33 mg·kg-1)；速效钾表现为虎榛子林(264.33 mg·kg-1)>山杨林(210.23 mg·kg-1)>白桦林(160.03 mg·kg-1)>华北落叶松林(136.27 mg·kg-1)>樟子松林(70.37 mg·kg-1)。其中速效氮、速效磷变化与有机质变化基本一致，速效钾变化与有机质变化无相关性，说明不同树种林地对速效氮、速效磷影响较大。

表3 不同林分结构林地土壤化学性质Tab.3 The chemical properties of soil in different structure stand

表3 不同林分结构林地土壤化学性质(续表)Tab.3 The chemical properties of soil in different structure stand(Continued Table)

4 讨论

森林土壤物理性状是土壤通气性、水分渗透等的直接影响因素，也是影响保育土壤、水源涵养功能的重要参数[14]。受森林物种组成、林分结构等因素影响，土壤容重和孔隙度存在明显差异。多数研究认为天然林、混交林对土壤的改善作用大于人工纯林[15-17]，如陈光水等[18]研究认为格氏栲天然林土壤性状优于人工林；孙艳红等[19]通过比较缙云山不同植被类型土壤性质，认为灌木林和针阔混交林的土壤特性优于楠木纯林；王晓荣等[20]研究多种森林类型土壤理化性质，认为常绿落叶阔叶混交林土壤理化性状显著高于其他森林类型；孙思怡等[21]研究认为杉木成熟林套种阔叶树后形成的混交复层林可显著提高林地土壤养分。也有研究认为：针叶林土壤性状优于阔叶林，如邓厚银等[22]分析和比较了粤北地区不同林分类型的林下土壤养分状况，认为杉木林土壤养分高于其他阔叶林；灌木林林地土壤性状优于乔木林，如张智勇等[23]研究认为陕北黄土区土壤有机质含量为沙棘林>油松沙棘混交林>油松林。本研究结果显示，不同森林类型土壤物理性质和养分含量高低基本表现为虎榛子天然林>华北落叶松人工林>白桦天然次生林>山杨天然次生林>樟子松人工林，灌木林地土壤性质显著优于乔木林，这与孙艳红、张智勇等观点基本一致；而针叶落叶人工林高于阔叶落叶天然林，又高于针叶常绿人工林，这又与陈光水、王晓荣、邓厚银等观点存在一定差异。分析认为，森林土壤性状同时受树种、林分起源和林分结构等多种因素综合影响，对特定林分土壤性状的比较不能简单推广到其他地区和树种，想要认识不同树种对不同地区土壤理化性质的影响，就需要扩大研究区和树种。

森林类型的凋落物组成对改善林地土壤性状有直接作用，但林分结构(垂直分层、密度、林龄)更是影响土壤性状的重要因素，单一考虑树种对林地土壤性状的影响存在很大的片面性。因此，进行森林健康状况和服务功能评价，以及林业生态建设与林分可持续经营过程中，在考虑树种的同时，更应该考虑林分结构的合理配置。

5 结论

通过对蛮汉山5种典型森林植被土壤物理特性和养分含量进行测定，结果显示，不同森林类型土壤有机质、速效和全量养分含量、土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度随土层深度增加基本呈规律性变化，变化趋势基本一致，但不同森林类型之间存在一定差异。不同森林类型土壤物理特性和全氮、速效氮、速效磷含量与土壤有机质含量变化趋势基本一致，林地土壤质量表现为虎榛子天然林>华北落叶松人工林>白桦天然次生林>山杨天然次生林>樟子松人工林，树种、林分起源和林分结构是森林土壤的重要影响因素。因此，为促进林地土壤不断改善，在蛮汉山及周边地区进行森林经营管理、林业生态建设时，应同时考虑树种选择和林分结构合理配置。