冀西北不同坡位油松林土壤理化性质差异

贾茜,宋淑霞,曹航,郭建军,杨新兵

(1保定职业技术学院，河北 保定 071000；2张家口市森林病虫害防治检疫站，河北 张家口 075000；3河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；4张家口市塞北林场(市国有林场管理处)，河北 张家口 075000)

土壤不仅为林木生长提供养分，也是森林生态系统的重要支撑部分。土壤通过蓄水和保水不断发挥着涵养水源、调节径流等土壤水文生态功能，因此又被称为“土壤水库”“绿色水库”[1]。坡位是重要的地形因子，通过直接或间接(水热分配、土壤侵蚀、淋溶等)原因影响着土壤的理化性质。杨贤均等研究表明，土壤孔隙对水源涵养与水分运动具有重要影响，原因是土壤动物、植物活动和死亡后可有效增大土壤孔隙状况，从而提高土壤蓄水能力[2]。张雷燕等在宁夏六盘山地区不同森林类型土壤的蓄水和渗透能力研究中发现，不同植被类型土壤蓄水能力及理化性质差异明显，灌木林的渗透与持水能力更强[3]。李文政等研究三峡山地不同坡位土壤水分特征曲线发现，坡上土壤渗透性能更强，但持水能力弱，坡中、坡下及坡底土壤持水能力高于坡上[4]。宁鹏等对贡嘎山不同海拔峨眉冷杉根际土壤化学性质研究中发现，全氮、硝态氮及有机碳均随海拔的升高先降后增，在海拔2 800 m最大，海拔3 200 m为转折点，全磷与速效磷含量随海拔升高而增加[5]。李传人等研究铁路边坡不同坡位土壤理化性质差异时发现，含水率表现为坡下=坡中>坡上，土壤有效磷、碱解氮与速效钾含量在坡下最高[6]。综合表明，不同坡位土壤理化性质存在一定的差异性。

油松(Pinustabuliformis)是我国特有树种，具有耐贫瘠、耐干旱、适应性强及根系发达等特点，在国内森林生态系统中具有非常重要的地位，油松也是河北省分布面积和蓄积最大树种之一[7]。试验地涿鹿林场处于北京官厅水库上游河北省张家口市营造水源保护林项目的范围内，选取冀西北张家口市涿鹿县涿鹿林场最典型的油松林作为研究对象，对不同坡位油松林土壤理化性质进行研究，以期为油松水源林的建设和管理提供一些参考。

1 研究区域概况

试验地位于张家口市涿鹿林场寇家沟林区(E 115°6′18″，N 40°12′50″)，与河北省最高峰小五台山的直线距离约20 km，属海河流域永定河上游桑干河流域，怀涿盆地周边，寇家沟林区海拔在1 200～1 800 m，土壤多为碳酸盐褐土。涿鹿县属温带半干旱大陆性季风气候，年均无霜期100～145 d，年均日照时数2 875 h，年均温度9.1 ℃，年均降水385～600 mm。研究区常见的乔木树种有油松、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等。

2 研究方法

根据研究目的，通过野外踏查，试验油松林选择在涿鹿林场寇家沟林区。设置样地面积50 m×50 m，将样地按每10 m距离分格调查，获取的样地基本特征见表1。由于研究地坡长相对较短，因此土壤采样点分为坡上、坡下，分别选取3个点位，挖取剖面。土壤水分物理性质测定采环刀浸泡法，用100 cm3环刀从上至下分层采集样品，按照每10 cm 1层取样，室内环刀浸泡，测定容重、孔隙度、持水量等指标。

表1 不同坡位油松林基本特征Table 1 Basic characteristics of Pinus tabulaeformis forest at different slope positions

在挖好的土壤剖面从下而上分层取土，坡上(或坡下)3个剖面的土壤混合后用土袋带回实验室测定土壤化学性质。酸度计测定pH值，重络酸钾-分光光度法测定土壤有机碳，凯氏定氮仪法测定全氮，钼锑钪比色法测定全磷及有效磷，火焰原子吸收分光光度法测定全钾，碱解扩散法测定碱解氮，NH4OAc浸提火焰光度法测定速效钾。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质

不同坡位油松林土壤容重及孔隙度见表2。

表2 不同坡位油松林土壤容重及孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity of Pinus tabulaeformis forest at different slope positions

表2(续)

3.1.1 土壤容重 容重越小，土壤越疏松；容重越大，土壤越紧实。容重受土壤发育的影响，可以反映对植被根系生长阻力大小[8]。由表2可知，油松林土壤容重变化范围在0.63～1.25 g/cm3，土壤容重平均值从大到小排序为：III(1.09 g/cm3)>I(1.06 g/cm3)>VI(1.04 g/cm3)>II(1.03 g/cm3)>V(1.02 g/cm3)>IV(1.01 g/cm3)。进行差异性分析可知，坡上与坡下土壤容重差异显著，除样地II外，坡上容重大于坡下。从垂直梯度上看，土壤容重大多随土层深度增加而增加。

3.1.2 土壤孔隙度 孔隙是土壤水分的储存空间，影响着土壤持水能力、肥力及植被生长状况。毛管孔隙存储植物吸收的有效水，对维持植被的生长发育至关重要。非毛管孔隙的作用主要是调节土壤的渗透能力，涵养水源，减少山洪[9]。由表2可知，土壤总孔隙度均值最大的是坡下VI(61.48%)，最小的是坡上III(43.48%)，其排序为：VI(61.48)>V(52.33)>I(52.07)>II(49.67)>IV(47.40)>III(43.48)，除样地IV外，坡下高于坡上。毛管孔隙度均值由大到小排序为：VI(44.23%)>V(36.38%)>I(32.27%)>II(29.03%)>IV(25.72%)>III(24.93%)，除样地IV外，坡下高于坡上。非毛管孔隙度均值由大到小排序为：IV(21.68%)>II(20.63%)>I(19.80%)>III(18.55%)>VI(17.25%)>V(15.95%)，除样地IV外，坡上高于坡下。对土壤孔隙度进行差异性分析可知，坡上与坡下土壤总孔隙度及毛管孔隙度差异显著，非毛管孔隙差异不显著，但结合土壤容重、毛管孔隙度及总孔隙度等上述分析可知，坡下土壤通透性、水土保持及涵养水源能力更好。

3.1.3 土壤持水能力 土壤持水能力的高低反映了土壤孔隙的分布状况[12]。不同坡位油松林土壤持水量见表3。

表3 不同坡位油松林土壤持水量Table 3 Soil water holding capacity of Pinus tabulaeformis forest at different slope positions

表3(续)

由表3可知，土壤饱和持水量均值排序为：VI(368.90 t/hm2)>V(314.00 t/hm2)>I(312.40 t/hm2)>II(298.00 t/hm2)>IV(284.40 t/hm2)>III(260.90 t/hm2)，平均来看坡下高于坡上。毛管持水量最大的是VI(265.40 t/hm2)，最小的是III(149.60 t/hm2)。有效持水量最大的是IV(130.10 t/hm2)，最小的是V(95.70 t/hm2)。对坡上与坡下土壤持水量进行差异性分析可知，坡上与坡下土壤饱和持水量及毛管持水量差异显著，有效持水量差异显著。综合分析，坡下土壤持水能力普遍高于坡上。

3.2 土壤化学性质

土壤化学性质的优劣决定了地上植物的生长状况，氮、磷、钾等营养元素，在植物生长发育过程中起到合成碳水化合物与有机物质的作用，直接对植物生长、品质和产量具有重要影响[13]。不同坡位土壤养分，见表4。

表4 不同坡位土壤养分Table 4 Soil nutrients at different slope positions

3.2.1 土壤全效养分 由表4可知，土壤全磷含量坡下(1.57 g/kg)>坡上(0.99 g/kg)，坡上与坡下差异显著，土壤全磷含量随土层厚度的增加而增加。土壤全氮含量坡下(1.48 g/kg)>坡上(0.88 g/kg)，坡上和坡下差异显著，并随土壤深度增加而增加。土壤全钾含量坡下(11.38 g/kg)>坡上(10.87 g/kg)，差异显著，土壤垂直梯度变化无规律。

3.2.2 土壤速效养分 由表4可知，有效磷含量坡下(0.67 mg/kg)>坡上(0.51 mg/kg)，差异显著；从垂直梯度看，有效磷含量总体随土壤深度增加而增加。碱解氮坡下(55.75 mg/kg)>坡上(44.16 mg/kg)，差异显著，土壤垂直梯度变化不明显。速效钾坡下(115.27 mg/kg)>坡上(86.55 mg/kg)，差异显著，总体上随土层深度的增加而增加。

3.2.3 土壤pH值和有机碳含量 土壤pH值变化范围在7.47～7.94，坡上与坡下土壤均呈弱碱性，无显著差异，土壤垂直梯度变化也不明显。土壤有机碳含量坡下(29.86 g/kg)>坡上(21.06 g/kg)，差异显著，从土壤垂直梯度上看，土壤有机碳含量随土壤深度的增加而减小。

4 讨论

坡位是重要的地形因子，影响土壤有机质矿化、腐化过程以及土壤水的分布，是环境主导因子之一[14]。李传人等研究发现，土壤含水率坡下=坡中>坡上，土壤有效磷、碱解氮与速效钾含量在坡下最高[6]。周萍等研究认为，距离坡顶越远，容重越小，孔隙度、持水量越大，土壤养分有向坡下聚集的趋势[5]。余明等在杉木林土壤化学性质对林分改造及不同坡位的响应研究中发现，土壤养分含量普遍为坡上<坡中<坡下，导致这一现象的原因是坡位不同会使土壤水热资源及物质循环产生差异，坡上光辐射更强，会减弱土壤水分固持能力，土壤侵蚀堆积使有机碳向坡下转移；雨水冲刷也会导致土壤养分随径流从坡上到坡下，土壤养分在坡下汇聚[16]。本研究对不同坡位油松林土壤理化性质研究发现，坡上土壤容重普遍高于坡下，原因可能是坡上长期受到雨水冲刷及阳光辐射，土壤密实且侵蚀严重。土壤pH值坡上与坡下无明显变化。坡下土壤持水能力高于坡上，土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、有机碳、有效磷与速效钾坡上坡下差异显著，呈现出坡下高于坡上的状况，全氮、全磷与有效磷随土层厚度增加而增加，全钾、碱解氮与速效钾在土层垂直梯度变化不明显，有机碳随土层厚度增加而减小，这表明坡下土壤养分及持水能力更好，原因可能是坡下植被茂密、枯落物较多，有机质含量高，微生物生长条件较好，导致土壤孔隙度更大，增加土壤持水能力，使得土壤储存水分及产生营养元素的条件更好，形成良好的生态循环。本研究结果与李传人、周萍、余明等研究结果基本一致[6,15-16]。

5 结论

对不同坡位油松林的土壤理化性质测定结果可知，坡下容重高于坡上，差异显著，垂直梯度土壤容重随土层厚度增加而增加。土壤总孔隙度坡下高于坡上，差异显著，垂直梯度土壤孔隙度随土层厚度增加而减小。土壤饱和持水量坡下高于坡上，差异显著，土壤养分坡上和坡下差异显著，均呈现出坡下>坡上。从土壤垂直梯度来看，全氮、全磷与有效磷随土层厚度增加而增加，全钾、碱解氮与速效钾在土层垂直梯度变化不明显，有机碳随土层厚度增加而减小。土壤pH值坡上与坡下无明显变化。综上所述，坡下土壤通透性、持水能力、土壤养分条件优于坡上，更有利于森林植被的生长发育。