坡位和坡度对黑木相思人工林土壤养分空间分布的影响1)

赵文东 李凯 沈健 朱传晟 林熙 何宗明 丁国昌

(福建农林大学，福州，350002)

土壤养分在自然界中是分布不均匀的，在不同的空间其含量往往差异较大，而在自然环境中直接影响土壤养分分布的则是地形因子[1-2]。地形因子不仅影响着土壤养分的分布，而且还对土壤母质的矿化分解过程产生重要影响[3]。因此，不同地形条件，土壤养分的空间分布特征具有极高的变异性和复杂性[4-6]。坡位和坡度作为微地形内的主要地形因子，通过对局部空间的光、热、水、气等资源的再分配，实现对土壤养分空间分布的控制[7]，使土壤养分在不同的空间呈现多种多样的变化特征[8-10]。此外，土壤的侵蚀过程[11-13]，地表土壤颗粒的分布、养分的沉积、凋落物的分解，均受到坡位和坡度的极大影响[14-15]。因此，探明坡位和坡度对于土壤养分空间分布的影响，对于森林可持续经营具有重要意义。

黑木相思(AcaciamelanoxylonR. Br.)是一种经济效益优良的亚热带速生树种，在我国广东、福建、广西及海南等地广泛栽培；因其具有根瘤菌，故可以改良土壤、提高肥力[15-16]。但由于长期单一树种纯林经营，造成林分质量下降、生长迟缓、生产力下降。为了提高黑木相思人工林生产力，一些研究者对黑木相思生长习性、选育工作、生态结构、营养物质循环、生产力分布格局等基本规律，做了许多研究[17-19]。而有关黑木相思林地土壤空间分布特征及其影响因子的研究较少。土壤作为与黑木相思人工经营直接相关的重要影响条件，其养分在不同空间的分布特征对黑木相思人工林的栽培和经营产生极大的影响[20-21]。

鉴于此，本研究以福建省福清灵石国有林场朱山工区黑木相思人工林的土壤为研究对象，于2020年12月份选择具有代表性的地段采用典型抽样的方法，按照坡位分别在上坡、中坡、下坡设置20 m×30 m的样地；按采样时坡度的调查结果，划分3个坡度(α)梯度(12°<α≤18°、18°<α≤24°、24°<α≤31°)；按照S形随机布置样点，3块样地共计27个样点；每个样点按3个土层(h)0

1 研究区概况

研究区位于福建省福清灵石国有林场朱山工区(地理中心坐标119°27′E、25°67′N)，海拔230 m左右，地形主要以山地丘陵为主。主要气候类型为亚热带季风气候，属于南亚热带气候带闽东南沿海海洋性季风气候。全年平均气温19.7 ℃，夏季无酷暑，冬季少严寒，年均日照时间2 000 h左右，无霜期340～360 d，年均降水量1 780 mm。土壤为花岗岩发育的酸性土壤，地带性土壤为红壤，土层深厚。

试验地前茬为26年生杉木林，2007年砍伐后营造2代黑木相思人工林[22]。林下植被分布有鹅掌柴(Scheffleraheptaphylla(L.) Frodin)、九节(PsychotriaasiaticaL.)、香樟(Cinnamomumcamphora(Linn) Presl)、千年桐(VerniciamontanaLour.)、格药柃(EuryamuricataDunn)、粗叶榕(FicushirtaVahl)、猴耳环(Archidendronclypearia(Jack) I. C. Nielsen)、朱砂根(ArdisiacrenataSims)、石斑木(Rhaphiolepisindica(L.) Lindl.)、毛冬青(IlexpubescensHook. & Arn.)、毛果算盘子(GlochidioneriocarpumChamp. ex Benth.)、两面针(Zanthoxylumnitidum(Roxb.) DC.)、铁线蕨(Adiantumcapillus-venerisL.)、狗脊(Woodwardiajaponica(L. f.) Smith)、黑莎草(GahniatristisNees in Hooker & Arnott)、玉叶金花(MussaendapubescensW. T. Aiton)、乌毛蕨(BlechnumorientaleL.)、淡竹叶(LophatherumgracileBrongn.)、毛蕨(Cyclosorusinterruptus(Willd.) H. It)、黄端木(Adinandramillettii(Hook. & Arn.) Benth. & Hook. f. ex Hance)、海金沙(Lygodiumjaponicum(Thunb.) Sw.)、土茯苓(SmilaxglabraRoxb.)等。

2 材料与方法

土壤样品的采集：于2020年12月份，根据研究区黑木相思人工林的生长状况及地形地势情况，选择具有代表性的地段，采用典型抽样的方法，按照坡位分别在上坡、中坡、下坡设置20 m×30 m的样地，共计3块。调查过程中，采用便携式手持GPS和罗盘仪测量记录每个采样点的坡度、坡向、海拔。样地坡向为东，位于45°～110°之间，属于半阴坡。样地海拔变化范围在218.3～257.3 m之间，变化范围较小，故不将海拔作为影响因子。按采样时坡度的调查结果，划分3个坡度(α)梯度：12°<α≤18°、18°<α≤24°、24°<α≤31°。按照S形随机布置样点，3块样地共计27个样点(见表1)。用工具打好土壤剖面后，每个样点按3个土层深度(h)0

土壤养分，按照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析法》测定。pH采用电位法测定(土水比为m(土)∶V(水)=1.0 g∶2.5 mL)；土壤全碳(TN)、全氮(TC)，采用碳氮分析仪(Elementar ELVario Max，德国)测定；全磷(TP)采用硝酸-高氯酸-氢氟酸消煮+钼锑抗比色法测定；全钾(TK)采用硝酸-高氯酸-氢氟酸消煮+火焰光度法测定；水解氮(AN)采用碱解扩散法测定；速效钾(AK)采用乙酸铵浸提液+火焰光度计法测定；有效磷(AP)采用“浓度为0.03 mol/L的氟化铵+浓度为0.025 mol/L的盐酸”浸提，钼锑抗比色法测定。

地形因子的处理：为了便于分析，分别对坡位和坡度进行赋值处理和标准化[23]，上坡赋值为1、中坡赋值为2、下坡赋值为3。坡度标准化公式：SP=(S/90)×200%。式中SP为百分比坡度；S为坡度。

数据的处理：采用Excel 2010对试验数据进行平均值和标准差等相关计算，采用IBM SPSS statistics 23对不同坡位、不同坡度、不同土层间的土壤养分进行单因素方差分析(P<0.05)、双因素方差分析(P<0.01)及K-S检验，不同处理间差异采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较，不同指标间的相关性采用皮尔逊(Pearson)相关分析法。

3 结果与分析

3.1 黑木相思人工林土壤养分基本特征

样地土壤的全氮、全钾较为丰富，而全碳、全磷较为匮乏，土壤pH平均值为4.47，为典型的酸性土壤(见表2)。由表3可见，各项指标变异系数(Cv)，由大到小依次为Cv(有效磷质量分数)、Cv(速效钾质量分数)、Cv(水解氮质量分数)、Cv(全氮质量分数)、Cv(全磷质量分数)=Cv(全碳质量分数)、Cv(碳氮比(w(C)∶w(N))、Cv(全钾质量分数)、Cv(pH)；其中全氮质量分数、全碳质量分数、碳氮比(w(C)∶w(N))、全磷质量分数、水解氮质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数的变异系数，均处于中等变异水平(10%≤Cv≤100%)。土壤pH、全钾质量分数的变异水平较低，分别为5%、9%，表明这2个指标比较稳定，不易受环境影响。在显著水平P=0.05的单样本K-S检验水平，只有全氮质量分数为非对数正态分布，经转化后服从自然对数正态分布。

表2 试验地土壤养分基本特征

表3 试验地土壤养分基本特征的变异系数及K-S检验结果

3.2 黑木相思人工林地不同坡位、坡度的土壤养分差异性

样地土壤的pH，在不同坡位间、不同坡度间差异均不显著。样地土壤的全氮质量分数、全碳质量分数，在不同坡位间、不同坡度间均差异显著(P<0.05)；下坡位的全氮质量分数、全碳质量分数，均显著大于上坡位的、中坡位的，而在上坡位与中坡位间差异均不显著；土壤全氮质量分数由大到小依次为下坡位、中坡位、上坡位，土壤全碳质量分数由大到小依次为下坡位、上坡位、中坡位。在不同坡度间，全氮质量分数、全碳质量分数均差异显著(P<0.05)。单因素方差分析结果表明，坡度(α)在12°<α≤18°的土壤全氮质量分数，显著大于坡度在18°<α≤24°、24°<α≤31°的土壤全氮质量分数，分别高出0.04、0.25g/kg；坡度在12°<α≤18°、18°<α≤24°的全碳质量分数，显著大于坡度在24°<α≤31°的全碳质量分数，分别高出1.06、1.79 g/kg；坡度在12°<α≤18°、18°<α≤24°的全碳质量分数差异较小，其差值仅为1.06 g/kg。

样地土壤的w(C)∶w(N)在不同坡位差异不显著；但w(C)∶w(N)在不同坡度间差异显著(P<0.05)，坡度在24°<α≤31°的w(C)∶w(N)显著大于坡度在12°<α≤18°、18°<α≤24°的w(C)∶w(N)，分别高出1.55、2.16。

全钾质量分数、全磷质量分数，在不同坡位、不同坡度间差异均不显著，但其均为下坡位的大于上坡位的、坡度12°<α≤18°的大于坡度24°<α≤31°的。土壤水解氮质量分数、有效磷质量分数，均为下坡位的大于中坡位的、上坡位的；土壤速效钾质量分数，在上、中、下3个坡位间均存在显著差异；坡度12°<α≤18°、18°<α≤24°的土壤水解氮质量分数和速效钾质量分数，均显著大于坡度24°<α≤31°的土壤水解氮质量分数和速效钾质量分数；有效磷质量分数，在不同坡度间差异不显著。说明随着地势的变化土壤养分质量分数呈现较为规律的变化，其表现为地势越平缓土壤养分质量分数越高，而地势越陡峭其养分质量分数越低。

表4 试验地不同坡位、坡度间土壤养分差异性比较结果

地形因子全磷质量分数/g·kg-1水解氮质量分数/mg·kg-1速效钾质量分数/mg·kg-1有效磷质量分数/mg·kg-1坡位上坡位(0.28±0.06)a(109.48±32.85)a(108.99±37.85)a(4.67±0.65)a中坡位(0.31±0.05)a(116.88±36.42)a(122.53±38.52)b(5.23±0.96)a下坡位(0.30±0.05)a(126.55±40.75)b(141.47±45.85)c(6.12±0.35)b坡度(α)12°<α≤18°(0.30±0.05)a(120.31±40.35)b(130.63±45.58)b(5.61±0.63)a18°<α≤24°(0.30±0.05)a(123.26±38.39)b(129.21±40.63)b(5.43±0.36)a24°<α≤31°(0.29±0.06)a(109.34±31.68)a(113.15±36.82)a(4.85±0.84)a

3.3 坡位对土壤养分分布的影响

单因素方差分析结果表明，同一坡位不同土层(h)间土壤养分存在较大差异(见表5)。土壤全氮质量分数，在下坡位整体高于上坡位、中坡位，其中，下坡位0

表5 试验地各坡位不同土层的土壤养分测定结果

坡位土层(h)/cm全磷质量分数/g·kg-1水解氮质量分数/mg·kg-1速效钾质量分数/mg·kg-1有效磷质量分数/mg·kg-1上坡位0

续(表5)

3.4 坡度对土壤养分分布的影响

由表6可见：坡度(α)为12°<α≤18°时，0

表6 各坡度不同土层的土壤养分测定结果

坡度(α)/(°)土层(h)/cm全磷质量分数/g·kg-1水解氮质量分数/mg·kg-1速效钾质量分数/mg·kg-1有效磷质量分数/mg·kg-112<α≤180

3.5 坡位、坡度及土壤养分间的相关性

由表7可见：坡位，与土壤全氮质量分数、全钾质量分数、速效钾质量分数呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤全碳质量分数呈显著正相关(P<0.05)；坡位与土壤养分具有较强的相关性。坡度与土壤养分质量分数呈不同程度的负相关，其中，坡度与全碳质量分数、全氮质量分数呈极显著负相关(P<0.01)。土壤全氮质量分数，与土壤全碳质量分数、全钾质量分数、全磷质量分数、水解氮质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数均呈极显著正相关(P<0.01)；土壤全碳质量分数与全磷质量分数呈极显著正相关(P<0.01)；土壤全钾质量分数，与土壤全磷质量分数、水解氮质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数呈极显著正相关(P<0.01)。

表7 坡位、坡度及土壤养分间的相关系数

3.6 坡位与坡度及其交互作用对土壤养分的影响

由表8可见：坡位、坡度单一因素对土壤养分均产生显著影响；土壤全碳质量分数、全氮质量分数受坡位与坡度交互作用的影响；全钾质量分数受坡位和坡度的影响显著，但坡位与坡度的交互作用对全钾质量分数影响不显著；碳氮比(w(C)∶w(N))受坡位与坡度的交互作用影响显著。

表8 坡位、坡度及其交互作用对土壤养分影响的方差分析结果

4 讨论与结论

4.1 黑木相思人工林土壤养分现存状况

土壤的肥力条件决定了森林植被的长势，土壤中的各种元素不仅是组成植物的重要组分，而且参与着植被各种各样的生命活动[24]。本研究表明，研究区黑木相思人工林土壤中，pH、全氮质量分数、全碳质量分数、碳氮比(w(C)∶w(N))、全钾质量分数、全磷质量分数及3种有效养分质量分数的变异系数在0～60%之间，由变异系数强度划分等级可知，试验地土壤的pH、全钾质量分数处于弱变异程度，其他指标均为中等变异程度。根据全国第二次土壤普查标准[9]，全碳质量分数在10～20 g/kg处于较缺乏状态，而本研究中全碳质量分数最大值仅为15.11 g/kg，说明本研究区碳素较为缺乏，土壤全磷质量分数比全国中等水平(1.0～1.5 g/kg)相差较大，处于缺乏状态；而全氮质量分数、全钾质量分数均处于普查标准的中等水平。植物缺碳会导致植物根系衰弱、早衰、叶片发黄失绿、抗病抗虫性降低等诸多不利影响[25]；磷元素直接参与植物的光合作用[7]，糖和淀粉的利用、能量的传递，对植物也是不可或缺的。本研究中，碳磷两种元素的匮乏势必会影响到黑木相思人工林的健康生长，而土壤中的碳元素又主要来自于地上植被的输入，从而间接说明地上植被生长不佳。土壤养分的全量变化较慢，并不能较好地反映当下林地土壤的养分供应状况，而土壤的有效养分对于指导施肥及反映植物对养分的吸收状况具有指导性作用[6]。本研究区土壤水解氮质量分数、速效钾质量分数的均值，分别为117.64、124.33 mg/kg，处于全国普查标准的中等水平[23]，而有效磷质量分数处于较差的水平。结合相关性分析可知，有效磷质量分数与全磷质量分数间存在极显著正相关，当土壤全磷质量分数较低时势必影响到土壤有效磷的转换，导致有效磷供应不足。土壤有效养分质量分数的高低是土壤养分供给的强度指标，有效养分能够被植被直接吸收利用，但土壤中的有效养分质量分数一般都较低，且有效养分在土壤中易发生变化，转变为植物不可直接吸收利用的形态。而本研究中，3中有效养分的变异系数比其他全量养分明显高，说明有效养分具有易变性。

4.2 坡位和坡度及其交互作用对黑木相思人工林土壤养分空间分布的影响

试验地受坡位的影响，各项养分指标具有较强的空间异质性，由下坡位到上坡位各项养分质量分数整体降低。不同的坡位代表着微地形水平方向的环境差异，环境的改变会较大地影响养分的分布状况。本研究中，全碳质量分数、全氮质量分数受到坡位的影响显著；而坡位对全钾质量分数、全磷质量分数虽然没有达到显著水平，但仍表现为随着坡位上升递减。孙莉英等[15]研究认为，在南方果园丘陵坡地，土壤碳氮受坡位影响不显著；本研究表明，在本研究区内，从下坡位到上坡位，土壤全碳质量分数、全氮质量分数逐渐降低，发生显著的变化；这是因为，前者的研究样地是果园地形，人为施肥量较大，减弱了坡位的影响，而本研究区受自然因素影响较大。本研究表明，受坡位的影响，3种有效养分在坡位的影响下表现出更强的空间异质性，上坡位速效养分质量分数整体显著偏低于下坡位和中坡位。分析可知，一方面，坡位会影响土壤养分在土壤表层和不同土层间的养分循环、水资源分配、微生物活性、矿物质分解等[26]；另一方面，随着坡位的上升，上坡位受到更多的光照，其土壤中含水量必然下降，林下植被的丰富度和覆盖率势必降低。

本研究区样地，随着坡度的增加，土壤养分质量分数整体具有明显的下降趋势，全碳质量分数、全氮质量分数、碳氮比(w(C)∶w(N))、水解氮质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数受坡度的影响显著。坡位、坡度与土壤养分的相关性分析结果表明，除碳氮比(w(C)∶w(N))之外，坡度与各项养分指标均呈不同程度的负相关；但单因素方差分析结果表明，全磷质量分数、有效磷质量分数受坡度影响较小。分析可知，坡度对土壤养分的分布及水源涵养能力具有重要影响，在植被相同的情况下，坡度越大的地区，涵养水源的能力就越差，水土流失就越严重；在其它因素相同的条件下，地表植被对水土流失的影响是地表植被越多，水土流失越轻，地表植被越少，水土流失越严重[27]。此外坡度与土壤养分的相关性分析表明，坡度与全氮质量分数、全碳质量分数分数均呈极显著负相关，说明坡度的增加对土壤的养分质量分数具有反作用，坡度增加不仅不利于土壤养分质量分数的保持，而且会使养分质量分数明显下降。

本研究中，在同一坡位、同一坡度时各土层间土壤养分具有较大的差异性，但总体趋势为随着土层的加深，土壤中的养分质量分数逐渐减少。在同一坡位，全氮质量分数、全碳质量分数、全钾质量分数、水解氮质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数均随土层加深显著减少；在同一坡度，全氮质量分数、全碳质量分数、全钾质量分数、全磷质量分数、水解氮质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数均随土层加深逐渐降低。森林土壤中的各种金属元素主要来源于矿物质的分解，磷元素主要来源于土壤母质的分解，而土壤中的碳元素则主要依赖植被的养分归还过程[28]。因此，土壤微生物和土壤动物作为连接该养分归还过程的媒介具有极其重要的作用。地表光照、水分和温度较为充足，微生物及土壤生物在该层较为活跃，有利于加快凋落物的分解及矿质养分的分解，因此通常在表层土壤的各种养分含量相对较高[29]。本研究中，0

本研究中，坡位和坡度具有相当密切的联动关系，不仅对不同土壤层的养分产生单一影响，而且2个地形因子交互作用共同影响土壤养分分布状况。本研究中，坡位和坡度交互作用，对全碳质量分数、全氮质量分数、碳氮比(w(C)∶w(N)影响显著，说明坡位和坡度及二者的交互作用影响着本研究区土壤碳氮质量分数的分布。在同一坡位，坡度的改变会影响微环境光热条件的分配，进而间接影响土壤中养分质量分数的分布[31-32]；在同一坡度，改变坡位会导致养分再循环及养分积累状况的改变[33]；从而使土壤中碳元素和氮元素空间分布的差异性具有较高的变异性。结合前述讨论部分，坡位与坡度具有较高的协同性，说明二者间存在较高的联合协同机制，坡位和坡度的交互作用对全碳质量分数、全氮质量分数、碳氮比(w(C)∶w(N)具有相同的影响机制，即处于下坡位时，较高坡度的养分质量分数仍高于处于其他坡位较低坡度的养分质量分数，随着坡位和坡度的增加碳氮质量分数整体呈减少趋势。