甘肃省公益林不同生态区位土壤理化特征研究

刘燕萍，陈徵尼，仲怡铭，凌 雷

（1.甘肃省林业科学研究院，兰州 730000；2.兰州新区现代农业发展研究院，兰州 730300）

森林是陆地生态系统的主体，对改变和影响区域气候、水资源分布、涵养水源、净化水质、保持水土、抵御各种自然灾害、维持生物稳定性和多样性具有重要作用，是构建人与自然和谐的社会基本要求。公益林以维护和改善生态环境、保持生态平衡、保护生物多样性等满足人类社会的生态、社会需求和可持续发展为主体功能，充分发挥森林的生态效益是公益林建设的目的所在[1]，其主要生态功能包括水源涵养、固土保肥、固碳释氧等几个方面，其中水源涵养和固土保肥是公益林生态功能的重中之重。甘肃省地形地貌复杂，面临的主要生态问题有水资源匮乏、植被覆盖率低、水土流失严重、草原退化日益加剧、土地荒漠化持续扩展、滑坡泥石流威胁不断等。对于这样一个森林资源短缺、生态危机严重的省份，如何提高森林质量，有效发挥森林生态系统服务功能，是实现森林资源的可持续发展的关键所在。

森林土壤是林木生长的基础，为林木生长提供所需的水分、养分等生态要素[2]，因此，土壤的理化性质是公益林生态效益检测的重要指标。目前，国内对公益林研究主要集中在公益林的管护措施、评价体系、补偿机制等，对公益林在不同生态区位发挥的作用以及在公益林监测中各指标在不同区位的差异性研究较少。本研究以甘肃省公益林为研究对象，对甘肃省内公益林在不同生态区位土壤理化特征进行研究，探讨甘肃省公益林土壤理化性质在不同生态区位的特征和差异性，以此为甘肃省公益林生态效益评价提供基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省位于全国地理中心，地处黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇处，分属黄河、长江和内陆河三大流域，地理坐标N32°11'～42°57'、E92°13'～108°46'，东接陕西，南邻四川，东北与宁夏毗邻，西连青海、新疆，北靠内蒙古，并与蒙古人民共和国接壤。甘肃地形狭长，东西长1 655 km，南北宽530 km，土地总面积42.58万km2。甘肃省地处我国东部季风区、西北干旱区和青藏高原三大自然地理区的交汇处，自然生态环境复杂，地形地貌、气候类型多样，森林资源十分匮乏。据第六次甘肃省森林资源清查，林业用地面积981.21万km2，森林覆盖率仅13.42%，国家级公益林总面积914.83万km2。根据《甘肃省国家级公益林区划界定办法》，本研究选择甘肃省公益林6个生态区位，包括江河源头区、江河两岸区、重点自然保护区、水流失严重区、沙地接壤区、西南高山峡谷区作为研究区域，对区域内土壤理化特征进行深入研究。

1.2 样品采集

2019 年8 月，根据甘肃省公益林分布特征，选择位于不同生态区位的6 个县作为取样地点。根据林分面积，在每个县选取一个典型林分，在林地内随机布设3个20 m×20 m 的样方进行采样。为保证取样点选取的分布均匀性、科学性、可比性，各样方取样方法、时间、位置和处理方法保持一致。在样方内随机选取3个样点，每个样点分别在0～10，10～20，20～40，40～60，60～100 cm 土层处取3 个土样分别装回取样袋和土壤盒，同时，用环刀在各土层处分别取3个土样，一起带回实验室进行化验和测定。采样点基本概况见表1。

表1 采样点基本概况Table 1 Basic overview of sampling points

1.3 数据收集及处理

1.3.1 土壤物理性质测定 土壤含水量用传统烘干法测定，土壤容重用环刀法测定。土壤总孔隙度计算方法[2]为：

式中：p为土壤总孔隙度（%）；b为土壤容重（g·cm-3）。

土壤最大持水量的计算方法[3]为：

式中：T0为土壤最大持水量（%）；M1为环刀内注满水的湿土质量（g）；M0为环刀及原状土质量（g）。

1.3.2 土壤化学性质测定 土壤全氮用凯氏蒸馏法测定，土壤全磷用氢氧化钠钼锑抗比色法测定，土壤全钾用分光光度法测定，土壤有机质用重铬酸钾容量法测定。

1.3.3 数据分析 利用SPSS 18.0软件对数据进行相关性分析和统计分析,并利用Microsoft Excel 2007软件进行相关的表格和图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同生态区位土壤物理性质

由表2 可知，土壤含水率在不同生态区位差异显著（p＜0.05），其中西南高山峡谷区土壤含水率最大，为41.86%，显著高于其他5个生态区位，沙地接壤区土壤含水率最小，为6.83%，江河源头区、江河两岸区、水土流失严重区和沙地接壤区的土壤含水率无显著差异（p＞0.05）；土壤容重在不同的生态区位差异显著（p＜0.05），表现为：江河源头区＞沙地接壤区＞水土流失严重区＞江河两岸区＞西南高山峡谷区＞重点自然保护区。江河源头区土壤容重最大，为1.56 g·cm-3,显著高于重点自然保护区和西南高山峡谷区（p＜0.05），与其他3个区位无明显差异；江河源头区土壤总孔隙度为42.62%，显著小于其他5个生态区位（p＜0.05），而其他5个生态区位互相之间无显著差异性（p＞0.05）；土壤最大持水量表现为：水土流失严重区＞重点自然保护区＞沙地接壤区＞西南高山峡谷区＞江河两岸区＞江河源头区，江河源头区与水土流失严重区土壤最大持水量存在显著差异性（p＜0.05），与其他4个生态区位无显著差异（p＞0.05）。

表2 不同生态区位土壤物理性质统计分析Table 2 Statistical analysis of soil physical properties in different ecological locations

2.2 不同生态区位土壤化学性质

由表3 可知，土壤有机质在不同生态区位存在显著差异性（p＜0.05），重点自然保护区土壤有机质最大，为74.12 g·cm-1，显著高于江河源头区，江河两岸区，水土流失严重区，沙地接壤区（p＜0.05），而与西南高山峡谷区土壤有机质含量无显著差异性；土壤全氮含量为江河源头区最大，显著高于另外5个生态区位（p＜0.05），这5个生态区位的土壤全氮含量互相之间无明显差异；土壤全磷含量表现为：西南高山峡谷区＞水土流失严重区＞江河源头区＞重点自然保护区＞江河两岸区＞沙地接壤区，沙地接壤区含量最小，为0.31 g·cm-1，与西南高山峡谷区和水土流失严重区差异显著（p＜0.05），除沙地接壤区外，其他5 个生态区位的土壤全磷含量无显著变化；土壤全钾含量在各生态区位分布比较均匀，无显著差异性（p＞0.05）。

表3 不同生态区位土壤化学性质统计分析Table 3 Statistical analysis of soil chemical properties in different ecological locations

2.3 不同生态区位土壤理化性质的空间异质性

2.3.1 不同生态区位土壤物理性质空间差异 由图1可知，各生态区位在100 cm土层内土壤含水率随着土层深度的增加普遍呈现出先增加后减小的趋势，在10～20 cm处最大，40～60 cm处最小，60～100 cm又逐渐增加，西南高山峡谷区与重点自然保护区的土壤含水率变化较明显，其他区位无明显变化；江河源头区和重点自然保护区的土壤容重随着土层深度的增加逐渐增加，在60～100 cm处达到最大值，0～40 cm土层内，各生态区位土壤容重存在明显的差异，而在40～100 cm土层，江河源头区明显高于其他5个区位，而这5个区位互相之间无明显差异；各生态区位的土壤总孔隙度随着土层深度的增加普遍呈现下降的趋势，在40～100 cm土层，江河源头区和西南高山峡谷区明显低于其他四个区位；土壤最大持水率在重点自然保护区随着土层深度的增加呈现出先增加后减小的趋势，在20～40 cm土层达到最大值，其他5个区位的土壤最大持水率则无明显变化规律。

图1 不同土层土壤物理性质变化特征Figure 1 Changes in soil physical properties of different soil layers

2.3.2 不同生态区位土壤化学性质空间差异 由图2可知，各生态区位土壤有机质含量与土壤全氮含量都随土层深度的增加逐渐减小，在重点自然保护区土壤有机质含量明显高于其他生态区位，而土壤全氮含量在江河源头区最高显著高于其他生态区位；各生态区位土壤全磷含量在0～20 cm土层相对较高且在西南高山峡谷区土壤全磷含量在各土层普遍高于其他生态区位；土壤全钾含量随土壤深度的增加无明显变化规律，江河源头区土壤全钾含量在各土层普遍高于其他生态区位。

图2 不同土层土壤化学性质变化特征Figure 2 Variation characteristics of soil chemical properties in different soil layers

2.4 不同生态区位土壤理化性质相关性分析

由表4可知，土壤理化特征各指标之间存在一定的相关性，且相关性较显著。土层与土壤理化性质各指标之间普遍呈负相关关系，与土壤有机质有显著相关性（p＜0.01），与土壤容重和土壤总孔隙度之间的相关性也较显著（p＜0.05）；土壤有机质与土壤全钾和土壤容重呈现负相关性且与土壤容重相关性显著（p＜0.01），土壤有机质与土壤全氮、全磷、含水率、总孔隙度以及土壤最大持水率都呈正相关关系，与土壤含水率和土壤总孔隙度有显著相关性（p＜0.01），土壤全氮与土壤总孔隙度和土壤最大持水率呈负相关性，与土壤全磷、含水率、容重之间呈正向关系，相关性均不显著，土壤全氮与土壤全钾之间存在显著正相关性（p＜0.01），土壤全磷与土壤全钾和土壤含水率之间存在正相关性，且与土壤含水率的相关性显著（p＜0.01），土壤全磷与土壤容重和土壤最大持水率之间呈负相关性，相关性不显著，土壤全钾与土壤含水率和容重之间存在正相关性，与土壤总孔隙度和最大持水率之间存在负相关性，相关性均不显著，土壤含水率与土壤容重之间呈显著负相关关系（p＜0.01），与总孔隙度和最大持水率之间呈正相关性，相关性不显著。土壤容重与土壤总孔隙度呈显著负相关（p＜0.01），土壤总孔隙度与土壤最大持水率呈显著正相关（p＜0.05）。

表4 不同土层土壤理化性质相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil physical and chemical properties in different soil layers

3 讨论与结论

土壤是一个形态和演化过程都十分复杂的自然综合体[4-5]，它的形成过程包括物理过程、化学过程和生物过程。由于不同地区的气候特征、立地类型、成土母质、植被类型等各不相同，致使土壤性质在不同的地区存在明显的差异[6]。即使在同一个地区，在不同的时间和不同的空间也会造成土壤性质的差异性。本研究对甘肃省公益林6 大生态区位的土壤理化特征进行研究，研究表明土壤理化特征在不同生态区位存在一定的差异性，土壤容重在江河源头区最大，而土壤孔隙度在江河源头区最小，两者存在显著的负相关性，这与王政权等[6]研究结果一致。土壤含水率在西南高山峡谷区最大，而在沙地接壤区最小，造成这一结果的原因可能是因为西南高山峡谷区年降雨量较大，蒸发量较小，而沙地接壤区与之相反。土壤有机质在重点自然保护区的含量显著高于其他生态区位，可能是因为在重点自然保护区的植被类型较其他生态区位都比较丰富，底层枯落物较多，所以有机质含量较高。

不同生态区位土壤理化性质随土层深度的增加表现出一定的规律。土壤含水率在各生态区位同时表现为随着土层深度的增加，含水率先增加后减小的趋势，这与王永强等[7-9]的研究结果一致。表层蒸发大造成表层土壤含水率较低，随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐增加，直至达到一定深度的时候，土壤中分布大量的植物根系，由于植物耗水致使土壤含水率逐渐减小。随着土层深度的增加，土壤容重逐渐增加，土壤总孔隙度普遍下降，在40～100 cm 土层，黄河源头区土壤容重和土壤总孔隙度与其他区位存在明显差异，这可能是由土壤类型不同引起的，黄河源头区土壤类型属于沙质土，与其他区位都有差别，导致了土壤容重和土壤总孔隙度与其他区位的差异，土壤最大持水率在各生态区位表现的规律与土壤含水率保持一致，这也表明土壤最大持水率和土壤含水率存在明显的正相关关系[10-12]。土壤有机质含量与土壤全氮含量在各生态区位都表现为随土层深度的增加逐渐减小，在土壤表层相对较高，这与冯天娇等[13-14]的研究一致。土壤中的氮元素含量大部分是由土壤有机质分解而来，所以土壤全氮含量和土壤有机质含量随着土层深度的增加表现出了相同的变化规律[15-18]。土壤全磷含量与土壤全钾含量随土层深度的增加没有表现出明显的变化规律，说明他们含量主要由土壤成土母质决定[19-21]。

在甘肃省公益林6大生态区位内，土壤理化性质存在一定的差异性。土壤含水率在西南高山峡谷区最大，为41.86%，而在沙地接壤区最小，为6.83%，土壤容重在江河源头区最大，土壤总孔隙度在此生态区位最小，两者存在显著负相关关系，土壤有机质在重点自然保护区的含量为74.12 g·kg-1,显著高于其他生态区位。其他土壤理化指标在各生态区位没有明显的差异。土壤理化指标在空间分布上存在一定的规律，土壤含水率与土壤最大持水率随着土层深度的增加都呈现出先增加后减小的趋势，两者存在显著的正相关关系，土壤容重随土层深度的增加，逐渐增加而土壤孔隙度随土层深度的增加逐渐减小，两者存在显著负相关性。土壤有机质含量和土壤全氮含量具有明显表聚性，在土壤表层含量较高，随土层深度的增加逐渐减小。土壤全磷含量与土壤全钾含量在土壤空间分布上无明显变化规律。