不同干扰方式形成的内蒙古大兴安岭白桦次生林的土壤肥力1)

翟凯涛 梁晶文 李静 王冰 萨如拉

(内蒙古农业大学,呼和浩特,010018)

土壤的理化性质和土壤肥力之间密不可分,土壤中的有机质质量分数越高,土壤的通气性、保水性、肥力越好[1]。土壤肥力和地上植物生长之间,存在着相互促进和相互制约的关系。土壤肥力的高低直接影响着植物的营养状况[2],较高的土壤肥力有利于植物的生长,而过高的土壤肥力也会对地上植物的生长产生负面影响[3]。

干扰是改变森林结构的一种常见现象,不同类型和不同强度的干扰会对森林生态系统演替进程产生不同程度的影响,进而影响森林生态系统的可持续发展[4]。火烧干扰后,森林中会产生大量高温,迫使土壤中的营养元素大量损失[5-7];此外,在火烧过程中释放的碱性金属离子和灰分会使得土壤pH出现增加的趋势[8-9],燃烧产生的灰分也会间接导致土壤持水能力下降[10]。采伐干扰后,森林植被遭到严重破坏,导致土壤理化性质发生变化,促使土壤肥力下降和水土流失,长期以往将严重影响森林生态系统的健康发展[11-12]。

白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)次生林广泛分布在内蒙古大兴安岭北部地区,占其林区39.2%的面积;此外,白桦次生林,有较高的生产力和生态服务功能,有较强的生态恢复能力和生态保护功能。土壤养分状态通常代表土壤维持生态平衡和环境质量的能力,通过评估土壤肥力对提高林分生产力和森林生态系统的可持续管理具有重要指导意义[13]。通过探究白桦次生林土壤肥力与次生林之间的关系,对大兴安岭地区白桦次生林的管理、利用、保护和恢复都起到重要指导作用,对平衡生态保护和经济发展之间的关系也起着重要的作用[14-15]。

为此,本研究在内蒙古大兴安岭北部林区(根河林业局的潮查林场、木瑞林场、上央格气林场),选择经火烧干扰、渐伐干扰、渐伐干扰后进行补植、皆伐干扰、未干扰形成的白桦次生林设置样地;在每个样地内采用环刀法在土层深度(h)0

1 研究地概况

本研究区位于内蒙古大兴安岭北部林区,分别在根河林业局的潮查林场(50°54′18.61″～50°54′36.73″N、121°32′15.55″～121°32′20.88″E)、木瑞林场(51°5′47.02″～51°5′47.66″N、121°40′5.33″～121°40′5.39″E)、上央格气林场(50°34′31.036″～50°34′32.309″N、121°3′22.005″～121°3′23.180″E)设置样地。研究区主要以平缓的山地为主,海拔为700～1 530 m,年平均气温为-5.3 ℃,平均年降水量500 mm。土壤类型主要以棕色针叶林土为主,含砂粒及石砾较多,土壤呈酸性。研究区物种资源丰富,森林以兴安落叶松(Larixgmelini)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)为主,林下灌草主要有杜香(LedumpalustreL.)、杜鹃(RhododendronsimsiiPlanch.)、苔草(CarextristachyaThunb.)、抱草(MelicavirgataTurcz.)等。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

在研究区内,选择经火烧干扰(重度火烧H1、中度火烧H2)、渐伐干扰(重复样地S1、重复样地S2)、渐伐干扰后进行补植(重复样地S3、重复样地S4)、皆伐干扰(ML)、未干扰(MB)形成的白桦次生林,共设置8块样地。在每个样地内按对角线均匀设置3个土壤样方,在取样前先去除土壤表面腐殖层,分别在土层深度(h)0

2.2 土壤样品的理化性质测定方法

本研究共选取土壤含水量、pH、有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数、全钾质量分数、速效氮质量分数、速效磷质量分数、速效钾质量分数,共计9个指标。土壤含水量,采用环刀、烘干称质量法测定;土壤pH,采用pH计、电位法测定;土壤有机质质量分数,采用油浴锅、重铬酸钾法测定;土壤全氮质量分数,采用开氏定氮仪、高氯酸-硫酸消化法测定;土壤全磷质量分数,采用分光光度计、高氯酸-硫酸消化法测定;土壤全钾质量分数,采用原子吸收仪、氢氟酸-高氯酸消化法测定;土壤速效氮质量分数,采用开氏定氮仪、氯化钠溶液浸提法测定;土壤速效磷质量分数,采用分光光度计、碳酸氢钠溶液浸提法测定;土壤速效钾质量分数,采用原子吸收仪、醋酸铵溶液浸提法测定。

2.3 土壤肥力的评价方法

本研究通过选取9个土壤指标,参照全国第二次全面土壤普查所确定的分类等级(见表1)对所选指标进行评级,并利用改进后的内梅罗综合指数法中的土壤各属性分级标准(见表2)对所选的土壤指标参数进行标准化处理,以消除各参数之间的量纲差别[16-17]。标准化处理的方法：

表1 全国第二次全面土壤普查确定的分类等级

表2 内梅罗评定方法中土壤各属性分级标准

Fi=Ci/Xa,Ci≤Xa;

Fi=1+(Ci-Xa)/(Xc-Xa),Xa≤Ci≤Xc;

Fi=2+(Ci-Xc)/(Xp-Xc),Xc≤Ci≤Xp;

Fi=3,Ci>Xp。

利用改进的内梅罗综合指数法对土壤肥力进行综合评价,修正的内梅罗计算公式：

按照内梅罗计算公式算出各样地的土壤综合肥力指数(F),并按照土壤综合肥力分级标准(土壤综合肥力分级指数F<0.9为贫瘠、0.9≤F<1.8为中等、1.8≤F<2.7为肥沃、F≥2.7为很肥沃)评价不同样地的土壤肥力。

2.4 植物群落物种丰富度指数计算方法

Margalef丰富度指数(Ma)反映群落物种丰富度,均匀度指数反应群落物种均匀性大小。

Ma=(S-1)/lnN。

式中：S为总物种数;N为总个体数。

2.5 数据处理

本研究利用Excel2003对试验数据进行统计处理,计算各样地间的土壤肥力值以及植物丰富度。采用改进的内梅罗综合指数法综合评价土壤肥力、采用Margalef丰富度指数法分析群落物种丰富度、采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)分析各土壤因素间显著性、采用皮尔逊(Pearson)相关性分析法分析土壤因素与植物多样性的相关性。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质统计量分析

结合全国第二次土壤普查确定的分类等级(见表1)和土壤各指标统计量计算结果(见表3)对比可见：土壤含水量范围22.9%～76.2%,均值达到较高水平;土壤有机质质量分数范围35.732 8～201.814 9 g/kg,均值达到较高水平;土壤全氮质量分数范围0.191 7～1.402 g/kg,均值处于低水平;土壤全磷质量分数范围0.517 0～1.709 3 g/kg,均值达到较高水平;土壤全钾质量分数范围20.261 9～263.998 2 g/kg,均值达到较高水平;土壤速效氮质量分数范围15.50～30.06 mg/kg,均值处于较低水平;土壤速效磷质量分数范围14.83～44.40 mg/kg,均值达到较高水平;土壤速效钾质量分数范围176.83～432.10 mg/kg,均值达到较高水平。此外,土壤pH范围4.96～6.48,整体上呈弱酸性。

表3 土壤理化性质统计量计算结果

在土壤科学中,样本在某种程度上的变异程度通常用变异系数(Cv)表示,弱变异是035%[18]。由表3可见：土壤pH、全钾质量分数、含水量都属于弱变异,土壤速效氮质量分数、速效磷质量分数、速效钾质量分数属于中等变异,土壤有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数都属于强变异。变异程度越大,空间离散特征越大,说明土壤pH、全钾质量分数、含水量分布较均匀,土壤有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数分布较分散。

3.2 不同干扰方式对白桦次生林土壤理化性质的影响

由表4可见：不同干扰方式时,内蒙古大兴安岭白桦次生林2层土壤中,除上下2层的全钾质量分数、速效钾质量分数以及10 cm

3.3 不同干扰方式对白桦次生林植被丰富度的影响

本研究采用Margalef丰富度指数(Ma)表示不同样地间乔灌草的丰富度,即Ma越大,表示群落中物种数量越多。由图1可见：不同干扰方式的白桦次生林,草本的Ma为0.955、灌木的Ma为0.708,均较高;而乔木的Ma为0.232,较低。渐伐补植样地S4、皆伐样地(ML)的乔木丰富度,均高于均值;而火烧样地H2,因为是白桦纯林,所以其样地乔木丰富度为零,远低于均值;其他样地乔木丰富度,与均值相差极小。渐伐补植样地S3、渐伐样地S1、火烧样地H1的灌木丰富度,均远高于均值;火烧样地H2、渐伐补植样地S4的灌木丰富度,与均值相差极小;渐伐样地S2、皆伐样地(ML)、未干扰样地(MB)的灌木丰富度,均低于均值;皆伐样地(ML)、未干扰样地(MB)的灌木丰富度,均远低于均值。未干扰样地(MB)、渐伐补植样地S4的草本丰富度,均远高于均值;皆伐样地(ML)、火烧样地H2、渐伐样地S1的草本丰富度,与均值相差极小;火烧样地H1、渐伐补植样地S3、渐伐样地S2的草本丰富度,均远低于均值;渐伐样地S2的草本丰富度最低。

ML为皆伐干扰、MB为未干扰、H1为火烧干扰的重度火烧、H2为火烧干扰的中度火烧、S1为渐伐干扰的重复样地1、S2为渐伐干扰的重复样地2、S3为渐伐干扰后进行补植的重复样地3、S4为渐伐干扰后进行补植的重复样地4。

3.4 不同干扰方式对白桦次生林土壤肥力指数的影响

结合土壤综合肥力分级标准和土壤肥力内梅罗综合指数(见表5)可见：不同干扰后白桦次生林土壤综合肥力系数范围为1.22～1.63,土壤肥力均处于中等水平;经过皆伐、渐伐后补植、未干扰的样地土壤肥力更高些,而经过火烧、渐伐干扰的样地土壤肥力更低些。对比2层土壤综合肥力,除渐伐样地S2、渐伐补植样地S4外,其余样地0

表5 不同干扰后白桦次生林土壤肥力内梅罗综合指数

3.5 土壤各因素对土壤肥力影响的主成分分析

本研究分别采用抽样适合性检验(KMO检验)、巴特利(Bartlet)球形检验,检查土壤因素间的偏相关性、各土壤因素间的相关性程度。通过计算,得到本研究的KMO取样适切性量数为0.633、显著性P<0.01,表明各土壤因素间有较强相关性,可以用于土壤各因素对土壤肥力影响的主成分分析。

由表6可见：大兴安岭白桦次生林土壤pH、有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数、全钾质量分数、含水量、速效氮质量分数、速效磷质量分数、速效钾质量分数的特征值和贡献率存在一定的差异。前3个主成分的特征值均大于1,累计方差贡献率达到89.291%,说明3个主成分基本可以反映整个土壤指标信息。在主成分分析过程中,为减少3个主成分之间的相关性,采用凯撒正态化最大方差法得到旋转后的成分矩阵(见表7);根据各指标在某一主成分的载荷大小确定其影响程度,土壤有机质质量分数、全氮质量分数2项指标,对主成分1贡献较大(载荷值均超过0.92),是影响土壤肥力的主要因素,这与土壤肥力内梅罗综合指数得出的结论类似。

表7 土壤各个指标对3个主成分的贡献值(载荷值)

3.6 土壤各因素与植物丰富度的相关性

由图2可见：土壤有机质质量分数与乔木丰富度相关性最强,土壤速效氮质量分数与乔木丰富度相关性最弱;土壤有机质质量分数、全氮质量分数、速效钾质量分数、速效磷质量分数、含水量、pH、全磷质量分数都与乔木丰富度呈正相关,其中土壤有机质质量分数与乔木丰富度呈显著正相关(P<0.05),土壤全钾质量分数、速效氮质量分数与乔木丰富度呈负相关。土壤全磷质量分数与灌木丰富度相关性最强,土壤全钾质量分数与灌木丰富度相关性最弱;土壤速效氮质量分数、含水量与灌木丰富度呈正相关,土壤全磷质量分数、pH、全氮质量分数、速效氮质量分数、速效钾质量分数、速效磷质量分数、有机质质量分数、全钾质量分数都与灌木丰富度呈负相关,其中土壤全磷质量分数与灌木丰富度呈显著负相关(P<0.05)。土壤速效氮质量分数与草本丰富度相关性最强,土壤速效磷质量分数与草本丰富度相关性最弱;土壤pH、全氮质量分数、有机质质量分数、全磷质量分数、速效钾质量分数、含水量都与草本丰富度呈正相关,其中土壤pH与草本丰富度呈显著正相关(P<0.05),土壤速效氮质量分数、全钾质量分数、速效磷质量分数与草本丰富度呈负相关,其中土壤速效氮质量分数与草本丰富度呈显著负相关(P<0.05)。

TN为全氮质量分数、AK为速效钾质量分数、pH为土壤酸碱度、TP为全磷质量分数、AP为速效磷质量分数、SOM为有机质质量分数、MC为土壤含水量、AN为速效氮质量分数、TK为全钾质量分数。颜色深度表示相关性强度,颜色越深相关性越强;冷暖色表示正负关系,暖色系代表正相关,冷色系代表负相关。图例中的数据0.5、0、-0.5为相关系数,*表示显著相关(P<0.05)。

4 讨论

土壤养分是评价土壤肥力的主要指标,其存在形式和含量大小会直接影响植物的生长情况[18]。土壤中有机质质量分数越高,通常表明土壤肥力越高;土壤有机质是土壤氮元素、磷元素、钾元素主要来源之一[19]。土壤中速效元素(N、P、K)质量分数大小是对土壤营养供给能力展现的核心指标,对植被的生长过程也起到重要作用[20]。土壤pH大小会影响土壤养分的存在形式和含量大小,也会影响植物根系的生长和其对养分的吸收[21],当土壤pH处于中性条件附近时土壤养分的有效性最大[22]。本研究中,土壤pH呈弱酸性,土壤养分较丰富,其中有机质质量分数、钾元素质量分数、磷元素质量分数很高,但是氮元素质量分数却很低,而且在本研究中土壤有机质质量分数、全氮质量分数是评价土壤肥力的主要影响因子。土壤全氮质量分数偏低的原因是,土壤氮素主要来源于动植物残体分解[23],但是大兴安岭地区气候寒冷干燥,导致植物生长缓慢和微生物分解能力不足,才导致氮素的积累不足。

森林经过严重干扰后,森林土壤环境和地上植物都会遭到巨大破坏,导致土壤养分大量流失,降低土壤的肥力;但是,通过合理的补植和人工改造种植,可以改善土壤质量和土壤肥力[24-25],土壤肥力甚至能恢复到未破坏前的状态。本研究中,经过皆伐、渐伐后补植、未干扰样地,土壤肥力更高些;而经过火烧、渐伐干扰样地,土壤肥力更低些,土壤有机质质量分数、全氮质量分数、速效磷质量分数、速效钾质量分数等营养元素,都明显低于皆伐、渐伐后补植、未干扰样地。

不同方式的干扰对森林更新的影响不同,火烧干扰可以促进土壤营养元素的快速循环,有利于林下植被的更新与恢复[26];火烧干扰将乔木几乎烧毁,给予灌木大量生存空间,灌木可以优于乔木先行恢复,此外灌木的恢复也会影响草本的恢复速度[27]。本研究中,经过火烧后,灌木丰富度较高,而乔木、草本丰富度较低。经过渐伐补植后、未干扰,灌木、草本丰富度都较高;而经过渐伐、皆伐后,灌木、草本丰富度都较低,渐伐后草本丰富度更低。

氮元素是植被生长的主要限制因子,磷元素对植被生长有调节作用,钾元素对植被生长影响很小[28]。本研究中,土壤有机质质量分数与乔木丰富度具有强烈的相关关系,土壤全磷质量分数与灌木丰富度具有强烈的相关关系,土壤速效氮质量分数与草本丰富度具有强烈的相关关系,表明土壤有机质、磷元素、氮元素对植被恢复过程中起到重要作用,而钾元素只有细微作用。

5 结论

本研究表明,不同干扰后白桦次生林的土壤含水量、有机质质量分数、磷元素质量分数、钾元素质量分数十分丰富,而氮元素质量分数却较为缺乏。白桦次生林的土壤肥力整体上都处于中等水平,经过皆伐、渐伐后补植、未干扰土壤肥力更高些,而经过火烧、渐伐干扰土壤肥力更低些。土壤有机质质量分数、全氮质量分数是影响白桦次生林土壤肥力的主要因素。土壤有机质质量分数与乔木丰富度之间、全磷质量分数与灌木丰富度之间、pH与草本丰富度之间、速效氮质量分数与草本丰富度之间,均有强烈的相关关系。白桦次生林的草本、灌木的丰富度较高,乔木丰富度较低。