大小興安嶺林區(qū)不同林型土壤養(yǎng)分綜合評價

王 芳，黃 玫，孫希華，龔亞珍，王軍邦

（1．山東師范大學(xué)，山東 濟南250014；2．生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室

中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3．中國人民大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京100872）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林植被存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。它不僅供給林木生活所需的營養(yǎng)元素，同時也供給林木水分，為林木生長提供支撐，對森林的發(fā)育起著巨大的作用。大小興安嶺林區(qū)是我國最重要的林區(qū)之一，也是我國北方的重要生態(tài)屏障，研究其不同林型土壤養(yǎng)分特征對于了解該林區(qū)森林與土壤的關(guān)系、土壤肥力的維持以及森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

陳志新等［1］、姜春前等［2］、劉鴻雁等［3］對不同地區(qū)的森林土壤養(yǎng)分有過大量研究，但目前專門針對大小興安嶺地區(qū)不同林型土壤的養(yǎng)分特征的研究比較少。雖然渠開躍等［4］研究了遼東山區(qū)不同林型土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀分布特征，王剛等［5］研究了小興安嶺地區(qū)主要森林類型土壤理化性狀特征，但沒有對森林土壤養(yǎng)分狀況進行綜合評價。

本研究在大小興安嶺林區(qū)選取主要代表性林型進行大范圍取樣，選取土壤有機質(zhì)、氮、磷和鉀元素作為評價大小興安嶺林區(qū)土壤養(yǎng)分的主要指標，并分析了不同林型土壤各養(yǎng)分指標的分布特征，運用改進的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對不同林型土壤的養(yǎng)分狀況進行綜合評價。本研究可為該地區(qū)的森林經(jīng)營管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國黑龍江省東北部，屬溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季嚴寒、干燥而漫長，年平均氣溫為－1．15～－6．15℃，年降水量在459．71～572．93mm。地勢呈西高東低，最高海拔1 514m。研究區(qū)森林類型是以紅松為主的針闊混交林和針葉林，主要樹種有紅松、落葉松、樟子松、白樺、楊、榆等，藤條灌木遍布整個林區(qū)。主要土壤類型為暗棕壤。

本研究的采樣點位于東經(jīng)124°22′—129°12′，北緯48°8′—52°45′，海拔在181～529m。采樣點空間分布及采樣點的基本信息如表1所示。根據(jù)地形坡度，一般在上位、中位和下位分別取樣。

表1 研究區(qū)土壤采樣點概況

2 材料與方法

2．1 取樣方法

根據(jù)不同林型選擇典型的具有代表性的樣地，在每個樣地內(nèi)按照梅花形布點原則設(shè)置2～3個采樣點并分別取樣，分0—10，10—20，20—40cm這3個層次取土，以環(huán)刀、塑料袋分別取樣。帶回實驗室風(fēng)干，挑根，研磨，過篩備用。同時調(diào)查了采樣點的經(jīng)緯度、林型、優(yōu)勢樹種、郁閉度、地形（坡向、坡度等）、林齡等信息。

2．2 土壤化學(xué)性質(zhì)的測定方法

土壤有機碳測定用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全N含量用元素分析儀測定；速效P采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定；速效K測定采用醋酸銨浸提，火焰光度計測定。

2．3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel進行統(tǒng)計分析，用SPSS軟件進行多重比較。

2．4 土壤質(zhì)量綜合評價方法

2．4．1 評價指標的選取 一般認為土壤養(yǎng)分可以反映土壤質(zhì)量的好壞，因而本研究選取土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀作為土壤質(zhì)量的評價指標［1－13］。

2．4．2 評價指標分級標準 參照全國第二次土壤普查標準，并結(jié)合研究區(qū)實際情況，將土壤有機質(zhì)、全N、速效P、速效K含量按照最小值、中間值和最大值分為4個級別（見表2）。

2．4．3 評價方法 本文采用改進的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法［7－9］對不同林型的土壤質(zhì)量進行綜合評價，土壤綜合質(zhì)量指數(shù)計算方法如式（1）所示：

式中：Q——土壤綜合質(zhì)量指數(shù)；ˉPi——參評各指標分質(zhì)量指數(shù)的平均值；Pimin——值最小的分質(zhì)量指數(shù)；n——參評指標總數(shù)。

表2 土壤質(zhì)量評價指標分級標準

式（1）中用Pimin代替了內(nèi)梅羅公式中的Pimax，并加上修正項（n－1）／n，一方面主要為突出土壤屬性因子中最差一個對土壤質(zhì)量的影響，反映作物生長的最小因子律，另一方面，參評因子越多，（n－1）／n的值越大，可信度越高［10］。

分質(zhì)量指數(shù)Pi的計算方法如下［11－12］：

式中：Pi——分質(zhì)量指數(shù)；Xi——評價指標的測定值；Ximin——“差”級分級標準；Ximid——“中等”級分級標準；Ximax——“良好”級分級標準；i——評價指標（i＝1，2，3，4）。

土壤綜合質(zhì)量指數(shù)Q分級標準如表3所示。

表3 土壤綜合質(zhì)量等級標準

3 結(jié)果與分析

3．1 不同林型土壤有機質(zhì)分布特征

圖1為不同林型土壤有機質(zhì)垂直分布特征。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，不同林型（0—40cm）土壤有機質(zhì)的分布為白樺林＞針闊混交林3＞紅松林＞針闊混交林1＞樟子松林＞落葉松林＞針闊混交林2＞蒙古櫟林，有機質(zhì)含量依次為188．61，111．66，82．86，80．39，75．51，71．71，42．57，32．93g／kg。由此可知，受森林立地特征、優(yōu)勢樹種的影響，不同林型枯落物總量、水分含量、物質(zhì)組成和分解程度不同，導(dǎo)致各林型土壤有機質(zhì)含量差異很大［2］。

圖1 不同林型土壤有機質(zhì)的垂直分布特征

白樺林、針闊混交林3土壤有機質(zhì)含量較高，蒙古櫟林、針闊混交林2較低。白樺林正處于中林齡階段，凋落物比較多，因此其土壤有機質(zhì)含量較高；蒙古櫟林土壤的有機質(zhì)含量最少，比針闊混交林和針葉林還低很多，比較反常，分析其原因，除與植被有關(guān)外，主要與地形和土壤的pH值有關(guān)，該地坡度較大，凋落物不易蓄積，加之土壤pH值比較高，使得蒙古櫟的枯枝落葉很難分解［6］，不利于有機質(zhì)的形成，最終導(dǎo)致蒙古櫟林土壤有機質(zhì)含量偏低。針葉林中，紅松林的有機質(zhì)含量比較高，主要是因為有機質(zhì)的形成除與地形、植被類型有關(guān)外，還與人為活動有關(guān)，受管理措施的影響［13］，紅松林屬于原始天然林，人為影響比較少，土壤結(jié)構(gòu)性好，有利于凋落物的蓄積及微生物活動，有利于土壤有機質(zhì)形成，故紅松林土壤的有機質(zhì)含量偏高。

從圖1可以看出，同一林型不同層次土壤的有機質(zhì)含量分布不同，除了樟子松林外，各林型土壤有機質(zhì)的垂直分布規(guī)律較為一致，即表層＞亞表層＞底層。主要原因是土壤表層通氣性好，微生物量高，且枯落物較多，利于有機質(zhì)的積累，而隨著土層加深，土壤通氣性下降，微生物減少，不利于土壤結(jié)構(gòu)發(fā)展，養(yǎng)分循環(huán)較慢，因而土壤有機質(zhì)含量顯著低于表層［4］。經(jīng)多重比較發(fā)現(xiàn)，針闊混交林的土壤有機質(zhì)表層大于下層，垂直分布有顯著性差異（p＜0．05）；樟子松林是底層＞表層＞亞表層，但是其土壤有機質(zhì)的垂直分布無顯著性差異（p＞0．05）。

3．2 不同林型土壤全N分布特征

圖2為不同林型土壤全N垂直分布特征。經(jīng)統(tǒng)計，各林型土壤（0—40cm）全N分布規(guī)律與有機質(zhì)的分布規(guī)律基本一致，排序為白樺林＞針闊混交林1＞針闊混交林3＞紅松林＞落葉松林＞樟子松林＞針闊混交林2＞蒙古櫟林，含量依次為：5．63，3．16，3．08，2．73，2．43，1．81，1．50，1．41g／kg，白樺林土壤的全N含量最高，針闊混交林2和蒙古櫟林最低。土壤全N分布規(guī)律與祖元剛等［6］、姜春前等［2］的研究結(jié)果基本一致。

圖2 不同林型土壤全N垂直分布特征

由圖2可見，各林型（樟子松林除外）土壤全N含量的剖面特征和有機質(zhì)一樣，呈表層＞亞表層＞底層的分布規(guī)律，分析是由于受地表枯落物影響，土壤肥力較高、結(jié)構(gòu)性好、微生物量高，利于N素循環(huán)。經(jīng)多重比較分析得出，紅松林、針闊混交林2、針闊混交林3土壤的表層與亞表層和底層有顯著性差異（p＜0．05），針闊混交林1土壤的垂直分布有顯著性差異，樟子松林土壤全N的垂直分布為底層＞表層＞亞表層，但是無顯著性差異（p＞0．05）。

針闊混交林1、針闊混交林3的全N含量差異不顯著，但針闊混交林3表層土壤的全N含量明顯高于針闊混交林1，而底層卻比較少，主要是因為針闊混交林3處于幼林齡階段。

3．3 不同林型土壤速效P分布特征

圖3為不同林型土壤速效P垂直分布特征。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，不同林型土壤（0—40cm）速效P分布為白樺林＞針闊混交林3＞針闊混交林1＞樟子松林＞落葉松林＞紅松林＞針闊混交林2＞蒙古櫟林，含量分別 為 71．18，67．05，58．51，39．14，34．36，29．04，27．33，26．73mg／kg。不同林型土壤速效 P分布也與有機質(zhì)相似，白樺林土壤的速效P含量最高，針闊混交林2和蒙古櫟林最低，且除針闊混交林2和蒙古櫟林外，呈白樺林＞針闊混交林＞針葉林的分布規(guī)律。

圖3 不同林型土壤速效P垂直分布特征

從圖3可知，不同林型表層土壤（0—10cm）速效P分布特征為針闊混交林3＞白樺林＞針闊混交林1＞蒙古櫟林＞針闊混交林2＞落葉松林＞紅松林＞樟子松林。不同林型的表層土壤速效P含量針闊混交林3最多，主要原因是該采樣點16a前過火的緣故。森林過火以后，表層土壤的速效P含量變化比較明顯，隨時間的推移逐漸增多［14］。針葉林中，樟子松林土壤的速效P含量比較高，但是其表層土壤的速效P含量卻比較低，底層土壤的速效P含量幾乎是表層的兩倍，可能原因是P元素受土壤母質(zhì)影響較大，而受植被、微生物等因素影響較小，在一定程度上影響速效P養(yǎng)分的緣故。

不同林型土壤速效P垂直分布情況如下：落葉松林是亞表層＞表層，樟子松林為底層＞表層＞亞表層，白樺林的亞表層略小于底層，其他為表層＞亞表層＞底層，主要原因是凋落物通過養(yǎng)分釋放使得土壤表層養(yǎng)分增加的同時，養(yǎng)分元素還會在土壤中發(fā)生遷移，逐步進入表層以下的土壤，而P元素在土壤中不易發(fā)生遷移［15］，故速效P在表層土壤含量較高。多重比較結(jié)果顯示：除蒙古櫟林土壤的表層與亞表層、底層有顯著性差異（p＜0．05）外，其他林型土壤速效P的垂直分布均無顯著性差異。

3．4 不同林型土壤速效K分布特征

圖4為不同林型土壤速效K的垂直分布特征。經(jīng)統(tǒng)計，不同林型土壤（0—40cm）的速效K的分布為蒙古櫟林＞白樺林＞落葉松林＞針闊混交林2＞樟子松林＞針闊混交林3＞針闊混交林1＞紅松林，含量 依 次 為 212．96，198．45，168．18，163．08，160．33，157．77，157．27，145．99mg／kg。不同林型表層土壤（0—10cm）速效K的分布特征為針闊混交林3＞蒙古櫟林＞白樺林＞針闊混交林1＞針闊混交林2＞樟子松＞紅松林＞落葉松林。垂直分布情況如下：針葉林2土壤速效K的垂直分布為亞表層＞表層＞底層，樟子松林的底層＞亞表層，蒙古櫟林的底層稍大于亞表層，其余為表層＞亞表層＞底層，且多重比較結(jié)果顯示各林型土壤速效K的垂直分布均無顯著性差異（p＞0．05）。

圖4 不同林型土壤速效K的垂直分布特征

分析結(jié)果表明，各林型土壤速效K含量的分布規(guī)律與有機質(zhì)、全氮、速效磷明顯不同，蒙古櫟林、白樺林較高，而針葉林、針闊混交林的速效K含量差異不顯著，其中落葉松林和樟子松林的含量稍高于針闊混交林。但是由各林型表層（0—10cm）土壤速效K含量分布可知，表層土壤速效K含量除針闊混交林3外，符合闊葉林＞針闊混交林＞針葉林的規(guī)律，出現(xiàn)這種異常的原因，除與植被、郁閉度和地形有關(guān)系外，主要與土壤母質(zhì)有很大關(guān)系。

多重分析結(jié)果顯示土壤速效K含量的剖面特征不顯著，這是因為K為極易遷移元素［16］，速效K很容易遷移到亞表層和底層，因而其剖面特征不顯著。

3．5 不同林型土壤質(zhì)量綜合評價

表4表示不同林型土壤質(zhì)量評價分指數(shù)和綜合指數(shù)。由表4看到，不同林型土壤質(zhì)量綜合指數(shù)變幅為1．621～2．235，介于優(yōu)和良之間，平均為“良”（1．865），其中白樺林土壤的綜合質(zhì)量屬于“優(yōu)”級（2．235），其余林型土壤質(zhì)量綜合評價均處于“良”，說明興安嶺地區(qū)不同林型土壤質(zhì)量總體處于良偏優(yōu)水平。土壤質(zhì)量綜合指數(shù)由高到底依次為白樺林、針闊混交林3、落葉松林、針闊混交林1、樟子松林、針闊混交林2、紅松林、蒙古櫟林。

表4 不同林型土壤質(zhì)量評價分指數(shù)和綜合指數(shù)

從表4還可以看出，興安嶺林區(qū)土壤質(zhì)量普遍受到速效K和速效P含量的限制，其中紅松林主要是受速效K的限制，蒙古櫟林主要受全N的限制。

4 結(jié) 論

（1）0—40cm針闊混交林土壤的有機質(zhì)含量為42．57～111．66g／kg，全氮含量為1．50～3．16g／kg，速效磷為27．33～67．05mg／kg，速效鉀為157．27～163．08mg／kg；針葉林土壤的有機質(zhì)含量為71．71～82．86g／kg，全氮含量為1．81～2．73g／kg，速效磷為29．04～39．14mg／kg，速 效 鉀 為 145．99～168．18mg／kg。

（2）除樟子松林外，各林型土壤的有機質(zhì)、全氮垂直分布均為表層＞亞表層＞底層，但多重比較結(jié)果顯示，樟子松林、白樺林、蒙古櫟林、針葉林土壤有機質(zhì)、全氮的垂直分布無顯著性差異，針闊混交林的垂直分布大都有顯著性差異，各林型土壤速效磷（蒙古櫟林除外）、速效鉀的垂直分布均沒有顯著性差異。

（3）大小興安嶺林區(qū)有機質(zhì)和全氮含量特別豐富，有效磷含量為中等至較豐富，不同林型土壤質(zhì)量總體處于良偏優(yōu)水平，但土壤速效鉀比較缺乏，成為該地區(qū)土壤質(zhì)量的主要限制因素。

致 謝：黑龍江省森林防火辦王志成博士，中國科學(xué)院地理資源所的研究生李雷、孫向陽、王昭生、商貴鐸、岳溪柳、夏芹參予了本研究的野外采樣工作，為本研究的順利完成提供了大力支持，在此一并表示衷心的感謝！

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