八仙山不同立地落葉闊葉林凋落物養(yǎng)分特征及土壤肥力評價研究

陳國平 俎麗紅 高張瑩 周美利 喬艷云 趙鐵建 馮小梅 石福臣*

(1.南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300071； 2.天津九龍山國家森林公園，天津 301900； 3.天津八仙山國家級自然保護區(qū)管理局，天津 301900)

八仙山不同立地落葉闊葉林凋落物養(yǎng)分特征及土壤肥力評價研究

陳國平1俎麗紅1高張瑩1周美利1喬艷云2趙鐵建3馮小梅3石福臣1*

(1.南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300071；2.天津九龍山國家森林公園，天津 301900；3.天津八仙山國家級自然保護區(qū)管理局，天津 301900)

為了更好地了解北暖溫帶落葉闊葉林凋落物養(yǎng)分特征及土壤肥力的狀況，本研究在天津八仙山國家級自然保護區(qū)陽坡、山脊和陰坡3種典型立地條件下分別設(shè)置1 hm2樣地，進行了每木調(diào)查并分析了凋落物養(yǎng)分特征及土壤肥力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在3個樣地中陽坡樣地樹木個體數(shù)和物種豐富度均最大，而個體數(shù)最小的是山脊樣地，物種豐富度最小的是陰坡樣地。立木材積則以山脊樣地為最大，陽坡樣地較小，陰坡樣地最小。3個樣地陽坡樣地凋落物蓄積量(37.21 t·hm-2)顯著大于山脊樣地(26.79 t·hm-2)和陰坡樣地(23.87 t·hm-2)。3個樣地中陽坡樣地凋落物碳、氮含量最高，而其土壤碳、氮含量最低。凋落物8種礦質(zhì)元素(Ca、K、Fe、Mg、Na、Mn、Zn、Cu)總含量：陽坡樣地>山脊樣地>陰坡樣地。通過因子分析對18個土壤肥力指標(biāo)進行綜合評價，發(fā)現(xiàn)：山脊樣地(0.350)>陰坡樣地(0.091)>陽坡樣地(-0.491)，說明3個樣地中山脊樣地土壤肥力較好，陰坡樣地次之，陽坡樣地較差。

落葉闊葉林；立地條件；凋落物養(yǎng)分；土壤肥力評價

土壤是在氣候、母質(zhì)、地形、植被等因子的綜合作用下形成，并隨著植被演替的進行而不斷發(fā)生著變化。森林凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是該系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要途徑之一。土壤作為凋落物的載體，其養(yǎng)分狀況、生物活性和物理穩(wěn)定性與凋落物質(zhì)量、數(shù)量及分解快慢密切相關(guān)[1～2]。同時，森林土壤作為林木健康生長的基質(zhì)，其肥力特征直接影響林木的生長狀況[3]。La Manna and Rajchenberg[4]研究發(fā)現(xiàn)，森林的退化與土壤肥力衰退有著密切的聯(lián)系；Bautista-Cruz,et al.[5]研究發(fā)現(xiàn)，在較少人工干擾情況下，土壤肥力會影響森林植物的生長和分布；劉秋鋒等[6]對植被與環(huán)境因子進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)土壤因子是影響喬木物種分布分異的最主要環(huán)境因子。隨著森林健康理念的發(fā)展，世界各國在森林經(jīng)營實踐過程中非常重視土壤狀況的監(jiān)測[7～8]。因此，土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程的載體，其結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況常作為度量生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[9]。

暖溫帶落葉闊葉林是我國主要植被類型之一，主要分布于我國的華北地區(qū)，相比歐洲和北美的落葉闊葉林其成分要更加復(fù)雜豐富[10～11]。落葉闊葉林作為暖溫帶區(qū)域的頂極群落，在無人為干擾和自然災(zāi)害的情況下會保持穩(wěn)定狀態(tài)[10]。由于人類長期活動對森林生態(tài)系統(tǒng)的干擾和破壞，使得原始暖溫帶落葉闊葉林幾乎消失殆盡，目前僅在中山地區(qū)或偏遠山地存在次生性的暖溫帶落葉闊葉林[12～13]。針對暖溫帶不同區(qū)域山地土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)中重要性研究已有許多。如，暖溫帶—北亞熱帶過渡區(qū)寶天曼保護區(qū)森林土壤碳氮分布格局[14～15]、黃土高原不同森林類型土壤肥力狀況[16～17]、太岳山森林土壤理化性狀及養(yǎng)分循環(huán)[18～19]、東靈山落葉闊葉林土壤氮礦化[20]等，這些研究為理解暖溫帶山地土壤結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分狀態(tài)及循環(huán)等方面規(guī)律起到重要作用。然而，對于北暖溫帶，特別是接近溫帶地區(qū)的典型落葉闊葉林土壤肥力研究相對較少。八仙山國家級自然保護區(qū)位于暖溫帶北部，該區(qū)現(xiàn)保留有華北地區(qū)罕見的具有原始森林特征的典型天然落葉闊葉次生林。本研究擬通過因子分析等統(tǒng)計方法，對保護區(qū)內(nèi)3個典型立地類型的落葉闊葉林土壤肥力和凋落物養(yǎng)分狀況進行量化分析，以期為北暖溫帶區(qū)域的森林經(jīng)營和管理提供科學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

八仙山國家級自然保護區(qū)位于天津市薊縣東北部，屬于燕山山脈南翼，處在暖溫帶北部，是華北、東北、內(nèi)蒙的過渡帶(地理坐標(biāo)：40°7′24″N～40°13′53″N，117°30′35″～117°36′24″E)，保護區(qū)總面積5 360 hm2，其中900 m以上的山峰有19座，主峰1 052 m，是天津市最高峰。該區(qū)為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫8～10℃，1月平均氣溫-7.2℃，7月平均氣溫23.4℃，年平均降水量為968.5 mm，多集中在夏季，全年日平均氣溫在10℃以上的天數(shù)為180 d，年積溫3 800～3 900℃，無霜期為180 d左右。在中山帶以山地棕色森林土為主，低山帶以淋溶褐土為主，土層相對貧瘠，含砂礫較多。由于該區(qū)毗鄰清東陵，因此在清末宣統(tǒng)二年(1910年)開禁之前，一直保持著原始森林的面貌。后由于人為破壞，原始森林消失殆盡。新中國成立后，經(jīng)過多年的封山育林，特別是1984和1990年先后由天津市政府批準為縣級和市級自然保護區(qū)，1995年經(jīng)國務(wù)院批準成為國家級自然保護區(qū)，目前該區(qū)森林植被已自然恢復(fù)良好，同時已被評為國家級示范自然保護區(qū)。

1.2 研究樣地概況

2014年7～10月在3個不同立地條件的次生林地分別設(shè)置1 hm2的永久性固定樣地，用全站儀將3個1 hm2(100 m×100 m)樣地劃分為100個樣方，每個樣方10 m×10 m，樣方間用測量繩進行分割，同時對樣方進行編號：00-99。對每個樣方內(nèi)胸徑≥3 cm的樹木個體進行逐一掛牌，并記錄樹號、種名、胸徑、樹高和生長狀況等指標(biāo)(表1)。

1.3 凋落物樣品采集及測定

將每個1 hm2研究樣地劃分為25個樣方(每個樣方面積20 m×20 m),在每個樣方中心設(shè)置1個1 m×1 m的小樣方，這樣每個樣地選取25個凋落物樣，收集小樣方內(nèi)全部凋落物(不包括直徑大于2 cm的粗木質(zhì)殘體)，并分別稱其鮮重，然后取部分凋落物帶回實驗室。將帶回的凋落物放入80℃的烘箱中烘干至恒重，通過干重/鮮重計算含水率，從而推算出樣地凋落物的蓄積量。凋落物礦質(zhì)元素(鉀(K)、鈣(Ca)、鈉(Na)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)和鋅(Zn))測定：先經(jīng)微波消解，然后用ICP-AES進行測定。利用Vario MICRO cube元素分析儀(德國Elementar)測定凋落物中碳(C)、氮(N)含量。

表1 研究樣地自然概況及各樣地主要優(yōu)勢樹種特征

1.4 土壤樣品采集及測定

在每個樣方取表層10 cm的土樣，緊鄰的4個樣方混成一個樣，這樣1個樣地中共計25個土樣。土樣帶回實驗室，部分風(fēng)干，過篩，部分放冰箱保存。利用Vario MICRO cube元素分析儀(德國Elementar)測定土壤中碳(C)、氮(N)含量。土壤交換性鉀(K)、交換性鈣(Ca)、交換性鈉(Na)和交換性鎂(Mg)采用醋酸銨溶液進行浸提；有效鐵(Fe)采用二乙三胺五乙酸浸提劑進行浸提；有效錳(Mn)分別采用醋酸銨溶液和對苯二酚—醋酸銨溶液進行浸提；有效銅(Cu)和有效鋅(Zn)采用鹽酸溶液進行浸提；所有浸提液均用ICP-AES進行測定[21]。同時在上述每個取凋落物的小樣方下做土壤剖面，在表層10 cm的土層中用100 cm3環(huán)刀取樣，將環(huán)刀蓋好(保持環(huán)刀內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)不受到破壞)帶回實驗室，這樣1個樣地取25個環(huán)刀樣。參考LY/T1215-1999《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定》，由環(huán)刀法計算土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度、土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和最小持水量等指標(biāo)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

立木材積的計算參考吳富楨[22]的平均實驗形數(shù)法。文中數(shù)據(jù)均采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用最小顯著差異法(Duncan)分析不同數(shù)據(jù)組間的差異性，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。作圖使用Origin 8.0軟件完成。土壤肥力綜合評價采用SPSS19.0軟件進行分析。因子分析是指通過降維多元統(tǒng)計，從多個變量中選擇少數(shù)幾個綜合變量，以達到簡化數(shù)據(jù)的方法。數(shù)據(jù)經(jīng)因子分析得到相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值及貢獻率、因子載荷矩陣和因子得分系數(shù)矩陣，然后計算不同立地條件下土壤肥力評價分值[23～24]。

SFAV=∑ai·zi

(1)

式中：SFAV為土壤肥力評價分值；ai為各因子的方差貢獻率；zi為得分因子。

zi=∑wijxij

(2)

式中：wij為第i個變量在第j個因子處的因子得分系數(shù)；xij為第i個變量在第j個因子處的標(biāo)準化值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同立地條件落葉闊葉林土壤物理性質(zhì)分析

3個樣地間土壤容重和土壤通氣度無顯著差異；對于毛管孔隙度而言，B樣地最大，C樣地最小，且B樣地顯著高于C樣地，而A樣地與B、C樣地之間無顯著差異；對于非毛管孔隙度而言，C樣地顯著低于A、B樣地，而A、B樣地間無顯著差異(表2)。同時，3個樣地最小持水量之間無顯著差異；而3個樣地的土壤含水量、最大持水量和毛管持水量皆以B樣地最大，A樣地次之，C樣地最小，且B樣地和C樣地之間達顯著差異水平。

2.2不同立地條件落葉闊葉林凋落物和土壤養(yǎng)分含量的特征

表層土壤中有效Zn和交換性Mg的含量3個樣地間無顯著差異(圖1)。B樣地表層土壤中的有效Mn和交換性Ca含量顯著大于C樣地，而與A樣地間無顯著差異。A、B樣地表層土壤中有機碳和總氮含量顯著大于C樣地，而前兩者間無顯著差異。土壤交換性K含量則以B樣地>A樣地>C樣地，且三者間達顯著差異水平。C樣地表層土壤有效Fe含量顯著大于A樣地，而交換性Na的含量卻相反。土壤有效Cu含量則以B樣地最低，而A樣地與C樣地間無顯著差異?？偟膩碚f，土壤中4種交換性鹽基的總含量(Ca、K、Mg、Na)和4種有效礦質(zhì)元素的總含量(Fe、Mn、Cu、Zn)：B樣地>C樣地>A樣地。分析凋落物養(yǎng)分的含量，發(fā)現(xiàn)Cu、Mg、C、N含量以C樣地>B樣地>A樣地，且3個樣地間達顯著差異水平(Mg除外)；C樣地Mn、Fe、Zn、Ca含量顯著高于A樣地，但與B樣地間無顯著差異(Mn除外)；Na含量和K含量，3個樣地間無顯著差異?？偟膩碚f，3個樣地凋落物8種礦質(zhì)元素總含量：C樣地>B樣地>A樣地。

表2 不同立地條件林下土壤物理性質(zhì)和持水能力特征

注：小寫字母表示不同立地條件樣地之間的差異顯著性(P<0.05) 下同。

Note:Small letters are significantly different among the different plots.The same as below.

2.3 土壤肥力評價

本研究對18個土壤指標(biāo)進行Bartlett球形檢驗結(jié)果顯示顯著系數(shù)0.00<0.05，說明數(shù)據(jù)適合做因子分析。通過因子分析得到因子特征值和方差貢獻率及因子載荷矩陣等。

按照特征值>1的原則，從表3中可以看出，共抽取5個公因子，公因子的特征值分別為7.78、3.92、1.76、1.48和1.11，累計方差貢獻率達86.23%，這說明因子分析用于評價土壤肥力是可靠的。

表3因子特征值和方差貢獻率

Table3Theeigenvaluesandpercentofvarianceexplained

因子Component特征值Eigenvalues方差貢獻率Varianceexplained(%)累計方差貢獻率Cumulativevarianceexplained(%)17．7843．2443．2423．9218．8562．0931．769．8071．8941．488．2080．0951．116．1486．23

按照因子載荷值的絕對值>0.6進行分類，從表4中可以看出，公因子1主要支配毛管空隙、非毛管孔隙、土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、最小持水量、有機碳、總氮、交換性鉀、交換性鈣、有效鐵、有效錳和有效銅，公因子2主要支配容重和土壤通氣度，公因子3主要支配有效鋅，公因子4主要支配交換性鎂，公因子5無明顯的支配因子。

表4 因子載荷矩陣

圖1 不同立地條件林下凋落物和土壤碳氮及礦質(zhì)元素含量特征Fig.1 Carbon,nitrogen and mineral elements content of forest floor and soil under different site conditions

Table5Factorscoresofsoilfertilityassessmentunderdifferentsiteconditions

樣地類型Plottypes因子得分Factorscore因子1Factor1因子2Factor2因子3Factor3因子4Factor4因子5Factor5綜合評價值SFAV陰坡樣地Shadyplot0．1150．1860．483-0．012-0．6580．091山脊樣地Ridgeplot0．7840．311-0．290-0．4360．2740．350陽坡樣地Sunnyplot-1．010-0．542-0．1520．5110．345-0．491

經(jīng)過因子分析處理的18個土壤指標(biāo)，通過得分系數(shù)矩陣和標(biāo)準化數(shù)據(jù)值加權(quán)，獲得5個公因子在不同樣地的得分，進一步由各因子得分和方差貢獻率加權(quán)得到不同立地條件樣地土壤肥力綜合得分為：山脊樣地(0.350)>陰坡樣地(0.091)>陽坡樣地(-0.491)。

3 討論

森林凋落物是指森林植物生長發(fā)育過程的新陳代謝產(chǎn)物，在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡過程中發(fā)揮著重要作用[25～27]。有研究報道，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，90%以上的地上部分凈生產(chǎn)量是通過凋落物的方式返回地表[28]，同時有研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中植物吸收的養(yǎng)分，氮和磷90%、礦質(zhì)元素60%以上均來自凋落物歸還給土壤的養(yǎng)分再循環(huán)過程[29]。3個樣地凋落物碳、氮含量：陽坡樣地>山脊樣地>陰坡樣地，且3個樣地間達差異顯著水平，礦質(zhì)元素Cu、Mg也呈相似趨勢(圖1)。陽坡樣地凋落物Mn、Fe、Zn、Ca含量顯著高于陰坡樣地，但與山脊樣地間無顯著差異(Mn含量除外)(圖1)。凋落物Na含量和K含量，3個樣地間無顯著差異。總的來說，3個樣地凋落物8種礦質(zhì)元素總含量以陽坡樣地最高。這主要是由于陽坡樣地由于地勢平緩、樹木密度大，使得其樣地內(nèi)凋落物蓄積量(37.21 t·hm-2)顯著大于山脊樣地(26.79 t·hm-2)和陰坡樣地(23.87 t·hm-2)，而后兩者間無顯著差異。

土壤是凋落物的載體，因此凋落物在分解過程中通過養(yǎng)分的垂直輸送，可對下層土壤的理化性質(zhì)及養(yǎng)分狀況產(chǎn)生重要影響[30～31]。陰坡樣地和山脊樣地表層土壤中C和N含量顯著大于陽坡樣地，而前兩者間無顯著差異(圖1)。土壤鹽基離子作為評價土壤質(zhì)量的重要方面，其含量在很大程度上反映了鹽基類元素的生物有效性和移動、循環(huán)的狀況[32]。表層土壤中有效Zn和交換性Mg的含量3個樣地間無顯著差異(圖1)。山脊樣地表層土壤中的有效Mn和交換性Ca含量顯著大于陽坡樣地，而與陰坡樣地間無顯著差異(圖1)。交換性K含量則以山脊樣地>陰坡樣地>陽坡樣地，且三者間達顯著差異水平(圖1)。陽坡樣地表層有效Fe含量顯著大于陰坡樣地，而交換性Na的含量卻相反(圖1)?？偟膩碚f，土壤中4種交換性鹽基的總含量(Ca、K、Mg、Na)和4種有效礦質(zhì)元素的總含量(Fe、Mn、Cu、Zn)呈現(xiàn)：山脊樣地>陰坡樣地>陽坡樣地。同時，經(jīng)過因子分析處理的18個土壤指標(biāo)，得到不同立地條件樣地土壤肥力綜合得分為：山脊樣地(0.350)>陰坡樣地(0.091)>陽坡樣地(-0.491)(表5)。單一因子的比較和因子分析得出的結(jié)果是相似的，可以相互印證。出現(xiàn)陽坡凋落物養(yǎng)分含量最高，但其林下土壤養(yǎng)分含量并不是最高的現(xiàn)象，主要原因可能是由于陽坡樣地的樹木密度在3個樣地中最大，較大的樹木密度對土壤的肥力消耗較大，加之植物與微生物對養(yǎng)分的爭奪，進一步影響凋落物的降解和養(yǎng)分回歸，從而使得土壤養(yǎng)分“供”大于“還”，導(dǎo)致土壤肥力較低[33～35]。綜上所述，在本研究樣地中陽坡樣地樹木密度最大，凋落物養(yǎng)分含量最高，但其林下土壤肥力小于山脊樣地和陰坡樣地。

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The Project of Wild Plant Resources Inventory of Tianjin(20120024002);The Ph.D. Candidate Research Innovation Fund of Nankai University

introduction：CHEN Guo-Ping(1985—),male,Ph.D,Major in plant resources and plant ecology.

date:2016-06-13

TheCharacteristicsofForestFloorNutrientsandSoilFertilityAssessmentforDeciduousBroad-LeavedForestwithDifferentSiteConditions

CHEN Guo-Ping1ZU Li-Hong1GAO Zhang-Ying1ZHOU Mei-Li1QIAO Yan-Yun2ZHAO Tie-Jian3FENG Xiao-Mei3SHI Fu-Chen1*

(1.College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin 300071；2.Jiulongshan National Forest Park,Tianjin 301900；3.Baxian Mountain National Nature Reserves,Tianjin 301900)

Deciduous broad-leaved forest is one of the vegetation types in the northern hemisphere, however, warm temperate deciduous broad-leaved forest is the most typical in North China. Our objective was to better study the characteristics of forest floor nutrient and soil fertility quality in deciduous broad-leaved forest of north warm temperate. We carried out plant census, and compared forest floor nutrient and soil physicochemical properties in shady slope plot, ridge plot, and sunny slope plot in Baxian Mountain National Nature Reserve. The results showed individuals was most in sunny slope plot and least in ridge plot, and species richness was most in sunny slope plot and least in shady slope plot. Standing tree volume was highest in ridge plot, and lowest in the shady plot. The amount of forest floor accumulation was significantly higher in sunny slope plot than in ridge plot and shady slope plot. In three plots, soil C and N content were lowest and forest floor C and N content were highest in sunny slope plot. The content of mineral elements: sunny slope plot>ridge plot>shady slope plot. This is the reason that The integrated soil fertility assessment scores for ridge plot, shady slope plot, and sunny slope plot were, in a descending order, 0.350, 0.091, -0.491, through factor analysis.

deciduous broad-leaved forest;sites condition;forest floor nutrients;soil fertility assessment

天津市野生植物資源調(diào)查項目(20120024002)資助；南開大學(xué)博士研究生科研創(chuàng)新計劃立項資助

陳國平(1985—)，男，博士，現(xiàn)主要從事植物資源學(xué)、植物生態(tài)學(xué)研究。

* 通信作者：E-mail:fcshi@nankai.edu.cn

2016-06-13

* Corresponding author：E-mail:fcshi@nankai.edu.cn

S158

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.06.011