長(zhǎng)白山北坡和西坡林線土壤有機(jī)質(zhì)含量的對(duì)比分析

李圣文++王曉東++吳正方+杜海波++王雷+宗盛偉

摘 要：本文以長(zhǎng)白山北坡和西坡林線為研究區(qū)，分別在北坡和西坡采集83個(gè)和51個(gè)土壤樣品，在室內(nèi)測(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)和礫石含量，采用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)和單個(gè)樣本T檢驗(yàn)分析北坡和西坡土壤有機(jī)質(zhì)和礫石含量的特點(diǎn)和差異程度，應(yīng)用相關(guān)分析方法認(rèn)識(shí)北坡和西坡有機(jī)質(zhì)和礫石含量的關(guān)系，分析土壤發(fā)育過(guò)程的差異性表現(xiàn)。結(jié)果表明林線生境不利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成和積累，西坡土壤有機(jī)質(zhì)含量大于北坡，且空間差異程度也小于北坡。礫石含量高，土壤發(fā)育緩慢，北坡林線母質(zhì)對(duì)土壤發(fā)育過(guò)程控制較強(qiáng)，而西坡相對(duì)較弱，兩坡其他成土因素影響程度存在很大差異。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)白山北坡和西坡林線；土壤有機(jī)質(zhì)；礫石含量；數(shù)理統(tǒng)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：F11919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170133048

引言

從高山郁閉林到深入苔原帶喬木樹(shù)種之間的過(guò)渡帶是高山林線交錯(cuò)帶[1]。長(zhǎng)白山林線是林線研究生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的理想地段，土壤養(yǎng)分狀況在林線生態(tài)系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用引起人們的極大關(guān)注[2]。石培禮等認(rèn)為土壤基質(zhì)狀況對(duì)林線動(dòng)態(tài)有先行性的影響[3]，鄧?yán)っ兜日J(rèn)為林線土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)岳樺種群動(dòng)態(tài)有著一定的控制作用[4]，于大炮等在研究岳樺生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)時(shí)對(duì)土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生非常大的興趣，認(rèn)為林線形成機(jī)理影響因子中土壤起著積極作用[5]。這些研究都認(rèn)為土壤性質(zhì)，尤其是有機(jī)質(zhì)的特征與林線動(dòng)態(tài)有著非常密切的關(guān)系。但在不同坡向上分析土壤狀況的對(duì)比關(guān)系，尤其是土壤有機(jī)質(zhì)的差異表現(xiàn)和成因研究極少。本文以長(zhǎng)白山北坡和西坡林線土壤有機(jī)質(zhì)含量與礫石含量關(guān)系全面分析有機(jī)質(zhì)的差異程度和土壤發(fā)育的不同狀況，探詢有機(jī)質(zhì)差異的原因，揭示土壤形成過(guò)程中成土因素的潛在影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

在長(zhǎng)白山北坡海拔1900～2000m左右是岳樺林分布的上限，西坡林線在海拔1800～2250m左右，風(fēng)大寒冷，環(huán)境嚴(yán)酷，只有岳樺依靠較強(qiáng)的適應(yīng)能力成為林線喬木的主要樹(shù)種，在氣候變暖的趨勢(shì)下，兩坡林線變動(dòng)都很明顯，而土壤狀況對(duì)林線影響的方式復(fù)雜使這里成為研究林線土壤發(fā)育的理想地帶[6]。本研究選擇的林線北坡研究區(qū)范圍是N42°2′27～42°3′14″，E128°4′35″～128°6′13″，西坡研究區(qū)范圍是N41°5′93″～42°1′51″，E127° 58′6″～127° 59′45″，都是長(zhǎng)白山森林-苔原過(guò)渡帶最為典型的研究地段（圖 1）。

1.2 土壤樣品的采集與測(cè)定

2008年9月和2015年9月采用樣方調(diào)查法分別在長(zhǎng)白山北坡林線與西坡林線于最典型的地段分別設(shè)置4個(gè)樣地，在每一樣地內(nèi)水平方向上每間隔20～40m設(shè)置一樣帶，在每個(gè)樣帶內(nèi)按垂直方向自高而低從林線邊緣（樹(shù)島）連續(xù)取樣（樣方：10m×10m）直到坡底的郁閉林（郁閉度>0.2），在所有設(shè)置的樣方中北坡選擇83個(gè)樣方，西坡選擇51樣方進(jìn)行取土。在這些樣方內(nèi)采用對(duì)角線法選取5個(gè)樣點(diǎn)，從各個(gè)土層取土壤樣品0.5kg，將5個(gè)樣點(diǎn)的土壤充分混合后取1kg做為1個(gè)土壤樣品。將采集后的土壤樣品封好帶回實(shí)驗(yàn)室，干燥通風(fēng)除雜后秤重，將礫石（粒徑>2mm）挑出測(cè)重，得到礫土比（礫石重量/土壤全重）。研磨剩余土壤樣品，全部通過(guò)1mm孔篩后取1/4樣品進(jìn)一步研磨，通過(guò)0.1mm孔篩后的樣品測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸法、全氮含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法、全磷采用硫酸-高氯酸消煮法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法、單個(gè)樣本K-S檢驗(yàn)和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)方法分別計(jì)算北坡和西坡土壤有機(jī)質(zhì)和礫石含量的不同和兩坡差異程度，分別計(jì)算北坡和西坡有機(jī)質(zhì)和礫石含量的相關(guān)系數(shù)以評(píng)判礫石含量對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響，進(jìn)一步分析土壤發(fā)育過(guò)程的差異性表現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 北坡和西坡有機(jī)質(zhì)含量的對(duì)比

北坡和西坡土壤有機(jī)質(zhì)含量的常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明無(wú)論北坡還是西坡土壤養(yǎng)分的空間差異明顯（標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值大，變異系數(shù)>0.30，單個(gè)樣本K-S檢驗(yàn)：P<0.01）（表1），在林線的不同位置上土壤的養(yǎng)分含量差異較大。從偏度（>0）與峰度（>0）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看只有在個(gè)別局部有利生境土壤有機(jī)質(zhì)含量大（表1），所以林線生境總體上不利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成和積累。北坡和西坡有機(jī)質(zhì)含量獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)可以看出均值的雙尾顯著性概率小于0.1， 有顯著性差異。從均值大小的差異（西坡-北坡：36.8553g/kg）看西坡有機(jī)質(zhì)含量大于北坡，說(shuō)明西坡土壤發(fā)育程度相對(duì)北坡較好，從標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度和峰度幾個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看西坡土壤發(fā)育的空間差異程度小于北坡，養(yǎng)分含量從整體上好于北坡。

2.2 北坡和西坡礫石含量的對(duì)比

從均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果看土壤礫石含量都較大（西坡：18.29%；北坡：9.68%），說(shuō)明林線土壤發(fā)育程度都較低，發(fā)育過(guò)程相對(duì)較慢，反映林線生境嚴(yán)酷。從標(biāo)準(zhǔn)差（西坡：12.12%；北坡：12.38%）和變異系數(shù)（西坡：0.66；北坡：1.28）看都較大，單個(gè)樣本K-S檢驗(yàn)（P<0.01）非均勻分布顯著說(shuō)明林線土壤發(fā)育的空間差異明顯，土壤發(fā)育程度空間分異大，從偏度（>0）與峰度（>0）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果只有在個(gè)別局部有利生境土壤發(fā)育較快（表3），礫石含量低，所以林線生境的不利使土壤發(fā)育過(guò)程總體上遲緩。

北坡和西坡土壤礫石含量獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)可以看出均值的雙尾顯著性概率遠(yuǎn)小于0.01， 有高度顯著性差異。從兩坡均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比看西坡土壤礫石含量高于北坡，而從標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)看北坡大于西坡說(shuō)明土壤發(fā)育在空間上北坡的差異應(yīng)該更大，但是從偏度和峰度看西坡土壤發(fā)育的空間差異程度又小于北坡，這些不同的統(tǒng)計(jì)結(jié)果似乎相互矛盾，但是這也說(shuō)明兩坡土壤形成的過(guò)程顯然是非常復(fù)雜的，從發(fā)育時(shí)間看西坡應(yīng)該小于北坡（均值西坡大），而養(yǎng)分含量卻高，說(shuō)明土壤形成的其他成土因素好于北坡。受制于發(fā)育時(shí)間整體較晚，使土壤礫石含量總體上空間差異不如北坡差異大。但是在極少數(shù)個(gè)別地點(diǎn)其他成土因素非常適合土壤發(fā)育，使土壤的礫石含量迅速下降，形成偏度和峰度大于北坡的現(xiàn)象，但是這僅限于少數(shù)幾個(gè)非常適宜的地點(diǎn)。

2.3 北坡和西坡礫石含量對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響

從相關(guān)分析結(jié)果看北坡相關(guān)系數(shù)為顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)：-0.22，P<0.05）說(shuō)明土壤發(fā)育受到礫石含量的影響明顯，礫石含量越高，土壤有機(jī)質(zhì)含量越低，母質(zhì)對(duì)土壤發(fā)育過(guò)程控制較強(qiáng)，土壤是林線動(dòng)態(tài)的影響因素，而西坡則相反出現(xiàn)正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)：0.17），說(shuō)明西坡對(duì)土壤發(fā)育的控制較弱，但是沒(méi)有達(dá)到顯著，說(shuō)明還是具有一定的影響。

以上分析說(shuō)明西坡雖然土壤發(fā)育時(shí)間相對(duì)晚于北坡，但是其他成土因素對(duì)土壤發(fā)育的影響更大，特別在個(gè)別點(diǎn)上表現(xiàn)尤其明顯，從成土因素看可能是氣候變暖影響的結(jié)果，但是由于微地形和植被的空間差異只在極個(gè)別有利的點(diǎn)土壤發(fā)育狀況突然變好，這可能與西坡極個(gè)別地點(diǎn)林線岳樺種群擴(kuò)張態(tài)勢(shì)明顯，而整體推移不如北坡大有關(guān)[7]，而關(guān)于林線的空間移動(dòng)與土壤狀況的關(guān)系需要進(jìn)一步分析，以評(píng)判土壤養(yǎng)分差異對(duì)不同坡向林線動(dòng)態(tài)的差異性作用方式。

3 結(jié)論

北坡和西坡林線土壤養(yǎng)分的空間差異明顯，只有在個(gè)別局部有利生境土壤有機(jī)質(zhì)含量大，所以林線生境總體上不利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成和積累。西坡土壤發(fā)育程度相對(duì)北坡較好，且空間差異程度小于北坡。

林線土壤發(fā)育程度都較低，發(fā)育過(guò)程相對(duì)較慢，空間差異明顯，西坡只在極少數(shù)個(gè)別地點(diǎn)土壤的礫石含量低，但是總體上礫石含量西坡大于北坡。

土壤發(fā)育受到礫石含量的影響明顯，北坡林線母制對(duì)土壤發(fā)育過(guò)程控制較強(qiáng)，而西坡相對(duì)較弱，說(shuō)明兩坡其他成土因素影響程度存在很大差異。

參考文獻(xiàn)

[1] Korner C，Jens P.A World-wide study of high altitude treeline temperatures[J].Journal of Biogeography，2004，31（5）： 713-732.

[2] Kammer A，Hagedorn F，Shevchenko I，et al. Treeline shifts in the Ural mountains affect soil organic matter dynamics[J]. Global Change Biology，2009，140（5）：469-479.

[3]石培禮，李文華.長(zhǎng)白山林線交錯(cuò)帶形狀與木本植物向苔原侵展和林線動(dòng)態(tài)的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（4）：227-231.

[4] 鄧?yán)っ?，石培禮，楊振林.長(zhǎng)白山樹(shù)線交錯(cuò)帶的生物量分配和凈生產(chǎn)力[J].自然資源學(xué)報(bào)，2006，21（6）：942-948.

[5] Yu D P，Wang G G， Dai L M，et al. Dendroclimatic analysis of Betula ermanii forests at their upper limit of distribution in Changbai Mountain， Northeast China[J].Forest Ecology and Management，2007，240（1-3）：105-113.

[6]崔海亭，劉鴻雁，戴君虎.山地生態(tài)學(xué)與高山林線研究[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[7]王曉東，劉惠清.長(zhǎng)白山北坡林線岳樺種群與土壤關(guān)系[J].地理研究，2011，30（3）：531-539.