木蘭圍場典型林分土壤健康評價(jià)研究

曹紅雨，高廣磊，丁國棟，趙媛媛，王岳，李旭

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院/水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

木蘭圍場典型林分土壤健康評價(jià)研究

曹紅雨，高廣磊*，丁國棟，趙媛媛，王岳，李旭

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院/水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

[目的]研究華北土石山區(qū)典型林分下土壤健康狀況，對人工林培育提出合理建議。[方法]以河北木蘭圍場天然次生林、落葉松林、油松林、落油混交林、落樺混交林5種典型林分為研究對象，選取土壤容重、質(zhì)量含水量、pH、<1 mm物理性粘粒、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷8項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析法開展土壤健康評價(jià)。[結(jié)果]結(jié)果表明：各林分土壤健康水平由高到低依次為天然次生林、落白混交林、落葉松林、油松林、落油混交林。[結(jié)論]人工針葉林采伐后應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)植鄉(xiāng)土闊葉樹種，促進(jìn)人工林向復(fù)層、異齡、混交林結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，以提升土壤健康水平。

天然次生林；人工林；土壤健康；主成分分析

Abstract:[Objective]In order to study the soil health status in the typical forest of rocky mountain area of North China, this paper put forward some reasonable suggestions for the cultivation of plantation.[Methods]The 5 typical standing forests, natural forests, pure plantation of larch, pure plantation of Chinese pine, mixed plantation of Chinese pine and larch, and mixed plantation of larch and birch in Mulan paddock, Hebei province were studied in this paper. Assessing the soil health depended on soil bulk density, soil water content, pH, <0.01 physical clay, soil organic matter, total N, rapidly available K and available P with principal component analysis.[Results]The results were as the following: The soil health level of different forest stands was in the decreasing order of the natural forests, mixed plantation of larch and birch, pure plantation of larch, pure plantation of Chinese pine, and mixed plantation of Chinese pine and larch.[Conclusion]The local broadleaf plantations should be planted after the artificial coniferous forest harvesting to ensure they will be compound storied forests and uneven aged forests,so as to improve soil health level.

Keywords:Natural forests, Plantations, Soil health, Principal component analysis

土壤是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)功能和持續(xù)性的重要資源[1]，在森林生態(tài)系統(tǒng)中具有組成成分和環(huán)境因子的雙重身份，能夠調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部水源分配，改善森林發(fā)展和演替過程中的環(huán)境條件。因此，土壤健康評價(jià)對森林生態(tài)系統(tǒng)健康有一定的指示作用，對我國森林經(jīng)營管理和發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

Zornoza[2]和Masto[3]對土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)建模評價(jià)土壤質(zhì)量，Arians則在微生物學(xué)及化學(xué)領(lǐng)域展開了土壤健康研究[4]。周啟星[5]指出，土壤健康不僅能使土壤具有多種能力，同時(shí)能夠保證土壤生產(chǎn)出具有多種健康效益的產(chǎn)品。目前，常見的土壤健康評價(jià)指標(biāo)有描述性和分析性兩類指標(biāo)，一般采用土壤理化特征指標(biāo)進(jìn)行土壤健康評價(jià)。Hansen等研究表明，土壤pH及多種化學(xué)因子均與土壤健康狀況密切相關(guān)[6]。林文樹等[7]發(fā)現(xiàn)，毛管孔隙度、速效鉀和全磷含量在林木不同演替階段主要影響土壤質(zhì)量。20世紀(jì)以來，更多學(xué)者將土壤酶、土壤微生物等生物學(xué)指標(biāo)加入到土壤評價(jià)中來。周麗霞等[8]指出土壤中微生物的組成及其所占比率在一定程度上反映土壤的肥力水平。李陸平等[9]研究表明，微生物數(shù)量增加對土壤肥力狀況有明顯的改善。

木蘭圍場位于河北省圍場縣，是潘家口水庫水源涵養(yǎng)地及灤河主要發(fā)源地，也是京津地區(qū)的重要生態(tài)屏障。本文以木蘭圍場5種典型天然林和人工林為研究對象，比較分析土壤容重、質(zhì)量含水量、pH、<1 mm物理性粘粒、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷等土壤理化特征，開展土壤健康評價(jià)研究，以期為華北土石山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省木蘭圍場，地理坐標(biāo)為41°47′～42°06′ N，116°51′～117°45′ E。海拔高度約800～1 600 m，自然坡度約1/150～1/350。屬大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，年平均氣溫-1.4～4.7 ℃，年平均降水量80～560 mm，年均蒸發(fā)量1 462.9～1 556.8 mm，平均相對濕度63%。灤河的支流伊遜河、伊瑪圖河、小灤河等分布于該林場所在地區(qū)內(nèi)，為區(qū)域的重要水源補(bǔ)給。土壤類型以林下發(fā)育的棕壤、褐土為主。主要森林類型為以油松(Pinustabulaeformis)、落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)為主的針葉林和以白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populus.davidiana)等為主的落葉闊葉林；灌木樹種主要包括胡枝子(Lespedezabicolor)、鼠李(Rhamnusdavurica)等；草本植物主要有鵝觀草(Roegneriakamoji)、細(xì)葉苔草(Carexrigescens)等。

2 材料與方法

2.1 土樣采集和處理

研究共選取5塊不同林型、不同密度的典型樣地，各林分基本情況見表1。在樣地坡面由上、中和下部挖取土壤剖面，剖面規(guī)格為寬度0.8～1.0 m，深度為60 cm，然后在剖面上由下向上按距離表土0～20、20～40和40～60 cm 3個(gè)層次分層進(jìn)行采樣。土壤容重測定樣本采用環(huán)刀法采集，土壤養(yǎng)分分析樣本采集至塑封袋內(nèi)。采回土樣置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)陰干后，分別進(jìn)行研磨過篩，裝入紙袋中備用，其中有機(jī)質(zhì)和全量元素樣品過篩孔徑為0.25 mm, 速效分析和粒徑分析樣品為1 mm。

表1 樣地基本概況Table 1 Characteristics of experimental plots

2.2 土樣分析方法

粒徑組成采用激光粒度分析法(S3500激光粒度分析儀)，土壤容重采用環(huán)刀法，質(zhì)量含水量采用鋁盒烘干法。

有機(jī)質(zhì)含量采用稀釋熱法，全氮采用半微量凱氏定氮法分析測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度計(jì)法[10]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用spss 20.0對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，篩選出具有顯著性和相關(guān)性的土壤評價(jià)因子后，采用主成分分析法將各指標(biāo)進(jìn)行降維，得出綜合反映土壤健康狀況的函數(shù)表達(dá)式，將各指標(biāo)測評數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后帶入表達(dá)式計(jì)算各主成分得分，從而評價(jià)土壤健康狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)分析

3.1.1 土壤物理性質(zhì)

由表2可見，天然次生林土壤容重隨土層深度增加而增大，其他林分均為先增大后減小。不同林分間比較，落葉松人工林土壤容重大于油松人工林和落油混交林。除落樺混交林外，天然次生林與其他林分間無顯著性差異(P>0.05)；落樺混交林除與油松人工林無顯著性差異外，與其他林分均呈顯著性差異(P<0.05)；油松人工林與其他林分均無顯著性差異(P>0.05)(表3)。

表2不同林分下土壤物理性質(zhì)
Table2 The features of soil physical properties in different forest stands

樣地Samples土層深度/cmDepthofsoil土壤容重/g·cm-3Soilbulkdensity土壤質(zhì)量含水量/%Soilwatercontent<0.01mm物理性粘粒/%<0.01physicalclay0～201.23±0.0323.73±0.6730.26±5.37120～401.34±0.0518.95±0.2240.06±4.6340～601.42±0.0214.41±0.6445.43±1.870～201.30±0.0420.88±1.6539.80±4.33220～401.48±0.1517.47±2.8744.78±5.1040～601.42±0.2311.82±8.3243.08±8.850～201.15±0.0421.33±6.0059.29±10.97320～401.11±0.1219.66±6.8864.97±4.8040～601.40±0.2312.08±4.3372.26±2.640～201.24±0.0916.92±3.1250.91±7.18420～401.18±0.0713.91±3.1860.45±1.7740～601.27±0.1611.67±3.3356.74±9.370～200.99±0.0122.86±2.9137.56±19.00520～401.16±0.0816.68±7.7670.36±13.0640～601.13±0.0116.45±9.0166.61±22.27

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
Note: The data in the table is Ave±SD.

質(zhì)量含水量均隨土壤深度增大而減小。落油混交林質(zhì)量含水量較其他林分更低，其他林分相差較小。人工林與天然次生林呈顯著性差異(P<0.05)；落葉松人工林與落油混交林、落樺混交林無顯著性差異(P>0.05)，但與油松人工林呈顯著性差異(P<0.05)(表3)。

<0.01 mm物理性粘?？稍谝欢ǔ潭壬戏从惩寥赖膱F(tuán)粒結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)土壤的肥力狀況[11]。由表2可見，除天然次生林和油松人工林物理性粘粒含量隨土壤深度增大而增大外，其他各林分都呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，人工林比天然次生林含量更高。天然次生林僅與油松人工林呈顯著性差異(P<0.05)，油松人工林與落葉松人工林間呈顯著性差異(P<0.05)，落葉松人工林與落油混交林、落樺混交林呈顯著性差異(P<0.05)，落油混交林與落樺混交林間無顯著性差異(P>0.05)(表3)。

表3不同林分0～60 cm土壤物理性質(zhì)多重比較
Table3 Multiple comparison of soil physical in the depth 0-60 cm of different forest stands

樣地Samples土壤容重/g·cm-3Soilbulkdensity質(zhì)量含水量/%Soilwatercontent<0.01mm物理性粘粒/%<0.01physicalclay11.33±0.03ac19.03±0.51a38.58±3.96bcd21.40±0.14ac16.72±4.28b42.55±6.09d31.22±0.13ab17.69±5.73bc65.51±6.13a41.23±0.11ac14.16±3.21bc56.03±6.11abc51.09±0.04b18.66±6.56b58.18±18.11ab

注：表中同列不同字母表示不同組分間土壤各物理性質(zhì)指標(biāo)的均值差異顯著(P<0.05)。
Note: There are significant differences(P<0.05)in the mean values of soil physical properties between different components

3.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

5塊樣地土壤均呈微酸性，除落樺混交林外，其他林分的pH隨土壤深度增大而增大(表4)。天然次生林與人工林pH值呈顯著性差異(P<0.05)，人工林間無顯著性差異(P>0.05)(表5)。

有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷含量變化規(guī)律為隨土壤深度增加而減小(表4)。不同林分比較，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量均表現(xiàn)為天然次生林大于人工林，有效磷含量差異不大。天然次生林與人工林pH值呈顯著性差異(P<0.05)。對于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，落葉松人工林除與落樺混交林無顯著性差異(P>0.05)外，與其他各林分均呈顯著性差異(P<0.05)，油松人工林除與落油混交林無顯著性差異(P>0.05)外，與其他各林分呈顯著性差異(P<0.05)；而對于速效鉀和有效磷含量，人工林間無顯著性差異(P>0.05)(表5)。

3.2 土壤健康評價(jià)

3.2.1 相關(guān)性分析

由于土壤各因子間具有相關(guān)性，針對不同林分類型和不同土層進(jìn)行相關(guān)分析分析后，得到各評價(jià)因子間的相關(guān)系數(shù)如表6。

表4 不同林分下土壤化學(xué)性質(zhì)Table 4 The features of soil chemical properties in different forest stands

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
Note: The data in the table is Ave.±SD.

表5 不同林分0～60 cm土壤化學(xué)性質(zhì)多重比較Table 5 Multiple comparison of soil chemical in the depth 0-60 cm of different forest stands

注：表中同列不同字母表示不同組分間土壤各物理性質(zhì)指標(biāo)的均值差異顯著(P<0.05)。
Note: There are significant differences(P<0.05) in the mean values of soil physical properties between different components.

表6 土壤健康評價(jià)因子的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of soil health evaluation factors

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。
Note:*Indicating a significant correlation(P<0.05), Indicating a extremely significant correlation(P<0.01)

土壤容重與含水量呈正相關(guān)，這表明土壤孔性能夠?qū)ν寥蕾|(zhì)地、水分含量有綜合性反映。同時(shí)，土壤容重和含水量均與有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀分別呈正相關(guān)，與<0.01 mm物理性粘粒、pH和有效磷呈負(fù)相關(guān)。pH與有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷均呈負(fù)相關(guān)，特別是與有機(jī)質(zhì)、全氮相關(guān)性極顯著(P<0.01)，這是由于有機(jī)質(zhì)分解過程中產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)，并且全氮中部分硝態(tài)氮等能使得土壤呈微酸性。有機(jī)質(zhì)與全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，土壤中的有機(jī)質(zhì)具有膠體特性，能吸附較多陽離子，對于土壤中的含氮有機(jī)物具有較強(qiáng)吸附能力。土壤中的全氮、速效鉀和有效磷也具有相關(guān)性，單一養(yǎng)分含量減少，會(huì)影響其他養(yǎng)分的供應(yīng)[12]。<0.01 mm物理性粘粒與其他各指標(biāo)相關(guān)性不顯著(P>0.05)，予以剔除。

3.2.2 主成分分析

確定各土壤指標(biāo)累計(jì)貢獻(xiàn)率如表7。前4項(xiàng)指標(biāo)累積貢獻(xiàn)率大于85%，可認(rèn)為前4項(xiàng)主成分能夠代替原始數(shù)據(jù)信息，基本反映土壤健康評價(jià)系統(tǒng)的變異信息和綜合健康狀況。

表7 總方差解釋表Table 7 Total variance explained

表7為7個(gè)不同因子在各主成分中的反映情況。第一主成分主要綜合了土壤容重、質(zhì)量含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷和pH 7個(gè)因子的信息，其中有機(jī)質(zhì)和土壤質(zhì)量含水量的主成分載荷為0.939和0.903，表明第一主成分主要為有機(jī)質(zhì)和全氮的綜合反映。第二主成分綜合了土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀的信息，其中全氮主成分載荷最高，說明第三主成分為對全氮的描述。第三主成分綜合了土壤容重、速效鉀和pH的信息，土壤容重主成分載荷最高，該主成分主要描述土壤容重的情況。

表8 因子得分系數(shù)矩陣Table 8 Component score coefficient matrix

為了方便表示，用Fi表示第i個(gè)主成分，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別表示土壤容重、質(zhì)量含水量、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷，將表8中各因子載荷轉(zhuǎn)化為特征向量，得出能夠綜合反映土壤健康狀況的3個(gè)表達(dá)式。

F1=0.206X1+0.903X2+0.597X3+0.939X4+0.668X5+0.828X6+0.707X7

(1)

F2=0.545X1-0.392X2-0.697X3+0.320X4+0.610X5+0.540X6-0.704X7

(2)

F3=0.809X1-0.130X2+0.393X3-0.040X4-0.382X5+0.027X6-0.018X7

(3)

根據(jù)公式(1)～(3)，對主成分進(jìn)行載荷值旋轉(zhuǎn)計(jì)算，將各林分土壤健康評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后帶入公式中計(jì)算各主成分得分。再以表7中各主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)加權(quán)平均并求和，得到土壤健康狀況綜合得分如表9。土壤健康水平由高到低依次為：天然次生林、落樺混交林、落葉松人工林、油松人工林、落油混交林。

表9不同林分下土壤健康水平綜合得分
Table9 Synthetic scores of soil health levels in different forest stands

林分類型ForesttypeF1F2F3綜合得分Compositescore排名Ranking天然次生林76.65-43.800.2127.101落樺混交林82.20-53.500.0026.992落葉松人工林71.27-42.810.8224.633油松人工林73.85-47.750.4824.414落油混交林49.83-24.770.5818.855

4 討論與結(jié)論

(1)天然次生林與人工林相比，林下植被類型豐富，養(yǎng)分含量更高[13]，土壤持水能力增強(qiáng)、土壤肥力提升，理化性質(zhì)明顯改善，使得天然次生林結(jié)構(gòu)具有較高穩(wěn)定性。天然次生林正朝著復(fù)層、異齡、混交林結(jié)構(gòu)，具有比較發(fā)達(dá)的灌木層和草本層的方向發(fā)展[14]，這對人工林培育具有一定的指導(dǎo)意義。

人工林間比較得出，純林相比，落葉松人工林土壤健康水平比油松人工林高,這可能與土壤中的酶活性有關(guān)?；旖涣窒啾?，針闊混交林各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于針葉混交林，林分結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，土壤物理性狀及涵養(yǎng)水源的能力得到改善[15]?？赡苁轻樔~樹種林下枯落物多以針葉為主，分解速度更慢，養(yǎng)分返還量太少。闊葉樹種有利于改善針葉林的各項(xiàng)理化性質(zhì)，提高人工林土壤健康水平，故建議人工針葉純林采伐后可適當(dāng)補(bǔ)植白樺、白楊等鄉(xiāng)土闊葉樹種。

(2)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)綜合得分可以得出，木蘭圍場典型林分土壤健康水平由高到低排序?yàn)樘烊淮紊?、落樺混交林、落葉松人工林、油松人工林、落油混交林。建議在營造人工針葉林或改造現(xiàn)有人工針葉林的過程中特別注意樹種組成，改善林分結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分良性循環(huán)，促進(jìn)森林資源可持續(xù)利用和發(fā)展。

(3)由于技術(shù)水平限制，本研究僅采用土壤理化性質(zhì)作為土壤評價(jià)指標(biāo)，在以后的研究中仍需對各林分的物種多樣性及土壤微生物、土壤酶等方面進(jìn)行研究，從微生物等多角度確定影響華北土石山區(qū)土壤健康狀況的因素。同時(shí)，需要注重林分的長期觀測和比較研究，更為全面地掌握土壤健康變化規(guī)律，建立系統(tǒng)的土壤健康評價(jià)體系。

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(編輯：梁文俊)

SoilhealthassessmentintypicalforestofMulanPaddock

Cao Hongyu, Gao Guanglei*, Ding Guodong, Zhao Yuanyuan, Wang Yue, Li Xu

(KeyLaboratoryofSoilandWaterConservation,StateForestryAdministration,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

S718.5

A

1671-8151(2017)10-0713-06

2017-06-03

2017-07-14

曹紅雨(1995-)，女(漢)，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：水土保持與荒漠化防治

*通信作者：高廣磊，講師，Tel：13466571712；E-mail:gaoguanglei@bjfu.edu.cn

北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計(jì)劃(2014000020124G074)