伏牛山南北坡針闊混交林土壤養(yǎng)分對比分析

陳 詩，海 鑫，葉永忠，袁志良，姚 松，王 婷

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學，河南 鄭州 450002；2. 河南寶天曼國家級自然保護區(qū)管理局，河南 內(nèi)鄉(xiāng) 474350）

森林具有保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、防風固沙等多種生態(tài)功能，對維護自然生態(tài)環(huán)境具有不可替代的作用。土壤則是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林植物主要生活基質(zhì)的供體，也直接影響到森林的生長[1]。土壤養(yǎng)分狀況及其供應特性可作為森林土壤生產(chǎn)潛力的特征評價指標[2]，也是土壤質(zhì)量研究的核心內(nèi)容。森林土壤養(yǎng)分狀況與林分結構、樹種組成、立地條件、土層分布等因子關系密切[3-4]。國內(nèi)不少學者也從不同林分類型[5]、不同林分密度[6]、人工林與次生林[7]、林隙土壤[8]、季節(jié)動態(tài)[9]等角度對土壤養(yǎng)分進行了一些對比研究。清楚地認識和把握土壤特性及其變化規(guī)律，有利于林區(qū)土壤資源的可持續(xù)利用和區(qū)域森林的可持續(xù)發(fā)展[10]。

伏牛山地處我國南北地理氣候分界線上，即位于我國暖溫帶和北亞熱帶過渡區(qū)，又處于地形地貌第二級階梯和第三級階梯過渡帶[11]，其獨特的地理位置、復雜的地形地貌和適宜的氣候條件使得動植物資源非常豐富。有研究表明，全球氣候變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響比對其它生態(tài)系統(tǒng)更為明顯[12]，處于氣候與地形地貌過渡帶的伏牛山對全球氣候變暖更加敏感，因此加強對伏牛山森林生態(tài)系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。針闊混交林是伏牛山主要的森林群落之一，不僅具有經(jīng)濟意義、防護效能及美學價值，而且在維護生態(tài)系統(tǒng)平衡方面亦具有重要作用。目前關于秦嶺針闊混交林土壤養(yǎng)分的研究有很多，但研究地點多位于秦嶺南坡，且屬于秦嶺山脈中段[13-15]，較少涉及秦嶺北坡以及位于秦嶺東段的伏牛山區(qū)，不利于了解針闊混交林在整個秦嶺的生長狀況。伏牛山是秦嶺東段的代表性區(qū)域，本研究在伏牛山的南坡和北坡建立樣地，通過比較分析伏牛山南坡和北坡針闊混交林土壤養(yǎng)分的分布特征及含量差異，可以了解伏牛山針闊混交林的土壤養(yǎng)分狀況，為該區(qū)森林的經(jīng)營與管理、防止生態(tài)系統(tǒng)退化等提供理論依據(jù)，同時也為森林類保護區(qū)土壤的深入研究提供理論基礎。

1 研究區(qū)概況

伏牛山位于河南省西部，為秦嶺的東延余脈，也稱東秦嶺。地理坐標為 110°30′～113°05′E，32°45′～34°00′N，呈西北—東南走向。試驗地位于暖溫帶向亞熱帶的過渡區(qū)域，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候，四季分明，雨熱同期，冬春干旱，夏秋多雨[16]。植被屬暖溫帶落葉闊葉林向亞熱帶常綠闊葉林的過渡型[17]。伏牛山南坡的寶天曼國家級自然保護區(qū)是我國中部地區(qū)保存最完整的自然綜合基因庫，年平均氣溫為14.1～15.1 ℃，年降水量為885.6 mm。北坡的白云山風景區(qū)植物種類豐富，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，年平均氣溫為12.1～12.7 ℃，年降水量為546 mm。南坡和北坡林分的主要優(yōu)勢樹種有油松Pinus tabuliformis、華山松Pinus armandii、銳齒槲櫟Quercus alienavar.acutiserrata、三椏烏藥Lindera obtusiloba、華東椴Tilia japonica等。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

于2016年7—8月在伏牛山南坡的寶天曼國家級自然保護區(qū)和北坡的白云山風景區(qū)內(nèi)，選取立地條件基本一致的針闊混交林作為調(diào)查樣區(qū)，分別設置100 m×100 m的樣地。再將樣地劃分為25個20 m×20 m的小樣方，調(diào)查樣方內(nèi)的物種信息并采取土壤樣品，樣地具體情況見表1。

表1 伏牛山南北坡樣地的基本概況Table1 Basic profile of southern and northern slope of Funiu mountain

2.2 土壤樣品采集與處理

以每個小樣方（20 m×20 m）的頂點為圓心，在其周圍5 m半徑范圍內(nèi)隨機選取一個樣點采取土樣，每個采樣點分上、中、下3層，每層10 cm的間隔鉆取土樣，裝入自封袋，并標明土層深度。

將土壤樣品帶回實驗室，去除土樣中摻雜的石塊、動植物殘體等，將其自然風干。待土壤風干后，將其搗碎并過1、0.25 mm篩以待后續(xù)測定養(yǎng)分。以鮑士旦[18]的《土壤農(nóng)化分析》為參考依據(jù)：有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮采用半微量開氏法測定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度法測定；pH值采用酸度計測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用軟件Excel、SPSS17.0，運用Sigmaplot12.0進行作圖。

3 結果與分析

3.1 伏牛山南坡和北坡主要物種及其重要值

在對伏牛山南坡和北坡樣地內(nèi)的物種進行全面調(diào)查的基礎上，通過計算得出物種的重要值，表2列出了南坡和北坡樣地內(nèi)重要值排在前10位的物種。

從表2中可以看出：南坡重要值排名前3的物種為銳齒槲櫟、油松、華山松，重要值分別為30.99%、15.54%、11.15%，油松和華山松重要值合計為26.69%；北坡重要值排名前3的物種為銳齒槲櫟、華山松、三椏烏藥，重要值分別為33.01%、12.87%、6.73%，北坡油松的重要值排第9位，與華山松重要值合計只有15.7%，遠遠小于南坡，說明伏牛山北坡樣地的闊葉樹比例高于南坡，但針葉樹比例小于南坡。

表2 伏牛山南坡、北坡樣地重要值排在前十的物種Table2 The top ten species of southern and northern slope of Funiu mountain

3.2 伏牛山南坡和北坡土壤養(yǎng)分比較

伏牛山南坡和北坡的土壤養(yǎng)分情況見表3。從表3中可以看出，伏牛山南坡、北坡的土壤養(yǎng)分含量存在一定的差異：南坡土壤的有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀平均含量均低于北坡，分別為55.48 g/kg、2.44 g/kg、18.01 mg/kg、83.71 mg/kg；北坡土壤的有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀平均含量分別比南坡高1.91 g/kg、0.41 g/kg、16.97 mg/kg、7.62 mg/kg，說明伏牛山北坡土壤肥力水平高于南坡。

根據(jù)全國第二次土壤養(yǎng)分等級評價標準[19]，并結合表3可以得出南坡和北坡各土壤養(yǎng)分所處的等級水平及變異情況（見表4）。通過對比可以看出：南坡土壤pH值為6.06，呈弱酸性，北坡土壤pH值為5.05，小于南坡，呈酸性；南坡和北坡的有機質(zhì)、全氮均很豐富，速效磷均處于中等水平，但南坡速效鉀較缺乏，北坡速效鉀處于中等水平。另外南坡和北坡的土壤pH值呈弱變異，其余各養(yǎng)分都呈中等變異。

表3 伏牛山南坡、北坡0～30 cm土層土壤養(yǎng)分含量?Table3 The content of soil nutrients between 0-30 cm soil layer on the southern and northern slope of Funiu mountain

表4 伏牛山南坡、北坡各養(yǎng)分含量所處等級及變異情況Table4 The level and variation of the nutrients content on the southern and northern slope of Funiu mountain

3.3 伏牛山南坡和北坡土壤養(yǎng)分垂直差異

3.3.1 土壤養(yǎng)分含量垂直分布情況

伏牛山南坡、北坡的土壤養(yǎng)分垂直分布情況如圖1所示。從圖1中可以看出，南坡和北坡的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量都呈現(xiàn)出從表層（0～10 cm）向下層（20～30 cm）逐漸減小的趨勢，pH值隨土層的變化不明顯，但略有上升；北坡0～10、10～20、20～30 cm各土層所含的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量均高于南坡，各土層的pH值小于南坡。

圖1 各土壤養(yǎng)分的垂直分布情況Fig.1 Vertical distribution of soil nutrients

通過方差分析得出不同土層間土壤養(yǎng)分含量的差異性，發(fā)現(xiàn)不同土層間南坡土壤的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量存在顯著性差異（P＜0.05），各土層的pH值差異不顯著；北坡不同土層的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量也存在顯著性差異（P＜0.05），表層和中層的土壤pH值差異不顯著，但與下層pH值存在顯著差異（P＜0.05）。同一土層南坡和北坡的有機質(zhì)、速效鉀含量差異不顯著；速效磷含量和pH值差異顯著（P＜0.05）；全氮含量在表層和中層差異顯著（P＜0.05），在下層差異不顯著。

3.3.2 土壤養(yǎng)分的變異情況

在生物和淋溶作用下，再加上土壤本身性質(zhì)因素的影響，土壤養(yǎng)分的分布具有一定的空間變異性。南坡和北坡各土壤養(yǎng)分在土層間的變異情況如圖2所示。從變異系數(shù)來看，0～10、10～20、20～30 cm土層，南坡和北坡的土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量均屬于中等變異，變異系數(shù)在13%～69%之間。不同土層的土壤pH值變異系數(shù)在4%～8%之間，屬弱變異性，說明土壤pH值數(shù)據(jù)的離散程度較低。同一土層南坡有機質(zhì)、全氮的變異系數(shù)大于北坡，速效鉀、速效磷的變異系數(shù)小于北坡。表層土壤pH值的變異系數(shù)南坡小于北坡，中層和下層的土壤pH值變異系數(shù)南坡大于北坡。從各土壤養(yǎng)分在3個土層間的變異系數(shù)還可以看出，0～20 cm土層各養(yǎng)分指標的變異系數(shù)相對較小，隨著土層的加深，土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的空間變異程度增大。

圖2 各土壤養(yǎng)分的垂直變異情況Fig.2 Vertical variation of soil nutrients

3.4 土層深度與土壤養(yǎng)分含量之間的相關關系

為了更好地說明和比較南坡和北坡土壤養(yǎng)分的垂直分布特征，將南坡和北坡各土壤養(yǎng)分含量進行回歸擬合。以土層深度為自變量，以土壤養(yǎng)分含量為因變量，建立土層與養(yǎng)分含量之間的回歸模型（見表5）。從表5中可以看出，伏牛山南坡對各土壤養(yǎng)分含量的擬合決定系數(shù)R2在0.472～0.667之間，北坡對各土壤養(yǎng)分含量的擬合決定系數(shù)R2在0.475～0.692之間，擬合程度都比較好，說明伏牛山南坡和北坡的土壤養(yǎng)分含量與土層深度之間有著較顯著的回歸關系。南坡對速效鉀的回歸擬合決定系數(shù)R2大于北坡，北坡對有機質(zhì)、速效磷、全氮的回歸擬合決定系數(shù)R2大于南坡，說明南坡的土壤速效鉀測定值與回歸方程擬合度更好，北坡的有機質(zhì)、速效磷、全氮測定值與回歸方程擬合度更好。另外南坡和北坡對土壤pH值的回歸擬合決定系數(shù)R2分別為0.002、0.120，說明伏牛山南坡和北坡土壤pH值與土層深度之間的回歸關系不顯著。

表5 伏牛山南坡、北坡土壤養(yǎng)分含量隨土層深度變化的擬合方程?Table5 Fitting equation of soil nutrients content with soil depth change on the southern and northern slope of Funiu mountain

3.5 伏牛山南坡和北坡土壤養(yǎng)分間的相關性比較

通過person相關分析，分別得出伏牛山南坡、北坡各養(yǎng)分之間的相關性（如表6所示）。南坡土壤的全氮與速效磷、有機質(zhì)與速效磷、有機質(zhì)與全氮之間呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.453、0.461、0.982；除pH值與速效磷呈不顯著負相關外，其余各養(yǎng)分之間相關性不明顯。北坡土壤的全氮與速效鉀、有機質(zhì)與速效鉀、有機質(zhì)與全氮呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.437、0.448、0.993；北坡土壤pH值與速效鉀、全氮、有機質(zhì)之間呈不顯著負相關，其余各養(yǎng)分之間相關性不明顯。

表6 南北坡各土壤養(yǎng)分之間的相關性?Table6 Correlations among soil nutrients on the southern and northern slope

4 結論與討論

（1）土壤養(yǎng)分如有機質(zhì)、氮、磷和鉀的含量是反映土壤肥力的主要指標[20]。通過對伏牛山南坡和北坡的土壤養(yǎng)分進行對比分析，發(fā)現(xiàn)南坡和北坡的土壤養(yǎng)分存在一定的差異，除pH值南坡大于北坡外，其余各養(yǎng)分含量南坡均小于北坡，表明北坡土壤肥力整體高于南坡，這可能是由于：雖然兩塊樣地同為針闊葉混交林，但具體的針闊混交比是不一樣的，南坡的針葉樹所占比例高于北坡，闊葉樹比例低于北坡，即伏牛山北坡針闊葉混交林中闊葉樹比例較高，闊葉樹的凋落物量多導致枯枝落葉層較厚，因而有機質(zhì)含量比較豐富。另一方面，伏牛山北坡枯落物歸還量多，土壤有機物的分解及腐殖質(zhì)再合成的轉化速率較快，由腐殖質(zhì)膠結形成的團聚體與水穩(wěn)性團聚體含量及質(zhì)量就越高，土壤結構性和抗蝕性就越好[21]，所以北坡的土壤養(yǎng)分淋失較少，而伏牛山南坡一方面枯落物歸還量不及北坡，另一方面南坡的年降雨量又高于北坡，這就加強了對地表土壤的沖刷，土壤養(yǎng)分容易流失。李華超[22]對伏牛山南北坡土壤性質(zhì)對比得出的結論與本文有所不同，他認為南坡樣地的酸性、有機質(zhì)、有效氮、有效磷等平均數(shù)值比北坡大，而北坡樣地的有效鉀、全氮和全鉀含量稍高。這可能是因為樣地設置的海拔高度不同造成的，本文中的樣地海拔在1 500 m，而李華超的樣地設置在1 650～1 870 m。吳昊[13]在對秦嶺山地松櫟混交林土壤養(yǎng)分空間變異及其與地形因子的關系研究中也發(fā)現(xiàn)，在制約不同層次土壤養(yǎng)分的地形因素中海拔一直存在，表明其對土壤空間變異的影響作用最大。

（2）森林土壤養(yǎng)分與地表植被及枯落物密切相關，表層土壤因地表植被及枯落物的覆蓋，其養(yǎng)分含量較高，隨降雨的淋溶及土壤水分的垂直運動，攜帶土壤養(yǎng)分向土壤深層遷移，致使土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出垂直變化[23]。從各土壤養(yǎng)分的垂直分布情況來看，同一土層中北坡的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量都高于南坡，但土壤pH值小于南坡；南坡和北坡的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量都呈現(xiàn)出從表層向下層逐漸減小的趨勢，具有表聚性，這與前人的研究結果一致[24-26]。一般情況下，土壤表層積累了大量的枯枝落葉等植物殘體，且植物根系的密度一般隨著土層的變深而減小[27]，受地表植被凋落物的礦化分解、轉化積累和土壤呼吸等過程的綜合影響[28]，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出富集于表層的狀態(tài)。另外南坡和北坡的土壤pH值隨土層的變化雖然不明顯，但略有上升，底層pH值較大，略呈酸性，可能是因為表層土壤的植物根系、腐殖質(zhì)含量等較下層土壤要高，對土壤酸堿度具有一定的調(diào)節(jié)作用[29]，這與曹永昌[30]對秦嶺山地典型林分下的土壤pH值研究結果一致。

在不同土層中，由于地上植被及枯落物存在較大差異，再加上溫度、降水等其他環(huán)境因子的影響，使得伏牛山南坡、北坡各層土壤養(yǎng)分均表現(xiàn)為中等變異。土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的空間分異程度都隨著土層的加深而增大，0～20 cm 土層土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)相對較小，主要是因為采樣點均在有植被覆蓋的林地，且位于自然保護區(qū)內(nèi)，人為干擾較少，土壤養(yǎng)分循環(huán)良好，植被對表層、亞表層土壤養(yǎng)分的消耗和利用，因枯落物的分解釋放而得到及時補充[23]，因而變異系數(shù)相對較小。

（3）基于回歸擬合方法，建立土壤養(yǎng)分含量與土層深度之間的數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)南坡和北坡的土壤養(yǎng)分含量與土層深度之間都有著較為顯著的回歸關系，表明土層深度對土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷養(yǎng)分元素解釋度較高；南坡和北坡的土壤pH值與土層深度之間的回歸關系不顯著，說明土層深度對土壤pH值的解釋度較低，即各土層土壤pH值差異不顯著，這與秦娟[31]等對安徽省樅陽縣3種馬尾松不同林型土壤pH值的分析結果一致。

（4）相關分析表明，不同土壤養(yǎng)分及pH值之間存在一定的相關性。伏牛山南坡和北坡都為針闊混交林，地表的枯枝落葉較多，在腐殖化作用下，表層土壤的有機質(zhì)含量較豐富，再加上有機質(zhì)的礦化以及生物固氮作用的加強，土壤表層的全氮含量也會相應提高，因此南、北坡的有機質(zhì)與全氮都呈極顯著正相關，這與魏強等[32]的分析結果一致。伏牛山南坡和北坡其余各土壤養(yǎng)分之間的相關性有所差異，南坡土壤的速效磷與有機質(zhì)、全氮呈顯著正相關，與pH值呈負相關。北坡土壤的速效鉀與有機質(zhì)、全氮呈顯著正相關，與pH值呈負相關。通過分析伏牛山南坡和北坡各土壤養(yǎng)分之間的相關性可以看出，有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀之間存在不同程度的正相關關系，而與土壤pH值之間多呈負相關關系。此結論也從另一個方面解釋了南坡的整體土壤養(yǎng)分水平低于北坡的原因，即南坡的土壤pH值較高，pH值與各養(yǎng)分之間呈負相關關系，因此各土壤養(yǎng)分含量減少。森林土壤養(yǎng)分的差異特征不僅與植被組成、土層深度、海拔高度等有關，還與坡度、坡向及植被生長狀況等其它環(huán)境因素有關。本研究主要考慮了森林植被、土層深度等因素，其它環(huán)境因素考慮較少，這可能對研究結果產(chǎn)生一定影響，在今后的研究中應盡量全面考慮這些因子對土壤肥力特性的影響。