北京平原地區(qū)造林樹種對土壤肥力質(zhì)量的影響

鄭永林，王海燕，解雅麟，李 翔，秦倩倩，楊丹丹

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京)

近年來，隨著城市的擴(kuò)張，各種生態(tài)問題接踵而至，城市生態(tài)安全受到嚴(yán)重的威脅。北京市政治、經(jīng)濟(jì)和文化的主要承載區(qū)在北京市平原地區(qū)，因而保障城市生態(tài)安全、建設(shè)生態(tài)文明城市顯得尤為重要。2012年初，北京市在平原地區(qū)開始百萬畝造林工程建設(shè)[1]，至今已有6年。永定河是北京的母親河，同時永定河地區(qū)也是北京歷史上“五大風(fēng)沙危害區(qū)”之一；因此，在永定河沿岸進(jìn)行平原造林，一方面是實(shí)現(xiàn)“兩環(huán)、三帶、九楔、多廊”布局的基本要求，另一方面對建設(shè)京津冀地區(qū)生態(tài)廊道、改善永定河流域生態(tài)環(huán)境和北京風(fēng)沙天氣具有不可替代的作用。

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，對生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)育起著重要作用。土壤肥力是土壤為供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長提供營養(yǎng)和環(huán)境條件的能力，受土壤的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、功能和外部環(huán)境等影響，是土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映[2]。土壤理化性質(zhì)體現(xiàn)土壤對植物供應(yīng)養(yǎng)分的潛在能力，主要包括土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、N、P和K的全量和有效量，直接影響著植物的生長發(fā)育；因此，研究平原地區(qū)造林后的土壤養(yǎng)分特征對于合理利用土壤，營造最佳生態(tài)效益的林分和改善生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。相關(guān)研究表明，造林樹種通過影響森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、凋落物產(chǎn)生和分解以及根系的周轉(zhuǎn)等進(jìn)程，對土壤顆粒分形特征、有機(jī)碳、N、P產(chǎn)生不同程度的影響[3-6]。魏晨輝等[7]通過研究松嫩平原鹽堿地幾種造林樹種的土壤理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)黃檗和水曲柳不適合作為造林樹種，而榆樹、楊樹、樟子松和落葉松生長狀況較好，可以作為鹽堿地造林的適宜樹種進(jìn)行推廣。尹娜等[8]研究黃土丘陵區(qū)人工林土壤養(yǎng)分，發(fā)現(xiàn)油松人工林的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于刺槐林。佘雕等[9]研究太白山6種林分土壤肥力狀況，發(fā)現(xiàn)槲櫟林和臭椿林土壤堿解N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，榆樹林土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他樹種。這些研究在不同區(qū)域探討北方常見造林樹種與土壤肥力之間的相關(guān)關(guān)系，但對其研究結(jié)果進(jìn)行對比分析時，我們無法排除立地條件等的影響，不能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步探究樹種對土壤肥力質(zhì)量的影響，筆者對相似立地條件下這5種樹種林下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行對比分析，以期尋找出北京平原地區(qū)人工造林的最適樹種。這將有助于人工林結(jié)構(gòu)調(diào)整和土壤肥力恢復(fù)，為管理和調(diào)控平原造林以及土壤生態(tài)恢復(fù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于北京市大興區(qū)永定河附近的平原造林地區(qū)(E 116°13′12″～116°13′38″，N 39°38′39″～39°4′44″)，屬暖溫帶亞濕潤氣候區(qū)。年平均日照時間為2 772 h，年均溫度為11.6 ℃；年平均無霜期為209 d；年均降水為556 mm，主要集中在7—9月。試驗(yàn)林場位于永定河洪積區(qū)，坡度小，地勢平坦，平均海拔30 m。土壤類型以砂質(zhì)潮土和壤質(zhì)潮土為主，具有通透性好但保肥蓄水能力差的特點(diǎn)。林場內(nèi)主要樹種為毛白楊(Populustomentosa)、榆樹(Ulmuspumila)、銀杏(Ginkgobiloba)、油松(Pinustabuliformis)和國槐(Sophorajaponica)等，林下草本主要有灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、裂葉牽牛(Pharbitisnil)、狗尾巴草(Setariaviridis)、馬齒莧(Portulacaoleracea)、蒺藜(Portulacaoleracea)和反枝莧(Amaranthusretroflexus)等，平均蓋度71%。

2 材料與方法

2.1 樣地調(diào)查

平原造林地區(qū)人工林造林時間是2015年，苗木移栽前，規(guī)格基本一致，撫育時間為2017年春季，撫育措施有澆水、施肥以及修枝。于2017年7月在該研究區(qū)選擇立地條件基本相似的典型人工林樣地16塊，其中設(shè)置國槐林與榆樹林樣地各4塊，銀杏和油松林樣地各3塊，毛白楊林樣地2塊(表1)。運(yùn)用GPS(Trimble Recon，USA)進(jìn)行空間定位，利用ArcGIS 10.0(ERSI, 2010)繪制樣地位置圖(圖1)。樣地調(diào)查采用每木檢尺的方法，調(diào)查因子有樹高、胸徑、枝下高、郁閉度和冠幅等。

林分類型Stand type樣地號Plot No樣地面積Plot area/m2存活率Survival rate/%株數(shù)密度Tree density/(Trees·hm-2)平均胸徑Average diameter at breast height/cm平均樹高Average tree height/mDX-1600976338.574.27國槐林Sophora japonicaDX-24001008007.954.64DX-34001006507.534.71DX-44001004757.024.19毛白楊林Populus tomen-tosaDX-54001004008.188.79DX-64001006008.978.63DX-7400824507.275.98銀杏林Ginkgo bilobaDX-8400724506.345.59DX-9400684256.355.02DX-104001006255.673.58油松林Pinus tabuliformisDX-114001007254.793.40DX-124001006256.223.80DX-134001005509.395.26榆樹林Ulmus pumilaDX-144001005259.124.80DX-154001005509.746.09DX-164001005509.155.33

2.2 土壤樣品的采集與處理

采用“S”型在每個樣地內(nèi)隨機(jī)選擇5個采樣點(diǎn)，用土鉆分別取0～20和20～40 cm土層的土壤。將各采樣點(diǎn)土壤分土層放在塑料膜上均勻混合，采用四分法取1.0 kg混合土樣。土樣經(jīng)過風(fēng)干、去雜后，研磨通過1和0.25 mm的土壤篩，測定土壤理化性質(zhì)。

2.3 土壤理化性質(zhì)測定方法[10]

土壤pH值：酸度計法(V(水)∶m(土)=2.5∶1)；土壤有機(jī)質(zhì)：外加熱K2Cr2O7氧化-容量法；土壤全氮：H2SO4-HClO4消煮-凱氏定氮儀法；土壤全磷：H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀：NaOH熔融-火焰光度計法；土壤有效磷：NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤質(zhì)地：比重計法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

基于土壤顆粒分形模型[11]，計算土壤顆粒分形維數(shù)。

主成分分析中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(1)

采用Excel 2013和SPSS 24軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)、獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)、相關(guān)性分析(Pearson法)和主成分分析(PCA)。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹種對土壤粒徑分布及其分形維數(shù)的影響

不同樹種0～20 cm深度土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成均表現(xiàn)為細(xì)砂粒居多(表2)。0.05～0.25 mm的細(xì)砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于42.01%～80.81%，平均值為57.29%，變異系數(shù)為21.12%，屬于中等變異；其次是0.01～0.05 mm的粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，介于42.23%～10.31%，平均值為28.57%，變異系數(shù)為34.31%，屬于中等變異。而粗砂粒、細(xì)粉粒、黏粒和細(xì)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，分別介于0.52%～4.57%、0.21%～4.53%、0.41%～5.98%和2.89%～9.69%。從表2可以看出，土壤中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越少，土壤顆粒分形維數(shù)越大。分形維數(shù)越大表示林木對該地區(qū)沙化土的改良能力越強(qiáng)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而通透性降低，可以使土壤質(zhì)地向壤性發(fā)展，增強(qiáng)其蓄水保肥能力。土壤顆粒分形維數(shù)在一定程度上也可以表征土壤質(zhì)地的均一程度。

該地區(qū)土壤質(zhì)地均為砂壤土，土壤顆粒分形維數(shù)介于2.439～2.609，相關(guān)系數(shù)(R)在0.948～0.976。0～20 cm土壤顆粒分形維數(shù)表現(xiàn)為油松>國槐>毛白楊>銀杏>榆樹，但不同樹種間差異不顯著(P>0.05)。變異系數(shù)在0.08%～2.03%之間，屬于弱變異。其中，榆樹林平均土壤顆粒分形維數(shù)最小為2.500，油松和國槐林平均土壤顆粒分形維數(shù)最大為2.584和2.566。說明種植國槐和油松相比于種植榆樹可以增加土壤的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時降低砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在沙土改良中可以發(fā)揮一定的作用。分形維數(shù)與細(xì)黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒和細(xì)砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，其中和細(xì)黏粒相關(guān)系數(shù)最高為0.950(表3)。

表2 不同樹種0～20 cm土壤粒徑分布及其分形維數(shù)Tab.2 Soil particle size distribution and fractal dimension at depth of 0-20 cm under different tree species

表3 不同粒徑土壤質(zhì)量與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation coefficients between soil weight of different particle size and fractal dimension (n=16)

注：**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。Notes:**indicates a significant correlation atP<0.01.

3.2 不同樹種對土壤養(yǎng)分狀況的影響

不同造林樹種下0～20和20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和pH值如表4所示。

表4 不同樹種下土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值Tab.4 Soil nutrient mass fraction and pH value under different tree species

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示不同樹種相同深度之間養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)。Notes: Data are presented as mean ± SD. Data followed by different lowercase letters in the same column indicate significant differences atP<0.05 among different species at the same depth.

3.2.1 不同樹種土壤pH分布特征 林地土壤pH值在8.76～9.05之間，屬于中強(qiáng)堿性土壤。土壤pH值隨著土壤深度的增加沒有顯著變化。在0～20 cm，不同樹種pH值之間差異不顯著；在20～40 cm，不同樹種pH值之間差異顯著(P<0.05)，pH值由大到小依次為榆樹>毛白楊>國槐>油松>銀杏。

3.2.2 不同樹種土壤有機(jī)質(zhì)分布特征 0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著高于20～40 cm(n=16，P<0.01)。在0～20 cm，不同樹種之間土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)，其中國槐和銀杏顯著高于毛白楊和榆樹。在20～40 cm，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低依次是國槐、油松、榆樹、銀杏和毛白楊，但不同樹種間土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。

3.2.3 不同樹種土壤全氮分布特征 0～20 cm土壤全氮極顯著高于20～40 cm(n=16，P<0.01)。在0～20 cm，不同樹種之間土壤全氮存在顯著差異(P<0.05)，榆樹林下土壤全氮顯著低于其他4種樹種。在20～40 cm，不同樹種間全氮也存在顯著差異(P<0.05)，從大到小依次是國槐、銀杏、毛白楊、油松和榆樹。

3.2.4 不同樹種土壤磷分布特征 土壤深度對土壤全磷影響極顯著(n=16，P<0.01)，其中0～20 cm深度的土壤全磷極顯著高于20～40 cm。在0～20 cm，不同樹種之間土壤全磷差異顯著，其中銀杏林土壤全磷低于其他樹種。在20～40 cm，銀杏林下土壤全磷最低(0.60 g/kg)，榆樹林下土壤全磷最高(0.69 g/kg)，但不同樹種間土壤全磷無顯著差異(P>0.05)。土壤深度對土壤有效磷的影響不顯著(P>0.05)。在0～20 cm，不同樹種間土壤有效磷差異顯著(P<0.05)，其中銀杏林下土壤有效磷顯著低于其他4類樹種；而在20～40 cm，不同樹種間有效磷無顯著差異(P>0.05)。

3.2.5 不同樹種土壤全鉀分布特征 土壤深度對土壤全鉀的影響不顯著(P>0.05)。在0～20 cm，不同樹種之間土壤全鉀濃度無顯著差異(P>0.05)；而在20～40 cm，不同樹種土壤全鉀存在顯著差異(P<0.05)，榆樹林下土壤全鉀顯著高于毛白楊、銀杏和油松林下。

3.3 土壤肥力因子相關(guān)性

對土壤肥力因子進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)，結(jié)果表明：在0～20 cm，土壤顆粒分形維數(shù)和土壤全氮之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤全磷與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān)。在20～40 cm，土壤pH值與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀和有效磷呈顯著正相關(guān)；土壤全磷與有效磷之間呈極顯著正相關(guān)。土壤中養(yǎng)分元素之間存在密切的相關(guān)性。任一養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，其他養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會隨之變化。不同人工林樹種下土壤養(yǎng)分因子之間呈顯著相關(guān)性，可以用來反映土壤肥力水平。

表5 0～20和20～40 cm土壤肥力評價因子的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients between soil fertility assessment factors at depth of 0-20 cm and 20-40 cm (n=16)

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)；** 表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。Notes: * and ** indicatesignificant correlations at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3.4 主成分分析

以0～20 cm土層內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和pH值這7個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤肥力評價。從表5可知，7種土壤肥力評價因子互相間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，故采用主成分分析法對5種樹種林下土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。提取主成分時采用主成分累積貢獻(xiàn)率高于80%、特征值高于1的原則(表6)。第1、2和3主成分的方差貢獻(xiàn)率分別是40.71%、26.88%和16.20%，其累積貢獻(xiàn)率為83.55%，基本可以反映樹種間土壤肥力質(zhì)量的變異信息；因而選取第1、2、3主成分就可以大致體現(xiàn)全部因子的信息，較好地反映土壤肥力質(zhì)量的綜合狀況。

由表7可知：第1主成分主要包括土壤顆粒分形維數(shù)、全氮和全鉀，其中全氮和全鉀系數(shù)的絕對值很接近，表明二者對土壤肥力質(zhì)量的影響都很大；第2主成分主要包括全磷和有效磷，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，土壤肥力質(zhì)量越好；第3主成分主要包括有機(jī)質(zhì)和pH值。

根據(jù)各指標(biāo)的得分系數(shù)(表7)，可以得到的3個主成分P1、P2、P3的線性組合：

P1=0.42X1+0.38X2+0.56X3-0.19X4- 0.52X5-0.02X6-0.23X7，P2=0.38X1+0.08X2+0.06X3+0.64X4+ 0.04X5+0.06X6+0.29X7，P3=0.22X1+0.57X2-0.17X3-0.08X4+ 0.19X5-0.42X6+0.61X7。

表6 總方差解釋Tab.6 Total variance interpretation

表7 成分得分系數(shù)矩陣Tab.7 Component coefficient matrix

用Pi表示第i個肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)；X1～X7分別表示顆粒分形維數(shù)、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和pH值7個指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。計算得出第1、2、3主成分的得分P1、P2和P3，然后以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和。公式如下：

綜合得分=(0.404 7P1+0.268 8P2+0.162P3)/0.835 5。

計算得出各樹種的土壤肥力質(zhì)量綜合得分為油松(0.56)>國槐(0.52)>銀杏(0.26)>毛白楊(-0.14)>榆樹(-1.06)。由此可見，在北京平原地區(qū)造林，油松和國槐對土壤肥力質(zhì)量的改良要優(yōu)于銀杏、毛白楊和榆樹。

4 討論與結(jié)論

4.1 平原造林地區(qū)不同樹種對土壤粒徑分布及其分形維數(shù)的影響

研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤顆粒分形維數(shù)介于2.439～2.609。分形維數(shù)與細(xì)黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒和細(xì)砂粒的質(zhì)量分布均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這與趙清賀等[12]在黃河中下游的研究結(jié)果一致。有研究表明：分形維數(shù)不僅可以表征土壤粒徑的大小，還可以體現(xiàn)質(zhì)地組成的均一程度；土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和單一粒級的集中程度對分形維數(shù)會產(chǎn)生重要影響[11]。植物根系在生長過程中分泌的黏液會使土壤粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加但砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤質(zhì)地細(xì)粒化，影響土壤養(yǎng)分狀況和其他理化性質(zhì)。研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)總體偏小，表明土壤質(zhì)地較粗，不易形成良好的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)良好的土壤顆粒分形維數(shù)應(yīng)在2.750左右[13-14]。油松和國槐土壤顆粒分形維數(shù)為2.584和2.566，高于其他3種樹種，說明種植油松和國槐相比于種植其他樹種對土壤的改良效果可能會更好。

4.2 平原造林地區(qū)不同樹種對土壤養(yǎng)分狀況的影響

北京平原地區(qū)植被主要功能是防風(fēng)固沙、水土涵養(yǎng)以及瘠薄立地改良；因此，保持森林生態(tài)系統(tǒng)的健康，使之持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮生態(tài)功能顯得尤為重要。本研究中：在0～20 cm土層，國槐和銀杏林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于毛白楊和榆樹林(P<0.05)；榆樹林土壤全氮顯著低于其他4種樹種；銀杏林土壤全磷和有效磷均顯著低于其他4種樹種；各樹種土壤全鉀和pH值無顯著差異。土壤肥力直接影響林木生長發(fā)育，肥力質(zhì)量瘠薄是限制人工林生長和森林可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[15]?？偟膩砜矗瑖焙陀退闪滞寥烙袡C(jī)質(zhì)，全氮、全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于毛白楊、銀杏和榆樹林，表明國槐和油松能更好地蓄積和固持土壤養(yǎng)分，尤其表現(xiàn)在對有機(jī)質(zhì)的吸收與歸還能力更強(qiáng)。國槐和油松人工林因其適應(yīng)性強(qiáng)，能形成相對較穩(wěn)定的群落，有利于水土保持和維護(hù)地力等優(yōu)點(diǎn)常作為北方常用的造林樹種，這與孫曉霞等[16]的研究結(jié)果一致。5種平原造林樹種土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不盡相同，這可能是由于不同樹種對土壤的改良作用不同。植被類型會影響林下土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，主要表現(xiàn)在林木凋落物和植物根系分泌物等對土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的補(bǔ)充[17]。樹種不同導(dǎo)致林分的養(yǎng)分歸還量和吸收量、凋落物的類型、數(shù)量和分解速率有所不同，不同樹種對同種養(yǎng)分的吸收速率也不同，導(dǎo)致林下土壤養(yǎng)分差異明顯；因此，造林樹種會對土壤肥力產(chǎn)生極大的影響。

土壤有機(jī)質(zhì)在養(yǎng)分循環(huán)過程中起著關(guān)鍵性作用，主要表現(xiàn)為對土壤微生物活性的影響[18-19]。土壤微生物通過分解有機(jī)質(zhì)釋放養(yǎng)分，進(jìn)而推進(jìn)了土壤的代謝過程[20]。此外，有研究表明，森林土壤中的氮元素主要以有機(jī)態(tài)氮存在，因此有機(jī)質(zhì)與全氮、水溶性N呈正相關(guān)[21-22]。本研究中5種樹種林下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，與前人研究結(jié)果一致，同時也符合一般森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N普遍缺乏的現(xiàn)象[23]，這可能與氮元素主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、大氣干濕沉降和生物固氮等有關(guān)。凋落物分解和巖石的風(fēng)化作用是土壤磷素的主要來源，而巖石的風(fēng)化過程緩慢。所以，土壤P快速補(bǔ)充的來源是凋落物分解，其濃度主要受凋落物來源和分解速率影響。隨著土層加深，5種樹種土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷均顯著降低，在土壤0～20 cm有明顯的“表聚現(xiàn)象”。這與前人的研究結(jié)果基本一致[24-26]。植物從土壤中吸收的養(yǎng)分元素絕大部分以凋落物的形式歸還土壤，樹種不同使得林下凋落物的種類、數(shù)量和分解速率差異較大，進(jìn)而引起林地不同土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布的不同。林地土壤全氮和全磷同樣與凋落物的積累有關(guān)，土壤中的N和P被植物吸收之后以凋落物的形式歸還土壤，所以林地表層土壤中的N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤[27]。

4.3 土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)關(guān)系

研究區(qū)土壤理化性質(zhì)之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。在0～20 cm，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤全磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)。土壤各粒級對養(yǎng)分作用不一，黏粒和粉粒有利于土壤有機(jī)質(zhì)的保留。黏粒和粉粒比例增加，會使土壤分形維數(shù)變大，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高[29]。土壤顆粒分形維數(shù)一方面可以用作分析土壤顆粒分布與土壤結(jié)構(gòu)特征，另一方面也可用來表征土壤養(yǎng)分特征。在20～40 cm，土壤pH值與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀和有效磷呈顯著正相關(guān)；土壤全磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)。造林是林木與土壤環(huán)境相適應(yīng)的過程，凋落物的分解、根系生長過程中的分泌物及土壤微生物的活動等都會提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體和生物多樣性的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)和持水保肥性能和改變土壤膠體狀況。土壤環(huán)境得到改善之后，也會促進(jìn)林木的生長發(fā)育。

4.4 土壤肥力質(zhì)量綜合評價

主成分分析法近年來被廣泛用于評價某一地區(qū)土壤肥力的高低[29-31]。本研究中，土壤顆粒分形維數(shù)、全氮和全鉀對土壤肥力質(zhì)量評價影響最大，全磷和有效磷次之，有機(jī)質(zhì)和pH影響最小。一般而言，在適宜的土壤pH值和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的條件下，土壤肥力質(zhì)量好，但該研究區(qū)土壤為中強(qiáng)堿性土壤，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體較低，使得在土壤肥力質(zhì)量綜合評價時，表現(xiàn)為土壤顆粒分形維數(shù)等因子的影響更大；此外，造林時間較短，樹體的養(yǎng)分循環(huán)還沒有完全建立，也會對評價結(jié)果造成一定的影響。最后的綜合評價得分為油松(0.56)>國槐(0.52)>銀杏(0.26)>毛白楊(-0.14)>榆樹(-1.06)；因此，該區(qū)域進(jìn)行平原造林應(yīng)該根據(jù)造林目的進(jìn)行樹種選擇，短期內(nèi)提升土壤理化性質(zhì)應(yīng)該考慮種植國槐和油松等。

總體來說，研究區(qū)土壤全氮和全磷處于缺乏狀態(tài)，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；pH值偏高。雖然土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但由于pH值也偏高，林木可以吸收利用的磷素較少，因此，應(yīng)該考慮進(jìn)行傳統(tǒng)肥料和有機(jī)肥的配合施用，以更好地改善土壤理化性質(zhì)，為造林樹種提供良好的生長環(huán)境。此外，落葉會帶走大量養(yǎng)分，加之群落本身生長對養(yǎng)分的需求越來越大，將會導(dǎo)致造成土壤養(yǎng)分“供”大于“還”，土壤肥力有所下降。因此，落葉對土壤養(yǎng)分的補(bǔ)充對土壤肥力尤為重要；但由于北京平原地區(qū)秋季落葉過多易引發(fā)火災(zāi)，故應(yīng)盡量收集落葉掩埋于林下土壤中，使森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)趨于完整。土壤-植被之間相互關(guān)系十分復(fù)雜，而且其間的相互影響過程和機(jī)理目前尚不清楚，這有待長期監(jiān)測后進(jìn)行進(jìn)一步的論證。