冀北山地土壤養(yǎng)分和肥力對海拔梯度的響應(yīng)

任啟文，左萬星，尤海舟，李聯(lián)地，畢 君

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061；2.河北小五臺山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站， 河北 涿鹿 075600；3.河北小五臺山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，河北 蔚縣 075700）

當(dāng)前，我國森林生態(tài)建設(shè)的任務(wù)正在由造林向經(jīng)營轉(zhuǎn)變，目的是通過森林經(jīng)營不斷提升我國森林質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)由量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中植物賴以生存的載體，土壤肥力是森林質(zhì)量的主要決定因素之一。土壤肥力主要通過養(yǎng)分含量等性狀表征，而養(yǎng)分特征對海拔梯度具有強(qiáng)烈響應(yīng)，由于海拔梯度包含了多種環(huán)境因子協(xié)同變化的梯度效益[1]。當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者基于海拔梯度對土壤養(yǎng)分含量的影響開展了廣泛研究。馬國飛等[2]研究得出，新疆天山托木爾峰土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、C/N 均隨海拔高度增加而增大，土壤養(yǎng)分受海拔高度的影響深遠(yuǎn)而顯著。湖南省大圍山森林土壤有機(jī)碳含量隨海拔升高而增加[3]，廣西貓兒山土壤C、N、C/P、N/P 均呈增加趨勢，土壤P 呈先增后降趨勢[4]。由于地理位置、氣候條件、植被類型、土壤母質(zhì)等的不同，前人研究結(jié)果也不盡相同。阿爾泰山土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)碳和全氮含量隨海拔升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢[5]，秦嶺太白山土壤C/N 和C/P 隨海拔升高呈先降后升趨勢，而N/P 呈先升后降趨勢[6]，而武功山山地草甸土壤全N 隨海拔升高呈“W”型分布[7]，也有部分研究得出土壤肥力隨海拔升高而降低[8]。綜合前人研究成果，土壤有機(jī)質(zhì)與全N 含量具有較高的耦合性；大部分海拔跨度較大的山地，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量隨海拔升高而遞增；而磷鉀類含量的變化趨勢差異較大。溫濕度、降水等水熱條件的變化、植被類型的變化、地形的變化及動物和微生物的變化是影響山地土壤養(yǎng)分含量垂直變異的重要因素，但在眾多的影響因素中，溫度和水分是調(diào)控其在海拔梯度上變化的主導(dǎo)因子[9]。

冀北地處首都上游，生態(tài)區(qū)位十分重要，肩負(fù)著為京津冀阻沙源、保水源、提供多種生態(tài)服務(wù)功能的重任。因此，冀北生態(tài)公益林的可持續(xù)經(jīng)營尤為重要，而土壤可持續(xù)是森林可持續(xù)的重要基礎(chǔ)。本研究以冀北山地小五臺山山澗口流域不同海拔森林植被土壤為研究對象，分析了土壤常規(guī)養(yǎng)分和速效態(tài)養(yǎng)分含量，以及C、N、P、K化學(xué)計(jì)量特征的海拔梯度差異，采用土壤肥力指數(shù)法綜合評價了不同海拔梯度的土壤肥力，揭示冀北山地土壤肥力對海拔梯度的響應(yīng)規(guī)律，為冀北山地生態(tài)公益林可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)，為區(qū)域植被恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于河北小五臺山國家級自然保護(hù)區(qū)山澗口流域，地處河北省張家口市涿鹿與蔚縣交界，海拔跨度1 160～2 882 m，山體相對高差大，環(huán)境變化明顯。小五臺山山澗口流域自下而上分布有灌木林、闊葉林、針闊混交林、針葉林和亞高山草甸等天然次生林和大片的油松、落葉松人工林。小五臺山屬暖溫帶大陸季風(fēng)型山地氣候，年平均氣溫6.4 ℃。年內(nèi)降水分配不均，主要集中于7、8月，年降水量400～700 mm，無霜期100～140 d。土壤類型主要為褐土、山地棕壤及亞高山草甸土[10]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2016年8月，按照典型性和代表性原則，在山澗口流域自下而上選擇了18 塊樣地，樣地面積20 m×30 m，海拔跨度1 389～2 641 m。各海拔主要植被類型有虎榛子Ostryopsis davidiana天然灌叢、油松Pinus tabulaeformis人工林、落葉松Larix principis-rupprechtii人工林、白樺Betula platyphylla天然次生林、落葉松白樺人工混交林、紅樺Betula ablo-sinensis天然林、落葉松天然林和亞高山草甸。樣地基本情況見表1。

2.2 土壤樣品采集

在所選樣地內(nèi)，按照上、中、下坡位挖掘土壤剖面3個。每個土壤剖面按深度0～20、20～40、40～60 cm 分3 層，每層取土樣0.5 kg，裝土袋帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)取得162個土樣。在實(shí)驗(yàn)室將土樣充分晾干后，把每個土壤剖面上、中、下3 層土樣分別取100 g 充分混合，過 0.15 mm 篩，以備測定土壤養(yǎng)分含量。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample plots

2.3 土壤樣品測試

為了能夠全面評價不同海拔梯度土壤肥力，本研究主要選取了有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、速效鉀（AK）含量7 項(xiàng)測定指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀濃硫酸消解硫酸亞鐵滴定法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用原子吸收法測定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定[11]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

參照表2 全國第二次土壤普查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]，對各海拔梯度土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量進(jìn)行評價，探討小五臺山土壤養(yǎng)分是否存在缺素情況。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of soil nutrient content

不同海拔高度土壤肥力采用土壤肥力指數(shù)法（SFI）評價，主要包括以下步驟：

1）確定評價指標(biāo)。將各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選擇每一主成分中貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)。如果同一主成分中貢獻(xiàn)較大的指標(biāo)有若干個，則進(jìn)行相關(guān)分析。如顯著相關(guān)則選取主成分中貢獻(xiàn)率最大的指標(biāo)作為評價指標(biāo)，若不相關(guān)則都選為該主成分中的評價指標(biāo)[13]。

2）標(biāo)準(zhǔn)化處理。按照下式對選取指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[14]。

式中：Y是標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，a=1，x為選取的指標(biāo)值，x0為選取指標(biāo)值的平均值，當(dāng)x在主成分中的系數(shù)為正時，b取-2.5，當(dāng)x在主成分中的系數(shù)為負(fù)時，b取2.5。

3）計(jì)算土壤肥力指數(shù)。按照式2 計(jì)算土壤肥力指數(shù)SFI[14-15]。

式中：SFI為土壤肥力指數(shù)，Yi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，Wi為權(quán)重，確定方法為Yi所在主成分能夠解釋方差變異量的百分比[15-16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量的海拔梯度差異及評價

不同養(yǎng)分含量對海拔梯度的響應(yīng)趨勢不同（圖1）。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀含量隨海拔高度增加呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢；速效磷隨海拔高度增加呈現(xiàn)出一定的降低趨勢，而速效鉀有一定的增加趨勢，但均不明顯。各養(yǎng)分含量與海拔高度的相關(guān)性顯示，海拔高度與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與全磷和全鉀顯著正相關(guān)（P＜0.05），與速效磷和速效鉀含量相關(guān)關(guān)系不顯著（P＞0.05）

小五臺山不同海拔高度0～60 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)變化范圍為19.77～70.69 g·kg-1，均值 41.33 g·kg-1；全氮和堿解氮分別為0.85～ 2.34 g·kg-1、72.26～206.61 mg·kg-1，均值分別為1.53 g·kg-1、134.46 mg·kg-1；全磷和速效磷分別為0.26～0.86 g·kg-1、0.30～0.50mg·kg-1，均值分別為0.51 g·kg-1、0.37 mg·kg-1；全鉀和速效鉀分別為7.60～10.31 g·kg-1、64.03～130.90 mg·kg-1， 均值分別為9.06 g·kg-1、97.97mg·kg-1。參照全國第二次土壤普查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表2），小五臺山土壤有機(jī)質(zhì)除1 389～1 420 m 的4 塊樣地處于3 級中上水平外，其余均在2 級及以上水平，有機(jī)質(zhì)含量比較高；土壤全氮和堿解氮含量有8 塊樣地處于中間水平，其余均在較高水平；土壤全磷含量大部分處于3～4 級中下水平，速效磷全部為6 級很低的水平；土壤全鉀含量大部分為5 級低水平，而速效鉀含量全部為3～4 級中間水平。因此，小五臺山土壤缺磷鉀類養(yǎng)分元素，特別是速效磷和全鉀，在今后的森林經(jīng)營中應(yīng)特別注意補(bǔ)充這兩類元素。

圖1 土壤養(yǎng)分含量的海拔梯度差異Fig.1 The differences of soil nutrient contents at different altitude gradient

3.2 土壤C、N、P、K 化學(xué)計(jì)量特征的海拔梯度差異

由圖2 可見，小五臺山0～60 cm 土層土壤C/N、C/P、C/K、N/K 隨海拔升高而增加，C/N、C/P、C/K、N/K 與海拔高度極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R 分別達(dá)到0.77、0.61、0.82 和0.68。土壤C/N 隨海拔升高的變化范圍為12.79～18.72，均值15.36，變異系數(shù)11.43%；C/P 變化范圍為22.51～75.75，均值47.33，變異系數(shù)32.12%；C/K 變化范圍為1.50～4.31，均值2.62，變異系數(shù)36.34%；N/K 的變化范圍為0.11～0.27，均值0.17，變異系數(shù)30.45%。土壤N/P 和P/K 隨海拔升高有一定的增加趨勢，但并不明顯（P＞0.05）。土壤N/P 隨海拔升高的變化范圍為1.76～4.67，均值3.04，變異系數(shù)25.49%；P/K 的變化范圍為0.03～0.10，均值0.06，變異系數(shù)27.41%。由此可見，不同海拔土壤的C/N變異程度相對C/P、C/K、N/K、N/P 和P/K 最小，而C/K 變異程度最大，說明土壤C、N 在不同海拔高度的耦合性較高，而C、K 耦合性則較差。

圖2 土壤C、N、P、K 化學(xué)計(jì)量特征的海拔梯度差異Fig.2 The differences of stoichiometric characteristics of soil C,N,P and K at different altitude gradients

3.3 土壤肥力的海拔梯度差異

由表3 可見，土壤肥力指標(biāo)第1、2、3 主成分方差貢獻(xiàn)率分別為56.79%、21.48 和9.28%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為87.55%，說明這3個主成分可以表達(dá)大部分的土壤肥力信息，能夠作為評價指標(biāo)參與土壤肥力綜合評價。SOM、TN、AN、 C/K、N/K 在第1 主成分中均有較高系數(shù)，SOM與TN、AN、C/K、N/K 極顯著正相關(guān)（表4），且SOM 系數(shù)最大，因此SOM 入選第1 主成分土壤肥力評價指標(biāo)。第2 主成分中P/K 和TP 有較高系數(shù)，且P/K 與TP 極顯著正相關(guān)，因此選擇第2主成分中系數(shù)最大的P/K 為土壤肥力評價指標(biāo)。第3 主成分中只有TK 有較高系數(shù)，因此選擇TK為第3 主成分土壤肥力評價指標(biāo)。

通過公式（1）（2）計(jì)算即可得不同海拔土壤肥力指數(shù)SFI（表5）。SFI指數(shù)變化范圍為0.16～0.57，總體上表現(xiàn)為隨海拔梯度升高而增大，與海拔高度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），決定系數(shù)R2=0.68（圖3），顯示出海拔越高土壤肥力越好的趨勢。從相近海拔梯度不同樣地SFI指數(shù)可見其分異特征也較為明顯，比如1 420 m 的油松林和1 430 m 的落葉松林，SFI指數(shù)分別為0.16和0.36；又如1 674 m 的白樺林和1 676 m 的落葉松白樺混交林，SFI指數(shù)分別為0.23 和0.38。這主要是由于土壤肥力影響因子的多樣性和復(fù)雜性所致，除海拔梯度所帶來的多因子協(xié)同影響外，由植被類型主導(dǎo)的枯落物儲量、枯落物養(yǎng)分組成以及分解速率等都是重要影響因素。

表3 土壤肥力指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 3 Principal component analysis of soil fertility indexes

表4 土壤各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性矩陣?Table 4 Relevance matrix of soil indexes

表5 不同海拔植被類型土壤肥力指數(shù)Table 5 Soil fertility indexes of different vegetation types at different altitudes

圖3 土壤肥力指數(shù)隨海拔高度的變化Fig.3 Changes of soil fertility indexes with altitude

4 討 論

本研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀含量和C/N、C/P、C/K、N/K 隨海拔梯度升高而升高。速效鉀含量和N/P、P/K 隨海拔高度增加呈現(xiàn)出一定的增加趨勢，而速效磷含量有一定的降低趨勢，但均不明顯。與林建平等[17]研究的南方丘陵區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、有效磷、速效鉀含量與高程的相關(guān)關(guān)系一致；也與云南烏蒙山區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀隨海拔升高而升高的趨勢一致[18]。但土壤養(yǎng)分與海拔的關(guān)系存在明顯的地區(qū)間差異，阿爾泰山土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量隨海拔升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢[5]，川西高寒灌叢草地土壤有機(jī)碳、全氮、C/P 和N/P整體呈先降低后升高的趨勢[19]。這種不同的變化趨勢與海拔跨度、溫濕度變化、降水、植被類型等有關(guān)，是一個復(fù)雜而長期的過程。但有機(jī)質(zhì)含量是眾多營養(yǎng)元素含量及其化學(xué)計(jì)量特征變化的重要因子，由表4 SOM 與TN、TP、TK、AN、C/N、C/P、C/K、N/P、N/K 顯著正相關(guān)就可見一斑。植物枯落物的累積、養(yǎng)分組成和分解速率，植物根系的生長分布及養(yǎng)分含量，土壤動物的種群、數(shù)量和活動情況，土壤微生物的種群、數(shù)量和活性，以及區(qū)域氣候和環(huán)境等都是影響土壤有機(jī)質(zhì)含量分布的重要因素，而以上各因素間又有著錯綜復(fù)雜的交互影響關(guān)系。海拔梯度會引起多種因子的協(xié)同變化，集合了多因子互作效應(yīng)。一方面是隨海拔升高，溫度降低，降水和冷凝水增加，土壤含水量增加，加速枯落物和根系殘留物的腐爛分解，有機(jī)質(zhì)含量增加[20]；另一方面是隨海拔升高，土壤溫度降低，較低的土壤溫度嚴(yán)重影響土壤微生物的種群、數(shù)量和活性，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的礦化速率減緩，也就是有機(jī)質(zhì)被分解為C、N、P、K 等營養(yǎng)元素的過程變慢[21]，大量的有機(jī)質(zhì)富集。這也是土壤C/N、C/P、C/K 隨海拔高度升高而升高的原因，反之也說明了土壤C/N 越高有機(jī)質(zhì)分解速率越慢。N/K 升高的原因主要是土壤全N 隨海拔升高而升高的幅度大，而全K 幅度較小所致，由圖1 兩者隨海拔高度變化趨勢線的斜率可見其差異。當(dāng)然，不同植被類型對土壤有機(jī)質(zhì)和C、N、P 等養(yǎng)分含量也有明顯影響[22]，從相近海拔高度不同植被類型土壤肥力指數(shù)SFI的分異特征即可看出。在土壤肥力指數(shù)評價中，由于有機(jī)質(zhì)含量是第一主成分，所占權(quán)重達(dá)到0.57，因此土壤肥力指數(shù)SFI與有機(jī)質(zhì)含量隨海拔的變化規(guī)律一致。

有研究表明，由于森林枯落物蓄積量下降，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、鈣鎂離子等濃度也隨之降低，導(dǎo)致土壤進(jìn)入退化進(jìn)程[23]；而土壤養(yǎng)分含量會受淋溶、運(yùn)移和累積的影響而發(fā)生顯著變化[24]。綜合前人研究和本研究結(jié)果認(rèn)為，在沒有收獲輸出的森林土壤營養(yǎng)元素的來源和流失特性主導(dǎo)其對海拔梯度的響應(yīng)規(guī)律。森林土壤養(yǎng)分原始來源于土壤母巖，在植物與土壤存在物質(zhì)循環(huán)后又來源于植物有機(jī)質(zhì)分解返還，前者在母巖形成土壤的較大時間尺度上起決定作用，而后者在較小的時間尺度上占據(jù)主導(dǎo)地位。土壤養(yǎng)分元素除了被植物吸收利用暫存于植物有機(jī)體的部分之外，大部分以有機(jī)態(tài)存在的營養(yǎng)元素，由于其水溶性弱，不易流失，主要受其來源影響；而以無機(jī)態(tài)存在的營養(yǎng)元素，由于水溶性強(qiáng)，容易流失，則受來源和流失特性共同影響。在流失特性方面，由于與水有關(guān)，所以與降水、地形、土壤含水等因子顯著相關(guān)[25]。本研究土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮含量顯著正相關(guān)關(guān)系（表4），且在不同海拔梯度的分布規(guī)律上表現(xiàn)一致，這與馬國飛等[2]的研究結(jié)果一致。主要由于土壤氮素大部分以有機(jī)態(tài)存在，且不易流失，因而主要受有機(jī)質(zhì)分解返還影響所致。磷鉀類養(yǎng)分，由于其較氮類養(yǎng)分水溶性強(qiáng)，易于流失，其含量一方面受有機(jī)質(zhì)分解返還影響，另一方面還受地形、降水、土壤含水等相關(guān)因子的影響。全磷、全鉀與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)分別為0.59 和0.50（表4），雖顯著相關(guān)，但系數(shù)并不高，說明與流失特性相關(guān)的因子明顯影響其含量。而速效磷和速效鉀，尤其是速效鉀，由于其水溶性更強(qiáng)，更易流失，所以其受有機(jī)質(zhì)分解返還影響減弱，而受地形、降水、土壤含水等相關(guān)因子影響增強(qiáng)，在隨海拔梯度的變化上并未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。這也是眾多研究得出土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等營養(yǎng)元素存在明顯“表聚現(xiàn)象”，而磷鉀類營養(yǎng)元素不同地區(qū)“表聚現(xiàn)象”差異較大的原因。土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K 化學(xué)計(jì)量特征隨海拔高度的變化，主要受兩種比較元素隨海拔變化的幅度影響，也就是受其隨海拔高度變化趨勢的斜率影響。

本研究只進(jìn)行了小五臺山土壤C、N、P、K養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量特征對海拔梯度的響應(yīng)，以及土壤肥力隨海拔梯度變化規(guī)律的研究，在規(guī)律成因的研究上稍顯不足。今后有必要深入研究土壤養(yǎng)分、肥力及化學(xué)計(jì)量特征與土壤環(huán)境、植被類型、植物體養(yǎng)分含量、枯落物養(yǎng)分含量、枯落物分解速率等方面的關(guān)系，深入探討土壤與植物間的養(yǎng)分循環(huán)關(guān)系。

5 結(jié) 論

1）隨海拔梯度升高，小五臺山土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀和C/N、C/P、C/K、N/K 升高，而速效磷、速效鉀和N/P、P/K 無明顯變化規(guī)律。

2）小五臺山不同海拔梯度0～60 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化范圍為19.77～70.69 g·kg-1， 全氮、全磷、全鉀含量分別為0.85～2.34、0.26～0.86、7.60～10.31 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為72.26～206.61、0.30～0.50、64.03～130.90 mg·kg-1。按照全國第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)，小五臺山土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量較高，全磷和速效鉀含量處于中間水平，而全鉀和速效磷含量比較低，在森林經(jīng)營中應(yīng)注意補(bǔ)充。

3）土壤C/N、C/P、C/K 隨海拔升高的變化范圍分別為12.79～18.72、22.51～75.75、1.50～4.31；N/K、N/P、P/K變化范圍分別為0.11～0.27、1.76～4.67、0.03～0.10；土壤C/N變異系數(shù)最小，C/K 變異系數(shù)最大。

4）經(jīng)土壤肥力指數(shù)（SFI）綜合評價，小五臺山SFI指數(shù)與海拔高度顯著正相關(guān)（R2=0.68,P＜0.01），顯示出海拔越高土壤肥力越好的趨勢。