冀西北3種植被恢復(fù)類型土壤理化性質(zhì)差異及肥力評(píng)價(jià)

李潔，滑磊，任啟文，孫杰肖，馬香玲

1.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊 050051；2.河北省英烈紀(jì)念園管理處，河北 石家莊 050051；3.河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061

土壤是森林的載體，森林質(zhì)量的提升離不開土壤肥力的提升和可持續(xù)利用，而森林土壤的自我維持和調(diào)節(jié)在土壤可持續(xù)利用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。森林植被種類、結(jié)構(gòu)、恢復(fù)年限不同對(duì)土壤肥力的改善作用也不盡相同。已有研究表明，喬木林對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)土壤容重的改善作用大于灌木林和荒草地（李葉鑫等，2017）；湘西北石漠化區(qū)，不同植被類型土壤有機(jī)C和全P均表現(xiàn)為闊葉林＞針闊混交林＞針葉林＞灌木叢（劉興鋒等，2019）；貴州杠寨小流域華山松和馬尾松林土壤持水能力最好（周瑋等，2012）；華西雨屏區(qū)恢復(fù)30年的6種植被表土層N、P、K含量差異顯著（胡慧蓉等，2014）。大興安嶺密度2 850 plant·hm-2的落葉松白樺混交林，經(jīng)中度（40%）間伐可有效提高土壤肥力（管惠文等，2019）。土壤肥力的改善主要與三方面的過程有關(guān)，一是根系的生長(zhǎng)、分布及其分泌物，二是植物枯落物累積、性狀及分解，三是土壤動(dòng)物及微生物的活動(dòng)，而所有過程又都受當(dāng)?shù)貧夂蚣碍h(huán)境的影響（任啟文等，2018）。植物根系新陳代謝產(chǎn)物能夠增加有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而影響根際微生物（胡嬋娟等，2012）；根系生長(zhǎng)機(jī)械力可改變土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度。森林枯落物已成為土壤營(yíng)養(yǎng)元素的重要來源，而凋落物的積累量、元素組成與含量、分解速度等都影響著土壤有機(jī)質(zhì)、N、P、K的補(bǔ)充（曲浩等，2010）。土壤動(dòng)物活動(dòng)可使表層有機(jī)質(zhì)運(yùn)移到中下層（馬香麗等，2016），土壤微生物可使有機(jī)質(zhì)分解為C、N、P、K等元素。土壤動(dòng)物、線蟲和微生物群落組成和多樣性受森林物種組成的顯著影響，凋落物的多樣化能夠驅(qū)動(dòng)土壤動(dòng)物、微生物豐富度的增加（李宜濃等，2016）。

冀西北是京津冀上游的重要生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，發(fā)揮著極其重要的生態(tài)服務(wù)功能。因此，本研究選擇立地條件基本相同，人為干擾少，恢復(fù)年限一致的3種植被類型（油松林、落葉松林、虎榛子灌木林）設(shè)置研究樣地，對(duì)3種植被恢復(fù)類型多項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分層分析，并對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，揭示不同植被恢復(fù)類型對(duì)土壤肥力的改善作用，為冀西北森林質(zhì)量提升提供理論依據(jù)，為生態(tài)公益林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)地處張家口市崇禮區(qū)清水河流域，屬中溫帶亞干旱區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候，具有雨熱同期，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季涼爽短促，晝夜溫差大，雨量集中等特點(diǎn)。夏季均溫19 ℃，冬季均溫-12 ℃；無霜期100—120 d，年均降雨量450—550 mm（李潔等，2018）。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2018年7月，采用相鄰樣地比較法，在同一坡面上選擇海拔相近（1 410—1 430 m），坡向一致，坡面均一，恢復(fù)年限一致（40 a）的油松林、落葉松林和虎榛子灌木林為研究對(duì)象。在每一林分中設(shè)置30 m×40 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，并進(jìn)行每木檢尺和基本調(diào)查（表1）。3種林分土壤均為森林褐土。

2.2 土壤樣品采集

每塊樣地按對(duì)角線端點(diǎn)和中點(diǎn)挖掘3個(gè)土壤剖面，每個(gè)剖面分上、中、下3層（0—20、20—40、40—60 cm），每層用環(huán)刀取原狀土樣3個(gè)，共計(jì)243個(gè)樣品（60 cm以下礫石較多，無法用環(huán)刀取樣，80 cm基本達(dá)到土壤母質(zhì)層）。同樣，每個(gè)剖面分上、中、下、底4層（0—20、20—40、40—60、60—80 cm），每層取擾動(dòng)土樣300 g裝袋，共計(jì)108個(gè)擾動(dòng)土樣。取樣工作用時(shí)5 d，取樣期間無降雨。

2.3 土壤樣品測(cè)試

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、土壤含水量、毛管持水量、最大持水量和田間持水量采用環(huán)刀法測(cè)定（張萬儒等，1999）。擾動(dòng)土樣風(fēng)干后，過1 mm篩，按照相關(guān)方法測(cè)定有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量（鮑士旦，1999）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007作圖，SPSS 19.0進(jìn)行主成分分析和Duncan差異顯著性檢驗(yàn)。

由于各植被類型不同土層間容重的差異，不能簡(jiǎn)單平均各層的持水和養(yǎng)分含量指標(biāo)值來代表該植被類型土壤的持水能力和養(yǎng)分狀況，因此計(jì)算了各項(xiàng)持水指標(biāo)和養(yǎng)分含量指標(biāo)的絕對(duì)儲(chǔ)量R（kg·m-2）。

式中：B為第i層的土壤容重，h為第i層的土層厚度，C為第i層的持水量指標(biāo)或養(yǎng)分含量指標(biāo)值，n為土壤分層數(shù)；計(jì)算過程中換算相應(yīng)的單位。

2.4.2 土壤肥力評(píng)價(jià)

采用土壤肥力指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，主要步驟如下：

主成分分析：將測(cè)定的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)通過主成分分析確定主成分?jǐn)?shù)量，選擇貢獻(xiàn)率較大指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。若同一主成分中可選指標(biāo)較多，通過相關(guān)性分析剔除與貢獻(xiàn)率最大指標(biāo)顯著相關(guān)的指標(biāo)（Andrews et al.，2002）。

標(biāo)準(zhǔn)化處理（Bastida et al.，2006）：

Y標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值；a=1；x評(píng)價(jià)指標(biāo)值；x0評(píng)價(jià)指標(biāo)平均值；b取2.5（當(dāng)x在主成分中的系數(shù)為負(fù)時(shí)）或-2.5（當(dāng)x在主成分中的系數(shù)為正時(shí)）。

土壤肥力指數(shù)I：

I土壤肥力指數(shù)；Yi為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值；Wi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（Sinha et al.，2009）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤容重和孔隙度差異

由表2可見，土壤容重表現(xiàn)為土層越深，容重越大的變化過程。從土壤容重分層結(jié)果來看，上層落葉松林容重最小，虎榛子灌木次之，油松林最大，且差異顯著；中層落葉松林與虎榛子灌木明顯好于油松林；下層虎榛子灌木明顯好于油松和落葉松林。0—60 cm土層落葉松林與虎榛子灌木容重明顯低于油松林。3種植被類型土壤總孔隙度表現(xiàn)為土層越深，總孔隙度越小的變化過程。總孔隙度分層變化與土壤容重一致，0—60 cm土壤總孔隙度表現(xiàn)為落葉松林與虎榛子灌木明顯大于油松林。土壤毛管孔隙度隨土層深度無明顯變化規(guī)律。3種植被類型土壤上、中、下3層毛管孔隙度表現(xiàn)為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林。由以上分析可見，3種植被恢復(fù)類型對(duì)土壤容重和孔性的改善作用表現(xiàn)為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林。

表1 樣地基本情況Table 1 General condition of the sample plots

表2 不同植被類型土壤容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity of different vegetation types

3.2 不同植被類型土壤持水能力差異

由表3可見，土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、田間持水量總體上表現(xiàn)為上層大于中下層，且上層與中層間的變幅很大，中下層間的變幅較小。3種植被類型中虎榛子灌木林的土壤水分自然儲(chǔ)量明顯大于油松林和落葉松林，而油松林和落葉松林土壤水分儲(chǔ)量差異不明顯。這種差異主要在于中下層土壤含水量的增加，可能是由于喬木根系分布深、耗水量大所致。毛管持水量顯示落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林，落葉松林上中層土壤毛管發(fā)達(dá)，而虎榛子灌木中下層毛管較油松林發(fā)達(dá)。最大持水量和田間持水量同樣表現(xiàn)為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林，且差異顯著，從分層結(jié)果看，落葉松林上中層持水量大，而虎榛子灌木中下層持水量大。由以上分析結(jié)果可以看出，落葉松林土壤持水能力最大，虎榛子灌木次之，油松林最小。

3.3 不同植被類型土壤養(yǎng)分含量差異

由表4可見，3種植被類型0—80 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮儲(chǔ)量均表現(xiàn)為落葉松林和虎榛子灌木差異不顯著，但都顯著高于油松林；從分層結(jié)果看，落葉松林上、中層較高，虎榛子灌木中、下層較高，而油松林各層都較低。0—80 cm土壤全磷儲(chǔ)量油松林＞落葉松林＞虎榛子灌木；分層結(jié)果表明油松林下層和底層含量較高，落葉松林上、中層含量較高，虎榛子灌木各層均較低。全鉀0—80 cm土壤儲(chǔ)量含量表現(xiàn)為油松林＞落葉松林＞虎榛子灌木，油松與落葉松林差異不顯著，但都顯著大于虎榛子灌木；油松林中、下、底層含量較高，落葉松林上、中、下層含量較高，虎榛子各層均較低。0—80 cm土壤速效氮儲(chǔ)量落葉松林大于虎榛子灌木和油松林，后者之間差異不顯著；速效磷和速效鉀儲(chǔ)量均為油松林最大，落葉松林最小。由此可見，落葉松林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮儲(chǔ)量較高，虎榛子灌木林有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀儲(chǔ)量較高，油松林全磷、全鉀、速效磷、速效鉀儲(chǔ)量較高。

表3 不同植被類型土壤持水能力Table 3 Soil water holding capacity of different vegetation types

3.4 不同植被類型土壤肥力評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步探討不同植被恢復(fù)類型土壤肥力差異，選擇反映土壤物理性質(zhì)（SBD、STP、SCP）、持水能力（SWC、CW、MW、FW）和養(yǎng)分含量（SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK）的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（表5），借此來選擇最具代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而摒棄相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)。主成分1、2、3方差貢獻(xiàn)率分別為67.06%、11.89%、7.72%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率86.67%，說明這3個(gè)主成分能夠表達(dá)大部分信息，具有較好的代表性。主成分1中SBD、STP、SCP、SWC、CW、MW、FW、SOM、TN、AN、AP、AK都有較高的系數(shù)；但SOM與SBD顯著負(fù)相關(guān)，與STP、SCP、SWC、CW、MW、FW、TN、AN、AP、AK顯著正相關(guān)（表6），且SOM在主成分1中系數(shù)最大，因此選擇SOM為主成分1的評(píng)價(jià)指標(biāo)。同理，分別選擇TK、TP為主成分2、3的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表4 不同植被類型土壤養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrient content of different vegetation types

從不同植被類型各層土壤肥力指數(shù)之和SI來看（表7），落葉松林為1.76、虎榛子灌木為1.60、油松林為1.26，說明總體上落葉松林土壤肥力最好，虎榛子灌木次之，而油松林最差，且油松林土壤肥力與其他兩種林分差距較大。從分層指數(shù)來看，土壤肥力指數(shù)差異主要在0—40 cm土層。0—20 cm土壤肥力表現(xiàn)為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林；20—40 cm土壤肥力表現(xiàn)為落葉松林與虎榛子灌木一致，但顯著優(yōu)于油松林。從有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分層得分來看，油松林0—40 cm土壤肥力差主要由于其有機(jī)質(zhì)含量低導(dǎo)致的，尤其20—40 cm土壤更為明顯。油松林中層土壤有機(jī)質(zhì)得分0.17，而落葉松林和虎榛子灌木得分分別為0.46和0.48，可見其差異非常之大。

4 討論

植被類型不同對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度不同（邰姍姍等，2010；楊媛媛等，2012）。容重、孔性和持水能力等土壤物理性質(zhì)是土壤肥力的重要影響因素。容重、孔隙度直接影響持水能力（李卓等，2010）。本研究發(fā)現(xiàn)，3種植被恢復(fù)類型中落葉松林與虎榛子灌木土壤容重明顯低于油松林，總孔隙度大于油松林，直接導(dǎo)致其持水能力優(yōu)于油松林。3種植被恢復(fù)類型的土壤持水能力及與之直接相關(guān)的容重、孔隙度間呈現(xiàn)顯著差異的主要原因是土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異，由表6可見土壤有機(jī)質(zhì)與容重極顯著負(fù)相關(guān)，與孔隙度和持水能力指標(biāo)均為極顯著正相關(guān)，說明了物理性質(zhì)的改善與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，落葉松林和虎榛子灌木0—80 cm土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量分別為26.87 kg·m-2和25.03 kg·m-2，而油松林僅為20.72 kg·m-2，解釋了3種植被恢復(fù)類型間土壤容重、孔隙度和持水能力差異的主要原因。

表5 不同植被類型土壤指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 5 Principal component analysis of soil index of different vegetation types

在土壤肥力綜合評(píng)價(jià)中，落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林，落葉松林與虎榛子灌木土壤肥力相差并不大，但都顯著優(yōu)于油松林；從分層指數(shù)來看，起關(guān)鍵作用的是0—40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量，尤其是20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量。森林植被通過凋落物返還土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于改善土壤肥力有重要影響，而3種植被恢復(fù)類型間土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異主要是由于枯落物的化學(xué)性質(zhì)、分解速率，以及土壤微生物活性造成的。李強(qiáng)（2013）研究冀北山地主要植物凋落物葉片得出，油松具有很高的C/N、C/P、木質(zhì)素/N和木質(zhì)素/P，是落葉松和虎榛子的2—3倍多，而落葉松與虎榛子以上指標(biāo)均無顯著差異。當(dāng)環(huán)境一致時(shí)，以C/N、C/P、木質(zhì)素/N、木質(zhì)素/P為主要指標(biāo)的凋落物化學(xué)屬性是其分解快慢的主要影響因子。當(dāng)C/N、C/P等比值較低時(shí)，分解較快；反之，分解較慢（李英花等，2017）。這可能是3種植被恢復(fù)類型中，油松林土壤肥力差的主要原因。另外，油松葉表面含有角質(zhì)層，落葉透水性較差，角質(zhì)層阻礙真菌菌絲侵入，影響微生物的分解腐化作用，降低了凋落物的分解速率（胡亞林等，2005；郭培培等，2009）。這可能是油松林土壤肥力差的另一原因。綜上，冀西北地區(qū)大量的油松純林極有可能受阻于林地枯落物分解而使土壤有機(jī)質(zhì)得不到及時(shí)補(bǔ)充，進(jìn)而由此引發(fā)土壤容重、孔隙度、持水能力和養(yǎng)分含量得不到有效改善，導(dǎo)致油松林地土壤肥力相對(duì)低下，進(jìn)而影響森林健康。因此，在森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)中，應(yīng)充分關(guān)注森林植被恢復(fù)對(duì)土壤肥力的改善作用，選擇對(duì)土壤肥力改善作用明顯的植被類型，并通過多樹種混交增加枯落物多樣性，促進(jìn)其分解。同時(shí)，灌木植被對(duì)土壤肥力的改善作用應(yīng)引起足夠的重視，充分合理的利用灌木植被改善土壤有時(shí)比喬木植被更有優(yōu)勢(shì)。

表6 土壤各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性矩陣Table 6 Correlation matrix of soil indexes

表7 不同植被類型土壤肥力指數(shù)Table 7 Soil fertility index of different vegetation types

5 結(jié)論

3種植被恢復(fù)類型中，落葉松林與虎榛子灌木土壤容重明顯低于油松林，土壤總孔隙度和毛管孔隙度大于油松林?；㈤蛔庸嗄玖值耐寥浪肿匀粌?chǔ)量明顯大于油松林和落葉松林。最大持水量、田間持水量和毛管持水量均表現(xiàn)為落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林。3種植被恢復(fù)類型中，落葉松林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮儲(chǔ)量高，虎榛子灌木林有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀儲(chǔ)量高，油松林全磷、全鉀、速效磷、速效鉀儲(chǔ)量高。3種植被類型對(duì)土壤肥力的改善作用落葉松林＞虎榛子灌木＞油松林；油松林土壤肥力與其他兩種林分差距較大，主要由于其枯落物難于分解，上中層土壤（0—40 cm）有機(jī)質(zhì)得不到及時(shí)補(bǔ)充。