遼河上游森林土壤理化性質(zhì)及持水能力研究

鄧健睿，楊艷波，婁 婧，梁陳濤，溫 慧，井麗欣，王文杰1,，何興元

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北林業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040 )

0 引 言

森林作為陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，其復(fù)雜的樹木結(jié)構(gòu)以及巨大的截留面積對陸地生態(tài)系統(tǒng)水文過程有很重要的影響，并在水資源的可持續(xù)利用方面發(fā)揮著重要的作用[1]。吉林省遼河流域是吉林省重要的商品糧基地，其森林資源豐富[2]，林分以黑皮油松純林、落葉松純林、樟子松純林、針葉混交林及針闊混交林為主[3]，在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、改善水質(zhì)及防止水澇災(zāi)害等方面具有重要意義[4]。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)水分儲存的主要庫，在系統(tǒng)中更是作為媒介參與水文過程，直接影響水分的入滲過程[5]。近年來，隨著該流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工農(nóng)業(yè)以及生活用水量增加，導(dǎo)致遼河流域水源污染、土壤退化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，成為影響該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，并已嚴(yán)重影響人們的生活以及身體健康。

土壤質(zhì)量評價(jià)綜合考慮不同土壤理化性質(zhì)，體現(xiàn)了土壤維持動(dòng)、植物及其生長環(huán)境健康的能力[6]，土壤質(zhì)量的上升和下降對森林群落的演替過程起著重要的調(diào)控作用[7-9]。土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的選擇需要充分考慮研究目的[10]，其基本思路是以最小的數(shù)據(jù)量反映土壤屬性的大部分信息[11]。在研究河流源頭區(qū)域時(shí)，需要充分考慮表征土壤水文功能和肥力特征的關(guān)鍵指標(biāo)。不同研究發(fā)現(xiàn)，需要充分考慮土壤容重、田間持水量、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全磷和速效鉀、毛管持水量、電導(dǎo)率、毛管孔隙度等指標(biāo)[12-14]，以評價(jià)土壤水文功能及肥力特征。此類研究在農(nóng)田評價(jià)中較多，在森林土壤中也越來越多。諸多學(xué)者對不同地區(qū)的林分土壤展開過土壤質(zhì)量評價(jià)研究，如原源等[15]對甘肅白龍江區(qū)不同密度人工云杉林進(jìn)行了土壤質(zhì)量評價(jià)研究；王曉榮等[16]研究了湖北省主要森林類型的土壤質(zhì)量。針對遼河源頭區(qū)，不同林分是否影響森林土壤質(zhì)量和水土保持功能？土壤質(zhì)量評價(jià)是否需要綜合不同土壤理化性質(zhì)指標(biāo)？哪些指標(biāo)更加重要？針對上述問題的研究卻鮮有報(bào)道，需要深入研究和科學(xué)回答。

基于此，本文以遼河流域典型森林群落類型為研究對象，通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，采用多重比較分析不同林分下土壤理化性質(zhì)、土壤持水能力等相關(guān)指標(biāo)的差異，通過主成分分析、相關(guān)性分析等方法構(gòu)建土壤質(zhì)量評價(jià)體系，對遼河上游不同林分類型土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。此研究可為遼河上游植樹造林、森林質(zhì)量和水源涵養(yǎng)功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(122°05′～125°35′E，42°37′～44°41′N)位于吉林省遼河流域的上游，流域的面積約167.44 km2(圖1)，是吉林省重要商品糧基地，且森林資源豐富[17]。遼河流域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫6.25 ℃；日照時(shí)長2 200～3 000 h；年平均降水量約578.3 mm；年均蒸發(fā)量800～1 020 mm[18]。

1.2 樣品采集

1.2.1 試驗(yàn)樣地的選擇。選擇遼河流域5種典型林分，即黑皮油松純林、落葉松純林、樟子松純林、針葉混交林和針闊混交林(圖1)，共75個(gè)樣點(diǎn)，其中，黑皮油松純林20個(gè)樣點(diǎn)、落葉松純林16個(gè)樣點(diǎn)、樟子松純林11個(gè)樣點(diǎn)、針葉混交林21個(gè)樣點(diǎn)、針闊混交林7個(gè)樣點(diǎn)。針葉純林的47個(gè)樣點(diǎn)均為人工林；混交林共28個(gè)樣點(diǎn)，其中23個(gè)樣點(diǎn)為人工林，5個(gè)樣點(diǎn)為次生林。在各樣點(diǎn)具有代表性的位置分別設(shè)置30 m×30 m喬木樣方，測定樣地的經(jīng)緯度并對每木進(jìn)行檢尺。黑皮油松林的主要樹種是黑皮油松；落葉松林的主要樹種是落葉松；樟子松林的主要樹種是樟子松；針葉混交林的主要樹種是黑皮油松、落葉松和樟子松；針闊混交林的主要樹種是落葉松、樟子松、榆樹、刺槐和蒙古櫟。樟子松林的胸徑、樹高、枝下高及冠幅最大。針葉混交林林分密度最大，黑皮油松林林分密度顯著低于其他林分類型(表1)。

圖1 遼河流域采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points in the headwater region of the Liaohe River

表1 不同林分的樹木結(jié)構(gòu)特征 Table 1 Significant differences of stand structure characteristics in different forest types

1.2.2 土壤樣品的采集和處理。每個(gè)地點(diǎn)樣方內(nèi)按五點(diǎn)取樣法[19]，采集0～20 cm土壤混合土樣約600 g，用封口袋封好，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)，采集土壤時(shí)避免根系直接影響，在不同樹木中間位置采取。同時(shí)用環(huán)刀(容積200 cm3)取原狀土，每樣地至少重復(fù)3次，用保鮮封口袋裝好，用于測定土壤持水能力相關(guān)指標(biāo)。所有土樣取樣后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行下一步分析測定。

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤持水能力相關(guān)指標(biāo)測定。土壤持水能力相關(guān)指標(biāo)采用室內(nèi)環(huán)刀法進(jìn)行測定[19]，包括土壤容重(BD)、土壤總孔隙(Tp)、土壤毛管孔隙度(Cp)和土壤非毛管孔隙度(NCp)。

將各層土樣放入烘箱中，在105 ℃下烘干8 h直至恒重，記環(huán)刀重量m0，環(huán)刀原狀土質(zhì)量m1，環(huán)刀烘干后質(zhì)量m2，v代表環(huán)刀體積。

(公式1)

烘干后，在帶網(wǎng)眼的底蓋上墊一層濾紙，放入平底盆中，向盆中加水至環(huán)刀上沿，吸水24 h后水平取出稱重，記浸水24 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量為m3，將浸水24 h后的環(huán)刀去掉底蓋，在鋪有干砂的平底盆中放置2 h去除重力水，2 h后稱重記為m4。

(公式2)

(公式3)

NCp=Tp-Cp

(公式4)

去除重力水后，在干砂盆中繼續(xù)放置2～5 d，記放置后環(huán)刀質(zhì)量為m5。

(公式5)

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測定。測定的土壤化學(xué)性質(zhì)包括土壤有機(jī)碳(SOC)、pH值、全氮(TN)、堿解氮(AN)、全磷(TP)以及速效磷(OP)含量。測定前將新鮮土樣去除可見動(dòng)植物殘?bào)w，在室溫下自然風(fēng)干，過孔徑2 mm篩，備測上述指標(biāo)。各指標(biāo)及其具體測定方法如下：土壤有機(jī)碳采用燃燒法[19]；土壤pH值使用Sartorius PB10型精密度酸度計(jì)測定[19]；全氮含量采用半微量開氏定氮法測定[19]；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定[19]；全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定[19]；有效磷含量采用0.03 mol·L-1NH4F-0.025 mol·L-1HCl浸提-鉬銻鈧比色法測定[19]。

1.4 土壤質(zhì)量評價(jià)方法

1.4.1 最小數(shù)據(jù)集(MDS)構(gòu)建。研究選取了土壤物理、化學(xué)共14個(gè)指標(biāo)作為全數(shù)據(jù)集(TDS)指標(biāo)。由于指標(biāo)較多，采用主成分分分析法(PCA)進(jìn)行因子分析指標(biāo)篩選，并結(jié)合Norm值的計(jì)算得到最小數(shù)據(jù)集(MDS)指標(biāo)。Norm值計(jì)算如公式(6)[20]。

(公式6)

式中：k是特征值≥1的主成分個(gè)數(shù)；λk表示第k個(gè)主成分的特征值；Njk是j指標(biāo)在k個(gè)主成分的累加因子荷載量；μjk是j指標(biāo)的單個(gè)因子荷載，體現(xiàn)其重要性。

將各土壤質(zhì)量指標(biāo)按照各主成分因子荷載絕對值>0.5的規(guī)則進(jìn)行分組，若某一指標(biāo)在多個(gè)主成分的因子載荷均大于0.5，則根據(jù)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果，將其分入與其他指標(biāo)相關(guān)性較小的一組，分組后篩選Norm值在最高值10%范圍的指標(biāo)，接著分析各指標(biāo)間的相關(guān)性，若指標(biāo)間存在顯著相關(guān)性，則保留最高Norm值指標(biāo)到MDS，而相關(guān)性不顯著的指標(biāo)則均保留到MDS[20]。

1.4.2 指標(biāo)得分和計(jì)算?；谥笜?biāo)的標(biāo)準(zhǔn)評分函數(shù)，將土壤指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為0～1。評分函數(shù)分為“正向作用”或“負(fù)向作用”的評分趨勢。在所有指標(biāo)中，由于容重過高會對植物根系生長和土壤孔隙度產(chǎn)生抑制作用[20]，故選擇“負(fù)向作用”函數(shù)；土壤養(yǎng)分、孔隙度等則使用“正向作用”函數(shù)?！罢蜃饔谩本€性評分曲線如公式(7)，“負(fù)向作用”線性評分曲線如公式(8)[20]。

(公式7)

(公式8)

式中：Si是土壤指標(biāo)的線性得分(0～1)；x是土壤指標(biāo)實(shí)測值，L和H分別是土壤指標(biāo)的最小值和最大值。

1.4.3 權(quán)重分配和計(jì)算。確定MDS后，再次使用MDS進(jìn)行因子分析，得到MDS中各個(gè)指標(biāo)的公因子方差，各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算如公式(9)[20]。

(公式9)

式中：Wi是該指標(biāo)加權(quán)后的權(quán)重；Ci是該指標(biāo)的公因子方差。

1.4.4 計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù)。對MDS進(jìn)行評分和加權(quán)后，土壤質(zhì)量指數(shù)如公式 (10)[20]

(公式10)

式中：SQI是土壤質(zhì)量指數(shù)；Si是線性指標(biāo)得分；n是MDS中的土壤指標(biāo)數(shù)；Wi是土壤指標(biāo)權(quán)重值。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為判斷數(shù)據(jù)是否存在差異，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理及差異顯著性分析，使用SPSS 20進(jìn)行LSD檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)置為0.05；使用主成分分析法和Pearson相關(guān)分析，通過Norm值確定最小數(shù)據(jù)集(MDS)，對MDS評分加權(quán)后計(jì)算出不同林分的土壤質(zhì)量指數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤物理性質(zhì)及持水能力

如表2所示，5種林分土壤含水量、總孔隙度、非毛管孔隙度、最大蓄水量和毛管蓄水量存在顯著性差異(P<0.05)，而在土壤容重、毛管孔隙度和田間持水量指標(biāo)中差異未達(dá)到顯著水平。黑皮油松林土壤含水量、土壤總孔隙度、最大蓄水量和毛管蓄水量均顯著低于其他林分類型(P<0.05)，同時(shí)落葉松林和樟子松林土壤中有較高的土壤含水量、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、最大蓄水量、毛管蓄水量和田間持水量。另外，樟子松林土壤非毛管孔隙度顯著低于其他林分類型(P<0.05)，處于較低的水平。

表2 不同林分土壤的持水能力及其差異顯著性Table 2 Significant differences of soil water-holding capacity in different forest types

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

5種林分土壤4種化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(pH、堿解氮、全磷和速效磷)之間存在顯著性差異(P<0.05，表3)，而有機(jī)碳和全氮含量差異不顯著。針闊混交林的土壤pH顯著高于其他林分類型(P<0.05)，其余4種林分土壤pH值之間差異未達(dá)到顯著水平。黑皮油松林土壤堿解氮、全磷含量顯著低于其他林分類型。樟子松林和針闊混交林中土壤速效磷含量顯著低于落葉松林(P<0.05)，均處于較低的水平。

表3 不同林分類型土壤的化學(xué)性質(zhì)Table 3 Significant differences of soil chemical properties in different forest types

2.3 土壤質(zhì)量差異

不同林分類型間的土壤質(zhì)量指數(shù)存在顯著差異(圖2)。黑皮油松林、落葉松林、樟子松林、針葉混交林和針闊混交林的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)平均評分分別為0.44、0.45、0.52、0.41和0.42。根據(jù)趙川等[21]土壤質(zhì)量分級并結(jié)合遼河上游5種林分類型土壤質(zhì)量狀況，按土壤質(zhì)量指數(shù)大小將土壤質(zhì)量劃分為優(yōu)(0.8～1.0)、良(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)和差(0～0.4)4個(gè)等級，本研究中有17.3%的樣地土壤為良水平，41.3%的樣地為中等水平，剩下41.3%的樣地為差水平(圖2)。整體而言，混交林土壤質(zhì)量指數(shù)普遍低于純林土壤，其中針葉混交林的土壤質(zhì)量指數(shù)最低，顯著低于其他四種林分類型，而樟子松林的土壤質(zhì)量指數(shù)最高，落葉松林次之。

圖2 不同林分類型的土壤質(zhì)量指數(shù)差異及質(zhì)量指數(shù)評級Fig.2 Soil quality index and soil quality index rating for different forest types

由表4可知，根據(jù)特征值 ≥1的選取原則，通過主成分分析共提取前4個(gè)主成分，其貢獻(xiàn)率分別為39.55%、18.78%、8.52%和7.56%。

表4 土壤指標(biāo)主成分因子載荷及Norm值Table 4 The principal component factor load and Norm values of soil indicators

第一組指標(biāo)有容重、最大蓄水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度，這5個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(未列出)，因此，選擇Norm值最大的最大蓄水量進(jìn)入MDS。第二組指標(biāo)有全氮、含水量、堿解氮、有機(jī)碳和非毛管孔隙度。結(jié)合Norm值進(jìn)入MDS的預(yù)選指標(biāo)是全氮、堿解氮和非毛管孔隙度，而全氮與堿解氮和有機(jī)碳之間的相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)(未列出)，故舍棄堿解氮保留全氮和非毛管孔隙度進(jìn)入MDS。第三組指標(biāo)有pH值和速效磷，二者不存在顯著的相關(guān)性關(guān)系(未列出)，故pH值和速效磷均進(jìn)入MDS。第四組指標(biāo)只有全磷，故直接進(jìn)入MDS。最終選擇進(jìn)入MDS的指標(biāo)是最大蓄水量、容重、全氮、非毛管孔隙度、pH值、速效磷和全磷7個(gè)指標(biāo)。另外，基于MDS的SQI顯示出與基于總數(shù)據(jù)集(TDS)的SQI相似的趨勢(圖未列出)，相關(guān)系數(shù)為0.942 (P<0.001)，R2=0.89，表明基于MDS的SQI具有數(shù)據(jù)降維思想的意義，符合研究目的。

3 討論

土壤是由植被、地形及氣候等多種環(huán)境因子相互作用形成的[22]，不同的林分由于其立地條件和林分類型的不同也會對土壤產(chǎn)生不同的影響[23]。土壤水分是土壤中物理、化學(xué)及生物過程的主要參與者和重要的條件之一，直接影響著地上植被的生長以及地下土壤中各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程[24]。土壤孔隙度是反映土壤持水特性的重要指標(biāo)之一，能在一定范圍內(nèi)反映自然條件下土壤的水分情況[25]和林地土壤的水分儲蓄和保持水分的能力[26-27]。不同樹木結(jié)構(gòu)的水源涵養(yǎng)林會在功能上表現(xiàn)出一定的差異性[28]，只有保持樹種結(jié)構(gòu)的合理性，才能發(fā)揮出林分更佳的水源涵養(yǎng)功能[29-30]。有研究認(rèn)為，不同關(guān)鍵種、林分類型對水文功能有影響[31]。本研究中，土壤孔隙度在不同林分類型之間差異顯著，黑皮油松林在5種林分類型中，土壤更緊實(shí)且持水能力更低。與此對比的是，樟子松林土壤擁有良好的土壤持水性能，能更好地將水分儲存在土壤中。從土壤質(zhì)量指數(shù)高低來看：樟子松林>落葉松林>黑皮油松林>針闊混交林>針葉混交林。本研究中，有17.3%的樣地土壤為良水平，41.3%的樣地為中等水平，剩下41.3%的樣地為差水平。因此，基于關(guān)鍵樹種的遼河源頭區(qū)土壤水文功能提升是改善源區(qū)水環(huán)境的關(guān)鍵。從本研究的結(jié)果來看，與其他樹種比較，未來樟子松造林應(yīng)該是一種更有效的選擇，而不建議大量采用油松造林。

土壤中化學(xué)特性能在一定程度上體現(xiàn)土壤的肥力情況[32]。林地土壤有機(jī)碳能為樹木生長提供所需養(yǎng)分，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成，提高林地土壤肥力[33]。土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)，在一定程度上影響植物的生長發(fā)育[34]。磷素是植物體內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等多種化合物的組成元素，是植物生長的主要營養(yǎng)元素之一[35]。對比5種林分類型的土壤化學(xué)性質(zhì)，pH值、堿解氮、全磷和速效磷均在5種林分類型之間存在顯著差異，而有機(jī)碳和全氮?jiǎng)t沒有。黑皮油松林下土壤堿解氮、全磷和速效磷均顯著低于其他林分類型，表明黑皮油松林土壤養(yǎng)分狀況較差，肥力較低。值得一提的是，針闊混交林土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量均為最高，同時(shí)其pH值顯著高于其他林分類型，可能是源于闊葉樹種凋落物中含有較多的灰分，使得針闊混交林下土壤酸性較弱，而針葉凋落物在分解時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)酸能在一定程度上增強(qiáng)土壤酸性[36]。因此，與針葉林相比，針闊混交林能提升土壤pH值，增加土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，更好地改變酸性土壤的肥力水平，這與劉昊等[37]的研究結(jié)果相一致。未來評價(jià)本區(qū)域森林生態(tài)服務(wù)功能時(shí)，應(yīng)該充分考慮林分間的差異。

此外，本研究的發(fā)現(xiàn)樟子松林土壤質(zhì)量指數(shù)最高，針闊混交林和針葉混交林土壤質(zhì)量指數(shù)較低。一般來說，混交林由于冠層較厚，葉面積指數(shù)較大，枯落物較多且成分復(fù)雜，比純林更能提高土壤質(zhì)量[38]。分析原因可能是當(dāng)?shù)卦炝址绞剿拢赫{(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究樣地中純林多為人工林，為保證其種植的經(jīng)濟(jì)效益，通常將立地條件較好的樣點(diǎn)作為栽種地點(diǎn)的選擇。對于2種混交林分，多是原有立地質(zhì)量較差的天然林區(qū)域，人為多次采伐或輔助更新后形成的。因此，上述土壤質(zhì)量的差異很可能是原有土壤質(zhì)量差異的表現(xiàn)。與此類似，我們前期研究也發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)森林保護(hù)區(qū)與保護(hù)區(qū)外也存在土壤差異，表現(xiàn)為保護(hù)區(qū)外遠(yuǎn)高于保護(hù)區(qū)內(nèi)，原因也是人為選擇效應(yīng)的結(jié)果。

4 結(jié)論

遼河上游5種林分類型土壤理化性質(zhì)差異顯著，樟子松林土壤物理性質(zhì)最優(yōu)，擁有良好的土壤持水性能，針闊混交林土壤化學(xué)性質(zhì)最好，土壤養(yǎng)分狀況較好，而黑皮油松林土壤化學(xué)性質(zhì)最差，土壤養(yǎng)分含量較低，肥力較差。以容重、最大蓄水量、全氮、非毛管孔隙度、pH值、速效磷和全磷作為土壤質(zhì)量評價(jià)的最小數(shù)據(jù)集(MDS)，5種林分土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.11～0.76之間，中等土壤質(zhì)量以上的占58.6%，整體偏低，總體表現(xiàn)為樟子松林>落葉松林>黑皮油松林>針闊混交林>針葉混交林，建議未來本區(qū)域森林土壤功能評價(jià)以及基于樹種選擇的土壤生態(tài)服務(wù)功能提升，需要充分考慮林分的差異。對于針葉樹種，建議優(yōu)先使用樟子松、適量使用落葉松并限制使用黑皮油松；從森林類型來講，提倡針闊混交林，尤其是松櫟混交林。