東北地區(qū)15種樹種生長土壤肥力質(zhì)量分析

楊 磊， 趙清竹， 王興昌， 柳 霖， 銀 簫， 傅民杰*

(1.延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002;2.東北林業(yè)大學(xué) 生態(tài)研究中心，哈爾濱 150040)

森林是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是人類最重要的自然資源之一，它能夠維系整個(gè)地球的生態(tài)平衡，是人類賴以生存和發(fā)展的資源與環(huán)境，對(duì)保持水土、調(diào)節(jié)氣候起著重要作用[1]。東北林區(qū)是我國3大林區(qū)之一，區(qū)域植物種類繁多，加之森林植物和森林類型極其豐富，森林覆蓋率占全國1/3以上[2]，活立木占全國活立木總量的1/5以上[3]。該區(qū)土壤肥沃、水源充沛，利于林業(yè)的發(fā)展，是我國重要的林業(yè)生產(chǎn)基地[4]。森林對(duì)土壤具有多面的影響，如林冠的覆蓋、根系的生長過程，以及森林凋落物的積累，能夠有效地改良土壤肥力，促進(jìn)保持水土，使土壤更好地為林木提供養(yǎng)分和水分[4-6]。土壤肥力是反映土壤生產(chǎn)力與生態(tài)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)[7]，包括土壤各種理化性質(zhì)，是土壤的本質(zhì)屬性，也是土壤內(nèi)部條件與外界環(huán)境綜合作用的結(jié)果。土壤理化性質(zhì)中的土壤C含量以及N、P、K的全量和有效量，對(duì)植物的生長發(fā)育具有極其重要的影響[8]。森林土壤是林木生長的物質(zhì)基礎(chǔ)與自然保障，其長年無人為干擾，具有良好的土壤剖面層次與結(jié)構(gòu)[9]，在其不斷發(fā)育和演變的過程中，受不同植被影響以及外界環(huán)境變化，土壤表層積累了大量調(diào)落物，土壤養(yǎng)分頗為豐富，其土壤肥力也會(huì)顯著變化。

研究土壤肥力質(zhì)量變化有助于土壤環(huán)境的改善以及土地資源的保護(hù)。紀(jì)浩等[10]運(yùn)用層次分析法(AHP)對(duì)大興安嶺不同低質(zhì)林的土壤進(jìn)行肥力評(píng)估，發(fā)現(xiàn)同一低質(zhì)林種在不同地域種植有利于土壤肥力的改善。吳芮欣等[11]測(cè)定不同樹種的土壤肥力，發(fā)現(xiàn)2年生的樟子松和刺槐作為先鋒樹種對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖恍迯?fù)以及土壤肥力改良有著重要影響。鄭永林等[8]對(duì)北京大興區(qū)5種不同樹種土壤進(jìn)行肥力評(píng)估，發(fā)現(xiàn)種植土壤肥力較高的國槐和油松短期內(nèi)能夠改善土壤各項(xiàng)理化因子，并為林木提供良好的生長環(huán)境。近年來，對(duì)森林土壤的研究已有許多報(bào)道，但多集中于森林土壤C、N等元素的養(yǎng)分測(cè)定[12-14]，森林土壤微生物等[15-17]方向，對(duì)于東北地區(qū)不同樹種的土壤肥力質(zhì)量方面的研究不多。該研究地點(diǎn)位于森林資源豐富的黑龍江省穆棱市和平林場(chǎng)，坐落于長白山北脈，人為干擾較小。選取區(qū)域內(nèi)具有代表性的原始樹種，取其冠下土壤，綜合分析不同樹種的自然土壤肥力質(zhì)量變化，并對(duì)土壤肥力進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，有助于林木發(fā)展與森林土壤肥力的恢復(fù)[15-16]，對(duì)于保護(hù)東北林區(qū)土壤資源，防治土壤退化以及改善生態(tài)環(huán)境都有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)和樣地概況

黑龍江省穆棱林業(yè)局和平林場(chǎng)作為東北虎豹國家公園的主體區(qū)域，位于長白山支脈老爺嶺南部區(qū)域(129°5′0″～131°18′48″E，42°31′06″～44°14′49″N)，海拔1 477.4 m(老爺嶺)，以丘陵和中低山為主，土壤多為暗棕壤和沼澤土，屬大陸濕潤性季風(fēng)氣候。其東部、東南部與俄羅斯接壤，西南部與朝鮮隔江相望。冬季漫長寒冷干燥，夏季濕熱多雨，春秋季風(fēng)交替，氣溫變化劇烈，全年平均氣溫5 ℃，極端最高氣溫37.5 ℃，極端最低氣溫-44.1 ℃，年降水量變化在450～750 mm，降水集中在5-9月，占全年降水總量的80%。

林場(chǎng)的森林覆蓋率高達(dá)90%以上，植被類型主要是溫帶針闊葉混交林。該研究以樹種集中、長勢(shì)良好、分布均勻的核心地段作為采樣點(diǎn)，共選取15種具有代表性的樹種，具體包括：朝鮮柳 (Salixkoreensis)簡(jiǎn)稱L，東北槭(Acermandshuricum)簡(jiǎn)稱B，大果榆(Ulmusmacrocarpa)簡(jiǎn)稱HY，臭冷杉(Abiesnephrolepis)簡(jiǎn)稱CLS，黑樺(Betuladahurica)簡(jiǎn)稱HH，紅豆杉(Taxuscuspidata)簡(jiǎn)稱HDS，紅松(Pinuskoraiensis)簡(jiǎn)稱HS，胡桃楸(Juglansmandshurica)簡(jiǎn)稱HTQ，落葉松(Larixgmelinii)簡(jiǎn)稱LYS，遼東榿木(Alnushirsuta)簡(jiǎn)稱MC，蒙古櫟(Quercusmongolica)簡(jiǎn)稱MGL，軟棗獼猴桃(Actinidiaarguta)簡(jiǎn)稱RZ，山槐(Albiziakallora)簡(jiǎn)稱SH，水曲柳(Fraxinusmandshurica)簡(jiǎn)稱SQL和紫椴(Tiliaamurensis)簡(jiǎn)稱ZD，所有樹種群落均為天然林，各樹種基本信息如表1所示。

表1 研究區(qū)各樹種基本信息

1.2 試驗(yàn)樣品采集

根據(jù)該林場(chǎng)的地勢(shì)特點(diǎn)和植被情況，采用野外調(diào)查取樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，于2020年7月初—8月末，選擇樹種集中、長勢(shì)良好、分布均勻的地段作為每樹種采樣點(diǎn)，對(duì)每目標(biāo)樹種選取坡向、海拔、生境與樹木胸徑基本一致的6棵個(gè)體，準(zhǔn)確記錄胸徑及位置坐標(biāo)。以樹根為中心，半徑1 m范圍內(nèi)的樹下不同角度3個(gè)地點(diǎn)作為取土樣點(diǎn)，用直徑10 cm的土鉆鉆取0～20 cm土層土樣，每點(diǎn)土壤攪拌均勻后取500 g土，裝入8號(hào)封口袋(17 cm×24 cm)帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤樣品除去所有根系和石礫后放置陰涼處自然風(fēng)干，對(duì)土樣進(jìn)行研磨過篩，分別過60目和100目篩后密封保存，用于指標(biāo)測(cè)定，測(cè)定內(nèi)容包括土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、全碳(TC)、速效磷(AP)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、電導(dǎo)率(EC)和pH值。土壤TC采用multi N/C 3 000分析儀和HT 1 500 Solids Module分析儀(Analytik Jena AG, Germany)燃燒法測(cè)定。土壤TN、TP采用森林土壤測(cè)定GB法[18]，即樣品處理經(jīng)高氯酸-硫酸酸溶后消煮，取上清液用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3, Germany)測(cè)定，TK采用火焰光度計(jì)測(cè)定[19]。NH4+-N采用CaCl2提取，連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3,Germany)測(cè)定，AP的測(cè)定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[19]。土壤pH值采用蒸餾水浸提-pH計(jì)測(cè)定法[19]、土壤EC采用蒸餾水浸提-電導(dǎo)率儀測(cè)定法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖，圖中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。其中，數(shù)據(jù)方差分析采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)、差異顯著性比較采用Duncan法、相關(guān)性分析采用Pearson分析法。

1.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

土壤肥力質(zhì)量綜合指數(shù)(IFI)是土壤各指標(biāo)因子的綜合。根據(jù)土壤肥力因子具有連續(xù)性質(zhì)，采用劉江等[20]的方法對(duì)各個(gè)肥力因子進(jìn)行賦分，其賦分值范圍0～1。

降型線性函數(shù)表達(dá)式為：

F(Xij) = (Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)，

升型線性函數(shù)表達(dá)式為：

F(Xij) = (Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)，

式中，F(xiàn)(Xij)表示各肥力因子的隸屬度值，Xij表示各肥力因子值，Ximax和Ximin分別表示第i項(xiàng)肥力因子中的最大值和最小值.

因?yàn)橥寥蕾|(zhì)量評(píng)價(jià)中各個(gè)肥力因子的影響程度和貢獻(xiàn)率不同，所以通常用權(quán)重系數(shù)表示各個(gè)因子的重要程度，確定各因子的權(quán)重系數(shù)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)確定權(quán)重系數(shù)的方法多為人工打分，但是存在易出錯(cuò)、占時(shí)長且具有主觀性的問題。該研究選取不同樹種0～20 cm土層8項(xiàng)土壤肥力因子的測(cè)定值作為該評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)指標(biāo)，采用主成分分析法計(jì)算各個(gè)肥力指標(biāo)的公因子方差，將公因子方差占公因子方差總和的百分?jǐn)?shù)作為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值Wi，最后將各肥力因子的指標(biāo)值進(jìn)行乘法加合，計(jì)算出不同樹種的土壤肥力總和指標(biāo)值(IFI)[19,21]

IFI= ∑[Wi×F(Xij)],

式中，Wi表示各肥力因子的權(quán)重向量，F(xiàn)(Xij)表示各肥力因子的隸屬度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種類型的土壤pH值差異

由圖1可知，不同樹種的土壤pH值具有顯著性差異(P<0.05)，且均低于6.5，屬于酸性土壤。15種樹木中，HTQ的土壤pH值最高，為6.46；HH次之，為6.19；SH的土壤pH值最低，為5.22，酸性比HTQ和HH明顯增強(qiáng)。各樹種的土壤pH值依均值由大到小依次為HTQ>HH>HY>B>LYS>ZD>L>CLS>RZ>HS>HDS>SQL>MGL>MC>SH。B、HH、HTQ、HY等樹種土壤pH值介于6.0～6.5；L、CLS、HDS、HS、LYS、RZ、SQL、ZD等樹種土壤pH值介于5.5～6.0；MC、MGL、SH等樹種土壤pH值介于5.0～5.5，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐酸性特征以及對(duì)土壤pH值的調(diào)節(jié)能力。

圖1 不同樹種土壤pH值

2.2 不同樹種類型的土壤EC差異

由圖2可知，不同樹種土壤的EC存在顯著差異(P<0.05)。整體上15種樹種分處于3種EC范圍，其中，HTQ、HDS和B 3個(gè)樹種的EC處于156～178.11 μs/cm，EC值較高；其次為HH、ZD、HS、L、LYS、MGL和SH，7種樹種EC介于101.78～136.56 μs/cm，EC居中；而 CLS、HY、MC、SQL和RZ 5個(gè)樹種的土壤EC較低，介于 71.72～94.56 μs/cm，每個(gè)范圍內(nèi)各樹種間EC無顯著差異。

圖2 不同樹種土壤EC

2.3 不同樹種類型的土壤全氮含量差異

由圖3可知，不同樹種土壤全氮(TN)含量存在顯著差異(P<0.05)，其中，B的土壤TN含量最高，為13.52 g/kg；HTQ次之，為12.70 g/kg；除二者外，MC、SH、這2個(gè)樹種的土壤TN含量較高，分別為11.94和11.44 g/kg。HH林下的土壤TN含量最低(5.28g/kg)，僅為B土壤的39.05%。15個(gè)樹種林下土壤TN含量總體可分成3個(gè)范圍梯度，其中，B、HTQ、MC、SH 等樹種下土壤TN含量較高，介于11.44～13.52 g/kg；其次為CLS、HDS、LYS、RZ、SQL和ZD 等，TN含量介于8.91～10.84 g/kg，比高氮土壤下降了0.05%～34.10%；土壤TN含量較低，介于5.28～7.42 g/kg的樹種包括：L、HH、HS、MY、MGL，這類樹種林下土壤TN含量比高氮土壤下降35.14% ～34.10%。

圖3 不同樹種土壤全氮含量

2.4 不同樹種類型的土壤全磷含量差異

由圖4可知，不同樹種的土壤全磷(TP)含量具有顯著性差異(P<0.05)。其中，以L林下土壤TP含量顯著高于其他14種樹種土壤(P<0.05)，為3.61 g/kg，其次為HTQ，其林下土壤TP含量達(dá)到3.17 g/kg。HH的土壤TP含量最低(1.49 g/kg)，僅為L和HTQ的41.27%和47%。除HH外，MC(1.93 g/kg)和MGL(1.68 g/kg)的土壤TP含量也較低，與HH土壤TP無顯著差異。15個(gè)樹種土壤TP含量依均值由大到小依次排列為L>HTQ>CLS>SQL>B>SH>RZ>LYS>HY>HDS>ZD>HS>MC>MGL>HH。

圖4 不同樹種全磷含量

2.5 不同樹種類型的土壤全鉀含量差異

各樹種土壤全鉀(TK)含量如圖5所示。其中，HY的土壤TK含量顯著高于其他14個(gè)樹種(P<0.05)，達(dá)到14.28 g/kg，比含量第2高的B(10.23 g/kg)土壤提高0.39倍；L的土壤TK含量顯著低于各樹種(P<0.05)，僅為4.18 g/kg，比HY樹種土壤降低70.7%。整體來看，除HY和L 2種樹種土壤含量波動(dòng)較大外，其他13種樹種土壤TK含量基本分布于7～10 g/kg，在多個(gè)樹種間的總體波動(dòng)較全氮、全磷小。分析認(rèn)為，土壤TK含量的高低與土壤礦物構(gòu)成有關(guān)，該地區(qū)采集的各類樹種分布范圍相對(duì)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成而言是小尺度，在相對(duì)一致的礦物基礎(chǔ)上形成的土壤TK含量近乎一致，但環(huán)境因素及生物因素作用下，仍會(huì)存在一定的差異，但這種差異相對(duì)其他組分仍舊較小。

圖5 不同樹種的全鉀含量

2.6 不同樹種類型的土壤全碳含量差異

由圖6可知，各樹種土壤的全碳(TC)含量間存在顯著差異，其中，B土壤的TC含量顯著高于其他14類樹種(P<0.05)，為148.20 g/kg；除B外，MC、HDS、HTQ、CLS 4個(gè)樹種的土壤全碳含量較高，分別為128.23、124.21、118.06和116.26 g/kg，L、HH、HY、MGL、RZ和SQL 6個(gè)樹種的TC含量較低，介于54.22～87.60 g/kg，相比B下降了40.90%～63.41%；其中L(54.22 g/kg)的土壤TC含量最低，僅為B的36.59%。各樹種土壤全碳含量依均值由大到小依次排列為B>MC>HDS>HTQ>CLS>SH>LYS>ZD>HS>RZ>SQL>HH>MGL>HY>L。

圖6 不同樹種全碳含量

2.7 不同樹種類型的土壤銨態(tài)氮含量差異

不同樹種的土壤NH4+-N含量如圖7所示，各樹種的土壤NH4+-N含量存在顯著差異性(P<0.05)；其中，B的土壤NH4+-N含量最高，為38.19 mg/kg；包含B在內(nèi)的3個(gè)樹種(B、MC、ZD)的土壤NH4+-N含量較高，介于35.41～38.19 mg/kg，3者間無顯著差異但均顯著高于其他樹種(P<0.05)；HY、HH、SQL和L 4個(gè)樹種土壤的NH4+-N含量較低，介于11.75～16.56 mg/kg；相比含量較高的樹種(B、MC、ZD)下降了53.23%～69.23%；HY(11.75 mg/kg)的土壤NH4+-N含量最低，僅為B的30.77%。

圖7 不同樹種土壤銨態(tài)氮含量

2.8 不同樹種類型的土壤速效磷含量差異

不同樹種的土壤速效磷(AP)含量如圖8所示，其中，B的土壤AP含量最高，為83.78 mg/kg；HTQ次之，為83.76 mg/kg；除二者外CLS、RZ的土壤AP含量較高，分別為81.75、71.90 mg/kg；其他樹種的AP含量介于40.55～60.16 mg/kg，相比AP最高的B降低了28.19%～51.60%；HS(40.55 mg/kg)的土壤AP含量最低。各樹種的土壤AP含量依均值由大到小依次排列為B>HTQ>CLS>RZ>SQL>LYS>SH>L>ZD>MC>HY>HH>HDS>MGL>HS。

圖8 不同樹種土壤速效磷含量

2.9 土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性分析

為了更好了解各土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，將15種樹種的8個(gè)肥力指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)顯著性檢驗(yàn)(表2)。分析發(fā)現(xiàn)，土壤EC與土壤pH值間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.524,P<0.05)，表明它們?cè)诓煌瑯浞N的土壤中具有相同的變化規(guī)律。在土壤全量養(yǎng)分與土壤速效養(yǎng)分的相關(guān)性上，土壤TN與土壤NH4+-N、土壤TP與土壤AP間均呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.581,P<0.05)，而土壤TN與土壤AP、土壤TC與土壤NH4+-N間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.691和0.705，表明他們間具有明顯的同源性。在全量養(yǎng)分相關(guān)性上，TN與TC間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.795,P<0.01)；TN與多個(gè)肥力指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系，可見土壤TN在土壤肥力中有著重要的正面影響。由于不同肥力指標(biāo)間存在信息重疊，不足以分析土壤肥力的全貌，因此需要進(jìn)一步采用土壤肥力質(zhì)量綜合指數(shù)(IFI)來對(duì)不同樹種的土壤肥力進(jìn)行分析。

表2 土壤肥力指數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣

2.10 不同植被類型下土壤肥力質(zhì)量分析

采用線性賦分函數(shù)對(duì)各個(gè)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行賦分，對(duì)于pH值、EC等肥力指標(biāo)，采用降型線性賦分函數(shù)；TN、TP、TK、TC、AP、NH4+-N等其他化學(xué)肥力指標(biāo)采用升型線性賦分函數(shù)[20]。各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值見表3，TK權(quán)重系數(shù)高于0.130，屬于高權(quán)重指標(biāo)，pH值、EC、TN、TP、TC、AP等指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)位于0.120～0.130，屬于中等權(quán)重指標(biāo)，NH4+-N權(quán)重系數(shù)為0.113<0.120，屬于低權(quán)重指標(biāo)，算得各樹種土壤IFI值及其標(biāo)準(zhǔn)誤(差)和顯著性見表4，可以看出不同樹種間土壤肥力質(zhì)量差異性顯著(P<0.05)。其中，MC、B和CLS 3者的IFI值顯著高于其余樹種(P<0.05)，介于0.650～0.670，表明土壤肥力質(zhì)量較好。其中，B的IFI值最高(0.670)；MC與CLS次之。HTQ、RZ和SH相互間無顯著差異；LYS、SQL、ZD間亦無顯著差異。HH的IFI值最低，為0.200，約占MC的1/3，顯著低于其余樹種(P<0.05)，表明土壤肥力質(zhì)量較差；各樹種間IFI大小為B>MC>CLS>RZ>SH>HTQ>SQL>ZD=LYS>HDS>HY>HS>L>MGL>HH。

表3 各指標(biāo)權(quán)重值

表4 各樹種IFI值、標(biāo)準(zhǔn)(誤)差及顯著性

3 討論

3.1 不同樹種的土壤理化因子差異性

東北林區(qū)具有森林面積廣、類型豐富等特點(diǎn)，與南方林區(qū)、西南林區(qū)并稱為中國3大林區(qū)，其土壤多為暗棕壤，養(yǎng)料豐富，具有良好的剖面結(jié)構(gòu)，是林木生長必要的載體[22]。植物與土壤均是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植物的生長與林地植被的更新交替都離不開土壤。楊萬勤等[23]認(rèn)為，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植物與土壤間存在一個(gè)植物-土壤的物質(zhì)交換面，植物通過根系將土壤與自身連接，通過地上組織與外界環(huán)境連接，由此形成了環(huán)境-植物-土壤的整體系統(tǒng)，分別在地下部分與地上部分系統(tǒng)的進(jìn)行物質(zhì)與能量運(yùn)輸，從而影響著植物的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)植物和土壤的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)平衡[24]。林木在土壤中獲取各種礦質(zhì)營養(yǎng)、水分、空氣，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場(chǎng)所。良好的土壤環(huán)境不僅有助于植物的生長，同時(shí)也影響了生態(tài)系統(tǒng)中生物的分布格局[25]。

pH值和EC是保證作物在土壤中正常生長的2個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，pH值是土壤溶液酸堿度的指標(biāo)，對(duì)土壤的良性發(fā)育，微生物的活動(dòng)以及林木的生長發(fā)育起著重要作用。土壤EC是描述土壤鹽分狀況的常用指標(biāo)，其與土壤pH值二者能夠說明土壤的耐酸堿性與鹽堿程度，土壤酸堿度與鹽度過高或過低也能直接影響作物的生長，影響土壤微生物的含量以及礦質(zhì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化從而影響土壤肥力，反映了土壤改良程度與環(huán)境問題[26]。研究發(fā)現(xiàn)，不同樹種土壤的pH值<6.5，介于5.22～6.46；不同樹種土壤EC<1.8 ms/cm，介于71.72～178.11 μs/cm，屬酸性非鹽漬化土壤[18]，其中，HTQ與B的pH值和EC指標(biāo)較高，說明2個(gè)樹種的耐酸性較弱，鹽漬化較其它樹種偏高；MC和SQL的指標(biāo)較低，2個(gè)樹種的耐酸性較強(qiáng)，這與路嘉麗等[27]的研究結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，不同樹種的土壤總體偏酸，針對(duì)土壤酸化問題，有研究[28]表明，可能與樹木在生長過程中每年有大量的凋落物累積于地表，其內(nèi)部含有酸性物質(zhì)且分解速率較慢，雨季降水使浸出液下滲到土壤中，會(huì)導(dǎo)致土壤酸化有關(guān)。

土壤氮素是土壤肥力中的重要指標(biāo)，氮素的儲(chǔ)量是一個(gè)積累的過程，主要源于動(dòng)植物微生物殘?bào)w以及凋落物分解[29]。其中，土壤TN對(duì)林木的生長發(fā)育以及養(yǎng)分循環(huán)有著重要影響[30-31]，測(cè)定全氮含量有助于了解不同樹種的土壤含氮水平。林土中的銨態(tài)氮以銨根離子(NH4+)的形態(tài)存在，是土壤有效氮的一種主要形式，可以與其他形式的氮元素在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。因NH4+-N溶解性較高，進(jìn)入土壤中能夠快速被植物吸收利用，測(cè)定土壤NH4+-N含量決定著土壤的氮素供應(yīng)能力[32-33]。林波等[34]研究發(fā)現(xiàn)，不同樹種的凋落物層生物量成分不同，其分解的速率也各異，會(huì)影響土壤的氮素積累。該研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層中B與MC 2個(gè)樹種的TN與NH4+-N含量表現(xiàn)相近，二者含量均較高，且表現(xiàn)為B > MC。B氮素含量高可能與B生于山腹陰濕地，其喬木層、灌草層、凋落物層生物量與其他樹種相比較高[35]，在降雨集中期(7-9月)的土壤NH4+-N淋溶量低與其他樹種有關(guān)[36]；而MC則會(huì)與土壤中的根瘤菌相互作用形成根瘤，菌體能將空氣中的N2還原為供植物生長的氨，其氮素含量較高[37]。土壤氮素含量也影響著土壤有機(jī)質(zhì)水平，對(duì)土壤碳含量有著間接影響。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，樹木的生長環(huán)境以及特殊的植被環(huán)境會(huì)使土壤表層沉積大量調(diào)落物，分解和淋溶作用可以增加土壤碳素與氮素含量[38-39]。這與該研究中B和MC 2個(gè)樹種的TC含量較高相一致，說明二者為林木有較強(qiáng)的供碳能力[40]，與土壤中養(yǎng)分具有表聚性[41]且林地里凋落物的累積量有關(guān)。3種肥力因子中，HH、L與HY總體含量較低。這一結(jié)果與趙心苗[42]、王覓[43]、折紅燕等[44]王江[45]研究結(jié)果相近，與黃秋嫻等[46]研究結(jié)果相差較多，主要原因可能是不同林分間的碳含量存在較大差異，與不同林分類型的地表凋落物含量及土壤的中植物根系的分布、樹種間不同的生長習(xí)性有關(guān)[45]。且HH、L 2樹種土壤的取樣位置是南向陽坡，生境偏干，蒸發(fā)量大，土壤緊實(shí)度高，坡度較大養(yǎng)分易流失等因素有關(guān)。而L因偏濕的生長環(huán)境，濕成土中石礫含量較高，對(duì)養(yǎng)分含量有一定的影響。

土壤磷素不同于其他營養(yǎng)元素，主要源于植物的養(yǎng)分循環(huán)以及土壤的巖石風(fēng)化作用，受植被、土壤微生物以及凋落物的影響[47]，主要富集于0～40 cm土層[9]，土壤TP對(duì)植物的生長以及細(xì)胞的能量代謝起著重要作用，對(duì)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量也有著重要影響[48]。在磷素中土壤速效磷起主導(dǎo)作用，是反映土壤磷素供應(yīng)水平的指標(biāo)之一，對(duì)于改良土壤、保護(hù)環(huán)境有重要的指導(dǎo)意義[49]。該研究中，胡桃楸(HTQ)與臭冷杉(CLS)的土壤磷素總體較高，可能與其酸性土壤中一些礦質(zhì)元素在酸溶液中與磷形成沉淀，從而形成磷酸鐵鋁化合物，最終轉(zhuǎn)化為閉蓄態(tài)磷酸鹽及其母質(zhì)含量較高有關(guān)[45]。土壤TP中朝鮮柳(L)含量最高，說明其土壤的供磷潛力較強(qiáng)，主要因?yàn)槌r柳(L)生于山谷濕地，樹種生境屬中生偏濕，土壤的厭氧環(huán)境對(duì)磷有一定的富集作用。土壤磷素與樹種的凋落物水平有關(guān)，隨著植物生長，根系會(huì)從淺土層延伸進(jìn)深層土壤吸收AP，并通過根系分泌及凋落物的形式將磷素運(yùn)至表層[50]。土壤AP中，東北槭(B)含量高可能與其具有較高的凋落物水平有關(guān)[35]。

鉀素是土壤重要的肥力因子，其參與植物體內(nèi)幾乎全部的生化反應(yīng)，對(duì)于促進(jìn)酶的催化、植物蛋白質(zhì)的代謝以及植物生理調(diào)控具有重要作用[51]，測(cè)定土壤TK含量可反映出土壤鉀的豐缺狀況。該研究中不同樹種的TK含量范圍在4.18～14.28 g/kg，低于土壤含量一般水平(116.6 g/kg)[19]，不同樹種間TK含量差異較大，主要與受區(qū)域性影響的成土母質(zhì)差異及生物氣候環(huán)境變化的影響。張海龍[51]研究發(fā)現(xiàn)，HY的根系生物量和根長密度與土壤TK之間相關(guān)水平較高(R2=0.913 4,P<0.01)。而HY的土壤TK較其他樹含量相比最高，可能與HY所在樣地屬陽坡干旱生境，含水量較低，粗粒礦質(zhì)含量較多，需構(gòu)建自身的根系系統(tǒng)形成各自的響應(yīng)機(jī)制從而來獲取更多的養(yǎng)分，從而對(duì)不同環(huán)境表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。研究中發(fā)現(xiàn)L的土壤TK含量顯著低于其余樹種(P<0.05)，且低于不同樹種的平均值(8.49 g/kg)，這是由于L生于河岸，其濕成土中母質(zhì)較粘重，而風(fēng)化形成的基巖較少且易發(fā)生淋溶導(dǎo)致。

3.2 不同樹種的土壤肥力質(zhì)量分析

森林土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，林木生長所需的各種養(yǎng)分除了部分來源于外界環(huán)境，其余都要靠土壤所提供[9]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤性質(zhì)的差異是地形因子和林土利用的綜合[52]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤的性質(zhì)不僅受不同樹種的影響，也受立地條件約束。地形因素的差異會(huì)影響其水熱條件，有機(jī)物質(zhì)的積累與分解，進(jìn)而影響土壤的各種指標(biāo)。該研究中不同樹種的選取加之樹種的海拔、地形、坡向等不同立地條件的差異使其土壤性質(zhì)也不同。

森林土壤質(zhì)量是森林土壤的各種性質(zhì)綜合表征，當(dāng)前土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法眾多[53-55]，但是具有代表性的評(píng)價(jià)方法還未建立，該研究通過主成分分析，采用綜合指數(shù)法(IFI)建立東北林區(qū)15種樹種的土壤肥力評(píng)價(jià)體系，其IFI值表明各樹種土壤肥力大小表現(xiàn)為B>MC>CLS>RZ>SH>HTQ>SQL>ZD=LYS>HDS>HY>HS>L>MGL>HH。土壤肥力高低取決于系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分的輸入與輸出，若二者相比輸入大于輸出則肥力提升，反之下降[7]。該研究選取天然林樹種，受人類影響而導(dǎo)致的外源養(yǎng)分輸入概率幾乎為零，其主要肥力主要受氣候條件和森林凋落物含量影響。研究發(fā)現(xiàn)[35]，B與MC凋落物量比其他樹種較高，且對(duì)其測(cè)定的土壤碳儲(chǔ)量高于我國天然林平均土壤碳儲(chǔ)量(109 t/hm2)70%，不同樹種間凋落物量的差異使得林木歸還土壤的各種養(yǎng)分含量也差異甚遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

通過采取15種東北典型樹種的冠下土壤，測(cè)定其8個(gè)土壤肥力指標(biāo)，對(duì)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果如下。

1) 所有樹種的土壤屬于酸性非鹽漬化土，HTQ與B的土壤pH值和土壤EC指標(biāo)較高，耐酸性較弱；MC和SQL 2樹種的指標(biāo)較低，其耐酸性較強(qiáng)。

2) B與MC的土壤TN、NH4+-N以及TC含量較高，HTQ與CLS的土壤TP含量較高；土壤TK中，HY與B 2樹種表現(xiàn)較好。

3) 通過主成分分析計(jì)算各指標(biāo)的公因子方差，采用綜合指數(shù)法(IFI)對(duì)不同樹種的肥力質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，其肥力大小依次為：B>MC>CLS>RZ>SH>HTQ>SQL>ZD=LYS>HDS>HY>HS>L>MGL>HH。