冀西北3种植被恢复类型土壤理化性质差异及肥力评价

李洁，滑磊，任启文，孙杰肖，马香玲

1.河北省水利科学研究院，河北 石家庄 050051；2.河北省英烈纪念园管理处，河北 石家庄 050051；3.河北省林业和草原科学研究院，河北 石家庄 050061

土壤是森林的载体，森林质量的提升离不开土壤肥力的提升和可持续利用，而森林土壤的自我维持和调节在土壤可持续利用中发挥着关键作用。森林植被种类、结构、恢复年限不同对土壤肥力的改善作用也不尽相同。已有研究表明，乔木林对露天煤矿排土场土壤容重的改善作用大于灌木林和荒草地（李叶鑫等，2017）；湘西北石漠化区，不同植被类型土壤有机C和全P均表现为阔叶林＞针阔混交林＞针叶林＞灌木丛（刘兴锋等，2019）；贵州杠寨小流域华山松和马尾松林土壤持水能力最好（周玮等，2012）；华西雨屏区恢复30年的6种植被表土层N、P、K含量差异显著（胡慧蓉等，2014）。大兴安岭密度2 850 plant·hm-2的落叶松白桦混交林，经中度（40%）间伐可有效提高土壤肥力（管惠文等，2019）。土壤肥力的改善主要与三方面的过程有关，一是根系的生长、分布及其分泌物，二是植物枯落物累积、性状及分解，三是土壤动物及微生物的活动，而所有过程又都受当地气候及环境的影响（任启文等，2018）。植物根系新陈代谢产物能够增加有机质含量，进而影响根际微生物（胡婵娟等，2012）；根系生长机械力可改变土壤结构，增加孔隙度。森林枯落物已成为土壤营养元素的重要来源，而凋落物的积累量、元素组成与含量、分解速度等都影响着土壤有机质、N、P、K的补充（曲浩等，2010）。土壤动物活动可使表层有机质运移到中下层（马香丽等，2016），土壤微生物可使有机质分解为C、N、P、K等元素。土壤动物、线虫和微生物群落组成和多样性受森林物种组成的显著影响，凋落物的多样化能够驱动土壤动物、微生物丰富度的增加（李宜浓等，2016）。

冀西北是京津冀上游的重要生态涵养区，发挥着极其重要的生态服务功能。因此，本研究选择立地条件基本相同，人为干扰少，恢复年限一致的3种植被类型（油松林、落叶松林、虎榛子灌木林）设置研究样地，对3种植被恢复类型多项理化性质指标进行分层分析，并对土壤肥力进行综合评价，揭示不同植被恢复类型对土壤肥力的改善作用，为冀西北森林质量提升提供理论依据，为生态公益林的可持续经营提供技术支撑。

1 研究区概况

本研究区地处张家口市崇礼区清水河流域，属中温带亚干旱区，大陆性季风气候，具有雨热同期，冬季寒冷漫长，夏季凉爽短促，昼夜温差大，雨量集中等特点。夏季均温19 ℃，冬季均温-12 ℃；无霜期100—120 d，年均降雨量450—550 mm（李洁等，2018）。

2 研究方法

2.1 样地设置

2018年7月，采用相邻样地比较法，在同一坡面上选择海拔相近（1 410—1 430 m），坡向一致，坡面均一，恢复年限一致（40 a）的油松林、落叶松林和虎榛子灌木林为研究对象。在每一林分中设置30 m×40 m的标准样地3块，并进行每木检尺和基本调查（表1）。3种林分土壤均为森林褐土。

2.2 土壤样品采集

每块样地按对角线端点和中点挖掘3个土壤剖面，每个剖面分上、中、下3层（0—20、20—40、40—60 cm），每层用环刀取原状土样3个，共计243个样品（60 cm以下砾石较多，无法用环刀取样，80 cm基本达到土壤母质层）。同样，每个剖面分上、中、下、底4层（0—20、20—40、40—60、60—80 cm），每层取扰动土样300 g装袋，共计108个扰动土样。取样工作用时5 d，取样期间无降雨。

2.3 土壤样品测试

土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤含水量、毛管持水量、最大持水量和田间持水量采用环刀法测定（张万儒等，1999）。扰动土样风干后，过1 mm筛，按照相关方法测定有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量（鲍士旦，1999）。

2.4 数据分析

2.4.1 数据处理

采用Excel 2007作图，SPSS 19.0进行主成分分析和Duncan差异显著性检验。

由于各植被类型不同土层间容重的差异，不能简单平均各层的持水和养分含量指标值来代表该植被类型土壤的持水能力和养分状况，因此计算了各项持水指标和养分含量指标的绝对储量R（kg·m-2）。

式中：B为第i层的土壤容重，h为第i层的土层厚度，C为第i层的持水量指标或养分含量指标值，n为土壤分层数；计算过程中换算相应的单位。

2.4.2 土壤肥力评价

采用土壤肥力指数法进行综合评价，主要步骤如下：

主成分分析：将测定的土壤理化性质指标通过主成分分析确定主成分数量，选择贡献率较大指标作为评价指标。若同一主成分中可选指标较多，通过相关性分析剔除与贡献率最大指标显著相关的指标（Andrews et al.，2002）。

标准化处理（Bastida et al.，2006）：

Y标准化指标值；a=1；x评价指标值；x0评价指标平均值；b取2.5（当x在主成分中的系数为负时）或-2.5（当x在主成分中的系数为正时）。

土壤肥力指数I：

I土壤肥力指数；Yi为标准化指标值；Wi权重，确定方法为Yi所在主成分能够解释方差变异量的百分比（Sinha et al.，2009）。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型土壤容重和孔隙度差异

由表2可见，土壤容重表现为土层越深，容重越大的变化过程。从土壤容重分层结果来看，上层落叶松林容重最小，虎榛子灌木次之，油松林最大，且差异显著；中层落叶松林与虎榛子灌木明显好于油松林；下层虎榛子灌木明显好于油松和落叶松林。0—60 cm土层落叶松林与虎榛子灌木容重明显低于油松林。3种植被类型土壤总孔隙度表现为土层越深，总孔隙度越小的变化过程。总孔隙度分层变化与土壤容重一致，0—60 cm土壤总孔隙度表现为落叶松林与虎榛子灌木明显大于油松林。土壤毛管孔隙度随土层深度无明显变化规律。3种植被类型土壤上、中、下3层毛管孔隙度表现为落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林。由以上分析可见，3种植被恢复类型对土壤容重和孔性的改善作用表现为落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林。

表1 样地基本情况Table 1 General condition of the sample plots

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

3.2 不同植被类型土壤持水能力差异

由表3可见，土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、田间持水量总体上表现为上层大于中下层，且上层与中层间的变幅很大，中下层间的变幅较小。3种植被类型中虎榛子灌木林的土壤水分自然储量明显大于油松林和落叶松林，而油松林和落叶松林土壤水分储量差异不明显。这种差异主要在于中下层土壤含水量的增加，可能是由于乔木根系分布深、耗水量大所致。毛管持水量显示落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林，落叶松林上中层土壤毛管发达，而虎榛子灌木中下层毛管较油松林发达。最大持水量和田间持水量同样表现为落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林，且差异显著，从分层结果看，落叶松林上中层持水量大，而虎榛子灌木中下层持水量大。由以上分析结果可以看出，落叶松林土壤持水能力最大，虎榛子灌木次之，油松林最小。

3.3 不同植被类型土壤养分含量差异

由表4可见，3种植被类型0—80 cm土壤有机质、全氮储量均表现为落叶松林和虎榛子灌木差异不显著，但都显著高于油松林；从分层结果看，落叶松林上、中层较高，虎榛子灌木中、下层较高，而油松林各层都较低。0—80 cm土壤全磷储量油松林＞落叶松林＞虎榛子灌木；分层结果表明油松林下层和底层含量较高，落叶松林上、中层含量较高，虎榛子灌木各层均较低。全钾0—80 cm土壤储量含量表现为油松林＞落叶松林＞虎榛子灌木，油松与落叶松林差异不显著，但都显著大于虎榛子灌木；油松林中、下、底层含量较高，落叶松林上、中、下层含量较高，虎榛子各层均较低。0—80 cm土壤速效氮储量落叶松林大于虎榛子灌木和油松林，后者之间差异不显著；速效磷和速效钾储量均为油松林最大，落叶松林最小。由此可见，落叶松林土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮储量较高，虎榛子灌木林有机质、全氮、速效钾储量较高，油松林全磷、全钾、速效磷、速效钾储量较高。

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

3.4 不同植被类型土壤肥力评价

为进一步探讨不同植被恢复类型土壤肥力差异，选择反映土壤物理性质（SBD、STP、SCP）、持水能力（SWC、CW、MW、FW）和养分含量（SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK）的指标进行主成分分析（表5），借此来选择最具代表性的评价指标，从而摒弃相互关联的指标。主成分1、2、3方差贡献率分别为67.06%、11.89%、7.72%，累计方差贡献率86.67%，说明这3个主成分能够表达大部分信息，具有较好的代表性。主成分1中SBD、STP、SCP、SWC、CW、MW、FW、SOM、TN、AN、AP、AK都有较高的系数；但SOM与SBD显著负相关，与STP、SCP、SWC、CW、MW、FW、TN、AN、AP、AK显著正相关（表6），且SOM在主成分1中系数最大，因此选择SOM为主成分1的评价指标。同理，分别选择TK、TP为主成分2、3的评价指标。

表4 不同植被类型土壤养分含量Table 4 Soil nutrient content of different vegetation types

从不同植被类型各层土壤肥力指数之和SI来看（表7），落叶松林为1.76、虎榛子灌木为1.60、油松林为1.26，说明总体上落叶松林土壤肥力最好，虎榛子灌木次之，而油松林最差，且油松林土壤肥力与其他两种林分差距较大。从分层指数来看，土壤肥力指数差异主要在0—40 cm土层。0—20 cm土壤肥力表现为落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林；20—40 cm土壤肥力表现为落叶松林与虎榛子灌木一致，但显著优于油松林。从有机质、全钾、全磷3个评价指标的分层得分来看，油松林0—40 cm土壤肥力差主要由于其有机质含量低导致的，尤其20—40 cm土壤更为明显。油松林中层土壤有机质得分0.17，而落叶松林和虎榛子灌木得分分别为0.46和0.48，可见其差异非常之大。

4 讨论

植被类型不同对土壤理化性质的影响程度不同（邰姗姗等，2010；杨媛媛等，2012）。容重、孔性和持水能力等土壤物理性质是土壤肥力的重要影响因素。容重、孔隙度直接影响持水能力（李卓等，2010）。本研究发现，3种植被恢复类型中落叶松林与虎榛子灌木土壤容重明显低于油松林，总孔隙度大于油松林，直接导致其持水能力优于油松林。3种植被恢复类型的土壤持水能力及与之直接相关的容重、孔隙度间呈现显著差异的主要原因是土壤有机质含量的差异，由表6可见土壤有机质与容重极显著负相关，与孔隙度和持水能力指标均为极显著正相关，说明了物理性质的改善与有机质含量的关系。经计算，落叶松林和虎榛子灌木0—80 cm土壤有机质储量分别为26.87 kg·m-2和25.03 kg·m-2，而油松林仅为20.72 kg·m-2，解释了3种植被恢复类型间土壤容重、孔隙度和持水能力差异的主要原因。

表5 不同植被类型土壤指标主成分分析结果Table 5 Principal component analysis of soil index of different vegetation types

在土壤肥力综合评价中，落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林，落叶松林与虎榛子灌木土壤肥力相差并不大，但都显著优于油松林；从分层指数来看，起关键作用的是0—40 cm土层有机质含量，尤其是20—40 cm土层有机质含量。森林植被通过凋落物返还土壤有机质对于改善土壤肥力有重要影响，而3种植被恢复类型间土壤有机质含量的差异主要是由于枯落物的化学性质、分解速率，以及土壤微生物活性造成的。李强（2013）研究冀北山地主要植物凋落物叶片得出，油松具有很高的C/N、C/P、木质素/N和木质素/P，是落叶松和虎榛子的2—3倍多，而落叶松与虎榛子以上指标均无显著差异。当环境一致时，以C/N、C/P、木质素/N、木质素/P为主要指标的凋落物化学属性是其分解快慢的主要影响因子。当C/N、C/P等比值较低时，分解较快；反之，分解较慢（李英花等，2017）。这可能是3种植被恢复类型中，油松林土壤肥力差的主要原因。另外，油松叶表面含有角质层，落叶透水性较差，角质层阻碍真菌菌丝侵入，影响微生物的分解腐化作用，降低了凋落物的分解速率（胡亚林等，2005；郭培培等，2009）。这可能是油松林土壤肥力差的另一原因。综上，冀西北地区大量的油松纯林极有可能受阻于林地枯落物分解而使土壤有机质得不到及时补充，进而由此引发土壤容重、孔隙度、持水能力和养分含量得不到有效改善，导致油松林地土壤肥力相对低下，进而影响森林健康。因此，在森林可持续经营中，应充分关注森林植被恢复对土壤肥力的改善作用，选择对土壤肥力改善作用明显的植被类型，并通过多树种混交增加枯落物多样性，促进其分解。同时，灌木植被对土壤肥力的改善作用应引起足够的重视，充分合理的利用灌木植被改善土壤有时比乔木植被更有优势。

表6 土壤各项指标相关性矩阵Table 6 Correlation matrix of soil indexes

表7 不同植被类型土壤肥力指数Table 7 Soil fertility index of different vegetation types

5 结论

3种植被恢复类型中，落叶松林与虎榛子灌木土壤容重明显低于油松林，土壤总孔隙度和毛管孔隙度大于油松林。虎榛子灌木林的土壤水分自然储量明显大于油松林和落叶松林。最大持水量、田间持水量和毛管持水量均表现为落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林。3种植被恢复类型中，落叶松林土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮储量高，虎榛子灌木林有机质、全氮、速效钾储量高，油松林全磷、全钾、速效磷、速效钾储量高。3种植被类型对土壤肥力的改善作用落叶松林＞虎榛子灌木＞油松林；油松林土壤肥力与其他两种林分差距较大，主要由于其枯落物难于分解，上中层土壤（0—40 cm）有机质得不到及时补充。