王慧元,榮 譽,楊新兵
(1.中國環(huán)境管理干部學(xué)院,河北 秦皇島066000;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定071000)
土壤養(yǎng)分作為土壤環(huán)境的一部分,對植被恢復(fù)有著極其重要的作用[1]。森林土壤養(yǎng)分狀況,與構(gòu)成林分樹種、樹種組成及林分結(jié)構(gòu)等林分因子有密切關(guān)系[2]。不同植被類型影響著土壤養(yǎng)分循環(huán),通過研究土壤養(yǎng)分變化,對于了解各群落土壤肥力和營養(yǎng)元素循環(huán)機制有重要意義[3-6]。目前,國內(nèi)外有關(guān)土壤養(yǎng)分的研究很多。本文以河北霧靈山不同林分類型土壤為研究對象,對不同林分的土壤養(yǎng)分進行綜合評價,分析不同林分類型土壤養(yǎng)分特征和綜合效應(yīng),以確定那種林分的土壤養(yǎng)分排序最高,為評價霧靈山森林和土壤生態(tài)系統(tǒng)健康狀況提供依據(jù)。
霧靈山位于河北省興隆縣境內(nèi),地處117°17′—117°35′E,40°29′—40°36′N,與北京市密云縣相鄰,海拔為800~1 900m,其頂峰海拔2 116.2m,為燕山山脈第一高峰。土壤以褐土和棕壤為主,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。霧靈山是河北省多雨地域之一,年降水量763mm。水熱同季,有利于植物生長。山上空氣濕度大且多霧。由于地形的影響,北坡降水少于南坡。霧靈山優(yōu)越的自然條件和復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境使其具有比較豐富的植物種類,約有高等植物151科,598屬,1 600余種。此外,還有低等植物200余種。霧靈山絕大多數(shù)植物種類屬于華北植物區(qū)系,部分屬于蒙古植物區(qū)系,還受東北植物區(qū)系的影響。油松(Pinus tabulaeformis)、華北落葉松(Larix principic-rupprechtii)、蒙古櫟(Quecus momgolica)、核桃楸(Juglans mandshurica)、山楊(Populus davidi-ana)、白樺(Betula platyphylla)是該區(qū)分布最廣,作用最大的優(yōu)勢種。單種屬植物較多,還有一定數(shù)量的栽培區(qū)系成分。
2008年7月中旬在河北霧靈山選取5種代表性的純林林分進行采樣分析,每個林分類型做3個重復(fù),樣地面積為40m×40m,對其進行每木檢尺,各樣地基本特征如表1所示。將5種代表性的純林林分土壤分別按0—10cm,10—20cm,20—40cm三層機械取樣,把取得的土壤樣品帶回實驗室風(fēng)干,過0.2 mm的篩子用于土壤養(yǎng)分的測定。用pH酸度計測土壤pH,用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量,土壤全氮含量采用凱氏定氮法,土壤堿解氮含量采用堿解擴散法,土壤全磷為硫酸—高氯酸—鉬銻抗比色法,土壤速效磷為碳酸氫鈉浸提比色方法,土壤速效鉀采用火餡光度計法[7]。
表1 標準地基本概況
利用主成分分析法,對研究區(qū)內(nèi)不同林分土壤養(yǎng)分研究結(jié)果進行綜合評價。
綜合評價土壤養(yǎng)分的7項指標,包括pH值(X1)、有機質(zhì)(X2)、全氮(X3)、全磷(X4)、速效磷(X5)、速效鉀(X6)、堿解氮(X7)。
本文采用SPSS17.0,對所測定的7項指標進行主成分分析。主成分分析法是一種降維的方法,通過分析多個變量,篩選出貢獻量最大的成分作為主要成分進行綜合評價。
土壤酸堿性(pH值)是土壤化學(xué)性質(zhì)的一個重要方面。微生物的活動、土壤有機質(zhì)的分解、土壤中養(yǎng)分元素的釋放、轉(zhuǎn)化以及遷移都與酸堿度有關(guān)[8]。由圖1可知,5種不同林分的土壤pH值均為弱酸性,其變化范圍為4.61~6.31,蒙古櫟純林和白樺純林隨土層增加pH值減??;油松純林和核桃楸純林均隨土層增加先減小后增大,落葉松純林隨土層增加先增大后減小。這是由于林地土壤表層森林枯落物的分解產(chǎn)生大量的有機酸,而且鹽基又從礦質(zhì)土壤表層淋失出來所致,與趙廣亮等人在北京市八達嶺林場的研究結(jié)果一致[9],進一步證實了凋落物對pH值的影響。
圖1 不同林分不同土層土壤pH值
如圖2所示,在0—10cm和10—20cm土層內(nèi),有機質(zhì)排序均為白樺純林最大,油松純林最小,20—40cm土層,土壤有機質(zhì)排序為核桃楸純林最大,油松純林最小。只有油松純林在0—10cm的表層土壤其有機質(zhì)含量高于下層,其他林分類型均是表層土壤有機質(zhì)高于下層土壤有機質(zhì)。從三層土壤層有機質(zhì)來看,0—10cm土層土壤有機質(zhì)最大,為8.50g/kg;10—20cm 土層土壤有機質(zhì)居中,為4.41g/kg;20—40cm土層土壤有機質(zhì)最小,僅為3.12g/kg。從三層土壤有機質(zhì)均值來看,白樺純林(9.60g/kg)最大,油松純林(2.53g/kg)最小,白樺純林是油松純林的3.79倍。從針闊林角度來看,闊葉林的土壤有機質(zhì)普遍大于針葉林,說明闊葉林的土壤肥力大于針葉林,其原因是土壤有機質(zhì)主要來源于地上植物的凋落物及地下根系,闊葉樹種其根系多于針葉樹種,凋落物量也相對較多。
圖2 不同林分不同土層土壤有機質(zhì)含量
由表2可知,隨土壤厚度的增加,只有蒙古櫟純林全P含量呈逐漸遞增的趨勢,其他林分類型均呈逐漸遞減的趨勢。土壤全P含量每10cm均值的變化趨勢為:白樺純林>核桃楸純林>蒙古櫟純林>落葉松純林>油松純林。
表2顯示,隨土層增加,核桃楸純林全N含量先減小后增大;其他林分類型均呈現(xiàn)遞減的趨勢。土壤全N含量每10cm均值的變化趨勢為:油松純林>蒙古櫟純林>白樺純林>核桃楸純林>落葉松純林,即油松純林的土壤供N的總水平最高為3.45g/kg。
不同林分全P和全N養(yǎng)分含量均是闊葉林大于針葉林,全P和全N比較,不論是不同土層還是養(yǎng)分含量均值都是全N含量大于全P含量。
表3顯示,隨著土壤深度的增加,土壤中速效K含量呈逐漸減少的趨勢。不同林分土壤速效K含量每10cm均值在67.54~169.88mg/kg之間,變化趨勢為:蒙古櫟純林>白樺純林>核桃楸純林>落葉松純林>油松純林,速效K含量均值最大的蒙古櫟純林(169.88mg/kg)是最小的油松純林(67.54mg/kg)的2.52倍。
表2 不同林分土壤全P全N含量
表3 不同林分土壤速效養(yǎng)分含量
由表3可知,不同林分土壤速效P含量每10cm均值在0.84~6.84mg/kg之間,排序為:白樺純林(6.84mg/kg)>蒙古櫟純林(4.50mg/kg)>核桃楸純林(4.42mg/kg)>油松純林(4.41mg/kg)>落葉松純林(0.84mg/kg),白樺純林的土壤速效P含量最大,是最小的油松純林的8.14倍。
5種不同林分中(表3),土壤堿解N含量每10 cm均值在65.68~147.88mg/kg之間,變化趨勢為:白樺純林(147.88mg/kg)> 核桃楸純林(117.13 mg/kg)>油松純林(100.72mg/kg)>落葉松純林(80.07mg/kg)>蒙古櫟純林(65.68mg/kg),白樺純林的堿解N均值含量是蒙古櫟純林的2.25倍。闊葉林分的速效N含量高于針葉林。
研究5個林分類型綜合評價土壤養(yǎng)分效應(yīng),對各樣地所測的三層原始數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值進行標準化處理,結(jié)果見表4。將5個林分類型的7項指標轉(zhuǎn)化為7個成分。由表5可以看出,前3個成分的累計貢獻率為99.645%,表明前3個主成分已經(jīng)把5個林分類型的99.645%信息反映出來,且前3個主成分的特征值均大于1,介于1.418~4.000。因此,前3個成分可以較好的反映出各評價指標所包含的綜合信息。根據(jù)各性狀相關(guān)矩陣的特征向量(表6)可構(gòu)造土壤養(yǎng)分效應(yīng)評價函數(shù),3個主成分的權(quán)重依次為:0.573,0.223,0.203;5種不同林分的綜合得分和排名如表7所示。
表4 不同林分評價指標標準化數(shù)據(jù)
表5 主成分初始特征值
由表7可知,不同林分類型土壤養(yǎng)分效應(yīng)評價值表現(xiàn)為:白樺純林(1.122)>核桃楸純林(0.203)>蒙古櫟純林(0.106)>油松純林(-0.261)>落葉松純林(-0.819)。
表6 主成分得分系數(shù)矩陣
表7 不同林分類型綜合效應(yīng)評價結(jié)果
5種不同林分綜合排序為白樺純林>核桃楸純林>蒙古櫟純林>油松純林>落葉松純林。白樺純林的林齡最大,為39a,且其土壤有機質(zhì)、全P、全N、速效P和堿解N含量均是5種林分類型中最高的;且處于半陰坡,坡度21°較平緩,郁閉度0.7也較大,海拔1 480m,是5種林分類型中最大的。核桃楸純林和蒙古櫟純林均為闊葉林,其枯枝落葉層積累的腐殖質(zhì)均高于針葉林,且樹種根系發(fā)達,有助于有機質(zhì)的積累,核桃楸純林土壤類型為褐土,而蒙古櫟純林土壤類型為棕壤,本有的土壤肥力核桃楸純林高于蒙古櫟純林。油松純林和落葉松純林均為針葉樹種,根和枝葉積累的有機質(zhì)較少;油松純林海拔最低,且處于陽坡,樹木生長狀況較好,枯枝落葉層分解速度較快,積累的營養(yǎng)物質(zhì)高于落葉松純林;落葉松純林,坡度較低,僅為11°,枯枝落葉不易積累,處于陰坡,接收陽光較少,生長狀況不良,枯枝落葉層不易分解,積累的營養(yǎng)物質(zhì)最少。
5種不同林分的土壤pH值均為弱酸性,蒙古櫟純林和白樺純林隨土層增加pH值減?。挥退杉兞趾秃颂议奔兞志S土層增加先減小后增大,落葉松純林隨土層增加先增大后減??;土壤有機質(zhì)含量油松純林隨土層深度增加而增大,其它林分類型隨土層增加而減小,闊葉林的土壤有機質(zhì)普遍大于針葉林的;隨土壤厚度的增加,土壤速效養(yǎng)分含量和土壤全量養(yǎng)分含量呈現(xiàn)遞減的趨勢,全N含量大于全P含量,闊葉林大于針葉林;土壤速效K含量均值蒙古櫟純林最大油松純林最小,土壤速效P含量白樺純林最大油松純林最小,堿解N含量白樺純林最大蒙古櫟純林最小。不同林分類型土壤養(yǎng)分綜合效應(yīng)評價白樺純林最大,落葉松純林最小。
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