袁 振, 魏松坡, 賈黎明, 張亞雄, 劉龍龍

(北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100083)

河北平山片麻巖山區(qū)微地形表層土壤養(yǎng)分異質(zhì)性分析

袁 振, 魏松坡, 賈黎明, 張亞雄, 劉龍龍

(北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100083)

以河北平山片麻巖山區(qū)7種微地形(坡頂、塌陷、巨石背陰、緩臺(tái)、陡坎、谷坡、U形溝)及原狀坡的表層土壤養(yǎng)分測(cè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比分析不同微地形及原狀坡之間表層土壤養(yǎng)分的異質(zhì)性，為片麻巖山區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：(1) 微地形、坡向、風(fēng)化層厚度均影響了表層土壤養(yǎng)分的變化，而微地形是引起這種變化的主要因子。(2) 微地形的表層土壤養(yǎng)分特征多數(shù)優(yōu)于原狀坡。其中，U形溝、塌陷和巨石背陰處有機(jī)質(zhì)含量最大(68.94 g/kg，60.71 g/kg，62.77 g/kg)，顯著高于其他微地形和原狀坡，坡頂處最小(22.58 g/kg)。(3) 全氮與全磷含量規(guī)律基本一致，都在U形溝、塌陷和巨石背陰處最大，緩臺(tái)和坡頂處較小。全鉀含量在坡頂、陡坎、谷坡處最大(11.88 g/kg，12.56 g/kg，11.67 g/kg)，塌陷、巨石背陰處較小(9.39 g/kg，9.69 g/kg)。(4) 堿解氮含量在U形溝、塌陷和巨石背陰處最大(6.87 mg/kg，6.54 mg/kg，5.93 mg/kg)，顯著高于其他微地形及原狀坡，坡頂處最小(3.75 mg/kg)。U形溝處速效磷含量最大(3.55 mg/kg)，塌陷、巨石背陰、陡坎和谷坡次之，這5種微地形顯著高于坡頂和原狀坡，坡頂處最小(1.27 mg/kg)。速效鉀含量在坡頂、陡坎達(dá)到最大(60.09 mg/kg，58.27 mg/kg)，這2種微地形顯著高于其他微地形和原狀坡。(5) 通過對(duì)7種微地形和原狀坡的3個(gè)坡向的表層土壤養(yǎng)分進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得出U形溝、塌陷和巨石背陰的土壤養(yǎng)分條件最好，坡頂和原狀坡的土壤養(yǎng)分條件最差。

片麻巖山區(qū); 微地形; 土壤養(yǎng)分; 異質(zhì)性; 灰色關(guān)聯(lián)分析

土壤是地球上植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，其理化性質(zhì)受成土母質(zhì)、地形條件、氣候條件、人為活動(dòng)等因素的綜合作用[1]，在大尺度上，這些因素促使土壤理化性質(zhì)具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。而在小尺度上，土壤的理化性質(zhì)則因微地形的變化表現(xiàn)出一定的空間規(guī)律性[2-5]。微地形通過地表的起伏變化，導(dǎo)致局部的光照、熱量、土壤水分、養(yǎng)分等資源進(jìn)行再分配[6-8]。因此，微地形的變化勢(shì)必對(duì)土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，而土壤的理化性質(zhì)的差異又會(huì)導(dǎo)致不同微地形及原狀坡的植物群落特征和功能產(chǎn)生異質(zhì)性[9-11]。因此，研究不同微地形下土壤的空間異質(zhì)性，對(duì)于指導(dǎo)困難立地植被恢復(fù)具有重要意義。

已有學(xué)者通過對(duì)微地形與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)研究，得出微地形對(duì)土壤的理化性質(zhì)具有一定的影響[12-13]。高凱等[14]系統(tǒng)分析了渾善達(dá)克沙地不同微地形下土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微地形對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量有顯著影響。張宏芝等[15]對(duì)黃土區(qū)自然恢復(fù)狀態(tài)下的微地形土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同微地形間的土壤化學(xué)性質(zhì)有顯著差異，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析得出，塌陷和緩臺(tái)的土壤化學(xué)性質(zhì)最優(yōu)。趙秀芳等[16]分析了微地形坡面(坡頂、坡腰、坡底)對(duì)濱海吹填土土壤養(yǎng)分的影響，發(fā)現(xiàn)3種微地形間土壤養(yǎng)分含量差異顯著。劉孝陽等[17]對(duì)平朔礦區(qū)微地形養(yǎng)分的研究也表明微地形的變化對(duì)土壤養(yǎng)分有很大的影響。羅光杰等[18]，張忠華等[19]研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特山區(qū)地面巖石裸露所形成的石面、石溝、石縫等微地形均對(duì)土壤養(yǎng)分的空間分布產(chǎn)生重要影響。

我國(guó)片麻巖山地分布廣泛，形成的風(fēng)化物或土壤保水保肥能力差，是開展植被恢復(fù)較為困難的立地之一[20]。平山縣是太行山地區(qū)典型的片麻巖山區(qū)，由于巖石風(fēng)化、坡面徑流，在片麻巖山區(qū)內(nèi)形成許多形形色色的微地形。微地形一般是指小尺度的地形變化，Kikuchi[21]，Nagamatsu等[22]將丘陵地區(qū)微地形分為頂坡、上部邊坡、谷頭凹地、下部邊坡、麓坡、泛濫性階地和谷床等7類。朱清科等[23]將黃土高原地區(qū)坡面內(nèi)地表的起伏形成的微地形分為淺溝、切溝、塌陷、緩臺(tái)、陡坎等5類。本研究根據(jù)片麻巖山區(qū)的地形特征，通過廣泛踏查，將片麻巖山區(qū)微地形分為坡頂、塌陷、巨石背陰、緩臺(tái)、陡坎、谷坡和U形溝等7類。由于地形的差異，使光照、土壤水分、養(yǎng)分及風(fēng)化層厚度等小生境在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生微小的變化，從而導(dǎo)致地上植物群落特征和類型的不同，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形成具有重要影響[24]。

目前，已有大量有關(guān)微地形的研究，但多集中于微地形對(duì)植物群落特征的影響[25-26]，對(duì)于微地形土壤理化性質(zhì)的相關(guān)研究較少[15]，針對(duì)片麻巖山區(qū)微地形與土壤理化性質(zhì)的研究尚未見報(bào)道。因此，本研究以河北平山自然恢復(fù)狀態(tài)下的片麻巖區(qū)微地形為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析片麻巖山區(qū)不同微地形條件下表層土壤養(yǎng)分含量的異質(zhì)性，以期為區(qū)域片麻巖山區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

平山縣位于河北省西部太行山中段東麓。地理位置為東經(jīng)113°31′—114°15′，北緯38°9′—38°47′，是太行山地區(qū)典型的片麻巖山區(qū)，全縣地貌屬于丘陵山地類型，海拔變化于111～2 281 m。該地區(qū)的母巖為變質(zhì)深厚的片麻巖和頁巖等，片麻巖山區(qū)的主要特點(diǎn)是：土壤干旱，土層淺薄、土壤沙性強(qiáng)，侵蝕嚴(yán)重。片麻巖是變質(zhì)巖，因此具有比其他巖石容易風(fēng)化的特點(diǎn)，一般易松動(dòng)，易破碎，地表的松散固體物質(zhì)豐富，未成土的半風(fēng)化巖層厚度可達(dá)30～60 cm。山頂土層瘠薄，植被的退化往往產(chǎn)生水土流失，導(dǎo)致基巖裸露。年降水量約500 mm，集中于7—9月，一年中大部分時(shí)間多干旱少降雨。由于植被稀疏，土層較薄，降水多以地表徑流的形式輸出?，F(xiàn)有的天然植被較稀疏，覆蓋度較低且分布不均勻，植被主要以灌木和草本為主，溝谷地帶有人工種植的喬木。灌木主要有：酸棗(Zizyphusjujuba)，荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)，薄皮木(Leptodermisoblonga)等。草本植物主要有：鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)，白羊草(Bothriochloaischaemum)，達(dá)呼里胡枝子(Lespedezadavurica)，阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 片麻巖山區(qū)微地形類型劃分

微地形一般指小尺度的地形變化。片麻巖表層風(fēng)化程度深，未成土的半風(fēng)化層厚度達(dá)40 cm左右，巖體有裂隙易松動(dòng)、崩塌，容易在坡面形成大小不等、形狀各異的局部小地形[20]。本文參考朱清科等[23]對(duì)黃土高原、楊永川等[24]對(duì)丘陵地區(qū)微地形的劃分，通過廣泛調(diào)查和分析，將河北平山片麻巖微地形劃分為：坡頂、塌陷、巨石背陰、緩臺(tái)、陡坎、谷坡、U形溝等7種(圖1)，各自特征見表1。

圖1 片麻巖山區(qū)微地形

1.3 研究方法

1.3.1 樣地設(shè)置 于2015年7—9月，選取自然恢復(fù)的片麻巖區(qū)域，對(duì)該區(qū)域微地形的分布進(jìn)行調(diào)查，選取陽坡、陰坡、半陰半陽坡，在每個(gè)坡向上根據(jù)微地形的實(shí)際大小進(jìn)行樣方設(shè)置，同時(shí)取與微地形相鄰的原狀坡作為對(duì)照樣方。共計(jì)設(shè)置樣方142個(gè)。

1.3.2 微立地因子測(cè)定 GPS測(cè)定樣方經(jīng)緯度、海拔，手持羅盤儀測(cè)坡向、坡度，同時(shí)記錄坡位。土壤硬度采用中山式土壤硬度計(jì)測(cè)定，每個(gè)樣方測(cè)量5次，求平均值，單位為mm。風(fēng)化層厚度采用鋼釬法，垂直樣方插入，用鋼卷尺測(cè)量深度，每個(gè)樣方隨機(jī)測(cè)量5次，求平均值[27]。每個(gè)樣方取0—20 cm土層土壤1 kg，3次重復(fù)，風(fēng)干后，過2 mm篩測(cè)定直徑大于2 mm的石礫含量，計(jì)算表土層含石率。

1.3.3 土樣采集及分析 采集土樣時(shí)先去除地表的凋落物，在每個(gè)樣方用土鉆隨機(jī)鉆取5個(gè)0—20 cm表層土樣，充分混勻后放入采集袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干研磨后，測(cè)定土壤養(yǎng)分。土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全氮的測(cè)定采用凱氏定氮法；全磷的測(cè)定采用NaOH熔融，鉬藍(lán)比色法；全鉀的測(cè)定采用NaOH熔融，火焰光度法；堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；速效磷的測(cè)定采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提，鉬藍(lán)比色法；速效鉀的測(cè)定采用NH4OAc浸提，火焰光度法。

1.3.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法 對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)之間共有的影響因素，其隨時(shí)間或不同對(duì)象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，稱為關(guān)聯(lián)度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之則較低。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析方法[28]，是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法。在進(jìn)行數(shù)據(jù)列關(guān)聯(lián)分析時(shí)，必須先確定參考數(shù)列，然后比較其他數(shù)列同參考數(shù)列的接近程度，這樣才能對(duì)其他數(shù)列進(jìn)行比較，進(jìn)而做出判斷。

設(shè)x0={x0(k)k=1，2，…，n}為參考數(shù)列(又稱母數(shù)列)，xi={xi(k)k=1，2，…，n}，(i=1，2，…，m)為比較數(shù)列(又稱子數(shù)列)。比較數(shù)列的所有指標(biāo)對(duì)應(yīng)于參考數(shù)列的所有指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)λi(k)為：

式中：α是分辨系數(shù)，取值(0～1)，一般取值0.5；Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|，為第k個(gè)指標(biāo)x0與xi的絕對(duì)差。其中，min minΔi(k)為兩級(jí)最小差，max maxΔi(k)為兩級(jí)最大差。最終我們得到的是各比較數(shù)列與參考數(shù)列在各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)值λi(k)。

從關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算方法來看，得到的是各比較數(shù)列與參考數(shù)列在各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)值，結(jié)果較多，信息過于分散，不便于比較，為此有必要將每1個(gè)比較數(shù)列各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中體現(xiàn)在1個(gè)值上，這個(gè)數(shù)值就是灰色關(guān)聯(lián)度，平均值法是最常用的方法?；疑P(guān)聯(lián)度常記作Ri，灰色關(guān)聯(lián)度越大，表明二者的幾何曲線形狀越接近，即發(fā)展變化趨勢(shì)越接近。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，運(yùn)用SPSS 22.0進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，檢驗(yàn)表層土壤養(yǎng)分與微立地因子之間的相關(guān)關(guān)系；單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同坡向上，微地形之間表層土壤養(yǎng)分的差異，并采用LSD最小顯著差異法進(jìn)行多重比較(a=0.05)。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)7種微地形及原狀坡進(jìn)行排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 微立地因子與表層土壤養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表2可知，微地形與有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量呈極顯著正相關(guān)，與全氮含量、速效磷含量、堿解氮含量顯著正相關(guān)，與全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；風(fēng)化層厚度與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，與全磷含量、全氮含量、速效磷含量顯著正相關(guān)，與全鉀含量顯著負(fù)相關(guān)；坡向與有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、全氮含量顯著正相關(guān)。相關(guān)分析表明，微地形、風(fēng)化層厚度、坡向等微立地因子均影響著表層土壤養(yǎng)分含量的異質(zhì)性，而其中微地形因子是引起這種異質(zhì)性的主要因子。

2.2 不同坡向微地形表層土壤養(yǎng)分含量

2.2.1 不同微地形表層土壤有機(jī)質(zhì)含量 由表3可知，在陰坡，U形溝的有機(jī)質(zhì)含量最大為76.12 g/kg，塌陷和巨石背陰次之，這3種微地形有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他微地形和原狀坡，坡頂?shù)挠袡C(jī)質(zhì)含量最小，僅為26.53 g/kg。在半陰半陽坡，U形溝的有機(jī)質(zhì)含量最大為71.39 g/kg，是含量最少的坡頂?shù)?.94倍。塌陷和巨石背陰的次之，介于60.00～66.00 g/kg。在陽坡，U形溝、巨石背陰和塌陷的有機(jī)質(zhì)含量較大且顯著高于其他微地形和原狀坡，分別是含量最小的坡頂?shù)?.50倍、3.30倍和3.14倍。以上結(jié)果表明，無論在陰坡、半陰半陽坡和陽坡，U形溝、塌陷和巨石背陰處的有機(jī)質(zhì)含量最豐富，坡頂處最低。

表2 微立地因子與表層土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)分析

注：**表示在0.01水平上極顯著相關(guān)，*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

2.2.2 不同微地形表層土壤氮素含量 由表3可知，在陰坡，全氮含量在U形溝達(dá)到最大，為3.33 g/kg，塌陷和巨石背陰次之，介于2.80～3.20 g/kg，緩臺(tái)的全氮含量最小，僅為1.35 g/kg，其他微地形及原狀坡間的全氮含量差異不顯著。U形溝的堿解氮含量最高，達(dá)到7.02 mg/kg，塌陷和巨石背陰次之分別為6.65 mg/kg和6.03 mg/kg，這3種微地形堿解氮含量顯著高于其他微地形和原狀坡，其中U形溝的堿解氮含量是坡頂?shù)?.80倍。在半陰半陽坡，全氮含量在塌陷達(dá)到最大，為2.49 g/kg，各微地形及原狀坡間差異不顯著。U形溝、塌陷和巨石背陰的堿解氮含量顯著高于其他微地形和原狀坡，其中塌陷堿解氮含量最大，達(dá)到6.76 mg/kg，是含量最少的坡頂?shù)?.82倍。在陽坡，全氮含量在U形溝達(dá)到最大，為2.89 g/kg，巨石背陰和塌陷次之，在2.50 g/kg左右，緩臺(tái)的全氮含量最小，僅為1.47 g/kg。堿解氮含量在U形溝達(dá)到最大，為6.91 mg/kg，塌陷和巨石背陰次之，介于5.80～6.20 mg/kg，這3種微地形的堿解氮含量顯著高于其他微地形和原狀坡。其中，U形溝的堿解氮含量是坡頂?shù)?.88倍。由此可以得出，氮素和有機(jī)質(zhì)含量在各個(gè)微地形中的變化規(guī)律基本一致，土壤氮素含量取決于土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解能力的強(qiáng)弱。全氮含量在U形溝、塌陷處最高，緩臺(tái)處最低；堿解氮含量在U形溝、塌陷處最高，坡頂處最低。

2.2.3 不同微地形表層土壤磷素含量 由表3可知，在陰坡，全磷含量在U形溝、塌陷和巨石背陰處較大，且這3種微地形的全磷含量顯著高于其他微地形和原狀坡，坡頂?shù)娜缀孔畹蛢H為1.62 g/kg。U形溝的速效磷含量最高，達(dá)到3.56 mg/kg，塌陷、巨石背陰、陡坎和谷坡的速效磷含量次之，介于2.90～3.15 mg/kg，這5種微地形的速效磷含量顯著高于坡頂和原狀坡，坡頂?shù)乃傩Я缀孔钚H為1.28 mg/kg。在半陰半陽坡，塌陷的全磷含量最大，為3.10 g/kg，U形溝和巨石背陰次之，且3種微地形全磷含量顯著高于其他微地形和原狀坡，坡頂?shù)娜缀孔钚。瑑H為1.59 g/kg。速效磷含量在U形溝達(dá)到最大，為3.60 mg/kg，谷坡、陡坎、塌陷和巨石背陰次之，介于2.80～3.15 mg/kg，坡頂?shù)乃傩Я缀孔钚?，僅為1.32 mg/kg。在陽坡，全磷含量在U形溝達(dá)到最大，為3.13 g/kg，塌陷和巨石背陰次之，在2.90 g/kg左右，這3種微地形的全磷含量顯著高于其他微地形和原狀坡。速效磷含量在U形溝達(dá)到最大，為3.49 mg/kg，坡頂?shù)乃傩Я缀孔钚H為1.22 mg/kg。以上結(jié)果說明，U形溝處全磷和速效磷含量都是最高的，坡頂處最低。

2.2.4 不同微地形表層土壤鉀素含量 由表3可知，在陰坡，全鉀含量在陡坎達(dá)到最大，為13.90 g/kg，坡頂次之，而塌陷、U形溝和巨石背陰處含量較小，在9.50 g/kg左右。速效鉀含量在坡頂達(dá)到最大，為62.87 mg/kg，陡坎次之為59.67 mg/kg，且這2種微地形的速效鉀含量顯著高于其他微地形和原狀坡。在半陰半陽坡，全鉀含量在坡頂達(dá)到最大，但各個(gè)微地形及原狀坡間無顯著差異。速效鉀含量在陡坎最大，達(dá)到57.19 mg/kg，坡頂次之為56.73 mg/kg，這2種微地形的速效鉀含量顯著高于其他微地形和原狀坡。在陽坡，全鉀含量在陡坎達(dá)到最大，為13.11 g/kg，坡頂次之，塌陷的最小，僅為8.86 g/kg。速效鉀含量在坡頂達(dá)到最大，為60.67 mg/kg，是含量最少的U形溝的1.40倍，陡坎次之為57.96 mg/kg，這2種微地形的速效鉀含量顯著高于其他微地形和原狀坡。由此可以得出，坡頂、陡坎處全鉀含量和速效鉀含量最優(yōu)，U形溝、塌陷處的最差，這與有機(jī)質(zhì)和氮素含量的情形恰恰相反。

表3 不同坡向各類微地形間表層土壤養(yǎng)分含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

注：不同的小寫字母表示同一坡向上不同微地形間差異顯著(p<0.05)。

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)的微地形表層土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分析

在不同坡向上，不同微地形的土壤有機(jī)質(zhì)、全效養(yǎng)分、速效養(yǎng)分含量可以看出，土壤養(yǎng)分的各指標(biāo)在不同的微地形間變化趨勢(shì)不是一致的，為了定量評(píng)價(jià)不同微地形及原狀坡對(duì)土壤養(yǎng)分改良的效果，選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等指標(biāo)中的最大值作為參考數(shù)列，以不同微地形的土壤有機(jī)質(zhì)、全效養(yǎng)分、速效養(yǎng)分等指標(biāo)測(cè)定值作為比較數(shù)列，進(jìn)行無量綱化處理，然后采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，計(jì)算各微地形的關(guān)聯(lián)度值，關(guān)聯(lián)度越大，表示微地形的比較數(shù)列與參考數(shù)列的變化趨勢(shì)越接近，即該微地形對(duì)提高土壤養(yǎng)分的含量，改良土壤肥力的效果較好。

利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)片麻巖山區(qū)微地形的土壤養(yǎng)分情況進(jìn)行分析排序，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯宏幤拢琔形溝的關(guān)聯(lián)度值最大為0.892 4，塌陷次之，原狀坡最小為0.494 2；半陰半陽坡，基本與陰坡規(guī)律一致，U形溝最大為0.852 5，坡頂最小為0.493 0；陽坡，U形溝最大為0.877 2，巨石背陰次之，坡頂最小為0.473 2。在這3個(gè)坡向上，U形溝、塌陷和巨石背陰的關(guān)聯(lián)度值最高，坡頂和原狀坡的最低。說明U形溝、塌陷和巨石背陰的土壤養(yǎng)分條件最好，而坡頂和原狀坡的土壤養(yǎng)分條件較差。

表4 各個(gè)坡向上微地形及原狀坡的灰色關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論與討論

微地形作為反映地表起伏變化的指標(biāo)，會(huì)影響徑流的產(chǎn)生、流向、匯流和徑流量[29]，是困難立地地區(qū)植被恢復(fù)的重要影響因子，它對(duì)溫度、養(yǎng)分、水分、光照等生態(tài)因子有再分配的作用，會(huì)導(dǎo)致小氣候、小環(huán)境的異質(zhì)性[30]。相關(guān)性分析表明，微立地因子中的微地形、風(fēng)化層厚度、土壤硬度、坡向都影響有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、全氮含量、全鉀含量的變化。其中，微地形的不同是引起這個(gè)變化的首要因素。因此，微地形作為主導(dǎo)因子與其他立地因子共同影響著微地形養(yǎng)分含量的空間異質(zhì)性，這與前人研究的結(jié)論一致[31]。本研究通過分析片麻巖山區(qū)不同坡向上各個(gè)微地形及原狀坡間土壤養(yǎng)分含量的差異性得出，U形溝、塌陷和巨石背陰處有機(jī)質(zhì)含量最大，顯著高于其他微地形和原狀坡，坡頂處最小。全氮與全磷含量規(guī)律基本一致，都在U形溝、塌陷和巨石背陰處最大，緩臺(tái)和坡頂處較小。全鉀含量在坡頂、陡坎、谷坡處最大，塌陷、巨石背陰處較小。堿解氮含量在U形溝、塌陷和巨石背陰處最大，顯著高于其他微地形及原狀坡，坡頂處最小。U形溝處速效磷含量最大，塌陷、巨石背陰、陡坎和谷坡次之，這5種微地形顯著高于坡頂和原狀坡，坡頂處最小。速效鉀含量在坡頂、陡坎達(dá)到最大，這2種微地形顯著高于其他微地形和原狀坡。從整體上看，U形溝、塌陷和巨石背陰處土壤有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素的含量較高，而鉀素含量最高的微地形是陡坎和坡頂，這與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷的情況相反，說明陡坎和坡頂有利于鉀素的富集[15]，這與前人的研究結(jié)論基本一致[32-34]。究其原因，有以下兩點(diǎn)：首先，由于U形溝、塌陷等微地形有利于坡面徑流的匯集，土壤的水分和養(yǎng)分含量比較豐富[35-36]，這在一定程度上改善了土壤的微環(huán)境，使土壤中微生物的數(shù)量和活動(dòng)性增強(qiáng)[37]，有助于土壤中的枯落物及植物殘?bào)w的分解，進(jìn)而使U形溝、塌陷和巨石背陰處土壤的養(yǎng)分含量高于其他微地形及原狀坡。其次，與微地形的植物群落特征有關(guān)，U形溝、塌陷和巨石背陰處植物群落的數(shù)量特征和多樣性優(yōu)于其他微地形和原狀坡[25]，在土壤表層殘留有大量的凋落物和死亡殘?bào)w，這些物質(zhì)最終分解會(huì)導(dǎo)致這些微地形的土壤養(yǎng)分含量增加。同時(shí)，植被在一定程度上能有效地減少水土流失，根系也能改善土壤的物理性質(zhì)，能夠使土壤的養(yǎng)分得到保存，這可能也是U形溝、塌陷等微地形土壤養(yǎng)分含量高的一個(gè)原因。

利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)片麻巖山區(qū)微地形的養(yǎng)分情況進(jìn)行分析排序得出：在3個(gè)坡向上，U形溝、塌陷和巨石背陰的關(guān)聯(lián)度值都是最高的，坡頂和原狀坡都較低。說明U形溝、塌陷和巨石背陰的養(yǎng)分條件最好，坡頂和原狀坡的養(yǎng)分條件較差，這與張宏芝等[15]在黃土區(qū)的研究結(jié)論較一致。片麻巖山區(qū)是太行山典型的困難立地，土壤養(yǎng)分含量的高低及空間分布格局，直接影響著土壤的生產(chǎn)力和植被恢復(fù)的途徑和方向，揭示微地形的土壤養(yǎng)分異質(zhì)性規(guī)律，有助于指導(dǎo)片麻巖山區(qū)的植被恢復(fù)和生態(tài)重建。

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DifferentiationCharacteristicsofTopsoilNutrientsoftheMicro-topographyinGneissMountainousAreaofPingshanCounty,HebeiProvince

YUAN Zhen, WEI Songpo, JIA Liming, ZHANG Yaxiong, LIU Longlong

(Province-MinistryCo-constructedKeyLaboratoryofSilvicultureandConservation,MinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Based on the determination data of topsoil nutrients in gneiss mountainous area in Pingshan County of Hebei Province, we analyzed the differences of topsoil nutrients on seven micro-topographies including slope crest, collapse, stone shadow, platform, scarp, brae and U-gully, with the undisturbed slope as the control, in order to provide scientific reference for the revegetation of gneiss mountainous area. The results showed that: (1) according to correlation analysis, micro-topography, aspect and the weathered layer thickness influenced the change of topsoil nutrients, among which micro-topography was the main factor; (2) the topsoil nutrient conditions on most of the micro-topographies were better than the undisturbed slope; U-gully, collapse, stone shadow contained significant higher organic matter contents (68.94 g/kg, 60.71 g/kg, 62.77 g/kg) than other micro-topographies and the undisturbed slope, and the lowest on slope crest (22.58 g/kg); (3) changes of total nitrogen content and total phosphorus content are similar, and the thire contents were highest on U-gully, collapse, stone shadow, the lowest on platform, slope crest; total potassium contents on slope crest, scarp, brae were the highest (11.88 g/kg, 12.56 g/kg, 11.67 g/kg), while the least contents (9.39 g/kg, 9.69 g/kg) were observed on collapse, stone shadow; (4) U-gully, collapse, stone shadow contained significantly higher available nitrogen contents (6.87 mg/kg, 6.54 mg/kg, 5.93 mg/kg) than the other micro-topographies and the undisturbed slope, the lowest on slope crest (3.75 mg/kg). U-gully had the highest available phosphorus content (3.55 mg/kg), followed by collapse, stone shadow, scarp and brae; contents of available phosphorus on the five micro-topographies were significantly higher than the undisturbed slope and slope crest(1.27 mg/kg) which had the lowest available phosphorus content; available potassium contents on slope crest (60.09 mg/kg) and scarp (58.27 mg/kg) were significantly higher than other micro-topographies and the undisturbed slope; (5) through the grey correlation analysis on the topsoil nutrients of seven micro-topographies, it can be concluded that the conditions of topsoil nutrients on U-gully, collapse, stone shadow were best, worst on slope crest and the undisturbed slope.

gneiss mountainous area; micro-topography; soil nutrients; spatial variability; grey correlation analysis

S151.9

A

1005-3409(2017)06-0084-07

2016-12-01

2016-12-18

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD07B02)困難立地植被恢復(fù)技術(shù)研究與示范

袁振(1990—),男,河南項(xiàng)城人,碩士研究生,主要從事困難立地植被恢復(fù)。E-mail:279938085@qq.com

賈黎明(1968—),男,山西忻州人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事森林培育理論與技術(shù)。E-mail:jlm@bjfu.edu.cn