鄭永林，王海燕，解雅麟，李 翔，秦倩倩，楊丹丹

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京)

近年來，隨著城市的擴(kuò)張，各種生態(tài)問題接踵而至，城市生態(tài)安全受到嚴(yán)重的威脅。北京市政治、經(jīng)濟(jì)和文化的主要承載區(qū)在北京市平原地區(qū)，因而保障城市生態(tài)安全、建設(shè)生態(tài)文明城市顯得尤為重要。2012年初，北京市在平原地區(qū)開始百萬畝造林工程建設(shè)[1]，至今已有6年。永定河是北京的母親河，同時(shí)永定河地區(qū)也是北京歷史上“五大風(fēng)沙危害區(qū)”之一；因此，在永定河沿岸進(jìn)行平原造林，一方面是實(shí)現(xiàn)“兩環(huán)、三帶、九楔、多廊”布局的基本要求，另一方面對(duì)建設(shè)京津冀地區(qū)生態(tài)廊道、改善永定河流域生態(tài)環(huán)境和北京風(fēng)沙天氣具有不可替代的作用。

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)育起著重要作用。土壤肥力是土壤為供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境條件的能力，受土壤的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、功能和外部環(huán)境等影響，是土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映[2]。土壤理化性質(zhì)體現(xiàn)土壤對(duì)植物供應(yīng)養(yǎng)分的潛在能力，主要包括土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、N、P和K的全量和有效量，直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育；因此，研究平原地區(qū)造林后的土壤養(yǎng)分特征對(duì)于合理利用土壤，營(yíng)造最佳生態(tài)效益的林分和改善生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。相關(guān)研究表明，造林樹種通過影響森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、凋落物產(chǎn)生和分解以及根系的周轉(zhuǎn)等進(jìn)程，對(duì)土壤顆粒分形特征、有機(jī)碳、N、P產(chǎn)生不同程度的影響[3-6]。魏晨輝等[7]通過研究松嫩平原鹽堿地幾種造林樹種的土壤理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)黃檗和水曲柳不適合作為造林樹種，而榆樹、楊樹、樟子松和落葉松生長(zhǎng)狀況較好，可以作為鹽堿地造林的適宜樹種進(jìn)行推廣。尹娜等[8]研究黃土丘陵區(qū)人工林土壤養(yǎng)分，發(fā)現(xiàn)油松人工林的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于刺槐林。佘雕等[9]研究太白山6種林分土壤肥力狀況，發(fā)現(xiàn)槲櫟林和臭椿林土壤堿解N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，榆樹林土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他樹種。這些研究在不同區(qū)域探討北方常見造林樹種與土壤肥力之間的相關(guān)關(guān)系，但對(duì)其研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，我們無法排除立地條件等的影響，不能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步探究樹種對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響，筆者對(duì)相似立地條件下這5種樹種林下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，以期尋找出北京平原地區(qū)人工造林的最適樹種。這將有助于人工林結(jié)構(gòu)調(diào)整和土壤肥力恢復(fù)，為管理和調(diào)控平原造林以及土壤生態(tài)恢復(fù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于北京市大興區(qū)永定河附近的平原造林地區(qū)(E 116°13′12″～116°13′38″，N 39°38′39″～39°4′44″)，屬暖溫帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū)。年平均日照時(shí)間為2 772 h，年均溫度為11.6 ℃；年平均無霜期為209 d；年均降水為556 mm，主要集中在7—9月。試驗(yàn)林場(chǎng)位于永定河洪積區(qū)，坡度小，地勢(shì)平坦，平均海拔30 m。土壤類型以砂質(zhì)潮土和壤質(zhì)潮土為主，具有通透性好但保肥蓄水能力差的特點(diǎn)。林場(chǎng)內(nèi)主要樹種為毛白楊(Populustomentosa)、榆樹(Ulmuspumila)、銀杏(Ginkgobiloba)、油松(Pinustabuliformis)和國(guó)槐(Sophorajaponica)等，林下草本主要有灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、裂葉牽牛(Pharbitisnil)、狗尾巴草(Setariaviridis)、馬齒莧(Portulacaoleracea)、蒺藜(Portulacaoleracea)和反枝莧(Amaranthusretroflexus)等，平均蓋度71%。

2 材料與方法

2.1 樣地調(diào)查

平原造林地區(qū)人工林造林時(shí)間是2015年，苗木移栽前，規(guī)格基本一致，撫育時(shí)間為2017年春季，撫育措施有澆水、施肥以及修枝。于2017年7月在該研究區(qū)選擇立地條件基本相似的典型人工林樣地16塊，其中設(shè)置國(guó)槐林與榆樹林樣地各4塊，銀杏和油松林樣地各3塊，毛白楊林樣地2塊(表1)。運(yùn)用GPS(Trimble Recon，USA)進(jìn)行空間定位，利用ArcGIS 10.0(ERSI, 2010)繪制樣地位置圖(圖1)。樣地調(diào)查采用每木檢尺的方法，調(diào)查因子有樹高、胸徑、枝下高、郁閉度和冠幅等。

林分類型Stand type樣地號(hào)Plot No樣地面積Plot area/m2存活率Survival rate/%株數(shù)密度Tree density/(Trees·hm-2)平均胸徑Average diameter at breast height/cm平均樹高Average tree height/mDX-1600976338.574.27國(guó)槐林Sophora japonicaDX-24001008007.954.64DX-34001006507.534.71DX-44001004757.024.19毛白楊林Populus tomen-tosaDX-54001004008.188.79DX-64001006008.978.63DX-7400824507.275.98銀杏林Ginkgo bilobaDX-8400724506.345.59DX-9400684256.355.02DX-104001006255.673.58油松林Pinus tabuliformisDX-114001007254.793.40DX-124001006256.223.80DX-134001005509.395.26榆樹林Ulmus pumilaDX-144001005259.124.80DX-154001005509.746.09DX-164001005509.155.33

2.2 土壤樣品的采集與處理

采用“S”型在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆分別取0～20和20～40 cm土層的土壤。將各采樣點(diǎn)土壤分土層放在塑料膜上均勻混合，采用四分法取1.0 kg混合土樣。土樣經(jīng)過風(fēng)干、去雜后，研磨通過1和0.25 mm的土壤篩，測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

2.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法[10]

土壤pH值：酸度計(jì)法(V(水)∶m(土)=2.5∶1)；土壤有機(jī)質(zhì)：外加熱K2Cr2O7氧化-容量法；土壤全氮：H2SO4-HClO4消煮-凱氏定氮儀法；土壤全磷：H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀：NaOH熔融-火焰光度計(jì)法；土壤有效磷：NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤質(zhì)地：比重計(jì)法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

基于土壤顆粒分形模型[11]，計(jì)算土壤顆粒分形維數(shù)。

主成分分析中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(1)

采用Excel 2013和SPSS 24軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)、獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)、相關(guān)性分析(Pearson法)和主成分分析(PCA)。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹種對(duì)土壤粒徑分布及其分形維數(shù)的影響

不同樹種0～20 cm深度土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成均表現(xiàn)為細(xì)砂粒居多(表2)。0.05～0.25 mm的細(xì)砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于42.01%～80.81%，平均值為57.29%，變異系數(shù)為21.12%，屬于中等變異；其次是0.01～0.05 mm的粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，介于42.23%～10.31%，平均值為28.57%，變異系數(shù)為34.31%，屬于中等變異。而粗砂粒、細(xì)粉粒、黏粒和細(xì)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，分別介于0.52%～4.57%、0.21%～4.53%、0.41%～5.98%和2.89%～9.69%。從表2可以看出，土壤中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越少，土壤顆粒分形維數(shù)越大。分形維數(shù)越大表示林木對(duì)該地區(qū)沙化土的改良能力越強(qiáng)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而通透性降低，可以使土壤質(zhì)地向壤性發(fā)展，增強(qiáng)其蓄水保肥能力。土壤顆粒分形維數(shù)在一定程度上也可以表征土壤質(zhì)地的均一程度。

該地區(qū)土壤質(zhì)地均為砂壤土，土壤顆粒分形維數(shù)介于2.439～2.609，相關(guān)系數(shù)(R)在0.948～0.976。0～20 cm土壤顆粒分形維數(shù)表現(xiàn)為油松>國(guó)槐>毛白楊>銀杏>榆樹，但不同樹種間差異不顯著(P>0.05)。變異系數(shù)在0.08%～2.03%之間，屬于弱變異。其中，榆樹林平均土壤顆粒分形維數(shù)最小為2.500，油松和國(guó)槐林平均土壤顆粒分形維數(shù)最大為2.584和2.566。說明種植國(guó)槐和油松相比于種植榆樹可以增加土壤的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)降低砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在沙土改良中可以發(fā)揮一定的作用。分形維數(shù)與細(xì)黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒和細(xì)砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，其中和細(xì)黏粒相關(guān)系數(shù)最高為0.950(表3)。

表2 不同樹種0～20 cm土壤粒徑分布及其分形維數(shù)Tab.2 Soil particle size distribution and fractal dimension at depth of 0-20 cm under different tree species

表3 不同粒徑土壤質(zhì)量與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation coefficients between soil weight of different particle size and fractal dimension (n=16)

注：**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。Notes:**indicates a significant correlation atP<0.01.

3.2 不同樹種對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的影響

不同造林樹種下0～20和20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和pH值如表4所示。

表4 不同樹種下土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值Tab.4 Soil nutrient mass fraction and pH value under different tree species

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示不同樹種相同深度之間養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)。Notes: Data are presented as mean ± SD. Data followed by different lowercase letters in the same column indicate significant differences atP<0.05 among different species at the same depth.

3.2.1 不同樹種土壤pH分布特征 林地土壤pH值在8.76～9.05之間，屬于中強(qiáng)堿性土壤。土壤pH值隨著土壤深度的增加沒有顯著變化。在0～20 cm，不同樹種pH值之間差異不顯著；在20～40 cm，不同樹種pH值之間差異顯著(P<0.05)，pH值由大到小依次為榆樹>毛白楊>國(guó)槐>油松>銀杏。

3.2.2 不同樹種土壤有機(jī)質(zhì)分布特征 0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著高于20～40 cm(n=16，P<0.01)。在0～20 cm，不同樹種之間土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)，其中國(guó)槐和銀杏顯著高于毛白楊和榆樹。在20～40 cm，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低依次是國(guó)槐、油松、榆樹、銀杏和毛白楊，但不同樹種間土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。

3.2.3 不同樹種土壤全氮分布特征 0～20 cm土壤全氮極顯著高于20～40 cm(n=16，P<0.01)。在0～20 cm，不同樹種之間土壤全氮存在顯著差異(P<0.05)，榆樹林下土壤全氮顯著低于其他4種樹種。在20～40 cm，不同樹種間全氮也存在顯著差異(P<0.05)，從大到小依次是國(guó)槐、銀杏、毛白楊、油松和榆樹。

3.2.4 不同樹種土壤磷分布特征 土壤深度對(duì)土壤全磷影響極顯著(n=16，P<0.01)，其中0～20 cm深度的土壤全磷極顯著高于20～40 cm。在0～20 cm，不同樹種之間土壤全磷差異顯著，其中銀杏林土壤全磷低于其他樹種。在20～40 cm，銀杏林下土壤全磷最低(0.60 g/kg)，榆樹林下土壤全磷最高(0.69 g/kg)，但不同樹種間土壤全磷無顯著差異(P>0.05)。土壤深度對(duì)土壤有效磷的影響不顯著(P>0.05)。在0～20 cm，不同樹種間土壤有效磷差異顯著(P<0.05)，其中銀杏林下土壤有效磷顯著低于其他4類樹種；而在20～40 cm，不同樹種間有效磷無顯著差異(P>0.05)。

3.2.5 不同樹種土壤全鉀分布特征 土壤深度對(duì)土壤全鉀的影響不顯著(P>0.05)。在0～20 cm，不同樹種之間土壤全鉀濃度無顯著差異(P>0.05)；而在20～40 cm，不同樹種土壤全鉀存在顯著差異(P<0.05)，榆樹林下土壤全鉀顯著高于毛白楊、銀杏和油松林下。

3.3 土壤肥力因子相關(guān)性

對(duì)土壤肥力因子進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)，結(jié)果表明：在0～20 cm，土壤顆粒分形維數(shù)和土壤全氮之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤全磷與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān)。在20～40 cm，土壤pH值與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀和有效磷呈顯著正相關(guān)；土壤全磷與有效磷之間呈極顯著正相關(guān)。土壤中養(yǎng)分元素之間存在密切的相關(guān)性。任一養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，其他養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)隨之變化。不同人工林樹種下土壤養(yǎng)分因子之間呈顯著相關(guān)性，可以用來反映土壤肥力水平。

表5 0～20和20～40 cm土壤肥力評(píng)價(jià)因子的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients between soil fertility assessment factors at depth of 0-20 cm and 20-40 cm (n=16)

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)；** 表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。Notes: * and ** indicatesignificant correlations at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3.4 主成分分析

以0～20 cm土層內(nèi)土壤顆粒分形維數(shù)、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和pH值這7個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)。從表5可知，7種土壤肥力評(píng)價(jià)因子互相間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，故采用主成分分析法對(duì)5種樹種林下土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。提取主成分時(shí)采用主成分累積貢獻(xiàn)率高于80%、特征值高于1的原則(表6)。第1、2和3主成分的方差貢獻(xiàn)率分別是40.71%、26.88%和16.20%，其累積貢獻(xiàn)率為83.55%，基本可以反映樹種間土壤肥力質(zhì)量的變異信息；因而選取第1、2、3主成分就可以大致體現(xiàn)全部因子的信息，較好地反映土壤肥力質(zhì)量的綜合狀況。

由表7可知：第1主成分主要包括土壤顆粒分形維數(shù)、全氮和全鉀，其中全氮和全鉀系數(shù)的絕對(duì)值很接近，表明二者對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響都很大；第2主成分主要包括全磷和有效磷，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，土壤肥力質(zhì)量越好；第3主成分主要包括有機(jī)質(zhì)和pH值。

根據(jù)各指標(biāo)的得分系數(shù)(表7)，可以得到的3個(gè)主成分P1、P2、P3的線性組合：

P1=0.42X1+0.38X2+0.56X3-0.19X4- 0.52X5-0.02X6-0.23X7，P2=0.38X1+0.08X2+0.06X3+0.64X4+ 0.04X5+0.06X6+0.29X7，P3=0.22X1+0.57X2-0.17X3-0.08X4+ 0.19X5-0.42X6+0.61X7。

表6 總方差解釋Tab.6 Total variance interpretation

表7 成分得分系數(shù)矩陣Tab.7 Component coefficient matrix

用Pi表示第i個(gè)肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)；X1～X7分別表示顆粒分形維數(shù)、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和pH值7個(gè)指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。計(jì)算得出第1、2、3主成分的得分P1、P2和P3，然后以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和。公式如下：

綜合得分=(0.404 7P1+0.268 8P2+0.162P3)/0.835 5。

計(jì)算得出各樹種的土壤肥力質(zhì)量綜合得分為油松(0.56)>國(guó)槐(0.52)>銀杏(0.26)>毛白楊(-0.14)>榆樹(-1.06)。由此可見，在北京平原地區(qū)造林，油松和國(guó)槐對(duì)土壤肥力質(zhì)量的改良要優(yōu)于銀杏、毛白楊和榆樹。

4 討論與結(jié)論

4.1 平原造林地區(qū)不同樹種對(duì)土壤粒徑分布及其分形維數(shù)的影響

研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤顆粒分形維數(shù)介于2.439～2.609。分形維數(shù)與細(xì)黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒和細(xì)砂粒的質(zhì)量分布均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這與趙清賀等[12]在黃河中下游的研究結(jié)果一致。有研究表明：分形維數(shù)不僅可以表征土壤粒徑的大小，還可以體現(xiàn)質(zhì)地組成的均一程度；土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和單一粒級(jí)的集中程度對(duì)分形維數(shù)會(huì)產(chǎn)生重要影響[11]。植物根系在生長(zhǎng)過程中分泌的黏液會(huì)使土壤粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加但砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤質(zhì)地細(xì)粒化，影響土壤養(yǎng)分狀況和其他理化性質(zhì)。研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)總體偏小，表明土壤質(zhì)地較粗，不易形成良好的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)良好的土壤顆粒分形維數(shù)應(yīng)在2.750左右[13-14]。油松和國(guó)槐土壤顆粒分形維數(shù)為2.584和2.566，高于其他3種樹種，說明種植油松和國(guó)槐相比于種植其他樹種對(duì)土壤的改良效果可能會(huì)更好。

4.2 平原造林地區(qū)不同樹種對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的影響

北京平原地區(qū)植被主要功能是防風(fēng)固沙、水土涵養(yǎng)以及瘠薄立地改良；因此，保持森林生態(tài)系統(tǒng)的健康，使之持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮生態(tài)功能顯得尤為重要。本研究中：在0～20 cm土層，國(guó)槐和銀杏林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于毛白楊和榆樹林(P<0.05)；榆樹林土壤全氮顯著低于其他4種樹種；銀杏林土壤全磷和有效磷均顯著低于其他4種樹種；各樹種土壤全鉀和pH值無顯著差異。土壤肥力直接影響林木生長(zhǎng)發(fā)育，肥力質(zhì)量瘠薄是限制人工林生長(zhǎng)和森林可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[15]?？偟膩砜矗瑖?guó)槐和油松林土壤有機(jī)質(zhì)，全氮、全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于毛白楊、銀杏和榆樹林，表明國(guó)槐和油松能更好地蓄積和固持土壤養(yǎng)分，尤其表現(xiàn)在對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸收與歸還能力更強(qiáng)。國(guó)槐和油松人工林因其適應(yīng)性強(qiáng)，能形成相對(duì)較穩(wěn)定的群落，有利于水土保持和維護(hù)地力等優(yōu)點(diǎn)常作為北方常用的造林樹種，這與孫曉霞等[16]的研究結(jié)果一致。5種平原造林樹種土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不盡相同，這可能是由于不同樹種對(duì)土壤的改良作用不同。植被類型會(huì)影響林下土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，主要表現(xiàn)在林木凋落物和植物根系分泌物等對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的補(bǔ)充[17]。樹種不同導(dǎo)致林分的養(yǎng)分歸還量和吸收量、凋落物的類型、數(shù)量和分解速率有所不同，不同樹種對(duì)同種養(yǎng)分的吸收速率也不同，導(dǎo)致林下土壤養(yǎng)分差異明顯；因此，造林樹種會(huì)對(duì)土壤肥力產(chǎn)生極大的影響。

土壤有機(jī)質(zhì)在養(yǎng)分循環(huán)過程中起著關(guān)鍵性作用，主要表現(xiàn)為對(duì)土壤微生物活性的影響[18-19]。土壤微生物通過分解有機(jī)質(zhì)釋放養(yǎng)分，進(jìn)而推進(jìn)了土壤的代謝過程[20]。此外，有研究表明，森林土壤中的氮元素主要以有機(jī)態(tài)氮存在，因此有機(jī)質(zhì)與全氮、水溶性N呈正相關(guān)[21-22]。本研究中5種樹種林下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，與前人研究結(jié)果一致，同時(shí)也符合一般森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N普遍缺乏的現(xiàn)象[23]，這可能與氮元素主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、大氣干濕沉降和生物固氮等有關(guān)。凋落物分解和巖石的風(fēng)化作用是土壤磷素的主要來源，而巖石的風(fēng)化過程緩慢。所以，土壤P快速補(bǔ)充的來源是凋落物分解，其濃度主要受凋落物來源和分解速率影響。隨著土層加深，5種樹種土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷均顯著降低，在土壤0～20 cm有明顯的“表聚現(xiàn)象”。這與前人的研究結(jié)果基本一致[24-26]。植物從土壤中吸收的養(yǎng)分元素絕大部分以凋落物的形式歸還土壤，樹種不同使得林下凋落物的種類、數(shù)量和分解速率差異較大，進(jìn)而引起林地不同土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布的不同。林地土壤全氮和全磷同樣與凋落物的積累有關(guān)，土壤中的N和P被植物吸收之后以凋落物的形式歸還土壤，所以林地表層土壤中的N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下層土壤[27]。

4.3 土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)關(guān)系

研究區(qū)土壤理化性質(zhì)之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。在0～20 cm，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤全磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)。土壤各粒級(jí)對(duì)養(yǎng)分作用不一，黏粒和粉粒有利于土壤有機(jī)質(zhì)的保留。黏粒和粉粒比例增加，會(huì)使土壤分形維數(shù)變大，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高[29]。土壤顆粒分形維數(shù)一方面可以用作分析土壤顆粒分布與土壤結(jié)構(gòu)特征，另一方面也可用來表征土壤養(yǎng)分特征。在20～40 cm，土壤pH值與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀和有效磷呈顯著正相關(guān)；土壤全磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)。造林是林木與土壤環(huán)境相適應(yīng)的過程，凋落物的分解、根系生長(zhǎng)過程中的分泌物及土壤微生物的活動(dòng)等都會(huì)提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體和生物多樣性的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)和持水保肥性能和改變土壤膠體狀況。土壤環(huán)境得到改善之后，也會(huì)促進(jìn)林木的生長(zhǎng)發(fā)育。

4.4 土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

主成分分析法近年來被廣泛用于評(píng)價(jià)某一地區(qū)土壤肥力的高低[29-31]。本研究中，土壤顆粒分形維數(shù)、全氮和全鉀對(duì)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)影響最大，全磷和有效磷次之，有機(jī)質(zhì)和pH影響最小。一般而言，在適宜的土壤pH值和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的條件下，土壤肥力質(zhì)量好，但該研究區(qū)土壤為中強(qiáng)堿性土壤，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體較低，使得在土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)時(shí)，表現(xiàn)為土壤顆粒分形維數(shù)等因子的影響更大；此外，造林時(shí)間較短，樹體的養(yǎng)分循環(huán)還沒有完全建立，也會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成一定的影響。最后的綜合評(píng)價(jià)得分為油松(0.56)>國(guó)槐(0.52)>銀杏(0.26)>毛白楊(-0.14)>榆樹(-1.06)；因此，該區(qū)域進(jìn)行平原造林應(yīng)該根據(jù)造林目的進(jìn)行樹種選擇，短期內(nèi)提升土壤理化性質(zhì)應(yīng)該考慮種植國(guó)槐和油松等。

總體來說，研究區(qū)土壤全氮和全磷處于缺乏狀態(tài)，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；pH值偏高。雖然土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但由于pH值也偏高，林木可以吸收利用的磷素較少，因此，應(yīng)該考慮進(jìn)行傳統(tǒng)肥料和有機(jī)肥的配合施用，以更好地改善土壤理化性質(zhì)，為造林樹種提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。此外，落葉會(huì)帶走大量養(yǎng)分，加之群落本身生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求越來越大，將會(huì)導(dǎo)致造成土壤養(yǎng)分“供”大于“還”，土壤肥力有所下降。因此，落葉對(duì)土壤養(yǎng)分的補(bǔ)充對(duì)土壤肥力尤為重要；但由于北京平原地區(qū)秋季落葉過多易引發(fā)火災(zāi)，故應(yīng)盡量收集落葉掩埋于林下土壤中，使森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)趨于完整。土壤-植被之間相互關(guān)系十分復(fù)雜，而且其間的相互影響過程和機(jī)理目前尚不清楚，這有待長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)后進(jìn)行進(jìn)一步的論證。