冀北山地天然次生林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及影響因素

黃 磊,張永娥,邵芳麗,余新曉,*

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083 2 國家林業(yè)與草原局水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 3 中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038 4 水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心,北京 100038

土壤的碳、氮、磷元素作為土壤養(yǎng)分的重要組成部分,在森林生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)價(jià)值,對(duì)改良土壤性質(zhì),促進(jìn)植被發(fā)育、土壤酶活性、土壤微生物活性與生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)等方面發(fā)揮著顯著的作用[1-5]。土壤碳、氮、磷元素在生態(tài)系統(tǒng)中參與動(dòng)態(tài)的循環(huán)過程,不同循環(huán)過程中的元素會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境存在不同的影響[6]。作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),土壤碳、氮、磷元素與土地生產(chǎn)力聯(lián)系緊密,人為地增加碳氮磷元素能夠在一定程度上促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)及植株的生長[7]。但土壤中的碳、氮、磷等元素容易隨著擊濺、沖刷等土壤侵蝕過程產(chǎn)生運(yùn)移,造成水體富營養(yǎng)化、土壤養(yǎng)分流失等環(huán)境問題；另一方面,土壤的碳儲(chǔ)量的減少會(huì)促進(jìn)有機(jī)碳的排放,加劇溫室效應(yīng)[8]。

冀北山地地處華北灤河上游,為國家劃定的重要的生態(tài)防線之一,擔(dān)負(fù)護(hù)衛(wèi)京津冀生態(tài)安全、阻擋風(fēng)沙的重任[9]。20世紀(jì)60年代,當(dāng)?shù)貭I造了以華北落葉松為優(yōu)勢(shì)樹種的人工林,90年代以來,出于保護(hù)天然林資源的政策的原因,天然林林分蓄積的開發(fā)受到嚴(yán)格限制,當(dāng)?shù)貙?duì)已營造的人工混交林采取了以封為主,人工輔育為輔的措施,以加快成林速度并提高林分質(zhì)量[10]。高敏等[11]對(duì)該地區(qū)落葉松人工林的土壤動(dòng)物群落多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)人工輔育的落葉松混交林通過對(duì)地上植被組成與結(jié)構(gòu)的調(diào)控,能夠改變土壤微生物種類、改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì),提高了林分環(huán)境的異質(zhì)性,促進(jìn)了土壤動(dòng)物群落的多樣性的提高。但迄今為止,關(guān)于次生林立地因子與植被對(duì)不同土壤深度層次土壤養(yǎng)分性狀之間的關(guān)系的研究尚不多見。

本文意在從林分、地形等因子的角度出發(fā),探究不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的計(jì)量關(guān)系與影響土壤養(yǎng)分含量及空間分布的因素。為揭示次生林土壤養(yǎng)分變化以及合理撫育山區(qū)次生林,提高次生林生產(chǎn)力提供必要的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于河北省承德市木蘭圍場(chǎng)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)北溝林場(chǎng),該區(qū)域位于壩上高原與壩下山地的交界地帶,北接御道口牧場(chǎng)與河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng),東臨灤河最大支流小灤河,地理坐標(biāo)41°47′—42°06′ N,116°51′—117°45′ E。海拔1010—1939.9 m,整體地勢(shì)呈現(xiàn)西北高,東南低的局面,屬暖溫帶亞濕潤針葉林區(qū)向中溫帶半干旱森林草原區(qū)的過渡帶,為大陸性季風(fēng)性山地氣候,區(qū)域年降水量380—560 mm,集中于6、7、8月,全年降水量曲線呈“單峰”型變化。多年平均氣溫-1.4—4.7℃,日照充足,雨熱同季,冬長夏短,四季分明,晝夜溫差較大。

木蘭圍場(chǎng)自然保護(hù)區(qū)區(qū)域內(nèi)植被類型豐富,呈現(xiàn)明顯的地帶性分布。分布有原始森林生態(tài)群落退化后形成的闊葉灌叢與草甸,其中草甸以地榆-細(xì)葉苔草草甸與披堿草-委陵菜草甸為主要類型的雜草類草甸。研究樣地為經(jīng)火災(zāi)干擾后次生演替,于火燒跡地上重新生長起的先鋒群落。20世紀(jì)四五十年代,研究區(qū)域曾經(jīng)歷一次對(duì)部分大徑喬木的擇伐,后被封育進(jìn)入自然恢復(fù)狀態(tài)。目前已演替為以山楊(PopulusdavidianaDode)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)及落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)為主要優(yōu)勢(shì)樹種的天然次生林。研究樣地林分為區(qū)域地帶性植被在自然恢復(fù)、演替過程中的過渡階段。除上述優(yōu)勢(shì)樹種外,研究樣地還分布有數(shù)量相當(dāng)?shù)亩潘?JuniperusrigidaSieb.etZucc.)、油松(PinustabulaeformisCarr.)、紅松(PinuskoraiensisSieboldetZuccarini.)、樟子松(PinussylvestrisLinn.var.mongolicaLitv.)、旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)及櫟類(Quercus)等常綠及落葉喬木。

2 研究方法

2.1 樣方設(shè)置及調(diào)查

試驗(yàn)地選擇林場(chǎng)內(nèi)面積為200 m×200 m的固定樣地一處,海拔高度1330—1440 m,使用全站儀將樣地劃分為100個(gè)面積為20 m×20 m的樣方。于2017年5月份對(duì)所有樣方內(nèi)的植被、土壤及地形等因子進(jìn)行全面細(xì)致的調(diào)查。研究區(qū)域設(shè)置的100組樣方中,設(shè)定編號(hào)數(shù)尾數(shù)為0的樣方位于圖1最上方。由圖2可見,樣地海拔高度整體呈西北-東南方向遞減,各組樣地間坡向不一。位于最上方的10組樣地中,中部的40、50與60號(hào)樣地的海拔高度相對(duì)左右兩側(cè)相對(duì)較低。

圖1 研究區(qū)域樣地平面高程圖

圖2 研究區(qū)域樣地3D圖

2.2 植被調(diào)查

基于20 m×20 m面積的樣方,對(duì)樣方內(nèi)所有胸徑≥1 cm的木本植物進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括種名、樹高、胸徑、冠幅及定位坐標(biāo)；在每個(gè)20 m×20 m面積樣方內(nèi)的四角及中心點(diǎn)設(shè)置1 m×1 m面積的小樣方用于草本植物的調(diào)查,內(nèi)容包括種名、蓋度、高度、生長狀況及分布情況等。對(duì)高度不足1.5 m及胸徑不足1 cm的灌木,統(tǒng)計(jì)平均胸徑、平均樹高及株數(shù)。

2.3 樣方內(nèi)葉面積指數(shù)測(cè)定

將每塊樣地劃分為10 m×10 m的小樣方4塊,于每塊小樣方的中心點(diǎn)作為葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)取樣點(diǎn)。為避免太陽光照對(duì)鏡頭攝像效果的影響,試驗(yàn)選擇于光照較弱的清晨或日落時(shí)分進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)時(shí),使用CI-110葉面積指數(shù)測(cè)定儀于1.5 m高度處通過魚眼鏡頭向上拍攝,測(cè)定時(shí)儀器須保持水平。由儀器自帶軟件根據(jù)拍攝結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算結(jié)果值。計(jì)算4塊小樣方所測(cè)LAI值的平均值作為樣地的LAI值。

2.4 土壤因子測(cè)定

2.4.1土壤水分測(cè)定

以10 m×10 m的小樣方中心點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)使用便攜式時(shí)域反射儀TDR測(cè)定0—20 cm、20—40 cm與40—60 cm三個(gè)土壤深度層次的含水量,測(cè)定時(shí)間選擇于測(cè)定前連續(xù)3日無降雨的陰天進(jìn)行。

2.4.2土壤養(yǎng)分測(cè)定

因?qū)嶒?yàn)需求,測(cè)定土壤養(yǎng)分指標(biāo)需獲取較大量的土壤樣品,實(shí)驗(yàn)基于20 m×20 m的樣方面積,于樣方中心點(diǎn)1 m范圍內(nèi)設(shè)置3—5個(gè)采樣點(diǎn),使用土壤采樣器分層采樣后混合,得到樣方中心范圍內(nèi)土壤的復(fù)合樣品。因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)樣方為方正的矩陣式排列,20 m×20 m面積的樣方于中心布設(shè)1處土壤采樣點(diǎn),所得結(jié)果能夠體現(xiàn)同一指標(biāo)在不同樣地間的變異。土壤養(yǎng)分測(cè)定指標(biāo)包括：pH值、土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon, SOC)、全氮(Total nitrogen, TN)、全磷(Total phosphorus, TP)、全鉀(Total potassium, TK)、速效磷(Available phosphorus, AP)、速效鉀(Available potassium, AK)。其中,pH值使用電位法測(cè)定,SOC、TN、TP含量需對(duì)土壤研磨并過直徑0.25 mm篩后,分別利用重鉻酸鉀外加熱氧化法、半微量凱氏定氮法、NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定[12],AP采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定[13],AK、TK采用濃度為2 mol/L的HNO3溶液振蕩過濾測(cè)定[14]。

2.5 不同分解程度的枯落物觀測(cè)及采集

以20 m×20 m面積樣方的中心點(diǎn)及對(duì)角線1/4、3/4距離處布設(shè)測(cè)點(diǎn),每處測(cè)點(diǎn)使用直尺測(cè)定枯落物未分解層、半分解層、分解層各自的厚度。在樣方的中心點(diǎn)處設(shè)50 cm×50 cm的小樣方分層采集并帶回室內(nèi)作烘干處理,推算出各層枯落物的量。

2.6 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果,計(jì)算每組樣地土壤C∶N、C∶P與N∶P值。繪制據(jù)計(jì)算結(jié)果所繪制各養(yǎng)分指標(biāo)含量折線圖。

使用SPSS 22.0軟件對(duì)所有試驗(yàn)所觀測(cè)、獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)可直接用于下一步的分析；不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換處理后用于Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)。

研究選定葉面積指數(shù)(Leaf area index)、喬木胸高斷面積(Arbor basal area)、喬木密度(Arbor density)、冠幅(Canopy)、草本蓋度(Herb coverage)、灌木蓋度(Shrub coverage)、灌木胸高斷面積(Shrub basal area)、灌木密度(Shrub density)8組林分因子,土壤含水率(Soil moisture)、未分解層(Undecomposed)、半分解層(Semi-decomposed)、分解層(Decomposed)各層枯落物厚度4組土壤因子與海拔高度(Altitude)、曲率(Convex)、坡向(Slope direction)、坡位(Slope position)、坡度(Slope degree)5組地形因子共17組因子作為解釋變量。坡位、坡向3種因子,作為參與冗余分析(Redundancy analysis, RDA)的解釋變量的一部分,為更好地解釋土壤養(yǎng)分的變異,對(duì)坡向、坡位因子進(jìn)行定量化賦值。對(duì)坡向而言,將正北、東北、西北、正東、東南、正西、西南及正南共8個(gè)坡向分別賦值1、2、3、4、5、6、7、8[15-19]；計(jì)算樣地距坡頂距離占整個(gè)坡面長度的百分比作為定量化的坡位值。

使用RDA分析解釋變量與土壤養(yǎng)分關(guān)系之前,需要對(duì)解釋變量進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(De-trend correspondence analysis,DCA)。結(jié)果顯示,排序軸的梯度長分別為1.096、0.496、0.600、0.354,低于RDA分析要求的梯度長不高于3的上限,因此選用RDA進(jìn)行排序分析優(yōu)于選用單峰的典范對(duì)應(yīng)分析(Canonical correspondence analysis,CCA)。為分析各解釋變量之間的相互作用及因子自身對(duì)響應(yīng)變量的解釋能力,在進(jìn)行RDA分析后,基于其結(jié)果進(jìn)行變差分解(Variance part analysis, VPA)處理。數(shù)據(jù)處理、分析及繪圖全過程于R 3.6.1中完成,其余繪圖于Origin 2018中完成。

3 結(jié)果及分析

3.1 天然次生林植被群落組成

天然次生林樣地內(nèi)共調(diào)查喬木計(jì)16種,3126株,喬木個(gè)體數(shù)較多的有山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、華北五角楓(AcermonoMaxim)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等；灌木計(jì)18種,其中重要值大于1的共計(jì)9種,按從重要值從大到小的排序?yàn)槊?Corylusmandshurica)、錦帶花(Weigelaflorida)、迎紅杜鵑(Rhododendronmucronulatum)、沙梾(Swidabretchneideri)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)、照山白(Rhododendronmicranthum)、紅瑞木(Cornusalba)、丁香(Syzygiumaromaticum)。其中毛榛為灌木層中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種,重要值達(dá)到66.63；位于第二位的錦帶花重要值僅9.52；草本計(jì)71種,其中重要值≥1的草本21種,從大到小排序依次為,細(xì)針苔草(Carexrigescens)、小紅菊(Dendranthemachanetii)、風(fēng)毛菊(Saussureajaponica)、糙蘇(Phlomisumbrosa)、舞鵲草(Maianthemumbifolium)、華北耬斗菜(Aquilegiayabeana)。細(xì)針苔草為草本層中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種(表1)。

表1 研究區(qū)域優(yōu)勢(shì)喬木、灌木與草本種名、拉丁名及其重要值

研究統(tǒng)計(jì)所有樣地間優(yōu)勢(shì)喬木山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)與優(yōu)勢(shì)灌木毛榛(Corylusmandshurica)在所有100組樣地中的分布及差異,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),山楊與白樺主要分布于1—50號(hào),研究區(qū)域分布的3126株喬木中,1—50號(hào)樣地喬木數(shù)量為2448株,占比78.31%。其中位于圖1左下方的25組樣地分布數(shù)量為1612株,占總數(shù)51.57%。分布于1—50號(hào)樣地的山楊數(shù)量1746株,占山楊總數(shù)81.82%；相同樣地白樺數(shù)量為1028株,占白樺總數(shù)58.41%。毛榛數(shù)量分布與山楊、白樺相似,1—50號(hào)樣地分布毛榛9229株,占總數(shù)77.65%。其中,13、14、15、29與46號(hào)樣地分布毛榛數(shù)量均大于300株。

3.2 土壤養(yǎng)分含量分布與指標(biāo)之間的相關(guān)性

在樣地內(nèi),土壤pH值的變化波動(dòng)較小,整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的土壤pH值最高時(shí)不超過6.8,研究區(qū)域土壤屬于酸性土壤。其余各項(xiàng)指標(biāo)在不同的土壤深度層次、不同的樣地之間的分布有顯著的差異(圖3)。土壤有機(jī)碳在不同深度土層中分布差異顯著,表層土壤SOC值在55—60號(hào)、66—70號(hào)與76—80號(hào)樣地含量最高,下層土壤SOC值較高的樣地主要集中于位于圖1左下方25組樣地內(nèi),其中40 cm以下深度土壤SOC于1、2號(hào)樣地分布最集中。所有樣地內(nèi)全氮含量分布基本均勻,13號(hào)與14號(hào)樣地為TN含量最高的樣地。45—50號(hào)樣地與55—60號(hào)樣地為全磷含量較高的樣地,相同樣地全磷含量隨土壤深度增加呈逐步減小趨勢(shì),有效磷由全磷中的部分成分轉(zhuǎn)化而來,但分布規(guī)律與全磷不同,AP含量較高的樣地位于TP高分布樣地右側(cè)的65—70號(hào)樣地,除此之外,隨著土壤深度加深,位于65號(hào)樣地下方的63號(hào)樣地及61號(hào)樣地相繼出現(xiàn)較高的AP含量,含量值與70號(hào)樣地相當(dāng)。相同土壤深度土壤速效鉀分布規(guī)律與土壤有機(jī)碳分布相近。

不同土壤深度各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系的顯著性存在差異,但部分指標(biāo)與其他指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系的顯著性隨土壤深度的變化始終存在。TN與SOC之間的相關(guān)性由淺層及深層土壤保持極顯著相關(guān)(P<0.001),說明樣地間的C∶N比波動(dòng)平緩,能夠穩(wěn)定于一定范圍內(nèi)。與之相似,SOC與AK值之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),根據(jù)圖3中不同樣地SOC與AK值的分布可見,兩者呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能為由部分土壤全鉀轉(zhuǎn)化形成的AK能夠按照植被根系所需土壤有機(jī)碳的含量,及時(shí)形成并滿足各組樣地中植被根系的需要。由SOC及TN值所計(jì)算得出的各樣地C∶N值與AK保持顯著相關(guān)同樣能夠說明這一點(diǎn)(表2)。

3.3 林分、海拔及其他土壤因子與土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的關(guān)系

在17組解釋變量的條件下,RDA分析能夠分別解釋0—20 cm、20—40 cm與40—60 cm三個(gè)深度層次土壤養(yǎng)分指標(biāo)的48.64%、53.45%及49.23%的差異性(P<0.001,表3,表4)。其中以SOC、AK兩項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)被解釋變量解釋比例最大(表3)。在0—20 cm深度土壤中,17組參與環(huán)境因子解釋的變量有12組對(duì)SOC產(chǎn)生解釋,其中,灌木密度、冠幅、坡向、地表凹凸度、灌木蓋度、葉面積指數(shù)、枯落物層變量對(duì)SOC解釋明顯。而解釋AK含量分布的指標(biāo)主要有坡度與灌木蓋度、喬木密度等與植被生長有關(guān)的因子。20—40 cm深度土壤中,解釋SOC的因子發(fā)生了明顯改變,影響SOC指標(biāo)的因素?cái)?shù)量不及表層土壤,土壤水分、喬灌胸高斷面積因素對(duì)該層的土壤養(yǎng)分值有一定的影響。40—60 cm土壤中,解釋SOC含量及分布的因子主要為與灌木有關(guān)的因子。不同土壤深度土層解釋AK的因子中,部分因子始終存在,灌木蓋度HC,坡度SLD與喬木密度AD均對(duì)所有土壤層次的AK作出解釋(圖4)。

表3 不同土壤深度層次土壤養(yǎng)分RDA排序特征值

圖4 不同土壤深度層次土壤養(yǎng)分指標(biāo)RDA分析結(jié)果

表4 RDA分析 Monte Carlo 檢驗(yàn)結(jié)果

VPA結(jié)果顯示,基于前述的RDA分析結(jié)果,在沒有海拔高度、坡度、凹凸度、坡位、坡向等地形因子介入時(shí),林分因子與土壤因子的交互作用不能對(duì)土壤養(yǎng)分的差異性進(jìn)行解釋。由海拔高度、凹凸度、坡度、坡位、坡向組成的地形因子組,其單獨(dú)對(duì)各指標(biāo)的解釋率較低。除對(duì)40—60 cm較深層土壤養(yǎng)分尚有7.1%的解釋比率外,單獨(dú)對(duì)40 cm以上的淺層土壤的解釋能力很微弱,但與林分、土壤因子相交互后,解釋能力明顯增強(qiáng)?？v觀3個(gè)土壤深度層次,地形因子與其他因子相交互后,解釋比率占各自整體的比重分別達(dá)到40.69%、60.80%、71.25%,分別為其單獨(dú)解釋比例的6.45、8.06、3.21倍(圖5)。

圖5 不同土壤深度層次土壤養(yǎng)分指標(biāo)VPA解釋結(jié)果

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1不同土壤深度層次土壤養(yǎng)分含量分布差異及關(guān)系

研究區(qū)域所屬的天然次生林封禁較早,經(jīng)多年次生演替與群落迭代,林分生長已進(jìn)入近熟林至成熟林階段。其林下土壤養(yǎng)分含量與分布格局相比于研究區(qū)域附近林齡較小的次生純林存在較大差異,林場(chǎng)內(nèi)其他純林林分淺層土壤有機(jī)碳含量平均值34.41 g/kg,最高值不超過58.85 g/kg[20],而研究區(qū)域各樣地淺層土壤有機(jī)碳含量大多在80 g/kg以上,較高的14、57與84號(hào)樣地,得益于較大量的枯落物存在,SOC含量超過120 g/kg。研究發(fā)現(xiàn),區(qū)域內(nèi)1—50號(hào)樣地因喬灌木分布密集,林下產(chǎn)生較厚的枯落物層,經(jīng)微生物分解后形成SOC含量較高的樣地,SOC的增加同時(shí)提高了AK的含量。這與Mercik等[21]研究得出的向農(nóng)田施用有機(jī)肥以提高其有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)而提高土壤鉀的有效性的結(jié)論一致。

TP作為衡量土壤各種形態(tài)磷元素的一個(gè)綜合指標(biāo),在一定程度上衡量著土壤的有效肥力的高低[20,22]。20 cm以下TP與其他土壤性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性卻很低。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能為,作為組成TP的主要成分有效P、有機(jī)P,其主要來源于土壤微生物對(duì)枯落物及其他主要植物殘?bào)w的分解[23],有研究表明土壤可溶性碳的含量可以影響土壤P的含量、組分及有效性[24],隨著土壤深度的增加,凋落物分解形成的養(yǎng)分難以大量地進(jìn)入較深的土壤,多年來該次生林分長期處于封育狀態(tài),不同于同一地區(qū)的人工林進(jìn)行定期擇伐后會(huì)保留相當(dāng)數(shù)量的采伐剩余物,以增加造林地有機(jī)碳的含量為土壤微生物提供充足的養(yǎng)分與能量,處于封育狀態(tài)的次生林,表層土壤有機(jī)碳經(jīng)過淋溶后到達(dá)深層土壤的數(shù)量更少,使深層土壤微生物得到的養(yǎng)分來源有限,會(huì)使土壤以NaOH-Po形式保留土壤TP的能力降低,加之缺少采伐物的覆蓋,因淋溶造成的土壤侵蝕也會(huì)導(dǎo)致一定的土壤P的流失[25],使同一地點(diǎn)采集的20 cm以下土壤TP、AP的含量明顯低于表層土壤。AP含量較高的60—70號(hào)樣地方位特殊,65—70號(hào)樣地位于左右兩側(cè)樣地的下方位處,61—64號(hào)樣地位于65—70號(hào)樣地的下方位處,土壤P隨降雨的淋溶入滲至較深土壤中形成壤中流,隨坡向向下坡位樣地集中,研究發(fā)現(xiàn)61、63號(hào)樣地20 cm以下深度土壤AP含量明顯高于淺層土壤,其較高的AP可能來自于原分布于上坡位表層土壤中的AP。但調(diào)查發(fā)現(xiàn),盡管AP為重要的土壤養(yǎng)分來源,富集AP的樣地植被密度在研究區(qū)域內(nèi)相對(duì)偏低,遠(yuǎn)不及AP含量相對(duì)較低的1—50號(hào)樣地。

涉及土壤碳、氮、磷養(yǎng)分的固持與礦化的過程,土壤的C∶N、C∶P與N∶P值反映土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[26]。分別表征土壤有機(jī)碳的礦化程度,土壤有機(jī)碳質(zhì)對(duì)土壤中P的釋放與吸收能力以及土壤氮素含量是否受限。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定并計(jì)算,研究區(qū)域多數(shù)樣地C∶N比接近或超過20,全國平均水平為10.9[27]；多數(shù)樣地土壤C∶P平均值自淺層至深層分別為92.14、74.61與69.25,高于全國平均水平60.0[28],其中部分樣地淺層與中層土壤C∶P接近或超過200,有研究表明[29-30],C∶P比超過200的土壤足以使P發(fā)生凈固持,降低土壤速效磷的轉(zhuǎn)化效率。與C∶N及C∶P不同,所有樣地N∶P平均值自淺層及深層僅6.44、4.58與4.75,與全國平均水平相當(dāng),但遠(yuǎn)小于鄰近區(qū)域天然純林[20](圖3)。根據(jù)曹娟等人[31]的研究結(jié)論,林下土壤N∶P值變化與林齡有很大關(guān)系,在幼齡林階段,N∶P會(huì)隨林齡的增加而明顯增加,在中齡林階段達(dá)到最大值后,又逐漸減小,與研究區(qū)域所得出的結(jié)果一致。對(duì)各深度層土壤N∶P值與土壤TN、TP值進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),TN值與N∶P的相關(guān)性更加顯著,說明影響N∶P值的主要因素為氮素量的限制。

4.1.2林分因子與地形因子對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

研究選擇的8組林分因子對(duì)SOC、AK兩組土壤養(yǎng)分變量產(chǎn)生解釋,對(duì)其他養(yǎng)分變量解釋時(shí),即使增加與其他因子的交替仍然相對(duì)微弱(表3、圖4、圖5)。表明影響土壤養(yǎng)分的林分因子涉及植被種類,形態(tài)等其他因子。研究發(fā)現(xiàn)部分土壤指標(biāo),如TN的含量明顯地偏低于同時(shí)期所測(cè)的人工林分。有研究表明,主要優(yōu)勢(shì)喬木樹種山楊、白樺的根系在土壤低氮的狀態(tài)下,山楊通過降低吸收根中皮層細(xì)胞的直徑,降低皮層厚度；白樺通過增加皮層細(xì)胞直徑、減少皮層細(xì)胞層數(shù)降低皮層厚度。皮層厚度降低后將促使吸收根吸取更多的土壤N,進(jìn)而形成惡性循環(huán)[32]。因研究方法存在的局限性,用于RDA分析的數(shù)據(jù)矩陣僅能以樣地為單位輸入?yún)?shù),未能考慮樹種的因素,可能是造成林分因子對(duì)作為相應(yīng)變量的土壤養(yǎng)分解釋率相對(duì)較低的原因。

表層土壤由于接收了大量地表枯落物分解后形成的各種有機(jī)碳及其他土壤養(yǎng)分,致使影響其含量、分布的主要因子始終為枯落物分解量,弱化了其他因子的影響。這與淑敏等[33]、王凱等[34]所研究的結(jié)果完全一致。但20 cm以下的土壤接收的地表枯落物分解后的養(yǎng)分量遠(yuǎn)不及表層土壤,地形等因素對(duì)土壤養(yǎng)分的影響隨之逐漸凸顯。海拔、坡度、坡向、坡位及曲率等地形因子顯著影響20 cm深度以下的各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)(圖4)。其中,SOC、TK與各項(xiàng)地形因子呈較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)與地形因子呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。隨著土壤深度的增加,地形因子對(duì)土壤養(yǎng)分含量、分布的解釋能力逐漸增加(圖5)。魏亞偉等[35]、蘇日古嘎等[36]、宋愛云等[37]、沈澤昊等[38]均認(rèn)為地形因子對(duì)物種分布、林分結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分的影響作用較為顯著。地形可以通過對(duì)光照強(qiáng)度、溫度、降水、土壤侵蝕等環(huán)境因子的再分配間接地影響土壤養(yǎng)分分布及植被生長狀況[39-40]。據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)樣方號(hào)的標(biāo)定,樣方號(hào)趨于整十?dāng)?shù)的樣方趨于低坡位位置,從上坡位到下坡位每10塊樣地的0—20 cm深度土壤SOC、TN含量均有較為明顯的增加趨勢(shì)(圖3),即下坡位的SOC、TN含量明顯高于上、中坡位。與衛(wèi)瑋等[19]的研究結(jié)果一致。主要原因在于,上、中坡位的土壤在一定的降雨擊濺及重力因素的侵蝕作用下,部分土壤隨著時(shí)間的推移逐漸地被搬運(yùn)并堆積至下坡位處,SOC、TN等土壤養(yǎng)分也隨著土壤顆粒向下坡位運(yùn)移,使下坡位的土層較上、中坡位偏厚,養(yǎng)分容易富集。除此之外,海拔因子也是影響山區(qū)植物群落、土壤養(yǎng)分分布的主導(dǎo)因子之一,它綜合反映了林地降水、溫度、相對(duì)濕度等諸多的氣象因素,在各種大小的研究尺度上都對(duì)物種的分布、多樣性有重要影響[41]。劉志理等[42]在總海拔高差僅有89 m的小興安嶺紅松林地樣地內(nèi),仍發(fā)現(xiàn)海拔高度作為研究所選定的地形因子之一,能夠顯著地影響葉面積指數(shù)的空間分布特征,主要表現(xiàn)為葉面積指數(shù)值隨海拔的變化呈顯著的增加趨勢(shì)。本研究區(qū)域海拔高差最大僅有102 m,仍然表現(xiàn)了與20 cm以下深度土壤各項(xiàng)養(yǎng)分的顯著相關(guān)甚至極顯著相關(guān)。但較大空間尺度的海拔高差是否會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分、植被群落組成帶來更顯著的差異還需進(jìn)一步地研究。

4.2 結(jié)論

本文探究基于次生演替并封育多年的天然次生林下土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及差異,結(jié)果表明：封育多年的天然次生林下土壤中C∶N與C∶P大于同區(qū)域內(nèi)其他林分,也大于全國平均水平,N∶P值相較于同區(qū)域內(nèi)其他經(jīng)營較晚并處于幼齡林與中齡林的林分較低,與全國平均水平相當(dāng),次生林生長主要受N控制。封育多年的次生林可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)夭煞ナＳ辔?施加N素等撫育措施以保持天然次生林內(nèi)土壤C、N、P含量更加均衡。多數(shù)樣地土壤不同深度C、N、P含量維持在較高水平,植物對(duì)土壤養(yǎng)分保持著較強(qiáng)的吸收能力,土壤磷、鉀的固持效果明顯,能夠轉(zhuǎn)化為足量的速效磷與速效鉀供給植物生長。研究范圍內(nèi)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征不僅與植被類型、植被密度緊密相關(guān),同時(shí)與林地地形聯(lián)系密切。在未來人工林經(jīng)營與天然植被恢復(fù)過程中,應(yīng)當(dāng)注重林地實(shí)際狀況,因地制宜,選擇合適的播種位置,促進(jìn)植物吸收土壤養(yǎng)分的同時(shí)提高養(yǎng)分在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)能力。