大兴安岭山地樟子松天然林不同坡位土壤养分特征及相关性研究

李奕　满秀玲　蔡体久等

摘要 以大兴安岭地区典型山地樟子松天然林为材料，研究了不同坡位土壤养分特征及其相关性，研究得出：坡位对土壤速效养分影响较大。樟子松天然林0～20 cm土层土壤有机质含量与土壤水解氮含量均有：坡上>坡下>坡中，二者含量平均值分别为1.24%和573.45 mg/kg；土壤全氮含量表现为：坡下>坡上>坡中，其含量平均值为2.504 g/kg。土壤全磷和土壤速效磷含量变化规律为：坡上>坡中>坡下，其土壤全磷含量分别为：2.469、2.180和2.160 g/kg ；土壤速效磷含量分别为607.80、509.76和443.84 mg/kg。土壤全钾含量变化为：坡下>坡中>坡上，平均值为50.41 g/kg；土壤速效钾含量变化为：坡上>坡中>坡下，其值分别为：500.16、476.00和443.15 mg/kg，平均值为473.10 mg/kg。相关分析结果表明，土壤有机质与其他养分元素含量呈正相关，除与土壤全钾和速效钾相关性较差，其余相关性均较好。在不同坡位上，土壤全量养分间的差异不显著，速效养分间差异显著。

关键词 大兴安岭；樟子松天然林；坡位；土壤养分；相关性

中图分类号 S791.253 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01413-04

Abstract Soil nutrient characteristic and the correlation in different slope position of Scotch Pine Forest was studied in Da Hinggan Mountains， the results showed that， the slope has a great influence in Soil phosphorus nutrients. Soil organic matter，soil hydrolysable nitrogen of 0-20 cm soil layer was as follows： upslope> lower slope> middle slope. The average of soil organic matter，soil hydrolysable nitrogen was 1.24%，573.45 mg/kg， respectively. Soil total phosphorus and soil available phosphorus were as follows： upslope> middle slope> lower slope. The soil total phosphorus content was 2.469， 2.180 and 2.160 g/kg， respectively. The soil available phosphorus content of upslope was 607.80 mg/kg， with middle slope as 509.76 mg/kg， upslope as 443.84 mg/kg. Soil total potassium content was in line with： lower slope>middle slope > upslope， with the average of the content as 50.41 g/kg. Soil available potassium was in line with： upslope >middle slope > lower slope， with upslope as 500.16 mg/kg， the middle slope as 476.00 mg/kg， lower slope as 443.15 mg/kg. The average of soil available potassium was 473.10 mg/kg. Related analysis shows that soil organic matter was positively associated with the other nutrients. Besides the correlation between soil organic with soil total potassium

and soil available potassium was poor， the correlation of the rest nutrients was well. In different slope， soil total nutrients content was not significant， but soil available nutrients content was significant.

Key words Da Hinggan Mountains； Scotch Pine natural forest； slope position； soil nutrients； correlation

土壤养分是土壤肥力的重要标志，能供应和协调植物生长的营养条件与环境条件，对土地的可持续利用具有重要作用[1] 。植被和土壤是生态系统中相互影响、相互作用的重要组成部分。土壤不仅是植物生长繁育的基底，提供植物必需的水、肥、气、热等生活条件，同时也是物质循环和能量流动的“三库”之一（植物库、动物库、土壤库），是动植物残体分解和微生物生命活动的基础条件[2]。

大兴安岭是我国重要的国有林区，樟子松天然林作为大兴安岭地区的主要森林类型之一，目前国内对其土壤养分特征的研究很少。该文以大兴安岭山地樟子松天然林为研究对象，对不同坡位的樟子松天然林土壤养分分布特征进行研究，旨在了解不同坡位上土壤肥力状况，揭示土壤养分的流动规律，通過分析养分间的相关关系，进一步了解土壤养分间的内在联系，为该区土壤的有效利用和管理提供依据。

1 研究地概况

研究区位于大兴安岭漠河县境内，地理坐标为121°07′～124°20′E，52°10′～53°33′N，该地区属寒温带大陆性气候，具有明显的山地气候特点，冬季漫长寒冷，夏季短暂温热，年平均气温-3.8 ℃，年平均降水量431.2 mm，多集中在7月份，初霜在9月初，终霜在5月中下旬，全年平均无霜期为89 d。植被系以兴安落叶松（Larix gmelinii） 为优势的北方寒温带明亮针叶林，此外还有樟子松林（Pinus sylvestris var.mongolica）、白桦林（Betula platyphylla）、山杨林（Populus davidiana）等也为该地区的主要森林类型。地带性土壤主要是棕色针叶林土，常有草甸化和沼泽，并有永冻层存在[3]。

2 研究方法

2.1 标准地设置

在2010年5月，选择该区有代表性的山地樟子松天然林为研究对象，坡度为35°～40°，坡长400 m左右，阳坡，整个坡面均有樟子松天然分布，坡上有山杨、白桦等树种混生，坡中下部有落叶松和白桦等树种混生。自坡顶向坡下每隔30 m设为取样点，共设置11个取样点，分别记为样点1、样点2、……、样点11，依据林地基本特征及地形变化特点将整个坡面分为3段，即样点1～样点4为坡上，样点5～样点7为坡中，样点8～样点11为坡下。在每个取样点挖3个土壤剖面，由于研究区土层很薄，一般在10～20 cm，下层由大小不等的石子组成，石粒间由粘重的土壤颗粒填充，很少有植物根系分布，因此，根据土层的厚度把土壤剖面分成0～10 cm和10～20 cm共2层，用100 cm3体积环刀取原状土和土壤铝盒，用环刀法测土壤密度和孔隙度[4]。同时分层取500 g左右的土样装入样品袋，做好记录。将实验样品带回实验室，12月份对其进行实验测定。土壤各指标的测定采用混合样，将3个采样点采集的同土层的样品进行混合，用四分法取样，每个样品测定3次。样地基本情况详见表1。

2.2 土壤样品分析方法

将土样风干、研磨、过筛剔除杂质后分析土壤有机质、土壤水解氮、土壤速效磷、土壤速效钾的含量。测定方法均采用国家林业行业标准《森林土壤分析方法》，具体测定方法为：土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法（油浴加热）；土壤全氮含量采用凯氏定氮仪法；土壤水解氮含量采用扩散法；土壤全磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法；土壤速效磷含量采用盐酸-硫酸溶液浸提法；土壤全钾用酸溶和土壤速效钾经醋酸铵浸提处理后均采用ICE-3500原子吸收光谱仪进行测定。

2.3 数据处理 所获数据的统计分析用SPSS18.0软件完成，数据计算和作图由Excel软件完成。

3 结果与分析

3.1 不同坡位樟子松天然林土壤有机质分布特征

由图1可知，自坡顶向坡下土壤有机质含量均表现为0～10 cm>10～20 cm，即表层土壤有机质含量高于下层。0～10 cm土层土壤有机质含量从样点1～样点4呈减小趋势，这是由于坡顶的样点1，地势平坦，有白桦和山杨等阔叶树种出现，密度较大，地表凋落物较厚，土壤有机质得到较好的积累，达最大值1.50%；而从样点1～样点4坡度逐渐增大，阔叶树种数量逐渐减少，土壤质地变差，石粒含量增多，土壤有机质含量则逐渐减少，由坡顶样点1的1.50%减少到样点4的0.59%。样点5到样点11，0～10 cm土层土壤有机质含量呈波动增加的趋势，增加幅度为89.67%。样点11位于坡角，坡度较缓，土层明显变厚，土壤疏松，且有较厚的枯枝落叶覆盖，因此，土壤有机质的含量会明显增加，但小于坡顶部。10～20 cm土层土壤有机质含量则表现出波动变化，规律不明显，坡顶的样点1土壤有机质含量最大，为0.43%，样点4土壤有机质含量最小，为0.27%。整个坡面0～20 cm土层土壤有机质含量坡上最大，为1.37%，坡下其次，为1.30%，坡中最小，为1.06%。经检验，不同坡位间土壤有机质含量差异均不显著（P>0.05）。该研究结果与一些学者[5-6]研究的坡底有机质含量最大的结果不同，可能是由于山地樟子松林坡顶部的白桦和山杨等阔叶树种存在，凋落物较多，人为活动较少，从而使得土壤有机质得到更好的积累。

3.2 不同坡位樟子松天然林土壤氮分布特征

由图2可以看出，樟子松天然林土壤全氮含量表层土壤大于下层土壤，即0～10 cm>10～20 cm。0～10 cm土层，土壤全氮含量由整个坡面最大值的样点1减小到最小值的样点5，其值分别为2.484 g/kg和1.146 g/kg，减小幅度达53.86%。而样点6到样点11，土壤全氮含量呈波动增加的趋势，波动范围为1.244～1.847 g/kg。10～20 cm土层，整个坡面样点土壤全氮含量呈波动增加的趋势，最大值出现在坡底样点10处，其值为1.119 g/kg，最小值出现在坡上样点3处，其值为0.564 g/kg。分析导致这一结果的原因可能是整个坡面的坡度大小变化。就0～20 cm土层土壤全氮含量变化趋势来看，不同坡位樟子松天然林土壤全氮含量表现为：坡下>坡上>坡中，其值分别为2.658、2.537和2.316 g/kg。经检验，不同坡位间土壤全氮含量差异均不显著（P>0.05）。樟子松天然林土壤全氮含量平均值为2.504 g/kg。

如图3所示，自坡顶向坡下土壤水解氮含量均表现为0～10 cm>10～20 cm，即表层土壤水解氮含量大于下层。0～10 cm土层土壤水解氮含量从样点1到样点4呈减小的趋势，样点5到样点11土壤水解氮含量呈波动式增加趋势，这是由于坡度的存在，长期的冲刷作用使许多矿物风化产物随着地表和地下径流水由高处向下坡位及其坡脚淋洗迁移，下坡位或坡脚是其他坡位水土流失的一个汇[5]。坡顶样点1土壤水解氮含量达最大值，为605.50 mg/kg，样点4的土壤水解氮含量最小，为271.02 mg/kg，减小幅度为55.24%，达显著水平（P<0.05）。10～20 cm土层土壤水解氮含量变化较小，整体表现为波动式增加的趋势，坡下部的样点10处土壤水解氮含量达最大值为244.05 mg/kg。就整个坡面土壤水解氮含量的变化趋势来看，樟子松天然林0～20 cm土层土壤水解氮含量从坡上到坡下有先减小后增大的趋势，不同坡位土壤水解氮含量大小排序为：坡上>坡下>坡中，坡上为610.02 mg/kg，坡下为604.50 mg/kg，坡中为505.82 mg/kg。經检验，除坡上和坡下水解氮含量差异不显著（P>0.05）外，其余两两差异显著（P<0.05）。

3.3 不同坡位土壤磷分布特征

由图4可以看出，樟子松天然林11个样点的土壤全磷含量均表现为0～10 cm>10～20 cm，即表层土壤全磷含量大于下层土壤。0～10 cm土层，土壤全磷含量呈波动递减的趋势，土壤全磷含量最大值出现在位于坡顶的样点1处，其值为1.641 g/kg，最小值出现在坡度最大的样点4处，土壤全磷含量为0.929 g/kg。10～20 cm土层，土壤全磷含量变化趋势与0～10 cm土层变化趋势相似，其最大值也出现在位于坡顶有阔叶树种存在的样点1处，其含量为1.355 g/kg，但最小值出现在样点6处，含量大小为0.732 g/kg，其最大值是最小值的1.85倍。整个坡面0～20 cm土层，樟子松天然林土壤全磷含量大小表现为：坡上>坡中>坡下，其值分别为2.469、2.180和2.160 g/kg。樟子松天然林土壤全磷含量平均值为2.270 g/kg。

由图5可得，自坡顶到坡底，土壤速效磷含量均表现为0～10 cm<10～20 cm，即表层土壤速效磷含量小于下层土壤。0～10 cm土层，从坡顶样点1到样点4，土壤速效磷含量急剧减少，由最大值290.79 mg/kg减少到160.13 mg/kg，减少幅度为44.93%，达显著水平（P<0.05），这是由于样点1到样点4坡度较大，土壤淋溶作用明显，且坡顶由于阔叶树种存在，其凋落物较多，土壤中磷得到较好的归还。样点5～样点11，由于坡度变缓，淋溶作用较弱，土壤速效磷含量变化呈波动减少的趋势，变化范围为154.59～235.45 mg/kg。10～20 cm土层土壤速效磷含量变化趋势与0～10 cm土层趋势一致，坡顶样点1处达最大值，为550.77 mg/kg，样点11处达最小值，为267.52 mg/kg，最大值是最小值的2.06倍。就整个坡面0～20 cm土层来看，樟子松天然林土壤速效磷含量大小表现为：坡上>坡中>坡下，坡上为607.80 mg/kg，坡中为509.76 mg/kg，坡下为443.84 mg/kg，整个坡面土壤速效磷平均值为520.47 mg/kg。经检验，不同坡位间土壤速效磷含量差异均显著（P<0.05）。该研究结果与高雪松等[6]研究的坡底部土壤速效磷含量最大不一致，分析原因可能由于该研究区与高雪松实验区相比，少雨且气候较为干燥，冲刷作用较弱所致。

3.4 不同坡位土壤钾分布特征

由图6可得，樟子松天然林自坡顶到坡底，土壤全钾含量均为0～10 cm<10～20 cm，即表层土壤全钾含量低于下层土壤全钾含量。0～10 cm土层，土壤全钾含量呈波动增加趋势，坡顶样点1土壤全钾含量最小，最小值为18.74 g/kg，坡底样点11处，土壤全钾含量最大，最大值为28.68 g/kg，最大值是最小值的1.53倍。10～20 cm土层土壤全钾含量大小变化趋势与0～10 cm土层土壤全钾含量大小变化趋势相似，坡底样点11处，土壤全钾含量达最大值，为31.53 g/kg，最小值出现在样点7处，其值为24.19 g/kg，最大值是最小值的1.30倍。就整个樟子松天然林坡面0～20 cm土层来看，樟子松天然林土壤全钾含量平均值为50.41 g/kg，不同坡位土壤全钾含量大小表现为：坡下>坡中>坡上，其含量大小分别为：54.50、49.56和47.17 g/kg。

由图7可知，樟子松天然林表层土壤速效钾含量均大于下层土壤，即0～10 cm>10～20 cm。0～10 cm土层，土壤速效钾含量呈波动减少的趋势，样点1处也由于阔叶树种存在，凋落物较多的原因使其土壤速效钾含量达最大值，为441.72 mg/kg，样点9处的土壤速效钾含量为最小值229.41 mg/kg，最大值是最小值的1.93倍。10～20 cm土层，土壤速效钾含量呈波动增加的趋势，其波动范围为134.81～209.04 mg/kg，最大值出现在样点7处，最小值出现在坡度最大的样点2处，与0～10 cm土层相比，10～20 cm土层土壤速效钾含量波动较小，可能由于樟子松天然林的林木根系大多分布在0～10 cm土层，其生长利用的速效钾也在表层土壤，且研究区域雨水较少，表层土壤所受冲刷作用较下层土壤强。整个坡面0～20 cm土层，樟子松天然林土壤速效钾含量表现为：坡上>坡中>坡下，其值分别为：500.16、476.00和443.15 mg/kg。经检验，不同坡位土壤速效钾含量差异均显著（P<0.05）。该研究结果与高雪松等[6]研究的不同利用方式与坡位土壤物理性质及养分特征分析研究结果一致，均为土壤速效钾含量坡上最大，坡下最小。与郜文军等[7]研究的山区小流域不同海拔和坡位土壤养分分布及相关性分析中速效钾变化趋势一致，即随海拔降低，土壤速效钾的含量有减少的趋势。

3.5 土壤养分相关性分析

对整个坡面的不同土壤养分作相关性分析，结果表明，土壤有机质与土壤全氮、水解氮、全磷、速效磷均呈极显著正相关，且相关性均较好，土壤有机质与土壤全钾、速效钾呈正相关，相关性较差；土壤全氮与土壤水解氮呈极显著正相关，与土壤全磷、速效磷呈显著正相关，与土壤全钾、速效钾呈负相关；土壤水解氮与土壤全磷、速效磷、全钾、速效钾均呈正相关，但土壤水解氮与土壤全磷和速效磷的相关性相对较高；土壤全磷与土壤速效磷呈极显著正相关，与土壤全钾、速效钾虽呈正相关，但其相关性不显著；土壤速效磷与土壤全钾、速效钾均呈负相关，相关系数均较低；土壤全钾与土壤速效钾呈显著正相关。土壤养分分布是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。结构性因素，如气候、母质、地形、土壤类型等可以导致土壤养分强的空间相关性，而随机性因素如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动使得土壤养分的空间相关性减弱，朝均一化方向发展[8]。由于研究区面积较小，自然條件相对一致，在结构性因素影响下，土壤养分间有强的空间相关性。

4 结论

（1） 樟子松天然林0～20 cm土层土壤有机质含量与土壤水解氮含量具有相似的变化规律，表现为：坡上>坡下>坡中。土壤有机质含量坡上、坡中、坡下分别为1.37%、1.30%和1.06%；土壤水解氮含量坡上为610.02 mg/kg，坡中为505.82 mg/kg，坡下为604.50 mg/kg。土壤全氮含量变化为：坡下>坡上>坡中，其含量分别为2.658、2.316和2.537 g/kg。

（2）樟子松天然林0～20 cm土层土壤全磷和土壤速效磷含量变化规律为：坡上>坡中>坡下，其土壤全磷含量分别为：2.469、2.180和2.160 g/kg ；土壤速效磷含量分别为607.80、509.76和443.84 mg/kg。整个坡面两者平均值分别为2.270 g/kg 和520.47 mg/kg。

（3）樟子松天然林0～20 cm土层不同坡位土壤全钾含量大小表现为：坡下>坡中>坡上，其含量大小分别为：54.50、49.56和47.17 g/kg，平均值为50.41 g/kg；土壤速效钾含量大小表现为：坡上>坡中>坡下，其值分别为：500.16、476.00和443.15 mg/kg，平均值为473.10 mg/kg。

（4）樟子松天然林土壤有机质含量大小与土壤全氮、土壤水解氮、土壤全磷和土壤速效磷含量大小均呈正相关，相关性较好，而与土壤全钾和土壤速效钾含量大小虽呈正相关，但相关性较差；土壤全氮含量和土壤速效磷含量二者与土壤全钾和土壤速效钾含量均呈负相关，其余两两均为正相关。

参考文献

[1]DUMANSKI J，PIERI C.Land quality indicators：research plan[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2000，81：93-102.

[2] 熊顺贵.基础土壤学[M].北京：中国农业大学出版社，2001.

[3] 李奕，满秀玲，蔡体久，等.大兴安岭山地樟子松天然林土壤水分物理性质及水源涵养功能研究[J].水土保持学报，2011，25（2）：87-91.

[4] 张万儒，许本彤.森林土壤定位研究方法[C].北京：中国林业出版社，1986.

[5] 高雪松，邓良基，张世熔.不同利用方式与坡位土壤物理性质及养分特征分析[J].水土保持学报，2005，19（2）：55-56.

[6] 刘鑫，满秀玲，陈立明，等.坡位对小叶杨人工林生长及土壤养分空间差异的影[J].水土保持学报，2007，21（5）：78-80.

[7] 郜文軍，王印传，霍习良，等.山区小流域不同海拔和坡位土壤养分分布及相关性分析[J].土壤肥料科学，2008，24（3）：248-252.

[8] CAMBARDELLA C A，MOORMAN T B，NOVAK J M，et al.Field scale variability of soil properties in central low a soils [J].Soil Science Society of America Journal，1994，58：1501- 1511.