长白山北坡和西坡林线土壤有机质含量的对比分析

李圣文++王晓东++吴正方+杜海波++王雷+宗盛伟

摘 要：本文以长白山北坡和西坡林线为研究区，分别在北坡和西坡采集83个和51个土壤样品，在室内测量土壤有机质和砾石含量，采用常规数理统计和单个样本T检验分析北坡和西坡土壤有机质和砾石含量的特点和差异程度，应用相关分析方法认识北坡和西坡有机质和砾石含量的关系，分析土壤发育过程的差异性表现。结果表明林线生境不利于土壤有机质的形成和积累，西坡土壤有机质含量大于北坡，且空间差异程度也小于北坡。砾石含量高，土壤发育缓慢，北坡林线母质对土壤发育过程控制较强，而西坡相对较弱，两坡其他成土因素影响程度存在很大差异。

关键词：长白山北坡和西坡林线；土壤有机质；砾石含量；数理统计

中图分类号：F11919 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170133048

引言

从高山郁闭林到深入苔原带乔木树种之间的过渡带是高山林线交错带[1]。长白山林线是林线研究生态系统对环境变化响应的理想地段，土壤养分状况在林线生态系统中所发挥的作用引起人们的极大关注[2]。石培礼等认为土壤基质状况对林线动态有先行性的影响[3]，邓坤枚等认为林线土壤有机质含量对岳桦种群动态有着一定的控制作用[4]，于大炮等在研究岳桦生长态势时对土壤养分状况产生非常大的兴趣，认为林线形成机理影响因子中土壤起着积极作用[5]。这些研究都认为土壤性质，尤其是有機质的特征与林线动态有着非常密切的关系。但在不同坡向上分析土壤状况的对比关系，尤其是土壤有机质的差异表现和成因研究极少。本文以长白山北坡和西坡林线土壤有机质含量与砾石含量关系全面分析有机质的差异程度和土壤发育的不同状况，探询有机质差异的原因，揭示土壤形成过程中成土因素的潜在影响。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

在长白山北坡海拔1900～2000m左右是岳桦林分布的上限，西坡林线在海拔1800～2250m左右，风大寒冷，环境严酷，只有岳桦依靠较强的适应能力成为林线乔木的主要树种，在气候变暖的趋势下，两坡林线变动都很明显，而土壤状况对林线影响的方式复杂使这里成为研究林线土壤发育的理想地带[6]。本研究选择的林线北坡研究区范围是N42°2′27～42°3′14″，E128°4′35″～128°6′13″，西坡研究区范围是N41°5′93″～42°1′51″，E127° 58′6″～127° 59′45″，都是长白山森林-苔原过渡带最为典型的研究地段（图 1）。

1.2 土壤样品的采集与测定

2008年9月和2015年9月采用样方调查法分别在长白山北坡林线与西坡林线于最典型的地段分别设置4个样地，在每一样地内水平方向上每间隔20～40m设置一样带，在每个样带内按垂直方向自高而低从林线边缘（树岛）连续取样（样方：10m×10m）直到坡底的郁闭林（郁闭度>0.2），在所有设置的样方中北坡选择83个样方，西坡选择51样方进行取土。在这些样方内采用对角线法选取5个样点，从各个土层取土壤样品0.5kg，将5个样点的土壤充分混合后取1kg做为1个土壤样品。将采集后的土壤样品封好带回实验室，干燥通风除杂后秤重，将砾石（粒径>2mm）挑出测重，得到砾土比（砾石重量/土壤全重）。研磨剩余土壤样品，全部通过1mm孔筛后取1/4样品进一步研磨，通过0.1mm孔筛后的样品测土壤有机质、全氮、全磷含量。土壤有机质采用重铬酸钾-硫酸法、全氮含量采用重铬酸钾-硫酸消化法、全磷采用硫酸-高氯酸消煮法测定。

1.3 数据分析方法

利用常规统计方法、单个样本K-S检验和独立样本T检验方法分别计算北坡和西坡土壤有机质和砾石含量的不同和两坡差异程度，分别计算北坡和西坡有机质和砾石含量的相关系数以评判砾石含量对有机质的影响，进一步分析土壤发育过程的差异性表现。

2 结果与分析

2.1 北坡和西坡有机质含量的对比

北坡和西坡土壤有机质含量的常规统计分析结果表明无论北坡还是西坡土壤养分的空间差异明显（标准差数值大，变异系数>0.30，单个样本K-S检验：P<0.01）（表1），在林线的不同位置上土壤的养分含量差异较大。从偏度（>0）与峰度（>0）的统计结果看只有在个别局部有利生境土壤有机质含量大（表1），所以林线生境总体上不利于土壤有机质的形成和积累。北坡和西坡有机质含量独立样本T检验可以看出均值的双尾显著性概率小于0.1， 有显著性差异。从均值大小的差异（西坡-北坡：36.8553g/kg）看西坡有机质含量大于北坡，说明西坡土壤发育程度相对北坡较好，从标准差、变异系数、偏度和峰度几个统计结果看西坡土壤发育的空间差异程度小于北坡，养分含量从整体上好于北坡。

2.2 北坡和西坡砾石含量的对比

从均值统计结果看土壤砾石含量都较大（西坡：18.29%；北坡：9.68%），说明林线土壤发育程度都较低，发育过程相对较慢，反映林线生境严酷。从标准差（西坡：12.12%；北坡：12.38%）和变异系数（西坡：0.66；北坡：1.28）看都较大，单个样本K-S检验（P<0.01）非均匀分布显著说明林线土壤发育的空间差异明显，土壤发育程度空间分异大，从偏度（>0）与峰度（>0）的统计结果只有在个别局部有利生境土壤发育较快（表3），砾石含量低，所以林线生境的不利使土壤发育过程总体上迟缓。

北坡和西坡土壤砾石含量独立样本T检验可以看出均值的双尾显著性概率远小于0.01， 有高度显著性差异。从两坡均值统计结果对比看西坡土壤砾石含量高于北坡，而从标准差和变异系数看北坡大于西坡说明土壤发育在空间上北坡的差异应该更大，但是从偏度和峰度看西坡土壤发育的空间差异程度又小于北坡，这些不同的统计结果似乎相互矛盾，但是这也说明两坡土壤形成的过程显然是非常复杂的，从发育时间看西坡应该小于北坡（均值西坡大），而养分含量却高，说明土壤形成的其他成土因素好于北坡。受制于发育时间整体较晚，使土壤砾石含量总体上空间差异不如北坡差异大。但是在极少数个别地点其他成土因素非常适合土壤发育，使土壤的砾石含量迅速下降，形成偏度和峰度大于北坡的现象，但是这仅限于少数几个非常适宜的地点。

2.3 北坡和西坡砾石含量对有机质含量的影响

从相关分析结果看北坡相关系数为显著负相关（相关系数：-0.22，P<0.05）说明土壤发育受到砾石含量的影响明显，砾石含量越高，土壤有机质含量越低，母质对土壤发育过程控制较强，土壤是林线动态的影响因素，而西坡则相反出现正相关（相关系数：0.17），说明西坡对土壤发育的控制较弱，但是没有达到显著，说明还是具有一定的影响。

以上分析说明西坡虽然土壤发育时间相对晚于北坡，但是其他成土因素对土壤发育的影响更大，特别在个别点上表现尤其明显，从成土因素看可能是气候变暖影响的结果，但是由于微地形和植被的空间差异只在极个别有利的点土壤发育状况突然变好，这可能与西坡极个别地点林线岳桦种群扩张态势明显，而整體推移不如北坡大有关[7]，而关于林线的空间移动与土壤状况的关系需要进一步分析，以评判土壤养分差异对不同坡向林线动态的差异性作用方式。

3 结论

北坡和西坡林线土壤养分的空间差异明显，只有在个别局部有利生境土壤有机质含量大，所以林线生境总体上不利于土壤有机质的形成和积累。西坡土壤发育程度相对北坡较好，且空间差异程度小于北坡。

林线土壤发育程度都较低，发育过程相对较慢，空间差异明显，西坡只在极少数个别地点土壤的砾石含量低，但是总体上砾石含量西坡大于北坡。

土壤发育受到砾石含量的影响明显，北坡林线母制对土壤发育过程控制较强，而西坡相对较弱，说明两坡其他成土因素影响程度存在很大差异。

参考文献

[1] Korner C，Jens P.A World-wide study of high altitude treeline temperatures[J].Journal of Biogeography，2004，31（5）： 713-732.

[2] Kammer A，Hagedorn F，Shevchenko I，et al. Treeline shifts in the Ural mountains affect soil organic matter dynamics[J]. Global Change Biology，2009，140（5）：469-479.

[3]石培礼，李文华.长白山林线交错带形状与木本植物向苔原侵展和林线动态的关系[J].生态学报，2000，20（4）：227-231.

[4] 邓坤枚，石培礼，杨振林.长白山树线交错带的生物量分配和净生产力[J].自然资源学报，2006，21（6）：942-948.

[5] Yu D P，Wang G G， Dai L M，et al. Dendroclimatic analysis of Betula ermanii forests at their upper limit of distribution in Changbai Mountain， Northeast China[J].Forest Ecology and Management，2007，240（1-3）：105-113.

[6]崔海亭，刘鸿雁，戴君虎.山地生态学与高山林线研究[M].北京：科学出版社，2005.

[7]王晓东，刘惠清.长白山北坡林线岳桦种群与土壤关系[J].地理研究，2011，30（3）：531-539.