不同林分类型及土层对土壤养分的影响

王家彬+徐明锋+蒋谦才

摘 要： 在中山五桂山保护区选择4个不同的林分类型，分别进行土壤采样，测定土壤养分指标，分析不同林分类型及土层对土壤养分的影响，为林分改造、土壤养分改良提供理论和数据支撑。结果表明：（1）四种土壤养分指标在四种林分类型间均有显著性差异，四种林分类型的土壤养分指标含量大小排序大致为：沟谷季雨林>阔叶混>针阔混>针叶林，只有有效磷含量是阔叶混大于沟谷季雨林。（2）四种土壤养分指标在针叶林、针阔混交林、沟谷季雨林这3种林型中的5个土层间变化均有显著性差异，而在常绿阔叶林中仅速效钾在5个土层间有显著性差异。（3）四种林分类型中，沟谷季雨林各指标含量相对较高，处于“中下”等级，而针叶林各指标含量低，处于“很低”等级。总的来说，四种林分类型的土壤养分含量偏低，特别是针叶林，各项土壤指标含量均为“很低”，可以参考群落演替方向对针叶林进行林分改造来提高土壤养分。

关键词： 林分类型；土层；土壤养分；土壤有机质；碱解氮

中图分类号：S718.51 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2017）01-0020-07

Abstract： Four different forest types were chosen in Wuguishan reserve， Zhongshan， Guangdong and the soil samples which were taken back to the laboratory for determining the soil nutrient index were collected. Through the analysis of the influence of different forest types and different soil layers on soil nutrients， this study provided the theoretical and data support for stand conversion and soil nutrient improvement. The results show that： （1） Four kinds of soil nutrient index between the four forest types all had significarotly different， and the sequence of the soil nutrient index content between four forest types was： ravine monsoon rain forest>broadleaf mixed forest>coniferous and broadleaf mixed forest>coniferous forest， except available phosphorus which content in broadleaf mixed forest was higher than ravine monsoon rain that of forest.（2） The changes of four kinds of soil nutrient index between five soil layers were significarotly different in coniferous forest， coniferous and broadleaf mixed forest and ravine monsoon forest but not in broadleaf mixed forest which only available kalium was significarotly different.（3） All kinds of soil nutrient index content in the ravine monsoon rain forest which its soil nutrient index content was in the middle and low level were higher than other forest types， and the soil nutrient index content in the coniferous forest which soil nutrient index content was in the very low level was lowest. In general， the soil nutrient of four forest types was low， especially the coniferous forest， which all kinds of soil nutrient index content were low， so this study suggests that the soil nutrient in the coniferous forest can be improved through the stand transformation by reference to the community succession direction.

Key words： forest types； soil layer； soil nutrients； soil organic matter； available nitrogen

土壤是植物生存的基質，土壤养分的空间格局影响了植物个体、植物种群的生长和生物量配置，还影响了植物群落结构，包括物种组成、多样性和地上、地下生物量的分布[1， 2]。土壤的物化性质长期被认为是影响森林土壤质量的重要指标，特别是土壤水和养分对林木生长具有重要作用[3]。Martins等研究认为，在热带森林中，土壤是影响植物生长和群落分布的一个主要因子，土壤特性对热带次生林的演替方向具有巨大的影响力[4]。在土壤的各种矿质元素中以氮、磷、钾对植物的生长发育影响最为显著，土壤中氮、磷、钾素的供应水平直接影响着植物的生长、发育与繁殖策略，碱解氮、有效磷、速效钾反映了土壤现实供应指标，另外，土壤有机质含量是土壤肥力大小的一个重要标志[5]。

在植物群落演替过程中，土壤与植物相互影响，不同植物群落将导致其生长地土壤化学性质的不同，而不同土壤养分状况又会作用于群落内的许多生态过程，并间接影响到地上植被的演替进程[6]。张忠华等研究的喀斯特常绿落叶阔叶混交林生态系统认为土壤肥力的形成和发育，在很大程度上受植被生物作用的强烈影响，旺盛的生物累积过程是土壤养分形成和维持的基础，而土壤养分的空间变异又作用于植物的生长和空间分布[1]。

本文以中山五桂山保护区四种不同林分类型的土壤为研究对象，通过单因素方差分析和多重比较等分析方法研究不同林分类型间土壤养分的差异及变化规律，以及土壤剖面中不同土层的养分变化，为土壤养分利用与改良、土壤质量评价、森林恢复与重建提供理论依据和数据支撑。

1 研究区概况

五桂山保护区位于广东省中山市（113°09′～113°46′E，22°11′～22°46′N）五桂山镇，在中山市南部，总规划面积203.14 km2。五桂山保护区具有中山“市肺”之称，东距珠江口海岸约9 km，主峰五桂山是珠江进入南海江面西岸第一大山，是岭南名山之一，又名香山，海拔531 m。五桂山地处南亚热带，气候温暖，降水丰富，极端最高气温36.7 ℃，极端最低气温-1.3 ℃，年平均温度22 ℃，年均降雨量1 738 mm，水热条件非常优越，植物几乎一年四季均可生长，物种也相当丰富。五桂山土壤以山地赤红壤为主，是在南亚热带高温多雨季风气候条件下形成的地带性土壤，成土母质以花岗岩为主。迎风坡面因常年受海风侵袭和雨水冲刷，土层浅薄，局部地段甚至岩石裸露[7-9]。

2 研究方法

2.1 群落调查与土壤采样测定

在保护区内选择四种不同的林分类型，分别为人工林起源的针叶林、针阔混交林地、阔叶林和天然起源的沟谷季雨林。针叶林、针阔混交林、阔叶林的主要栽植树种分别为马尾松、木荷+马尾松、黧蒴+大叶相思，具体的环境特征见表1。人工林、天然林的调查面积分别为600 m2和1 200 m2，调查时间为2014年8月。调查起测胸径为3 cm，记录的指标有树种名称、胸径、树高等。

在每个林分类型挖3个土壤剖面，剖面分为五层，分别为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～100 cm。对每个剖面进行密封袋、环刀、小铝盒取土，测定的指标有土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等。

采集好的土壤样品，选取土壤有机、碱解氮、速效磷、速效钾等 4 个指标，进行土壤各养分指标的测定[10]。

2.2 数据分析

2.2.1 不同林型和土层的土壤养分差异性分析

对四个林型的四个土壤养分指标进行单因素方差分析与F检验，在进一步进行LSD多重比较。

对四种林型各自5个土层的四个土壤养分指标进行单因素方差分析与F检验，再进一步进行LSD多重比较，以上分析均在STATISTICA 8.0进行。

2.2.2 土壤养分指标评级

根据全国第二次土壤普查养分分级标准，对四个养分指标的平均值进行养分分级（表2）。

3 结果与分析

3.1 土壤養分在不同林型间的差异

有机质是土壤养分的重要组成部分，是反映植被变化对土壤影响的一个主要因子[11]，对四个不同林型的有机质进行单因素方差分析（表3），四个林分的有机质有显著性变化。LSD多重比较显示，针叶林与沟谷季雨林间有显著性差异，其他两两之间不存在显著性差异，有机质在沟谷季雨林与针叶林间含量差异巨大，而在针叶林、针阔混、阔叶混、沟谷季雨林间逐渐增大，所以相连两种林分间都不存在显著性变化。总的来说，沟谷季雨林的有机质含量最高，其次分别为阔叶混、针阔混、针叶林。原因之一可能是林分郁闭度不同，四个林分郁闭度从大到小分别为沟谷季雨林（80%）、阔叶混（70%）、针阔混（50%）、针叶林（45%），郁闭度大的林分对雨水冲刷有较好的抵御作用，有助于有机质保持。另外，有机质的高低依赖于凋落物的质量、数量及分解速率[12]，针叶林林下调落物中含有大量单宁、蜡质、树脂等难分解的有机质，影响了土壤养分的归还速率[13，14]，阔叶混由于叶片相对针叶容易分解，土壤有机质含量较高，而沟谷季雨林有着较高的温湿度，土壤中所生存的分解凋落物的生物种类、个数较多，凋落物能够快速分解成为土壤有机质，因此土壤有机质含量最高。

氮在传统上是限制植物生长的主要土壤因子，碱解氮是植物实际可利用的氮元素形态，从表4可以看出，碱解氮在四个林分类型间有显著性变化。碱解氮在沟谷季雨林中的含量较大，而其他三种林分类型的碱解氮含量较为接近，因此，多重比较显示沟谷季雨林的碱解氮含量与其它三种林分类型有显著性差异，而其他三种林分类型间不存在显著性差异。总的来说，沟谷季雨林的碱解氮含量最高，其次分别为阔叶混、针阔混、针叶林，与有机质的变化趋势保持着高度一致性，原因可能是土壤有机质是氮素存在的主要场地，土壤表层中大约80%～97%的氮存在于有机质之中[15]。

有研究认为氮沉降缓解了森林土壤氮的缺乏，却加剧了土壤磷的限制[16]，从表5可以看出，四个林分类型间的有效磷含量有显著性差异。沟谷季雨林与阔叶混的有效磷含量比较接近，没有显著性差异，针叶林与针阔混间也没有显著性变化，但针叶林、针阔混这两种林分类型与沟谷季雨林、阔叶混这两种林分类型间差异性显著。从最大值、中位值、平均值来看，有效磷含量从大到小分别为阔叶混、沟谷季雨林、针阔混、针叶林，这与有机质、碱解氮等并不一致。从有效磷的土层变异系数来看，针阔混远大于其他林分类型，其他林分类型的变异系数则比较接近。

土壤中钾素对植物最有效的形态为速效钾，其能够直观地反映土壤可供植物利用的钾素水平[17]。从表6可以看出，速效钾在四个林分类型间有显著性变化。速效钾在沟谷季雨林中的含量远远大于其他三种林分类型，两者之间有显著性差异，而其他三种林分类型间的变化不显著。总的来说，速效钾含量在林分类型间的变化趋势，与土壤有机质一致，这与其他研究结果认为土壤有机质的增加能提高速效钾含量的观点相符合[17]。

3.2 不同土层间土壤养分的变化

对四种林型5个土层中有机质变化进行分析（表7），F检验结果表明有机质在针叶林、针阔混交林与沟谷季雨林3种林型的5个土层间均有显著性变化，而在常绿阔叶林中没有显著性变化。四种林型土壤有机质在5个土层间的变化趋势一致，1～5层均呈递减趋势。1层的有机质含量元高于其他4层，而3、4、5层的变化趋势变小。多重比较的结果也反映出1层与其他层的差异性显著，而其他层之间的差异性不显著。1层的有机质含量高，说明越接近地表的土壤其有机质含量越高，可能是因为最接近地表凋落物层，最先接受凋落物分解物。常绿阔叶林的土层变化没有显著性，原因可能是各土层有机质含量变化较小。

F检验结果表明碱解氮在针叶林、针阔混交林与沟谷季雨林3种林型的5个土层间均有显著性变化，而在常绿阔叶林中没有显著性变化。但四种林型的变化趋势较为一致，与有机质的变化情况接近（表8）。 1～5层均呈递减趋势。1层的有机质含量元高于其他4层，而3、4、5层的变化趋势变小。多重比较的结果中，針叶林、针阔混交林的1层明显与其他层差异显著，沟谷季雨林则各层差异均显著，而常绿阔叶林则上下层间差异均不显著。

四种林型中有效磷在不同土层的差异性与有机质、碱解氮不太一致（表9）。F检验结果表明有效磷在针叶林、针阔混交林与沟谷季雨林3种林型的5个土层间均有显著性变化，而在常绿阔叶林中没有显著性变化。1～5层的变化规律不明显，针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、沟谷季雨林最大值分别在5层、1层、4层、1层，最小值分别在4层、5层、3层、5层。

速效钾在5个土层间的变化情况与有机质、碱解氮变化较为接近，主要呈递减趋势（表10），F检验结果表明速效钾在四种林型的5个土层间均有显著性差异。除了沟谷季雨林，其他3种林型的1层的含量相对较高，与其他层有显著性差异。

3.3 土壤养分指标等级

根据全国第二次土壤普查养分分级标准，对四个林型的四种土壤指标进行分级（表11），从四个林型来看，四种土壤养分指标等级大小排序为：沟谷季雨林>阔叶混>针阔混>针叶林。从四种土壤养分指标来看，有机质主要处于“中下”等级，碱解氮处于“低”等级，速效钾和有效磷处于“很低”等级，这与一些研究认为磷和钾成为森林土壤养分指标主要限制因子的观点相符，而氮则因为氮沉降缓解了氮的缺乏[18]。从变异系数来看，有效磷变异性最大，阔叶混含量是针叶林的9.42倍，有机质次之，沟谷季雨林含量是针叶林的7.35倍，碱解氮再次之，沟谷季雨林含量是针叶林的5.72倍，速效钾最小，沟谷季雨林含量是针叶林的16.1倍。总的来说，中山市五桂山保护区这四种林型的土壤养分含量随着针叶林、针阔混、阔叶混、沟谷季雨林的演替方向不断递增，有效磷在不同林分类型间变化大，速效钾变化较小。四种林分类型的土壤养分指标含量偏低，特别是针叶林，亟需进行林分改造等措施来提高森林土壤的养分。

按照全国第二次土壤普查养分分级标准，5个土层土壤养分指标分解见表12，从土层变化来看，四种土壤养分指标等级大小排序大致为：1层>2层>3层>4层>5层，但4层的有效磷和5层的速效钾含量相对较高。从四种土壤养分指标的变异系数来看，有机质的变异程度最大，1层有机质含量占累积总量的42.31%，最大最小值相差4.37倍。碱解氮次之，1层含量占累积总量的38.01%，最大最小值相差3.43倍。有效磷再次之，1层含量占累积总量的30.71%，最大最小值相差2.69倍。速效钾最小，1层含量占累积总量的28.17%，最大最小值相差1.69倍。总的来说，1层的土壤养分含量最高，随着土层增厚不断递减，最后趋于平稳。有机质在不同土层间变化大，而速效钾在不同土层间变化较小。

4 结论与讨论

4.1 林分类型对土壤养分的影响

森林土壤理化因子是土壤生态系统的重要组成部分，土壤养分的富集、空间分布和再分配可直接影响植被生长、发育和演替等过程[12]。在养分循环中，土壤中的养分元素被植物根系所吸收，并以凋落物等形式归还至地表，然后通过分解者亚系统中的分解作用释放至土壤，从而实现其在系统内的循环[19]。因此，植物分布、林分类型等群落因子与土壤养分关系密切。本研究中，四种土壤养分指标在四种林分类型间均有显著性差异，四种林分类型的土壤养分指标含量大小排序大致为：沟谷季雨林>阔叶混>针阔混>针叶林，只有有效磷含量是阔叶混大于沟谷季雨林。多重比较显示，碱解氮、速效钾在沟谷季雨林的含量与其它三种林分类型有显著性差异，表明了这两种土壤养分指标在沟谷季雨林含量远大于在其它三种林分类型。土壤有机质和有效磷在沟谷季雨林的含量则与针叶林有显著性差异，与其它两种林分类型没有差异。总的来说，四种土壤养分指标中，有机质、碱解氮、速效钾含量在针叶林、针阔混、阔叶混、沟谷季雨林中有着递增趋势，原因可能是土壤质量的高低受到凋落物质量、数量及分解速率的影响[12]，凋落物分解受温湿度、叶子组成结构、土壤动物种类和数量等影响，所以沟谷季雨林的凋落物分解速度较针叶林的快，土壤养分比针叶林高。另外一些研究也支持林分类型与土壤养分的关系，比如，黄宇等研究结果表明，不同林分类型的土壤质量指数排序为：阔叶纯林>针阔混交林>杉木纯林[20]。另外，康冰等研究结果也得出，不同的植被类型可以使土壤质量发生明显改变，常绿阔叶次生林和针阔叶混交林土壤的养分含量均比马尾松、杉木纯林土壤高，说明了森林群落的演替过程也是土壤养分不断积累、土壤物理性能不断改善的过程[21]。林分类型对土壤养分有着显著性的影响，并且随着针叶林、针阔混、阔叶混、沟谷季雨林的演替方向有着明显的递增趋势，这对土壤养分改良和土壤质量评价有着理论指导意义。

4.2 不同土层对土壤养分的影响

本研究四种土壤养分指标在针叶林、针阔混交林与沟谷季雨林的5个土层间变化有显著性差异，但在常绿阔叶林中仅有速效钾有显著性差异。除了有效磷外，其他3种指标从1～5层间有明显的递减趋势，并且前几层变化趋势较大，后几层变化趋势较小。多重比较显示，1层的土壤养分显著高于其他层，与其他层有显著性差异，而其他层变化较小。土壤养分随着土层的增加而减少，原因可能因为越接近表土层，越容易接受表土层凋落物分解的养分，而越到底层则越难。总的来说，表土层的土壤养分明显较高，并且随着土层厚度增加而不断递减，递减速度从快到慢，最后趋于稳定，这与曹裕等研究结果相符[22]。

4.3 土壤养分指标等级评价

四种林分类型中，沟谷季雨林各指标含量相对较高，处于“中下”等级，而针叶林各指标含量低，处于“很低”等级。四个土壤养分指标中，有机质含量较高，处于“中下”等级，碱解氮处于“低”等级，而有效磷和速效钾含量低，处于“很低”等级。总的来说，四种林分类型的土壤养分含量偏低，特别是针叶林，各项土壤指标含量均为“很低”。针叶林的土壤养分指标低，可能与针叶林林下调落物中含有大量单宁、蜡质、树脂等难分解的有机质，影响了土壤养分的归还速率有关[13，14]，可以参考群落演替方向对针叶林进行林分改造来提高土壤养分。5个土层中，表土层（1层）的各指标含量最高，大致处于“中下”等级，随着土层厚度增加土壤养分含量不断减少，但后面的3-5层变化趋于稳定，含量大致处于“很低”等级。传统上，氮含量被认为是限制净森林初级生产量的一个重要因素[18]，但在本研究中，有效磷和速效钾的含量等级更低，取代碱解氮成为植物生长的主要限制因子。

參 考 文 献

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（责任编辑：夏剑萍）