木兰围场典型林分土壤健康评价研究

曹红雨，高广磊，丁国栋，赵媛媛，王岳，李旭

(北京林业大学 水土保持学院/水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083)

木兰围场典型林分土壤健康评价研究

曹红雨，高广磊*，丁国栋，赵媛媛，王岳，李旭

(北京林业大学 水土保持学院/水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083)

[目的]研究华北土石山区典型林分下土壤健康状况，对人工林培育提出合理建议。[方法]以河北木兰围场天然次生林、落叶松林、油松林、落油混交林、落桦混交林5种典型林分为研究对象，选取土壤容重、质量含水量、pH、<1 mm物理性粘粒、有机质、全氮、速效钾、有效磷8项指标，应用主成分分析法开展土壤健康评价。[结果]结果表明：各林分土壤健康水平由高到低依次为天然次生林、落白混交林、落叶松林、油松林、落油混交林。[结论]人工针叶林采伐后应适当补植乡土阔叶树种，促进人工林向复层、异龄、混交林结构方向发展，以提升土壤健康水平。

天然次生林；人工林；土壤健康；主成分分析

Abstract:[Objective]In order to study the soil health status in the typical forest of rocky mountain area of North China, this paper put forward some reasonable suggestions for the cultivation of plantation.[Methods]The 5 typical standing forests, natural forests, pure plantation of larch, pure plantation of Chinese pine, mixed plantation of Chinese pine and larch, and mixed plantation of larch and birch in Mulan paddock, Hebei province were studied in this paper. Assessing the soil health depended on soil bulk density, soil water content, pH, <0.01 physical clay, soil organic matter, total N, rapidly available K and available P with principal component analysis.[Results]The results were as the following: The soil health level of different forest stands was in the decreasing order of the natural forests, mixed plantation of larch and birch, pure plantation of larch, pure plantation of Chinese pine, and mixed plantation of Chinese pine and larch.[Conclusion]The local broadleaf plantations should be planted after the artificial coniferous forest harvesting to ensure they will be compound storied forests and uneven aged forests,so as to improve soil health level.

Keywords:Natural forests, Plantations, Soil health, Principal component analysis

土壤是维持陆地生态系统功能和持续性的重要资源[1]，在森林生态系统中具有组成成分和环境因子的双重身份，能够调节生态系统内部水源分配，改善森林发展和演替过程中的环境条件。因此，土壤健康评价对森林生态系统健康有一定的指示作用，对我国森林经营管理和发展具有指导意义。

Zornoza[2]和Masto[3]对土壤理化性质进行分析，并以此为依据建模评价土壤质量，Arians则在微生物学及化学领域展开了土壤健康研究[4]。周启星[5]指出，土壤健康不仅能使土壤具有多种能力，同时能够保证土壤生产出具有多种健康效益的产品。目前，常见的土壤健康评价指标有描述性和分析性两类指标，一般采用土壤理化特征指标进行土壤健康评价。Hansen等研究表明，土壤pH及多种化学因子均与土壤健康状况密切相关[6]。林文树等[7]发现，毛管孔隙度、速效钾和全磷含量在林木不同演替阶段主要影响土壤质量。20世纪以来，更多学者将土壤酶、土壤微生物等生物学指标加入到土壤评价中来。周丽霞等[8]指出土壤中微生物的组成及其所占比率在一定程度上反映土壤的肥力水平。李陆平等[9]研究表明，微生物数量增加对土壤肥力状况有明显的改善。

木兰围场位于河北省围场县，是潘家口水库水源涵养地及滦河主要发源地，也是京津地区的重要生态屏障。本文以木兰围场5种典型天然林和人工林为研究对象，比较分析土壤容重、质量含水量、pH、<1 mm物理性粘粒、有机质、全氮、速效钾、有效磷等土壤理化特征，开展土壤健康评价研究，以期为华北土石山区森林生态系统管理提供依据。

1 研究区概况

研究区位于河北省木兰围场，地理坐标为41°47′～42°06′ N，116°51′～117°45′ E。海拔高度约800～1 600 m，自然坡度约1/150～1/350。属大陆性季风型高原山地气候，年平均气温-1.4～4.7 ℃，年平均降水量80～560 mm，年均蒸发量1 462.9～1 556.8 mm，平均相对湿度63%。滦河的支流伊逊河、伊玛图河、小滦河等分布于该林场所在地区内，为区域的重要水源补给。土壤类型以林下发育的棕壤、褐土为主。主要森林类型为以油松(Pinustabulaeformis)、落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)为主的针叶林和以白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populus.davidiana)等为主的落叶阔叶林；灌木树种主要包括胡枝子(Lespedezabicolor)、鼠李(Rhamnusdavurica)等；草本植物主要有鹅观草(Roegneriakamoji)、细叶苔草(Carexrigescens)等。

2 材料与方法

2.1 土样采集和处理

研究共选取5块不同林型、不同密度的典型样地，各林分基本情况见表1。在样地坡面由上、中和下部挖取土壤剖面，剖面规格为宽度0.8～1.0 m，深度为60 cm，然后在剖面上由下向上按距离表土0～20、20～40和40～60 cm 3个层次分层进行采样。土壤容重测定样本采用环刀法采集，土壤养分分析样本采集至塑封袋内。采回土样置于实验室内通风阴干后，分别进行研磨过筛，装入纸袋中备用，其中有机质和全量元素样品过筛孔径为0.25 mm, 速效分析和粒径分析样品为1 mm。

表1 样地基本概况Table 1 Characteristics of experimental plots

2.2 土样分析方法

粒径组成采用激光粒度分析法(S3500激光粒度分析仪)，土壤容重采用环刀法，质量含水量采用铝盒烘干法。

有机质含量采用稀释热法，全氮采用半微量凯氏定氮法分析测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度计法[10]。

2.3 数据分析

应用spss 20.0对各项指标进行单因素方差分析和相关分析，筛选出具有显著性和相关性的土壤评价因子后，采用主成分分析法将各指标进行降维，得出综合反映土壤健康状况的函数表达式，将各指标测评数据标准化后带入表达式计算各主成分得分，从而评价土壤健康状况。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质分析

3.1.1 土壤物理性质

由表2可见，天然次生林土壤容重随土层深度增加而增大，其他林分均为先增大后减小。不同林分间比较，落叶松人工林土壤容重大于油松人工林和落油混交林。除落桦混交林外，天然次生林与其他林分间无显著性差异(P>0.05)；落桦混交林除与油松人工林无显著性差异外，与其他林分均呈显著性差异(P<0.05)；油松人工林与其他林分均无显著性差异(P>0.05)(表3)。

表2不同林分下土壤物理性质
Table2 The features of soil physical properties in different forest stands

样地Samples土层深度/cmDepthofsoil土壤容重/g·cm-3Soilbulkdensity土壤质量含水量/%Soilwatercontent<0.01mm物理性粘粒/%<0.01physicalclay0～201.23±0.0323.73±0.6730.26±5.37120～401.34±0.0518.95±0.2240.06±4.6340～601.42±0.0214.41±0.6445.43±1.870～201.30±0.0420.88±1.6539.80±4.33220～401.48±0.1517.47±2.8744.78±5.1040～601.42±0.2311.82±8.3243.08±8.850～201.15±0.0421.33±6.0059.29±10.97320～401.11±0.1219.66±6.8864.97±4.8040～601.40±0.2312.08±4.3372.26±2.640～201.24±0.0916.92±3.1250.91±7.18420～401.18±0.0713.91±3.1860.45±1.7740～601.27±0.1611.67±3.3356.74±9.370～200.99±0.0122.86±2.9137.56±19.00520～401.16±0.0816.68±7.7670.36±13.0640～601.13±0.0116.45±9.0166.61±22.27

注：表中数据为平均值±标准差。
Note: The data in the table is Ave±SD.

质量含水量均随土壤深度增大而减小。落油混交林质量含水量较其他林分更低，其他林分相差较小。人工林与天然次生林呈显著性差异(P<0.05)；落叶松人工林与落油混交林、落桦混交林无显著性差异(P>0.05)，但与油松人工林呈显著性差异(P<0.05)(表3)。

<0.01 mm物理性粘粒可在一定程度上反映土壤的团粒结构，体现土壤的肥力状况[11]。由表2可见，除天然次生林和油松人工林物理性粘粒含量随土壤深度增大而增大外，其他各林分都呈现先增大后减小的变化规律，人工林比天然次生林含量更高。天然次生林仅与油松人工林呈显著性差异(P<0.05)，油松人工林与落叶松人工林间呈显著性差异(P<0.05)，落叶松人工林与落油混交林、落桦混交林呈显著性差异(P<0.05)，落油混交林与落桦混交林间无显著性差异(P>0.05)(表3)。

表3不同林分0～60 cm土壤物理性质多重比较
Table3 Multiple comparison of soil physical in the depth 0-60 cm of different forest stands

样地Samples土壤容重/g·cm-3Soilbulkdensity质量含水量/%Soilwatercontent<0.01mm物理性粘粒/%<0.01physicalclay11.33±0.03ac19.03±0.51a38.58±3.96bcd21.40±0.14ac16.72±4.28b42.55±6.09d31.22±0.13ab17.69±5.73bc65.51±6.13a41.23±0.11ac14.16±3.21bc56.03±6.11abc51.09±0.04b18.66±6.56b58.18±18.11ab

注：表中同列不同字母表示不同组分间土壤各物理性质指标的均值差异显著(P<0.05)。
Note: There are significant differences(P<0.05)in the mean values of soil physical properties between different components

3.1.2 土壤化学性质

5块样地土壤均呈微酸性，除落桦混交林外，其他林分的pH随土壤深度增大而增大(表4)。天然次生林与人工林pH值呈显著性差异(P<0.05)，人工林间无显著性差异(P>0.05)(表5)。

有机质、全氮、速效钾、有效磷含量变化规律为随土壤深度增加而减小(表4)。不同林分比较，土壤有机质、全氮、速效钾含量均表现为天然次生林大于人工林，有效磷含量差异不大。天然次生林与人工林pH值呈显著性差异(P<0.05)。对于土壤有机质和全氮含量，落叶松人工林除与落桦混交林无显著性差异(P>0.05)外，与其他各林分均呈显著性差异(P<0.05)，油松人工林除与落油混交林无显著性差异(P>0.05)外，与其他各林分呈显著性差异(P<0.05)；而对于速效钾和有效磷含量，人工林间无显著性差异(P>0.05)(表5)。

3.2 土壤健康评价

3.2.1 相关性分析

由于土壤各因子间具有相关性，针对不同林分类型和不同土层进行相关分析分析后，得到各评价因子间的相关系数如表6。

表4 不同林分下土壤化学性质Table 4 The features of soil chemical properties in different forest stands

注：表中数据为平均值±标准差。
Note: The data in the table is Ave.±SD.

表5 不同林分0～60 cm土壤化学性质多重比较Table 5 Multiple comparison of soil chemical in the depth 0-60 cm of different forest stands

注：表中同列不同字母表示不同组分间土壤各物理性质指标的均值差异显著(P<0.05)。
Note: There are significant differences(P<0.05) in the mean values of soil physical properties between different components.

表6 土壤健康评价因子的相关系数Table 6 Correlation coefficients of soil health evaluation factors

注：*表示相关性显著(P<0.05)，**表示相关性极显著(P<0.01)。
Note:*Indicating a significant correlation(P<0.05), Indicating a extremely significant correlation(P<0.01)

土壤容重与含水量呈正相关，这表明土壤孔性能够对土壤质地、水分含量有综合性反映。同时，土壤容重和含水量均与有机质、全氮、速效钾分别呈正相关，与<0.01 mm物理性粘粒、pH和有效磷呈负相关。pH与有机质、全氮、速效钾、有效磷均呈负相关，特别是与有机质、全氮相关性极显著(P<0.01)，这是由于有机质分解过程中产生大量的酸性物质，并且全氮中部分硝态氮等能使得土壤呈微酸性。有机质与全氮呈极显著正相关(P<0.01)，土壤中的有机质具有胶体特性，能吸附较多阳离子，对于土壤中的含氮有机物具有较强吸附能力。土壤中的全氮、速效钾和有效磷也具有相关性，单一养分含量减少，会影响其他养分的供应[12]。<0.01 mm物理性粘粒与其他各指标相关性不显著(P>0.05)，予以剔除。

3.2.2 主成分分析

确定各土壤指标累计贡献率如表7。前4项指标累积贡献率大于85%，可认为前4项主成分能够代替原始数据信息，基本反映土壤健康评价系统的变异信息和综合健康状况。

表7 总方差解释表Table 7 Total variance explained

表7为7个不同因子在各主成分中的反映情况。第一主成分主要综合了土壤容重、质量含水量、有机质、全氮、速效钾、有效磷和pH 7个因子的信息，其中有机质和土壤质量含水量的主成分载荷为0.939和0.903，表明第一主成分主要为有机质和全氮的综合反映。第二主成分综合了土壤容重、有机质、全氮、速效钾的信息，其中全氮主成分载荷最高，说明第三主成分为对全氮的描述。第三主成分综合了土壤容重、速效钾和pH的信息，土壤容重主成分载荷最高，该主成分主要描述土壤容重的情况。

表8 因子得分系数矩阵Table 8 Component score coefficient matrix

为了方便表示，用Fi表示第i个主成分，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分别表示土壤容重、质量含水量、土壤pH、有机质、全氮、速效钾、有效磷，将表8中各因子载荷转化为特征向量，得出能够综合反映土壤健康状况的3个表达式。

F1=0.206X1+0.903X2+0.597X3+0.939X4+0.668X5+0.828X6+0.707X7

(1)

F2=0.545X1-0.392X2-0.697X3+0.320X4+0.610X5+0.540X6-0.704X7

(2)

F3=0.809X1-0.130X2+0.393X3-0.040X4-0.382X5+0.027X6-0.018X7

(3)

根据公式(1)～(3)，对主成分进行载荷值旋转计算，将各林分土壤健康评价指标数据进行标准化后带入公式中计算各主成分得分。再以表7中各主成分贡献率为权数加权平均并求和，得到土壤健康状况综合得分如表9。土壤健康水平由高到低依次为：天然次生林、落桦混交林、落叶松人工林、油松人工林、落油混交林。

表9不同林分下土壤健康水平综合得分
Table9 Synthetic scores of soil health levels in different forest stands

林分类型ForesttypeF1F2F3综合得分Compositescore排名Ranking天然次生林76.65-43.800.2127.101落桦混交林82.20-53.500.0026.992落叶松人工林71.27-42.810.8224.633油松人工林73.85-47.750.4824.414落油混交林49.83-24.770.5818.855

4 讨论与结论

(1)天然次生林与人工林相比，林下植被类型丰富，养分含量更高[13]，土壤持水能力增强、土壤肥力提升，理化性质明显改善，使得天然次生林结构具有较高稳定性。天然次生林正朝着复层、异龄、混交林结构，具有比较发达的灌木层和草本层的方向发展[14]，这对人工林培育具有一定的指导意义。

人工林间比较得出，纯林相比，落叶松人工林土壤健康水平比油松人工林高,这可能与土壤中的酶活性有关。混交林相比，针阔混交林各项指标优于针叶混交林，林分结构更加稳定，土壤物理性状及涵养水源的能力得到改善[15]。可能是针叶树种林下枯落物多以针叶为主，分解速度更慢，养分返还量太少。阔叶树种有利于改善针叶林的各项理化性质，提高人工林土壤健康水平，故建议人工针叶纯林采伐后可适当补植白桦、白杨等乡土阔叶树种。

(2)计算系统内综合得分可以得出，木兰围场典型林分土壤健康水平由高到低排序为天然次生林、落桦混交林、落叶松人工林、油松人工林、落油混交林。建议在营造人工针叶林或改造现有人工针叶林的过程中特别注意树种组成，改善林分结构，实现土壤养分良性循环，促进森林资源可持续利用和发展。

(3)由于技术水平限制，本研究仅采用土壤理化性质作为土壤评价指标，在以后的研究中仍需对各林分的物种多样性及土壤微生物、土壤酶等方面进行研究，从微生物等多角度确定影响华北土石山区土壤健康状况的因素。同时，需要注重林分的长期观测和比较研究，更为全面地掌握土壤健康变化规律，建立系统的土壤健康评价体系。

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(编辑：梁文俊)

SoilhealthassessmentintypicalforestofMulanPaddock

Cao Hongyu, Gao Guanglei*, Ding Guodong, Zhao Yuanyuan, Wang Yue, Li Xu

(KeyLaboratoryofSoilandWaterConservation,StateForestryAdministration,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

S718.5

A

1671-8151(2017)10-0713-06

2017-06-03

2017-07-14

曹红雨(1995-)，女(汉)，山东淄博人，硕士研究生，研究方向：水土保持与荒漠化防治

*通信作者：高广磊，讲师，Tel：13466571712；E-mail:gaoguanglei@bjfu.edu.cn

北京市优秀人才培养资助计划(2014000020124G074)