北京九龙山不同林分土壤肥力诊断与综合评价

张连金，赖光辉，孙长忠，辛学兵，孔庆云

（1.中国林业科学研究院 华北林业实验中心，北京 102300；2.北京市林业勘察设计院，北京 100029）

北京九龙山不同林分土壤肥力诊断与综合评价

张连金1，赖光辉2，孙长忠1，辛学兵1，孔庆云1

（1.中国林业科学研究院 华北林业实验中心，北京 102300；2.北京市林业勘察设计院，北京 100029）

以北京九龙山辖区13种林分的土壤为研究对象，分别测定土壤pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾、碱解氮等肥力指标，按照不同林分对土壤肥力指标进行诊断，并用修正的内梅罗综合指数法对土壤肥力进行综合评价。结果表明：土壤pH值呈弱酸性，土壤有机质含量丰富，其中有约一半的林分处于Ⅰ级，但土壤全氮与有效磷含量较低，几乎所有林分都处于Ⅲ级和Ⅳ级，土壤速效钾与碱解氮含量中等偏下，几乎所有林分都处于Ⅱ级和Ⅲ级；土壤综合肥力系数（Pj）变幅为0.87 ～ 1.85，平均为1.20±0.30，其中肥力属于一般（0.9＜Pj＜1.8）林分占总林分的76.29%，白蜡丁香混交林土壤肥力系数较高，而樟子松纯林和白蜡与华北落叶松混交林的肥力系数较低，表明九龙山林分土壤肥力总体处于一般水平，且土壤有效磷和全氮含量是影响综合肥力系数的主要指标，因此，在加强林地土壤的改良方面，提高土壤有效磷和全氮含量是关键。

九龙山；林分类型；修正的内梅罗综合指数法；土壤肥力；综合评价

植被和土壤是陆地生态系统中主要的两个组成部分，两者之间是一种相互依赖和制约的关系[1]。土壤是植被赖以生存的物质基础，是决定群落格局、结构的生态因子之一。而植被的存在不仅能够增加土壤的空间异质性，且能通过增加凋落物的输入和大气降尘的截存以改善土壤性状，进而形成一个植被与土壤相互作用、相互影响的良性循环系统。

土壤肥力是土壤物理、化学和生物等因素共同作用的结果，是土壤基本属性与本质特征的反应，能为植物生长提供必要的物质养分和机械支撑[2]，体现了为植物生长供应营养和环境方面的能力。土壤肥力无法直接测定，但是可通过间接测定指示这些功能的参数（评价指标）来描述土壤肥力状态。因此，土壤肥力质量评价就成了一个研究热点。土壤理化性质是评价土壤肥力质量的重要指标，相关研究表明，不同森林植被中土壤理化性状差异较大[3-5]。土壤酸碱度是影响植物分布的重要因子之一，而土壤养分更是影响植被生长状况的重要因子。因此，深入研究不同植被下的土壤肥力特征，并进行综合评价，对科学利用林地资源、提高土壤肥力及合理经营森林具有重要意义。

北京九龙山地处北京西郊，属于典型华北石质山区，其森林构成北京市城郊森林的一部分，是集水源涵养、水土保持及风景游憩等多种功能为一体的有效植被，对于改善土壤理化性质和提高土壤肥力具有重要作用。目前，对北京九龙山区的研究主要集中在土壤水分、物种多样性、植被结构优化、功能评价及土壤水文效应等方面[6-11]，且对华北石质山区森林土壤的研究主要集中在土壤水分、养分、呼吸、微形态及有机碳等方面[12-20]，但有关北京九龙山区不同林分的土壤肥力质量评价研究鲜有报道。因此，本研究以北京九龙山区13种不同林分下的土壤为研究对象，分析各种林分土壤理化性质的总体特征，采用修正的内梅罗综合指数法进行土壤肥力评价，不仅有助于了解北京九龙山不同林分土壤的现状，还可为森林监测以及森林可持续经营提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

九龙山位于北京西郊门头沟东南部（39°54′～ 39°59′ N，115°59′ ～ 116°07′E），地处太行山脉北端与燕山山脉交汇处，属于太行山系的中低山区，有着华北石质山区典型的地形地貌、土壤和气候条件及区域代表性地带植被类型。区内地形呈“U”型，南北宽约6 km，东西长约10 km。山体基本呈东西走向，形成典型的大阳坡和大阴坡。山坡普遍较陡，坡度多在25°以上[21]。该区气候属暖温带向温带过渡的半湿润中纬度大陆东岸季风气候型，年平均气温为11.8℃，历年平均降水量为623 mm，降雨主要集中在6—9月，年均蒸发量为1 870 mm，无霜期为216 d。地带土壤为山地褐土，土层普遍较薄，约为30 cm，且含石量高。地带性植被为暖温带落叶阔叶林，在海拔100～997 m的范围内分布着典型的落叶阔叶林、温性针叶林和天然次生灌丛等植被类型，主要包括侧柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabulaeformis、栓皮栎Quercus variabilis、五角枫Acer mono、白蜡树Fraxinus chinensis、糠椴Tilia mandschurica、日本落叶松Larix kaempferi、樟子松Pinus sylvestris、华北落叶松Larix principisrupprechtii和黄栌Cotinus coggygria等森林类型。这些植被类型是构成京西风景生态公益林区的重要组成部分，也是城郊森林的典型代表区域。

1.2 样地选择

2012年8月—2013年4月，在野外详细调查的基础上，选取8种纯林（侧柏、油松、樟子松、华北落叶松、栓皮栎、五角枫、椴树和黄栌）、4种混交林（油松与阔叶树、白蜡与丁香、白蜡与华北落叶松及华北落叶松与油松）及荆条三裂绣线菊灌木次生林的典型植被为研究对象，分别设立标准地进行详细调查。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况†Table 1 Basic characteristics of sample plots

1.3 样品采集及测定方法

在上述样地中按照“S”型5点采样法，采集深度为0～30 cm土壤，充分混合后去除植物根系、石块等，用四分法留取约1 kg土样，运回室内经自然风干磨细后，分别过孔径1 mm和0.25 mm筛，装入保鲜袋，用于测定土壤化学性质。其中，pH值采用电位滴定法，有机质含量采用重铬酸钾外加热法，全氮含量采用半微量开氏法，碱解氮含量采用扩散吸收法，有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法，速效钾含量采用四苯硼钠比浊法定[22]。

1.4 指标标准化

由于所选指标之间具有不可加和性，所以需要进行标准化处理，达到消除各指标间的量纲差别。常见的标准化方法有直线型、折线型和曲线型无量纲化法[23]，本研究采用四折线型无量纲化方法进行标准化处理，具体如下：

（1）当指标测定值属于“极差”级时，即Ci≤Xa，

（2）当指标测定值属于“差”级时，即Xa＜Ci≤Xa，

（3）当指标测定值属于“中等”级时，即Xa＜Ci≤Xp，

（4）当指标测定值属于“良好”级时，即Ci＞Xp，

式中：Pi为第i个指标的肥力系数，简称分肥力系数；Ci为第i个指标的测定值；Xa、Xc、Xp分别为响应指标“差”级、“中等”级和“良好”级分级标准，具体见表2。各土壤属性值分级标准主要参照第二次全国土壤普查标准[24]。

1.5 评价模型

采用修正的内梅罗综合指数法对林分土壤肥力质量进行综合评价[25]。计算公式为：

式中：Pj为土壤的综合肥力系数；Pi平均为土壤各属性分肥力系数的平均值；Pi最小为土壤各属性分肥力系数的最小值；n为参与评价的土壤属性个数。

表2 土壤属性分级标准Table 2 Classification standard of soil property

2 结果与分析

2.1 不同林分土壤肥力指标的诊断

2.1.1 pH值

土壤的酸碱度不仅影响养分的转化、存在形态及有效性，还影响微生物的生命活动。从表3可知，九龙山区内各林分类型土壤pH值的变幅为5.02～6.30，没有强酸性（pH值＜4.50）土壤，且大多数林分类型土壤的pH值处于弱酸性（pH值在5.50～6.50之间）范围，仅有华北落叶松纯林及华北落叶松与油松混交林土壤的pH值在4.50～5.50之间，为中等酸性土壤。

2.1.2 土壤有机质

土壤有机质是评价土壤肥力和土壤质量的一项重要指标，尤其在半干旱地区。从表3可以看出，土壤有机质含量在17.12～52.04 g/kg之间，平均值为32.35 g/kg，总体上有机质含量较高。各林分类型土壤有机质含量有明显差异，荆条三裂绣线菊灌木林含量最高，为52.04 g/kg；其次为华北落叶松纯林，为49.13 g/kg；樟子松纯林含量最小，为17.12 g/kg。根据土壤肥力分级参考标准，九龙山各林分类型土壤有机质含量处于Ⅰ级和Ⅱ级的林分均为6个，其中处于Ⅰ级的林分有机质含量按从高到低分别为荆条三裂绣线菊灌木林、华北落叶松纯林、白蜡丁香混交林、栓皮栎纯林、椴树纯林和华北落叶松与油松混交林，仅有1个林分（樟子松纯林）处于Ⅲ级。

2.1.3 土壤全氮和碱解氮

土壤氮素在森林生态系统中是一种限制植物生长的重要元素，受气候、植被、土壤理化性质及人为经营措施的影响，土壤氮素状况呈现一定的变化规律，并能反映氮素的流失、渗透等现象。从表3可以看出，就各林分类型土壤全氮的平均含量来看，变幅在0.36～1.46 g/kg之间，存在明显差异。其中全氮含量最高为荆条三裂绣线菊灌木林，达1.46 g/kg；其次为华北落叶松纯林，为1.37 g/kg；樟子松纯林含量最小，为0.36 g/kg。根据土壤肥力分级参考标准，各林分类型土壤的全氮含量仅分布于较低的Ⅲ级和Ⅳ级，分别为8个与5个，平均值仅为0.94 g/kg，全氮含量较低。就各林分土壤碱解氮的平均含量来看，变幅在72.55～234.72 mg/kg之间，存在明显差异。其中碱解氮含量最高为荆条三裂绣线菊灌木林，达234.72 mg/kg；其次为华北落叶松纯林，为198.21 mg/kg；樟子松纯林含量最小，为72.55 mg/kg。根据土壤肥力分级参考标准，仅有2个林分的土壤碱解氮含量处于Ⅰ级，处于Ⅱ级和Ⅲ级的林分分别为6个、5个，平均值为143.83 mg/kg，碱解氮含量中等，其中处于Ⅱ级的林分的碱解氮含量按从高到低分别为栓皮栎纯林、侧柏纯林、白蜡丁香混交林、椴树纯林、华北落叶松与油松混交林及油松纯林。

2.1.4 土壤有效磷

磷是植物仅次于氮的最常利用的元素，因其直接参与代谢的许多过程，被称之为“生命的钥匙”[26]。有效磷可反映近期土壤微量元素供应状况。从表3可以看出：就各林分土壤有效磷的平均含量来看，变幅在1.68～30.09 mg/kg之间，存在明显差异。其中有效磷含量最高为白蜡丁香混交林，达30.09 mg/kg；其次为荆条三裂绣线菊灌木林，为8.43 mg/kg；黄栌纯林含量最小，为1.68 mg/kg。根据土壤肥力分级参考标准，除白蜡丁香混交林的土壤有效磷含量处于Ⅰ级外，其余林分都处于Ⅲ级和Ⅳ级，个数分别为2个、10个，土壤有效磷含量极低的林分类型占总数的77%，平均值仅为5.59 mg/kg，有效磷含量极低。

2.1.5 土壤速效钾

速效钾可以反映近期土壤微量元素供应状况。就各林分土壤速效钾的平均含量来看，变幅在68.23～168.37 mg/kg之间，存在明显差异（见表3）。其中速效钾含量最高为白蜡丁香混交林，达168.37 mg/kg；其次为椴树纯林，为125.67 mg/kg；侧柏纯林含量最小，为68.23 mg/kg。根据土壤肥力分级参考标准，所有林分都处于Ⅱ级和Ⅲ级，个数分别为5个与8个，无处于含量特别高和特别低的Ⅰ级和Ⅳ级的林分，土壤速效钾含量低的林分类型占总数的62%，平均值为99.32 mg/kg，速效钾含量低。

表3 不同林分类型土壤理化性质Table 3 Soil physico-chemical property of different forest types

总之，就土壤养分含量来看，白蜡丁香混交林、椴树纯林及荆条三裂绣线菊灌木林3种林分的各种养分含量都相对较高，而油松与阔叶树及白蜡与华北落叶松2种混交林、五角枫纯林与黄栌纯林等各种养分含量都较差，但华北落叶松与油松混交林的有效磷和速效钾含量较好，而有机质、全氮与碱解氮含量中等。栓皮栎纯林除了有机质含量较高外，其余含量都中等；油松纯林养分含量中等；华北落叶松纯林除了有效磷与速效钾含量较低外，其余都较高；侧柏纯林有机质与速效钾含量都很低，其余含量中等。樟子松纯林除了速效钾含量较高外，其余养分含量都较低。

2.2 土壤肥力的综合评价

将实验所得数据，利用式（1）～（4）进行标准化，并根据式（5）计算出各林分土壤综合肥力系数Pj（见表4），对土壤肥力进行评价，土壤肥力的分级标准见表5。

从土壤肥力综合评价结果（见表4）可知，九龙山林分的土壤综合肥力系数变幅为0.87 ～1.85，平均为1.20±0.30，变异系数为25.30%，不同林分类型土壤间的土壤肥沃程度差异明显。根据土壤肥力分级标准，没有林分的土壤肥力属于很肥沃；仅1个林分的土壤属于肥沃，为白蜡丁香混交林；而土壤属于贫瘠的有2个林分，分别为樟子松纯林和白蜡与华北落叶松混交林；绝大部分林分类型土壤肥力为一般，达林分总数的76.92%。由此可见，九龙山林分的土壤肥力总体处于一般水平。

从表4土壤属性肥力系数来看，土壤有效磷和全氮含量是影响综合肥力系数的主要指标。土壤有效磷的肥力系数变幅为0.34～3.00，平均为0.89±0.59，变异系数为83.36%，且大部分林分的土壤有效磷的肥力系数都小于0.90，占77%，各林分的有效磷含量及其缺乏，差异较大。土壤全氮的肥力系数变幅为0.47～ 1.95，平均为1.25±0.47，变异系数为37.28%，各林分的全氮含量较为缺乏，差异也较大。因此，改善林地肥力状况，提高土壤有效磷和全氮含量是关键。

除了侧柏纯林、白蜡丁香混交林、樟子松纯林及华北落叶松纯林外，影响土壤综合肥力系数的主要指标依次为有效磷含量和全氮含量。其中影响侧柏纯林与华北落叶松纯林的最重要指标是有效磷含量，其次为速效钾含量。而影响白蜡丁香混交林与樟子松纯林最重要指标为全氮含量，其次分别为速效钾和有效磷含量。

表4 不同林分类型土壤各属性肥力系数与综合肥力系数Table 4 Soil property and comprehensive fertility coefficient of different forest types

表5 土壤肥力分级标准Table 5 Classification standard of soil fertility

3 结论与讨论

（1）北京九龙山区各林分土壤pH值的变幅为5.02～6.30，整体水平比较接近，变异系数远低于有机质和各种养分。根据我国土壤酸度分级，大多林分土壤呈弱酸性，没有强酸性土壤，仅有2种林分（华北落叶松纯林及华北落叶松与油松混交林）土壤呈中等酸性。这与以往关于北京山地土壤的pH值研究结果较为一致[27]。研究中出现2种针叶林的土壤pH值小于5.50，可能与针叶树的凋落物在分解过程中可能产生有机酸并向矿质土层淋洗有关[28-29]。土壤pH值整体较为接近，可能是由于pH值主要受地貌和成土母质影响，也进一步说明林分对土壤酸度的影响较弱[30]。土壤pH值是重要的化学性质指标，极大地影响着土壤养分的有效性和植被的营养状态[31]，因此，在森林经营中，应注重监测pH值的变化并研究其变化机制。

（2）土壤养分含量方面，不同林分土壤的有机质含量均值为32.35 g/kg，在华北地区来说含量较为丰富，其中有约一半的林分处于Ⅰ级。土壤全氮与有效磷含量较低，几乎所有林分都处于Ⅲ级和Ⅳ级。这与以往对北京山地森林土壤养分状况的研究结果一致[17,27]。也有研究表明温带森林生态系统存在土壤氮素与磷素普遍缺乏现象[32]。出现含量较低情况可能与氮、磷的来源密切相关，土壤氮素的主要来源是土壤有机质的转化、大气干湿沉降和生物固氮等，而林地凋落物的矿化及土壤矿质颗粒的风化过程是磷的主要来源。土壤速效钾与碱解氮含量中等偏低，几乎所有林分都处于Ⅱ级和Ⅲ级。这与向师庆等[33]的研究结果一致。总之，北京九龙山林分土壤的有机质含量较高，全氮与有效磷水平较低，碱解氮与有效钾含量中等偏低，说明在低温、干旱的九龙山不利于土壤全氮及有效磷的积累。

就不同林分来看，白蜡丁香混交林、椴树纯林及荆条三裂绣线菊灌木林3种林分的各种养分含量都相对较高，而油松与阔叶树及白蜡与华北落叶松2种混交林、五角枫与黄栌2种纯林等各种养分含量都较差。需要指出的是，所测各林分土壤理化性质灌木林优于混交林，而混交林优于纯林，说明灌丛植被较乔木林更有利于土壤养分的积累，对黄土丘陵区不同植被类型土壤的研究也支持这一结果[34]。由于北京九龙山土层较薄，土壤构型差，影响作物的根系发育和对水分、养分的吸收，因此，在乔木林的抚育过程中应注意灌木的引入与保留，充分发挥灌木对土壤的作用，提高林地生产力水平，同时大力发展混交林将是未来生态公益林的主要发展方向[35]。

（3）应用修正的内梅罗综合指数法对各林分土壤进行了综合评价，结果表明北京九龙山林分的土壤肥力一般，均未达到很肥沃水平，仅白蜡丁香次生林达到肥沃水平，还有2个林分（樟子松纯林和白蜡与华北落叶松混交林）土壤肥力属于贫瘠水平。且从各土壤属性的肥力系数来看，土壤有效磷和全氮含量是影响综合肥力系数的主要指标，因此，氮、磷可能是该地区土壤肥力的主要限制因子，改善林地肥力状况，提高土壤有效磷和全氮含量将是关键。

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Diagnosis and comprehensive evaluation on soil fertility of different stands in Beijing Jiulong mountain

ZHANG Lianjin1, LAI Guanghui2, SUN Changzhong1, XIN Xuebing1, KONG Qingyun1
(1. Experimental Center of Forestry in North China, Chinese Academy of Forestry, Beijing 102300, China;2. Beijing Forestry Monitoring and Planning Academy, Beijing 100029, China)

Based on the soil data of 13 forest types in Beijing Jiulong mountain, indexes of soil fertility, including soil pH-value, organic matter, total nitrogen, available phosphorus, available potassium and alkali hydrolysable nitrogen, were determined. Soil fertility of different forest types were diagnosed and comprehensively evaluated through modified Nemerow comprehensive index method. Results showed that: the pH value of forest types was in weak acid; the content of soil organic matter was rich, about 50% of the total number of forest types belonged to gradeⅠ; but the soil total nitrogen and available phosphorus were deficient to some extent, all forest was almost of grade Ⅲ and Ⅳ ; the soil available potassium and alkali hydrolysable nitrogen were lower than the average, all forest was almost of grade Ⅱ and Ⅲ. The range of comprehensive fertility coef ficient (Pj) of forest soil was 0.87～ 1.85, the mean value was 1.20±0.30, and 76.29% of forest types was in the middle level(0.9＜Pj＜ 1.8), theFraxinus chinensis - Syringamixed forest was comparatively high, while that the pure forest ofPinus sylvestrisand theFraxinus chinensis - Larix principis-rupprechtiimixed forest were just the opposite. It is concluded that soil fertility of forest in the Jiulong Mountain is not good and effective measures should be taken to improve it. Among that, it is the key to improve the content of total nitrogen and available phosphorus.

Jiulong mountain; forest types; modified Nemerow comprehensive index method; soil fertility; comprehensive evaluation

S714.2

A

1673-923X(2017)01-0001-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.01.001

2015-05-28

国家“十二五”林业科技支撑计划专题“华北土石山区森林可持续经营技术研究与示范”（2012BAD22B0304）

张连金，博士，工程师 通讯作者：孙长忠，研究员；E-mail：sun61@163.com

张连金，赖光辉，孙长忠，等. 北京九龙山不同林分土壤肥力诊断与综合评价[J].中南林业科技大学学报，2017,37(1):1-6.

致谢：在数据获取中得到法蕾、裴顺祥、孙丽芳及余海等的大力帮助，在此深表谢意！

[本文编校：谢荣秀]