上海市人工林土壤理化性质与群落特征的相关性

许俊丽，张桂莲，张希金，高志文，仲启铖，张亚萍，宋 坤，达良俊

（1.华东师范大学 生态与环境科学学院，上海200241；2.华东师范大学 上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海 200241；3.上海市园林科学规划研究院，上海 200232）

人工林是城市绿色基础设施的重要组成部分［1］。第八次全国森林资源清查显示，中国森林面积达2.08亿hm2，其中人工林面积0.69亿hm2，占林地总面积33%，居世界首位。现阶段，人工林已占据了宜林荒山荒地的优越地段，在国家严格实施生态红线保护政策，要求扩大森林覆盖率加强森林保护的背景下，在造林地数量和立地质量增长潜力有限且人工林地力逐渐衰退的情况下，未来林业发展过程中，如何保护好现有林地，提高人工林生态功能，促进林地健康可持续发展，是事关林业发展战略的重大问题［2］。土壤是植物群落发生和发展的基础，是森林生态系统的重要组成部分［3］，也一直是生态学研究的重点内容之一。土壤作为森林生态系统中诸多生态过程的载体，直接或间接地影响林木的健康发展［4－5］，而森林植被的存在亦不断地影响森林土壤的形成与发育［6］。有别于天然林土壤，人工林土壤，尤其是高度城市化背景下的人工林，受人类活动的影响，在保留自然土壤特征的基础上，同时具有自身独特的土壤特征，如土壤紧实，碎石、玻璃和木屑等外源侵入物高，偏碱性，有机质低和生物活性低等特点［7－8］。作为中国乃至全球的贸易、经济和工业中心，上海的城市化率从1979年的60.7%上升为2015年的87.6%，居全国之首。上海市经过近20 a的造林绿化，森林覆盖率从1999年的3.17%增加到2016年年底的15.56%，其中99%以上为人工林［9］。关于上海城市森林土壤，学者从土壤质量评价、土壤自身理化性质、土壤养分和土壤微生物等方面进行了研究［10－12］。但以往的这些研究，多集中于浅层土壤，且较多地局限于土壤本身特征，对于土壤和植物群落之间的相互作用与影响，则鲜有报道。本研究选择上海市域范围内具代表性的人工林为对象，分层采集0～100 cm人工林土壤剖面样品，结合植物群落特征调查，明确上海人工林林下土壤理化性质状况，探讨植物群落与土壤理化性质的相互作用与影响，以期为人工林的健康发展提供参考。

1 研究区概况

上海市（31°14′N，121°29′E）位于长江三角洲以太湖为中心的碟形洼地的东缘，属长江三角洲冲积平原的一部分，为北亚热带季风气候，冬冷夏热，年均气温为15.2～15.9℃，雨量充沛，光照充足，年无霜期约为250 d。境内平均海拔为4 m左右，整体特点是地势低平［13］。地带性植被为含有落叶成分的常绿阔叶林，在长期人为活动影响下，自然植被遭到很大程度破坏［14］。目前较常见的植被类型为常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶混交林和落叶针叶林、针阔混交林［15］。2016年，上海全市林地面积为11.13万hm2，其中森林面积为9.87万hm2，森林面积中，乔木林地面积为8.45万hm2，占森林总面积的85.6%，树种主要有樟树Cinnamomum camphora，栾树Koelreuteria paniculat，女贞Ligustrum lucidum，水杉Metasequoia glyptostroboides，池杉Taxodium ascendens，落羽杉Taxodium distichum，喜树Camptotheca acuminata等。从上海城市森林径级结构看，小径阶组（5.0～12.9 cm），中径阶组（13.0～24.9 cm），大径阶组（25.0～36.9 cm），特大径阶组（≥37.0 cm）和其他径阶组（＜5.0 cm）分别占森林面积的43.7%，29.5%，3.3%，0.2%和23.3%［9］。至2016年底，上海市共划分为16个区、1个县，不同区县间，崇明县森林覆盖率最高，占整个上海市森林面积的27.54%，中心城区森林覆盖率最低，仅占上海市森林总面积的3.1%［9］。研究区内除西南部零散山丘为残积弱富铝化母质所发育的黄棕壤外，平原地区均为江、海、河、湖等不同沉积母质所发育而成的水稻土、灰潮土和滨海盐土。

2 研究方法

2.1 样地选择与调查

2016年7月，在上海市崇明、宝山、虹口、长宁、青浦、浦东、松江、奉贤、金山共9个区县范围内，按照《生态系统固碳观测与调查技术规范》［16］中森林样地野外调查和设置方法，选取代表性人工林样地34个，采样点分布见图1。

在样地四周保留至少5～10 m缓冲区的林地内，选取25 m×25 m的样地，对样地内胸径（DBH）超过5 cm的林木进行每木测量，记录其种名、胸径和高度；对胸径小于5 cm的树木，估测其盖度及高度。树高采用激光测距仪（Vertex VL5）进行测量，样点地理坐标采用全球定位系统（GPS，佳明Map621SC）进行定位，乔木层郁闭度和灌木层及草本层盖度用目视法进行估算。各样地基本信息见表1。

2.2 土壤样品采集与测定

在每个样地外1～5 m范围内，挖取1 m×1 m×1 m土壤剖面，按0～10，10～30，30～100 cm分层采集土壤样品，重复3次·样品-1，用于测定化学性质的土壤样品混匀后装袋带回实验室，样品除去石砾、根系等杂物后，自然风干，粉碎后过2 mm筛，于2016年9－10月进行测定。

图1 采样点位置示意图Figure 1 Location of sampling sites

土壤容重采用环刀（100 cm3）取样分析法测定；pH值采用V（水）∶V（土）＝2.5∶1.0的电位法测定；土壤电导率（EC）采用V（水）∶V（土）＝5.0∶1.0的电导法测定；碱解氮用碱解-扩散法测定；有效磷采用0.5 mol·L－1碳酸氢钠浸提法测定；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

2.3 数据处理与分析

采用SPSS 23.0对土壤理化性质进行单因素方差分析（one-way ANOVA）。当方差齐性时，采用最小显著差法（LSD）进行多重比较；方差不齐时，采用塔姆黑尼法［T2（M）］进行多重比较。土壤理化性质及与群落特征的相关性在R3.2.0中进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质

上海市人工林各土层土壤容重在不同样地间表现为弱变异。土壤pH值整体表现出随土壤深度增加而递增趋势，0～10 cm和30～100 cm土层间差异显著（P＜0.05），各样地间pH值呈弱变异性。土壤电导率不同样地间表现为中等变异。土壤碱解氮各土层间差异显著（P＜0.05），且随着土壤深度增加而降低，不同样地间表现出中等强度变异。有效磷在不同样地间表现为高度变异，变异系数随土层深度增加分别达1.12，1.09和1.16。有机质在不同土层间差异显著，随土壤深度增加而显著递减（P＜0.05）（表2）。

3.2 土壤理化性质之间的关系

由表3可知：0～10 cm土层，有机质与土壤容重呈显著负相关（P＜0.05），与pH值呈极显著负相关（P＜0.01），与碱解氮、有效磷呈极显著正相关 （P＜0.01）；碱解氮与pH值呈极显著负相关（P＜0.01）。10～30 cm土层，有机质与土壤容重呈显著负相关（P＜0.05），与pH值呈极显著负相关（P＜0.01），与碱解氮、有效磷呈极显著正相关（P＜0.01）；碱解氮与pH值呈显著负相关（P＜0.05）。30～100 cm土层，土壤电导率与容重呈显著负相关，有机质与pH值显著负相关，与有效磷显著正相关（P＜0.05）。

表1 样地基本信息Table 1 Basic informations of sampling sites

3.3 土壤理化性质与群落结构特征之间的相关性

群落结构特征仅与0～10 cm土层的土壤部分理化指标有相关性，与10～30 cm和30～100 cm土层的土壤理化指标间无显著相关性（P＜0.05）（表4）。其中，乔木平均胸径与碱解氮、有机质呈显著正相关，乔木郁闭度与电导率呈显著负相关（P＜0.05）；草本层盖度与碱解氮、有机质呈显著正相关（P＜0.01）。

3.4 不同植被类型间土壤理化性质的变化

不同植被类型人工林土壤理化性质不存在一致变化规律。0～10 cm土层，电导率在落叶阔叶林（FT3）， 落叶针叶林（FT4）和针阔混交林（FT5）间差异显著（P＜0.05）。10～30 cm土层，各林型间土壤理化性质差异不显著（P＜0.05）。30～100 cm土层，落叶阔叶林（FT3）土壤碱解氮含量显著低于其他林型（P＜0.05）（图 2）。

表2 上海市人工林土壤理化性质统计分析（n=34）Table 2 Statistical results of physical and chemistry properties of the soils under forest plantations in Shanghai City （n=34）

3.5 不同龄组间土壤理化性质的变化

各土层间，随龄组增加，土壤容重无显著变化趋势；不同龄组和不同土层间，pH值无明显变化规律；土壤电导率表现出随林龄增加先降低后增加的趋势，0～10 cm土层间，林龄大于20 a的龄组（AG4）的电导率显著高于林龄＜10 a（AG1）， 11～15 a（AG2）， 16～20 a（AG3）的龄组，但在10～100 cm土层间差异不显著（P＜0.05）；对于土壤碱解氮和有机质，随着林龄增长，不同土层间均呈现增加（AG1～AG2）—减少（AG2～AG3）—增加（AG3～AG4）的趋势，其中10～30 cm土层，AG3龄组土壤碱解氮显著低于AG2和AG4龄组，AG3龄组有机质显著低于AG2龄组（P＜0.05）；对于土壤有效磷，随着林龄的增长，各土层间变化无明显规律（图3）。

表3 土壤理化性质之间的相关性（n=34）Table 3 Correlation coefficient between soil physical and chemical properties （n=34）

表4 土壤理化性质和群落结构之间的关系（n=34）Table 4 Correlation coefficient between soil physical and chemistry properties and the community structure（n=34）

图2 不同林型间土壤理化性质（n=34）Figure 2 Soil physical and chemical properties between different forest plantation types（n=34）

4 讨论

4.1 土壤理化性质特征

上海人工林土壤容重均值为1.35～1.42 g·cm－3，高于《绿化种植土壤》［17］规定的绿化种植土本底容重小于1.35 g·cm－3的标准。本研究土壤pH值均值为7.6～8.0。就上海土壤本底值而言，土壤pH值多数为7.0～8.0［18］。对于大多数植物来讲，最适宜pH值范围为弱酸性到弱碱性，整体上海人工林土壤pH值偏高。有研究表明：土壤电导率在0.35～1.0 mS·cm－1最适宜［19］。本研究土壤电导率均值为0.11～0.14 mS·cm－1， 低于植物生长适宜值， 亦低于《绿化种植土壤》［17］的技术要求（0.15～0.9 mS·cm－1）。 此外， 对于非盐渍化土壤，电导率值亦可以作为土壤肥力的一个综合性参考指标［20－21］。可认为上海市人工林土壤整体处于营养匮乏状态。本研究中土壤碱解氮均值为31.3～80.7 mg·kg－1，与全国第二次土壤普查养分分级标准相比［22］，碱解氮偏低。土壤有效磷均值在7.4～13.8 mg·kg－1，0～30 cm土层处于中上等肥力水平（10～19mg·kg－1）， 30～100 cm 土层则处于中下等肥力水平（5～9 mg·kg－1）。 土壤有机质为10.26～20.06 g·kg－1， 相较于《绿化种植土壤》［17］技术要求，有机质质量分数应在20～80 g·kg－1，本研究结果中，有机质在表层土中最高，接近该技术标准最低值，土壤有机质较为匮乏。

图3 不同龄组间土壤理化性质（n=34）Figure 3 Soil physical and chemistry properties between different age group （n=34）

4.2 土壤理化性质之间的相互作用

土壤是复杂的生态系统，其理化性质相互作用，并受人类活动的影响而发生改变。本研究中土壤容重与有机质在0～30 cm土层显著负相关，可能与土壤有机质可以促进土壤团粒结构的形成，降低土壤容重有关［23］。土壤pH值与碱解氮和有机质均呈显著负相关，可能是因为对于本身偏碱的土壤来讲，随着pH值升高，过碱的环境会抑制土壤微生物的数量［24］，使得地表枯枝落叶被微生物分解而进入土壤的量减少，从而降低了土壤有机质含量。土壤有机质的改善是土壤理化性质改善的主要原因之一［25］，在影响土壤其他理化性质方面发挥着重要作用。本研究中土壤有机质与碱解氮及有效磷在0～30 cm土层显著相关，这与魏强等［26］的研究结果一致，一定程度上表明有机质低可能是导致碱解氮和有效磷偏低的重要原因。本研究表明：作为土壤土壤肥力的一个综合性参考指标，低的土壤电导率应引起重视，增加土壤养分含量，是提高上海人工林土壤质量的重要任务之一。

4.3 群落特征对土壤理化性质的影响

植物群落通过其冠层结构和根系的呼吸、吸附等作用以及枯落物的分解，直接或间接地影响土壤理化性质［27－28］。有研究表明：乔木高度、胸径及冠幅等生长指标与土壤pH值、有机质、碱解氮及有效磷存在显著相关性［29］，而本研究中乔木高度与土壤各理化性质均无显著相关性。这可能是因为上海人工林建设初期，有些林分为大规模幼树造林，有些林地为大树移植营造，大树在移栽过程中会进行截杆处理，本研究中个别样地乔木高度可能不能完全代表植株理论生长高度，导致本研究结果与前人研究结果不完全一致。乔木胸径与上层土壤碱解氮和有机质呈正相关，根据异速生长模型，胸径大的林木其枝叶生物量较大，因此林下凋落物较多，对土壤有机质养分补充较多。0～10 cm土层土壤电导率值与乔木层郁闭度显著负相关，可能是因为郁闭度高的群落，其遮光效果好，土壤水分蒸散量减少，造成土壤含水量相对较高，而土壤电导率与土壤含水率呈负相关关系。

林下植被对土壤理化性质也存在显著影响，移除林下植被和地上凋落物可降低土壤有效磷的供应能力，而植物残体的覆盖能够降低土壤容重，降低土壤pH值，同时增加土壤养分［30］。本研究土壤有效磷与林下植被覆盖率无显著相关性，可能与土壤磷元素除受植被影响外，土壤中岩石也会矿化出磷元素有关。草本层盖度与土壤有机质和碱解氮呈正相关，可能是因为草本层盖度增加，使得林下植被生物量和地下浅层根系增加，相较于乔灌木的枯枝落叶，草本植物枯死个体更容易被分解、养分归还速率和归还量相对较高，增加了土壤表层腐殖质厚度。而腐殖质是土壤有机质和氮素的重要自然来源。

总体上，本研究不同林型间土壤理化性质无显著差异。舒媛媛等［31］研究表明：由于凋落物组成不同，落叶人工林土壤碳、氮、磷含量显著高于常绿针叶纯林；李宜浓等［32］研究指出：林型是影响凋落物组成的重要因素之一，不同森林类型间凋落物组成明显不同。但黄锦学等［33］研究表明：在全国尺度上，由于环境因素的影响，亚热带和温带地区森林的树种组成对凋落物的分解没有显著影响。环境因素和人为干扰的影响可能是导致没有差异产生的原因。

不同龄组间，0～10 cm土层大龄组AG4组群落土壤电导率显著高于其他龄组，可能是因为电导率不仅能反映土壤养分含量的高低，更是反映盐分含量高低的指标。上海人工林大部分由农田转化而来，人工林营造初期，继承了先前农田积累的营养物质，这可能是AG1龄组土壤养分含量高的原因之一。到了后期，林分生长迅速，养分消化量大，导致营养元素降低，等快速生长阶段结束，到达稳定增长期，土壤养分开始积累，表现出增加趋势，于是养分质量分数整体呈现出增加—减少—增加的趋势。碱解氮和有机质仅在10～30 cm土层表现出一定差异性，可能是因为表层土壤受人为因素影响严重，差异性减弱，而深层土壤由于人工林发育时间短，暂未受到影响。土壤有效磷在不同龄组和土层间未表现出规律性，可能是因为部分磷来源于成土母质，在生态系统中的物质循环不如氮素强烈。此外，研究区土层深度、立地条件不同，研究结果也可能存在差异。

5 结论

上海市人工林土壤整体表现容重偏高，酸碱度偏碱，养分含量相对缺乏，尤其是土壤有机质和氮素的缺乏，是限制上海人工林健康发展的重要因子。有机质与其他理化性质相关性较为普遍，是影响土壤理化性质、改善土壤结构和提高土壤肥力的关键因子之一。受城市化和人类活动影响，不同区域、不同发展阶段人工林土壤理化性质不同，与群落间的相互作用与影响不能一概而论，在对人工林进行管理时，不能简单地依据前人或其他地区的研究结果做类比，而应从实际情况出发，制定相应的管理和养护措施。上海市林业管理部门可在林下种植绿肥和草本植物，增加林下植被生物量，在降低刈割、践踏、污染等人为干扰的同时，适量人为增加经无害化处理的有机肥料，快速提高土壤有机质。从人工林健康可持续发展的长远角度出发，应考虑城市人工林的复杂性与差异性，对森林土壤和实施连续定点监测，针对不同类型林地制定相应的个性化管理措施，实现人工林长效健康可持续发展。本研究在调查采样过程中，更多地关注土壤与植物群落之间的相关性，不可避免地疏漏了样地其他环境因素和人为干扰的影响。在高度城市化和人为干扰背景下，对城市森林土壤的研究应在保证样本量的基础上，尽可能详尽地对研究样点做较为全面与深入的调查。