湖北省主要森林类型土壤理化性质及土壤质量

王晓荣，胡文杰，庞宏东，崔鸿侠，唐万鹏，周文昌，潘 磊，姜 琦

（1.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430075；2.秭归县屈原林业工作站，湖北 宜昌 443600）

土壤是成土母质在一定环境条件和生物作用下，经过一系列物理、化学和生物过程形成[1]，是生态系统中诸多生态过程的载体和植物生长的基质[2-3]。土壤养分与森林类型密切相关，一方面林木生长从土壤中吸取养分，土壤养分的高低影响到森林植物的生长和分布，另一方面森林以凋落物形式归还土壤有机物质和养分，从而影响林下土壤的性质和养分状况[4]。由于不同森林类型凋落量和凋落物性质存在差异，养分归还量也不同，对林下土壤肥力的影响也各有差异[5]。因此，深刻理解土壤状况与植物生长和功能的关系，准确评价森林土壤质量状况并找出限制因素，对提高林分生产力、植被预测、生态恢复和实现森林可持续经营具有重要意义[2,6-7]。目前，评价土壤质量的常规方法主要有主成分分析法[8]、模糊数学模型[9]、灰色关联模型[6]、加权综合法[10]、最小数据集法[11]，其中主分成分分析法是土壤质量定量评价中应用最为广泛的统计方法，可为土壤肥力质量的管理和植被恢复措施的选择以及林分改造提供直观参考[2]。

近年来，许多学者对不同区域不同森林类型的土壤理化特征和土壤质量开展了广泛研究，如上海环城林带[3]、江西红壤区[4]、广东罗定[6]、湖北恩施[12]、北京九龙山[13]、江西庐山[14]，重点比较不同林分类型、群落类型的土壤理化性质、肥力特征等，且均属于小尺度，而对区域尺度上森林土壤质量综合评价鲜见报道。在区域尺度上，森林土壤受到成土母质、气候、地形、林分类型和林分结构的综合影响[15]，影响森林土壤的因素较为复杂，造成森林土壤理化性质存在着较强的异质性[1,13]。本研究以湖北省主要森林类型为研究对象，分析比较了不同森林类型的土壤理化特征，并采用主成分分析法综合评价土壤质量且找出其关键因子，旨为该区域森林经营和土壤养分管理以及森林植被恢复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖北省位于我国大陆的中部，地处长江中上游（108°21′42″～116°07′50″E，29°01′53″～33°06′47″N），面积约18.59×104km2，占全国总面积的1.94%，地势大致为东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地，山地占56%，丘陵占24%，平原湖区占20%。气候属亚热带季风气候区，平均气温为15～17 ℃，最高气温可达39℃，最低气温达-3.2 ℃，年均降水量范围在800～1 600 mm 之间。土壤以红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、黄褐土为主。依据第九次全国森林资源清查成果统计森林资源情况，截止2014年，湖北省林地面积876.09×104hm2，森林面积736.27×104hm2，占林地面积的84.04%，森林覆盖率39.61%，林木绿化率43.76%。活立木总蓄积39 579×104m3，其中森林蓄积量36 507.91×104m3，占92.24%。森林植被具有由北亚热带落叶阔叶混交林逐渐过渡到中亚热带常绿阔叶林的特征，主要树种有马尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamia lanceolata、柏木Cupressus funebris、华山松Pinus armandii、麻栎Quercus acutissima、栓皮栎Quercus variabilis、槲栎、锐齿槲栎Quercus alienavar．acuteserrata、樟树Cinnamomum camphora、苦槠Castanopsis sclerophylla、青冈Cyclobalanopsis glauca等，是中国生物资源较丰富省份之一[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

参照湖北省立地条件和森林资源类型分布现状，结合森林植被一类分区类型，尽量选择主要典型立地条件（包括山脉、流域）以及生态区位重要的区域的地带性植被和分布面积较大的林分类型，且以天然林或者人为干扰相对较少的人工林作为土壤调查对象[17]。具体森林土壤调查样地分布见表1。

在2015—2016年期间，选择典型林分设置规格为20 m×20 m 的样地，对样地内中胸径≥5 cm的乔木树种进行每木检尺，调查物种名、数量、胸径、树高等。同时，记录样地海拔、坡度、坡向、地点位置、人为干扰情况等因子。样地基本情况见表2。

1.2.2 土壤采样与分析

在每个样地内按照对角线设置2 个土壤剖面，调查土壤类型、质地、石砾含量，并按0～10、10～20、20～40、40～60、＞60 cm 进行分层取样，将同层土样混合为一份土样，随后将土壤样品带回实验室测定土壤化学性质指标。采用环刀法测定土壤容重、土壤含水量、毛管孔隙度和总孔隙度等物理性指标。测定的化学指标及方法如下：有机质采用重铬酸钾容量-外加热法，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷、全钾、全铁、全钙、全镁、全钠、全铁、全锰、全钛、全锌采用等离子发射光谱法[18]。

表1 土壤样点分布情况Table 1 Distribution of forest soil samples in Hubei Province

表2 不同森林类型样地基本情况Table 2 Basic information of different forest types

1.2.3 土壤质量评价方法

首先，对土壤属性指标原始数据进行加权平均，以获得单个采样点土壤性质指标的平均值。然后，利用模糊数学原理建立土壤性质与功能间的隶属函数来进行数据标准化处理[3]，以实现各土壤性质的量纲归一化，使得评价指标间具有可比性[6]。由于各土壤性质指标所对应的功能效应曲线各不相同，一般隶属度函数分为抛物线函数和“S”型函数[9]。参考张凯旋等[3]对土壤评价指标隶属度值的划分，土壤含水量、毛管孔隙度、总孔隙度、有机质、全氮、全磷、全钾属于“S”型函数，土壤容重、pH 值、全钙、全镁和全钠属于抛物线形隶属度函数，即评价指标与土壤功能具有一个最佳适宜范围，其计算公式分别为公式（1）～（2）：

式中：Xi为各评价指标的隶属度值；X为各评价指标原始数值；Xmax和Xmin分别为各评价指标的最大值和最小值。

最后，利用主成分分析提取特征根大于1 的主成分向量，依据因子在向量上对应的载荷值，确定出各主成分向量中主导因子并构建相关数学模型。然后，根据各主成分的方差贡献率为权重，提取得分进行加权求和，进而获得土壤综合质量得分[6,12]。

根据公式（3）计算土壤质量综合指数：

式中：ai为第i个土壤评价指标的权重系数，n为指标数量；F(i)为某一森林类型各项指标的隶属度值。

采用Office13.0 和SPSS19.0 软件进行数据整理和作图。不同森林类型各土壤层次的土壤理化指标差异性采用单因素方差分析（One-way ANOVA），且进行LSD 多重比较，以检验数据之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同森林类型土壤容重、含水量和孔隙度变化

如表3所示，区域尺度上森林类型差异对土壤物理性质平均值整体影响不大，5 种森林类型的土壤容重平均变化范围为1.33～1.36 g/cm3、土壤含水量为19.37%～21.84%、毛管孔隙度20.81%～22.97%和总孔隙度24.84%～26.78%。比较不同森林类型同一土层土壤理化性质可知，仅10～20 cm 层毛管孔隙度存在显著差异（P＜0.05），竹林分别较针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林和常绿落叶阔叶林降低了31.35%、31.06%、31.01%和19.82%，而其他森林类型间无显著性差异。土壤容重、土壤含水量和总孔隙度等在不同森林类型同一土层间均不存在显著性差异。随着土壤层次的增加，土壤容重除在常绿落叶阔叶混交林差异不显著外，其余森林类型均存在极显著性差异（P＜0.01），且呈逐渐增加的趋势；土壤含水量除在针叶林不存在显著差异外，其他森林类型均存在显著性差异（P＜0.05），呈逐渐降低的趋势；毛管孔隙度和总空隙度在不同土层间均无显著性差异，且呈不规律变化。

表3 不同森林类型土壤各土层物理性质†Table 3 Soil properties of different soil layers in different forest types

2.2 不同森林类型土壤pH 值、有机质和全量养分变化

如表4所示，不同森林类型土壤pH 值平均变化范围为4.84～5.89，呈酸性，且不同森林类型同一土层间均存在显著性差异（P＜0.05），表现为落叶阔叶林＞针阔混交林＞针叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞竹林。同一森林类型不同土壤层次间不存在显著性差异，但仍可看出随土壤层次的增加，pH 值逐渐增加。

不同森林类型土壤有机质和全氮平均变化范围分别为15.17～39.11 g/kg 和1.37～1.96 g/kg，且仅在20 cm以上土层中存在显著性差异（P＜0.05），而在20 cm 以下土层时则无显著性差异。在0～10 cm 土层，有机质整体表现为常绿落叶阔叶混交林＞落叶阔叶林＞竹林＞针叶林＞针阔混交林，全氮为落叶阔叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞竹林＞针阔混交林＞针叶林；在10～20 cm 土层，有机质和全氮含量均表现为常绿落叶阔叶混交林＞落叶阔叶林＞竹林＞针阔混交林＞针叶林。同一森林类型不同土层间，除常绿落叶阔叶混交林外，其余森林类型有机质和全氮均存在极显著性差异（P＜0.01），且均随土壤层次增加逐渐降低。另外，全磷和全钾平均变化范围分别为0.25～0.43 g/kg和13.58～15.87 g/kg，且不同森林类型和不同土层间均不存在显著性差异。由上可知，森林类型差异主要对表层土壤有机质和全氮的提高产生显著影响，对中下土层则影响有限，而对全磷和全钾则未产生显著影响，可能与其主要受到土壤母质的影响，而森林类型对其影响较小有关。

表4 不同森林类型土壤各土层pH 和全量养分含量Table 4 Soil pH and nutrients content of different soil layers in different forest types

2.3 不同森林类型土壤碱性金属和重金属含量变化

表5 不同森林类型土壤各土层碱性金属（Ca、Mg、Na）和重金属（Fe、Mn、Ti、Zn）含量Table 5 Basic metals (Ca,Mg,Na) and heavy metals (Fe,Mn,Ti,Zn) content of different soil layers in different forest types

如表5所示，不同森林类型土壤全钙、全镁和全钠等碱性金属含量平均值范围分别在0.64～6.59、4.16～8.98 和1.76～9.77 g/kg，可见不同森林类型土壤碱性金属含量差异明显。全钙和全钠在不同森林类型同一土层间均存在显著差异（P＜0.05），全钙大小排序为针阔混交林＞落叶阔叶林＞针叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞竹林，全钠为针阔混交林＞针叶林＞落叶阔叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞竹林，而全镁为落叶阔叶林＞针阔混交林＞针叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞竹林，且仅在0～10、40～60、＞60 cm 土层间存在显著性差异（P＜0.05），而在10～20 cm和20～40 cm 土层各森林类型间无显著性差异（P＞0.05）。

不同森林类型土壤中全铁、全锰、全钛、全锌等重金属含量平均值范围分别在27.10～38.26、0.54～0.74、3.33～3.87 和0.08～0.09 g/kg，不同森林类型重金属含量除全铁有一定差异外，其余重金属指标均相差很小。不同森林类型同一土层均无显著性差异（P＞0.05），且相互之间差异不大，说明土壤重金属含量受森林类型影响很小。随土壤层次增加，除全钠和全铁呈逐渐降低的趋势外，全钙、全镁等碱性金属以及全锰、全钛、全锌等重金属元素含量均无显著性差异（P＞0.05），且并未呈现出规律性变化。

2.4 土壤质量综合评价

土壤重金属重要来源于土壤母质和外界环境，对森林生长和发育而言是相对有害的，本研究中Fe、Mn、Ti 和Zn 等重金属元素在不同森林类型和土层间并无显著性差异，且含量差异极小，因此在反映森林土壤质量评价时未将其计入。同时，通过分析不同森林类型对土壤理化性质的影响发现，森林类型重点对土壤表层（0～20 cm）土壤理化性质产生影响。因此，运用主成分法开展不同森林类型土壤质量综合评价，按照特征值＞1的原则，抽取了前5 个公因子，其特征值分别为3.824、2.418、1.972、1.090 和1.034，累积方差贡献率达86.148%（表6），说明所提取的5 个主成分可以很好反映评价指标的综合信息。其中，土壤容重、含水量、全氮和有机质在第1 主成分中发挥了重要作用，全钙、全镁和全磷在第2 主成分发挥了重要作用，总孔隙度和毛管孔隙度在第3主成分中发挥了重要作用，全钾和全钠在第4 主成分中发挥了重要作用，pH 在第5 主成分中具有重要作用。

表6 土壤属性主成分因子载荷矩阵、公因子方差及因子权重Table 6 Results of principal component analysis,factor loadings,common factor variance,indicators’ weight

根据主成分模型表达式，将各土壤评价指标标准化后代入，可以求得各主成分量的得分Fj，并按照各主成分的公因子方差占总公因子方差综合的百分数，计算出各主成分权重，进而求得土壤质量综合评价函数，计算公式为：F=0.370F1+0.234F2+0.191F3+0.105F4+0.100F5。不同森林类型土壤质量综合得分排名为：竹林＞落叶阔叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶林（表7）。

表7 不同森林类型土壤质量综合评价结果Table 7 Comprehensive evaluation results of soil quality of different stand types

3 讨 论

3.1 不同森林类型土壤理化性质的差异

森林土壤是气候条件、母质类型、森林类型以及人为活动强弱结合的产物[16]，不同地带区域的森林土壤类型差异大，土壤理化性质变异也会很大。土壤容重和总孔隙度代表土壤的透气性、透水性、贮存空间以及对植物根系伸展的阻力状况，进而影响着土壤的持水性能[12]。已有研究发现，随着植物的生长，根系吸收的养分通过枯枝落叶的凋落、归还、分解，释放进入土壤会逐渐改善土壤理化性质，进而使得土壤密度减少、孔隙度增加，容蓄水分能力增强[3]。本研究结果表明，随着土壤层次的增加，土壤容重逐渐增加，而土壤含水量则逐渐降低，这主要与植物根系的活动范围有关，表层根系越多越有利于土壤物理性质的改善，而对深层次土壤物理性质改变较为有限。但不同森林类型对土壤物理性质基本上无显著性差异，究其原因可能是目前湖北省森林多处于中幼林阶段，在区域尺度上森林群落的差异尚不能对土壤结构产生明显的影响和改变[2]，同时由于区域采样尺度上森林类型中包含了不同的土壤类型和质地、石粒含量以及根系生长发育程度差异，造成土壤物理性质空间变异较大[9]，进而可能抵消了森林类型对土壤结构的影响程度。

土壤养分是反映森林植被改善土壤程度的重要因素[10]，且不同类型植物群落间往往存在较高差异[3]，分析不同森林类型土壤养分状况特征差异，有利于了解森林土壤及其森林类型的关系[19]。本研究结果表明，湖北省森林土壤pH 值整体偏酸性，表现为落叶阔叶林＞针阔混交林＞针叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞竹林，各森林类型之间存在显著性差异，说明不同森林类型对土壤酸碱度存在明显影响。一般而言，在相同环境条件下，针叶树土壤比阔叶树土壤酸性更强，由于针叶树凋落物叶在分解过程中产生的盐基离子较少而有机酸含量较高会导致土壤发生酸化[20]，同时常绿落叶阔叶混交林和竹林均低于针叶林，可能与大量人为经营干扰程度有关，本研究中常绿落叶阔叶林和竹林多是人为破坏后的次生林和人工林，竹林主要分布鄂东南黄红壤区，因此土壤质地和人为干扰严重时导致其土壤酸性较低的重要原因。土壤有机质是形成土壤理化性状的基础，是联系成土过程中生物要素与土壤发生、演化的纽带，也有利于土壤团粒结构形成，进而促进植物生长和养分的吸收[12,21]，不同林分由于物种组成、生物学等特性，使得凋落物的种类和数量及其分解速率均存在较大差异，从而引起林地土壤有机质含量和分布状况不同[19]。本研究中，不同森林类型土壤有机质表现为常绿落叶阔叶混交林＞落叶阔叶林＞竹林＞针阔混交林＞针叶林，这与李静鹏[2]对不同植被恢复类型对土壤质量的影响结果相类似。土壤有机质的累积与凋落物的分解密切相关，针叶林处于演替早期阶段，凋落物量相对较少，其多为粗糙死地被物，分解缓慢，大量积累于林地表面，土壤有机质含量最低，而随着演替发生过程中阔叶树种的增多，林分生物量较高，产生大量较易分解的凋落物，进而会促进土壤有机质含量增加[2,22]。

土壤全量养分特征分析中全氮、全磷和全钾的含量能反映土壤“营养库”中养分总储量水平[19]。本研究中，土壤全氮在不同林分变化趋势与有机质基本一致，这与大多数研究结果相一致[12,14,23]，因为林地土壤全氮含量变化主要取决于其土壤有机质含量的变化[20]。全磷和全钾则在不同森林类型间无显著性差异，参照全国第二次土壤普查的土壤养分分级标准，湖北省森林土壤全磷和全钾含量分别属于很低（0.2～0.4 g/kg）和低水平（10～15 g/kg），这是因为在酸性的亚热带森林土壤中，磷元素易于铁、铝的氢氧化合物及其离子形成不溶性的磷化合物沉淀，导致森林土壤磷含量普遍亏缺，致使不同森林类型间全磷差异不显著[1,12]，而全钾含量绝大部分来源于成土母岩中矿化物风化释放[4]，虽然磷钾元素会在一定程度上受植物根系分布以及植物吸收的影响，但总体影响较小，这与刘永贤[5]和申佳艳[24]等的研究结果相似。

该区域森林土壤碱性金属（包括Ca、Mg、Na）在不同森林类型间存在显著差异，且说明碱性金属均与森林群落类型和生长发育密切相关，以针阔混交林含量较大，竹林最较小，主要原因可能是针叶和阔叶树种混合搭配可能有利于土壤阳离子交换吸附，造成土壤碱性金属相对累积，而竹林所处红壤区域具有强烈的富铝化和淋溶作用，导致碱性金属大量淋失[22]。同时，重金属（包括Fe、Mn、Ti、Zn）则在不同森林类型间土壤重金属含量差异很小，且各森林类型间差异不显著，其受森林类型影响不大，这与楚春晖等[25]和李向阳[26]在鄂东南的研究结果相一致，一方面森林土壤重金属主要来源于成土母质，另一方面是该区域森林土壤重金属总量较少或由于森林植被的净化作用，使得目前湖北地区森林土壤重金属污染呈轻微危害程度。

3.2 不同森林类型土壤质量评价

土壤质量是土壤肥力质量、土壤健康质量和环境质量的综合度量，其优劣程度取决于生态系统类型、土地利用方式以及人为干扰影响等多种因素[27]。采用主成分分析法对湖北省不同森林类型土壤质量综合评价结果为：竹林＞落叶阔叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶林，其中竹林土壤质量相对最大，可能与集约化经营过程中人为施肥和抚育管理措施等有关[6]，有效提升了土壤质量，而其他林分类型土壤质量变化趋势基本符合自然正向演替规律。处于植被正向演替等级越高的森林类型，群落结构越复杂、物种组成更丰富，凋落物分解更快，具有较强的养分循环与富集功能[12]。本研究中常绿落叶阔叶混交林是湖北省地带性的顶级群落，而其土壤质量却低于落叶阔叶林，可能与湖北省森林历史上由于战争、人为毁坏森林以及自然灾害等原因有关，导致顶级森林群落发生退化严重，森林脆弱性和森林质量整体不高的现象仍旧存在[28]。同时，不同的采样尺度、群落组成、土壤类型和管理措施的差异会造成不同森林类型土壤质量评价结果存在较大差异。已有研究证明，小尺度上探讨同种土壤类型下的不同森林类型对土壤理化性质的影响，能够更好地的理解森林群落组成和结构等对土壤养分循环过程的影响机制，对于森林经营管理更具有实际指导意义[5]。本研究虽然考虑了森林类型，但在区域尺度上因土壤形成的气候、母质、生物等因素造成土壤类型分布的复杂性[16]以及森林土壤初始养分本底的先天差异性考虑不足[4]。在采样布置空间上仅考虑了森林类型，而忽略了森林的发育状况以及各区域的森林类型样地的均匀程度和数量，可能在分析比较土壤类型和区域类型间的森林土壤质量评价仍具有一定的局限性。

4 结 论

本文分析湖北省主要森林类型的土壤理化性质和土壤质量，结果表明，区域尺度上森林类型差异对土壤物理性质整体影响不大，随着土壤层次的增加，土壤容重逐渐增加，而土壤含水量则逐渐降低，孔隙度变化未呈规律性变化。研究区森林土壤pH 值平均变化范围为4.84～5.89，呈酸性，且不同森林类型间存在显著差异。不同森林类型间的土壤有机质和全氮平均变化范围分别为15.17～39.11 g/kg 和1.37～1.96 g/kg，且仅在20 cm 以上土层产生显著差异，而各土层的全钙、全镁、全钠等碱性金属均具有明显差异，对全磷、全钾等全量元素和全铁、全锰、全钛和全锌等重金属则无显著性差异。不同森林类型土壤质量从高至低的排序为竹林＞落叶阔叶林＞常绿落叶阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶林。在未来开展森林质量提升和土壤管理时，要利用森林自然演替规律，尽量减少人为干扰，采用适度的管理措施促进森林向顶级群落类型演替，以增加凋落物储量和分解速度，进而达到森林土壤质量有效提升的效果。