辽河上游森林土壤理化性质及持水能力研究

邓健睿，杨艳波，娄 婧，梁陈涛，温 慧，井丽欣，王文杰1,，何兴元

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.森林植物生态学教育部重点实验室，东北林业大学 化学化工与资源利用学院，黑龙江 哈尔滨 150040 )

0 引 言

森林作为陆地上最大的生态系统，其复杂的树木结构以及巨大的截留面积对陆地生态系统水文过程有很重要的影响，并在水资源的可持续利用方面发挥着重要的作用[1]。吉林省辽河流域是吉林省重要的商品粮基地，其森林资源丰富[2]，林分以黑皮油松纯林、落叶松纯林、樟子松纯林、针叶混交林及针阔混交林为主[3]，在涵养水源、调节径流、改善水质及防止水涝灾害等方面具有重要意义[4]。土壤作为森林生态系统水分储存的主要库，在系统中更是作为媒介参与水文过程，直接影响水分的入渗过程[5]。近年来，随着该流域内经济发展，工农业以及生活用水量增加，导致辽河流域水源污染、土壤退化等生态环境问题日益突出，成为影响该地区社会经济发展的制约因素，并已严重影响人们的生活以及身体健康。

土壤质量评价综合考虑不同土壤理化性质，体现了土壤维持动、植物及其生长环境健康的能力[6]，土壤质量的上升和下降对森林群落的演替过程起着重要的调控作用[7-9]。土壤质量评价指标的选择需要充分考虑研究目的[10]，其基本思路是以最小的数据量反映土壤属性的大部分信息[11]。在研究河流源头区域时，需要充分考虑表征土壤水文功能和肥力特征的关键指标。不同研究发现，需要充分考虑土壤容重、田间持水量、总孔隙度、有机质、全磷和速效钾、毛管持水量、电导率、毛管孔隙度等指标[12-14]，以评价土壤水文功能及肥力特征。此类研究在农田评价中较多，在森林土壤中也越来越多。诸多学者对不同地区的林分土壤展开过土壤质量评价研究，如原源等[15]对甘肃白龙江区不同密度人工云杉林进行了土壤质量评价研究；王晓荣等[16]研究了湖北省主要森林类型的土壤质量。针对辽河源头区，不同林分是否影响森林土壤质量和水土保持功能？土壤质量评价是否需要综合不同土壤理化性质指标？哪些指标更加重要？针对上述问题的研究却鲜有报道，需要深入研究和科学回答。

基于此，本文以辽河流域典型森林群落类型为研究对象，通过野外调查和室内试验相结合，采用多重比较分析不同林分下土壤理化性质、土壤持水能力等相关指标的差异，通过主成分分析、相关性分析等方法构建土壤质量评价体系，对辽河上游不同林分类型土壤质量进行评价。此研究可为辽河上游植树造林、森林质量和水源涵养功能提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区(122°05′～125°35′E，42°37′～44°41′N)位于吉林省辽河流域的上游，流域的面积约167.44 km2(图1)，是吉林省重要商品粮基地，且森林资源丰富[17]。辽河流域属于典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.25 ℃；日照时长2 200～3 000 h；年平均降水量约578.3 mm；年均蒸发量800～1 020 mm[18]。

1.2 样品采集

1.2.1 试验样地的选择。选择辽河流域5种典型林分，即黑皮油松纯林、落叶松纯林、樟子松纯林、针叶混交林和针阔混交林(图1)，共75个样点，其中，黑皮油松纯林20个样点、落叶松纯林16个样点、樟子松纯林11个样点、针叶混交林21个样点、针阔混交林7个样点。针叶纯林的47个样点均为人工林；混交林共28个样点，其中23个样点为人工林，5个样点为次生林。在各样点具有代表性的位置分别设置30 m×30 m乔木样方，测定样地的经纬度并对每木进行检尺。黑皮油松林的主要树种是黑皮油松；落叶松林的主要树种是落叶松；樟子松林的主要树种是樟子松；针叶混交林的主要树种是黑皮油松、落叶松和樟子松；针阔混交林的主要树种是落叶松、樟子松、榆树、刺槐和蒙古栎。樟子松林的胸径、树高、枝下高及冠幅最大。针叶混交林林分密度最大，黑皮油松林林分密度显著低于其他林分类型(表1)。

图1 辽河流域采样点分布图Fig.1 Distribution map of sampling points in the headwater region of the Liaohe River

表1 不同林分的树木结构特征 Table 1 Significant differences of stand structure characteristics in different forest types

1.2.2 土壤样品的采集和处理。每个地点样方内按五点取样法[19]，采集0～20 cm土壤混合土样约600 g，用封口袋封好，用于测定土壤化学性质，采集土壤时避免根系直接影响，在不同树木中间位置采取。同时用环刀(容积200 cm3)取原状土，每样地至少重复3次，用保鲜封口袋装好，用于测定土壤持水能力相关指标。所有土样取样后立即运回实验室，进行下一步分析测定。

1.3 样品测定

1.3.1 土壤持水能力相关指标测定。土壤持水能力相关指标采用室内环刀法进行测定[19]，包括土壤容重(BD)、土壤总孔隙(Tp)、土壤毛管孔隙度(Cp)和土壤非毛管孔隙度(NCp)。

将各层土样放入烘箱中，在105 ℃下烘干8 h直至恒重，记环刀重量m0，环刀原状土质量m1，环刀烘干后质量m2，v代表环刀体积。

(公式1)

烘干后，在带网眼的底盖上垫一层滤纸，放入平底盆中，向盆中加水至环刀上沿，吸水24 h后水平取出称重，记浸水24 h后环刀内湿土质量为m3，将浸水24 h后的环刀去掉底盖，在铺有干砂的平底盆中放置2 h去除重力水，2 h后称重记为m4。

(公式2)

(公式3)

NCp=Tp-Cp

(公式4)

去除重力水后，在干砂盆中继续放置2～5 d，记放置后环刀质量为m5。

(公式5)

1.3.2 土壤化学性质测定。测定的土壤化学性质包括土壤有机碳(SOC)、pH值、全氮(TN)、碱解氮(AN)、全磷(TP)以及速效磷(OP)含量。测定前将新鲜土样去除可见动植物残体，在室温下自然风干，过孔径2 mm筛，备测上述指标。各指标及其具体测定方法如下：土壤有机碳采用燃烧法[19]；土壤pH值使用Sartorius PB10型精密度酸度计测定[19]；全氮含量采用半微量开氏定氮法测定[19]；碱解氮含量采用碱解扩散法测定[19]；全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定[19]；有效磷含量采用0.03 mol·L-1NH4F-0.025 mol·L-1HCl浸提-钼锑钪比色法测定[19]。

1.4 土壤质量评价方法

1.4.1 最小数据集(MDS)构建。研究选取了土壤物理、化学共14个指标作为全数据集(TDS)指标。由于指标较多，采用主成分分分析法(PCA)进行因子分析指标筛选，并结合Norm值的计算得到最小数据集(MDS)指标。Norm值计算如公式(6)[20]。

(公式6)

式中：k是特征值≥1的主成分个数；λk表示第k个主成分的特征值；Njk是j指标在k个主成分的累加因子荷载量；μjk是j指标的单个因子荷载，体现其重要性。

将各土壤质量指标按照各主成分因子荷载绝对值>0.5的规则进行分组，若某一指标在多个主成分的因子载荷均大于0.5，则根据Pearson相关性分析结果，将其分入与其他指标相关性较小的一组，分组后筛选Norm值在最高值10%范围的指标，接着分析各指标间的相关性，若指标间存在显著相关性，则保留最高Norm值指标到MDS，而相关性不显著的指标则均保留到MDS[20]。

1.4.2 指标得分和计算。基于指标的标准评分函数，将土壤指标标准化为0～1。评分函数分为“正向作用”或“负向作用”的评分趋势。在所有指标中，由于容重过高会对植物根系生长和土壤孔隙度产生抑制作用[20]，故选择“负向作用”函数；土壤养分、孔隙度等则使用“正向作用”函数。“正向作用”线性评分曲线如公式(7)，“负向作用”线性评分曲线如公式(8)[20]。

(公式7)

(公式8)

式中：Si是土壤指标的线性得分(0～1)；x是土壤指标实测值，L和H分别是土壤指标的最小值和最大值。

1.4.3 权重分配和计算。确定MDS后，再次使用MDS进行因子分析，得到MDS中各个指标的公因子方差，各指标权重计算如公式(9)[20]。

(公式9)

式中：Wi是该指标加权后的权重；Ci是该指标的公因子方差。

1.4.4 计算土壤质量指数。对MDS进行评分和加权后，土壤质量指数如公式 (10)[20]

(公式10)

式中：SQI是土壤质量指数；Si是线性指标得分；n是MDS中的土壤指标数；Wi是土壤指标权重值。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 20分析软件进行数据处理。为判断数据是否存在差异，对所有数据进行平均值处理及差异显著性分析，使用SPSS 20进行LSD检验，显著水平设置为0.05；使用主成分分析法和Pearson相关分析，通过Norm值确定最小数据集(MDS)，对MDS评分加权后计算出不同林分的土壤质量指数。

2 结果分析

2.1 土壤物理性质及持水能力

如表2所示，5种林分土壤含水量、总孔隙度、非毛管孔隙度、最大蓄水量和毛管蓄水量存在显著性差异(P<0.05)，而在土壤容重、毛管孔隙度和田间持水量指标中差异未达到显著水平。黑皮油松林土壤含水量、土壤总孔隙度、最大蓄水量和毛管蓄水量均显著低于其他林分类型(P<0.05)，同时落叶松林和樟子松林土壤中有较高的土壤含水量、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、最大蓄水量、毛管蓄水量和田间持水量。另外，樟子松林土壤非毛管孔隙度显著低于其他林分类型(P<0.05)，处于较低的水平。

表2 不同林分土壤的持水能力及其差异显著性Table 2 Significant differences of soil water-holding capacity in different forest types

2.2 土壤化学性质

5种林分土壤4种化学性质指标(pH、碱解氮、全磷和速效磷)之间存在显著性差异(P<0.05，表3)，而有机碳和全氮含量差异不显著。针阔混交林的土壤pH显著高于其他林分类型(P<0.05)，其余4种林分土壤pH值之间差异未达到显著水平。黑皮油松林土壤碱解氮、全磷含量显著低于其他林分类型。樟子松林和针阔混交林中土壤速效磷含量显著低于落叶松林(P<0.05)，均处于较低的水平。

表3 不同林分类型土壤的化学性质Table 3 Significant differences of soil chemical properties in different forest types

2.3 土壤质量差异

不同林分类型间的土壤质量指数存在显著差异(图2)。黑皮油松林、落叶松林、樟子松林、针叶混交林和针阔混交林的土壤质量指数(SQI)平均评分分别为0.44、0.45、0.52、0.41和0.42。根据赵川等[21]土壤质量分级并结合辽河上游5种林分类型土壤质量状况，按土壤质量指数大小将土壤质量划分为优(0.8～1.0)、良(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)和差(0～0.4)4个等级，本研究中有17.3%的样地土壤为良水平，41.3%的样地为中等水平，剩下41.3%的样地为差水平(图2)。整体而言，混交林土壤质量指数普遍低于纯林土壤，其中针叶混交林的土壤质量指数最低，显著低于其他四种林分类型，而樟子松林的土壤质量指数最高，落叶松林次之。

图2 不同林分类型的土壤质量指数差异及质量指数评级Fig.2 Soil quality index and soil quality index rating for different forest types

由表4可知，根据特征值 ≥1的选取原则，通过主成分分析共提取前4个主成分，其贡献率分别为39.55%、18.78%、8.52%和7.56%。

表4 土壤指标主成分因子载荷及Norm值Table 4 The principal component factor load and Norm values of soil indicators

第一组指标有容重、最大蓄水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度和总孔隙度，这5个指标的相关性均达到极显著水平(P<0.01)(未列出)，因此，选择Norm值最大的最大蓄水量进入MDS。第二组指标有全氮、含水量、碱解氮、有机碳和非毛管孔隙度。结合Norm值进入MDS的预选指标是全氮、碱解氮和非毛管孔隙度，而全氮与碱解氮和有机碳之间的相关性达极显著水平(P<0.01)(未列出)，故舍弃碱解氮保留全氮和非毛管孔隙度进入MDS。第三组指标有pH值和速效磷，二者不存在显著的相关性关系(未列出)，故pH值和速效磷均进入MDS。第四组指标只有全磷，故直接进入MDS。最终选择进入MDS的指标是最大蓄水量、容重、全氮、非毛管孔隙度、pH值、速效磷和全磷7个指标。另外，基于MDS的SQI显示出与基于总数据集(TDS)的SQI相似的趋势(图未列出)，相关系数为0.942 (P<0.001)，R2=0.89，表明基于MDS的SQI具有数据降维思想的意义，符合研究目的。

3 讨论

土壤是由植被、地形及气候等多种环境因子相互作用形成的[22]，不同的林分由于其立地条件和林分类型的不同也会对土壤产生不同的影响[23]。土壤水分是土壤中物理、化学及生物过程的主要参与者和重要的条件之一，直接影响着地上植被的生长以及地下土壤中各种物质的转化过程[24]。土壤孔隙度是反映土壤持水特性的重要指标之一，能在一定范围内反映自然条件下土壤的水分情况[25]和林地土壤的水分储蓄和保持水分的能力[26-27]。不同树木结构的水源涵养林会在功能上表现出一定的差异性[28]，只有保持树种结构的合理性，才能发挥出林分更佳的水源涵养功能[29-30]。有研究认为，不同关键种、林分类型对水文功能有影响[31]。本研究中，土壤孔隙度在不同林分类型之间差异显著，黑皮油松林在5种林分类型中，土壤更紧实且持水能力更低。与此对比的是，樟子松林土壤拥有良好的土壤持水性能，能更好地将水分储存在土壤中。从土壤质量指数高低来看：樟子松林>落叶松林>黑皮油松林>针阔混交林>针叶混交林。本研究中，有17.3%的样地土壤为良水平，41.3%的样地为中等水平，剩下41.3%的样地为差水平。因此，基于关键树种的辽河源头区土壤水文功能提升是改善源区水环境的关键。从本研究的结果来看，与其他树种比较，未来樟子松造林应该是一种更有效的选择，而不建议大量采用油松造林。

土壤中化学特性能在一定程度上体现土壤的肥力情况[32]。林地土壤有机碳能为树木生长提供所需养分，促进土壤团聚体结构形成，提高林地土壤肥力[33]。土壤全氮含量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标，在一定程度上影响植物的生长发育[34]。磷素是植物体内核酸、蛋白质等多种化合物的组成元素，是植物生长的主要营养元素之一[35]。对比5种林分类型的土壤化学性质，pH值、碱解氮、全磷和速效磷均在5种林分类型之间存在显著差异，而有机碳和全氮则没有。黑皮油松林下土壤碱解氮、全磷和速效磷均显著低于其他林分类型，表明黑皮油松林土壤养分状况较差，肥力较低。值得一提的是，针阔混交林土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量均为最高，同时其pH值显著高于其他林分类型，可能是源于阔叶树种凋落物中含有较多的灰分，使得针阔混交林下土壤酸性较弱，而针叶凋落物在分解时产生的有机酸能在一定程度上增强土壤酸性[36]。因此，与针叶林相比，针阔混交林能提升土壤pH值，增加土壤中有机质和养分含量，更好地改变酸性土壤的肥力水平，这与刘昊等[37]的研究结果相一致。未来评价本区域森林生态服务功能时，应该充分考虑林分间的差异。

此外，本研究的发现樟子松林土壤质量指数最高，针阔混交林和针叶混交林土壤质量指数较低。一般来说，混交林由于冠层较厚，叶面积指数较大，枯落物较多且成分复杂，比纯林更能提高土壤质量[38]。分析原因可能是当地造林方式所致：调查发现，研究样地中纯林多为人工林，为保证其种植的经济效益，通常将立地条件较好的样点作为栽种地点的选择。对于2种混交林分，多是原有立地质量较差的天然林区域，人为多次采伐或辅助更新后形成的。因此，上述土壤质量的差异很可能是原有土壤质量差异的表现。与此类似，我们前期研究也发现，东北地区森林保护区与保护区外也存在土壤差异，表现为保护区外远高于保护区内，原因也是人为选择效应的结果。

4 结论

辽河上游5种林分类型土壤理化性质差异显著，樟子松林土壤物理性质最优，拥有良好的土壤持水性能，针阔混交林土壤化学性质最好，土壤养分状况较好，而黑皮油松林土壤化学性质最差，土壤养分含量较低，肥力较差。以容重、最大蓄水量、全氮、非毛管孔隙度、pH值、速效磷和全磷作为土壤质量评价的最小数据集(MDS)，5种林分土壤质量指数介于0.11～0.76之间，中等土壤质量以上的占58.6%，整体偏低，总体表现为樟子松林>落叶松林>黑皮油松林>针阔混交林>针叶混交林，建议未来本区域森林土壤功能评价以及基于树种选择的土壤生态服务功能提升，需要充分考虑林分的差异。对于针叶树种，建议优先使用樟子松、适量使用落叶松并限制使用黑皮油松；从森林类型来讲，提倡针阔混交林，尤其是松栎混交林。