不同植被恢复模式对紫金山森林土壤理化性质的影响1)

袁在翔 关庆伟 李俊杰 韩梦豪 金雪梅 陈霞

(南方现代林业协同创新中心(南京林业大学)，南京，210037) (中山陵园管理局)

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分[1]，它包含了与林木生长密切相关的水、肥、气、热等非生物要素[2]，是森林可持续发展的重要基础。空间异质性是森林土壤的固有属性[3]，具体表现为土壤理化性质的差异性，并且这种差异性受植被类型、树种组成和演替阶段的影响较为显著[4-5]。吴敏敏等[6]研究表明，植被恢复过程中，天然次生林的土壤有机质、全氮和全磷质量分数显著高于以马尾松恢复的人工林，并且铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾质量分数也随植被恢复年限增加而显著增大；Stanek et al.[7]研究发现，相对于本地植物群落，外来红栎群落的土壤含水率以及有机碳、全氮、全磷、铵态氮和硝态氮的质量分数较低；唐靓茹等[8]研究表明，相对于纯林，红锥混交林能够有效提高土壤养分，改善土壤质地；杨亚辉等[9]研究发现，黄土高原不同人工造林方式间土壤密度差异显著；吴鹏等[10]研究表明，喀斯特地区森林群落正向演替，有利于土壤养分的积累。因此，了解植被与土壤理化性质之间的关系，对于造林中“适地适树”、森林经营与管理具有重要意义。

紫金山森林植被曾因战争而遭到严重破坏，经过保护和在部分地段营造马尾松(PinusmassonianaLamb.)纯林，在人为干扰相对较弱的情况下，经过森林演替，形成了带有常绿成分的不同类型落叶阔叶林、针阔混交林、马尾松林等森林群落，在北亚热带过渡带地区具有一定的代表性[11]。而以往对紫金山森林植被的研究主要集中在群落特征、种群动态、空间结构、物种多样性、土壤碳库等[12-17]方面，对典型植被恢复模式下土壤理化性质差异研究较少。因此，本试验以紫金山马尾松-栎树混交林(Pinusmassoniana×Quercusvariabilis, PQ)、马尾松-枫香混交林(Pinusmassoniana×Liquidamabarformosana, PL)、朴树-糙叶树混交林(Celtissinensis×Aphanantheaspera, CA)、栎树-枫香混交林(Quercusvariabilis×Liquidamabarformosana, QL)和枫香纯林(Liquidamabarformosana, LF)等5种近成熟林为研究对象，比较分析典型林分下土壤质地、全量养分和速效养分等差异，旨在阐明植被恢复模式对土壤理化性质的影响，以期为城市森林生态系统的构建和经营管理提供参考。

1 研究区概况

试验地位于南京市紫金山国家森林公园(118°48′24″～118°53′4″E，32°1′57″～32°16′15″N)，属于北亚热带季风气候，四季分明，年降水量1 000～1 050 mm，年均气温15.4 ℃，年均日照2 213 h，全年无霜期322 d。土壤类型以山地黄棕壤和灰棕壤为主，土壤为酸性至微酸性。林分类型为以枫香、栓皮栎、麻栎(QuercusacutissimaCarruth.)、朴树、糙叶树以及马尾松等为主，并带有常绿成分的落叶林、阔叶林和针阔混交林[17]。

2 研究方法

2.1 样地设置与试验设计

于2016年4月在紫金山南坡5种典型林分(见表1)中，分别随机设置3个立地条件相似，面积为20 m×20 m标准采样区，为了避免边际效应，使每个典型群落内的标准取样区互不相邻。在每个标准采样区内，除去地面凋落物和草本植物，按“S”型选7个采样点，用土钻取土层深度(h)为0

表1 5种典型森林群落的基本概况

2.2 土壤理化性质指标的测定

采用浓度为1 mol·L-1的HCl充分去除风干土样中的无机碳，烘干并研磨，过0.149 mm钢筛后，用元素分析仪(Elementar Vario EL，德国)测定土壤有机碳和全氮质量分数[18]。土壤有机质质量分数用重铬酸钾氧化-分光光度法测定。土壤全磷质量分数用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定，有效磷质量分数用浸提法测定；土壤全钾质量分数用氢氧化钠碱熔-火焰光度计法测定，速效钾质量分数用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；土壤铵态氮质量分数用浸提-靛酚蓝比色法测定，硝态氮质量分数则用双波长(紫外)分光光度计法测定[19]。pH用电位法测定；土壤含水率用烘干法测定；土壤粒径(以美国制土壤颗粒分级标准)采用Mastersizer 2000型激光粒度仪测定。将带有土样的环刀置于烘箱中105 ℃烘干48 h后至恒质量。取出环刀内的土样并置于2 mm筛并用水冲洗，剩余非土壤颗粒部分，烘干并称质量，用精度为0.5 mL量筒通过排水法测定其体积，计算土壤密度和砾石质量比[19]。

2.3 数据处理方法

用Excel 2003、SPSS 19.0、Canoco 5.0和Origin 8.5统计分析软件进行数据分析和图表处理。其中，土壤理化性质指标在不同典型林分之间的差异，用单因素方法进行方差分析；在SPSS19.0中用K-均值聚类方法对五种典型林分的土壤理化性质进行聚类分析；在Canoco 5.0中对土壤基本理化性质与林分概况之间的关系进行冗余分析。

3 结果与分析

3.1 不同典型林分不同土层土壤的物理特征及pH

由表2可知，紫金山马尾松-栎树、马尾松-枫香、朴树-糙叶树和栎树-枫香等混交林土壤属于酸性粉壤土，枫香纯林为酸性壤土。土壤的pH、含水率、密度和颗粒组成在不同林分之间有一定的差异(P<0.05)。在整个土层(0

表2 不同典型林分土壤的物理特征及pH

3.2 不同典型林分不同土层土壤养分特征

由表3可知，土壤有机质、全氮和全磷质量分数在不同林分之间的分布趋势具有一定相似性。在整个土层(0

表3 不同典型林分土壤养分的质量分数

铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾等土壤速效养分在典型林分之间的差异性主要出现在马尾松-栎树混交林、马尾松-枫香混交林和朴树-糙叶树混交林等3种林分与栎树-枫香混交林、枫香纯林的对比，具体表现为，土壤铵态氮质量分数在马尾松-栎树、马尾松-枫香、朴树-糙叶树等混交林中相较于栎树-枫香混交林、枫香纯林中整体较低；土壤硝态氮、速效磷和速效钾等质量分数则相反。此外，土壤铵态氮质量分数和速效磷质量分数在各林分之间的异质性主要在底层土壤(20 cm

3.3 土壤养分与黏粉粒比例、碳氮比之间的回归关系

土壤养分中仅有机质、全氮、全磷和硝态氮质量分数与土壤黏粉粒比例及碳氮比之间存在显著的线性回归关系(见图1)。由图1可知，紫金山森林土壤有机质、全氮、全磷和硝态氮等质量分数分别随土壤黏粉粒比例及碳氮比的增加而增加。根据线性回归模型R2大小可知，土壤有机质、全氮、全磷和硝态氮与土壤碳氮比之间的线性回归模型均优于与土壤黏粉粒比例之间的线性回归模型。

图1 土壤有机质、全氮、全磷和硝态氮分别与黏粉粒比例及碳氮比之间的线性回归关系

3.4 林分特征对土壤基本理化性质的影响

通过对典型林分的林分特征及理化性质进行聚类分析，5种典型林分可分为3类：马尾松栎树混交林、马尾松枫香混交林和朴树糙叶树混交林为一类，并赋值为1；栎树枫香混交林赋值为2；枫香纯林赋值为3。此外，0

由图2可知，在RDA限制性排序分析中，第1轴和第2轴的特征值较大，分别为0.66和0.11，可累计贡献其信息量的77.42%，而土壤理化性质-林分概况的关系方差累计贡献率为79.7%，故采用前两个排序轴作二维排序图。林分类型、土层深度和林分密度对土壤基本理化性质的贡献率分别为45.3%、24.5%、5.8%(P<0.01)，林龄对土壤基本理化性质的贡献率为3.4%(P<0.05)，树高对土壤基本理化性质的贡献率0.7%(p=0.43)，表明林分类型、土层深度、林分密度和林龄是影响土壤理化性质的显著性因素，且效应程度依次递减。此外，在冗余分析二维排序图中，因子变量和因变量之间夹角的余弦值可以表示二者之间的相关性。因此，林分类型与土壤pH、土壤密度、土壤砂粒比例和铵态氮质量分数呈正相关，与土壤黏粒比例、土壤粉粒比例、土壤含水率、土壤有机质、全氮、全磷、硝态氮和速效钾质量分数呈负相关；土层深度与土壤密度、黏粒比例和全钾质量分数呈正相关，与土壤pH、土壤含水率、土壤有机质、全氮、全磷以及速效养分质量分数呈负相关；林分密度和林龄与含水率、黏粉粒比例、土壤有机质、全氮、全磷、硝态氮、速效磷和速效钾质量分数呈正相关，与pH、土壤密度、砂粒比例、全钾和铵态氮质量分数呈负相关。

A.林龄，AK.速效钾，AP.速效磷，BD.土壤密度，C.黏粒，D.林分密度，FT.林分类型，MC.含水率，铵态氮，硝态氮，pH.氢离子浓度指数，Sd.砂粒，SD.土壤深度，SOM.土壤有机质，St.粉粒，TH.树高，TK.全钾，TN.全氮，TP.全磷。

4 讨论

4.1 林分类型对土壤质地、容重、pH和含水率的影响

林分类型对土壤质地、土壤密度、pH和含水率有一定的影响。一般来说，林木根系分布、凋落物量与质、凋落物层厚度、根系分泌物及相关的微生物等存在一定的差异，进而造成典型林分土壤理化性质的不同，并且进展性演替能逐渐显现这一情况。研究中混交林比枫香纯林具有更低的土壤pH、密度，较高的含水率、粉粒比例，这与唐靓茹等[8]和秦娟等[20]的研究结果类似，是因为混交林植被多样性丰富，具有更多的凋落物和更为庞大的根系，能够较快的疏松土壤并改善其团粒结构[8，20-21]，而纯林林下植被较为单一，稳定性弱，林分水源涵养和水土保持功能差，易发生土壤退化[1]。此外，以马尾松为先锋树种进行的植被恢复，不仅能使土壤酸化[22]，而且其林分凋落物周转缓慢，易在土壤表面形成较厚的凋落物层，而较厚的凋落物层能有效减弱降雨对土壤的击溅、侵蚀以及地表径流的冲刷，减少土壤中水分蒸发，促进土壤团粒结构形成，改善土壤理化特性[23-24]；而枫香纯林的凋落物分解较快[20]，导致凋落物层较薄，对土壤的防护作用较小，且林分处于山麓，土壤受地表径流影响较大，颗粒组成以不易流失的砂粒居多，土壤密度较大。

4.2 林分类型对土壤养分的影响

参照全国第二次土壤普查养分分级标准[25]，PQ、PL和CA土壤有机质、全氮均处于极高(1级)水平，而QL和LF则为中上(3级)水平；并且，典型林分土壤全磷处于极低(6级)水平，全钾则为低(5级)水平，表明各林分生长可能显著受到土壤磷素和钾素的限制。研究中PQ、PL和CA等林分土壤有机质、全氮和全磷的质量分数高于QL和LF等林分，这可能与土壤中黏粉粒比例以及碳氮比有关(图1)。研究表明，土壤颗粒中黏粉粒比例越高，越易与有机质形成矿质复合体，进而有利于土壤中碳、氮、磷素的固定与保存[26-27]；而碳氮比则与土壤矿化密切相关，低碳氮比的土壤矿化作用强烈，不利于有机质的固存[28]。此外，土壤中钾的质量分数在不同典型林分之间异质性较小，可能是因为土壤全钾主要受成土母岩的影响，易随径流损失，而来自林木选择性吸收及凋落物归还等差异的影响较小[29]。

土壤速效养分虽然含量较低，但能有效表征养分的可利用性。参照全国第二次土壤普查养分分级标准[25]，试验地速效磷和速效钾质量分数分别处于中至极低(4～6级)和极低(6级)水平，表明典型林分土壤磷、钾的可利用性较差。研究中PQ、PL和CA等林分土壤铵态氮含量低于QL和LF等林分，硝态氮则刚好相反，这可能与土壤密度和林木的吸收偏好性有关。密度越大，总孔隙度就越小，土壤的通气状况就越差，导致了硝化抑制，利于铵态氮的累积，反之则利于硝态氮的累积[2，30]；另外，在酸性土壤中，一些针叶先锋树种(如马尾松)具有对铵态氮的吸收偏好性[30-31]。

4.3 影响土壤理化性质的其他因素

除林分类型外，林分密度和林龄也是影响土壤理化性质的显著性因素。贺志龙等[32]研究发现，在0～30 cm土层中，总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾质量分数在576～1 568株·hm-2的密度范围内均表现为随林分(华北落叶松Larixprincipis-rupprechtii)密度增大而先增加后降低的总体变化趋势。董聿森等[33]研究表明，在盐碱海岸带，中高密度(3 600～4 900株·hm-2)柽柳林(Tamarixchinensis)的土壤含水率、有机质质量分数和速效养分质量分数均高于低密度(2 200株·hm-2)柽柳林。邱新彩等[34]研究表明，在半干旱地区，油松(Pinustabulaeformis)人工林0～30 cm土壤含水率、有机质、氮磷质量分数随林龄增大而逐渐增加，pH呈逐渐减小，并且土壤钾质量分数在14 a和28 a林分中显著高于36 a与51 a林分。王飞等[35]研究表明，在干旱地区，随林龄增加，胡杨林(Populuseuphratica)土壤含水率、黏粒含量、有机质和全氮含量呈逐渐增加，粗砂粒含量则逐渐减少。这些研究表明，在合理的林分密度范围内，土壤某些理化性质可随林分密度和林龄的增加而得到改善。本研究中，所有典型林分的密度均为较长时间(≥50 a)次生演替的结果，可认为是当前演替阶段的合理林分密度，故而在相同气候条件及相似的立地状况下，拥有较大林分密度和林龄的典型林分一般具有较高的郁闭度、较厚的凋落物层以及更多的凋落物养分输入，因而可能有利于土壤水分和某些养分(如有机质、全氮和硝态氮等)维持在相对较高的水平。

5 结论

相比于地带性栎树枫香落叶阔叶林与枫香纯林，由马尾松为先锋树种演替形成的马尾松栎树、马尾松枫香等针阔混交林，与地带性朴树糙叶树混交林相似，具有良好的土壤质地、养分状况及其可利用性。冗余分析表明，林分类型、土层深度、林分密度和林龄是影响紫金山土壤理化性质的关键因子。试验地土壤磷、钾质量分数较低，可利用性较差，可能成为影响典型林分生长的关键因素。