滇中地区典型公益林林分土壤养分及肥力研究*

秦文静，李小英，许彦红，王跃超，杨奔

(1.西南林业大学 生态与环境学院,云南 昆明 650224；2.西南林业大学 林业调查规划设计研究院,云南 昆明 650224)

公益林是指为维护和改善生态环境、保持生态平衡、保护生物多样性等满足人类社会生态、社会需求和可持续发展为主体功能，主要提供公益性、社会性产品或服务的森林[1]。公益林是20世纪90年代以来我国新兴的森林种类，它的生态效益极其广泛，不仅具有涵养水源、保持水土、防风固沙的作用，还具有调节气候、保持生物多样性、卫生保健、旅游休憩的功能。

我国滇中地区地处长江上游的金沙江流域，是中国南方水土保持和生态恢复的关键区域，研究区域位于滇中腹地，森林面积为9.09×105hm2，森林覆盖率为60.74%，森林蓄积量为5.95×107m3。生态公益林面积5.71×105hm2，占林地总面积1.04×106hm2的55.06%。其生态公益林占林地总面积的一半以上，在滇中地区占有重要地位，对该地区生态环境具有重要作用[2]。

土壤养分是林木生长发育所必需的物质基础，同时也是土壤因子中易于被控制和调节的因子[3]。不同林分由于叶片凋落物量、化学成分、分解速率和根系养分含量、根系周转速率以及根系分解速率等的不同导致不同林分的养分含量不同[4]。通过研究土壤养分变化，对于了解各林分土壤肥力和营养元素循环机制有重要意义[5]。土壤肥力是各因素的综合作用与综合反映，是土壤的本质特征和基本属性，也是衡量土壤质量的有效手段，主要体现在SOM(土壤有机质)、N(氮)、P(磷)、K(钾)等指标[6]。土壤肥力受到内在和外在很多因素的影响且肥力质量状况有很大差异，要对其进行客观地评价极为困难。目前，土壤肥力质量评价的方法较多，如Fuzzv综合分析法、多元统计分析、主成分分析法、内梅罗指数法、聚类分析法等[7-10]。修正的内梅罗指数法因其在计算综合肥力系数时，不仅可以消除量纲的影响，还强调最小值的影响，能更加客观地评价土壤质量，还能反映生态学中限制植物生长最小因子定律、综合考虑各指标[11-13]。碳(C)、N、P是土壤中重要的组成元素，是构成植物体的重要养分原料。研究土壤C、N、P的生态化学计量学特征，对研究植被演变动态、揭示土壤养分的限制情况、揭示土壤养分的可获得性以及C、N、P循环和平衡机制具有重要意义[14-15]。

目前对人工林土壤养分与肥力的研究较为常见[16-17]，对公益林土壤养分与肥力的研究较少，而对滇中地区公益林土壤养分与肥力的系统研究则更少，且将内梅罗指数与C、N、P生态化学计量特征相结合来探究土壤限制情况的研究，探讨其对土壤养分的影响涉及林分、坡向、土层三者交互作用的研究亦未见报道。本文以滇中地区典型的旱冬瓜(Alnusnepalensis)、云南松(Pinusyunnanensis)、元江栲(Castanopsisorthacantha)、锥连栎(Quercusfranchetii)4种公益林林分为研究对象，对其土壤养分与肥力状况进行综合分析，并将土壤肥力(内梅罗指数)与土壤C、N、P生态化学计量特征相结合，分析各林分的限制因素。旨在揭示该区域不同林分、不同坡向、不同土层土壤养分与肥力的差异及限制因子，进而为该地区公益林的保育提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于滇中腹地，地处23°19′～24°53′N、101°16′～103°09′E之间。位于低纬度高原区，属亚热带季风气候，气候立体多样，冬无严寒，夏无酷暑，四季如春，干湿分明。年平均气温15.4～24.2 ℃，年平均降水量为787.8～1 000 mm，地势西北高、东南低，山地、峡谷、高原、盆地交错分布，大部分地区海拔1 500～1 800 m。土壤以红壤为主。主要乔木树种有旱冬瓜、云南松、元江栲、锥连栎、华山松(Pinusarmandii)、滇润楠(Machilusyunnanensis)、石楠(Photiniaserratifolia)等；灌木树种主要有云南山茶(Camelliareticulata)、乌饭树(Vacciniumbracteatum)、南烛(Lyoniaovalifolia)、荚蒾(Vacciniumfoetidum)、亮毛杜鹃(Rhododendronmicrophyto)、小铁仔(Myrsineafricana)、云南含笑(Micheliayunnanensis)等；草本主要植物有紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)、火把花(Colquhouniacoccinea)、云南兔儿风(Ainsliaeayunnanensis)等。

1.2 样地设置

2020年11月—2021年2月，在玉溪市林业局资源清查数据的基础上，对滇中地区4个县(峨山、易门、澄江、新平)进行综合考察，在野外调查的基础上，选择成土母质相同、坡向坡度相近、海拔基本一致且具有典型代表性的旱冬瓜、云南松、元江栲、锥连栎4种公益林林分作为研究对象，每种林分取阴坡、阳坡各3块(上坡、中坡、下坡)样地。针叶树种郁闭度均为0.7～0.8，阔叶树种郁闭度均为0.8～0.9，坡度均为18°～23°，树高均为16～21 m。

1.3 土壤样品采集、测定以及评价

1.3.1 样品采集

在每个林地内设置3个30 m×30 m的标准样方，每个样方沿“S”型路线选择5个采样点，取样时先铲除土壤表层的枯枝落叶，从表层向下按照0～20、20～40及40～60 cm土层采集原状土样，将采集的土壤分层混合共9个土样(每个土样约1 kg)，4种林分共72个土样(3个样方×3个土层×4种林分×2个坡向)，将每个混合土样沿其自然结理分开，过5 mm筛除去小石块和动植物残体等，置于室内阴凉通风处风干，用于测定土壤理化性质。

1.3.2 样品测定

将风干后的土样分别过1.00 mm和0.25 mm筛后待用。土壤pH值用pH计按土液比1∶2.5进行测定；SOM用油浴加热-重铬酸钾氧化容量法进行测定；土壤TP用高氯酸消解-钼锑抗比色法测定；土壤AP用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法进行测定；土壤TK用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定；土壤AK用醋酸铵-火焰光度计法测定；土壤TN用凯氏定氮法测定；土壤AN用扩散吸收法测定，每个样品重复三次。

1.3.3 土壤肥力评价方法(内梅罗指数法)

根据全国土壤第二次普查养分分级标准[6]对各林分土壤丰瘠状况进行评价。由于内梅罗综合指数法已被广泛用于土壤肥力评价研究中，因此本研究采用修正的内梅罗综合指数法[6]对旱冬瓜、云南松、元江栲和锥连栎的林下土壤肥力进行综合评价。根据全国土壤第二次普查养分分级标准及研究区土壤状况划定内梅罗评定方法中土壤养分指标分级标准(表1～表2)，为消除土壤养分各指标之间单位和量纲的影响，对其进行标准化，公式如下：

表1 土壤各属性分级标准值(Xa、Xc、Xp)

表2 土壤肥力评价等级划分

当Ci≤Xa时，Pi=Ci/Xa(Pi≤1)；

当Xa

当Xc

当Ci>Xp时，Pi=3。

最终内梅罗公式如下。

1.4 数据分析

用Execl进行数据整理且用SPSS 25.0软件进行分析；采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan检验分析同一土层不同林分、同一林分不同土层的差异显著性；采用三因素方差分析和LSD多重比较评估林分、坡向、土层及其交互作用对土壤养分的影响；采用修正的内梅罗指数分析不同林分及坡向土壤肥力差异，并结合土壤C、N、P化学计量特征确定其限制因素；采用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH和有机质

对土壤pH与SOM进行方差分析，结果(图1)表明，土壤pH值与SOM在不同土层、不同林分间均差异显著(P<0.05)。各样地pH均表现为随土层深度的增加而增大且各样地各土层均表现为云南松最大。其中，云南松阴坡土壤pH为6.49～7.52，其余各林分均为酸性土壤，pH变化范围为3.81～5.45且4种林分土壤pH均表现为阳坡>阴坡。4种林分土壤有机质含量均较为丰富且表现为随土层深度的增大而减小且各土层间差异显著(P<0.05)，阴坡各土层土壤SOM含量均表现为元江栲、锥连栎、云南松显著高于旱冬瓜(20.48～82.18 g/kg)，均值分别为其2.83、2.35、1.19倍，阳坡与阴坡规律一致表现为旱冬瓜最小(12.35～67.89 g/kg)，元江栲、锥连栎、云南松均值分别为旱冬瓜的3.24，2.97，2.11倍；土壤SOM云南松表现为阳坡>阴坡，另3种林分均表现为阴坡>阳坡。

2.2 土壤全量养分

从土壤TN、TP、TK方差分析结果(图1)整体来看，土壤TN、TP、TK在不同土层、不同林分间均差异显著(P<0.05)。各样地土壤TN、TP含量均随土层的加深而减小，锥连栎林的土壤TK含量在不同土层间差异不显著，其余各样地土壤TK含量大体表现为随土层的加深而增大。4种林分土壤TN、TP含量均表现为阴坡>阳坡，而TK在各林分不同坡向间规律不一致，旱冬瓜与锥连栎样地表现为阴坡>阳坡，而云南松表现为阳坡>阴坡，元江栲则差异不显著。其中，就土壤TN而言，旱冬瓜样地阴坡和阳坡均最大，分别为1.97～5.21 g/kg和0.93～1.77 g/kg，元江栲最小，范围分别为为0.35～1.61 g/kg、0.34～1.25 g/kg，而云南松和锥连栎林地土壤TN含量相近；土壤TP含量也表现为旱冬瓜林最大，阴坡阳坡分别为0.90～2.03 g/kg和0.24～1.65 g/kg，云南松、元江栲无显著差异(P>0.05)，锥连栎林最小；无论阴坡阳坡，土壤TK均表现为元江栲最小，分别为5.39～7.03 g/kg和5.60～7.59 g/kg，阴坡土壤TK表现为旱冬瓜林(12.65～22.50 g/kg)含量最高，阳坡表现为旱冬瓜林(14.58～19.04 g/kg)与云南松林(12.35～20.67 g/kg)均较高且两者含量相近。

2.3 土壤速效养分

对土壤AN、AP、AK进行方差分析结果见图1，总体上，土壤AN、AP、AK在不同林分、不同土层间均差异显著(P<0.05)。各样地土壤AN、AP、AK均随土层的加深而减小，且0～20 cm土层显著高于其余土层。云南松林土壤AN、AK在不同坡向间差异不显著，AP表现为阳坡>阴坡；其余林分土壤AN、AP表现为阴坡>阳坡，而AK则表现为阳坡>阴坡。就土壤AN而言，阴坡各土层土壤AN表现为元江栲林(77.47～247.60 mg/kg)最大，阳坡0～20 cm土层中旱冬瓜林(189.00 mg/kg)最大，在20～40 cm和40～60 cm土层均值则表现为元江栲林(85.64 mg/kg)最大。锥连栎林阴坡、阳坡土壤AP均不在可检测范围内，处于“极缺”水平；元江栲林均小于10 mg/kg，处于“较缺”水平；云南松阳坡0～20 cm土层土壤AP含量最大，为25.72 mg/kg，其余各林分各土层均表现为旱冬瓜林最高。无论阴坡阳坡，土壤AK含量表现为锥连栎林与旱冬瓜林较大且无显著差异(P>0.05)，云南松林(131.1、132.26 mg/kg)次之，元江栲(59.27、94.08 mg/kg)最小。

2.4 土壤碳、氮、磷生态化学计量特征

土壤C∶N、C∶P、N∶P在不同林分间具有显著差异(P<0.05，图2)。土壤C∶N在同一土层不同林分间变化规律基本一致，即元江栲>锥连栎>云南松>旱冬瓜，阴坡变化范围依次为59.27～143.86、39.3～43.07、13.43～18.98、6.03～11.19，阳坡依次为60.67～104.19、55.83～72.53、42.74～59.83、7.7～22.27。其中，元江栲与锥连栎林地的土壤C∶N显著高于中国土壤平均水平(10～12)。土壤C∶P在阴坡20～40 cm、阳坡40～60 cm土层表现为元江栲林最高，云南松与锥连栎林次之，旱冬瓜最小；其余各土层变化规律一致，均表现为锥连栎>元江栲>云南松>旱冬瓜，其中旱冬瓜阴坡和阳坡范围仅为1.5～4.61、12.59～30.91，而锥连栎林高达52.33～116.19、83.44～151.17，显著高于中国土壤平均水平(61)。4种林分土壤N∶P整体范围为0.25～3.81，均低于中国土壤平均水平(5.2)，阴坡各土层土壤均表现为云南松林最高、元江栲和锥连栎次之，旱冬瓜最小，而阳坡同一土层不同林分规律不一致，旱冬瓜林在40～60 cm土层N∶P最高，为3.81。

2.5 土壤肥力评价

用各林分0～60 cm的土壤养分指标标准化数据计算各林分土壤肥力综合指数，得到反映土壤肥力的评价等级(表3)。

由表3可知，阴坡旱冬瓜、云南松、元江栲、锥连栎林地的综合土壤肥力指数分别为1.80、1.78、1.24、1.40，阳坡旱冬瓜、云南松、元江栲、锥连栎的综合土壤肥力指数分别为1.48、1.67、1.10、0.87；4种林分土壤肥力均表现为阴坡>阳坡；旱冬瓜林阴坡土壤肥力状况为“良”，锥连栎阳坡土壤肥力状况为“差”，其他样地土壤肥力状况均为“一般”；元江栲林阴坡AK标准化值仅为0.59，表明AK为该样地的限制性指标；元江栲林阳坡的TK、AK、AN标准化值分别为0.98、0.94、0.88，表明TK、AK、AN均为其限制性指标；锥连栎林无论阴坡还是阳坡其AP标准化值均为0，锥连栎林阴坡pH标准化值为0.90，阳坡TP标准化值为0.88，表明锥连栎阴坡pH值、AP为其限制性指标，TP、AP为其阳坡限制性指标。

表3 滇中4种典型林分土壤内梅罗肥力指数评价

2.6 林分类型、土层深度、坡向对土壤理化性质的综合影响

三因素方差分析显示，林分类型、土层类型、坡向及其二者或三者交互作用对土壤理化性质(pH、SOM、TN、AN、TP、AP、TK、AK)的影响均达显著水平(P<0.01)，但影响程度有所不同。林分类型对土壤pH、SOM、AP、TK的影响大于坡向和土层对其的影响且土层深度对AP、TK的影响远小于林分类型、坡向；坡向对土壤AN、TP、AK的影响大于林分类型与土层深度；而土层深度对土壤TN的影响大于林分类型与坡向；林分类型、土层深度、坡向对土壤pH、SOM、TN、AN、TP的影响大于其两两交互作用及三者交互作用；林分类型和土层深度对土壤pH、SOM、TN、TP、TK的影响大于其他交互作用，而林分类型和坡向对AN、AP、AK的影响大于其他交互作用。

3 讨论与结论

3.1 土壤养分与肥力差异

三因素方差分析表明不同林分、不同坡向、不同土层土壤pH和SOM均存在显著差异，且不同林分、不同坡向、不同土层间交互作用也具有显著差异(P<0.01)。这说明林分类型、坡向、土层深度均会对林下土壤pH和SOM产生一定的影响。pH是土壤化学性质的综合体现，对土壤养分的存在形态有直接影响[9]。云南松林阳坡土壤pH最大，为6.49～7.52，另3种林分土壤pH表现为整体偏酸(3.81～5.45)，这与南方红壤地区酸性土壤的总体规律一致[18]。SOM是土壤中的各营养元素的主要来源,是影响林分土壤养分与肥力的关键因子[19]。而SOM主要来源是凋落物，在气候环境基本一致的情况下，植被类型、林下枯落物成为SOM的重要控制因子[20]。研究区的公益林均为天然林且人为干扰小，林下枯落物均较为丰富，为SOM提供了充足的来源，使得土壤表层SOM含量明显高于中下层且随土层的增加而减小[21]。林分类型和坡向通过影响林下枯落物的产量和分解速率来影响SOM含量，元江栲林的林下枯落物层厚度最高，高达20 cm及以上，故SOM含量也显著高于另3种林分。坡向通过温度差异来影响枯落物分解速率的快慢，阴坡地表接收太阳辐射少，土壤温度低、昼夜温差小、SOM分解较慢，积累较多[6]，导致旱冬瓜、元江栲、锥连栎等3种林分的SOM均为阴坡>阳坡，而元江栲林阴坡的土壤SOM含量也是各样地中最高。三因素方差分析的结果也表明林分类型、坡向、土层深度及其交互作用对SOM有显著影响且林分类型对SOM的影响大于坡向和土层深度(表4)。

表4 林分类型、坡向、土层深度对土壤性质影响的方差分析

不同林分、不同坡向、不同土层土壤养分(N、P、K)含量均存在显著差异(P<0.01)。各样地土壤TN、TP、AN、AP、AK均随土层的增加而递减，且表层含量显著高于深层，有可能是由于样地植被、枯落物丰富致使微生物的分解转化效率高，养分元素在土壤表面富集，而植物吸收的N、P、K等养分又以凋落物的形式归还土壤，也会造成表层土壤具有更高的养分含量，这与陆湘云等[22]的研究结果一致。不同林分类型会造成森林温度、土壤密度、含水量、酶活性等方面的不同，进而造成枯落物分解速率的差异，从而导致土壤各养分含量在不同林分间呈现出不同的规律[23-24]。多数研究[25-27]表明，阔叶林土壤养分含量高于针叶林，落叶阔叶林的养分含量高于常绿阔叶林，这是由于阔叶林的林下枯落物产量较针叶林多且易于分解，而针叶林枯落物中所含有的单宁蜡质、树脂等有机质不易分解，常绿阔叶林由于常年遮蔽，林下枯落物层分解速率较慢。这与本研究结果中旱冬瓜(落叶阔叶林)的土壤TN、TP、TK、AP均显著高于云南松(针叶林)、元江栲(常绿阔叶林)与锥连栎(常绿阔叶林)类似。云南松作为针叶树种，阴坡TN含量、阳坡TK含量高于锥连栎与元江栲，云南松阴坡与阳坡AP含量高于元江栲与锥连栎，这可能与研究区云南松林下物种丰富、林窗大、光照条件好有关。其中元江栲林土壤TK、AK含量显著低于其余林分，可能与土壤母质有关，也可能是因为元江栲林郁闭度高，常年郁蔽，林下植物量少、枯落物层厚、土壤容重小且湿润，在土壤强烈淋溶作用下造成K+等大量矿质养分离子的大量淋失[28]之故。锥连栎林的土壤TP、AP显著低于其余林分，可能是由于锥连栎林土层薄加之其土壤pH为3.81～5.07，土壤较酸不能为土壤微生物的生长提供良好的环境，也不利于土壤难溶性磷的释放[29]所致。

关于不同坡向土壤养分的多数研究[30-31]表明：坡向作为环境因子，通过太阳辐射差异化土壤温度、蒸发量、湿度、昼夜温差来影响SOM的分解速率，导致不同坡向土壤养分的异质性，一般而言，阴坡土壤养分高于阳坡。本研究结果中旱冬瓜、锥连栎、元江栲3种林分土壤养分指标(TN、TP、TK、AN、AP)基本表现为阴坡>阳坡，结果与之类似。而云南松林土壤TK、SOM、AP在不同坡向间表现为阳坡>阴坡，AN、AK在不同坡向间差异不显著，这可能与该地区云南松林龄较大，pH接近中性且为喜阳树种有关。三因素方差分析还表明林分类型和土层深度对pH、SOM、TN、TP、TK的影响大于其他交互作用，而林分类型和坡向对AN、AP、AK的影响大于其他交互作用，这表明坡向对速效养分(AN、AP、AK)的影响较大，这可能与速效养分受土壤有机质、水分、土壤结构的影响和速效养分易受外界影响而改变有关[29]。

土壤肥力是反映养分效应及森林系统生产力的综合指标，与土壤养分因子密切相关[18]。研究表明，整体而言，典型公益林土壤肥力一般。具体表现为旱冬瓜林阴坡土壤肥力表现为“良”，锥连栎林阳坡表现为“差”，另外6块样地土壤肥力均表现为“一般”，同时4种林分均表现为阴坡>阳坡，这与高郯等[6]的研究结果一致。4种典型林分的肥力大小阴坡表现为旱冬瓜>云南松>锥连栎>元江栲，阳坡表现为云南松>旱冬瓜>元江栲>锥连栎，且元江栲与锥连栎林土壤存在小于1的养分指标标准化值，因此探究锥连栎与元江栲林的限制因子具有重要意义。

3.2 不同林分土壤限制性因子分析

土壤C∶P、C∶N、N∶P是表征C、N、P总质量比值的指标，能够直接反映土壤的限制情况。土壤C∶P作为P素矿化能力的标志，是衡量土壤矿化作用释放P素或微生物从环境中吸收和固持P素潜力的一个指标，反映了土壤P的有效性[32]。锥连栎林的土壤C∶P较大，阴阳坡均值分别为76.99、107.88，这显著高于全国土壤C∶P的平均水平(61)[31]，土壤C∶P越大，表明有机碳不断增加，土壤P的有效性在降低，而锥连栎林的有机碳含量(64.12 g/kg)较高，表明土壤P含量低。高洋等[32]的研究表明，土壤中的P多是来自母岩矿物，土壤AP含量受TP含量约束，且TP含量与AP含量变化特征趋同。结合内梅罗肥力指数分析结果可知AP的标准化指标为0，可见，P素为其生长的限制因子，这与亚热带地区P缺乏的规律一致[33]。

土壤C∶N是土壤质量的敏感性指标，与SOM的分解速率密切相关[34]，一般有机质分解速率越快则C∶N越小，元江栲林土壤的C∶N最大，均大于60，远超中国土壤C∶N的平均水平(10～12)[35]，而元江栲林的SOM含量较高，均大于80 g/kg，可能由于元江栲为常绿阔叶树种且其林下藤本、灌木缠绕，林下常年阴蔽，温度较低致使SOM分解较慢，虽SOM含量高，但氮矿化速度慢，导致土壤N含量较低；同时，土壤N∶P可用作N养分限制、饱和的诊断指标，指示植物生长过程中土壤营养成分的供应情况[6]。本研究中4种林分土壤N∶P比值范围为0.50～3.81，其中元江栲林土壤N∶P均小于2.0，远低于中国陆地土壤平均值5.2，而在元江栲林土壤P相对丰富的前提下，土壤N含量越低，其比值越小，再结合内梅罗标准化值元江栲林(阳坡)AN为0.88可知，N为其生长的限制因子。元江栲林土壤AK标准化值分别为0.59、0.94均小与1，可知，K也为其生长的限制因子。

3.3 结论

本文通过对滇中地区4种典型公益林土壤养分与肥力的研究，结果表明：不同林分、不同坡向、不同土层的土壤养分含量均存在显著差异(P<0.01)。在4种林分中，旱冬瓜林土壤养分及肥力均较高，故在乡土树种选择与公益林补植时可优选旱冬瓜；在不同坡向间，阴坡的土壤养分与肥力较高，在公益林保育工作与种子库建设中，可注重小地形的选择；P为锥连栎林的限制因子，N和K为元江栲林的限制因子，在今后森林培育保护过程中，可相应为其补充肥料以促进其生长发育。