阿爾泰山不同海拔梯度天然冷杉林土壤特征及肥力綜合評價

麻澤宇,王 丹,戴 偉,張毓濤,戴奧娜

(1.北京林業大學 林學院,北京 100083; 2.北京松山國家級自然保護區管理處, 北京 102115; 3.新疆林科院 森林生態研究所,烏魯木齊 830063)

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阿爾泰山不同海拔梯度天然冷杉林土壤特征及肥力綜合評價

麻澤宇1,王 丹2,戴 偉1,張毓濤3,戴奧娜1

(1.北京林業大學 林學院,北京 100083; 2.北京松山國家級自然保護區管理處, 北京 102115; 3.新疆林科院 森林生態研究所,烏魯木齊 830063)

以新疆阿爾泰山天然冷杉(Abies sibirica)林地土壤為研究對象，分析和比較了不同海拔梯度下土壤理化性質，利用相關分析和主成分分析法對4個海拔梯度下土壤肥力的整體水平進行了綜合評價。結果表明：(1)各海拔土壤顆粒百分含量大小順序均表現為粉粒>砂粒>黏粒；(2)隨海拔的升高，土壤各化學指標和土壤有機碳礦化組分都表現出不同程度的變化，pH值表現為低海拔高于高海拔，土壤有機質、全氮、活性有機碳和緩效碳含量呈現先降低后增加的趨勢，而有機碳礦化率則逐漸下降，并在1 700 m之后出現明顯降低；(3)土壤有機活性碳、礦化碳含量與土壤有機質、全氮、速效鉀含量等土壤因子密切相關，但pH值和有機碳礦化率的影響不明顯；(4)土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀、活性碳和緩效碳含量是綜合評價土壤肥力的重要指標。最后通過主成分分析法計算綜合得分得出，阿爾泰山不同海拔梯度冷杉林土壤肥力由高到低為：1 500～1 700 m>1 300～1 500 m>1 900～2 100 m>1 700～1 900 m。

冷杉林; 海拔; 土壤肥力; 主成分分析

森林土壤是一種十分重要的土壤資源，作為森林生態系統中生物賴以生存的載體，儲存著豐富的碳、氮、磷、鉀等營養物質，它們的差異主要受制于光、水、氣、熱等氣候因子以及海拔、地形、植被等環境因子[1]，而在這之中，海拔在帶來垂直分布的同時，是最能反映環境變化的因素，不同海拔高度土壤空間異質性直接作用于土壤，決定著土壤肥力狀況，進而影響生物群落的分布，最終導致森林生態系統功能的改變[2]。土壤肥力評價包含了土壤的物理、化學和生物學性質的綜合狀況評價，而土壤肥力指標的選取是土壤肥力評價最重要的環節，由于不同的研究者對于指標選取的不同，其評價結果也各不相同[3]。為此，國內外諸多學者展開了廣泛的研究，如薛文悅等[4]研究了不同針葉林土壤酶和土壤理化性質，并且采用主成分分析法評價了它們對土壤肥力的指示效果；為深入研究海拔對土壤理化性狀變化規律的影響，馬維偉等[5]以不同海拔草甸濕地為背景，指出氣溫、降雨和植物群落的不同都是導致肥力差異的原因，并對土壤理化性狀的變化規律作出了預測；郭永龍等[6]選擇華北典型山區臺地，分析了海拔變化導致的土壤肥力和鹽分的變化，并指出海拔會引起局部小氣候的變化，這對土壤理化性狀影響顯著；岳慶玲等[7]從土壤物理、化學、生物學3個方面，分析了不同土地類型土壤肥力的高低。在國外，De Souza等[8]研究了植被分布的差異對土壤肥力的影響；Mungai等[9]先后用土壤酶活性和土壤微生物這兩個指示因子以及它們與土壤質地的相關性對土壤肥力進行了評價研究，Scharenbroch等[10]以北美五大湖鐵杉林森林土壤為研究對象，利用主成分分析法從土壤水分、光照、溫度和氮礦化過程角度分析了不同地帶土壤肥力的大小。

阿爾泰山是新疆地區重要的山體，其上分布的天然冷杉林對該地區森林生態系統有著重要的影響，但迄今，有關阿爾泰山天然冷杉(Abies sibirica)林土壤的相關研究十分缺乏。為此，本研究以不同海拔(1 300～1 500，1 500～1 700，1 700～1 900，1 900～2 100 m)天然冷杉林土壤為研究對象，研究其主要的理化性質，另外，采用雙指數方程研究土壤有機碳的礦化特征，嘗試性地加入土壤有機碳礦化數據(土壤活性碳含量、緩效碳含量和土壤有機碳礦化率)進行比較分析，土壤有機碳作為評價土壤肥力的一項重要指標，其礦化過程影響其他養分含量以及土壤碳的儲量和周轉速率，這些都直接決定著土壤肥力的高低，影響林木質量和產量。最后，利用相關分析和主成分分析法對不同海拔梯度下土壤特征及其肥力狀況進行綜合評價，以期為維護和改善當地天然冷杉林土壤肥力水平及當地林業生產提供理論依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于新疆布爾津縣地區，地理位置為48°23′19—48°33′14″N，87°13′26—87°26′54″E，屬大陸性寒溫帶氣候。全年多季風，光照充足，年均溫-2～3℃，氣候多嚴寒，冷暖懸殊，日較差顯著，年較差大，降水量少，60%以上集中在6—12月，蒸發量大，年降雨量僅500～800 mm。土壤母質類型主要為黃土狀物質、鈣質風化物和沉積物，土壤種類主要為栗鈣土、灰色森林土、棕色針葉林土和亞高山草甸土，隨著海拔的升高，森林類型逐漸由1 700 m以下的白樺—落葉松—冷杉的針闊混交林轉變為1 700 m以上的落葉松—冷杉的針葉混交林。林下植被種類較多，且隨海拔變化有所不同(表1)。

1.2樣地設置

研究區植被類型多樣，天然冷杉林常與落葉松組成混交林。在充分考慮植被、坡度、坡向等情況的前提下[11]，選擇不同海拔高度天然冷杉林作為研究樣地，各樣地基本概況見表1。

表1　樣地基本概況

1.3樣品采集

2011年7月在各海拔梯度內分別選取3塊20 m×20 m的樣地，在每塊樣地內采用S型取樣法挖掘5個深度1 m的土壤剖面，分別采集0—10，10—20，20—40，40—60和60—100 cm的土壤混合樣品，各層樣品重復3次取樣，根據《森林土壤分析方法》[12]對土樣進行處理，用以土壤理化性質的測定。

1.4分析方法

土壤顆粒組成：吸管法；有機碳含量：重絡酸鉀(K2Cr2O7)外加熱法；全氮量：KDY-9830凱氏定氮儀法；有效磷含量：0.03 mol/L NH4F—0.025 mol/L HCL浸提后鉬銻抗比色法；速效鉀含量：中性NH4Ac浸提—火焰光度計法；pH值：酸度計法；土壤有機碳礦化過程中CO2釋放量：室內恒溫培養、堿液吸收法，培養時間為98 d[13-15]。

1.5土壤有機碳礦化過程擬合方程

Boylehe Paul雙指數模型[16-17]：

Cmin=Co(1-e-kot)+CS(1-e-kst)

(1)

式中：Cmin表示經過t時間后土壤中累積釋放的CO2量(g/kg)；Co表示土壤中活性有機碳含量(g/kg)；ko表示活性有機碳庫周轉速率(d)；CS表示土壤中緩效性有機碳的含量(g/kg)；ks表示緩效有機碳庫周轉速率(d)。

1.6數據處理

文中圖表均通過Excel 2013獲得，數據采用SPSS 18.0處理。土壤緩效碳和活性碳含量采用Origin 8.6以及Boylehe Paul雙指數模型[16-17]擬合得到，土壤有機碳礦化率用由有機碳礦化釋放的CO2-C數量和相應有機碳含量比率來表示[18]。最后，運用相關分析和主成分分析法[19-21]對不同海拔冷杉林土壤肥力狀況進行評價。

2　結果與分析

2.1土壤物理性質特征

如表2所示，各粒級含量隨土層深度的變化未能表現出統一規律，其中各海拔60—100 cm土層粉粒含量為各海拔最高，并且在海拔1 700～1 900 m和1 900～2 100 m的60—100 cm土層中達到了最高的89%。不同海拔冷杉林土壤顆粒百分含量的大小順序均為粉粒>砂粒>黏粒。4個海拔梯度土壤粒徑按照同海拔不同土層加權平均，海拔從低到高冷杉林土壤粉粒、砂粒、黏粒加權平均值分別為68.76%，26.24%，5.00%，69.42%，24.02%，6.56%，72.82%，20.50%，6.68%，79.16%，15.62%，5.22%。不難看出，隨著海拔升高，林下土壤類型以及林分種類發生改變(表1)，這直接影響了土壤顆粒組成[22]，導致砂粒含量減少，粉粒含量呈現增加。

2.2土壤化學性質特征

如表3所示，4個海拔梯度各土層土壤pH值無明顯差異，均在7.5以上，屬于堿性土壤。在同海拔的土壤中，土壤pH值隨著土層深度的加深出現不明顯的增加趨勢，土壤剖面表層最先接受凋落物分解以及酸沉降帶來的H+，因而土壤pH值較低，但同時同表層土壤也是養分元素的最大受益者[23]。而在土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量上，均不同程度地表現出隨深度的增加而降低的變化趨勢，表層富集現象明顯。其中，0—10 cm土層有機質含量與下層達到顯著性差異(p<0.05)。

表2　土壤機械組成

從海拔垂直分布特征來看，同土層土壤有機質隨海拔升高呈現出先降低后升高的特點。其中海拔1 900～2 100 m全剖面有機質含量都較高，40—60 cm和60—100 cm土層土壤有機質含量顯著高于其他海拔同土層土壤(p<0.05)。隨著海拔的升高，同土層土壤pH出現先降低后增加的變化趨勢。在1 300～1 900 m范圍內，隨著海拔的升高，構成植被中針葉物種比重增加，加劇了酸性淋溶作用，pH逐漸降低，當海拔升高到1 900 m之后，溫度較低，有機質礦化速度減慢，pH值又有所提高[24]。同土層土壤全氮隨海拔的升高呈現先增加后降低的趨勢，而有效磷、速效鉀含量則表現出逐層過渡的變化特點，且均未達到顯著性水平，說明海拔雖然使土壤全氮、有效磷和速效鉀含量產生差異，但影響不強烈。

2.3土壤有機碳礦化特征

土壤有機碳的積累和分解速率決定著土壤碳庫的儲量，而土壤有機碳礦化是土壤有機碳分解的主要方式。由表4可知，4個海拔土壤活性碳和緩效碳含量在垂直剖面上的變化趨勢和土壤有機質含量變化趨勢相似，均表現出隨采樣深度增加含量逐漸減少的趨勢，其中以0—20 cm土層間變幅最大，0—10 cm土層土壤活性碳和緩效碳含量最高，表聚現象明顯，均與下層達到顯著性差異(p<0.05)。土壤表層水熱條件良好，凋落物分解、微生物活動強烈，土壤有機碳礦化良好，但隨著土層的加深，這些活動強度不斷減弱，導致土壤有機活性碳和緩效碳含量顯著高于下層。

表3　不同海拔土壤化學性質

注：A，B，C，D表示同海拔不同土層土壤性質差異水平(p<0.05)；a，b，c，d表示同土層不同海拔土壤性質差異水平(p<0.05)，下表同。

表4　不同海拔土壤有機碳礦化組分特征

從海拔的垂直分布特征來看，不同海拔土壤活性碳和緩效碳含量變化范圍分別為0.34～9.09，0.03～1.35 g/kg，同土層不同海拔活性碳含量變化趨勢與緩效碳相似，在海拔1 300～1 900 m范圍內，隨海拔升高，土壤活性碳和緩效碳含量呈現降低的趨勢，這與有機質的變化規律一致，而有機質為有機碳主要來源，有研究表明[25-26]，土壤有機碳作為土壤有機碳礦化的底物，其含量的變化會直接影響到土壤有機碳礦化過程。

土壤有機碳礦化率是一段時間內土壤有機碳礦化釋放的CO2數量，它是土壤有機碳礦化速率的表征。礦化率在海拔1 300～1 500 m和1 500～1 700 m相對較高，最大值出現在海拔1 300～1 500 m，為14.35%，從海拔1 700～1 900 m起開始明顯降低，最低值出現在1 900～2 100 m的60—100 cm土層，為4.00%，隨海拔梯度的升高，土壤有機碳礦化率呈現減少的趨勢。從方差分析的結果來看，1 300～1 700 m(針闊葉林)各層土壤有機碳礦化率高于1 700～2 100 m(針葉林)土壤，并且達到了差異顯著水平(p<0.05)，本研究區1 300～1 700 m范圍內，有較多的白樺分布，和云杉和落葉松相比，其凋落物的易分解性強烈影響林下土壤有機碳特征，導致礦化率顯著高于1 700 m以上的云杉—落葉松林土壤，林下土壤類型以及林分類型(表1)的改變，導致凋落物數量、種類和分解難易程度發生變化，從而出現不同的礦化特征，這與楊添等[27]研究結果一致。

2.4土壤肥力狀況評價

土壤作為植物生長的載體，其本質是肥力，而土壤肥力作為土壤各方面性質的綜合反映，體現了從海拔—土壤—植被類型整體角度來看，土壤肥力是各土壤養分針對特定海拔梯度下植被的供應能力，

2.4.1土壤理化性質的相關分析如表5所示，砂粒、粉粒、黏粒3個粒級含量之間相關性極顯著，但與其他化學性質相關性較差，土壤有機質、全氮、速效鉀等與絕大部分肥力指標均達到顯著或極顯著水平，從而解釋了描述性分析中，土壤全氮變化趨勢與土壤有機質的變化趨勢一致的現象。而pH對其他指標多表現為負作用。需要指出的是，有機碳礦化數據(除礦化率之外)均與土壤化學指標顯著或極顯著相關，這應該和各化學指標可以顯著影響和改變土壤有機碳含量，從而改善土壤有機碳礦化過程有關。而有效磷僅與速效鉀有相關性，在馬維偉等[5]的研究結果中，同樣也出現了類似結果。不同海拔天然冷杉林土壤的物理、化學性質以及有機碳礦化數據之間存在著顯著相關關系，可用來綜合反映土壤肥力水平。

表5　土壤理化性質相關關系

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關；**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

2.4.2土壤肥力的主成分分析在土壤肥力研究中往往具有多個彼此存在一定相關性的變量，主成分分析法可以將各個因子化為少數幾個綜合因子并盡可能保留原變量的信息量，且彼此之間互不相關，而達到簡化的目的。為進一步探討不同海拔梯度阿爾泰山冷杉林土壤肥力水平，現對土壤理化性質等相關肥力因子進行主成分分析，以篩選出土壤肥力的主要因子群。

由表6可看出，第一主成分(PC1)的方差貢獻率最大，為46.052%，第二、第三主成分的方差貢獻率分別為25.317%和15.416%，累計方差貢獻率為86.785%，且無變量丟失，根據累積方差貢獻率大于85%的原則，提取前3個主成分的綜合指標基本能反映出土壤肥力的變異信息。

表6　土壤主成分的特征根和方差貢獻率

由表7可知，第一主成分綜合了有機質、全氮、有效磷、速效鉀、緩效碳、活性碳等肥力因子的變異信息，第二、三主成分中砂粒、粉粒、黏粒和礦化率的因子載荷較高。其中，第一主成分的方差貢獻率最大，所包含的因子可作為評價土壤肥力的指標，這與之前的分析結果大致相同。

表7　土壤主成分因子的載荷矩陣及特征向量

將表7中主成分PC1，PC2的載荷矩陣換算為特征向量A1，A2(主成分)，根據主成分計算公式，可得到2個反映土壤肥力水平的主成分方程：

F1=0.27X1+0.27X2+0.27X3+0.42X4+0.42X5+0.31X6+0.42X7+0.30X8+0.42X9+0.43X10+0.23X11

F2=0.57X1+0.57X2+0.54X3+0.33X4+0.36X5+0.30X6+0.21X7+0.07X8+0.24X9+0.19X10+0.36X11

F3=0.25X1+0.19X2+0.49X3+0.22X4+0.20X5+0.31X6+0.27X7+0.66X8+0.47X9+0.27X10+0.72X11

式中：X1，X2，…，X11依次代表11項指標的特征值。

分別把各海拔梯度的砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、全氮、有效磷、速效鉀、pH、緩效碳、活性炭和礦化率帶入上述主成分方程中，再以各主成分的方差貢獻率為權數，對所提取的得分進行加權求和，得到不同海拔梯度下反映土壤肥力水平的綜合得分(表8)。結果表明，阿爾泰山4個海拔梯度天然冷杉林土壤肥力水平由高到低依次為：1 500～1 700 m>1 300～1 500 m>1 900～2 100 m>1 700～1 900 m。這與之前各海拔土壤理化性質的變化特征基本一致。

表8　不同海拔土壤肥力水平綜合得分

3　結 論

(1)不同海拔梯度冷杉林土壤顆粒組成比例均為粉粒>砂粒>黏粒。粉粒兼備了砂粒和黏粒的優點，其含量優勢既保證了良好的土壤通透性，又維持了一定的土壤肥力，隨著海拔的升高，粉粒含量增加，砂粒含量減少，土壤類型的變化也一定程度上改善了冷杉林土壤物理結構，加之研究區坡度相對較緩，這些都有利于形成較好的質地和孔隙結構，對于土壤養分的吸收和利用具有重要作用。

(2)海拔梯度的變化會在一定程度上影響土壤pH值，但并未達到顯著差異。土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀、有機活性碳和緩效碳含量表聚現象明顯，隨土層的變化趨勢不盡相同，其中，土壤有機質和全氮隨土層加深呈現單調遞減的趨勢，土壤全氮95%以上成分都以有機態的形式存在，其含量變化同步于有機質含量符合常理，而有效磷與速效鉀含量隨土層變化規律不明顯。森林土壤有機質主要來源為林木凋落物，隨海拔升高，林分類型由針闊混交林向針葉混交林轉變，兩種林型下凋落物種類和分解特征間的差異引起土壤有機碳礦化率在海拔分布上的顯著變化，白樺—落葉松—冷杉的針闊混交林各層的土壤有機碳礦化率高于落葉松—冷杉的針葉混交林土壤。加之研究區地處北坡，林分郁閉度大，不良的光照條件減弱了微生物的活動，凋落物中大量單寧和樹脂等難分解物質的存在導致有機質分解緩慢，土壤養分較易積累[28-29]。此外，由于土壤有機質與絕大多數肥力指標呈現出極顯著的相關性，因此，了解土壤有機質的動態特征有利于其他土壤養分的監測。

(3)天然冷杉林土壤養分最主要的來源，一是土壤自身供給，二是林木及植被凋落物分解。隨著海拔的升高，土壤類型逐漸由栗鈣土向灰色森林土、棕色針葉林土和亞高山草甸土轉變，其中灰色森林土和棕色針葉林土土體深厚，土質肥沃，具有較高的養分貯量。同時，土壤性狀的變化影響植物群落結構和類型的演化。在1 300～1 700 m范圍內，有較多的白樺混交，其凋落物相對易分解，針闊混交林能顯著提高凋落物分解速度并且縮短凋落物周轉時間，在低海拔地區，溫度較高，土壤養分分解速率相對較快，加之阿爾泰山冷杉林根系分布較淺、林下地被物非常茂盛，更多的林木凋落物加入到養分循環的過程中，有利于提高土壤肥力水平，當海拔升高到1 700 m之后，溫度的降低迫使植被生產水平逐漸降低，林分類型也由針闊葉林向針葉林轉變，針葉林比重增大，林分類型趨于單一，外界進入土壤的養分減少，土壤肥力狀況逐漸降低。

(4)作為第一主成分因子，有機質、全氮、有效磷、速效鉀、緩效碳和活性碳等土壤因子是綜合評價該地區土壤肥力狀況的重要指標。通過計算主成分綜合得分，得出不同海拔梯度冷杉林土壤肥力由高到低為：1 500～1 700 m>1 300～1 500 m>1 900～2 100 m>1 700～1 900 m。

致謝：感謝新疆林科院天山森林生態定位站及新疆大學在野外工作中的支持。

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Soil Characteristics and Fertility Evaluation of Abies sibirica Forest at Different Altitude Gradients in Altai Mountain

MA Zeyu1,WANG Dan2,DAI Wei1,ZHANG Yutao3,DAI Aona1

(1.College of Forestry,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China; 2.Songshan National Nature Reserve Administration,Beijing 102115,China; 3.Institute of Forest Ecology,Xinjiang Academy of Forestry,Urumqi 830063,China)

The variation characteristics of soil physical and chemical properties at different altitudes of natural Abies sibirica forests were investigated in Altai Mountain of Xinjiang Uyghur Autonomous Region.Correlation analysis and principal component analysis were used to evaluate soil fertility at these four altitudes.The results showed that: (1)the percentage content of sand in soils was greater than clay but less than silt at the four altitudes; (2)with increase of altitude,soil chemical and organic carbon mineralization characteristics changed in different manners,the pH value of low altitude was greater than that at the high altitude,soil organic matter,total nitrogen,active and slow-available carbon showed a trend of decline first and increase later,but soil organic carbon mineralization ratio decreased gradually,and significantly reduced above the 1 700 m; (3)close correlations were found between active and slow-available carbon and soil organic matter,total nitrogen,available potassium content,but not for pH value and carbon mineralization ratio; (4)contents of soil organic matter,total nitrogen,available phosphorus and readily available potassium played important roles in soil fertility evaluation.The soil fertility levels at different altitudes of Altai fir forest decrease in the order: 1 500～1 700 m>1 300～1 500 m>1 900～2 100 m>1 700～1 900 m.

Abies sibirica forest; altitude; soil fertility; principal component analysis

2015-08-21

2015-09-05

國家科技部基礎性工作專項“中國森林土壤調查、標準規范及數據庫構建”(2014FY120700)

麻澤宇(1990—),男,內蒙古赤峰人,碩士研究生,研究方向為森林土壤研究。E-mail:mazeyu01@163.com

戴偉(1964—),男,北京人,副教授,研究生導師,主要從事森林土壤等方面的教學與科研工作。E-mail:dw40882@163.com

S714

A

1005-3409(2016)05-0134-07