冀北山地3種森林植被恢復類型對土壤質量的影響

任啟文 ，畢君 *，李聯地 ，王超，尤海舟

1. 河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050061；2. 河北小五臺山森林生態系統定位研究站，河北 涿鹿 075600

土壤是森林生態系統中林木賴以生存的物質基礎，枯落物是連接林木與土壤的中間體，在維持土壤肥力、促進森林生態系統正常物質循環和養分平衡方面起著重要作用（李強，2013）。云南元謀縣干熱河谷不同植被恢復 22年后，土壤物理性質改良率為3.0%～20.2%（唐國勇等，2015）。不同森林植被類型由于其根系生長分布和枯落物特性不同，對土壤質量的改善效應也不同。森林植被主要通過根系的物理作用力及植物對土壤有機質的歸還影響土壤容重、孔隙度、持水能力及養分狀況，從而影響土壤質量，這一過程是復雜而長期的。研究表明，露天煤礦排土場不同植被類型對土壤容重的改善表現為喬木林地＞灌木林地＞荒草地（李葉鑫等，2017）；貴州杠寨小流域不同植被下土壤現有含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量差異顯著（周瑋等，2012）；不同植被類型土壤氮磷鉀含量差異顯著，表土層差異最明顯（胡慧蓉等，2014）。森林土壤質量的改善與植物根系生長及其在土壤中的分布有關，尤其與植物毛細根有關，由細根周轉進入土壤的有機物是地上凋落量的一倍至數倍（英慧等，2010）；也與森林枯落物的碳、氮、磷、鉀、木質素、粗脂肪以及分解后的有機酸等有關（曲浩等，2010），這些成分的含量直接影響微生物種類、數量、活力及菌群穩定性，而微生物是影響凋落物分解過程中酶活性的重要因素（張東來等，2006）。

當前有關森林植被改善土壤質量的研究，大多林齡較小（樊后保等，2006；李葉鑫等，2017；秦娟等，2013），研究結果相對于生態公益林長期經營的特點，其指導意義具有短暫性和局限性。另外，一些研究只對土壤整體做出評價（唐國勇等，2015；李葉鑫等，2017），未進行分層評價，對于精準評價不同森林植被改善土壤質量效應稍顯不足。土壤質量分層評價有助于深入研究森林植被改善土壤質量的垂直進程，而土壤物理性質、持水能力、養分含量的分層分析有助于闡明森林植被對土壤結構、孔性和營養元素空間分布的影響，以及各項物理、化學指標間的相互關系，因此土壤質量分層評價對揭示森林植被改善土壤質量的垂直進程具有重要意義。本研究以冀北3種優勢森林群落——華北落葉松Larix principis-rupprechtiii林、白樺Betula platyphylla林、華北落葉松-白樺混交林為研究對象，嚴格控制試驗條件，選擇恢復年限完全一致（46 a），立地條件基本相同，恢復后極少受人為干擾的3種植被類型設置研究樣地，采用反映土壤物理性質、持水能力及養分含量的多項指標作為評價指標，將不同植被恢復類型對土壤質量的影響進行分層和綜合評價，為冀北山地通過森林植被恢復提高土壤質量提供理論依據，為區域生態公益林可持續經營提供技術支撐。

1 研究區概況

本研究區位于河北小五臺山自然保護區，地理坐標為 114o47'～115o30'E，39o50'～40o7'N。小五臺山脈地處冀西北與晉北間山盆地的南緣，為河北最高峰，地理位置特殊，山體相對高差大，地形復雜，生境多變，氣候變化明顯，是華北地區植物種類最豐富的地區之一。具有暖溫帶完整的植被垂直帶譜，分布有次生灌草帶、闊葉林帶、針闊混交林帶、針葉林帶、亞高山灌叢帶、亞高山草甸帶等，海拔1200 m以下多為農田、裸地等（白曉航等，2017a）。小五臺山自然保護區土壤類型主要為褐土、山地棕壤及亞高山草甸土。氣候屬暖溫帶大陸季風型山地氣候，年均氣溫6.4 ℃，1月平均氣溫-12.3 ℃，7月平均氣溫22.1 ℃，年降水量400～700 mm，無霜期100～140 d（白曉航等，2017b）。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2016年，采用相鄰樣地比較法在研究區內選擇經過人工恢復 46年的華北落葉松純林（L）、白樺純林（B）、華北落葉松-白樺混交林（L&B，以下簡稱“落白混交林”）為研究對象，進行不同植被恢復模式對土壤質量和土壤肥力影響的研究。3種植被類型相鄰，且處于同一坡面上，坡向一致，坡面均一，海拔跨度1674～1697 m，土壤為森林褐土。根據典型性和代表性原則，分別在不同林分中布設面積為20 m×20 m的標準樣地，每種植被類型設置3塊樣地，對標準樣地進行每木檢尺和基本調查，樣地基本情況見表1。

2.2 土壤樣品采集

在每個樣地內根據坡位按照上、中、下布點挖掘3個土壤剖面，共27個土壤剖面。每個土壤剖面按深度0～20、20～40、40～60 cm分3層（60 cm以下接近土壤母巖，礫石較多無法用環刀取樣）取樣，每層利用環刀采集土樣3個，共取得243個土樣，以備土壤物理性質和土壤持水能力測定。按照土壤剖面深度0～20、20～40、40～60 cm分3層取樣，每層均勻取土樣1個，重約500 g，分別裝入土袋，帶回實驗室，共取得81個土樣，以備土壤養分含量測定。

2.3 評價指標選取

為了能夠全面評價不同植被恢復類型對土壤質量和肥力的影響，本研究主要選取三類指標，分別為反映土壤物理性狀的指標、反映土壤持水能力的指標和反映土壤養分特征的指標。反映土壤物理性狀的指標包括土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度；反映土壤持水能力的指標包括土壤含水量、毛管持水量、最大持水量和田間持水量；反映土壤養分特征的指標包括土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。

2.4 樣品測試方法

采用環刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量和田間持水量；采用烘干稱重法測定土壤含水量。將裝袋土壤樣品風干后過0.15 mm篩，測定土壤養分含量。采用重鉻酸鉀-濃硫酸消解-硫酸亞鐵滴定法測定土壤有機質含量；凱氏定氮法測定全氮含量；鉬銻抗比色法測定全磷含量；原子吸收法測定全鉀含量；堿解擴散法測定堿解氮含量；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量（中國科學院南京土壤研究所，1978）。

2.5 數據分析

運用Excel 2007進行數據處理；運用SPSS 19.0進行單因素方差分析、差異顯著性檢驗（Duncan）和主成分分析。

表1 樣地基本情況Table 1 General condition of the sample plots

采用土壤質量指數法（SQI）綜合評價不同恢復植被類型土壤質量，該評價方法主要包括以下步驟：

（1）將各土壤理化指標進行主成分分析，確定主成分數量，在每一主成分中選擇貢獻率較大的土壤指標，若同一主成分中有多個貢獻較大的指標，則通過相關矩陣，選取相關系數不強的指標（Andrews et al.，2002）。

（2）按照下式對所選取的指標進行標準化處理（Bastida et al.，2006）。

式中，Y是標準化后的指標值；a=1；x為選取的指標值；x0為選取指標值的平均值；當x在主成分中的系數為正時，b=-2.5，當x在主成分中的系數為負時，b=2.5。

（3）計算土壤質量指數 ISQ（Bastida et al.，2006；Sinha et al.，2009），計算式如下：

式中，ISQ為土壤質量指數；Yi為標準化后的指標值；Wi為權重，確定方法為Yi所在主成分能夠解釋方差變異量的百分比；i為主成分指標（Sinha et al.，2009；Masto et al.，2008）。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型對土壤物理性狀的影響

由表2可知，3種植被類型土壤容重隨土層深度增加而增加，說明研究區土壤總體上表現為淺層疏松，深層致密。3種植被類型0～20 cm土壤容重差異極小，20 cm以下土層差異逐漸顯現，落白混交林土壤容重最小，白樺林次之，華北落葉松林最大；經差異顯著性檢驗，落白混交林與華北落葉松林差異顯著，而與白樺林差異不顯著。總孔隙度隨土層深度增加而逐漸減小。3種植被類型0～20 cm總孔隙度差異不顯著，但隨著深度增加，土壤深度20 cm以下，白樺林和落白混交林保持較高的總孔隙度。3種植被類型下土壤毛管孔隙度變化較為復雜，華北落葉松林隨土層深度增加而降低，白樺林與落白混交林毛管孔隙度隨土層加深而先升高后降低；總體上落白混交林0～20 cm土層毛管孔隙度在3種植被類型中居中，而在20 cm以下土層中，其毛管孔隙度最大，且與華北落葉松林、白樺林差異顯著。

表2 不同植被類型土壤物理性狀Table 2 Soil physical properties of different vegetation types

從3種植被恢復類型下土壤物理性狀的差異可以看出，落白混交林對于中下層土壤（20～60 cm）土壤物理性狀的改善作用較大，而其淺層土壤（0～20 cm）物理性質與兩種純林的差異不明顯。

3.2 不同植被類型對土壤持水能力的影響

由表 3可知，毛管持水量、最大持水量、田間持水量總體上表現為隨土層深度增加而減小；土壤含水量隨土層深度的變化均表現為先升后降。0～20 cm土層，華北落葉松林毛管持水量最大，落白混交林次之，白樺林最小；20 cm以下土層，落白混交林毛管持水量最大，且與華北落葉松林、白樺林差異顯著。最大持水量和田間持水量在土壤各層均表現為落白混交林最大，且與華北落葉松林、白樺林的差異均達顯著水平。在0～20 cm土層，落白混交林土壤含水量居中，白樺林最大，華北落葉松林最小；20 cm以下土層，落白混交林最大且與華北落葉松和白樺純林差異顯著。

表3 不同植被類型土壤持水能力Table 3 Soil water holding capacity of different vegetation types

由以上分析可知，落白混交林對土壤持水能力的改善作用較大，特別是對最大持水量和田間持水量的改善作用相較于兩類純林非常明顯；其對毛管持水量和土壤含水量有明顯改善的土層為20 cm以下。由于土壤物理性狀對土壤持水能力影響很大，落白混交林通過改善土壤物理性狀而間接改善土壤持水能力。

3.3 不同植被類型對土壤養分含量的影響

由表4可知，3種植被恢復類型土壤有機質、全氮含量均表現為：0～20 cm土層，落白混交林與華北落葉松林含量差異不顯著，但顯著高于白樺林；20 cm以下土層，落白混交林顯著大于華北落葉松純林和白樺純林。落白混交林土壤全磷和速效鉀含量在所有土層中均為最大，白樺林全磷含量最小，而華北落葉松林速效鉀含量最小。3種植被類型下不同深度土壤全鉀含量變化較為復雜，0～40 cm土層全鉀含量表現為白樺林＞落白混交林＞華北落葉松林，40～60 cm土層為落白混交林＞白樺林＞華北落葉松林。落白混交林與華北落葉松林土壤各層堿解氮、速效磷含量差異不顯著，但均顯著大于白樺林。

表4 不同植被類型土壤養分含量Table 4 Soil nutrient content of different vegetation types

華北落葉松、白樺林、落白混交林0～60 cm土壤有機質含量分別為 38.38、30.27、40.82 g·kg-1，全氮含量分別為1.62、1.10、1.65 g·kg-1，全磷含量分別為0.50、0.36、0.55 g·kg-1，均表現為落白混交林＞華北落葉松林＞白樺林。全鉀含量分別為8.68、9.44、9.28 g·kg-1，堿解氮含量分別為 151.67、99.71、144.89 mg·kg-1，速效磷含量分別為 0.383、0.343、0.380 mg·kg-1，落白混交林均處于第二位；速效鉀含量分別為87.63、103.84、130.90 mg·kg-1，表現為落白混交林＞白樺林＞華北落葉松林。由以上分析及圖1可知，落白混交林土壤各層養分含量指標排名明顯優于華北落葉松林，而華北落葉松林優于白樺林。因此，3種植被恢復類型中落白混交林土壤養分狀況最好，華北落葉松林次之，白樺林最差。

圖1 不同植被類型土壤各層養分含量排序頻次Fig. 1 Rank frequency of nutrient contents of different soil types in different vegetation types

3.4 不同植被類型土壤質量評價

不同植被恢復類型各土壤理化指標主成分分析結果見表 5，第一到第四主成分方差貢獻率分別為62.92%、14.63%、10.67%、7.73%，4個主成分的累計方差貢獻率為95.95%，認為這4個主成分能夠解釋大部分信息，可作為主成分進行土壤質量綜合評價。在第一主成分中，土壤容重、總孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田間持水量、有機質含量、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量、速效鉀含量都有較高的系數；結合土壤各項指標相關性矩陣（表6）分析可知，有機質與土壤容重呈顯著負相關，與總孔隙度、毛管持水量、最大持水量、田間持水量、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量和速效鉀含量均呈顯著正相關，且有機質含量在第一主成分中系數最大，因此選擇有機質含量為第一主成分中的土壤質量評價指標。同理，分別選擇全鉀含量、土壤含水率和速效磷含量為第二、第三和第四主成分中的土壤質量評價指標。

表5 不同植被恢復類型土壤指標主成分分析結果Table 5 Principal component analysis of soil index of different vegetation restoration types

根據式（1）和式（2）計算出不同植被恢復類型土壤質量指數，結果見表7。從3層土壤質量指數之和ITSQ來看，落白混交林＞華北落葉松林＞白樺林。從分層指數來看，0～20 cm土層落白混交林與華北落葉松林幾乎一致，但都大于白樺林；20～40 cm和40～60 cm土層都表現為落白混交林＞華北落葉松林＞白樺林，且深層土壤（40～60 cm）較中層土壤（20～40 cm）差距大。可見，落白混交林對土壤質量的改善優于華北落葉松純林和白樺純林，而改善作用最明顯的是中下層土壤（20 cm以下）。

4 結論與討論

4.1 討論

植被恢復對土壤性狀產生影響，不同植被類型對土壤理化性質的影響程度并不相同（劉乃君，2008；邰姍姍等，2010；楊媛媛等，2012）。很多研究表明，混交林對土壤理化性狀的改善效果優于純林（秦娟等，2013；樊后保等，2006；丁紹蘭等，2010），本研究也得出相同結論；然而，對于不同層次土壤改善效果的研究尚不多見，王會利等（2010）研究廣西蒼梧縣馬尾松（Pinus massoniana）和濕地松（Pinus elliotti）純林混交荷木（Schima superba）后對土壤理化性狀的改善效果，發現0～20 cm土層的改善效果大于20～40 cm土層，與本研究結果不同，可能原因是林齡長短所致，前者是 18年生馬尾松混交14年生荷木以及32年生濕地松混交14年生荷木，相對于本研究46年林齡還較短。混交林對于土壤物理性狀的改善應隨著林齡的增加由表土層逐漸深入到中下層土壤，而對于表土層的改善，雖然不同林種改善能力與速度不同，但隨著時間推移，最終會達到一個相對一致的閾值。本研究淺層土壤3種林型物理性質差異不明顯，可能原因是經過46年的持續作用，3種林型表土層物理性質已趨于一致。

表6 土壤各項指標相關性矩陣Table 6 Correlation matrix of soil indexes

表7 不同植被恢復類型土壤質量指數Table 7 Soil quality index of different vegetation restoration types

不同植被恢復類型對土壤肥力質量的影響不同。植被對土壤質量的改善主要通過改善土壤容重、孔隙度、有機質含量等方面產生作用。所有作用都和以下三方面過程相關，一是根系的生長及分布，植物根系生長產生的機械力可以疏松土壤，根系新陳代謝可以增加土壤有機質，根系分泌物有利于根際微生物生長繁殖（胡嬋娟等，2012），因此根系在土層中的分布直接影響土壤不同層次的理化性狀、持水能力和肥力狀況。二是植物枯落物累積及分解，枯落物是土壤有機質的重要來源，是森林土壤得以改善的關鍵因素；枯落物累積量、元素含量和分解速度是影響土壤有機質及 N、P、K補充速率的重要因素（曲浩等，2010）。三是土壤動物及微生物的活動，土壤動物的活動是土壤淺表層有機質逐漸進入中下層的關鍵因素，在缺乏人為管理的森林中尤其重要；而土壤微生物是土壤有機質分解為各種營養元素的作用者。植物物種組成對線蟲、大型土壤動物和微生物的群落組成和多樣性均有顯著影響，凋落物的多樣性從物理、化學和生物等過程優化微生境，驅動土壤動物及微生物豐富性的增加（李宜濃等，2016）。有研究表明，華北落葉松-白樺混交林凋落物層土壤動物個體密度和類群數顯著高于華北落葉松純林，全氮含量是影響土壤動物多樣性的主要因子（馬香麗等，2016）。因此，生態公益林營建應避免單一樹種，盡量提高物種豐富度。

在土壤質量綜合評價結果表明，華北落葉松-白樺混交林土壤質量最好。從土壤質量分層指數來看，起關鍵作用的是對中下層土壤的改善，這個結論在不同植被類型對土壤物理性質、持水能力及養分特征影響的分析中也得到了證實。王青天（2012）研究發現，馬尾松純林改造成混交林14年后根幅比純林大12.67%，根系深度比純林深14.13%。因此，本研究結果的出現可能是由于混交林中華北落葉松與白樺種間競爭的結果，尤其是對土壤水分的爭奪促使其根系向下生長，中下層土壤根系數量增加，根系生長的機械力疏松了土壤，增加了土壤有機質，進而促進土壤及根際微生物活動從而起到改善中下層土壤理化性狀的效果。另外，華北落葉松與白樺枯落物混合分解對土壤性質的影響存在相互促進作用，兩種枯落物的混合為分解者提供了更為有利的微環境，使得微生物數量、活性得以提高，群落結構更加完善，從而加快了混合枯落物的分解速度和土壤養分的提高（李茜，2013）。白樺凋落物由于有較高的C/N和木質素/N，其凋落物較華北落葉松難于分解（李強，2013），這可能是華北落葉松林土壤質量好于白樺林的原因之一。

由此可見，森林植被恢復對土壤質量的改善作用是一個由淺及深的過程，隨著林齡的增大，其對土壤質量的改善作用逐漸深入到土壤中下層。而混交林的改善作用是否較純林明顯還不能一概而論，需要經過試驗驗證，因為有些混交林種凋落物之間有相互促進分解作用，而有些則有相互抑制分解的作用。

4.2 結論

本研究表明，華北落葉松-白樺混交林對中下層（20～60 cm）土壤物理性狀的改善作用較大，淺層土壤（0～20 cm）物理性質與華北落葉松和白樺純林差異不明顯。華北落葉松-白樺混交林對土壤持水能力的改善作用較大，特別是對最大持水量和田間持水量的改善作用明顯大于華北落葉松和白樺純林；對20 cm以下土層毛管持水量和土壤含水量有明顯的改善作用。3種植被恢復類型中，土壤養分狀況表現為華北落葉松-白樺混交林＞華北落葉松林＞白樺林。土壤質量綜合評價結果表明，不同植被恢復類型對土壤質量的改善作用表現為華北落葉松-白樺混交林＞華北落葉松林＞白樺林，改善作用最明顯的是中下層土壤（20 cm以下）。森林植被恢復對土壤質量的改善作用是一個由淺及深的過程，隨著林齡增大，其對土壤質量的改善作用逐漸深入到土壤中下層。