滇西北亞高山典型退化次生林土壤肥力狀況特征研究

和麗萍，李貴祥，柴 勇，邵金平，馬賽宇

（云南省林業(yè)和草原科學(xué)院，云南 昆明 650201）

【研究意義】土壤類型的形成、分布與其所處的綜合自然環(huán)境密切相關(guān)，自然條件發(fā)生變化，土壤的性狀也隨之作相應(yīng)變化［1］。由于自然因素和人為因素的影響，土壤礦物組成、空氣、水分和肥力特征均存在一定差異，導(dǎo)致土壤類型及其養(yǎng)分空間格局分異［2］。森林土壤不僅是影響林木生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，還是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換的重要場所［3］，土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素是土壤肥力的主要組成部分，也是土壤動物和微生物賴以生存的根本［4］。森林土壤肥力水平不僅受成土條件的制約，也可以通過人為管理措施加以調(diào)控。【前人研究進(jìn)展】隨著生態(tài)環(huán)境問題的日趨尖銳，土壤與植被之間關(guān)系的研究越來越受到人們重視［5］。許多學(xué)者在不同地區(qū)不同林分類型或植被類型土壤肥力狀況方面開展了大量研究［6-10］，大都認(rèn)為同一地區(qū)不同林型間土壤肥力相差較大，土壤肥力狀況受植被類型影響較明顯。

【本研究切入點(diǎn)】滇西北地處我國西南三江并流區(qū)，屬大江大河上游源頭區(qū)域，山高坡陡，地形結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，屬潛在侵蝕極嚴(yán)重區(qū)域。保護(hù)和恢復(fù)好該區(qū)域的森林植被，對于維護(hù)長江、瀾滄江和怒江沿線國土安全及保護(hù)我國西南生態(tài)安全具有重要意義。滇西北亞高山森林類型主要是以云杉（Picea）、冷杉（Abies）及落葉松（Larix）為主要優(yōu)勢樹種的寒溫性針葉林，在長期人為干擾下，逐漸形成了大面積的退化次生林。與當(dāng)?shù)卦忌稚鷳B(tài)系統(tǒng)相比，這些退化次生林的穩(wěn)定性、抗逆能力及系統(tǒng)生產(chǎn)力更為低弱，但在維持區(qū)域生態(tài)平衡、涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候等方面仍發(fā)揮不可替代的作用，對其進(jìn)行保護(hù)、生態(tài)修復(fù)和重建顯得尤為重要［11］。由于滇西北亞高山退化次生林分布面積廣，林分結(jié)構(gòu)有較大差異，導(dǎo)致不同林分類型土壤性質(zhì)具有顯著差異。土壤肥力狀況及分布特征直接影響土壤生產(chǎn)力的高低和生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究選擇滇西北亞高山20世紀(jì)70年代、80年代、90年代采伐云、冷杉后形成的典型退化次生林，測定其不同層次土壤pH、有機(jī)質(zhì)，全量及速效氮磷鉀含量，分析不同退化次生林土壤肥力狀況及分布特征，為實(shí)現(xiàn)維持和提高滇西北地區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)土壤生產(chǎn)力提供理論依據(jù)，同時為該區(qū)域進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)與重建提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在滇西北迪慶藏族自治州香格里拉縣建塘林場。建塘林場屬青藏高原南緣橫斷山脈腹地，位于迪慶州東部，屬寒溫帶山地季風(fēng)氣候，年均溫度6.3℃，平均最高溫度14℃，最低溫度-1.6℃，年均降雨量800～1 000 mm，主要集中在6—9月份，占全年降水量的75%。干濕季分明，日溫差大，太陽輻射強(qiáng)烈，海拔3 300～3 500 m，屬低緯度高海拔地區(qū)。植被主要以高山針葉林為主，組成森林的樹種主要有高山松（Pinus densata）、云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies）以及一些高山櫟類矮灌叢。研究區(qū)主要土壤類型為棕壤、暗棕壤、漂灰土和草甸土等。

1.2 試驗(yàn)方法

2018年10—11月，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇70年代、80年代和90年代采伐云杉、冷杉后形成的5種退化次生林，包括退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林、稀疏云杉+冷杉林、退化樺木林，以原始冷杉林為對照，于每個林型內(nèi)設(shè)置3塊20 m×20 m樣地，分別調(diào)查喬木、灌木及草本植物，調(diào)查時記錄樣地的生境及群落特征，對樣地內(nèi)喬木進(jìn)行每木調(diào)查，記錄種名、樹高、胸徑、冠幅及其他一些生態(tài)學(xué)特征。灌木、草本記錄種名、株（叢）數(shù)、蓋度、高度及其他重要生態(tài)特征（表1）。在每個樣地分別按對角線隨機(jī)布設(shè)3個點(diǎn)，挖取土壤剖面，并按0～20、20～40、40～60 cm 3個層次分別用環(huán)刀取土樣及混合土樣，用于室內(nèi)化學(xué)分析。基于研究區(qū)土壤的形成特點(diǎn)以及林分特性，選取土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀、全氮、全磷、全鉀8項(xiàng)因子構(gòu)建土壤肥力評價指標(biāo)。

依據(jù)鮑士旦［12］方法對土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀進(jìn)行測定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS（11.5）軟件、Microsoft Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計分析和圖表處理。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sampling plots

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化林分類型土壤pH值

從圖1可以看出，試驗(yàn)區(qū)土壤pH值為4.55～5.46，呈酸性。退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢及稀疏云杉+冷杉林不同層次土壤pH值差異不顯著，退化大果紅杉林、退化樺木林及原始冷杉林不同土層土壤pH值存在顯著性差異。比較同一土層不同林分類型的土壤pH值發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm土層中，退化大果紅杉林土壤pH值與其他5個退化林分差異顯著，退化高山櫟灌叢與退化杜鵑灌叢、原始冷杉林差異不顯著，與稀疏云杉+冷杉林、退化樺木林存在顯著差異，稀疏云杉+冷杉林、退化樺木林差異不顯著；在20～40 cm土層中，各退化林分土壤pH值差異不顯著；在40～60 cm土層中，退化大果紅杉林與原始冷杉林差異不顯著，與退化高山櫟灌叢、退化杜鵑灌叢、退化樺木林存在顯著差異，稀疏云杉+冷杉林和與其他5個退化林分存在顯著差異。

圖1 不同退化林分類型土壤pH值Fig. 1 Soil pH of different degraded forest types

2.2 不同退化林分類型土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分特征

通過表2～表4可以看出，不同退化林分類型土壤養(yǎng)分含量存在顯著差異。由表2可知，同一林分類型土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度增加而逐漸降低，各層土壤有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異；比較同一土層不同林分類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)在0～20 cm土層中，除退化高山櫟灌叢和退化大果紅杉林土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著外，其余3個退化林分之間存在顯著性差異；在20～40 cm土層中，不同退化林分類型土壤有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著性差異，有機(jī)質(zhì)含量大小為退化樺木林＞退化高山櫟灌叢＞稀疏云杉+冷杉林＞退化大果紅杉林＞原始冷杉林＞退化杜鵑灌叢；在40～60 cm土層中，稀疏云杉+冷杉林的有機(jī)質(zhì)含量最大、為20.21（±1.76）g/kg，與其他5個退化林分類型存在顯著差異，退化高山櫟灌叢與其他5個退化林分類型存在顯著差異，退化杜鵑灌叢、退化大果紅杉林、退化樺木林和原始冷杉林土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。

表2 不同退化林分類型土壤有機(jī)質(zhì)含量Table 2 Soil organic matter contents of different degraded forest types（g/kg）

表3 不同退化林分類型土壤速效養(yǎng)分含量Table 3 Soil available nutrient contents of different degraded forest types（mg/kg）

表4 不同退化林分類型土壤全量養(yǎng)分含量Table 4 Soil total nutrient contents of different degraded forest types（g/kg）

由表3可知，同一林分類型土壤速效養(yǎng)分含量隨土壤深度增加而逐漸降低，且存在較顯著差異，同一土層不同林分類型的土壤速效養(yǎng)分也存在較顯著差異。從表3可以看出，退化高山櫟灌叢和退化樺木林堿解氮含量較接近，表現(xiàn)為退化高山櫟灌叢＞退化樺木林＞退化大果紅杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞退化杜鵑灌叢＞原始冷杉林；表4顯示，退化樺木林土壤有效磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各退化林分類型，表現(xiàn)為退化樺木林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化大果紅杉林＞退化杜鵑灌叢＞退化高山櫟灌叢；原始冷杉林0～20 cm土層的速效鉀含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層的，表現(xiàn)為退化高山櫟灌叢＞原始冷杉林＞退化大果紅杉林＞退化杜鵑灌叢＞稀疏云杉+冷杉林＞退化樺木林。

由表4可知，各林分類型全氮和堿解氮大小趨勢大致相同，同一林分類型土壤全氮含量隨著土壤深度的增加而逐漸降低，存在較顯著差異，同一土層不同林分類型的土壤全氮含量也存在較顯著差異。從表4可看出，各林分類型全氮含量為退化高山櫟灌叢＞退化樺木林＞稀疏云杉+冷杉林＞退化大果紅杉林＞退化杜鵑灌叢＞原始冷杉林林；原始冷杉林不同土層的全磷含量存在顯著差異，退化大果紅杉林和稀疏云杉+冷杉林的0～20 cm、20～40 cm土層的全磷含量存在顯著差異，其他林分類型的各土層之間差異不顯著，表現(xiàn)為原始冷杉林＞退化高山櫟灌叢＞稀疏云杉+冷杉林＞退化杜鵑灌叢＞退化樺木林＞退化大果紅杉林；退化樺木林各土層間土壤全鉀存在顯著差異，退化大果紅杉林0～20 cm、20～40 cm土層間存在顯著差異，稀疏云杉+冷杉林20～40 cm、40～60 cm土層間存在顯著差異，其他各林型不同土層差異不顯著，全鉀含量在不同林型之間無明顯規(guī)律，表現(xiàn)為退化樺木林＞退化杜鵑灌叢＞原始冷杉林＞退化大果紅杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞退化高山櫟灌叢。

2.3 不同退化林分類型土壤養(yǎng)分因子相關(guān)性

通過對不同退化林分類型土壤養(yǎng)分因子相關(guān)分析（表5）發(fā)現(xiàn)，不同退化林分類型各個土壤養(yǎng)分因子之間存在較為緊密的相關(guān)關(guān)系。土壤pH值與全氮、堿解氮、速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀含量呈顯著正相關(guān)；土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)，與全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；全氮含量與堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)，與全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；全磷與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，全鉀含量與堿解氮、速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；堿解氮與速效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)。由此可見，不同退化林分類型土壤養(yǎng)分因子之間存在顯著性相關(guān)關(guān)系，可以用來綜合反映土壤肥力水平。

2.4 不同退化林分類型土壤養(yǎng)分的綜合評價

2.4.1 主成分分析 采用主成分分析法對不同退化林分類型土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評價，主成分分析結(jié)果見表6。按照特征值＞1的原則，抽取3個主成分，其特征值分別為4.199、1.502、1.045，方差貢獻(xiàn)率分別為52.493%、18.781%、13.060%。由表6可知，第1主成分主要代表全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量的變化，第2主成分主要代表速效鉀、速效磷和全磷含量的變化，第3主成分主要代表pH值的變化。三者之和達(dá)到84.334%，說明前3個主成分的綜合指標(biāo)基本能反映土壤肥力評價系統(tǒng)內(nèi)的變異信息，即取前3個主成分基本包含了全部8個評價指標(biāo)所有的信息，可以較好地反映土壤肥力質(zhì)量的綜合狀況，表明主成分分析用于評價土壤養(yǎng)分狀況是可靠的。因此，可以用這3個主成分代表原來8個評價指標(biāo)對滇西北退化次生林林分土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行分析和評價。

表5 不同退化林分類型土壤養(yǎng)分因子相關(guān)性Table5 Correlation analysis of soil nutrient factors of different degraded forest types

表6 土壤養(yǎng)分因子載荷矩陣、特征向量及貢獻(xiàn)率Table 6 Load matrix, eigenvectors and contribution rates of soil fertility factors

2.4.2 不同退化林分類型土壤肥力的綜合評價在土壤肥力綜合評價方面，通過主成分分析計算各個退化林分類型綜合得分并進(jìn)行排序（表7）。從表7可以看出，6種退化林分類型土壤肥力綜合得分分別為3.06、-2.27、-0.04、-0.13、0.14、-0.75，土壤綜合肥力最高的為退化高山櫟灌叢，最低為退化杜鵑灌叢。結(jié)果表明，土壤綜合肥力大小為退化高山櫟灌叢＞退化樺木林＞退化大果紅杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化杜鵑灌叢，表明闊葉林（高山櫟、樺木林）的土壤養(yǎng)分狀況最好，而針葉林（杉木林為主）的土壤養(yǎng)分較差，這是由于闊葉林土壤表面的枯落物較多，加之枯落物的分解速度較快，增加了土壤腐殖質(zhì)含量，有利于土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的自肥能力。

表7 不同退化林分類型土壤養(yǎng)分綜合得分Table 7 Comprehensive scores of soil nutrients in different degraded forest types

3 討論

土壤pH值是土壤肥力和作物生長的重要限制因子，不但影響土壤養(yǎng)分元素的存在形態(tài)及轉(zhuǎn)化，而且影響土壤微生物區(qū)系，進(jìn)而影響?zhàn)B分的有效性［13-15］。本研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)土壤pH值為4.55～5.46，呈酸性，隨著土壤深度的加深，pH值無顯著變化，且表層（0～20 cm）pH值往往小于其他土壤層次，原因一方面可能是由于林分枯落物含有大量樹脂、單寧和木質(zhì)素等物質(zhì)，這些物質(zhì)分解會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，導(dǎo)致土壤酸化［16］；另一方面可能是由于試驗(yàn)區(qū)降雨量相對集中，植物分泌物及枯落物分解的致酸物質(zhì)通過淋洗作用首先進(jìn)入表層土壤，且主要分布在表層的植物根系從土壤中吸收陽離子時會釋放H+，從而促進(jìn)表層土壤酸化［17］。

不同退化林分類型和不同層次土壤有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異，且隨著土壤深度增加而逐漸降低，這是因?yàn)橹参锟萋湮镌谕寥辣韺泳哂小氨砭坌浴保?8-20］。土壤速效養(yǎng)分是指植物能夠直接吸收利用的養(yǎng)分，是評價土壤演化程度的重要指標(biāo)之一，其含量高低是土壤養(yǎng)分供給的強(qiáng)度指標(biāo)［18］。同一林分類型土壤速效養(yǎng)分含量隨著土壤深度增加而逐漸降低，且通常存在較顯著差異，同一土層不同林分類型的土壤速效養(yǎng)分也存在較顯著差異，退化高山櫟灌叢和退化樺木林堿解氮含量最高，且較接近，最小為原始冷杉林，退化樺木林土壤有效磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各退化林分類型，原始冷杉林0～20 cm土層的速效鉀含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層。

各林分類型全氮和堿解氮含量大小趨勢大致相同，同一林分類型土壤全氮含量隨著土壤深度增加而逐漸降低，存在較顯著差異，同一土層不同林分類型的土壤全氮含量也存在較顯著差異。除原始冷杉林不同土層、退化大果紅杉林和稀疏云杉+冷杉林的0～20 cm、20～40 cm土層的全磷含量存在顯著差異外，其他林分類型的各土層之間差異不顯著，退化樺木林各土層間土壤全鉀存在顯著差異，退化大果紅杉林0～20 cm、20～40 cm土層間存在顯著差異，稀疏云杉+冷杉林20～40 cm、40～60 cm土層間存在顯著差異，其他各林型不同土層差異不顯著，全鉀含量在不同林型之間無明顯規(guī)律。

土壤養(yǎng)分因子相關(guān)分析顯示，不同退化林分類型各個土壤養(yǎng)分因子之間存在較為緊密的相關(guān)關(guān)系。本研究表明，主成分分析可以用于評價土壤養(yǎng)分狀況，各退化林分類型綜合得分排序?yàn)橥嘶呱綑倒鄥玻就嘶瘶迥玖郑就嘶蠊t杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化杜鵑灌叢。可見，闊葉林（高山櫟、樺木林）的土壤肥力狀況最好，而針葉林（杉木林為主）的土壤肥力較差，這是由于闊葉林土壤表面的枯落物較多，枯落物的分解增加了土壤腐殖質(zhì)含量，有利于土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)形成，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的自肥能力［21］。因此可根據(jù)不同退化林分類型的土壤肥力狀況建立科學(xué)的土壤培肥及林分結(jié)構(gòu)調(diào)控體系，采取不同配方施肥技術(shù)和低效次生林林分結(jié)構(gòu)調(diào)控恢復(fù)技術(shù)，為滇西北退化次生林的生態(tài)恢復(fù)土壤改良合理配置與布局提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

土壤肥力因子相關(guān)分析顯示，不同退化林分類型各個土壤肥力因子之間存在較為緊密的相關(guān)關(guān)系，可用來綜合反映土壤肥力水平；通過主成分分析計算各個退化林分類型綜合得分并進(jìn)行排序結(jié)果表明，6種退化林分類型土壤肥力綜合得分分別為3.06、-2.27、-0.04、-0.13、0.14、-0.75，土壤綜合肥力大小為退化高山櫟灌叢＞退化樺木林＞退化大果紅杉林＞稀疏云杉+冷杉林＞原始冷杉林＞退化杜鵑灌叢；不同林分類型對土壤肥力狀況影響顯著，林分類型差異導(dǎo)致土壤肥力狀況各異，其中退化高山櫟灌叢土壤綜合肥力最好，退化杜鵑灌叢土壤綜合肥力最差。因此，可根據(jù)不同退化林分類型的土壤肥力狀況研究結(jié)果建立科學(xué)的土壤培肥及林分結(jié)構(gòu)調(diào)控體系。