人工林土壤養分分布特征及不同坡位綜合評價
——以甘肅省平涼市為例

張 鶴,王 輔,趙 強,沙小燕,王春平

(平涼市水土保持科學研究所,甘肅 平涼 744000)

森林作為陸地生態系統中不可或缺的天然氧吧,蘊含豐富的生物資源,其面積占陸地總面積的30.7%[1］,是陸地生態系統最大的碳庫,也是陸地表層最豐富的氮庫,對維持全球碳氮平衡、減緩氣候變暖、提升土壤質量及生物多樣性具有重要作用[2］。多年來我國水土保持和造林綠化事業成效顯著,森林覆蓋率由新中國成立初期的8.6%提高到21.66%,森林面積達2.08億hm2,人工林保存面積達6 933萬hm2,居世界首位。我國人工林面積雖大,但與天然林在物種豐富度、層次結構、生命周期和演替結構等方面存在較大差異,因此研究提高人工林生物質量,改善其生態環境,充分發揮其在生態系統中的作用尤為重要。

土壤是植物生長發育所需營養元素的主要提供者,也是森林生態系統中自然因素的重要物質和能量來源,其養分含量受氣候條件,以及地形(海拔、坡度、坡位等)、土壤母質、郁閉度等眾多因素的綜合影響。近年來,研究人員對不同坡位條件下的土壤養分變化進行了深入研究。蘇妮爾等[3］對紅皮云杉林土壤理化性質進行研究發現,土壤pH值隨坡位下降呈增加趨勢,除全鉀和速效鉀含量表現為中坡位<上坡位<下坡位外,其余養分含量均呈現上坡位<中坡位<下坡位。卓文花等[4］對灌木的物種多樣性和灌木林土壤養分進行了研究,結果表明有效氮、有機質、有效鉀含量均為中坡位最大,而物種多樣性主要受有機質、全磷、有效氮和含水量的影響。林雪青等[5］對黃土高塬溝壑區不同坡位的土壤硝態氮含量特征進行了研究,結果表明刺槐林和草地的硝態氮含量均表現為下坡位>上坡位>中坡位。趙文東等[6］以人工林地為研究對象,從坡位和坡度兩個維度研究得出全碳、全氮和碳氮比受二者交互作用的影響,隨著坡位上升和坡度增加,碳氮質量分數整體均呈減少趨勢。

我國黃土高原地形地貌獨特,地勢復雜且溝壑縱橫,受自然因素和人類活動的雙重影響,生態環境脆弱,土壤侵蝕劇烈、養分流失嚴重,是我國水土流失最為嚴重的地區之一[7］。近年來,黃土高原地區通過水土流失治理以及人工育種和造林等多種方式加速人工林植被恢復,取得了明顯的效果[8］。但現有黃土高原地區人工林林草植被研究成果大多集中在小流域范圍內,對市域空間尺度內不同坡位的土壤速效養分含量變化研究較少。因此,本研究以平涼市域范圍內的人工林地為研究對象,采用野外樣地調查和室內試驗相結合的方法,探究市域內相同坡度條件下,不同坡位對人工林林下土壤速效養分含量及其分布特征的影響,以期為構建平涼市域范圍內人工林地綜合管理體系、提高人工林林下土壤質量提供理論依據。

1 研究區概況

研究區選在甘肅省東部的平涼市,地理坐標北緯34°54′～35°43′、東經107°45′～108°30′,海拔890～2 857 m,整體地勢西高東低,氣候垂直差異明顯;屬溫帶大陸性半干旱半濕潤氣候區,年均氣溫8.8 ℃,不同地區年均降水量479.3～637.6 mm;地貌屬典型的黃土高原區地貌類型,土壤類型包括黃綿土、黑壚土、灰褐土、紅砂土、山地草甸土、青灰土等,以黃土母質發育的黃綿土為主;是我國西北典型的生態環境脆弱區,自退耕還林工程實施以來,主要通過人工種植的方式育有刺槐、山杏、小葉楊、山毛桃等人工林。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在前期調研和劃分組別的基礎上,于2022年6月初在平涼市靜寧、莊浪、崆峒、涇川、靈臺5縣(區)內選取66塊具有代表性且坡度相同的人工林樣地,每塊樣地面積均為100 m2(10 m×10 m),其中坡頂、上坡位、中坡位、下坡位樣地分別為19、21、17、9塊。

2.2 樣品采集及測定

2.3 數據處理方法

利用Microsoft Excel 2019軟件整理數據,通過SPSS 26.0軟件進行描述性統計和相關性、顯著性分析,采用Origin 2022軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 人工林土壤養分描述性統計分析

表1 人工林土壤養分指標描述性統計分析

3.2 坡位對土壤養分的影響分析

圖1 不同坡位人工林土壤含量

圖2 不同坡位人工林土壤含量

2)坡位對土壤AP含量的影響。圖3為不同坡位人工林土壤AP含量。由圖3可以看出,隨坡位下降,不同坡位人工林土壤AP含量整體呈先增大后減小的變化趨勢,其變化范圍為5.42～13.99 mg/kg。除下坡位外,坡頂、上坡位、中坡位的各土層深度AP含量均隨土層深度增加而遞減,分別由土壤表層(0～<20 cm)的最大值10.63、12.33、13.99 mg/kg,逐步減少到土壤深層(80～100 cm)的最小值5.42、6.19、6.03 mg/kg,降幅分別為49.01%、49.80%、56.90%。對不同坡位人工林土壤AP含量進行均值化處理,結果表明土壤AP含量上坡位>中坡位>坡頂>下坡位,對應的土壤AP含量平均值分別為8.84、8.76、8.55、8.20 mg/kg。

圖3 不同坡位人工林土壤AP含量

3)坡位對土壤AK含量的影響。不同坡位人工林土壤AK含量變化趨勢見圖4。隨坡位下降,人工林土壤表層(0～<20 cm)AK含量整體呈遞減趨勢,坡頂(205.77 mg/kg)>上坡位(198.47 mg/kg)>中坡位(177.84 mg/kg)>下坡位(130.35 mg/kg)。土壤AK含量最大值出現在坡頂土壤表層(0～<20 cm);最小值出現在下坡位土壤深層(80～100 cm),為56.96 mg/kg。通過對各樣地不同坡位0～100 cm土層土壤AK含量數據進行均值化處理,分析結果表明,AK含量平均值隨坡位變化規律表現為上坡位>坡頂>中坡位>下坡位,對應的數值依次為109.61、106.78、97.96、76.81 mg/kg,其中上坡位、坡頂數值差異較小,相比之下中坡位和下坡位則有較為明顯的下降。

圖4 不同坡位人工林土壤AK含量

3.3 土壤速效養分相關性分析

表2 土壤速效養分間的相關性

4 討論

4.1 人工林土壤養分的空間異質性

4.2 不同坡位土壤養分的空間變化

磷是植被生長的必需營養元素之一,直接影響植被生長發育過程中對其他營養元素的代謝能力[19］。凋落物中的磷是表層土壤磷的主要來源,測定土壤中的AP含量能較全面地說明土壤磷素肥力的供應情況[12］。本研究結果表明,不同坡位間AP含量差異較大,除下坡位外,同一坡位的AP含量表現為隨土層深度的增加而不斷減小,這與蘇妮爾等[3］和曹小玉等[20］的研究結果基本一致。這可能是因為在冠層的遮陰作用下,表層土壤潮濕更有利于枯落物層的腐殖化過程,從而產生更高含量的土壤AP堆積。

AK是影響植物生長發育的重要指標,容易受到氣候、植被和腐殖質等因素的影響[20］。本研究表明,在土壤表層(0～<20 cm)AK含量表現為坡頂>上坡位>中坡位>下坡位,且呈明顯的表聚現象,這與邢啟鑫等[21］對于陰坡不同坡位表層土壤AK含量的研究結果一致。分析其原因,可能是因為研究區人工林表層大多被植被所覆蓋,土壤受雨水淋溶作用較弱,且凋落物被微生物分解,從而有利于土壤AK的積累與養分含量的保持[22］。AK含量平均值表現為上坡位>坡頂>中坡位>下坡位,且人工林土壤AK含量隨著土層深度的增加而減少,這是因為研究區土壤主要為富鉀土壤,表層大量枯枝落葉分解產生AK,使表層AK含量升高,而人工林根系主要吸收深層土壤中的AK,因此深層土壤AK含量逐漸減少[23］。

5 結論