不同干擾方式形成的內蒙古大興安嶺白樺次生林的土壤肥力1)

翟凱濤 梁晶文 李靜 王冰 薩如拉

(內蒙古農業大學,呼和浩特,010018)

土壤的理化性質和土壤肥力之間密不可分,土壤中的有機質質量分數越高,土壤的通氣性、保水性、肥力越好[1]。土壤肥力和地上植物生長之間,存在著相互促進和相互制約的關系。土壤肥力的高低直接影響著植物的營養狀況[2],較高的土壤肥力有利于植物的生長,而過高的土壤肥力也會對地上植物的生長產生負面影響[3]。

干擾是改變森林結構的一種常見現象,不同類型和不同強度的干擾會對森林生態系統演替進程產生不同程度的影響,進而影響森林生態系統的可持續發展[4]。火燒干擾后,森林中會產生大量高溫,迫使土壤中的營養元素大量損失[5-7];此外,在火燒過程中釋放的堿性金屬離子和灰分會使得土壤pH出現增加的趨勢[8-9],燃燒產生的灰分也會間接導致土壤持水能力下降[10]。采伐干擾后,森林植被遭到嚴重破壞,導致土壤理化性質發生變化,促使土壤肥力下降和水土流失,長期以往將嚴重影響森林生態系統的健康發展[11-12]。

白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)次生林廣泛分布在內蒙古大興安嶺北部地區,占其林區39.2%的面積;此外,白樺次生林,有較高的生產力和生態服務功能,有較強的生態恢復能力和生態保護功能。土壤養分狀態通常代表土壤維持生態平衡和環境質量的能力,通過評估土壤肥力對提高林分生產力和森林生態系統的可持續管理具有重要指導意義[13]。通過探究白樺次生林土壤肥力與次生林之間的關系,對大興安嶺地區白樺次生林的管理、利用、保護和恢復都起到重要指導作用,對平衡生態保護和經濟發展之間的關系也起著重要的作用[14-15]。

為此,本研究在內蒙古大興安嶺北部林區(根河林業局的潮查林場、木瑞林場、上央格氣林場),選擇經火燒干擾、漸伐干擾、漸伐干擾后進行補植、皆伐干擾、未干擾形成的白樺次生林設置樣地;在每個樣地內采用環刀法在土層深度(h)0

1 研究地概況

本研究區位于內蒙古大興安嶺北部林區,分別在根河林業局的潮查林場(50°54′18.61″～50°54′36.73″N、121°32′15.55″～121°32′20.88″E)、木瑞林場(51°5′47.02″～51°5′47.66″N、121°40′5.33″～121°40′5.39″E)、上央格氣林場(50°34′31.036″～50°34′32.309″N、121°3′22.005″～121°3′23.180″E)設置樣地。研究區主要以平緩的山地為主,海拔為700～1 530 m,年平均氣溫為-5.3 ℃,平均年降水量500 mm。土壤類型主要以棕色針葉林土為主,含砂粒及石礫較多,土壤呈酸性。研究區物種資源豐富,森林以興安落葉松(Larixgmelini)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)為主,林下灌草主要有杜香(LedumpalustreL.)、杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch.)、苔草(CarextristachyaThunb.)、抱草(MelicavirgataTurcz.)等。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

在研究區內,選擇經火燒干擾(重度火燒H1、中度火燒H2)、漸伐干擾(重復樣地S1、重復樣地S2)、漸伐干擾后進行補植(重復樣地S3、重復樣地S4)、皆伐干擾(ML)、未干擾(MB)形成的白樺次生林,共設置8塊樣地。在每個樣地內按對角線均勻設置3個土壤樣方,在取樣前先去除土壤表面腐殖層,分別在土層深度(h)0

2.2 土壤樣品的理化性質測定方法

本研究共選取土壤含水量、pH、有機質質量分數、全氮質量分數、全磷質量分數、全鉀質量分數、速效氮質量分數、速效磷質量分數、速效鉀質量分數,共計9個指標。土壤含水量,采用環刀、烘干稱質量法測定;土壤pH,采用pH計、電位法測定;土壤有機質質量分數,采用油浴鍋、重鉻酸鉀法測定;土壤全氮質量分數,采用開氏定氮儀、高氯酸-硫酸消化法測定;土壤全磷質量分數,采用分光光度計、高氯酸-硫酸消化法測定;土壤全鉀質量分數,采用原子吸收儀、氫氟酸-高氯酸消化法測定;土壤速效氮質量分數,采用開氏定氮儀、氯化鈉溶液浸提法測定;土壤速效磷質量分數,采用分光光度計、碳酸氫鈉溶液浸提法測定;土壤速效鉀質量分數,采用原子吸收儀、醋酸銨溶液浸提法測定。

2.3 土壤肥力的評價方法

本研究通過選取9個土壤指標,參照全國第二次全面土壤普查所確定的分類等級(見表1)對所選指標進行評級,并利用改進后的內梅羅綜合指數法中的土壤各屬性分級標準(見表2)對所選的土壤指標參數進行標準化處理,以消除各參數之間的量綱差別[16-17]。標準化處理的方法：

表1 全國第二次全面土壤普查確定的分類等級

表2 內梅羅評定方法中土壤各屬性分級標準

Fi=Ci/Xa,Ci≤Xa;

Fi=1+(Ci-Xa)/(Xc-Xa),Xa≤Ci≤Xc;

Fi=2+(Ci-Xc)/(Xp-Xc),Xc≤Ci≤Xp;

Fi=3,Ci>Xp。

利用改進的內梅羅綜合指數法對土壤肥力進行綜合評價,修正的內梅羅計算公式：

按照內梅羅計算公式算出各樣地的土壤綜合肥力指數(F),并按照土壤綜合肥力分級標準(土壤綜合肥力分級指數F<0.9為貧瘠、0.9≤F<1.8為中等、1.8≤F<2.7為肥沃、F≥2.7為很肥沃)評價不同樣地的土壤肥力。

2.4 植物群落物種豐富度指數計算方法

Margalef豐富度指數(Ma)反映群落物種豐富度,均勻度指數反應群落物種均勻性大小。

Ma=(S-1)/lnN。

式中：S為總物種數;N為總個體數。

2.5 數據處理

本研究利用Excel2003對試驗數據進行統計處理,計算各樣地間的土壤肥力值以及植物豐富度。采用改進的內梅羅綜合指數法綜合評價土壤肥力、采用Margalef豐富度指數法分析群落物種豐富度、采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析各土壤因素間顯著性、采用皮爾遜(Pearson)相關性分析法分析土壤因素與植物多樣性的相關性。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質統計量分析

結合全國第二次土壤普查確定的分類等級(見表1)和土壤各指標統計量計算結果(見表3)對比可見：土壤含水量范圍22.9%～76.2%,均值達到較高水平;土壤有機質質量分數范圍35.732 8～201.814 9 g/kg,均值達到較高水平;土壤全氮質量分數范圍0.191 7～1.402 g/kg,均值處于低水平;土壤全磷質量分數范圍0.517 0～1.709 3 g/kg,均值達到較高水平;土壤全鉀質量分數范圍20.261 9～263.998 2 g/kg,均值達到較高水平;土壤速效氮質量分數范圍15.50～30.06 mg/kg,均值處于較低水平;土壤速效磷質量分數范圍14.83～44.40 mg/kg,均值達到較高水平;土壤速效鉀質量分數范圍176.83～432.10 mg/kg,均值達到較高水平。此外,土壤pH范圍4.96～6.48,整體上呈弱酸性。

表3 土壤理化性質統計量計算結果

在土壤科學中,樣本在某種程度上的變異程度通常用變異系數(Cv)表示,弱變異是035%[18]。由表3可見：土壤pH、全鉀質量分數、含水量都屬于弱變異,土壤速效氮質量分數、速效磷質量分數、速效鉀質量分數屬于中等變異,土壤有機質質量分數、全氮質量分數、全磷質量分數都屬于強變異。變異程度越大,空間離散特征越大,說明土壤pH、全鉀質量分數、含水量分布較均勻,土壤有機質質量分數、全氮質量分數、全磷質量分數分布較分散。

3.2 不同干擾方式對白樺次生林土壤理化性質的影響

由表4可見：不同干擾方式時,內蒙古大興安嶺白樺次生林2層土壤中,除上下2層的全鉀質量分數、速效鉀質量分數以及10 cm

3.3 不同干擾方式對白樺次生林植被豐富度的影響

本研究采用Margalef豐富度指數(Ma)表示不同樣地間喬灌草的豐富度,即Ma越大,表示群落中物種數量越多。由圖1可見：不同干擾方式的白樺次生林,草本的Ma為0.955、灌木的Ma為0.708,均較高;而喬木的Ma為0.232,較低。漸伐補植樣地S4、皆伐樣地(ML)的喬木豐富度,均高于均值;而火燒樣地H2,因為是白樺純林,所以其樣地喬木豐富度為零,遠低于均值;其他樣地喬木豐富度,與均值相差極小。漸伐補植樣地S3、漸伐樣地S1、火燒樣地H1的灌木豐富度,均遠高于均值;火燒樣地H2、漸伐補植樣地S4的灌木豐富度,與均值相差極小;漸伐樣地S2、皆伐樣地(ML)、未干擾樣地(MB)的灌木豐富度,均低于均值;皆伐樣地(ML)、未干擾樣地(MB)的灌木豐富度,均遠低于均值。未干擾樣地(MB)、漸伐補植樣地S4的草本豐富度,均遠高于均值;皆伐樣地(ML)、火燒樣地H2、漸伐樣地S1的草本豐富度,與均值相差極小;火燒樣地H1、漸伐補植樣地S3、漸伐樣地S2的草本豐富度,均遠低于均值;漸伐樣地S2的草本豐富度最低。

ML為皆伐干擾、MB為未干擾、H1為火燒干擾的重度火燒、H2為火燒干擾的中度火燒、S1為漸伐干擾的重復樣地1、S2為漸伐干擾的重復樣地2、S3為漸伐干擾后進行補植的重復樣地3、S4為漸伐干擾后進行補植的重復樣地4。

3.4 不同干擾方式對白樺次生林土壤肥力指數的影響

結合土壤綜合肥力分級標準和土壤肥力內梅羅綜合指數(見表5)可見：不同干擾后白樺次生林土壤綜合肥力系數范圍為1.22～1.63,土壤肥力均處于中等水平;經過皆伐、漸伐后補植、未干擾的樣地土壤肥力更高些,而經過火燒、漸伐干擾的樣地土壤肥力更低些。對比2層土壤綜合肥力,除漸伐樣地S2、漸伐補植樣地S4外,其余樣地0

表5 不同干擾后白樺次生林土壤肥力內梅羅綜合指數

3.5 土壤各因素對土壤肥力影響的主成分分析

本研究分別采用抽樣適合性檢驗(KMO檢驗)、巴特利(Bartlet)球形檢驗,檢查土壤因素間的偏相關性、各土壤因素間的相關性程度。通過計算,得到本研究的KMO取樣適切性量數為0.633、顯著性P<0.01,表明各土壤因素間有較強相關性,可以用于土壤各因素對土壤肥力影響的主成分分析。

由表6可見：大興安嶺白樺次生林土壤pH、有機質質量分數、全氮質量分數、全磷質量分數、全鉀質量分數、含水量、速效氮質量分數、速效磷質量分數、速效鉀質量分數的特征值和貢獻率存在一定的差異。前3個主成分的特征值均大于1,累計方差貢獻率達到89.291%,說明3個主成分基本可以反映整個土壤指標信息。在主成分分析過程中,為減少3個主成分之間的相關性,采用凱撒正態化最大方差法得到旋轉后的成分矩陣(見表7);根據各指標在某一主成分的載荷大小確定其影響程度,土壤有機質質量分數、全氮質量分數2項指標,對主成分1貢獻較大(載荷值均超過0.92),是影響土壤肥力的主要因素,這與土壤肥力內梅羅綜合指數得出的結論類似。

表7 土壤各個指標對3個主成分的貢獻值(載荷值)

3.6 土壤各因素與植物豐富度的相關性

由圖2可見：土壤有機質質量分數與喬木豐富度相關性最強,土壤速效氮質量分數與喬木豐富度相關性最弱;土壤有機質質量分數、全氮質量分數、速效鉀質量分數、速效磷質量分數、含水量、pH、全磷質量分數都與喬木豐富度呈正相關,其中土壤有機質質量分數與喬木豐富度呈顯著正相關(P<0.05),土壤全鉀質量分數、速效氮質量分數與喬木豐富度呈負相關。土壤全磷質量分數與灌木豐富度相關性最強,土壤全鉀質量分數與灌木豐富度相關性最弱;土壤速效氮質量分數、含水量與灌木豐富度呈正相關,土壤全磷質量分數、pH、全氮質量分數、速效氮質量分數、速效鉀質量分數、速效磷質量分數、有機質質量分數、全鉀質量分數都與灌木豐富度呈負相關,其中土壤全磷質量分數與灌木豐富度呈顯著負相關(P<0.05)。土壤速效氮質量分數與草本豐富度相關性最強,土壤速效磷質量分數與草本豐富度相關性最弱;土壤pH、全氮質量分數、有機質質量分數、全磷質量分數、速效鉀質量分數、含水量都與草本豐富度呈正相關,其中土壤pH與草本豐富度呈顯著正相關(P<0.05),土壤速效氮質量分數、全鉀質量分數、速效磷質量分數與草本豐富度呈負相關,其中土壤速效氮質量分數與草本豐富度呈顯著負相關(P<0.05)。

TN為全氮質量分數、AK為速效鉀質量分數、pH為土壤酸堿度、TP為全磷質量分數、AP為速效磷質量分數、SOM為有機質質量分數、MC為土壤含水量、AN為速效氮質量分數、TK為全鉀質量分數。顏色深度表示相關性強度,顏色越深相關性越強;冷暖色表示正負關系,暖色系代表正相關,冷色系代表負相關。圖例中的數據0.5、0、-0.5為相關系數,*表示顯著相關(P<0.05)。

4 討論

土壤養分是評價土壤肥力的主要指標,其存在形式和含量大小會直接影響植物的生長情況[18]。土壤中有機質質量分數越高,通常表明土壤肥力越高;土壤有機質是土壤氮元素、磷元素、鉀元素主要來源之一[19]。土壤中速效元素(N、P、K)質量分數大小是對土壤營養供給能力展現的核心指標,對植被的生長過程也起到重要作用[20]。土壤pH大小會影響土壤養分的存在形式和含量大小,也會影響植物根系的生長和其對養分的吸收[21],當土壤pH處于中性條件附近時土壤養分的有效性最大[22]。本研究中,土壤pH呈弱酸性,土壤養分較豐富,其中有機質質量分數、鉀元素質量分數、磷元素質量分數很高,但是氮元素質量分數卻很低,而且在本研究中土壤有機質質量分數、全氮質量分數是評價土壤肥力的主要影響因子。土壤全氮質量分數偏低的原因是,土壤氮素主要來源于動植物殘體分解[23],但是大興安嶺地區氣候寒冷干燥,導致植物生長緩慢和微生物分解能力不足,才導致氮素的積累不足。

森林經過嚴重干擾后,森林土壤環境和地上植物都會遭到巨大破壞,導致土壤養分大量流失,降低土壤的肥力;但是,通過合理的補植和人工改造種植,可以改善土壤質量和土壤肥力[24-25],土壤肥力甚至能恢復到未破壞前的狀態。本研究中,經過皆伐、漸伐后補植、未干擾樣地,土壤肥力更高些;而經過火燒、漸伐干擾樣地,土壤肥力更低些,土壤有機質質量分數、全氮質量分數、速效磷質量分數、速效鉀質量分數等營養元素,都明顯低于皆伐、漸伐后補植、未干擾樣地。

不同方式的干擾對森林更新的影響不同,火燒干擾可以促進土壤營養元素的快速循環,有利于林下植被的更新與恢復[26];火燒干擾將喬木幾乎燒毀,給予灌木大量生存空間,灌木可以優于喬木先行恢復,此外灌木的恢復也會影響草本的恢復速度[27]。本研究中,經過火燒后,灌木豐富度較高,而喬木、草本豐富度較低。經過漸伐補植后、未干擾,灌木、草本豐富度都較高;而經過漸伐、皆伐后,灌木、草本豐富度都較低,漸伐后草本豐富度更低。

氮元素是植被生長的主要限制因子,磷元素對植被生長有調節作用,鉀元素對植被生長影響很小[28]。本研究中,土壤有機質質量分數與喬木豐富度具有強烈的相關關系,土壤全磷質量分數與灌木豐富度具有強烈的相關關系,土壤速效氮質量分數與草本豐富度具有強烈的相關關系,表明土壤有機質、磷元素、氮元素對植被恢復過程中起到重要作用,而鉀元素只有細微作用。

5 結論

本研究表明,不同干擾后白樺次生林的土壤含水量、有機質質量分數、磷元素質量分數、鉀元素質量分數十分豐富,而氮元素質量分數卻較為缺乏。白樺次生林的土壤肥力整體上都處于中等水平,經過皆伐、漸伐后補植、未干擾土壤肥力更高些,而經過火燒、漸伐干擾土壤肥力更低些。土壤有機質質量分數、全氮質量分數是影響白樺次生林土壤肥力的主要因素。土壤有機質質量分數與喬木豐富度之間、全磷質量分數與灌木豐富度之間、pH與草本豐富度之間、速效氮質量分數與草本豐富度之間,均有強烈的相關關系。白樺次生林的草本、灌木的豐富度較高,喬木豐富度較低。