冀北山地華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分空間分布研究

冀北山地華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分空間分布研究

森林土壤是在綜合森林因子的作用下形成的一種土壤資源。這是地球上最大的土壤資源。作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分之一,不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)中生命活動(dòng)的主要場(chǎng)所,也是森林生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化的重要樞紐。土壤是一個(gè)由生物及非生物組成的復(fù)雜綜合體,是植物和微生物等生存的主要載體,有集散、轉(zhuǎn)化、傳遞物質(zhì)和能量的作用。土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)劣是土壤物理、化學(xué)、生物等因素耦合的結(jié)果,是土壤從環(huán)境條件和營(yíng)養(yǎng)條件兩方面供應(yīng)和協(xié)調(diào)作物生長(zhǎng)發(fā)育的能力。理化性質(zhì)在不同海拔梯度上呈現(xiàn)出空間異質(zhì)性分布。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)有關(guān)專家等在四川臥龍自然保護(hù)區(qū)、雪峰山、巴東、滇東等山地,分析了海拔對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響。華北落葉松是冀北山地分布最廣的造林樹(shù)種,關(guān)于華北落葉松人工林的研究主要集中在密度調(diào)控、撫育間伐、生物量和生產(chǎn)力等方面,山地不同海拔對(duì)華北落葉松土壤養(yǎng)分影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此,本試驗(yàn)對(duì)冀北山地不同海拔的華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律以及有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究,旨在為選擇適宜華北落葉松人工林生長(zhǎng)的適宜海拔提供一定的借鑒。1半干旱性山地氣候區(qū)研究區(qū)位于河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局下屬的北溝林場(chǎng),地處內(nèi)蒙古高原和冀北山地的匯接地帶,地理坐標(biāo)(41°35′~42°06′N(xiāo),116°51′~117°45′E),屬于中溫帶向寒溫帶過(guò)渡、半干旱向半濕潤(rùn)過(guò)渡、大陸性季風(fēng)型高原山地氣候。海拔750~1829m,年均降水量380~560mm,年平均氣溫-1.4~4.7℃,土壤主要類型為棕壤。研究區(qū)喬木樹(shù)種主要有:白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidilana)、油松(Pinustabulaeformis)和蒙古櫟(Quercusmongolica)等。2樣地選擇與調(diào)查2011年8月底在北溝林場(chǎng)東溝作業(yè)區(qū)調(diào)查不同海拔的28~30年生華北落葉松人工林,選取4個(gè)代表性的地段作為標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行采樣分析,樣地面積為30m×30m,對(duì)其進(jìn)行每木檢尺,各樣地基本特征見(jiàn)表1。2.1測(cè)定項(xiàng)目及方法在4個(gè)樣地內(nèi),各挖取3個(gè)土壤剖面,按0~10,10~20,20~40cm分層取樣,將所取土壤樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干后進(jìn)行分析。土壤pH值采用2.5∶1的水土比,用電位計(jì)法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀氧化-容量法;土壤全氮采用硫酸鉀-硫酸銅-硒粉消煮,定氮儀自動(dòng)分析法;土壤水解性氮采用堿解擴(kuò)散法;土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法;土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;土壤速效鉀采用中性乙酸銨提取-火焰光度計(jì)法。以上分析方法見(jiàn)土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法。2.2變異系數(shù)大小的大小土壤養(yǎng)分的空間變異是土壤性質(zhì)的內(nèi)在反映,能夠區(qū)別不同土壤養(yǎng)分對(duì)外界條件的敏感性。本研究采用養(yǎng)分變異系數(shù)來(lái)反映土壤養(yǎng)分異質(zhì)性。變異系數(shù)的大小反映了特性參數(shù)的空間變異程度,一般認(rèn)為,CV<0.1為弱變異性,0.1≤CV≤1.0為中等變異性,CV>1.0為強(qiáng)變異性。試驗(yàn)采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中單因素方差分析(ANOVA)分析冀北山地海拔對(duì)華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分的影響,差異程度采用Ducan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較,各養(yǎng)分含量之間的關(guān)系采用雙變量相關(guān)分析。3結(jié)果與分析3.1不同高度土壤養(yǎng)分的基本情況3.1.1個(gè)海表土壤深度的ph值分布特征土壤pH是反映土壤酸堿度的重要指標(biāo),它影響著土壤中養(yǎng)分存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化以及其有效性,對(duì)土壤肥力狀況有很大的影響。林木的生長(zhǎng)都有其適宜的pH范圍,超出這一范圍,林木生長(zhǎng)將會(huì)受到影響。土壤pH值會(huì)隨著植被所處的海拔不同和人為干擾強(qiáng)度的差異而有所變化。華北落葉松人工林不同海拔土壤的pH值介于4.850~6.377之間,海拔1800m的pH值最大(均值為6.241),明顯高于其他3個(gè)海拔的pH值(均值分別為5.282,5.369,5.529),這可能與海拔越高,土壤的水熱條件相對(duì)有關(guān),海拔比較高時(shí)凋落物的分解速率也比較慢。經(jīng)方差分析,海拔1800m華北落葉松的20~40cm土層極顯著(P<0.01)高于表層0~10cm和亞層10~20cm。海拔1420m土壤剖面的各個(gè)層次的pH值都小于海拔1800m的,而與海拔1320m、海拔1190m相比,表層0~10cm和亞層10~20cm的pH值低于海拔1320m、海拔1190m的值,20~40cm土層的pH值高于海拔1320,1190m。而海拔1420,1320m土壤剖面的3個(gè)土層之間都具有極顯著差異(P<0.01),但是海拔1190m的3個(gè)土層之間沒(méi)有差異,說(shuō)明海拔比較低時(shí),土壤剖面的酸度比較均勻,性質(zhì)比較一致。總體來(lái)說(shuō),隨土壤深度的增加土壤pH值有增加的趨勢(shì)(見(jiàn)表2)。0~10,10~20,20~40cm土層的變異系數(shù)分別是0.079,0.102,0.113,0~10cm土壤pH的空間變異系數(shù)<0.1,為弱變異性,10~20,20~40cm的空間變異為中等變異,土層越深變異系數(shù)越大(見(jiàn)表2)。3.1.2有機(jī)含量隨地表質(zhì)量的變化土壤有機(jī)質(zhì)在土壤中的地位尤為重要,它是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素,特別是氮和磷的重要來(lái)源,是衡量土壤健康的重要指標(biāo)之一。在不同海拔的高度上,土壤有機(jī)質(zhì)含量存在著差異。由表3可以看出:不同海拔華北落葉松人工林的土壤有機(jī)質(zhì)含量整體上隨土層深度增加而顯著減小。其中表層0~10cm土壤有機(jī)質(zhì)含量均明顯高于亞層(10~20cm),只有海拔1190m的華北落葉松土壤亞層略高于表層,有可能是因?yàn)闃拥氐姆敲芸紫抖缺韺邮莵唽拥?倍,可能會(huì)使有機(jī)物隨流水下移在亞層堆積,致使表層有機(jī)質(zhì)含量小于亞層,也有可能是在間伐過(guò)程中破壞表層土壤,而導(dǎo)致表層有機(jī)質(zhì)含量小于亞層。對(duì)于不同海拔的華北落葉松的土壤剖面的有機(jī)質(zhì)而言,海拔1800m的土壤剖面值最大(均值為37.317g/kg),顯著高于其他3個(gè)低海拔的值(均值分別為12.327,7.480,14.939g/kg)。森林土壤中,隨著海拔升高水分適宜,有利于有機(jī)質(zhì)的積累。海拔1420,1320,1190m的比海拔1800m的植物群落較多,土壤微生物活動(dòng)劇烈,土壤中有機(jī)質(zhì)分解較快,所以含量比較低。海拔1320m的華北落葉松人工林的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低,可能的原因是山地降水的垂直空間分布規(guī)律再加上林地坡度最大,土壤有機(jī)質(zhì)含量受徑流沖刷的影響。經(jīng)方差分析,不同海拔華北落葉松人工林0~10,10~20,20~40cm土層的有機(jī)質(zhì)含量為極顯著性差異(P<0.01)。不同海拔0~10cm表層土壤有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)為0.591,屬于中等變異,10~20,20~40cm土層各海拔的有機(jī)質(zhì)含量變異系數(shù)分別為0.773,1.029,屬?gòu)?qiáng)度變異,說(shuō)明不同海拔的土壤有機(jī)質(zhì)的含量差異比較大(見(jiàn)表3)。3.1.3土壤速效鉀的分布規(guī)律土壤鉀的含量不僅受成土母質(zhì)的影響,而且還與植被和土壤水分的淋洗狀況等有關(guān)。不同海拔華北落葉松人工林表層土壤速效鉀含量均為最高,海拔1800m的表層土壤速效鉀值最大,達(dá)到(425.312±4.809)mg/kg,分別是海拔1420,1320,1190m表層土壤速效鉀的2.044,1.474,2.902倍。10~20cm和20~40cm的分布規(guī)律與上述表層0~10cm的分布規(guī)律一致。從土壤剖面來(lái)看,土壤速效鉀含量隨土層深度增加呈顯著減小,其與土壤有機(jī)質(zhì)含量分布規(guī)律一致。經(jīng)方差分析,不同海拔的華北落葉松的土層之間的速效鉀含量都具有極顯著性差異(P<0.01)。0~10,10~20、20~40cm3個(gè)土層的速效鉀的變異系數(shù)分別是0.451,0.611,0.564,都屬于中等變異(見(jiàn)表4)。3.1.4土壤全氮含量隨林分深度的變化土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況及其有效性的重要指標(biāo)。由于不同海拔的水熱條件和土壤的物理性質(zhì)有所不同,凋落物含氮量、葉子分解速度不同,各不同海拔土壤的全氮含量也就存在差異。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查分類標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為,土壤全氮>2.0g/kg為一級(jí),<0.5g/kg為6級(jí)。由表5可知,4個(gè)海拔的華北落葉松人工林的土壤全氮含量比較低,均在0.5g/kg以下。海拔1800m的表層全氮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他海拔水平,是含量最低的海拔1320m的6.8倍。經(jīng)方差分析,只有海拔1800m的3個(gè)土層之間全氮含量具有極顯著差異(P<0.01),海拔1320m的表層含量極顯著高于亞層(10~20cm)和20~40cm的土層,其他2個(gè)海拔的華北落葉松土壤含量各土層之間沒(méi)有極顯著差異(P<0.01)?？傮w來(lái)說(shuō),隨土壤深度的增加土壤全氮含量有逐漸減小的趨勢(shì)。全氮在不同海拔華北落葉松的3個(gè)土層土壤養(yǎng)分含量中,海拔1800m的含量明顯高于其他3個(gè)海拔的值,其他3個(gè)海拔在同一土層之間沒(méi)有極顯著差異,只有海拔1320m的土壤亞層的含量明顯較低。其中3個(gè)土層的全氮變異系數(shù)分別是1.020,1.064,0.987,土壤0~10cm,10~20cm土層屬于強(qiáng)度變異,20~40cm屬于中度變異。堿解氮是反映土壤供氮能力的一個(gè)重要指標(biāo),能夠反映出近期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)狀況,而且能夠比較靈敏地反映土壤氮素動(dòng)態(tài)和供氮水平。不同海拔華北落葉松人工林中,隨著土壤深度的增加堿解氮的含量逐漸減少。海拔1800m的整個(gè)土層的土壤堿解氮含量平均值為203.000mg/kg,而其他3個(gè)海拔的含量分別是76.339,51.606,76.572mg/kg,因此,海拔1800m的華北落葉松人工林土壤堿解氮含量明顯高于其他海拔。經(jīng)方差分析,海拔1420,1320,1190m的土層之間堿解氮含量都具有極顯著性差異(P<0.01)。0~10,10~20,20~40cm土層不同海拔之間堿解氮的變異系數(shù)分別是0.571,0.713,0.800,屬于中度變異。(見(jiàn)表5)。3.1.5土壤全磷和慢速磷含量土壤磷素含量在一定程度上反映土壤中磷素的貯量和供應(yīng)能力,可表征土壤的供磷狀況,也是診斷土壤有效肥力的指標(biāo)之一。海拔1800m的整個(gè)土層全磷含量平均值為0.163g/kg,明顯高于海拔1420,1320,1190m的含量(分別為0.039,0.022,0.057g/kg),其中海拔1320m的土壤全磷含量最低。海拔1800m的10~20,20~40cm的全磷含量大于土壤表層0~10cm的,且3個(gè)土層之間差異不顯著。海拔1420m和海拔1190m的3個(gè)土層之間具有極顯著性差異(P<0.01)。海拔1320m的3個(gè)土層之間差異不顯著。0~10,10~20,20~40cm的3個(gè)土層變異系數(shù)分別是0.768,0.941,1.013。速效磷的含量是海拔1800m整個(gè)土層平均值最高,海拔1420m的含量最小。其中海拔1190m的20~40cm土層的含量顯著高于表層0~10cm和亞層10~20cm。速效磷的3個(gè)土層的變異系數(shù)分別是0.890,0.877,0.984,都是屬于中等變異(見(jiàn)表6)。3.2各因素的相關(guān)關(guān)系及有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析考察有機(jī)質(zhì)與其他養(yǎng)分之間的相關(guān)性,可以充分了解它們之間相互作用、相互影響的情況。有機(jī)質(zhì)與全氮(r=0.925,P<0.01)、堿解氮(r=0.983,P<0.01)、全磷(r=0.838,P<0.01)速效鉀(r=0.818,P<0.01)之間的相關(guān)關(guān)系非常密切,相關(guān)性達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系,尤其是與堿解氮的關(guān)系最為密切;而有機(jī)質(zhì)與pH(r=0.568,P<0.05)的相關(guān)關(guān)系密切,相關(guān)性達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系;而與速效磷的為負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.140(見(jiàn)表7)。4土壤養(yǎng)分含量通過(guò)對(duì)冀北山地不同海拔華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分狀況分析,得出結(jié)論:冀北山地不同海拔華北落葉松人工林土壤pH值介于4.850~6.377之間,pH值隨土壤深度增加而增加。土壤全氮、全磷、速效鉀均隨著土壤深度的增加而降低。土壤有機(jī)質(zhì)含量是海拔1800m的整個(gè)土層含量最高(均值為37.317g/kg),顯著高于海拔1420,1320,1190m的值(均值分別為12.327,7.480,14.939g/kg)。土壤速效鉀含量是海拔1800m的華北落葉松人工林表層值最大,為(425.312±4.809)mg/kg。研究樣地的土壤全氮含量比較低,均在0.5g/kg以下。堿解氮含量海拔1800m的整個(gè)土層平均值最大,為203.000mg/kg,而其他海拔1420,1320,1190m的含量分別是76.339,51.606,76.572mg/kg。全磷含量海拔1800m的整個(gè)土層的值最大,為0.163g/kg,明顯高于其