费县大青山省级自然保护区森林土壤大量养分空间分布特征研究

Research on Spatial Distribution Characteristics of Forest Soil Mass Nutrients in Feixian Daqingshan Provincial Nature Reserve

摘要: 以山东省费县大青山省级自然保护区核心区内23个点位土壤样品(0~60 cm)为研究对象，依照土层发育深度，采集0~20 cm，20~40 cm及40~60 cm土壤样品，测定土壤容重、土壤孔隙特性、土壤pH值、有机碳、有效氮、有效磷和速效钾含量。结果表明：1) 土壤容重分布范围为1.06~1.69 g•cm⁻³；毛管孔隙度分布范围为26.7%~46.6%；非毛管孔隙度分布范围为1.21%~15.6%；总孔隙度分布范围为32.8%~52.2%。2) 土壤pH值分布范围在4.70~7.88；土壤有机碳含量分布范围为0.03~5.17 g•kg⁻¹；土壤铵态氮含量在9.00~15.7 mg•kg⁻¹之间；硝态氮含量在0.37~14.2 mg•kg⁻¹之间；有效磷含量分布范围为17.2~21.5 mg•kg⁻¹；速效钾含量分布范围为63.0~130 mg•kg⁻¹。主成分分析结果发现，随土层深度增加毛管孔隙度、速效钾、NO₃^--N含量呈增加趋势；土壤pH值越高土壤有效磷、NH₄⁺-N含量越低。费县大青山省级自然保护区阔叶林或针阔混交林下林下土壤有机碳含量较高，针叶林下土壤pH值较低，有效磷含量较高，土层深度增加速效钾、NO₃^--N含量增加。

Abstract: Taking the soil (0 - 60 cm) in Daqingshan nature reserve as the research object, soil samples were collected and tested. Results of soil physical and chemical properties showed that: 1) Soil bulk density ranged within 1.06 - 1.69 g•cm⁻³; Capillary porosity was 26.7% - 46.6%; Non-capillary porosity was 1.21% - 15.6%; Total porosity was 32.8% - 52.2%; 2) Soil pH was 4.70 - 7.88; Soil organic carbon content ranged from 0.03 - 5.17 g•kg⁻¹ soil. The ammonium nitrogen content in soil was 9.00 - 15.7 mg•kg⁻¹; The nitrate nitrogen content was 0.37 - 14.2 mg•kg⁻¹; The available phosphorus content was 17.2 - 21.5 mg•kg⁻¹; The content of available potassium ranged from 63.0 - 130 mg•kg⁻¹ soil. Results of principal component analysis showed that: Capillary porosity, soil available potassium and soil nitrate nitrogen were positively correlated with soil depth; Soil pH negatively correlated with soil resin-P and soil ammonium nitrogen concentration. Trough the study conclusion would be soil under broad-leaved forest and mixed broadleaf-conifer forest had much more soil organic carbon, soil under conifer forest had low soil pH and high soil resin-P, while soil available potassium and nitrate nitrogen would increase with soil depth.

1. 引言

土壤养分含量与森林生态系统功能及循环息息相关，是森林生产力的直接影响因子 [1] 。土壤是成土母质在一定水热条件和生物作用下，经过一系列物理、化学和生物过程形成的 [2] ，土壤养分的组成和空间分布特征直接影响土壤生产力的高低 [1] 。而植被类型、海拔和坡度等地形因子又反过来对土壤养分的形成产生内在影响 [3] [4] 。土壤有机碳、有效氮、磷和钾是大量养分的主要因素，也是是土壤养分的重要组成部分，其含量对土壤微生物的数量，凋落物的分解速率以及土壤有机碳和养分的长期积累均有显著影响 [5] [6] 。

目前，国内关于森林土壤肥力的研究多集中于热带和亚热带森林 [7] [8] [9] [10] ，关于温带森林土壤养分的研究相对较少。而土壤孔隙性质、土壤容重、土壤pH值、有机碳、有效氮、磷和钾含量等理化性质和大量养分含量数据的积累，对于研究温带气候下土壤肥力的形成及不同林分类型对林下土壤理化性质和养分含量的影响有重要意义。因此，本文选取费县大青山省级自然保护区内温带森林林下土壤为研究对象，选取核心区主要位点，对其土壤理化性质及大量养分含量进行测定，为后期自然保护区内森林培育提供数据和理论支持。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

费县大青山省级自然保护区地处沂蒙山山脉，前身为国有大青山林场，位于费县东北部，北部与蒙阴、沂南两县交界，西、南、东与薛庄镇相连。地理坐标为东经118˚5'至118˚12'，北纬35˚20'至35˚27'，是典型的温带森林，境内五彩山是蒙山最东端的高峰，海拔762.7米，为费县、沂南两县界山，属于温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，四季分明。

费县大青山省级自然保护区保护区总面积4000 ha，其中核心区950 ha。土壤以片麻岩发育的薄层精骨性棕色森林土为主，植被为针阔叶混交、乔木灌木结合，植被覆盖率达80%以上，有木本植物62科138属294种。其主要林分类型有刺槐(Robinia pseudoacacia L.)人工次生林、黄檀(Dalbergia hupeana Hance)天然次生林、黑松(Pinus thunbergii parl)纯林、松刺混交林和松栎混交林。

2.2. 样品采集

大青山自然保护区核心区为东西向狭长地块，根据林场要求，自东向西选取23个重要点位，挖取土壤剖面，用环刀、铝盒和自封袋分别采集0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm每土层采集3个点土样，然后均匀混合在一起，一部分鲜土用于测定土壤pH值及有效养分含量；一部分土风干磨细后过100目筛保存，用于土壤有机质含量的测定。

2.3. 土样处理及试验方法

土壤样品带回实验室后，鲜土过2 mm筛后装袋放4度冰箱保鲜，一周内测定土壤pH值、土壤铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量，另外利用环刀和铝盒内样品测定土壤含水量、土壤容重和土壤孔隙性质。土壤pH值采用1:2.5土水比，pH计测定；土壤含水量采用重量法测定(105℃烘干)；土壤容重和土壤孔隙度采用环刀法测定；土壤有效氮采用2 mol·L⁻¹氯化钾溶液振荡浸提1小时后，过滤，铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法，吸取滤液2 ml，放入比色管，加入1 ml次氯酸钠溶液，1 ml苯酚溶液，静置1 h后，加入1 ml掩蔽剂，625 nm比色 [11] ；硝态氮含量采用双光束紫外分光光度法测定，吸取4.5 ml滤液加入0.5 ml 2%的氨基磺酸溶液并摇匀，在220 nm和275 nm处测定吸光度并计算硝态氮浓度 [12] ；土壤有效磷含量采用阴离子交换树脂条结合钼蓝比色法测定，称取土样加入超纯水及0.5 mol·L⁻¹ NaHCO₃代换好的树脂条两片，室温下振荡16小时，将树脂条用超纯水洗净后，放入盛有0.5 mol·L⁻¹ H₂SO₄溶液的浸提瓶中振荡1小时，取出树脂条，吸取溶液至50 ml容量瓶，调节溶液pH值，加入钼锑抗显色剂显色后700 nm比色 [13] 。土壤有机碳含量采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定，称取1 g过100目筛的风干土样，加入重铬酸钾溶液和浓硫酸溶液不断摇动，静置20分钟，加入超纯水摇匀静置过夜，吸取上清液于50 ml容量瓶，加入超纯水定容后摇匀，590 nm处比色 [14] ；速效钾含量采用四苯硼钠比浊法测定，称取过2 mm筛风干土样加入硝酸钠溶液，室温下振荡5分钟，吸取滤液加入甲醛-EDTA掩蔽剂，摇匀，加入四苯硼钠溶液后摇匀，静置15~30分钟，再次摇匀后420 nm处比色 [14] 。

2.4. 数据分析

采用SPSS 16.0将原始数据标准化消除量纲影响；采用软件Canoco 4.5对土层深度、理化性质及养分含量进行去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis, DCA)发现轴长小于3，适用主成分分析法；采用主成分分析(principal components analysis, PCA)对数据进行进一步分析。

3. 结果与分析

3.1. 土壤物理性质

土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，也是土壤质量的重要参考数据 [15] [16] 。从表1可见，费县大青山省级自然保护区林下土壤容重范围为1.06~1.69 g·cm⁻³之间，均值为1.33 g·cm⁻³，0~20 cm土层容重范围为1.06~1.62 g·cm⁻³；20~40 cm土层容重范围为1.21~1.61 g·cm⁻³。

土壤孔隙度是土壤中空气、水分、微生物等的迁移通道、贮存和活动场地，其数量是土壤物理性质的基础，也是评价土壤结构特征的重要指标 [15] [17] 。从表1可见，费县大青山自然保护区土壤毛管孔隙度变动在26.7%~46.6%，平均值为35.2%；非毛管孔隙度变动在1.21%~15.6%，平均值为6.48%；总孔隙度变动在32.8%~52.2%，平均值为41.7%。表1表明随着土壤深度增加，土壤孔隙度呈递减趋势。

Table 1. Soil physical properties of forest soil mass nutrients in feixian Daqingshan provincial nature reserve

表1. 费县大青山省级自然保护区森林土壤物理性质

3.2. 土壤化学性质

3.2.1. 土壤pH值

土壤pH值是土壤重要的化学性质之一，它直接影响着植物的生长和微生物的活动以及土壤的其它性质与肥力状况 [15] 。数据表明(见表2)，费县大青山自然保护区土壤土层pH范围为4.70~7.88，平均为5.69，0~20 cm土层范围为4.7~6.31；20~40 cm土层范围为4.92~6.37，上层土壤pH比下层土壤pH稍低。大青山自然保护区内不同林分类型下土壤pH略有变化，土壤pH自东向西逐渐降低，与自然保护区内自东向西针叶林分布所占比例越来越大有关，研究表明，针叶林会使土壤pH值降低 [18] 。

Table 2. Soil chemical properties of forest soil mass nutrients in feixian Daqingshan provincial nature reserve

表2. 费县大青山省级自然保护区森林土壤化学性质

3.2.2. 土壤有机碳含量分布

土壤有机碳是全球碳循环的重要组成部分，土壤有机碳对土壤的团粒状况、孔隙度、透水透气性都有相应影响。由表2，费县大青山自然保护区土壤有机碳含量为0.03~5.17 g·kg⁻¹，平均为1.99 g·kg⁻¹。0~20 cm土层含量为0.16~4.58 g·kg⁻¹；20~40土层含量为0.11~5.06 g·kg⁻¹，调查发现粗骨土壤分布区域土壤有机碳含量较低，大部分阔叶林及针阔混交林区域土壤有机碳含量较高，该区域常伴随有5~10 cm的枯枝落叶层，与针阔混交林、阔叶林林下土壤有机碳含量较高的研究结果相一致 [19] 。

3.2.3. 土壤有效氮含量分布

土壤有效氮根据形态分为铵态氮和硝态氮，可被植物直接吸收，其含量变化直接对土壤氮素的迁移与植物的生长产生影响 [20] ，研究表明，森林系统的生产力与土壤氮素矿化有很大相关性 [21] ，而铵态氮与硝态氮的含量变化是土壤氮素矿化速率的具体表征 [22] 。由表2可见，费县大青山自然保护区土壤铵态氮含量在9.00~15.7 mg·kg⁻¹之间，平均为11.6 mg·kg⁻¹，0~20 cm土层铵态氮分布为9~15.7 mg·kg⁻¹；20~40 cm土层铵态氮分布为9.91~14.7 mg·kg⁻¹。硝态氮含量为0.37~14.2 mg·kg⁻¹，平均为3.50 mg·kg⁻¹， 0~20 cm土层硝态氮分布为0.37~14.2 mg·kg⁻¹；20~40 cm土层硝态氮分布为0.77~6.82 mg·kg⁻¹。

3.2.4. 土壤有效磷含量分布

土壤有效磷是土壤磷素供应的重要指标 [23] 。由表2，费县大青山自然保护区土壤有效磷含量为17.2~21.5 mg·kg⁻¹，平均值为18.5 mg·kg⁻¹，自东向西含量波动较小，0~20 cm土层含量为17.2~20.0 mg·kg⁻¹；20~40 cm土层含量为17.7~21.5 mg·kg⁻¹，与王朗自然保护区针叶林有效磷含量相似 [24] 。费县大青山自然保护区内针叶林占比较大，松树根根际土壤pH值的下降可促进难溶磷的活化，提高根际土壤有效磷含量 [25] ，故林区针叶林下土壤有效磷含量较高。

3.2.5. 土壤速效钾含量分布

土壤速效钾含量与土壤水分淋洗状况、土壤成土母质、植被类型等有关，主要包括土壤中吸附在土壤胶体表面上的代换性钾和植物可直接吸收的土壤溶液中的钾，钾对植物的细胞分裂与合成起促进作用，而且在植物对CO₂的同化过程中可起到加速作用 [26] 。由表2，费县大青山自然保护区土壤速效钾含量为63.0~130 mg·kg⁻¹，平均值为97.5 mg·kg⁻¹。0~20 cm土层含量为63.0~122 mg·kg⁻¹；20~40 cm土层含量为82.5~130 mg·kg⁻¹，该层土壤较表层土壤速效钾含量高，这与速效钾的淋溶作用有关 [27] 。

3.3. 主成分分析

将土层深度及土壤各理化性质进行主成分分析(PCA)发现(图1)，因子1和2可解释数据总变量的78.5%，其中因子1可解释总变量的51.1%，土壤pH值、土壤容重、非毛管孔隙度及土壤有机碳(SOC)含量与因子1 (轴1)关系密切且各自之间成正相关关系；土壤总孔隙度、土壤 ${\text{NH}}_4^{+}-\text{N}$ 、土壤有效磷(resin-P)与主因子1呈负相关关系，各自之间呈正相关关系。由此，土壤pH值越高土壤有效磷、 ${\text{NH}}_4^{+}-\text{N}$ 含量越低。因子2 (轴2)可解释总变量的27.4%，土层深度、毛管孔隙度、速效钾、 ${\text{NO}}_3^{-}-\text{N}$ 含量与因子2呈负相关关系，各指标间呈正相关关系，随土层深度增加毛管孔隙度、速效钾、含量呈增加趋势。

注：0~20 cm土层样点(○)；20~40 cm土层样点(△)；40~60 cm土层样点(×)。

Figure 1. PCA analysis of soil depth and soil properties

图1. 土层深度及土壤理化性质主成分分析图(PCA)

4. 结论

费县大青山自然保护区土壤容重变动在1.06~1.69 g·cm⁻³；土壤总孔隙度变动在32.8%~52.2%；土壤pH变动在4.70~7.88；土壤铵态氮变动在9.00~15.7 mg·kg⁻¹；土壤硝态氮变动在0.37~14.2 mg·kg⁻¹；土壤有效磷变动在17.2~21.5 mg·kg⁻¹；土壤速效钾变动在63.0~130 mg·kg⁻¹。对土壤理化性质进行主成分分析，总孔隙度与土壤 ${\text{NH}}_4^{+}-\text{N}$ 、土壤有效磷关系密切成正相关；总孔隙度、土壤 ${\text{NH}}_4^{+}-\text{N}$ 、土壤有效磷与土壤容重、土壤pH值关系密切成负相关；毛管孔隙度、土层深度、土壤速效钾、土壤 ${\text{NO}}_3^{-}-\text{N}$ 关系密切成正相关。研究表明，费县大青山自然保护区土壤较为疏松，通气性较好。铵态氮与磷含量较为丰富。本研究中土壤理化数据，特别是不同点位大量养分的分布对于林区植被的栽培管理、林木更新与保护区的规划管理具有重要意义。

基金项目

本研究由国家自然科学基金项目(41301320，41401329)及2018年度山东省大学生科研项目(18SSR086)资助。