济源市南山林场不同林分类型土壤主要肥力指标评价

doi:10.11720/wtyht.2024.1570

济源市南山林场不同林分类型土壤主要肥力指标评价

王勇峰^,¹^,², 王剑^,¹^,²^,³^,⁴, 庞国涛¹^,²^,³^,⁴, 朱卫平⁵, 王克超¹^,⁴, 王晓恩¹^,²^,⁴, 王祖振¹^,²^,⁴, 刘杰¹^,²^,⁴

1.中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心,山东烟台 264000

2.自然资源部黄河入海口陆海交互作用野外科学观测研究站,山东烟台 264000

3.自然资源要素耦合过程与效应重点实验室,北京 100055

4.黄河流域(河南段)水土资源安全和生态效益野外科学观测研究站,河南郑州 450000

5.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083

Assessment of primary soil fertility indicators of different forest stand types in the Nanshan forest farm in Jiyuan City

WANG Yong-Feng^,¹^,², WANG Jian^,¹^,²^,³^,⁴, PANG Guo-Tao¹^,²^,³^,⁴, ZHU Wei-Ping⁵, WANG Ke-Chao¹^,⁴, WANG Xiao-En¹^,²^,⁴, WANG Zu-Zhen¹^,²^,⁴, LIU Jie¹^,²^,⁴

1. Yantai Geological Survey Center of Coastal Zone, China Geological Survey, Yantai 264000, China

2. Ministry of Natural Resources Observation and Research Station of Land-Sea Interaction Field in the Yellow River Estuary, Yantai 264000, China

3. Key Laboratory of Natural Resource Coupling Process and Effects, Beijing 100055, China

4. Field Scientific Observation and Research Station for Soil and Water Resources Security and Ecological Benefits in the Yellow River Basin (Henan Section), Zhengzhou 450000, China

5. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083,China

通讯作者: 王剑(1980-),男,高级工程师,本科,现主要从事地质矿产、自然资源调查与监测工作。Email:149619861@qq.com

第一作者: 王勇峰(1980-),男,高级工程师,本科,现主要从事自然资源、环境地质调查与评价工作。Email:76861559@qq.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-12-25 修回日期: 2024-02-29

基金资助:

中国地质调查局项目“黄河流域中下游(河南段)水沙相互作用及生态环境承载力调查监测与评价”(DD20220885)

Received: 2023-12-25 Revised: 2024-02-29

摘要

土壤肥力是衡量土壤能够提供植被所需各种养分的能力,是反映土壤肥沃性的重要指标。为了解济源市南山林场不同林分类型土壤肥力状况,选取林场内侧柏、刺槐、栓皮栎、核桃4种不同林分类型土壤为研究对象,通过对不同层位(0~40 cm)土壤pH、有机质、全量养分(TN、TP、TK)和速效养分(AN、AP、AK)的测定,分析了不同林分类型土壤养分状况,并采用改进的内梅罗综合指数法对土壤综合肥力状况进行评价。结果表明:研究区不同林分土壤理化因子除pH外均达到中等变异,土壤中全磷、全钾、有效磷、速效钾、pH均达到显著性差异水平。研究区土壤pH、容重均表现出随着深度增加而增大的趋势;有机质、全氮和速效养分则随深度增加而减少;全磷和全钾受深度影响不明显。土壤养分丰瘠评价表明,研究区土壤全氮、全磷和土壤速效养分相对贫瘠。4种林分不同深度土壤肥力综合评价表现为刺槐>栓皮栎>侧柏>核桃,肥力状况多处于一般等级,肥力较差层位多处于20~40 cm。综合分析表明,研究区全氮、全磷和速效养分缺乏,建议有针对性地增加有机肥以及氮、磷的投入。

关键词： 南山林场; 林分类型; 土壤养分; 土壤肥力

Abstract

Soil fertility is a significant indicator that measures the ability of soil to provide various nutrients required by vegetation and reflects the crop producing power of soil. To ascertain the soil fertility of different forest stand types in the Nanshan forest farm of Jiyuan City, this study investigated the soil of four forest stand types: Platycladus orientalis, Robinia pseudoacacia, Quercus variabilis, and walnut trees. It analyzed the soil nutrients of the forest stand types by determining the pH, organic matter, total nutrients (TN,TP,TK), and available nutrients (AN,AP,AK) of soil at different depths (0~40 cm). Moreover, it assessed the comprehensive soil fertility using the improved Nemerow comprehensive index method. The results show that: (1) Except pH, the physicochemical factors of the soil of the forest stand types in the study area exhibited moderate variations, and the soil TP, TK, AP, AK, and pH manifested significant differences; (2) With an increase in soil depth, the soil in the study area showed increased pH and bulk density, decreased organic matter, TN, and available nutrients, and almost unchanged TP and TK; (3) The assessment of soil nutrient abundance indicated that the TN, TP, and available nutrients were relatively poor in the soil of the study area; (4) Based on a comprehensive assessment, the soil fertility of four forest stand types at different depths decreased in the order of Robinia pseudoacacia, Quercus variabilis, Platycladus orientalis, and walnut trees. Their soil fertility was generally at an average level, with low values observed at depths ranging from 20 to 40 cm. The comprehensive analysis indicates that TN, TP, and available nutrients are deficient in the study area. Therefore, applying appropriate organic fertilizers, nitrogen, and phosphorus is recommended for the study area.

Keywords： Nanshan forest farm; forest stand type; soil nutrient; soil fertility

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本文引用格式

王勇峰, 王剑, 庞国涛, 朱卫平, 王克超, 王晓恩, 王祖振, 刘杰. 济源市南山林场不同林分类型土壤主要肥力指标评价[J]. 物探与化探, 2024, 48(5): 1400-1408 doi:10.11720/wtyht.2024.1570

WANG Yong-Feng, WANG Jian, PANG Guo-Tao, ZHU Wei-Ping, WANG Ke-Chao, WANG Xiao-En, WANG Zu-Zhen, LIU Jie. Assessment of primary soil fertility indicators of different forest stand types in the Nanshan forest farm in Jiyuan City[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(5): 1400-1408 doi:10.11720/wtyht.2024.1570

0 引言

土壤是森林生态系统的重要组成部分,是物质与能量交换的重要参与者和载体^[1]。许多重要的生态系统过程都发生在土壤系统中,如养分吸收、分解和水循环再利用等。土壤营养状况代表土壤保持环境质量、生态平衡和生物健康的能力^[2-3]。土壤养分状况直接影响着植被的生长发育,同时植被的生长发育也能通过凋落物、根系分泌物等改善土壤肥、热、水、气等理化性质^[4]。因此,通过对土壤养分状况进行综合评价,对于提高林分生产力和森林生态系统的可持续管理具有重要意义。

土壤肥力是土壤的本质属性,是土壤能够提供给植被生长所需养分、水分、热量和空气的能力,能够综合反映土壤的物理、化学和生物学性质^[5]。森林土壤作为森林生态系统的重要组成成分和状态因子,能够起到调节森林生态系统水循环以及环境过滤的作用,为植被生长发育提供了必需的环境条件^[6]。沈仁芳等^[7]研究表明,不同树种的凋落物以及根系分泌物通过影响土壤物理化学性质以及土壤中微生物的活动来改变土壤的养分和肥力。目前,国内外学者对森林土壤养分和肥力的研究颇多^{[6,8⇓⇓-11]},通过分析森林中不同林分土壤养分状况特征及其差异,将有助于探讨不同林分与林下土壤的关系,为森林资源的保持、可持续开发利用以及养分内循环过程等提供数据支持。此外,通过分析不同林分类型土壤肥力状况的空间变异规律,可以为土壤科学平衡施肥提供理论指导和数据支撑。

济源市南山林场是国有公益性林场,位于太行山南麓,黄河小浪底库区北岸,面积为72.7 km²,属华北石质山区^[12],对该区域森林土壤养分及肥力的研究还存在空白。本文以济源市南山林场侧柏、栓皮栎、刺槐、核桃4种分布较多的树种为研究对象,测定不同深度土壤性质,研究土壤养分特征,评价土壤肥力水平,旨在准确了解该区域不同林分土壤状况,为南山林场的土壤质量评价、林业生态工程建设以及生态可持续发展提供数据支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于济源市西南部南山林场森林生态区(图1),地理范围为112°23'~112°32'E,34°58'~35°07'N,该林场位于太行山南麓,黄河中下游的“之”字形拐角处。研究区属暖温带大陆性季风气候,四季分明,光照充足、水资源丰富,年均气温14.2 ℃,年均降水量614.2 mm,且多集中在6~9月^[12]。研究区森林覆盖率达97.8%,乔木林主要有刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、侧柏(Platycladus orientalis)、栓皮栎(Quercus variabilis Bl.)、泡桐(Paulownia fortunei)、山茱萸(Cornus officinalis Sieb.)、麻栎(Quercus acutissima Carruth.)和核桃(Juglans regia L.)等,灌木林有荆条(Vitex negundo L. var. heterophylla(Franch.) Rehd.)和悬钩子(Rubus corchorifolius L. f.)等^[13]。成土母岩主要为砂岩和泥页岩,土壤类型主要为红土和砂壤土。区内土层厚度不等,在山脊处土层覆盖较薄,约25~50 cm,沟谷、山间盆地覆盖较厚。受气候、土层厚度等的影响,研究区植被根系多分布在40 cm以上层位。

图1

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图1 研究区位置示意和样地分布

Fig.1 Location and sample distribution map of the research area

1.2 土壤样品采集与测定

根据前期收集资料、遥感解译及实地验证的结果,选取林场内有代表性且处于中年龄阶段的典型优势树种进行样地调查,样地规模为20 m×20 m。共设样地23块,其中侧柏林7块、栓皮栎8块、刺槐5块、核桃3块。在每个样地内四角和中心点分别采集0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、30~40 cm的土壤样品混合均匀后装袋记录。采集的土壤样品自然风干后除去杂质和植物残体等,过2 mm的土样筛保存待分析。

土壤样品检测指标包括容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾,检测方法按国家和行业相关标准执行。其中土壤容重采用环刀法测定,土壤pH采用pH计测定,土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾外加热法测定,土壤全氮(TN)采用自动定氮仪法测定,土壤全磷(TP)采用紫外可见分光光度计测定,土壤全钾(TK)采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICAP7200)测定,土壤碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定,土壤有效磷(AP)采用紫外可见分光光度计测定,速效钾(AK)采用原子吸收光谱仪测定。

1.3 土壤养分、肥力评价方法

1.3.1 土壤养分丰瘠评价方法

土壤养分丰瘠状况评价是对土壤中各种营养元素含量进行评估的过程,通过评价可以了解土壤肥力状况,据此采取平衡施肥措施,从而为植物提供良好的生长环境。本次研究主要结合全国第二次土壤普查分级标准^[14](表1)对研究区采样点土壤各参数进行丰瘠评价。

表1 土壤养分含量分级标准

Table 1 Classification standard of soil nutrient content

分级	有机质	全氮	全磷	全钾	碱解氮	有效磷	速效钾
丰富	>40	>2	>1	>25	>150	>40	>200
较丰富	30~40	1.5~2.0	0.8~1.0	20~25	120~150	20~40	150~200
中等	20~30	1.0~1.5	0.6~0.8	15~20	90~120	10~20	100~150
较缺	10~20	0.75~1.0	0.4~0.6	10~15	60~90	5~10	50~100
缺	6~10	0.5~0.75	0.2~0.4	5~10	30~60	3~5	30~50
极缺	<6	<0.5	<0.2	<5	<30	<3	<30

注:有机质、全氮、全磷、全钾含量单位为10^-3;其余为10^-6。

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1.3.2 土壤肥力评价方法(内梅罗综合指数法)

修正的内梅罗综合指数法能够准确、全面地定量化评价土壤肥力等级,是一种较为常用的土壤肥力评价方法^[15⇓-17]。在进行评价前,为消除土壤评价因子间单位和量纲的影响,首先参照第二次土壤普查^[14]中土壤各属性分级标准(表2)对评价因子进行标准化处理:当属性值属于差的一级,即C_i≤X_a时,P_i=C_i/X_a此时P_i≤1;当属性值属于中等一级,即X_a<C_i≤X_c时,P_i=1+(C_i-X_a)/(X_c-X_a),此时1<P_i≤2;当属性值属于较好一级,即X_c<C_i≤X_p时,P_i=2+(C_i-X_c)/(X_p-X_c),此时2<P_i≤3;当属性值属于较好一级,即C_i>X_p时,P_i=3。式中,C_i为相应属性的实测值,P_i为肥力系数,X_a、X_c、和X_p为分级指标。

表2 土壤各属性分级标准

Table 2 Classification standards of soil attributes

土壤属性	内梅罗分级指标
土壤属性	X_a	X_c	X_p
有机质/10^-3	10	20	30
pH(≤7)	4.5	5.5	6.5
pH(>7)	9	8	7
全氮/10^-3	0.75	1.5	2
全磷/10^-3	0.4	0.6	1
全钾/10^-3	5	20	25
碱解氮/10^-6	60	120	180
有效磷/10^-6	5	10	20
速效钾/10^-6	50	100	200
容重/(g·cm^-3)	1.45	1.35	1.25

注:X_a、X_c、X_p分别代表差、中等、较好三个等级。

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研究表明土壤容重在1.14~1.26 g/cm³之间时有利于幼苗的出生和植物根系的生长^[18],由于正常标准化后其数值会失真而产生误判,因此,按容重作标准化特殊处理^[17,19]:当容重值C_i≥1.45时,P_i=1.45/C_i,此时P_i≤1;当1.35≤C_i<1.45时,P_i=1+(C_i -1.45)/(1.35 -1.45),此时1<P_i≤2;当1.25≤C_i<1.35时,P_i=2+(C_i -1.35)/(1.25 -1.35),此时2<P_i≤3;当1.14≤C_i<1.25时,P_i=3。

当pH≤7时,土壤评价因子可以用土壤属性分级标准作标准化;当pH>7时,可以根据容重作标准化处理,此时容重1.45、1.35、1.25分别对应pH值为9、8、7。

最后采用修正的内梅罗综合指数法分别对研究区不同林分类型土壤肥力质量作综合评价。其公式为:

$P = \sqrt{\frac{({\bar{P}}_{i})^{2} + ({\bar{P}}_{i m i n})^{2}}{2}} \cdot (\frac{n - 1}{n})$ ,

式中:P为土壤综合肥力指数; ${\bar{P}}_{i}$ 为评价属性分肥力指数的平均值, ${\bar{P}}_{i m i n}$ 为其最小值;n为参评个数。当土壤综合肥力指数P≥2时,对应其土壤肥力质量等级为优;当1.5≤P<2时,对应等级为良;当1≤P<1.5时,对应等级为中等;当P<1时,对应等级为差。

1.4 数据处理

采用WPS2021表格工具进行数据整理与简单计算;利用SPSS25.0进行统计和显著性分析;采用单因素方差分析(One-way ANOA)和Duncan检测分析同一林分不同土层、同一土层不同林分土壤因子的差异性显著;利用GraphPad Prism 8进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤理化特征

将研究区所有土样的8项养分指标以及容重信息进行算术平均,如表3所示,作为土壤平均状况统计。可以看出,研究区土壤养分含量丰瘠不一,差异较大。有机质、全氮、全钾、全磷含量分别为(24.33±8.62)×10^-3、(0.92±0.56)×10^-3、(20.55±3.10)×10^-3、(0.51±0.20)×10^-3;碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为(67.66±37.53)×10^-6、(4.19±2.05)×10^-6、(68.15±41.37)×10^-6;土壤容重为1.40±0.16 g/cm³;pH范围为6.32~8.39,均值为7.59。土壤各项因子的变异系数(C_V)是土壤性质的内在反应,能够衡量不同因子抵抗外界条件的敏感性和空间变异程度,是进行土壤物理性质调节和合理施肥的基础^[20]。一般认为C_V≤0.1属弱变异;0.1<C_V<1属中等变异;C_V≥1则为强变异^[21]。研究区0~40 cm土壤中除pH为弱变异外,其他因子均为中等变异。研究区土壤的有机质和氮、磷、钾含量除全钾外均表现出较高的变异系数,说明其含量空间变异性较高,分布不均匀。研究区位于丘陵地带,受自然因素(地形、坡度、土质、成土母质等)和人为因素(林业管理、施肥等)的影响,土壤理化性质与养分含量存在差异,C_V值变化较大。9个土壤属性指标中有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效钾的中位数均小于平均值,说明其含量主要集中在均值左侧;其他4种指标含量则主要分布在均值右侧。偏度和峰度常用来判断数据的偏斜和陡峭程度,从表中可以看出,容重和pH偏度均小于0,属左偏态,其他属性指标属右偏态;全磷、全钾峰度小于0,对应数据分布形态属平缓谷型,其他属性指标数据分布形态为尖峰型,其中有机质和速效钾峰度值较大,对应分布形态峰度较高。

表3 研究区土壤养分、容重、pH统计

Table 3 Statistics of soil nutrients, bulk density and pH in the study area

养分指标	最小值	最大值	中位数	平均值	标准差	变异系数/%	偏度	峰度
有机质	12.90	58.00	22.30	24.33	8.62	35.43	1.60	3.01
全氮	0.04	2.78	0.85	0.92	0.56	60.87	1.08	1.40
全磷	0.18	0.94	0.49	0.51	0.20	38.29	0.41	-0.46
全钾	14.70	27.85	20.90	20.55	3.10	15.09	0.09	-0.71
碱解氮	18.10	177.40	58.04	67.66	37.53	55.47	1.19	0.91
有效磷	0.50	10.10	4.2	4.19	2.05	48.93	0.63	0.39
速效钾	18.00	264.00	54.0	68.15	41.37	60.70	1.78	4.89
容重	0.95	1.86	1.42	1.40	0.16	11.43	-0.37	0.42
pH	6.32	8.39	7.73	7.59	0.49	6.46	-1.08	0.61

注:有机质、全氮、全磷、全钾含量单位为10^-3,碱解氮、有效磷、速效钾含量单位为10^-6,容重单位为g·cm^-3,pH无量纲。表4同

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2.2 不同林分类型土壤理化性质

由表4可见,研究区不同林分0~40 cm土壤理化性质表现为全磷、全钾、有效磷、速效钾、pH的差异性达到了显著水平(p<0.05)。全磷含量从高到底为栓皮栎林>刺槐林>核桃林>侧柏林,全钾、有效磷均表现为刺槐林>栓皮栎林>侧柏林>核桃林,速效钾表现为侧柏林>刺槐林>核桃林>栓皮栎林,pH表现为核桃林>侧柏林>刺槐林>栓皮栎林。其他指标,包括有机质、全氮、碱解氮、容重不同林分地间差异性不显著(p>0.05)。

表4 不同林分类型土壤理化特征

Table 4 Soil physical and chemical characteristics of different stand types

理化性质	林分类型
理化性质	侧柏林	刺槐林	栓皮栎林	核桃林
有机质	25.98±8.56a	22.69±8.44a	23.77±9.38a	19.39±4.69a
全氮	0.98±0.62a	0.92±0.57a	0.82±0.52a	0.90±0.24a
全磷	0.37±0.12a	0.57±0.10b	0.77±0.14c	0.56±0.10b
全钾	18.97±2.44a	24.06±1.44b	22.81±1.80b	17.19±1.19c
碱解氮	72.53±39.8a	70.47±38.95a	61.67±37.09a	54.63±19.58a
有效磷	3.60±1.85ac	5.91±1.73b	4.77±2.22bc	3.06±0.71a
速效钾	84.57±48.80a	68.58±29.78ab	41.96±16.15b	55.75±13.09ab
容重	1.37±0.13a	1.38±0.20a	1.44±0.20a	1.49±0.13a
pH	7.78±0.14a	7.71±0.15a	6.96±0.45b	8.27±0.09c

注:表中数据为平均值±标准差;同行数据后不同字母表示同一指标在不同林分地土壤间差异显著(p<0.05)。

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2.3 土壤理化因子与土地利用类型、深度的关系

对不同林分土壤养分、pH和容重进行方差分析(图2),结果表明,土壤pH除侧柏林与刺槐林差异性不显著外,其他林分之间差异性显著。各林分地土壤pH均表现为随着土层深度的增加而增大,各林分地和各土层均表现为核桃林pH最大。土壤容重仅核桃林表层与其他层位差异性显著,同一林分地不同层位除核桃林外均表现为表层与其他几层差异性显著的特征,且容重随着深度的增加逐渐增大。土壤有机质在部分林分、层位间存在差异性显著,除核桃林外均呈现出较为明显的表层富集现象,核桃林则无规律可循。

图2

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图2 土壤理化指标方差分析结果

注:不同大写字母表示同一土层不同林分之间差异性显著(p<0.05);不同小写字母表示同一林分不同土层之间差异性显著(p<0.05)。

Fig.2 Results of variance analysis of soil physical and chemical indicators

从土壤全量养分(TN、TP、TK)方差分析结果来看,不同林分地之间全氮差异性不显著,全磷、全钾差异性显著。4种林分地全氮均表现为表层与其他3层差异性显著的特征,且其含量均表现为随土层的增加而减少。全磷在同一林分地不同土层均表现为差异性不显著,不同深度的全磷变化无规律,综合来看,栓皮栎林各土层全磷含量均明显高于对应的其他林分地土层。全钾含量在同一林分地不同土层除侧柏林表层与其他层位差异性显著外,其他林分地均无显著性差异,土壤含量与深度的关系不明显。

土壤速效养分(AN、AP、AK)方差分析中3者在不同林分地、不同层位均以差异性不显著为主。在不同深度含量方面,碱解氮、有效磷和速效钾在不同林分地中均表现为表层含量最高。侧柏林和栓皮栎林土壤碱解氮、侧柏林和核桃林土壤有效磷、栓皮栎林土壤速效钾均表现为随深度的增加逐渐减少。

2.4 土壤肥力评价

2.4.1 土壤养分丰瘠评价

研究区pH范围为6.32~8.39,其中处在6.0~6.5之间的样点占4.5%(弱酸性);在6.5~7.0之间的占9.1%(中性);在7.0~7.5之间的占12.5%(弱碱性);在7.5~8.5之间的占73.9%(碱性)。根据表1对研究区不同林分不同层位的土壤养分进行丰瘠状况评价,结果如表5所示,有机质中等及以上占比70.45%,较缺水平占比为29.55%;土壤全量养分全氮、全磷和总钾中等及以上占比分别为40.92%、34.09%和95.46%;土壤速效养分碱解氮、有效磷和速效钾中等及以上占比分别为19.32%、1.14%和22.73%。总体来看,研究区土壤全氮、全磷相对贫瘠,土壤速效养分缺乏占比较高,特别是有效磷处于较缺及以下占比达到了98.86%。

表5 研究区土壤养分分级占比统计

Table 5 Statistics of the proportion of soil nutrient classification in the study area %

分级	有机质	全氮	全磷	全钾	碱解氮	有效磷	速效钾
丰富	7.95	4.55	2.27	6.82	6.82	0	1.14
较丰富	10.23	6.82	10.23	50.00	4.55	0	3.41
中等	52.27	29.55	21.59	38.64	7.95	1.14	18.18
较缺	29.55	15.91	32.95	3.41	26.14	26.14	31.82
缺	0	17.05	26.14	1.14	43.18	43.18	30.68
极缺	0	26.14	6.82	0	11.36	29.55	14.77

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2.4.2 土壤肥力综合评价

土壤肥力水平是诸多土壤理化因子综合作用结果的反映。本研究采用9种土壤理化指标根据修正的内梅罗指数法对4种植被不同深度土壤肥力进行综合评价(表6)。4种林分不同深度土壤肥力指数均值表现为刺槐(1.23)>栓皮栎(1.20)>侧柏(1.07)>核桃(0.98)。从不同林分不同层位土壤肥力指数来看,仅刺槐林在0~10 cm深度土壤肥力指数为良,侧柏林和核桃林在20~30 cm、30~40 cm土壤肥力指数均为差,其他为中等,结合土壤养分指标的标准化均值可以看出,土壤肥力状况为差的层位主要受碱解氮、有效磷因子的限制。综合4种林分土壤肥力指数可以看出,研究区土壤肥力指数随着深度的增加逐渐降低。

表6 土壤肥力综合评价

Table 6 Comprehensive evaluation of soil fertility

林分	深度/cm	土壤养分指标的标准化均值P_i									肥力指数
林分	深度/cm	pH	容重	有机质	全氮	全磷	全钾	碱解氮	有效磷	速效钾	P	评价
侧柏	0~10	2.36	1.68	2.81	2.11	1.12	2.08	1.87	1.03	2.10	1.36	中等
	10~20	2.24	1.66	2.54	1.17	1.05	1.91	1.16	0.72	1.42	1.07	中等
	20~30	2.17	1.19	2.43	1.06	0.87	1.94	0.93	0.60	1.33	0.95	差
	30~40	2.12	1.36	2.26	0.91	0.89	1.90	0.77	0.53	1.36	0.91	差
刺槐	0~10	2.49	1.29	3.00	2.28	1.94	2.73	2.19	1.24	1.77	1.53	良
	10~20	2.28	1.68	2.58	1.16	1.73	2.92	0.86	1.00	1.19	1.20	中等
	20~30	2.23	0.95	2.68	0.81	1.87	2.71	0.80	1.33	0.88	1.12	中等
	30~40	2.17	0.96	2.64	0.65	1.70	2.70	0.86	1.15	1.25	1.06	中等
栓皮栎	0~10	2.76	1.66	2.91	1.95	2.40	2.54	1.90	1.44	1.13	1.49	中等
	10~20	2.85	1.29	2.43	0.97	2.45	2.70	0.86	0.88	0.80	1.18	中等
	20~30	2.83	0.98	2.41	0.78	2.49	2.53	0.72	0.74	0.75	1.09	中等
	30~40	2.81	0.92	2.54	0.62	2.37	2.38	0.63	0.76	0.67	1.03	中等
核桃	0~10	1.81	0.98	2.47	1.68	1.50	1.79	1.24	0.76	1.43	1.07	中等
	10~20	1.79	1.96	2.55	1.11	1.83	1.77	0.79	0.69	1.17	1.05	中等
	20~30	1.67	0.94	2.81	0.99	1.84	1.86	0.55	0.57	0.91	0.92	差
	30~40	1.66	0.94	2.42	1.00	1.97	1.83	1.06	0.43	0.95	0.90	差

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3 讨论

3.1 不同土壤层位对土壤养分的影响

土壤理化因子是土壤生态系统的重要组成部分,土壤养分的富集、空间分布以及循环过程均可影响地表植被的生长、发育和演替^[22]。研究区不同林分土壤pH值范围为6.32~8.39,大部分大于7,呈碱性,且随着土壤深度的加深pH值逐渐增加。究其原因可能是由于森林凋落物首先进入表层土壤,其中的树脂和木质素等物质分解产生酸性物质通过淋洗作用导致表层土壤酸化^[23]。土壤容重是土壤质地、密度和孔隙度等物理性质的综合反映,研究区侧柏林、刺槐林和栓皮栎林土壤容重均随着深度的增加而增大,研究结果进一步验证土壤容重随土层深度的增加而增大的说法^[24-25]。核桃林作为当地的经济林,受人为松土、施肥等活动的影响,土壤容重表现为10~20 cm土层最低的特征。

随着土壤深度的增加,土壤全氮、速效养分和有机质含量均逐渐降低,而全磷、全钾均无显著变化。这可能是因为森林土壤养分主要来源于地表植被凋落物的分解以及细根的周转过程,从而造成土壤养分具有“表聚性”^[26-27]。森林植被从土壤、空气、水等介质中吸取矿质养分以供生长,同时相当一部分又以凋落物的形式回归土壤中,不同物种的林分具有不同的生物学特征,对养分的需求不同,对应凋落物养分含量及其分解速率均存在差异,从而导致不同林分以及不同土层的有机质含量和分布状况不同^[28]。森林中的凋落物分解成养分后首先进入表层土壤,植物根系主要分布在表层土壤中,而且表层土壤也是微生物最为活跃层次,是进行次生代谢以及养分内循环的主要场所,这就造成表层土壤养分含量相对较高,尤其是速效养分的含量^[29]。

3.2 不同林分类型对土壤养分状况的影响

森林土壤养分状况与林分树种、生长状况、结构等林分因子有密切关系,同时林分的生长状况和结构也能反映出土壤肥力高低,所以同一地区不同林分土壤养分往往具有较大差异^[26]。将研究区不同林分0~40 cm土壤养分均值与全国第二次土壤普查分级标准相比,结果见表7。可以看出研究区不同林分0~40 cm土壤有机质仅核桃林处于较缺水平,其他林分均为中等水平;全氮均处于较缺水平;全磷仅栓皮栎林处于中等水平,其他均处于较缺及以下水平;全钾均处于中等及以上水平;速效养分(AN、AP、AK)均处于较缺及以下水平。综合来看,研究区4种林分土壤中全氮、全磷及速效养分均处于较低水平,结合土壤综合肥力综合评价结果可知,土壤肥力随着深度的增加呈现出较为明显的降低趋势,养分的缺失主要集中在20~30 cm和30~40 cm层位,特别是侧柏林和核桃林综合评价肥力指数等级均为差。

表7 不同林分土壤养分丰瘠状况

Table 7 Soil nutrient abundance and ridge status of different stands

土壤养分	林分类型
土壤养分	侧柏林	刺槐林	栓皮栎林	核桃林
有机质	中等	中等	中等	较缺
全氮	较缺	较缺	较缺	较缺
全磷	缺	较缺	中等	较缺
全钾	中等	较丰	较丰	中等
碱解氮	较缺	较缺	较缺	缺
有效磷	缺	较缺	缺	缺
速效钾	较缺	较缺	缺	较缺

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从土壤肥力综合评价结果可以看出,侧柏林0~20 cm层位肥力综合评价处于中等水平,20~40 cm层位肥力处于差水平,主要是由于全氮、全磷、碱解氮、速效磷的肥力系数均小于1,说明这几种养分的含量较低导致土壤肥力不佳。刺槐林0~10 cm层位土壤肥力处于良水平,其他层位均为中等水平,但20~40 cm层位的氮肥(全氮、碱解氮)含量不足。栓皮栎林虽然所有层位均处于中等水平,但10~40 cm层位的全氮和速效养分(AN、AP、AK)含量均较低。核桃林0~20 cm层位土壤肥力处于中等水平,20~40 cm层位处于差水平,主要是由于全氮和速效养分(AN、AP、AK)含量均较低导致。土壤养分的丰缺状况能为施肥提供直观的指导,当土壤综合肥力评价处于优良时施肥效果不显著,在中等范围时,施肥有一定的效果,在差等级时,施肥会产生显著的效果^[30]。有关研究表明N是植物的生命元素,在植物生命活动及其生长质量等方面都有极其重要的作用;P是植物必需的矿质元素之一,是组成生命DNA 的主要元素;K在植物生长发育中起着重要的作用,能促进糖分的转移和淀粉的形成^[31]。因此,建议研究区可根据不同林种对养分的缺失情况,并考虑土壤质地、自然地理等因素,科学合理有针对性的施肥,以补充土壤肥力。

4 结论

1)研究区4种林分类型土壤pH均值为7.73,容重均值为1.40 g/cm³。有机质均值为24.33×10^-3,全量养分(TN、TP、TK)均值分别为0.92×10^-3、0.51×10^-3、20.55×10^-3,速效养分(AN、AP、AK)均值分别为67.66×10^-6、4.19×10^-6、68.15×10^-6。各因子除pH外均达到中等变异,且全磷、全钾、有效磷、速效钾、pH均达到显著性差异水平。区内土壤pH、容重均表现出随着深度增加而增大的趋势;有机质、全氮和速效养分则随深度增加而减少;全磷和全钾受深度影响不明显。

2)土壤养分丰瘠评价显示研究区土壤有机质、全量养分(TN、TP、TK)和速效养分(AN、AP、AK)处于较缺及以下水平占比分别为29.55%、59.08%、65.91%、4.44%、80.68%、98.86%、87.27%。土壤肥力综合评价表明4种林分类型不同层位土壤肥力指数均值表现为刺槐>栓皮栎>侧柏>核桃。

3)综合分析表明研究区肥力较差层位多处于20~40 cm,主要是由于全氮、全磷和速效养分缺乏导致,建议研究区根据不同林分类型中土壤养分的缺失情况有针对性地增加有机肥以及氮、磷投入。

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文献年度倒序

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