冀北山地华北落叶松人工林土壤养分空间分布研究

冀北山地华北落叶松人工林土壤养分空间分布研究

森林土壤是在综合森林因子的作用下形成的一种土壤资源。这是地球上最大的土壤资源。作为森林生态系统中的一个重要组成部分之一,不仅是森林生态系统中生命活动的主要场所,也是森林生态系统各个营养元素转化的重要枢纽。土壤是一个由生物及非生物组成的复杂综合体,是植物和微生物等生存的主要载体,有集散、转化、传递物质和能量的作用。土壤养分状况优劣是土壤物理、化学、生物等因素耦合的结果,是土壤从环境条件和营养条件两方面供应和协调作物生长发育的能力。理化性质在不同海拔梯度上呈现出空间异质性分布。近几年来,国内有关专家等在四川卧龙自然保护区、雪峰山、巴东、滇东等山地,分析了海拔对土壤养分指标的影响。华北落叶松是冀北山地分布最广的造林树种,关于华北落叶松人工林的研究主要集中在密度调控、抚育间伐、生物量和生产力等方面,山地不同海拔对华北落叶松土壤养分影响的研究未见报道。因此,本试验对冀北山地不同海拔的华北落叶松人工林土壤养分的空间分布规律以及有机质与养分之间的相关关系进行研究,旨在为选择适宜华北落叶松人工林生长的适宜海拔提供一定的借鉴。1半干旱性山地气候区研究区位于河北省木兰围场国有林场管理局下属的北沟林场,地处内蒙古高原和冀北山地的汇接地带,地理坐标(41°35′~42°06′N,116°51′~117°45′E),属于中温带向寒温带过渡、半干旱向半湿润过渡、大陆性季风型高原山地气候。海拔750~1829m,年均降水量380~560mm,年平均气温-1.4~4.7℃,土壤主要类型为棕壤。研究区乔木树种主要有:白桦(Betulaplatyphylla)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、黑桦(Betuladahurica)、山杨(Populusdavidilana)、油松(Pinustabulaeformis)和蒙古栎(Quercusmongolica)等。2样地选择与调查2011年8月底在北沟林场东沟作业区调查不同海拔的28~30年生华北落叶松人工林,选取4个代表性的地段作为标准地进行采样分析,样地面积为30m×30m,对其进行每木检尺,各样地基本特征见表1。2.1测定项目及方法在4个样地内,各挖取3个土壤剖面,按0~10,10~20,20~40cm分层取样,将所取土壤样品带回室内风干后进行分析。土壤pH值采用2.5∶1的水土比,用电位计法测定;土壤有机质采用硫酸重铬酸钾氧化-容量法;土壤全氮采用硫酸钾-硫酸铜-硒粉消煮,定氮仪自动分析法;土壤水解性氮采用碱解扩散法;土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法;土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法;土壤速效钾采用中性乙酸铵提取-火焰光度计法。以上分析方法见土壤农业化学分析方法。2.2变异系数大小的大小土壤养分的空间变异是土壤性质的内在反映,能够区别不同土壤养分对外界条件的敏感性。本研究采用养分变异系数来反映土壤养分异质性。变异系数的大小反映了特性参数的空间变异程度,一般认为,CV<0.1为弱变异性,0.1≤CV≤1.0为中等变异性,CV>1.0为强变异性。试验采用SPSS统计软件中单因素方差分析(ANOVA)分析冀北山地海拔对华北落叶松人工林土壤养分的影响,差异程度采用Ducan新复极差法进行多重比较,各养分含量之间的关系采用双变量相关分析。3结果与分析3.1不同高度土壤养分的基本情况3.1.1个海表土壤深度的ph值分布特征土壤pH是反映土壤酸碱度的重要指标,它影响着土壤中养分存在状态、转化以及其有效性,对土壤肥力状况有很大的影响。林木的生长都有其适宜的pH范围,超出这一范围,林木生长将会受到影响。土壤pH值会随着植被所处的海拔不同和人为干扰强度的差异而有所变化。华北落叶松人工林不同海拔土壤的pH值介于4.850~6.377之间,海拔1800m的pH值最大(均值为6.241),明显高于其他3个海拔的pH值(均值分别为5.282,5.369,5.529),这可能与海拔越高,土壤的水热条件相对有关,海拔比较高时凋落物的分解速率也比较慢。经方差分析,海拔1800m华北落叶松的20~40cm土层极显著(P<0.01)高于表层0~10cm和亚层10~20cm。海拔1420m土壤剖面的各个层次的pH值都小于海拔1800m的,而与海拔1320m、海拔1190m相比,表层0~10cm和亚层10~20cm的pH值低于海拔1320m、海拔1190m的值,20~40cm土层的pH值高于海拔1320,1190m。而海拔1420,1320m土壤剖面的3个土层之间都具有极显著差异(P<0.01),但是海拔1190m的3个土层之间没有差异,说明海拔比较低时,土壤剖面的酸度比较均匀,性质比较一致。总体来说,随土壤深度的增加土壤pH值有增加的趋势(见表2)。0~10,10~20,20~40cm土层的变异系数分别是0.079,0.102,0.113,0~10cm土壤pH的空间变异系数<0.1,为弱变异性,10~20,20~40cm的空间变异为中等变异,土层越深变异系数越大(见表2)。3.1.2有机含量随地表质量的变化土壤有机质在土壤中的地位尤为重要,它是土壤中各种营养元素,特别是氮和磷的重要来源,是衡量土壤健康的重要指标之一。在不同海拔的高度上,土壤有机质含量存在着差异。由表3可以看出:不同海拔华北落叶松人工林的土壤有机质含量整体上随土层深度增加而显著减小。其中表层0~10cm土壤有机质含量均明显高于亚层(10~20cm),只有海拔1190m的华北落叶松土壤亚层略高于表层,有可能是因为样地的非毛管孔隙度表层是亚层的2倍,可能会使有机物随流水下移在亚层堆积,致使表层有机质含量小于亚层,也有可能是在间伐过程中破坏表层土壤,而导致表层有机质含量小于亚层。对于不同海拔的华北落叶松的土壤剖面的有机质而言,海拔1800m的土壤剖面值最大(均值为37.317g/kg),显著高于其他3个低海拔的值(均值分别为12.327,7.480,14.939g/kg)。森林土壤中,随着海拔升高水分适宜,有利于有机质的积累。海拔1420,1320,1190m的比海拔1800m的植物群落较多,土壤微生物活动剧烈,土壤中有机质分解较快,所以含量比较低。海拔1320m的华北落叶松人工林的土壤有机质含量最低,可能的原因是山地降水的垂直空间分布规律再加上林地坡度最大,土壤有机质含量受径流冲刷的影响。经方差分析,不同海拔华北落叶松人工林0~10,10~20,20~40cm土层的有机质含量为极显著性差异(P<0.01)。不同海拔0~10cm表层土壤有机质的变异系数为0.591,属于中等变异,10~20,20~40cm土层各海拔的有机质含量变异系数分别为0.773,1.029,属强度变异,说明不同海拔的土壤有机质的含量差异比较大(见表3)。3.1.3土壤速效钾的分布规律土壤钾的含量不仅受成土母质的影响,而且还与植被和土壤水分的淋洗状况等有关。不同海拔华北落叶松人工林表层土壤速效钾含量均为最高,海拔1800m的表层土壤速效钾值最大,达到(425.312±4.809)mg/kg,分别是海拔1420,1320,1190m表层土壤速效钾的2.044,1.474,2.902倍。10~20cm和20~40cm的分布规律与上述表层0~10cm的分布规律一致。从土壤剖面来看,土壤速效钾含量随土层深度增加呈显著减小,其与土壤有机质含量分布规律一致。经方差分析,不同海拔的华北落叶松的土层之间的速效钾含量都具有极显著性差异(P<0.01)。0~10,10~20、20~40cm3个土层的速效钾的变异系数分别是0.451,0.611,0.564,都属于中等变异(见表4)。3.1.4土壤全氮含量随林分深度的变化土壤全氮含量是衡量土壤氮素供应状况及其有效性的重要指标。由于不同海拔的水热条件和土壤的物理性质有所不同,凋落物含氮量、叶子分解速度不同,各不同海拔土壤的全氮含量也就存在差异。根据全国第二次土壤普查分类标准认为,土壤全氮>2.0g/kg为一级,<0.5g/kg为6级。由表5可知,4个海拔的华北落叶松人工林的土壤全氮含量比较低,均在0.5g/kg以下。海拔1800m的表层全氮含量远远高于其他海拔水平,是含量最低的海拔1320m的6.8倍。经方差分析,只有海拔1800m的3个土层之间全氮含量具有极显著差异(P<0.01),海拔1320m的表层含量极显著高于亚层(10~20cm)和20~40cm的土层,其他2个海拔的华北落叶松土壤含量各土层之间没有极显著差异(P<0.01)。总体来说,随土壤深度的增加土壤全氮含量有逐渐减小的趋势。全氮在不同海拔华北落叶松的3个土层土壤养分含量中,海拔1800m的含量明显高于其他3个海拔的值,其他3个海拔在同一土层之间没有极显著差异,只有海拔1320m的土壤亚层的含量明显较低。其中3个土层的全氮变异系数分别是1.020,1.064,0.987,土壤0~10cm,10~20cm土层属于强度变异,20~40cm属于中度变异。碱解氮是反映土壤供氮能力的一个重要指标,能够反映出近期内土壤氮素的供应状况,而且能够比较灵敏地反映土壤氮素动态和供氮水平。不同海拔华北落叶松人工林中,随着土壤深度的增加碱解氮的含量逐渐减少。海拔1800m的整个土层的土壤碱解氮含量平均值为203.000mg/kg,而其他3个海拔的含量分别是76.339,51.606,76.572mg/kg,因此,海拔1800m的华北落叶松人工林土壤碱解氮含量明显高于其他海拔。经方差分析,海拔1420,1320,1190m的土层之间碱解氮含量都具有极显著性差异(P<0.01)。0~10,10~20,20~40cm土层不同海拔之间碱解氮的变异系数分别是0.571,0.713,0.800,属于中度变异。(见表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贮量和供应能力,可表征土壤的供磷状况,也是诊断土壤有效肥力的指标之一。海拔1800m的整个土层全磷含量平均值为0.163g/kg,明显高于海拔1420,1320,1190m的含量(分别为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层0~10cm的,且3个土层之间差异不显著。海拔1420m和海拔1190m的3个土层之间具有极显著性差异(P<0.01)。海拔1320m的3个土层之间差异不显著。0~10,10~20,20~40cm的3个土层变异系数分别是0.768,0.941,1.013。速效磷的含量是海拔1800m整个土层平均值最高,海拔1420m的含量最小。其中海拔1190m的20~40cm土层的含量显著高于表层0~10cm和亚层10~20cm。速效磷的3个土层的变异系数分别是0.890,0.877,0.984,都是属于中等变异(见表6)。3.2各因素的相关关系及有机质的相关性分析考察有机质与其他养分之间的相关性,可以充分了解它们之间相互作用、相互影响的情况。有机质与全氮(r=0.925,P<0.01)、碱解氮(r=0.983,P<0.01)、全磷(r=0.838,P<0.01)速效钾(r=0.818,P<0.01)之间的相关关系非常密切,相关性达到极显著正相关关系,尤其是与碱解氮的关系最为密切;而有机质与pH(r=0.568,P<0.05)的相关关系密切,相关性达到显著正相关关系;而与速效磷的为负相关关系,相关系数为-0.140(见表7)。4土壤养分含量通过对冀北山地不同海拔华北落叶松人工林土壤养分状况分析,得出结论:冀北山地不同海拔华北落叶松人工林土壤pH值介于4.850~6.377之间,pH值随土壤深度增加而增加。土壤全氮、全磷、速效钾均随着土壤深度的增加而降低。土壤有机质含量是海拔1800m的整个土层含量最高(均值为37.317g/kg),显著高于海拔1420,1320,1190m的值(均值分别为12.327,7.480,14.939g/kg)。土壤速效钾含量是海拔1800m的华北落叶松人工林表层值最大,为(425.312±4.809)mg/kg。研究样地的土壤全氮含量比较低,均在0.5g/kg以下。碱解氮含量海拔1800m的整个土层平均值最大,为203.000mg/kg,而其他海拔1420,1320,1190m的含量分别是76.339,51.606,76.572mg/kg。全磷含量海拔1800m的整个土层的值最大,为0.163g/kg,明显高于其