任啟文，左萬星，尤海舟，李聯(lián)地，畢 君

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061；2.河北小五臺(tái)山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站， 河北 涿鹿 075600；3.河北小五臺(tái)山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，河北 蔚縣 075700）

當(dāng)前，我國森林生態(tài)建設(shè)的任務(wù)正在由造林向經(jīng)營轉(zhuǎn)變，目的是通過森林經(jīng)營不斷提升我國森林質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)由量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中植物賴以生存的載體，土壤肥力是森林質(zhì)量的主要決定因素之一。土壤肥力主要通過養(yǎng)分含量等性狀表征，而養(yǎng)分特征對海拔梯度具有強(qiáng)烈響應(yīng)，由于海拔梯度包含了多種環(huán)境因子協(xié)同變化的梯度效益[1]。當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者基于海拔梯度對土壤養(yǎng)分含量的影響開展了廣泛研究。馬國飛等[2]研究得出，新疆天山托木爾峰土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、C/N 均隨海拔高度增加而增大，土壤養(yǎng)分受海拔高度的影響深遠(yuǎn)而顯著。湖南省大圍山森林土壤有機(jī)碳含量隨海拔升高而增加[3]，廣西貓兒山土壤C、N、C/P、N/P 均呈增加趨勢，土壤P 呈先增后降趨勢[4]。由于地理位置、氣候條件、植被類型、土壤母質(zhì)等的不同，前人研究結(jié)果也不盡相同。阿爾泰山土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)碳和全氮含量隨海拔升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢[5]，秦嶺太白山土壤C/N 和C/P 隨海拔升高呈先降后升趨勢，而N/P 呈先升后降趨勢[6]，而武功山山地草甸土壤全N 隨海拔升高呈“W”型分布[7]，也有部分研究得出土壤肥力隨海拔升高而降低[8]。綜合前人研究成果，土壤有機(jī)質(zhì)與全N 含量具有較高的耦合性；大部分海拔跨度較大的山地，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量隨海拔升高而遞增；而磷鉀類含量的變化趨勢差異較大。溫濕度、降水等水熱條件的變化、植被類型的變化、地形的變化及動(dòng)物和微生物的變化是影響山地土壤養(yǎng)分含量垂直變異的重要因素，但在眾多的影響因素中，溫度和水分是調(diào)控其在海拔梯度上變化的主導(dǎo)因子[9]。

冀北地處首都上游，生態(tài)區(qū)位十分重要，肩負(fù)著為京津冀阻沙源、保水源、提供多種生態(tài)服務(wù)功能的重任。因此，冀北生態(tài)公益林的可持續(xù)經(jīng)營尤為重要，而土壤可持續(xù)是森林可持續(xù)的重要基礎(chǔ)。本研究以冀北山地小五臺(tái)山山澗口流域不同海拔森林植被土壤為研究對象，分析了土壤常規(guī)養(yǎng)分和速效態(tài)養(yǎng)分含量，以及C、N、P、K化學(xué)計(jì)量特征的海拔梯度差異，采用土壤肥力指數(shù)法綜合評價(jià)了不同海拔梯度的土壤肥力，揭示冀北山地土壤肥力對海拔梯度的響應(yīng)規(guī)律，為冀北山地生態(tài)公益林可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)，為區(qū)域植被恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于河北小五臺(tái)山國家級自然保護(hù)區(qū)山澗口流域，地處河北省張家口市涿鹿與蔚縣交界，海拔跨度1 160～2 882 m，山體相對高差大，環(huán)境變化明顯。小五臺(tái)山山澗口流域自下而上分布有灌木林、闊葉林、針闊混交林、針葉林和亞高山草甸等天然次生林和大片的油松、落葉松人工林。小五臺(tái)山屬暖溫帶大陸季風(fēng)型山地氣候，年平均氣溫6.4 ℃。年內(nèi)降水分配不均，主要集中于7、8月，年降水量400～700 mm，無霜期100～140 d。土壤類型主要為褐土、山地棕壤及亞高山草甸土[10]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2016年8月，按照典型性和代表性原則，在山澗口流域自下而上選擇了18 塊樣地，樣地面積20 m×30 m，海拔跨度1 389～2 641 m。各海拔主要植被類型有虎榛子Ostryopsis davidiana天然灌叢、油松Pinus tabulaeformis人工林、落葉松Larix principis-rupprechtii人工林、白樺Betula platyphylla天然次生林、落葉松白樺人工混交林、紅樺Betula ablo-sinensis天然林、落葉松天然林和亞高山草甸。樣地基本情況見表1。

2.2 土壤樣品采集

在所選樣地內(nèi)，按照上、中、下坡位挖掘土壤剖面3個(gè)。每個(gè)土壤剖面按深度0～20、20～40、40～60 cm 分3 層，每層取土樣0.5 kg，裝土袋帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)取得162個(gè)土樣。在實(shí)驗(yàn)室將土樣充分晾干后，把每個(gè)土壤剖面上、中、下3 層土樣分別取100 g 充分混合，過 0.15 mm 篩，以備測定土壤養(yǎng)分含量。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample plots

2.3 土壤樣品測試

為了能夠全面評價(jià)不同海拔梯度土壤肥力，本研究主要選取了有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、速效鉀（AK）含量7 項(xiàng)測定指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀濃硫酸消解硫酸亞鐵滴定法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用原子吸收法測定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定[11]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

參照表2 全國第二次土壤普查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]，對各海拔梯度土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量進(jìn)行評價(jià)，探討小五臺(tái)山土壤養(yǎng)分是否存在缺素情況。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of soil nutrient content

不同海拔高度土壤肥力采用土壤肥力指數(shù)法（SFI）評價(jià)，主要包括以下步驟：

1）確定評價(jià)指標(biāo)。將各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選擇每一主成分中貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)。如果同一主成分中貢獻(xiàn)較大的指標(biāo)有若干個(gè)，則進(jìn)行相關(guān)分析。如顯著相關(guān)則選取主成分中貢獻(xiàn)率最大的指標(biāo)作為評價(jià)指標(biāo)，若不相關(guān)則都選為該主成分中的評價(jià)指標(biāo)[13]。

2）標(biāo)準(zhǔn)化處理。按照下式對選取指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[14]。

式中：Y是標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，a=1，x為選取的指標(biāo)值，x0為選取指標(biāo)值的平均值，當(dāng)x在主成分中的系數(shù)為正時(shí)，b取-2.5，當(dāng)x在主成分中的系數(shù)為負(fù)時(shí)，b取2.5。

3）計(jì)算土壤肥力指數(shù)。按照式2 計(jì)算土壤肥力指數(shù)SFI[14-15]。

式中：SFI為土壤肥力指數(shù)，Yi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，Wi為權(quán)重，確定方法為Yi所在主成分能夠解釋方差變異量的百分比[15-16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量的海拔梯度差異及評價(jià)

不同養(yǎng)分含量對海拔梯度的響應(yīng)趨勢不同（圖1）。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀含量隨海拔高度增加呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢；速效磷隨海拔高度增加呈現(xiàn)出一定的降低趨勢，而速效鉀有一定的增加趨勢，但均不明顯。各養(yǎng)分含量與海拔高度的相關(guān)性顯示，海拔高度與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與全磷和全鉀顯著正相關(guān)（P＜0.05），與速效磷和速效鉀含量相關(guān)關(guān)系不顯著（P＞0.05）

小五臺(tái)山不同海拔高度0～60 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)變化范圍為19.77～70.69 g·kg-1，均值 41.33 g·kg-1；全氮和堿解氮分別為0.85～ 2.34 g·kg-1、72.26～206.61 mg·kg-1，均值分別為1.53 g·kg-1、134.46 mg·kg-1；全磷和速效磷分別為0.26～0.86 g·kg-1、0.30～0.50mg·kg-1，均值分別為0.51 g·kg-1、0.37 mg·kg-1；全鉀和速效鉀分別為7.60～10.31 g·kg-1、64.03～130.90 mg·kg-1， 均值分別為9.06 g·kg-1、97.97mg·kg-1。參照全國第二次土壤普查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表2），小五臺(tái)山土壤有機(jī)質(zhì)除1 389～1 420 m 的4 塊樣地處于3 級中上水平外，其余均在2 級及以上水平，有機(jī)質(zhì)含量比較高；土壤全氮和堿解氮含量有8 塊樣地處于中間水平，其余均在較高水平；土壤全磷含量大部分處于3～4 級中下水平，速效磷全部為6 級很低的水平；土壤全鉀含量大部分為5 級低水平，而速效鉀含量全部為3～4 級中間水平。因此，小五臺(tái)山土壤缺磷鉀類養(yǎng)分元素，特別是速效磷和全鉀，在今后的森林經(jīng)營中應(yīng)特別注意補(bǔ)充這兩類元素。

圖1 土壤養(yǎng)分含量的海拔梯度差異Fig.1 The differences of soil nutrient contents at different altitude gradient

3.2 土壤C、N、P、K 化學(xué)計(jì)量特征的海拔梯度差異

由圖2 可見，小五臺(tái)山0～60 cm 土層土壤C/N、C/P、C/K、N/K 隨海拔升高而增加，C/N、C/P、C/K、N/K 與海拔高度極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R 分別達(dá)到0.77、0.61、0.82 和0.68。土壤C/N 隨海拔升高的變化范圍為12.79～18.72，均值15.36，變異系數(shù)11.43%；C/P 變化范圍為22.51～75.75，均值47.33，變異系數(shù)32.12%；C/K 變化范圍為1.50～4.31，均值2.62，變異系數(shù)36.34%；N/K 的變化范圍為0.11～0.27，均值0.17，變異系數(shù)30.45%。土壤N/P 和P/K 隨海拔升高有一定的增加趨勢，但并不明顯（P＞0.05）。土壤N/P 隨海拔升高的變化范圍為1.76～4.67，均值3.04，變異系數(shù)25.49%；P/K 的變化范圍為0.03～0.10，均值0.06，變異系數(shù)27.41%。由此可見，不同海拔土壤的C/N變異程度相對C/P、C/K、N/K、N/P 和P/K 最小，而C/K 變異程度最大，說明土壤C、N 在不同海拔高度的耦合性較高，而C、K 耦合性則較差。

圖2 土壤C、N、P、K 化學(xué)計(jì)量特征的海拔梯度差異Fig.2 The differences of stoichiometric characteristics of soil C,N,P and K at different altitude gradients

3.3 土壤肥力的海拔梯度差異

由表3 可見，土壤肥力指標(biāo)第1、2、3 主成分方差貢獻(xiàn)率分別為56.79%、21.48 和9.28%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為87.55%，說明這3個(gè)主成分可以表達(dá)大部分的土壤肥力信息，能夠作為評價(jià)指標(biāo)參與土壤肥力綜合評價(jià)。SOM、TN、AN、 C/K、N/K 在第1 主成分中均有較高系數(shù)，SOM與TN、AN、C/K、N/K 極顯著正相關(guān)（表4），且SOM 系數(shù)最大，因此SOM 入選第1 主成分土壤肥力評價(jià)指標(biāo)。第2 主成分中P/K 和TP 有較高系數(shù)，且P/K 與TP 極顯著正相關(guān)，因此選擇第2主成分中系數(shù)最大的P/K 為土壤肥力評價(jià)指標(biāo)。第3 主成分中只有TK 有較高系數(shù)，因此選擇TK為第3 主成分土壤肥力評價(jià)指標(biāo)。

通過公式（1）（2）計(jì)算即可得不同海拔土壤肥力指數(shù)SFI（表5）。SFI指數(shù)變化范圍為0.16～0.57，總體上表現(xiàn)為隨海拔梯度升高而增大，與海拔高度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），決定系數(shù)R2=0.68（圖3），顯示出海拔越高土壤肥力越好的趨勢。從相近海拔梯度不同樣地SFI指數(shù)可見其分異特征也較為明顯，比如1 420 m 的油松林和1 430 m 的落葉松林，SFI指數(shù)分別為0.16和0.36；又如1 674 m 的白樺林和1 676 m 的落葉松白樺混交林，SFI指數(shù)分別為0.23 和0.38。這主要是由于土壤肥力影響因子的多樣性和復(fù)雜性所致，除海拔梯度所帶來的多因子協(xié)同影響外，由植被類型主導(dǎo)的枯落物儲(chǔ)量、枯落物養(yǎng)分組成以及分解速率等都是重要影響因素。

表3 土壤肥力指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 3 Principal component analysis of soil fertility indexes

表4 土壤各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性矩陣?Table 4 Relevance matrix of soil indexes

表5 不同海拔植被類型土壤肥力指數(shù)Table 5 Soil fertility indexes of different vegetation types at different altitudes

圖3 土壤肥力指數(shù)隨海拔高度的變化Fig.3 Changes of soil fertility indexes with altitude

4 討 論

本研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀含量和C/N、C/P、C/K、N/K 隨海拔梯度升高而升高。速效鉀含量和N/P、P/K 隨海拔高度增加呈現(xiàn)出一定的增加趨勢，而速效磷含量有一定的降低趨勢，但均不明顯。與林建平等[17]研究的南方丘陵區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、有效磷、速效鉀含量與高程的相關(guān)關(guān)系一致；也與云南烏蒙山區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀隨海拔升高而升高的趨勢一致[18]。但土壤養(yǎng)分與海拔的關(guān)系存在明顯的地區(qū)間差異，阿爾泰山土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量隨海拔升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢[5]，川西高寒灌叢草地土壤有機(jī)碳、全氮、C/P 和N/P整體呈先降低后升高的趨勢[19]。這種不同的變化趨勢與海拔跨度、溫濕度變化、降水、植被類型等有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜而長期的過程。但有機(jī)質(zhì)含量是眾多營養(yǎng)元素含量及其化學(xué)計(jì)量特征變化的重要因子，由表4 SOM 與TN、TP、TK、AN、C/N、C/P、C/K、N/P、N/K 顯著正相關(guān)就可見一斑。植物枯落物的累積、養(yǎng)分組成和分解速率，植物根系的生長分布及養(yǎng)分含量，土壤動(dòng)物的種群、數(shù)量和活動(dòng)情況，土壤微生物的種群、數(shù)量和活性，以及區(qū)域氣候和環(huán)境等都是影響土壤有機(jī)質(zhì)含量分布的重要因素，而以上各因素間又有著錯(cuò)綜復(fù)雜的交互影響關(guān)系。海拔梯度會(huì)引起多種因子的協(xié)同變化，集合了多因子互作效應(yīng)。一方面是隨海拔升高，溫度降低，降水和冷凝水增加，土壤含水量增加，加速枯落物和根系殘留物的腐爛分解，有機(jī)質(zhì)含量增加[20]；另一方面是隨海拔升高，土壤溫度降低，較低的土壤溫度嚴(yán)重影響土壤微生物的種群、數(shù)量和活性，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的礦化速率減緩，也就是有機(jī)質(zhì)被分解為C、N、P、K 等營養(yǎng)元素的過程變慢[21]，大量的有機(jī)質(zhì)富集。這也是土壤C/N、C/P、C/K 隨海拔高度升高而升高的原因，反之也說明了土壤C/N 越高有機(jī)質(zhì)分解速率越慢。N/K 升高的原因主要是土壤全N 隨海拔升高而升高的幅度大，而全K 幅度較小所致，由圖1 兩者隨海拔高度變化趨勢線的斜率可見其差異。當(dāng)然，不同植被類型對土壤有機(jī)質(zhì)和C、N、P 等養(yǎng)分含量也有明顯影響[22]，從相近海拔高度不同植被類型土壤肥力指數(shù)SFI的分異特征即可看出。在土壤肥力指數(shù)評價(jià)中，由于有機(jī)質(zhì)含量是第一主成分，所占權(quán)重達(dá)到0.57，因此土壤肥力指數(shù)SFI與有機(jī)質(zhì)含量隨海拔的變化規(guī)律一致。

有研究表明，由于森林枯落物蓄積量下降，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、鈣鎂離子等濃度也隨之降低，導(dǎo)致土壤進(jìn)入退化進(jìn)程[23]；而土壤養(yǎng)分含量會(huì)受淋溶、運(yùn)移和累積的影響而發(fā)生顯著變化[24]。綜合前人研究和本研究結(jié)果認(rèn)為，在沒有收獲輸出的森林土壤營養(yǎng)元素的來源和流失特性主導(dǎo)其對海拔梯度的響應(yīng)規(guī)律。森林土壤養(yǎng)分原始來源于土壤母巖，在植物與土壤存在物質(zhì)循環(huán)后又來源于植物有機(jī)質(zhì)分解返還，前者在母巖形成土壤的較大時(shí)間尺度上起決定作用，而后者在較小的時(shí)間尺度上占據(jù)主導(dǎo)地位。土壤養(yǎng)分元素除了被植物吸收利用暫存于植物有機(jī)體的部分之外，大部分以有機(jī)態(tài)存在的營養(yǎng)元素，由于其水溶性弱，不易流失，主要受其來源影響；而以無機(jī)態(tài)存在的營養(yǎng)元素，由于水溶性強(qiáng)，容易流失，則受來源和流失特性共同影響。在流失特性方面，由于與水有關(guān)，所以與降水、地形、土壤含水等因子顯著相關(guān)[25]。本研究土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮含量顯著正相關(guān)關(guān)系（表4），且在不同海拔梯度的分布規(guī)律上表現(xiàn)一致，這與馬國飛等[2]的研究結(jié)果一致。主要由于土壤氮素大部分以有機(jī)態(tài)存在，且不易流失，因而主要受有機(jī)質(zhì)分解返還影響所致。磷鉀類養(yǎng)分，由于其較氮類養(yǎng)分水溶性強(qiáng)，易于流失，其含量一方面受有機(jī)質(zhì)分解返還影響，另一方面還受地形、降水、土壤含水等相關(guān)因子的影響。全磷、全鉀與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)分別為0.59 和0.50（表4），雖顯著相關(guān)，但系數(shù)并不高，說明與流失特性相關(guān)的因子明顯影響其含量。而速效磷和速效鉀，尤其是速效鉀，由于其水溶性更強(qiáng)，更易流失，所以其受有機(jī)質(zhì)分解返還影響減弱，而受地形、降水、土壤含水等相關(guān)因子影響增強(qiáng)，在隨海拔梯度的變化上并未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。這也是眾多研究得出土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等營養(yǎng)元素存在明顯“表聚現(xiàn)象”，而磷鉀類營養(yǎng)元素不同地區(qū)“表聚現(xiàn)象”差異較大的原因。土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K 化學(xué)計(jì)量特征隨海拔高度的變化，主要受兩種比較元素隨海拔變化的幅度影響，也就是受其隨海拔高度變化趨勢的斜率影響。

本研究只進(jìn)行了小五臺(tái)山土壤C、N、P、K養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量特征對海拔梯度的響應(yīng)，以及土壤肥力隨海拔梯度變化規(guī)律的研究，在規(guī)律成因的研究上稍顯不足。今后有必要深入研究土壤養(yǎng)分、肥力及化學(xué)計(jì)量特征與土壤環(huán)境、植被類型、植物體養(yǎng)分含量、枯落物養(yǎng)分含量、枯落物分解速率等方面的關(guān)系，深入探討土壤與植物間的養(yǎng)分循環(huán)關(guān)系。

5 結(jié) 論

1）隨海拔梯度升高，小五臺(tái)山土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀和C/N、C/P、C/K、N/K 升高，而速效磷、速效鉀和N/P、P/K 無明顯變化規(guī)律。

2）小五臺(tái)山不同海拔梯度0～60 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化范圍為19.77～70.69 g·kg-1， 全氮、全磷、全鉀含量分別為0.85～2.34、0.26～0.86、7.60～10.31 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為72.26～206.61、0.30～0.50、64.03～130.90 mg·kg-1。按照全國第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)，小五臺(tái)山土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量較高，全磷和速效鉀含量處于中間水平，而全鉀和速效磷含量比較低，在森林經(jīng)營中應(yīng)注意補(bǔ)充。

3）土壤C/N、C/P、C/K 隨海拔升高的變化范圍分別為12.79～18.72、22.51～75.75、1.50～4.31；N/K、N/P、P/K變化范圍分別為0.11～0.27、1.76～4.67、0.03～0.10；土壤C/N變異系數(shù)最小，C/K 變異系數(shù)最大。

4）經(jīng)土壤肥力指數(shù)（SFI）綜合評價(jià)，小五臺(tái)山SFI指數(shù)與海拔高度顯著正相關(guān)（R2=0.68,P＜0.01），顯示出海拔越高土壤肥力越好的趨勢。