山西霍山森林植物功能型土壤理化性质研究

丁献华 ， 毕润成 ， 张慧芳， 闫明*

1.临汾职业技术学院，山西 临汾， 041000；2.山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041000；3.太原市节能监察大队， 山西 太原 030000

植物功能型(Plant functional types, PFTs)是具有相似的形态和生理特性，利用相同的资源，在生态系统中起相似作用的植物物种的组合[1]，是对特定环境有相似反应的一类物种[2].植物功能型概念的引入是研究在不同时空尺度上植被与环境变化相互关系的新方法[3].植物功能型的分类要考虑植物的结构、功能以及重要的环境限制因子等[4].

霍山在山西南部，地处我国暖温带地区，由于气候和干扰的作用，植被破坏严重，植被预测和管理为当务之急.在中国植被区划中属暖温带夏绿林区，地带性植被为落叶阔叶林，由于长期的干扰破坏，原生植被已不复存在.现状植被大都为人为次生植被和局部地区保存的天然次生类型.以前对霍山的森林群落研究主要集中在种群动态、生长规律、物种多样性等方面[5～7]，而对于霍山植物功能型组成的研究才刚刚起步，在前期的研究中，丁献华[8～10]根据种间联结性、TWINSPAN分类、DCA和CCA排序等将七里峪分为5个功能型，分别是：F1山核桃CaryacathayensisSarg、暴马丁香Syringareticulata(Blume)Haravarmandshurica(Maxim)、披针叶苔草CarexlanceolataBoott；F2油松PinustabulaeformisCarr、辽东栎QuercuswutaishanicaBlume、三裂绣线菊SpiraeatrilobataLinn、披针叶苔草；F3辽东栎、茶条槭AssoAcerginnala、三裂绣线菊、连翘Forsythiasuspensa(Thunb)Vahl Enum、蛇莓Duchesneaindica(Andrews)Focke；F4华北落叶松Larixprincipis-rupprechtiiMayr、美丽胡枝子Lespedezaformosa(Vog) Koehne、林荫千里光SenecionemorensisLinn；F5白桦BetulaplatyphyllaSuk、毛榛子CorylusheterophyllaFisch ExTrautv、披针叶苔草.本文重点分析了霍山七里峪暖温带天然次生林不同功能型与土壤理化性质及环境因子的关系，旨在为暖温带森林植物功能型的深入研究提供理论依据.

1 研究地概况

中镇霍山位于山西省南部，属太行山系的中段.七里峪位于霍山的北部腹地，地理坐标介于北纬36°21″至36°45″，东经115°40″至112°20″.本区属暖温带大陆性季风气候，山体高差悬殊，地形变化复杂，形成了不同的气候类型和不同的水热及其组合状况.年平均气温在9.3 ℃～12.3 ℃之间.最热月和最冷月的平均气温分别在25.1 ℃～26.1 ℃和-3.5 ℃～-4.5 ℃之间.无霜期可达120 天～200 天，年降水量在500 mm～700 mm之间，其中七、八、九3个月为全年降水量的65 %.春末易发生干热风，伏旱明显；秋季多阴雨天气；冬季冷干等是本区植被发育的限制条件.

七里峪属暖温带落叶阔叶林区域，地带性植被是落叶阔叶林，现状植被为天然或人工次生类型，油松、辽东栎是本区分布最广、作用最大的优势种，高海拔地区华北落叶松、白桦有大量分布.土壤以褐土为主，随着海拔升高依次为石灰性褐土、褐土性土、淋溶褐土、棕色森林土、山地草甸土等.

2 研究方法

2.1 群落调查法

以霍山七里峪为研究地，在海拔高度1 250 m～2 200 m的范围内，选择具有代表性的地段，海拔每升高100 m，至少设置1个50 m×50 m的样地,每个样地的中心以及四个角分别取面积10 m×10 m的乔木样方1个,每个乔木样方内再设2个5 m×5 m的灌木样方和4个1 m×1 m的草本样方，共设样地8个，其中包括乔木样方80个，灌木样方160个，草本样方320个.

2.2 土壤指标测定

在植被调查的基础上，按森林土壤调查方法对每个样方取样[11]，根据国家标准方法分析测定土样[12]，土壤样品的分析方法见表1，共分析了土壤含水量、土壤pH值、土壤有机质含量、水解性氮、有效磷、速效钾、全氮含量、全磷含量、全钾含量等9项指标.

表1 环境因子的测定方法及仪器Tab.1 Measurements and instruments for environmental factors

3 结果与分析

3.1 pH值

土壤酸碱性通常用pH值表示，土壤pH 值是土壤酸碱性强度的主要指标，主要取决于土壤溶液中H+浓度，H+多来源于吸附性Al3+以及土壤生物呼吸作用产生的CO2溶于水后碳酸与有机质降解产生的有机酸，土壤pH 值是土壤的许多化学性质特别是盐基状况的综合反映，它对土壤的一系列其他性质有深刻影响.各种植物都有其适宜的酸碱度范围，超过这个范围时，生长受阻.土壤pH值虽不能直接表明土壤中某种养分的数量，但它的高低可控制和影响土壤中微生物的改变，从而左右着绝大多数营养元素的转化方向、过程和形态及其有效性.不同林分下人为抚育措施在一定程度上可以增加土壤通气性，提高土壤氧化还原电位从而改变土壤的pH值[13].由图1可知，不同功能型林下土壤pH值均在7左右，随海拔变化不明显，在1 500 m～1 620 m、1 650 m～1 860 m 和2 230 m～2 270 m这三个海拔范围内，是油松、华北落叶松等针叶树种为优势种的功能型，其林下土壤pH值呈现出弱酸性，其原因可能是油松林、华北落叶松林凋落物分解产生有机酸较多，促使土壤pH值降低.而以辽东栎、白桦、山核桃、茶条槭等乔木为优势种的功能型，其林下土壤则呈弱碱性，说明不同的植物功能型会影响土壤pH值.

图1 太岳山七里峪土壤pH随海拔变化图
Fig.1 pH values change along with altitude at the Taiyue Mountain

3.2 土壤水分含量

土壤水分含量是影响植物生长的重要因素，反映了植物对水分的需求.由图2可以看出，七里峪研究区土壤水分含量变化范围在1.74 %～7.45 %，总体水平表现出随海拔升高增加不显著的趋势.表明在中低海拔，由于人为干扰严重，乔木层、灌木层和草本层结构单一，腐殖质积累相对较少，土壤水分含量相对高海拔较低.而以辽东栎、华北落叶松等为优势种的植物功能型由于分布区人为活动较少，群落较为稳定，群落结构层次明显，树种多样性高，基本上属于稳定的群落类型，林分生物量组成及分布较合理，并且其林分地上部分持水量大，土壤腐殖质积累较多，土壤水分含量相对较高.

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图2 太岳山七里峪土壤含水量随海拔变化图
Fig.2 Contents of soil water matter change along with altitude at Taiyue Mountain

3.3 土壤有机质

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成部分，有机质水平是表征和衡量土壤肥力状况的重要指标.在林地土壤中，凋落物是土壤有机物的主要来源，也是土壤补充有机质的主要方式，其次，动物、微生物的残体也是土壤有机质的来源.它与土壤矿质部分均为林木营养的来源，有机质的存在能够直接影响和改变土壤的结构性能以及生物学和物理、化学性质.土壤有机质的形成与森林的枯枝落叶层是分不开的，群落的稳定性越高,就会积累越多的枯枝落叶，土壤中的有机质含量水平也会较高.

由图3可以看出，七里峪研究区土壤有机质含量变化范围为2.05 %～7.46 %.总的来说，林下土壤有机质随海拔增加略有增大，但变化并不显著.在中低海拔，由于有一定的人为影响，以油松、辽东栎、茶条槭为优势种的林分发育不成熟，乔木层郁闭度大，造成以披针叶苔草为优势种的林下草本层不发达，保持水土能力不强，导致有机质流失；在中高海拔地带，人为影响较小，以辽东栎、华北东叶松为主的优势种发育成熟，由于森林的自疏作用，林下明亮，披针叶苔草、羊胡子草、林荫千里光、蛇莓等草本层植被发达，腐殖质层较厚，土壤中有机质含量也较高.尤其是在海拔2 000 米以上气温较低雨量充沛，分布着以华北落叶松等为优势种的功能型，其林下土壤肥力较高，有机质丰富.

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图3 太岳山七里峪土壤有机质含量随海拔变化图
Fig.3 Contents of organic matter change along with altitude at Taiyue Mountain

3.4 土壤氮素含量

氮元素是植物生长必需的大量元素之一，通常植物在生长过程中吸收的氮要高于其他矿质元素，氮元素常成为限制植物生长的主要元素.土壤全氮是土壤氮素肥力的基础，是土壤中各种形态氮素含量之和，表明土壤氮元素养分的储备指标，在一定程度上说明土壤氮的供应能力，林中土壤N素在不施肥的条件下主要来源于凋落物的分解，一些固氮树种、固氮微生物，以及降水中的化合态氮，较高的含氮量常标志较高的氮素供应水平[14].土壤有效氮包括无机的矿物态氮和部分有机质中易分解的、比较简单的有机态氮，它是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮的总和，能反映土壤近期内氮素的供应情况.

碱解氮能较好地反映出近期内土壤氮素供应状况和氮素释放速率，由图4、图5可知，七里峪研究区内土壤N含量较高，碱解氮的变化范围在207 mg·kg-1～853 mg·kg-1，全氮的变化范围在0.024 1 %～0.116 %.随着海拔的升高，碱解氮和全氮的含量均逐渐升高.有研究表明，土壤温、湿度是影响土壤氮素矿化的最重要的原因[15]，湿度越大，土壤中的氮素越易积累；温度越高，土壤有机质分解越快，氮素越难积累[16].在七里峪，随着海拔的升高，温度降低、湿度增加，有利于有机质的分解和氮素的积累，尤其是在位于高海拔2 200 m～2 270 m地带的以华北落叶松、美丽胡枝子、林荫千里光为优势种的功能型内，其灌木层是以豆科植物美丽胡枝子为优势种，豆科植物根部含有根瘤菌，这些菌类来吸取大气中的游离氮素，这些含氮的根部腐烂后也可增加土壤中的氮素，所以，其林下土壤中含氮量最高.

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图4 太岳山七里峪土壤碱解氮含量随海拔变化图Fig.4 Contents of alkhne hydrolysis N change along with altitude at Taiyue Mountain

图5 太岳山七里峪土壤全氮含量随海拔变化图
Fig.5 Contents of Total N change along with altitude at Taiyue Mountain

3.5 土壤磷素含量

磷是植物生长发育的必需营养元素之一，参与组成植物体内许多重要化合物，是植物体生长代谢过程必不可少的.土壤中磷的原始来源是成土母岩经过风化作用释放出磷，土壤中大部分磷素主要以有机态形式存在.全磷量和速效磷含量标志着土壤供磷能力的大小.植物土壤中磷的总质量分数在 0.02 %～0.2 %，与其他大量营养元素相比较低.土壤有效磷是标志土壤磷素养分供应水平的指标之一.

由图6、图7可以看出，太岳山七里峪研究区有效磷含量基本维持在26.78 mg·kg-1～62.63 mg·kg-1，全磷含量0.037 6 %～0.146 %.全磷含量有随海拔的升高缓慢增加的趋势，有效磷含量随海拔的上升先升高而后又降低.这可能是因为在海拔1 600 m～1 800 m分布着以辽东栎等为优势种的植物功能型，其林下凋落物可分解产生较多的磷素，所以有效磷的含量较高.

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图6 太岳山七里峪土壤有效磷含量随海拔变化图Fig.6 Contents of Available phosphorus change along with altitude at Taiyue Mountain

图7 太岳山七里峪土壤全磷含量随海拔变化图
Fig.7 Contents of Total phosphorus change along with altitude at Taiyue Mountain

3.6 土壤钾素含量

钾是植物生长的必需元素之一.在正常状况下，植物吸钾量一般超过吸磷量，与吸氮量相近.土壤钾素肥力的供应能力主要取决于速效钾[17]，它能真实反映土壤中钾素的供应情况.

由图8、图9可知，七里峪研究区土壤速效钾含量随着海拔的升高逐渐上升，值的变化范围在130.58 mg·kg-1～188.55 mg·kg-1，与之相反的是，全钾的含量则随海拔的升高缓慢下降，含量在1.15 %～2.68 %.速效钾在较高海拔的华北落叶松、白桦等功能型土壤中含量较高，全钾含量在中高海拔的辽东栎等功能型林下土壤中含量较高，这可能是由于不同次生林下凋落物的数量、组成成分以及分解速率不同，导致其林下土壤钾的养分状况有较大差异.

图8 太岳山七里峪土壤速效钾含量随海拔变化图Fig.8 Contents of Available Οacting kalium change along with altitude at Taiyue Mountain

图9 太岳山七里峪土壤全钾含量随海拔变化图
Fig.9 Contents of Total kalium change along with altitude at Taiyue Mountain

3.7 各环境因子的相关性分析

表2 研究区各环境因子的相关分析Tab.2 Correlation coefficient between environment factor of the experimental site

** 表示P<0.01 极显著相关; * 表示P<0.05 显著相关.

表2各环境因子相关分析可得，海拔与土壤pH值、土壤速效P含量正相关.其中，与土壤含水量、土壤有机质含量、土壤速效N含量、土壤速效K含量、土壤全N含量、土壤全P含量呈极显著正相关(P<0.01)；与土壤全K含量极显著负相关；土壤pH值与土壤全N含量呈极显著正相关(P<0.01)，土壤含水量与土有壤机质含量、土壤速效N含量、土壤全N含量呈显著正相关(P<0.05)，与土壤速效K含量呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤全K含量呈极显著负相关(P<0.01).

4 结论

(1)在以油松、华北落叶松等针叶树种为优势种的功能型林下土壤pH值呈现出弱酸性，而以辽东栎、白桦、山核桃、茶条槭等乔木为优势种的功能型，其林下土壤则呈弱碱性，其原因可能是油松林、华北落叶松林凋落物分解产生有机酸较多，促使土壤pH值降低，说明不同的植物功能型会影响土壤pH值.

(2)土壤水分含量、壤有机质含量、碱解氮和全氮的含量、全磷含量、速效钾含量均有随海拔的升高缓慢增加的趋势.与之相反的是，全钾的含量则随海拔的升高缓慢下降.

(3)有效磷含量随海拔的上升先升高而后又降低.

(4)通过对各环境因子相关分析可得，海拔与土壤pH值、土壤速效P含量正相关，与土壤含水量、土有壤机质含量、土壤速效N含量、土壤速效K含量、土壤全N含量、土壤全P含量呈极显著正相关(P<0.01).