張連金，賴光輝，孫長忠，辛學(xué)兵，孔慶云

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 華北林業(yè)實驗中心，北京 102300；2.北京市林業(yè)勘察設(shè)計院，北京 100029）

北京九龍山不同林分土壤肥力診斷與綜合評價

張連金1，賴光輝2，孫長忠1，辛學(xué)兵1，孔慶云1

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 華北林業(yè)實驗中心，北京 102300；2.北京市林業(yè)勘察設(shè)計院，北京 100029）

以北京九龍山轄區(qū)13種林分的土壤為研究對象，分別測定土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、堿解氮等肥力指標，按照不同林分對土壤肥力指標進行診斷，并用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對土壤肥力進行綜合評價。結(jié)果表明：土壤pH值呈弱酸性，土壤有機質(zhì)含量豐富，其中有約一半的林分處于Ⅰ級，但土壤全氮與有效磷含量較低，幾乎所有林分都處于Ⅲ級和Ⅳ級，土壤速效鉀與堿解氮含量中等偏下，幾乎所有林分都處于Ⅱ級和Ⅲ級；土壤綜合肥力系數(shù)（Pj）變幅為0.87 ～ 1.85，平均為1.20±0.30，其中肥力屬于一般（0.9＜Pj＜1.8）林分占總林分的76.29%，白蠟丁香混交林土壤肥力系數(shù)較高，而樟子松純林和白蠟與華北落葉松混交林的肥力系數(shù)較低，表明九龍山林分土壤肥力總體處于一般水平，且土壤有效磷和全氮含量是影響綜合肥力系數(shù)的主要指標，因此，在加強林地土壤的改良方面，提高土壤有效磷和全氮含量是關(guān)鍵。

九龍山；林分類型；修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法；土壤肥力；綜合評價

植被和土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要的兩個組成部分，兩者之間是一種相互依賴和制約的關(guān)系[1]。土壤是植被賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是決定群落格局、結(jié)構(gòu)的生態(tài)因子之一。而植被的存在不僅能夠增加土壤的空間異質(zhì)性，且能通過增加凋落物的輸入和大氣降塵的截存以改善土壤性狀，進而形成一個植被與土壤相互作用、相互影響的良性循環(huán)系統(tǒng)。

土壤肥力是土壤物理、化學(xué)和生物等因素共同作用的結(jié)果，是土壤基本屬性與本質(zhì)特征的反應(yīng)，能為植物生長提供必要的物質(zhì)養(yǎng)分和機械支撐[2]，體現(xiàn)了為植物生長供應(yīng)營養(yǎng)和環(huán)境方面的能力。土壤肥力無法直接測定，但是可通過間接測定指示這些功能的參數(shù)（評價指標）來描述土壤肥力狀態(tài)。因此，土壤肥力質(zhì)量評價就成了一個研究熱點。土壤理化性質(zhì)是評價土壤肥力質(zhì)量的重要指標，相關(guān)研究表明，不同森林植被中土壤理化性狀差異較大[3-5]。土壤酸堿度是影響植物分布的重要因子之一，而土壤養(yǎng)分更是影響植被生長狀況的重要因子。因此，深入研究不同植被下的土壤肥力特征，并進行綜合評價，對科學(xué)利用林地資源、提高土壤肥力及合理經(jīng)營森林具有重要意義。

北京九龍山地處北京西郊，屬于典型華北石質(zhì)山區(qū)，其森林構(gòu)成北京市城郊森林的一部分，是集水源涵養(yǎng)、水土保持及風(fēng)景游憩等多種功能為一體的有效植被，對于改善土壤理化性質(zhì)和提高土壤肥力具有重要作用。目前，對北京九龍山區(qū)的研究主要集中在土壤水分、物種多樣性、植被結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能評價及土壤水文效應(yīng)等方面[6-11]，且對華北石質(zhì)山區(qū)森林土壤的研究主要集中在土壤水分、養(yǎng)分、呼吸、微形態(tài)及有機碳等方面[12-20]，但有關(guān)北京九龍山區(qū)不同林分的土壤肥力質(zhì)量評價研究鮮有報道。因此，本研究以北京九龍山區(qū)13種不同林分下的土壤為研究對象，分析各種林分土壤理化性質(zhì)的總體特征，采用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進行土壤肥力評價，不僅有助于了解北京九龍山不同林分土壤的現(xiàn)狀，還可為森林監(jiān)測以及森林可持續(xù)經(jīng)營提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

九龍山位于北京西郊門頭溝東南部（39°54′～ 39°59′ N，115°59′ ～ 116°07′E），地處太行山脈北端與燕山山脈交匯處，屬于太行山系的中低山區(qū)，有著華北石質(zhì)山區(qū)典型的地形地貌、土壤和氣候條件及區(qū)域代表性地帶植被類型。區(qū)內(nèi)地形呈“U”型，南北寬約6 km，東西長約10 km。山體基本呈東西走向，形成典型的大陽坡和大陰坡。山坡普遍較陡，坡度多在25°以上[21]。該區(qū)氣候?qū)倥瘻貛驕貛н^渡的半濕潤中緯度大陸東岸季風(fēng)氣候型，年平均氣溫為11.8℃，歷年平均降水量為623 mm，降雨主要集中在6—9月，年均蒸發(fā)量為1 870 mm，無霜期為216 d。地帶土壤為山地褐土，土層普遍較薄，約為30 cm，且含石量高。地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林，在海拔100～997 m的范圍內(nèi)分布著典型的落葉闊葉林、溫性針葉林和天然次生灌叢等植被類型，主要包括側(cè)柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabulaeformis、栓皮櫟Quercus variabilis、五角楓Acer mono、白蠟樹Fraxinus chinensis、糠椴Tilia mandschurica、日本落葉松Larix kaempferi、樟子松Pinus sylvestris、華北落葉松Larix principisrupprechtii和黃櫨Cotinus coggygria等森林類型。這些植被類型是構(gòu)成京西風(fēng)景生態(tài)公益林區(qū)的重要組成部分，也是城郊森林的典型代表區(qū)域。

1.2 樣地選擇

2012年8月—2013年4月，在野外詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取8種純林（側(cè)柏、油松、樟子松、華北落葉松、栓皮櫟、五角楓、椴樹和黃櫨）、4種混交林（油松與闊葉樹、白蠟與丁香、白蠟與華北落葉松及華北落葉松與油松）及荊條三裂繡線菊灌木次生林的典型植被為研究對象，分別設(shè)立標準地進行詳細調(diào)查。樣地基本情況見表1。

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

1.3 樣品采集及測定方法

在上述樣地中按照“S”型5點采樣法，采集深度為0～30 cm土壤，充分混合后去除植物根系、石塊等，用四分法留取約1 kg土樣，運回室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干磨細后，分別過孔徑1 mm和0.25 mm篩，裝入保鮮袋，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。其中，pH值采用電位滴定法，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮含量采用半微量開氏法，堿解氮含量采用擴散吸收法，有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀含量采用四苯硼鈉比濁法定[22]。

1.4 指標標準化

由于所選指標之間具有不可加和性，所以需要進行標準化處理，達到消除各指標間的量綱差別。常見的標準化方法有直線型、折線型和曲線型無量綱化法[23]，本研究采用四折線型無量綱化方法進行標準化處理，具體如下：

（1）當(dāng)指標測定值屬于“極差”級時，即Ci≤Xa，

（2）當(dāng)指標測定值屬于“差”級時，即Xa＜Ci≤Xa，

（3）當(dāng)指標測定值屬于“中等”級時，即Xa＜Ci≤Xp，

（4）當(dāng)指標測定值屬于“良好”級時，即Ci＞Xp，

式中：Pi為第i個指標的肥力系數(shù)，簡稱分肥力系數(shù)；Ci為第i個指標的測定值；Xa、Xc、Xp分別為響應(yīng)指標“差”級、“中等”級和“良好”級分級標準，具體見表2。各土壤屬性值分級標準主要參照第二次全國土壤普查標準[24]。

1.5 評價模型

采用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對林分土壤肥力質(zhì)量進行綜合評價[25]。計算公式為：

式中：Pj為土壤的綜合肥力系數(shù)；Pi平均為土壤各屬性分肥力系數(shù)的平均值；Pi最小為土壤各屬性分肥力系數(shù)的最小值；n為參與評價的土壤屬性個數(shù)。

表2 土壤屬性分級標準Table 2 Classification standard of soil property

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤肥力指標的診斷

2.1.1 pH值

土壤的酸堿度不僅影響?zhàn)B分的轉(zhuǎn)化、存在形態(tài)及有效性，還影響微生物的生命活動。從表3可知，九龍山區(qū)內(nèi)各林分類型土壤pH值的變幅為5.02～6.30，沒有強酸性（pH值＜4.50）土壤，且大多數(shù)林分類型土壤的pH值處于弱酸性（pH值在5.50～6.50之間）范圍，僅有華北落葉松純林及華北落葉松與油松混交林土壤的pH值在4.50～5.50之間，為中等酸性土壤。

2.1.2 土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)是評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的一項重要指標，尤其在半干旱地區(qū)。從表3可以看出，土壤有機質(zhì)含量在17.12～52.04 g/kg之間，平均值為32.35 g/kg，總體上有機質(zhì)含量較高。各林分類型土壤有機質(zhì)含量有明顯差異，荊條三裂繡線菊灌木林含量最高，為52.04 g/kg；其次為華北落葉松純林，為49.13 g/kg；樟子松純林含量最小，為17.12 g/kg。根據(jù)土壤肥力分級參考標準，九龍山各林分類型土壤有機質(zhì)含量處于Ⅰ級和Ⅱ級的林分均為6個，其中處于Ⅰ級的林分有機質(zhì)含量按從高到低分別為荊條三裂繡線菊灌木林、華北落葉松純林、白蠟丁香混交林、栓皮櫟純林、椴樹純林和華北落葉松與油松混交林，僅有1個林分（樟子松純林）處于Ⅲ級。

2.1.3 土壤全氮和堿解氮

土壤氮素在森林生態(tài)系統(tǒng)中是一種限制植物生長的重要元素，受氣候、植被、土壤理化性質(zhì)及人為經(jīng)營措施的影響，土壤氮素狀況呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，并能反映氮素的流失、滲透等現(xiàn)象。從表3可以看出，就各林分類型土壤全氮的平均含量來看，變幅在0.36～1.46 g/kg之間，存在明顯差異。其中全氮含量最高為荊條三裂繡線菊灌木林，達1.46 g/kg；其次為華北落葉松純林，為1.37 g/kg；樟子松純林含量最小，為0.36 g/kg。根據(jù)土壤肥力分級參考標準，各林分類型土壤的全氮含量僅分布于較低的Ⅲ級和Ⅳ級，分別為8個與5個，平均值僅為0.94 g/kg，全氮含量較低。就各林分土壤堿解氮的平均含量來看，變幅在72.55～234.72 mg/kg之間，存在明顯差異。其中堿解氮含量最高為荊條三裂繡線菊灌木林，達234.72 mg/kg；其次為華北落葉松純林，為198.21 mg/kg；樟子松純林含量最小，為72.55 mg/kg。根據(jù)土壤肥力分級參考標準，僅有2個林分的土壤堿解氮含量處于Ⅰ級，處于Ⅱ級和Ⅲ級的林分分別為6個、5個，平均值為143.83 mg/kg，堿解氮含量中等，其中處于Ⅱ級的林分的堿解氮含量按從高到低分別為栓皮櫟純林、側(cè)柏純林、白蠟丁香混交林、椴樹純林、華北落葉松與油松混交林及油松純林。

2.1.4 土壤有效磷

磷是植物僅次于氮的最常利用的元素，因其直接參與代謝的許多過程，被稱之為“生命的鑰匙”[26]。有效磷可反映近期土壤微量元素供應(yīng)狀況。從表3可以看出：就各林分土壤有效磷的平均含量來看，變幅在1.68～30.09 mg/kg之間，存在明顯差異。其中有效磷含量最高為白蠟丁香混交林，達30.09 mg/kg；其次為荊條三裂繡線菊灌木林，為8.43 mg/kg；黃櫨純林含量最小，為1.68 mg/kg。根據(jù)土壤肥力分級參考標準，除白蠟丁香混交林的土壤有效磷含量處于Ⅰ級外，其余林分都處于Ⅲ級和Ⅳ級，個數(shù)分別為2個、10個，土壤有效磷含量極低的林分類型占總數(shù)的77%，平均值僅為5.59 mg/kg，有效磷含量極低。

2.1.5 土壤速效鉀

速效鉀可以反映近期土壤微量元素供應(yīng)狀況。就各林分土壤速效鉀的平均含量來看，變幅在68.23～168.37 mg/kg之間，存在明顯差異（見表3）。其中速效鉀含量最高為白蠟丁香混交林，達168.37 mg/kg；其次為椴樹純林，為125.67 mg/kg；側(cè)柏純林含量最小，為68.23 mg/kg。根據(jù)土壤肥力分級參考標準，所有林分都處于Ⅱ級和Ⅲ級，個數(shù)分別為5個與8個，無處于含量特別高和特別低的Ⅰ級和Ⅳ級的林分，土壤速效鉀含量低的林分類型占總數(shù)的62%，平均值為99.32 mg/kg，速效鉀含量低。

表3 不同林分類型土壤理化性質(zhì)Table 3 Soil physico-chemical property of different forest types

總之，就土壤養(yǎng)分含量來看，白蠟丁香混交林、椴樹純林及荊條三裂繡線菊灌木林3種林分的各種養(yǎng)分含量都相對較高，而油松與闊葉樹及白蠟與華北落葉松2種混交林、五角楓純林與黃櫨純林等各種養(yǎng)分含量都較差，但華北落葉松與油松混交林的有效磷和速效鉀含量較好，而有機質(zhì)、全氮與堿解氮含量中等。栓皮櫟純林除了有機質(zhì)含量較高外，其余含量都中等；油松純林養(yǎng)分含量中等；華北落葉松純林除了有效磷與速效鉀含量較低外，其余都較高；側(cè)柏純林有機質(zhì)與速效鉀含量都很低，其余含量中等。樟子松純林除了速效鉀含量較高外，其余養(yǎng)分含量都較低。

2.2 土壤肥力的綜合評價

將實驗所得數(shù)據(jù)，利用式（1）～（4）進行標準化，并根據(jù)式（5）計算出各林分土壤綜合肥力系數(shù)Pj（見表4），對土壤肥力進行評價，土壤肥力的分級標準見表5。

從土壤肥力綜合評價結(jié)果（見表4）可知，九龍山林分的土壤綜合肥力系數(shù)變幅為0.87 ～1.85，平均為1.20±0.30，變異系數(shù)為25.30%，不同林分類型土壤間的土壤肥沃程度差異明顯。根據(jù)土壤肥力分級標準，沒有林分的土壤肥力屬于很肥沃；僅1個林分的土壤屬于肥沃，為白蠟丁香混交林；而土壤屬于貧瘠的有2個林分，分別為樟子松純林和白蠟與華北落葉松混交林；絕大部分林分類型土壤肥力為一般，達林分總數(shù)的76.92%。由此可見，九龍山林分的土壤肥力總體處于一般水平。

從表4土壤屬性肥力系數(shù)來看，土壤有效磷和全氮含量是影響綜合肥力系數(shù)的主要指標。土壤有效磷的肥力系數(shù)變幅為0.34～3.00，平均為0.89±0.59，變異系數(shù)為83.36%，且大部分林分的土壤有效磷的肥力系數(shù)都小于0.90，占77%，各林分的有效磷含量及其缺乏，差異較大。土壤全氮的肥力系數(shù)變幅為0.47～ 1.95，平均為1.25±0.47，變異系數(shù)為37.28%，各林分的全氮含量較為缺乏，差異也較大。因此，改善林地肥力狀況，提高土壤有效磷和全氮含量是關(guān)鍵。

除了側(cè)柏純林、白蠟丁香混交林、樟子松純林及華北落葉松純林外，影響土壤綜合肥力系數(shù)的主要指標依次為有效磷含量和全氮含量。其中影響側(cè)柏純林與華北落葉松純林的最重要指標是有效磷含量，其次為速效鉀含量。而影響白蠟丁香混交林與樟子松純林最重要指標為全氮含量，其次分別為速效鉀和有效磷含量。

表4 不同林分類型土壤各屬性肥力系數(shù)與綜合肥力系數(shù)Table 4 Soil property and comprehensive fertility coefficient of different forest types

表5 土壤肥力分級標準Table 5 Classification standard of soil fertility

3 結(jié)論與討論

（1）北京九龍山區(qū)各林分土壤pH值的變幅為5.02～6.30，整體水平比較接近，變異系數(shù)遠低于有機質(zhì)和各種養(yǎng)分。根據(jù)我國土壤酸度分級，大多林分土壤呈弱酸性，沒有強酸性土壤，僅有2種林分（華北落葉松純林及華北落葉松與油松混交林）土壤呈中等酸性。這與以往關(guān)于北京山地土壤的pH值研究結(jié)果較為一致[27]。研究中出現(xiàn)2種針葉林的土壤pH值小于5.50，可能與針葉樹的凋落物在分解過程中可能產(chǎn)生有機酸并向礦質(zhì)土層淋洗有關(guān)[28-29]。土壤pH值整體較為接近，可能是由于pH值主要受地貌和成土母質(zhì)影響，也進一步說明林分對土壤酸度的影響較弱[30]。土壤pH值是重要的化學(xué)性質(zhì)指標，極大地影響著土壤養(yǎng)分的有效性和植被的營養(yǎng)狀態(tài)[31]，因此，在森林經(jīng)營中，應(yīng)注重監(jiān)測pH值的變化并研究其變化機制。

（2）土壤養(yǎng)分含量方面，不同林分土壤的有機質(zhì)含量均值為32.35 g/kg，在華北地區(qū)來說含量較為豐富，其中有約一半的林分處于Ⅰ級。土壤全氮與有效磷含量較低，幾乎所有林分都處于Ⅲ級和Ⅳ級。這與以往對北京山地森林土壤養(yǎng)分狀況的研究結(jié)果一致[17,27]。也有研究表明溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)存在土壤氮素與磷素普遍缺乏現(xiàn)象[32]。出現(xiàn)含量較低情況可能與氮、磷的來源密切相關(guān)，土壤氮素的主要來源是土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化、大氣干濕沉降和生物固氮等，而林地凋落物的礦化及土壤礦質(zhì)顆粒的風(fēng)化過程是磷的主要來源。土壤速效鉀與堿解氮含量中等偏低，幾乎所有林分都處于Ⅱ級和Ⅲ級。這與向師慶等[33]的研究結(jié)果一致?？傊本┚琵埳搅址滞寥赖挠袡C質(zhì)含量較高，全氮與有效磷水平較低，堿解氮與有效鉀含量中等偏低，說明在低溫、干旱的九龍山不利于土壤全氮及有效磷的積累。

就不同林分來看，白蠟丁香混交林、椴樹純林及荊條三裂繡線菊灌木林3種林分的各種養(yǎng)分含量都相對較高，而油松與闊葉樹及白蠟與華北落葉松2種混交林、五角楓與黃櫨2種純林等各種養(yǎng)分含量都較差。需要指出的是，所測各林分土壤理化性質(zhì)灌木林優(yōu)于混交林，而混交林優(yōu)于純林，說明灌叢植被較喬木林更有利于土壤養(yǎng)分的積累，對黃土丘陵區(qū)不同植被類型土壤的研究也支持這一結(jié)果[34]。由于北京九龍山土層較薄，土壤構(gòu)型差，影響作物的根系發(fā)育和對水分、養(yǎng)分的吸收，因此，在喬木林的撫育過程中應(yīng)注意灌木的引入與保留，充分發(fā)揮灌木對土壤的作用，提高林地生產(chǎn)力水平，同時大力發(fā)展混交林將是未來生態(tài)公益林的主要發(fā)展方向[35]。

（3）應(yīng)用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對各林分土壤進行了綜合評價，結(jié)果表明北京九龍山林分的土壤肥力一般，均未達到很肥沃水平，僅白蠟丁香次生林達到肥沃水平，還有2個林分（樟子松純林和白蠟與華北落葉松混交林）土壤肥力屬于貧瘠水平。且從各土壤屬性的肥力系數(shù)來看，土壤有效磷和全氮含量是影響綜合肥力系數(shù)的主要指標，因此，氮、磷可能是該地區(qū)土壤肥力的主要限制因子，改善林地肥力狀況，提高土壤有效磷和全氮含量將是關(guān)鍵。

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Diagnosis and comprehensive evaluation on soil fertility of different stands in Beijing Jiulong mountain

ZHANG Lianjin1, LAI Guanghui2, SUN Changzhong1, XIN Xuebing1, KONG Qingyun1
(1. Experimental Center of Forestry in North China, Chinese Academy of Forestry, Beijing 102300, China;2. Beijing Forestry Monitoring and Planning Academy, Beijing 100029, China)

Based on the soil data of 13 forest types in Beijing Jiulong mountain, indexes of soil fertility, including soil pH-value, organic matter, total nitrogen, available phosphorus, available potassium and alkali hydrolysable nitrogen, were determined. Soil fertility of different forest types were diagnosed and comprehensively evaluated through modified Nemerow comprehensive index method. Results showed that: the pH value of forest types was in weak acid; the content of soil organic matter was rich, about 50% of the total number of forest types belonged to gradeⅠ; but the soil total nitrogen and available phosphorus were deficient to some extent, all forest was almost of grade Ⅲ and Ⅳ ; the soil available potassium and alkali hydrolysable nitrogen were lower than the average, all forest was almost of grade Ⅱ and Ⅲ. The range of comprehensive fertility coef ficient (Pj) of forest soil was 0.87～ 1.85, the mean value was 1.20±0.30, and 76.29% of forest types was in the middle level(0.9＜Pj＜ 1.8), theFraxinus chinensis - Syringamixed forest was comparatively high, while that the pure forest ofPinus sylvestrisand theFraxinus chinensis - Larix principis-rupprechtiimixed forest were just the opposite. It is concluded that soil fertility of forest in the Jiulong Mountain is not good and effective measures should be taken to improve it. Among that, it is the key to improve the content of total nitrogen and available phosphorus.

Jiulong mountain; forest types; modified Nemerow comprehensive index method; soil fertility; comprehensive evaluation

S714.2

A

1673-923X(2017)01-0001-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.01.001

2015-05-28

國家“十二五”林業(yè)科技支撐計劃專題“華北土石山區(qū)森林可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)研究與示范”（2012BAD22B0304）

張連金，博士，工程師 通訊作者：孫長忠，研究員；E-mail：sun61@163.com

張連金，賴光輝，孫長忠，等. 北京九龍山不同林分土壤肥力診斷與綜合評價[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017,37(1):1-6.

致謝：在數(shù)據(jù)獲取中得到法蕾、裴順祥、孫麗芳及余海等的大力幫助，在此深表謝意！

[本文編校：謝榮秀]