上海市人工林土壤理化性質與群落特征的相關性

許俊麗，張桂蓮，張希金，高志文，仲啟鋮，張亞萍，宋 坤，達良俊

（1.華東師范大學 生態與環境科學學院，上海200241；2.華東師范大學 上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海 200241；3.上海市園林科學規劃研究院，上海 200232）

人工林是城市綠色基礎設施的重要組成部分［1］。第八次全國森林資源清查顯示，中國森林面積達2.08億hm2，其中人工林面積0.69億hm2，占林地總面積33%，居世界首位?，F階段，人工林已占據了宜林荒山荒地的優越地段，在國家嚴格實施生態紅線保護政策，要求擴大森林覆蓋率加強森林保護的背景下，在造林地數量和立地質量增長潛力有限且人工林地力逐漸衰退的情況下，未來林業發展過程中，如何保護好現有林地，提高人工林生態功能，促進林地健康可持續發展，是事關林業發展戰略的重大問題［2］。土壤是植物群落發生和發展的基礎，是森林生態系統的重要組成部分［3］，也一直是生態學研究的重點內容之一。土壤作為森林生態系統中諸多生態過程的載體，直接或間接地影響林木的健康發展［4－5］，而森林植被的存在亦不斷地影響森林土壤的形成與發育［6］。有別于天然林土壤，人工林土壤，尤其是高度城市化背景下的人工林，受人類活動的影響，在保留自然土壤特征的基礎上，同時具有自身獨特的土壤特征，如土壤緊實，碎石、玻璃和木屑等外源侵入物高，偏堿性，有機質低和生物活性低等特點［7－8］。作為中國乃至全球的貿易、經濟和工業中心，上海的城市化率從1979年的60.7%上升為2015年的87.6%，居全國之首。上海市經過近20 a的造林綠化，森林覆蓋率從1999年的3.17%增加到2016年年底的15.56%，其中99%以上為人工林［9］。關于上海城市森林土壤，學者從土壤質量評價、土壤自身理化性質、土壤養分和土壤微生物等方面進行了研究［10－12］。但以往的這些研究，多集中于淺層土壤，且較多地局限于土壤本身特征，對于土壤和植物群落之間的相互作用與影響，則鮮有報道。本研究選擇上海市域范圍內具代表性的人工林為對象，分層采集0～100 cm人工林土壤剖面樣品，結合植物群落特征調查，明確上海人工林林下土壤理化性質狀況，探討植物群落與土壤理化性質的相互作用與影響，以期為人工林的健康發展提供參考。

1 研究區概況

上海市（31°14′N，121°29′E）位于長江三角洲以太湖為中心的碟形洼地的東緣，屬長江三角洲沖積平原的一部分，為北亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱，年均氣溫為15.2～15.9℃，雨量充沛，光照充足，年無霜期約為250 d。境內平均海拔為4 m左右，整體特點是地勢低平［13］。地帶性植被為含有落葉成分的常綠闊葉林，在長期人為活動影響下，自然植被遭到很大程度破壞［14］。目前較常見的植被類型為常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林和落葉針葉林、針闊混交林［15］。2016年，上海全市林地面積為11.13萬hm2，其中森林面積為9.87萬hm2，森林面積中，喬木林地面積為8.45萬hm2，占森林總面積的85.6%，樹種主要有樟樹Cinnamomum camphora，欒樹Koelreuteria paniculat，女貞Ligustrum lucidum，水杉Metasequoia glyptostroboides，池杉Taxodium ascendens，落羽杉Taxodium distichum，喜樹Camptotheca acuminata等。從上海城市森林徑級結構看，小徑階組（5.0～12.9 cm），中徑階組（13.0～24.9 cm），大徑階組（25.0～36.9 cm），特大徑階組（≥37.0 cm）和其他徑階組（＜5.0 cm）分別占森林面積的43.7%，29.5%，3.3%，0.2%和23.3%［9］。至2016年底，上海市共劃分為16個區、1個縣，不同區縣間，崇明縣森林覆蓋率最高，占整個上海市森林面積的27.54%，中心城區森林覆蓋率最低，僅占上海市森林總面積的3.1%［9］。研究區內除西南部零散山丘為殘積弱富鋁化母質所發育的黃棕壤外，平原地區均為江、海、河、湖等不同沉積母質所發育而成的水稻土、灰潮土和濱海鹽土。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與調查

2016年7月，在上海市崇明、寶山、虹口、長寧、青浦、浦東、松江、奉賢、金山共9個區縣范圍內，按照《生態系統固碳觀測與調查技術規范》［16］中森林樣地野外調查和設置方法，選取代表性人工林樣地34個，采樣點分布見圖1。

在樣地四周保留至少5～10 m緩沖區的林地內，選取25 m×25 m的樣地，對樣地內胸徑（DBH）超過5 cm的林木進行每木測量，記錄其種名、胸徑和高度；對胸徑小于5 cm的樹木，估測其蓋度及高度。樹高采用激光測距儀（Vertex VL5）進行測量，樣點地理坐標采用全球定位系統（GPS，佳明Map621SC）進行定位，喬木層郁閉度和灌木層及草本層蓋度用目視法進行估算。各樣地基本信息見表1。

2.2 土壤樣品采集與測定

在每個樣地外1～5 m范圍內，挖取1 m×1 m×1 m土壤剖面，按0～10，10～30，30～100 cm分層采集土壤樣品，重復3次·樣品-1，用于測定化學性質的土壤樣品混勻后裝袋帶回實驗室，樣品除去石礫、根系等雜物后，自然風干，粉碎后過2 mm篩，于2016年9－10月進行測定。

圖1 采樣點位置示意圖Figure 1 Location of sampling sites

土壤容重采用環刀（100 cm3）取樣分析法測定；pH值采用V（水）∶V（土）＝2.5∶1.0的電位法測定；土壤電導率（EC）采用V（水）∶V（土）＝5.0∶1.0的電導法測定；堿解氮用堿解-擴散法測定；有效磷采用0.5 mol·L－1碳酸氫鈉浸提法測定；有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。

2.3 數據處理與分析

采用SPSS 23.0對土壤理化性質進行單因素方差分析（one-way ANOVA）。當方差齊性時，采用最小顯著差法（LSD）進行多重比較；方差不齊時，采用塔姆黑尼法［T2（M）］進行多重比較。土壤理化性質及與群落特征的相關性在R3.2.0中進行分析。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質

上海市人工林各土層土壤容重在不同樣地間表現為弱變異。土壤pH值整體表現出隨土壤深度增加而遞增趨勢，0～10 cm和30～100 cm土層間差異顯著（P＜0.05），各樣地間pH值呈弱變異性。土壤電導率不同樣地間表現為中等變異。土壤堿解氮各土層間差異顯著（P＜0.05），且隨著土壤深度增加而降低，不同樣地間表現出中等強度變異。有效磷在不同樣地間表現為高度變異，變異系數隨土層深度增加分別達1.12，1.09和1.16。有機質在不同土層間差異顯著，隨土壤深度增加而顯著遞減（P＜0.05）（表2）。

3.2 土壤理化性質之間的關系

由表3可知：0～10 cm土層，有機質與土壤容重呈顯著負相關（P＜0.05），與pH值呈極顯著負相關（P＜0.01），與堿解氮、有效磷呈極顯著正相關 （P＜0.01）；堿解氮與pH值呈極顯著負相關（P＜0.01）。10～30 cm土層，有機質與土壤容重呈顯著負相關（P＜0.05），與pH值呈極顯著負相關（P＜0.01），與堿解氮、有效磷呈極顯著正相關（P＜0.01）；堿解氮與pH值呈顯著負相關（P＜0.05）。30～100 cm土層，土壤電導率與容重呈顯著負相關，有機質與pH值顯著負相關，與有效磷顯著正相關（P＜0.05）。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic informations of sampling sites

3.3 土壤理化性質與群落結構特征之間的相關性

群落結構特征僅與0～10 cm土層的土壤部分理化指標有相關性，與10～30 cm和30～100 cm土層的土壤理化指標間無顯著相關性（P＜0.05）（表4）。其中，喬木平均胸徑與堿解氮、有機質呈顯著正相關，喬木郁閉度與電導率呈顯著負相關（P＜0.05）；草本層蓋度與堿解氮、有機質呈顯著正相關（P＜0.01）。

3.4 不同植被類型間土壤理化性質的變化

不同植被類型人工林土壤理化性質不存在一致變化規律。0～10 cm土層，電導率在落葉闊葉林（FT3）， 落葉針葉林（FT4）和針闊混交林（FT5）間差異顯著（P＜0.05）。10～30 cm土層，各林型間土壤理化性質差異不顯著（P＜0.05）。30～100 cm土層，落葉闊葉林（FT3）土壤堿解氮含量顯著低于其他林型（P＜0.05）（圖 2）。

表2 上海市人工林土壤理化性質統計分析（n=34）Table 2 Statistical results of physical and chemistry properties of the soils under forest plantations in Shanghai City （n=34）

3.5 不同齡組間土壤理化性質的變化

各土層間，隨齡組增加，土壤容重無顯著變化趨勢；不同齡組和不同土層間，pH值無明顯變化規律；土壤電導率表現出隨林齡增加先降低后增加的趨勢，0～10 cm土層間，林齡大于20 a的齡組（AG4）的電導率顯著高于林齡＜10 a（AG1）， 11～15 a（AG2）， 16～20 a（AG3）的齡組，但在10～100 cm土層間差異不顯著（P＜0.05）；對于土壤堿解氮和有機質，隨著林齡增長，不同土層間均呈現增加（AG1～AG2）—減少（AG2～AG3）—增加（AG3～AG4）的趨勢，其中10～30 cm土層，AG3齡組土壤堿解氮顯著低于AG2和AG4齡組，AG3齡組有機質顯著低于AG2齡組（P＜0.05）；對于土壤有效磷，隨著林齡的增長，各土層間變化無明顯規律（圖3）。

表3 土壤理化性質之間的相關性（n=34）Table 3 Correlation coefficient between soil physical and chemical properties （n=34）

表4 土壤理化性質和群落結構之間的關系（n=34）Table 4 Correlation coefficient between soil physical and chemistry properties and the community structure（n=34）

圖2 不同林型間土壤理化性質（n=34）Figure 2 Soil physical and chemical properties between different forest plantation types（n=34）

4 討論

4.1 土壤理化性質特征

上海人工林土壤容重均值為1.35～1.42 g·cm－3，高于《綠化種植土壤》［17］規定的綠化種植土本底容重小于1.35 g·cm－3的標準。本研究土壤pH值均值為7.6～8.0。就上海土壤本底值而言，土壤pH值多數為7.0～8.0［18］。對于大多數植物來講，最適宜pH值范圍為弱酸性到弱堿性，整體上海人工林土壤pH值偏高。有研究表明：土壤電導率在0.35～1.0 mS·cm－1最適宜［19］。本研究土壤電導率均值為0.11～0.14 mS·cm－1， 低于植物生長適宜值， 亦低于《綠化種植土壤》［17］的技術要求（0.15～0.9 mS·cm－1）。 此外， 對于非鹽漬化土壤，電導率值亦可以作為土壤肥力的一個綜合性參考指標［20－21］?？烧J為上海市人工林土壤整體處于營養匱乏狀態。本研究中土壤堿解氮均值為31.3～80.7 mg·kg－1，與全國第二次土壤普查養分分級標準相比［22］，堿解氮偏低。土壤有效磷均值在7.4～13.8 mg·kg－1，0～30 cm土層處于中上等肥力水平（10～19mg·kg－1）， 30～100 cm 土層則處于中下等肥力水平（5～9 mg·kg－1）。 土壤有機質為10.26～20.06 g·kg－1， 相較于《綠化種植土壤》［17］技術要求，有機質質量分數應在20～80 g·kg－1，本研究結果中，有機質在表層土中最高，接近該技術標準最低值，土壤有機質較為匱乏。

圖3 不同齡組間土壤理化性質（n=34）Figure 3 Soil physical and chemistry properties between different age group （n=34）

4.2 土壤理化性質之間的相互作用

土壤是復雜的生態系統，其理化性質相互作用，并受人類活動的影響而發生改變。本研究中土壤容重與有機質在0～30 cm土層顯著負相關，可能與土壤有機質可以促進土壤團粒結構的形成，降低土壤容重有關［23］。土壤pH值與堿解氮和有機質均呈顯著負相關，可能是因為對于本身偏堿的土壤來講，隨著pH值升高，過堿的環境會抑制土壤微生物的數量［24］，使得地表枯枝落葉被微生物分解而進入土壤的量減少，從而降低了土壤有機質含量。土壤有機質的改善是土壤理化性質改善的主要原因之一［25］，在影響土壤其他理化性質方面發揮著重要作用。本研究中土壤有機質與堿解氮及有效磷在0～30 cm土層顯著相關，這與魏強等［26］的研究結果一致，一定程度上表明有機質低可能是導致堿解氮和有效磷偏低的重要原因。本研究表明：作為土壤土壤肥力的一個綜合性參考指標，低的土壤電導率應引起重視，增加土壤養分含量，是提高上海人工林土壤質量的重要任務之一。

4.3 群落特征對土壤理化性質的影響

植物群落通過其冠層結構和根系的呼吸、吸附等作用以及枯落物的分解，直接或間接地影響土壤理化性質［27－28］。有研究表明：喬木高度、胸徑及冠幅等生長指標與土壤pH值、有機質、堿解氮及有效磷存在顯著相關性［29］，而本研究中喬木高度與土壤各理化性質均無顯著相關性。這可能是因為上海人工林建設初期，有些林分為大規模幼樹造林，有些林地為大樹移植營造，大樹在移栽過程中會進行截桿處理，本研究中個別樣地喬木高度可能不能完全代表植株理論生長高度，導致本研究結果與前人研究結果不完全一致。喬木胸徑與上層土壤堿解氮和有機質呈正相關，根據異速生長模型，胸徑大的林木其枝葉生物量較大，因此林下凋落物較多，對土壤有機質養分補充較多。0～10 cm土層土壤電導率值與喬木層郁閉度顯著負相關，可能是因為郁閉度高的群落，其遮光效果好，土壤水分蒸散量減少，造成土壤含水量相對較高，而土壤電導率與土壤含水率呈負相關關系。

林下植被對土壤理化性質也存在顯著影響，移除林下植被和地上凋落物可降低土壤有效磷的供應能力，而植物殘體的覆蓋能夠降低土壤容重，降低土壤pH值，同時增加土壤養分［30］。本研究土壤有效磷與林下植被覆蓋率無顯著相關性，可能與土壤磷元素除受植被影響外，土壤中巖石也會礦化出磷元素有關。草本層蓋度與土壤有機質和堿解氮呈正相關，可能是因為草本層蓋度增加，使得林下植被生物量和地下淺層根系增加，相較于喬灌木的枯枝落葉，草本植物枯死個體更容易被分解、養分歸還速率和歸還量相對較高，增加了土壤表層腐殖質厚度。而腐殖質是土壤有機質和氮素的重要自然來源。

總體上，本研究不同林型間土壤理化性質無顯著差異。舒媛媛等［31］研究表明：由于凋落物組成不同，落葉人工林土壤碳、氮、磷含量顯著高于常綠針葉純林；李宜濃等［32］研究指出：林型是影響凋落物組成的重要因素之一，不同森林類型間凋落物組成明顯不同。但黃錦學等［33］研究表明：在全國尺度上，由于環境因素的影響，亞熱帶和溫帶地區森林的樹種組成對凋落物的分解沒有顯著影響。環境因素和人為干擾的影響可能是導致沒有差異產生的原因。

不同齡組間，0～10 cm土層大齡組AG4組群落土壤電導率顯著高于其他齡組，可能是因為電導率不僅能反映土壤養分含量的高低，更是反映鹽分含量高低的指標。上海人工林大部分由農田轉化而來，人工林營造初期，繼承了先前農田積累的營養物質，這可能是AG1齡組土壤養分含量高的原因之一。到了后期，林分生長迅速，養分消化量大，導致營養元素降低，等快速生長階段結束，到達穩定增長期，土壤養分開始積累，表現出增加趨勢，于是養分質量分數整體呈現出增加—減少—增加的趨勢。堿解氮和有機質僅在10～30 cm土層表現出一定差異性，可能是因為表層土壤受人為因素影響嚴重，差異性減弱，而深層土壤由于人工林發育時間短，暫未受到影響。土壤有效磷在不同齡組和土層間未表現出規律性，可能是因為部分磷來源于成土母質，在生態系統中的物質循環不如氮素強烈。此外，研究區土層深度、立地條件不同，研究結果也可能存在差異。

5 結論

上海市人工林土壤整體表現容重偏高，酸堿度偏堿，養分含量相對缺乏，尤其是土壤有機質和氮素的缺乏，是限制上海人工林健康發展的重要因子。有機質與其他理化性質相關性較為普遍，是影響土壤理化性質、改善土壤結構和提高土壤肥力的關鍵因子之一。受城市化和人類活動影響，不同區域、不同發展階段人工林土壤理化性質不同，與群落間的相互作用與影響不能一概而論，在對人工林進行管理時，不能簡單地依據前人或其他地區的研究結果做類比，而應從實際情況出發，制定相應的管理和養護措施。上海市林業管理部門可在林下種植綠肥和草本植物，增加林下植被生物量，在降低刈割、踐踏、污染等人為干擾的同時，適量人為增加經無害化處理的有機肥料，快速提高土壤有機質。從人工林健康可持續發展的長遠角度出發，應考慮城市人工林的復雜性與差異性，對森林土壤和實施連續定點監測，針對不同類型林地制定相應的個性化管理措施，實現人工林長效健康可持續發展。本研究在調查采樣過程中，更多地關注土壤與植物群落之間的相關性，不可避免地疏漏了樣地其他環境因素和人為干擾的影響。在高度城市化和人為干擾背景下，對城市森林土壤的研究應在保證樣本量的基礎上，盡可能詳盡地對研究樣點做較為全面與深入的調查。