太统-崆峒山4种典型植被土壤微量元素变化特征

Soil micronutrient characteristics of four typical vegetation types in the Taitong-Kongtong Mountains

摘要

目的 探究退耕还林背景下人工林土壤有效态微量元素含量的变化，为太统-崆峒山自然保护区生态系统土壤养分管理提供参考。 方法 以太统-崆峒山自然保护区的4种典型植被（荒草地、人工林刺槐林地、人工落叶松林以及人工油松林地）作为研究对象，对其0~30 cm土壤pH、有机质含量以及土壤中有效态微量元素的变化特征进行分析。 结果 4种植被类型土壤pH均在10~20 cm土层最大，且刺槐人工林土壤pH显著高于其他植被类型（P<0.05）。在0~10 cm和10~20 cm土层中落叶松人工林有机质含量显著高于其他植被类型（P<0.05），但在20~30 cm土层中油松人工林有机质含量最高。刺槐人工林和荒草地有效态微量元素表现出一定的“表聚”性。油松人工林土壤有效锌、有效锰、有效铜和有效铁含量均显著高于荒草地、人工林刺槐林地以及人工落叶松林（P<0.05）；落叶松人工林土壤有效硼含量显著高于其他植被类型（P<0.05）。相关分析表明土壤有效态微量元素与pH和有机质含量之间存在着相关关系，但不同植被类型相关性存在差异。 结论 不同植被类型的土壤pH、有机质以及有效态微量元素之间存在显著差异，且人工林的土壤pH、有机质含量以及有效态微量元素显著高于荒草地，研究结论可为区域资源优化配置提供一定的参考意见。

Abstract

Objective To study changes in the effective state trace element content of plantation soils in the context of fallow forest，which can provide a reference for soil nutrient management in the Tai Tong-Kongtong Mountain Nature Reserve ecosystem. Method Four typical vegetation types (barren grassland，planted acacia forest，planted larch forest and planted oil pine forest) in the Taitung-Kongtong Mountain Nature Reserve were used to analyze the changes in soil pH，organic matter content and effective state trace elements in the 0~30 cm soil.The variation of pH，organic matter and total organic matter were analyzed by ANOVA and correlation analysis. Result The soil pH of all four vegetation types was highest in the 10~20 cm soil layer，and the soil pH of the acacia plantation was significantly higher than the other vegetation types (P<0.05).The organic matter content of larch plantations was significantly higher than other vegetation types in the 0~10 cm and 10~20 cm soil layers (P<0.05)，but the highest organic matter content was found in the 20~30 cm soil layer of Pinus oleifera plantations.The effective state trace elements in bristlecone plantation forests and barren grasslands showed some surface aggregation.The contents of effective Zn，Mn，Cu and Fe were significantly higher in P.oleifera plantations than in barren grassland，acacia plantations and larch plantations (P<0.05);the contents of effective B in larch plantations were significantly higher than in other vegetation types (P<0.05).Correlation analysis showed that there was a correlation between soil effective state trace elements and pH and organic matter content，but the correlation differed between vegetation types. Conclusion There were significant differences between soil pH，organic matter and effective state trace elements of different vegetation types，and soil pH，organic matter content and effective state trace elements of plantation forests were significantly higher than those of heathland.The results of the study can provide some pointers for the optimal allocation of regional resources.

Graphical abstract

关键词

太统-崆峒山 / 植被类型 / 微量元素 / 有机质

Key words

Taitong-kongtong Mountains / vegetation types / micronutrient / organic matter

Author summay

柳轲，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土壤是植物正常生长的基础，为植物生长提供了所必须的营养元素^［1］。植物营养元素除了氮（N）、磷（P）、钾（K）等常量元素外，还有锌（Zn）、锰（Mn）、铁（Fe）、铜（Cu）和硼（B）等微量元素^［2］。微量元素作为酶、维生素以及生长激素等的重要组成部分，在植物的生长发育和群落演替过程中发挥着关键作用^［3］。大量的研究表明，促进植物生长发育所必须的微量元素主要来源于土壤，他们参与植物生长发育过程中的一系列物质代谢过程，如参与植物体内碳、氮代谢和氧化还原反应等，对植物的生长发育具有重要的意义^［4-5］。此外，微量元素还在生物固氮、叶绿素合成等过程中起着至关重要的作用^［6］。而土壤中任何一种微量元素过高或者过低都将会导致植物出现某些生理病症^［7-8］，如植物缺铁时将会出现“缺绿症”，影响植物的光合作用^［9］；植物缺铜时将会出现植物发育缓慢，植株矮小以及结果率低等症状^［10-11］，从而降低植被的固土能力，加重水土流失的危害性。付立华等^［12］通过比较冀北地区杨桦天然次生林和华北落叶松人工林的土壤微量元素含量，发现6种微量元素的含量没有显著差异（0~10 cm土层）。曾珠等^［13］对桉树人工纯林转换为其他阔叶树种纯林或混交林后的土壤微量元素变化进行探究，发现混交林土壤pH值较纯林大，且微量元素Fe、Mn和Zn的含量均显著高于纯林。除此之外，有研究^［14-15］发现植被恢复可以改变土壤微量元素的含量，但不同植被类型中微量元素的累计变化不同，其有效性也受多种因素的影响，因此探究土壤微量元素的含量变化与植被恢复之间的关系越来越受到国内外学者的关注。

太统-崆峒山位于陇东黄土高原西部，是泾河（黄河支流）重要的水源涵养基地，其森林植被是黄土高原保存较为完整的典型森林生态系统，在涵养水源、调节气候、防风固沙、保持水土、保障泾河中上游地区生态平衡、维护下游地区经济可持续发展方面具有重要作用^［16］。近年来，太统-崆峒山保护区通过大力实施天然林资源保护、公益林建设、退耕还林等林业生态工程，使森林覆盖率逐年上升，进行大面积的人工造林后将会如何影响土壤微量元素？是否将会造成微量元素的损失等目前尚不清楚。因此，开展退耕还林（草）背景下黄土高原区微量元素的变化特征，对揭示区域生态环境演变特征以及开展区域生态环境评价具有重要意义。基于此，本文以太统-崆峒山的4种典型植被（荒草地、人工林刺槐林地、人工落叶松林以及人工油松林地）作为研究对象，探讨了不同植被类型下土壤有效态微量元素、pH以及有机质含量之间的差异及其变化规律，并分析了土壤pH、有机质与有效态微量元素之间的相关性，以期从土壤微量元素变化的角度为区域资源进行优化配置提供数据支持，为最终实现可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太统-崆峒山国家级自然保护区（N 35°25′08″~35°34′50″，E 106°26′18″~106°37′24″）位于陇东黄土高原西部，平均海拔为1 850 m，年均气温8.6 ℃，年平均降水量为511.2 mm，主要集中在7~9月，年蒸发量为1 430 mm，年均日照时数为2 424.8 h，属温带半湿润大陆性季风气候。其总面积为162.83 hm²，区域森林覆盖率达65.9%，林业用地面积为146.78 hm²，其中林地面积为52.33 hm²，灌木林地面积为54.93 hm^2［17］。土壤类型带有明显的山地特征，主要土壤类型有山地棕壤类、灰褐土类和红土类；其中，灰褐土类分布最广。根据调查统计^［18］，保护区内共有草本植物1038种，灌木植物305种，乔木植物69种，其中裸子植物的优势科主要为松科和柏科；双子叶植物物种数占所有种类的77.6%，物种丰富度最高；单子叶植物有18科111属247种，优势科为禾本科（108种）、百合科（61种）和兰科（13种）。

1.2 试验设置与样品采集

2021年10月在研究区域选择荒草地为对照组，以人工刺槐林地、人工落叶松林以及人工油松林地3种不同的当地典型人工林地作为研究对象，各试验区随机选择3个小样地，其大小均为10 m×10 m，样地基本情况和具体特征详见表1。利用内径5 cm土钻按照“蛇形”５点法进行取样，采样深度为30 cm。将采集到的土样去除土样中石块、枯落物等，每个样地土壤样品充分混匀后，带回实验室进行测定。

1.3 测定方法及统计分析

将带回实验室的土壤风干、研磨、过筛后用于测定土壤pH、有机质及各种微量元素有效态含量。其中，土壤pH采用（V_水∶V_土=2.5∶1）浸提酸度计法进行测定^［16］；土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定^［17］；土壤有效锌、有效锰、有效铜、有效铁、有效硼等有效态微量元素测定方法主要参考《土壤农业化学分析方法》^［18］。

数据处理利用Excel 2021 和IBM-SPSS 26.0进行数据计算和统计分析。采用Origin 2021进行图形绘制。其中采用One-way ANOVA 和最小显著差异法（least significant difference method，LSD）多重比较法进行方差分析和差异显著性分析。此外，还采用R语言（4.1.4）中的“ggcor”程序包进行相关热图绘制，并使用“cor.test”函数计算指标的Pearson相关系数^［19］。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤pH值变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层pH值变化特征如图1所示，土壤均呈弱碱性。0~30 cm土层，刺槐人工林土壤（8.43）平均pH值显著高于落叶松人工林（7.56）、油松人工林（7.53）和荒草地（7.27）。在0~10 cm土层，相较与荒草地，油松人工林pH值下降了1.96%；而在10~30 cm土层，刺槐人工林与落叶松人工林pH值却分别上升了15.56%、4.23%。在土壤垂直剖面上，4种典型植被土壤pH值随土层加深呈现出不同的变化趋势，其中刺槐人工林pH值呈显著增大，在20~30 cm土层达到最大（8.48）；落叶松人工林、油松人工林和荒草地pH值呈现波动变化，在10~20 cm土层均达到最大（7.69、8.23、7.37）。

2.2 不同植被类型土壤有机质变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层有机质含量变化特征如图2所示。0~30 cm土层，荒草地（13.61）土壤有机质平均值显著低于刺槐人工林（15.7）、落叶松人工林（36.84）和油松人工林（22.40）。在0~10 cm土层，相较与荒草地，刺槐人工林土壤有机质含量下降了5.69%；而在10~30 cm土层，落叶松人工林与油松人工林的土壤有机质含量却分别上升了232.27%、149.86%。在土壤垂直剖面上，4种典型植被有机质含量随土层加深呈现出不同的变化趋势，其中刺槐人工林与荒草地有机质含量呈现波动变化，分别在10~20 cm（19.61）和0~10 cm（18.11）最大；落叶松人工林土壤有机质含量呈显著减小，在0~10 cm土层最大（60.14）；油松人工林土壤有机质含量呈显著增大，在20~30 cm土层达到最大（25.15）。

2.3 不同植被类型土壤有效微量元素变化特征

2.3.1 有效锌变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层有效锌变化特征如图3所示。0~30 cm土层，荒草地（0.01）土壤有效锌平均值显著低于刺槐人工林（1.37）、落叶松人工林（0.85）和油松人工林（2.68）。在0~10 cm土层，落叶松人工林土壤有效锌含量最大（2.52），油松人工林最小（1.16）；在10~20 cm土层，油松人工林土壤有效锌含量最大（2.34），落叶松人工林最小（0.01）；在20~30 cm土层，油松人工林土壤有效锌含量最大（4.56），其他人工林均接近于0。在土壤垂直剖面上，4种典型植被有机锌含量随土层加深呈现出不同的变化趋势，其中刺槐人工林与落叶松人工林土壤有效锌含量呈显著减小，分别在20~30 cm（0.01）和10~30（0.01）最小；油松人工林土壤有效锌含量呈显著增大，在20~30 cm（4.56）土层最大；而荒草地的不同土层有效锌含量均趋近于0。

2.3.2 有效锰变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层有效锰含量变化特征如图4所示，0~30 cm土层，油松人工林（11.00）土壤有效锰平均值显著高于刺槐人工林（7.83）、落叶松人工林（6.87）和荒草地（5.77）。在0~20 cm土层，油松人工林相较于荒草地，土壤有效锰含量上升了177.27%，而在20~30 cm土层，刺槐人工林和落叶松人工林的土壤有效锰含量却下降了3.99%、41.02%。在土壤垂直剖面上，4种典型植被有效锰含量随土层加深呈现出不同的变化趋势，其中刺槐人工林、落叶松人工林与油松人工林的土壤有效锰含量呈显著下降趋势，在20~30 cm土层最小（6.20、4.10、8.70）；荒草地的土壤有效锰含量呈波动变化，在10~20 cm土层最小（3.80）。

2.3.3 有效铜变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层有效铜含量变化特征如图5所示，0~30 cm土层，刺槐人工林（0.74）土壤有效铜平均值显著低于落叶松人工林（1.21）、油松人工林（1.42）和荒草地（1.05）。在0~30 cm土层，刺槐人工林相较于荒草地，土壤有效铜含量下降了33.56%，而落叶松人工林和油松人工林分别上升了51.09%、44.85%。在土壤垂直剖面上，4种典型植被有效铜含量随土层加深呈现出不同的变化趋势，刺槐人工林和油松人工林土壤有效铜含量没有显著变化；落叶松人工林土壤有效铜含量呈显著增大，在20~30 cm土层最大（1.32）；荒草地土壤有效铜含量呈显著减小，在20~30 cm土层最小（0.91）。

2.3.4 有效铁变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层有效铁含量变化特征如图6所示。0~30 cm土层，刺槐人工林（6.5）土壤有效铁平均值显著低于落叶松人工林（20.7）、油松人工林（23.7）和荒草地（24.45）。在0~30 cm土层，刺槐人工林相较于荒草地，土壤有效铁含量下降了66.03%，而落叶松人工林和油松人工林土壤有效铁含量却分别上升了29.69%、47.48%。在土壤垂直剖面上，4种典型植被有效铁含量随土层加深呈现出不同的变化趋势，刺槐人工林土壤有效铁含量无明显变化；落叶松人工林和荒草地土壤有效铁含量呈显著减小，均在20~30 cm土层最小（18.70、14.20）；油松人工林土壤有效铁含量呈显著增大，在20~30 cm土层最大（24.50）。

2.3.5 有效硼变化特征

4种典型植被在0~30 cm土层有效硼含量变化特征如图7所示。0~30 cm土层，荒草地（0.3）土壤有效硼平均值显著低于刺槐人工林（0.41）、落叶松人工林（0.49）和油松人工林（0.34）。在0~10 cm土层，油松人工林相较于荒草地，土壤有效硼含量下降了9.59%，而在10~30 cm土层，刺槐人工林、落叶松人工林和油松人工林土壤有效硼含量却分别上升了39.56%、31.21%。在土壤垂直剖面上，4种典型植被有效硼含量随土层加深呈现出不同的变化趋势，刺槐人工林和油松人工林土壤有效硼含量无明显变化；落叶松人工林和荒草地土壤有效硼含量呈显著减小，在20~30 cm土层最小（0.27、0.24）。

2.4 不同植被类型土壤微量元素与土壤化学性质的相关性分析

不同植被土壤有效态微量元素与土壤化学性质的相关分析如图8所示，不同植被类型土壤pH与土壤有机质含量、有效态微量元素含量间的相关性存在差异，但总体上为负相关。土壤有机质与有效态微量元素含量之间总体呈正相关，仅与人工落叶松林的有效铜、人工油松林和荒草地的有效锰呈负相关。分别来看，在人工落叶松林地中（图8-A），pH与有效锌（P<0.001）、有效锰（P<0.05）、有效铁（P<0.05）以及有效硼（P<0.01）呈显著负相关关系；土壤有机质含量与有效锌、有效锰、有效铁以及有效硼呈显著正相关关系（P<0.001），与有效铜呈显著负相关关系（P<0.01）。在人工油松林地中（图8-B），土壤有机质含量与有效锌（P<0.001）和有效铁（P<0.01）呈正相关关系，与有效锰呈显著负相关关系（P<0.001）。在荒草地中（图8-C），pH与有效锌、有效锰及有效硼呈负相关关系；土壤有机质含量与与有效锰呈正相关关系（P<0.001），与有效锌呈负相关关系（P<0.001）。在人工刺槐林地中（图8-D），pH与有效锰和有效硼呈负相关关系；土壤有机质含量与有效锌和有效锰呈正相关关系。

3 讨论

土壤pH值作为影响土壤肥力的一个重要指标，其不仅影响土壤微生物活性，而且也对土壤理化性质和植被对有效养分的吸收和利用造成影响^［19］。在本研究中，pH值在7.01~8.48之间，且不同植被均表现为表层土壤pH值最小的特征。此外，研究发现刺槐、油松以及落叶松人工林的pH值均高于荒草地，其原因可能是植物群落以及覆盖度的差异影响了土壤pH值^［20］。土壤有机质作为土壤肥力的物质基础。一般森林土壤的有机质分布均表现为“表聚”现象，这是由于枯落物主要覆盖在地表^［21］。在本研究中，落叶松人工林和荒草地的有机质分布表现为“表聚”现象，其中落叶松人工林的有机质含量最大，是荒草地的3倍左右；而刺槐人工林^［22］和油松人工林均没有表现出“表聚”现象，可能由于这两个树种的根系较发达，因此在土壤深层有机质的积累会相比表层更加丰富。

微量元素是森林土壤的重要组成成分，通常其含量高低及分布不仅受地形、地貌和pH值等的影响，而且与地上植被类型也有重要的联系^［23］。不同植被类型的土壤有效态微量元素含量存在一定差异^［5］，该区域土壤有效铁含量显著高于有效锌、有效锰、有效铜和有效硼的含量，这一结果说明不同植被类型下可供植物吸收利用的交换态和水溶态的Fe²⁺和易还原的Fe³⁺等活性铁含量极为丰富。刺槐、油松以及落叶松是太统-崆峒山退耕还林区主要建树种，该区域植被的大幅度恢复增加了土壤微生物类群的数量和土壤酶活性^［24］，又因不同树种生理特性不同，有效态微量元素含量表现出不同的差异。研究发现，有效锌在荒草地中的含量趋近于0，这是由于荒草地相对于其他植被类型，物种丰富度相对单一，对锌元素的富集作用相对较弱。而有效态锌、锰、铜和铁在油松人工林地中含量较高，有效态硼则在落叶松人工林地中表现出较高的水平，造成这种差异的原因可能是针叶林林下空间大，光照充足，土壤含水量较高，枯落物蓄积量大，这将促进枯落物的分解，从而影响土壤微量元素的变化^［25］。与此同时，不同植被在半干旱区的抗旱能力和抗旱策略不同，表现出不同的植物生理特性，进而对微量元素的变化造成一定的影响^［26］。此外，研究发现不同植被类型土壤有效态铁、锰、锌、铜、硼总体呈现表层富集化，这种规律在刺槐人工林和荒草地上表现的尤为明显。且不同植被类型土壤有效态微量元素含量随土层的变化发生非规律变化，这与冯顺煜等^［26］研究结论基本一致。其原因可能是由于研究区的成土母质、植被类型不同，从而影响了土壤有效态微量元素的分布。此外，有研究表明，长时间对结构单一的人工林进行抚育将有可能导致土壤极化现象等的发生，长此以往可能导致低效低产林分的形成^［28］。

在本研究中，土壤pH值与有效锌、有效锰、有效铁和有效硼含量呈现负相关关系，和有效铜含量无明显关系，这一结论与曾珠等^［13］的研究结果基本一致，但与宋刚等^［29］在剑河县的土壤进行测定中发现土壤pH值与有效Cu含量呈正相关关系这一结论不一致，其主要原因是研究区域的土地利用类型不同。而土壤有机质的含量与有效态微量元素的含量存在紧密的联系，随着土壤有机质含量的增多，土壤有效态微量元素含量也越高，表现出显著的正相关关系，这是由于土壤有机质可以通过吸附、络合等方式影响微量元素在土壤中的迁移转化，从而更容易被植物吸收利用；而在落叶松人工林中，土壤有效铜含量却与土壤有机质表现出显著负相关关系，这可能是受到土壤pH值等因素的影响^［13］。此外，本研究发现有效态微量元素之间也存在着相关性（图8），说明有效态微量元素之间相互影响、密切相关^［30］。总体来看，目前太统-崆峒山国家自然保护区土壤酸化现象轻微，不同植被类型对土壤有机质含量、微量元素含量及pH的适应性及调节程度不同，可以为日后区域资源的管护及造林提供参考意见。

4 结论

通过研究太统-崆峒山自然保护区土壤有效态微量元素的变化特征及其与pH和土壤有机质之间的关系，发现该区域pH值在7.01~8.48之间，刺槐人工林土壤pH最大。土壤有机质平均含量表现为落叶松人工林最高，荒草地最低，并且不同植被不同土层之间存在显著差异。不同植被类型土壤有效态微量元素均表现为有效铁含量显著高于有效锌、有效锰、有效铜和有效硼，且有效态微量元素含量随土层的变化发生非规律变化。相关分析表明，pH、土壤有机质含量以及有效态微量元素之间均存在相关关系，但不同植被类型之间存在一定差异。因此，通过改变土壤中的pH和有机质含量，并基于微量元素间的相互作用机制，将能够改变土壤中微量元素的含量，进而影响土壤的生产力和肥力。

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基金资助

太统崆峒山国家级自然保护区综合监测项目(20211111)