森林土壤是维持林木健康生长的基质，其肥力特征影响并控制着林木的健康状态(Fisher et al., 2000)。森林退化与土壤肥力的衰退有密切的联系(La Manna et al., 2004)。因此，对森林土壤特征的了解，可及时为森林健康经营提供依据。随着生态环境问题的日益突出以及森林健康理念的发展，世界各国的森林经营实践都非常重视森林土壤状况的动态监测(陆元昌，2003；王彦辉等，2007；张会儒等，2002；Alexander et al., 1999；Hopkin et al., 2001)。但在我国森林资源监测体系中, 只是监测与森林面积和蓄积有关的因子，而对林木生长环境因子的监测重视不够，没有或很少监测与森林健康状况有关的重要森林生态环境因子(陆元昌，2003；王彦辉等，2007)。

北京市经过近60年的造林绿化，基本形成了山区的绿色生态屏障。北京市“十五”森林资源二类调查的结果表明，山区森林覆盖率达到46.55%，林木绿化率67.85%。但森林资源总体质量不高，部分林地生产力衰退，生态服务功能难以适应环境需求(李春义等，2007；李俊清，2008；马履一等，2007)。随着环境建设力度的加大，北京林业建设正向全面提升森林健康质量的方向发展。土壤是林木生存、生长和发挥生态功能的基础，对维持森林健康十分重要，脱离森林土壤评价的森林健康研究是片面的(王彦辉，1998；Allaniello et al., 2002)。针对森林土壤在维护森林健康中的重要性，不少学者从不同角度对山地土壤类型、土壤水分、土壤有机质以及理化性质分布等方面进行了一些研究(耿玉清等，2007；李俊清，2008；马履一等，1999；向师庆等，1994；张凤荣等, 2002)。但已积累的土壤养分资料十分零散，且因取样层次不一难以进行相互比较。另外，土壤性状随着林木生长环境的差异而不断发生变化，有限的部分区域研究难以反映北京森林土壤养分的现状。以北京山地不同区域森林土壤为研究对象，研究土壤养分的空间变异程度、分级水平以及有机质与养分的关系，有助于了解山地森林土壤养分的现状，也可为森林健康监测以及森林经营关键技术的制定提供理论依据。

1 研究地区概况

北京山地面积1.04万km²，分属太行山山脉和燕山山脉。其划分界限为昌平区南口镇的关沟。关沟以西的山地总称为西山，属太行山山系；关沟以东的山地总称为北山，属燕山山系。在地貌形态上，一般以800 m海拔作为中山和低山地带的划分指标(钟敦伦等，2004)。北京地区(平原以及700~800 m以下的低山地带)属暖温带半湿润季风大陆性气候区，年平均气温9.0~12.0 ℃, 降水分布极不均匀，多年平均降水量638.8 mm, 主要集中在夏季, 多以暴雨形式出现。山区因海拔的变化，地带气候相差悬殊。在中山地带一般具有温带半湿润半干旱的季风气候特点(王九龄等，1992)。气候条件的差异在很大程度上控制着植被和土壤类型的分布。目前在低山地区，主要植被类型是灌丛或灌草丛以及20世纪50年代以来种植的人工林，按地带性分布观点，土壤类型主要是具有弱腐殖质表层、粘化层，且土体中有碳酸盐淋溶与淀积的褐土。在中山地带，主要是自然恢复的落叶阔叶次生林、灌丛以及少量人工林等，土壤类型以棕壤为主。与褐土相比，棕壤淋溶作用较强，土壤呈微酸性，具有明显的粘化特征。成土母质主要是中、酸性结晶岩风化物与非石灰性土状堆积物。由于土壤分类的复杂性，关于北京山地土壤类型的分布问题存在一定分歧(李俊清，2008)。

2 研究内容与方法 2.1 研究材料

由于山地地表起伏不定以及植被空间分布格局的异质性，再加上森林经营活动对土壤的影响，使得森林土壤存在巨大的空间变异性。这一特性给森林土壤的监测造成了巨大的障碍。考虑到同一气候区域内，森林土壤在很大程度上受植被类型影响的因素，本次森林土壤研究是结合植被调查进行的。以植被类型的代表性为主要依据，沿西南到东北走向形成的“弓”形样带布设调查样地，土壤剖面基本覆盖了门头沟、海淀、昌平、延庆、怀柔、密云和平谷等行政区域的主要山地(表 1)。

2.2 土壤养分因子的测定

在进行植被调查所设置的标准地内，分别挖掘3个土壤剖面，按0~10, 10~20, 20~40, 40~60 cm的土层深度采集土壤分析样本，并将同层的3个土壤样本混合。共采集53个土壤剖面样本。土壤样本经实验室风干后进行分析。

土壤pH值采用2.5：1的水土比，用电位计法测定；土壤有机质采用硫酸重铬酸钾氧化-容量法；土壤全氮采用硫酸钾-硫酸铜-硒粉消煮，定氮仪自动分析法；土壤水解性氮采用碱解扩散法；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮火焰光度计法；土壤速效钾采用中性乙酸铵提取-火焰光度计法。以上分析方法见土壤农业化学分析方法(鲁如坤，2000)。

2.3 北京土壤养分的分级

北京山地土层浅薄，0~20 cm土层的样本代表性较强、变化相对明显且取样方便，在土壤养分的分级统计仅考虑0~20 cm土层厚度的养分指标水平。分级标准依据全国土壤普查办公室的划分标准并结合了北京山地养分的具体分布情况。

2.4 数据处理

应用SPSS公司的SPSS for windows软件13.0 One-way ANOVA对北京山地土壤养分指标进行描述性统计分析和显著性差异检验，应用Bivariate分析土壤有机质对土壤氮、磷和钾养分的影响。

3 结果与分析 3.1 北京山地土壤养分因子的变异程度

1) 北京山地森林土壤pH值的变异特点  北京山地土壤的pH值分布在5.06~8.24的范围(表 2)，可划分为酸性、微酸性、中性和微碱性土壤。不同土层的变异系数在10%左右，属弱度变异程度。从垂直变化来看，除10~20 cm土层的土壤pH值显著低于40~60 cm土层外，其他土层之间无显著的差异。值得关注的是，在百花山的辽东栎林、石城镇的槲树林、古北口镇潮关和西山林场的油松林出现了pH值小于5.5的数据。

2) 北京山地森林土壤有机质的变异特点  北京山地森林土壤表层0~10 cm土壤有机质的变化范围为15.15~154.22 g·kg^-1，其中最大值为最小值的10.18倍；而40~60 cm土层土壤有机质的变化范围为7.39~38.39 g·kg^-1，最大值为最小值的5.19倍。不同层次土壤有机质的变异系数一般在40%左右(表 3)，属于中度变异程度。土壤有机质含量的平均值呈随土层深度增加而显著减小的规律。其中表层0~10 cm土壤有机质平均含量显著高于其他土层，而10~20 cm土层土壤有机质平均含量又显著高于其下层土壤；20~40 cm土层土壤有机质平均含量虽比40~60 cm土层高30.58 %，但差异不显著。

3) 北京山地森林土壤氮素的变异特点  除底层20~40 cm和40~60 cm土壤碱解氮的变异系数大于50%外，土壤全氮和碱解氮的变异系数一般在40%左右(表 4)。同土壤有机质的垂直分布相似，表层0~10 cm土壤全氮平均含量最高为2.36 g·kg^-1，显著地高于其他土层。而10~20 cm土层的全氮平均含量又显著地高于其下层的土壤；但20~40 cm土层的全氮含量与40~60 cm的差异不显著。不同层次土壤碱解氮的差异均显著(表 4)。

4) 北京山地森林土壤磷素的变异特点  不同区域土壤全磷的变异系数在36.36%~46.81%之间，而土壤有效磷的变异系数为70.87%~122.85%，全磷的变异程度明显低于相同土层的有效磷(表 5)。从垂直分布来看，表层0~10 cm土壤全磷含量为0.55 g·kg^-1，虽然土壤全磷平均值随土层降低，但差异不显著。就土壤有效磷而言，表层0~10 cm含量为3.81 mg·kg^-1，显著地高于其他土层，而亚表层10~20 cm与底层间的差异不显著(表 5)。

5) 北京山地森林土壤钾素的变异特点  土壤全钾含量的变异系数范围在22.10%~28.05%之间，低于相应土层土壤速效钾的变异系数(表 6)。从垂直变化来看，不同土层土壤全钾平均含量均接近于15.5 g·kg^-1，各层之间的差异均不显著；而土壤表层0~10 cm土壤速效钾含量显著高于其他土层，亚表层10~20 cm的土壤速效钾含量又显著高于其底层土壤，但20~40 cm土壤速效钾含量与40~60 cm的差异不显著(表 6)。

3.2 北京山地森林土壤养分含量的分级

北京山地土壤样地pH值主要分布在6.51~7.50的中性范围，其次为微酸性范围，但7.55%的土壤样地pH值小于5.50(表 7)。就土壤有机质而言，37.74%的土壤样地其有机质含量分布在20.01~40.00 g·kg^-1范围内，超过80 g·kg^-1的土壤样地仅占9.43%。在土壤氮素中，有60.38%土壤样地的全氮含量不足2.00 g·kg^-1，73.59 %的土壤样地其碱解氮含量在50.1~150 mg·kg^-1范围内。在土壤磷素中，9.43%的土壤样地其全磷含量超过0.8 g·kg^-1，有效磷高于5 mg·kg^-1的土壤为13.21%，而67.93%的土壤有效磷不足3 mg·kg^-1。对土壤钾素含量的分级表明，67.92%的土壤样地其全钾含量集中在12.01~16.00 g·kg^-1范围内，37.74%的土壤样地其速效钾含量超过了150 mg·kg^-1，而低于50.0 mg·kg^-1的土壤样地为3.77%。

3.3 北京山地土壤有机质对土壤养分的影响

在任一土层其土壤有机质与全氮和碱解氮的相关性均达到了极显著水平；除40~60 cm土层外，土壤有机质与土壤全磷的相关性均达到了显著水平，但土壤有效磷与土壤有机质的相关性仅在表层0~10 cm显著；土壤有机质与土壤全钾相关关系不显著，但与土壤速效钾的关系达到了极显著水平(表 8)。

4 讨论 4.1 北京山地土壤酸度的变化

以往研究表明，北京山地土壤pH值一般在6.0以上(马履一等，1999；张凤荣等, 2002)，且土壤pH值的变异系数低于土壤有机质和各种养分(Fu，et al., 2004)，但土壤pH值的变化极大影响着土壤养分的有效性和植被的营养状态(Härdtle et al., 2004)。本次研究中出现了pH值小于5.50的个别土壤样地(表 7)。从森林土壤的特点来看，凋落物尤其是针叶树种的凋落物在分解过程中可产生有机酸并向矿质土壤层淋洗(向师庆等，1986)，但树种对土壤酸度的影响是比较弱的(Augusto et al., 1998)。通过调查认为pH值小于5.50土壤样地的分布位置与植被类型、海拔、人为施肥以及地理区域无明显的联系。因此，北京山地个别区域土壤pH值低的原因值得深入探讨。

4.2 北京山地土壤养分水平

在天然林生态系统中，土壤氮素来源于土壤有机质的转化、大气干湿沉降和生物固氮等。在温带森林生态系统中，土壤氮素的缺乏几乎是普遍的(Fisher et al., 2000)，而且随着造林立地质量的下降，有效氮素缺乏的程度将进一步加大(Fox, 2004)。对0~20 cm土层养分状况的研究表明，土壤全氮量高于2 g·kg^-1的土壤样地不足40%，而在意大利相同土层厚度的21个监测样地中，仅有2个样地的土壤全氮含量低于2 g·kg^-1(Allaniello et al., 2002)，因此，北京山地土壤全氮水平低于欧洲国家的土壤全氮水平。由于土壤对森林植物供氮能力的复杂性，目前很难建立森林土壤含氮的丰缺水平。在北京东灵山油松纯林生态系统中，土壤向植物提供有效氮素的能力显著低于国外相同生态系统类型，而油松-辽东栎混交林则基本与同类森林类型相似或接近。由于土壤无机氮又以容易淋洗的NO₃^-为主(苏波等，2001)，因此，人工针叶林的土壤氮水平，可能影响到植物的健康生长。磷也是植物生长所必需的主要元素之一，主要来源于林地凋落物的矿化以及土壤矿质颗粒的风化过程。由于磷的生物有效性低，磷的缺乏在某些温带区域也可能是普遍现象(Fisher et al., 2000)。本次研究表明，全磷含量超过0.8 g·kg^-1的土壤样地不足10%，而有效磷低于5 mg·kg^-1的土壤样地占到了86.79%。按全国土壤普查办公室的划分标准(全国土壤普查办公室, 1998)，北京山地森林土壤磷素严重缺乏。但钾从凋落物中释放的速度比较快，长石质岩类森林土壤矿物质所释放的钾素，可满足主要造林树种松、栎纯林及其混交林的需要(向师庆等，1994)，因此，北京地区森林土壤钾相对丰富。

北京山地部分森林土壤氮磷营养水平不高，且有效氮磷主要分布在表层土壤，随着林木根系的生长，加强林地氮磷管理是森林健康经营的重要内容。由于土壤氮素含量与土壤有机质有极显著的相关性(表 8)。因此，了解土壤有机质的动态变化有利于土壤氮的变化的监测，增加土壤有机质，可增加土壤氮的供应。土壤有机质影响着土壤全磷的消长，但对土壤有效磷影响不大(表 8)。由于土壤磷生物有效性过程缓慢(Richter, et al., 2006)，通过化学肥料或菌根等生物途径促进土壤有效磷水平的提高十分必要。

5 结论

1) 北京山地69.81%的土壤样地pH值在6.00~7.50之间，也有个别样地的pH值小于5.50。在森林健康经营中，应注重监测pH值的变化并研究其变化机制。

2) 在森林土壤剖面中全氮和碱解氮呈显著垂直递减规律。在0~20 cm土层中有60.38%的土壤样地其全氮水平不足2.00 g·kg^-1，73.59%的土壤样地其碱解氮水平在50.1~150 mg·kg^-1范围内。

3) 北京山地不同区域土壤全磷的变异系数低且垂直变化不明显，而土壤有效磷变异系数最大，表层含量显著高于底层土壤。土壤全磷含量超过0.8 g·kg^-1的样地有9.43%，土壤有效磷低于5 mg·kg^-1的样地占到86.79%，缺磷比较严重。土壤全钾的变异系数明显低于土壤速效钾的变异程度，且不同土层土壤全钾平均值均在15.5 g·kg^-1左右。37.74%的样地速效钾含量超过150 mg·kg^-1，低于50.0 mg·kg^-1的土壤样地为3.77%。在氮、磷、钾三大营养元素管理中，可暂时不考虑土壤钾的缺乏问题。