袁穎丹，李 志，張文元，牛德奎，郭曉敏

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b. 國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045）

武功山山地草甸不同海拔土壤氮素分布及其與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系

袁穎丹a，李 志a，張文元a，牛德奎b，郭曉敏a

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b. 國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045）

以江西省武功山山地草甸為研究對(duì)象，分析不同海拔高度（1 600～1 900 m）和不同土壤深度（0～20 cm和20～40 cm）條件下，土壤全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)和pH的分布，以及土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。研究結(jié)果表明：（1）武功山山地草甸土壤氮素含量呈“W”型分布趨勢(shì)，全氮含量、堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量的變異范圍分別為1.81～9.34 g/kg、100.88～592.37 mg/kg和48.89～200.01 g/kg；土壤全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)三者之間呈極顯著相關(guān)性；（2）武功山山地草甸在0～20 cm的上層土中對(duì)全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)均有一定影響，且上層土壤中的氮素和有機(jī)質(zhì)水平均優(yōu)于下層；（3）在高海拔（1 900 m）和低海拔（1 600 m）處，人為干擾較大，導(dǎo)致土壤容重減少，總孔隙度增大，質(zhì)量含水量減少；（4）各理化性質(zhì)之間：土壤總孔隙度與堿解氮、密度呈極顯著正相關(guān)；總孔隙度與全氮、質(zhì)量含水量呈顯著正相關(guān)。研究揭示了武功山山地草甸土壤氮素分布格局和土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，同時(shí)也為退化草甸恢復(fù)治理提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

山地草甸；土壤全氮；堿解氮；土壤物理性質(zhì)

氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)一種重要的營養(yǎng)元素和環(huán)境元素，其循環(huán)過程對(duì)植物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響[1-2]。氮素也是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素[3]，植物氮素的主要來源為土壤中的氮素，土壤中氮素含量的多少主要取決于有機(jī)質(zhì)的積累和分解，土壤氮素的檢測(cè)通常會(huì)選擇全氮(TN)和堿解氮(AN)。土壤有機(jī)質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物質(zhì)，它包括土壤中各種動(dòng)植物殘?bào)w，新鮮生物體及其分解和合成的各種有機(jī)物質(zhì)[4]。學(xué)者對(duì)典型喀斯特峰叢洼地坡而土壤養(yǎng)分空間變異性研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳、全氮等養(yǎng)分的空間分布表現(xiàn)出隨著海拔高度增加而增大的特征[5]。青藏高原高寒草甸土壤全氮、全磷含量隨著土層加深降低明顯[6]。色季拉山酸性棕壤土氮素具有較高的空間異質(zhì)性，植被對(duì)土壤氮素具有表聚作用，在0～10 cm和10～20 cm兩個(gè)層次上土壤氮素含量表現(xiàn)為0～10 cm ＞ 10～20 cm[1]。武夷山自然保護(hù)區(qū)土壤不同形態(tài)氮素在不同海拔梯度下呈現(xiàn)隨著土層加深而降低的趨勢(shì)[7]。壤理化性質(zhì)是影響土壤生態(tài)系統(tǒng)和植物生長的重要因素，是反映土壤肥力水平的一個(gè)重要方面，土壤理化性質(zhì)的調(diào)查有助于判斷土壤的肥力狀況，持久地維持和提高土壤肥力是穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，對(duì)提高生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生產(chǎn)力具有決定性的影響[8-10]。

江西省武功山是中國南方地區(qū)最大的連續(xù)型亞熱帶山地草甸分布區(qū)，近年來隨著旅游事業(yè)的迅猛發(fā)展和人類活動(dòng)的加劇，使脆弱的山地草甸受到嚴(yán)重的干擾，造成了一定程度的生態(tài)破壞[11]。長期以來，許多學(xué)者對(duì)武功山山地草甸生態(tài)系統(tǒng)磷素[12]、土壤活性有機(jī)碳[13]和土壤微生物生物量碳[14]等方面進(jìn)行了研究，但對(duì)不同海拔梯度的氮素及其不同的物理性質(zhì)研究甚少，因此，本文以武功山七個(gè)不同海拔的山地草甸土壤為研究對(duì)象，其目的是探討山地草甸土壤氮素變化特征及物理性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，特別是土壤不同形態(tài)的氮素隨海拔高度的變化規(guī)律，以揭示山地草甸退化過程中的植被土壤特點(diǎn)、草地生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系等，為合理管理武功山山地草甸提供依據(jù)，同時(shí)積累了武功山山地草甸土壤碳氮循環(huán)及土壤呼吸的資料，以期為研究武功山山地草甸生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江西武功山位于羅霄山脈北段，為贛江水系和湘江水系的分水嶺（114°10′～ 114°17′E，27°25′～27°35′N），屬于低緯度亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫14～16℃，夏季最高溫度為23℃，年均日照時(shí)間在1 580～1 700 h之間，年平均蒸發(fā)量1 360～1 700 mm，年平均濕度70%～80%，年均降水量為1 350～1 570 mm。武功山巖石主要由花崗巖、片麻巖構(gòu)成；主峰白鶴峰（金頂）海拔1 918.3 m。土壤是山地草甸土，由于枯枝落葉豐富以及積水、低溫等因素，有機(jī)物腐爛分解緩慢，土層淺薄，色澤黝黑，干后成塊。在我國華東植被區(qū)劃中具有重要地位，山體垂直，海拔較高，且山勢(shì)陡峻，導(dǎo)致氣候、土壤、植被的垂直地帶性分異明顯，具典型的山地草甸植被類型。在天然草地上，主要有禾本科的野古草Arundinella anomala、芒類Miscanthussinensis、茅根Perotis indica等，還有少量蓼科Polygonaceae、薔薇科Rosaceae、唇形科Labiatae和十字花科Cruciferae植物[15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

2013年10月下旬于武功山上進(jìn)行試驗(yàn)樣地設(shè)置與樣品采集。在武功山金頂風(fēng)景區(qū)，海拔1 600 m～1 900 m之間，每隔50 m為一個(gè)海拔梯度，共7個(gè)梯度（1 600，1 650，1 700，1 750，1 800，1 850，1 900）。每個(gè)梯度選取人為干擾較小、坡向一致、植物生長一致的植被區(qū)域，隨機(jī)設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的樣地，以作為對(duì)比不同海拔間土壤特征的試驗(yàn)樣地。每個(gè)樣方內(nèi)采用沿對(duì)角線5點(diǎn)采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤包括兩層，深度依次為上層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）的土樣，去除土壤中的植物根系和砂礫，帶回實(shí)驗(yàn)室，然后風(fēng)干、磨碎、過篩、保存，供土壤養(yǎng)分的測(cè)定使用[16]。物理性質(zhì)的測(cè)定采用環(huán)刀取樣法，在每個(gè)樣方內(nèi)，沿對(duì)角線設(shè)三次重復(fù)，分別在0 cm和20 cm深度的土壤剖面打入環(huán)刀，取出后在兩端立即加蓋，以免水分蒸發(fā)。帶回實(shí)驗(yàn)室，以供物理性質(zhì)的測(cè)定使用。

1.3 測(cè)定方法

土壤全氮采用FOSS8400全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；

土壤堿解氮采用堿解蒸餾法測(cè)定；

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—濃硫酸消煮法測(cè)定；

土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測(cè)定；

土壤密度采用比重瓶法測(cè)定；

土壤容重和總孔隙度均采用環(huán)刀法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Microsoft Of fice 2013和SPSS21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用SigmaPlot12.5進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔不同土層對(duì)土壤氮素含量的影響

武功山山地草甸土壤全氮含量和堿解氮含量的變異范圍分別為1.81～9.34 g/kg和100.88～592.37 mg/kg。方差分析結(jié)果顯示，土壤TN和AN均在海拔1 750 m時(shí)達(dá)到最大值，以此為分界，低海拔（1 600 m～1 700 m）與高海拔（1 800 m～1 900 m）均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。在海拔1 800 m與1 850 m處，土壤TN上下層出現(xiàn)顯著差異，其余差異均不顯著。不同海拔高度對(duì)上層土壤TN具有一定影響（F6，14=2.182，P=0.107），而對(duì)下層土壤影響并不顯著。在土壤AN中，不同海拔高度對(duì)下層土壤具有一定影響（F6，14=2.127，P=0.115），對(duì)上層土壤的作用就更顯著（F6，14=2.339，P=0.089）。

圖1 不同海拔高度及不同土層土壤氮素的含量Fig. 1 The content of nitrogen in soil at different altitudes and different soil layers

在土壤上下層氮素含量中，土壤上層含量均比下層含量高，這可能是因?yàn)樵谕寥来怪泵嫔现参锔祵?duì)氮素吸收的影響，武功山山地草甸中的草本植物根系多集中在表層土，故而吸收氮素大都集中在上層土壤中?？傮w而言，土壤氮素含量幾乎成一致的分布趨勢(shì)，即“W”型分布，這與王恩武（2013）等針對(duì)不同山體不同海拔的養(yǎng)分指標(biāo)分布特征相近[17]。

2.2 不同海拔不同土層對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和pH值的影響

武功山山地草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量（OM）和pH值的變異范圍分別為48.89～200.01 g/kg和4.14～5.16。由圖2可知，土壤OM在海拔1 750 m時(shí)達(dá)到最高值，整體趨勢(shì)呈“W”型分布。在海拔1 850 m時(shí)，OM對(duì)上下土層影響極顯著（F1,4=34.162，P=0.004）。在其他海拔高度的土壤上下層中均沒有顯著影響。不同海拔高度對(duì)OM上層具有一定影響（F6，14=2.1021，P=0.131），對(duì)下層土沒有影響。由pH值的變異范圍可知，武功山山地草甸土壤整體呈弱酸性，不同海拔高度對(duì)土壤上層pH有一定影響（F6，14=1.358，P=0.297），對(duì)下層土壤沒有影響。這一分布規(guī)律與OM幾乎一致。

2.3 不同海拔不同土層對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

武功山山地草甸土壤密度（D）、容重（BD）、質(zhì)量含水量(MC)和總孔隙度(TP)的變異范圍分 別 為 1.67 ～ 4.20 g/cm3、0.66～ 1.79 g/cm3、133.66～847.03 g/kg、42.13～84.37%。方差分析結(jié)果顯示，D在不同海拔高度和不同土層間均未出現(xiàn)顯著影響。由圖3 可知，在海拔1 800 m時(shí)，BD和TP對(duì)上下土層具有顯著影響，其余海拔均不顯著。不同海拔的BD對(duì)上層土壤具有一定影響（F6,14=2.085，P=0.121），對(duì)下層土壤沒有影響。在海拔1 750 m時(shí)，MC對(duì)上下土層具有顯著影響，其余海拔均不顯著。不同海拔對(duì)上層MC具有一定影響（F6，14=2.233，P=0.101），對(duì)下層土壤同樣沒有影響。不同海拔高度對(duì)下層TP具有顯著影響（F6，14=2.745，P=0.056），對(duì)上層土壤反而沒有影響，此結(jié)果正好與BD和MC相反。

圖2 不同海拔高度土壤有機(jī)質(zhì)和pH值變化Fig. 2 Changes of soil organic matter and pH value at different altitudes

圖3 不同海拔高度土壤物理性質(zhì)的變化Fig. 3 Changes of soil physical properties at different altitudes

2.4 不同海拔與不同土層之間理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由表1 可知，海拔與MC呈極顯著正相關(guān)；土層與BD呈顯著正相關(guān)；TN與土層、AN、BD呈顯著負(fù)相關(guān)；pH與海拔、MC呈顯著正相關(guān)；pH與OM呈顯著負(fù)相關(guān)；TP與AN、D呈極顯著正相關(guān)；TP與TN、MC呈顯著正相關(guān)；土壤TN、AN與OM三者之間彼此呈極顯著正相關(guān)。

表1 不同海拔高度與不同土層之間理化性質(zhì)的相關(guān)性?Table 1 Correlation between the physical and chemical properties of different soil layers at different altitudes

3 結(jié) 論

海拔是山地重要的地形因子之一，海拔的不同會(huì)引起氣候特征、林分類型、土壤類型的改變，進(jìn)而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的差異。本研究得出以下結(jié)論：

（1）武功山山地草甸不同海拔對(duì)全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量均有一定影響，在海拔1 750 m時(shí)，均呈現(xiàn)最高值，這可能是因?yàn)楹０? 750 m并非游人集中區(qū)，人為干擾較小，武功山也有其自身的特殊性，在草甸分布的最高點(diǎn)（1 600 m）和最低點(diǎn)（1 900 m)，是游人的集中匯集區(qū)域，游人多在此駐足，或在此搭帳篷住宿，可能帶來大量外部物質(zhì)，因此養(yǎng)分含量多。而中海拔地區(qū)養(yǎng)分含量較高的原因，一方面可能是隨著海拔升高，有機(jī)質(zhì)分解減緩，有利于養(yǎng)分積累；另一方面，中海拔區(qū)域作為高海拔地區(qū)在降雨作用下的水土流失緩存區(qū)，水分條件更好，養(yǎng)分積累因而也更多。

（2）武功山山地草甸在0～20 cm的上層土中對(duì)全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)均有一定影響，且上層土壤中的氮素和有機(jī)質(zhì)水平均優(yōu)于下層，這種養(yǎng)分的表聚性可能是由于草甸植被為一年生植物，本身生長周期較短，植物凋零和枯草腐敗后，會(huì)向表層土壤直接增添大量的養(yǎng)分，而對(duì)于下層土則具有延緩性，因而土壤表層養(yǎng)分含量高于下層土壤。

（3）土壤容重的大小表征了土壤的緊實(shí)程度，武功山山地草甸在游客較為集中的區(qū)域土壤容重的減少，土壤孔隙度增加，說明隨游客踐踏作用的增加，使得滲透阻力加大。在游客密集區(qū)，土壤質(zhì)量含水量明顯減少，人為干擾造成了土壤水分的減少。土壤中的各種理化以及生物反應(yīng)過程中，水是重要的電子傳遞介質(zhì)和催化劑，水分含量的減少必然會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的改變以及養(yǎng)分循環(huán)異常。因此，土壤容重的增大以及含水量的減少表明了土壤正在退化。

4 討 論

近年來，對(duì)山地不同海拔高度的理化性質(zhì)研究有很多。武夷山土壤不同形態(tài)氮素含量在不同海拔梯度間差異顯著（P＜0.05），說明海拔對(duì)土壤不同形態(tài)氮素含量影響作用明顯[18]。賀蘭山西坡土壤全氮含量隨海拔的降低而逐漸降低，在典型草原中沿土壤垂直剖面依次降低[19]。在秦嶺火池塘林區(qū)的不同采樣深度下，隨著土壤深度增加，除土壤pH值逐漸升高外，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和有效鉀的含量逐漸降低，其他指標(biāo)無明顯變化規(guī)律[20]。以上研究的結(jié)論與本文的研究結(jié)果基本上相一致。

本文選取武功山山地草甸人為干擾較小的區(qū)域進(jìn)行研究，作為國家4A級(jí)風(fēng)景區(qū)及國家地質(zhì)公園所在地，獨(dú)特的山地草甸景觀吸引著大批游人前來游覽，因而人類活動(dòng)將對(duì)部分區(qū)域的草甸生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生很大程度的干擾，但是并未對(duì)不同干擾程度進(jìn)行采樣分析，山地草甸土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮、含水量與土壤特征、植被特征以和人類的干擾程度密切相關(guān)，隨著地上植被的不斷退化演替，土壤性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分退化可能使土壤貧瘠化越來越嚴(yán)重[21]。未來可以從不同干擾程度對(duì)武功山山地草甸的理化性質(zhì)的影響進(jìn)行研究。

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Soil nitrogen distribution and its correlation with soil physical properties in different altitude in mountain meadow of Wugong mountain

YUAN Ying-dana, LI Zhia, ZHANG Wen-yuana, NIU De-kuib, GUO Xiao-mina
(a. College of Forestry, Jiangxi Agricultural University;b. College of Land and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, Jiangxi, China)

Nitrogen is a necessary nutrient elements for plant growth and development,mountain meadow of Wugong Mountain in Jiangxi province as the research object,analyzing different altitude (1 600-1 900 m) and different soil depth (0-20 cm and 20-40 cm)conditions, soil total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen, organic matter and pH worth distribution, as well as the correlation of soil physical and chemical properties. The results show that: (1) mountain meadow of Wugong Mountain soil nitrogen content showed a trend of “W” type distribution and total nitrogen content, alkali-hydrolyzale nitrogen and organic matter content range of variation were 1.81 9.34 g/kg, 100.88 to 592.37 mg/kg and 48.89 to 200.01 g/kg; Soil total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen and organic matter were extremely signi ficant correlation between the three; (2) mountain meadow of Wugong Mountain in 0-20 cm in upper soil total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen and organic matter all have certain in fluence, and the upper level of nitrogen and organic matter in the soil were better than the lower layer; (3) at high altitude (1900 m) and low altitude (1600 m), human disturbance is larger, decrease soil bulk density, total porosity increased, the quality of water content decrease; (4) between the physical and chemical properties, soil total porosity and alkali-hydrolyzale nitrogen were very signi ficant positive correlation, density; total porosity and the total nitrogen and water content was signi ficantly positively related to quality. Research reveals mountain meadow of Wugong Mountain soil nitrogen distribution pattern and the correlation between soil physical and chemical properties, as well as degradation of meadow restoration to provide theoretical references and scienti fic basis.

mountain meadow; soil total nitrogen; alkali-hydrolyzale nitrogen; the soil physical properties

S714.5

A

1673-923X(2016)10-0108-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.019

2015-06-08

國際植物營養(yǎng)研究所項(xiàng)目（IPNI-JX29）；國家科技支撐計(jì)劃課題基金資助項(xiàng)目（2012BAC11B06）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31360177）；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資助項(xiàng)目（YC2013-B029）

袁穎丹，碩士研究生

郭曉敏，教授，博士；E-mail：gxmjxau@163.com

袁穎丹，李 志，張文元，等. 武功山山地草甸不同海拔土壤氮素分布及其與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(10): 108-113.

[本文編校：吳 彬]