孟文武++鄭利亞++崔誠(chéng)++趙自穩(wěn)++牛德奎 郭曉敏

摘要：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）、不同土壤深度（0～20 cm、>20～40 cm）、不同退化程度草甸下土壤養(yǎng)分分布特征以及有機(jī)碳、土壤其他養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明：（1）武功山不同土壤養(yǎng)分相同海拔不同土層間整體差異顯著，呈現(xiàn)出表聚性特征，相同土層不同海拔間整體呈垂直分布規(guī)律；（2）土壤有機(jī)碳與土壤全氮、堿解氮和速效鉀之間存在極顯著正相關(guān)。土壤有機(jī)碳與土壤全磷、速效磷和pH值間則無明顯的相關(guān)性。明確了武功山山地草甸土壤不同海拔間有機(jī)碳和各養(yǎng)分間的分布規(guī)律，揭示了土壤有機(jī)碳與其他土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果為武功山山地草甸的植被和生態(tài)修復(fù)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：武功山；退化草甸；土壤有機(jī)碳；土壤理化性質(zhì)；相關(guān)性

中圖分類號(hào)：X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0237-04

[HJ1.4mm]

收稿日期：2016-05-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAC11B06）；國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：30960312、31560150）。

作者簡(jiǎn)介：孟文武（1990—），男，安徽淮北人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分和植被修復(fù)。E-mail：1090237198@qq.com。

通信作者：郭曉敏，博士，教授，主要從事林木營(yíng)養(yǎng)與施肥、經(jīng)濟(jì)林培育、植被恢復(fù)等領(lǐng)域的教學(xué)和科研。E-mail：gxmjxau@163.com。[HJ]

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上分布面積最廣的生態(tài)系統(tǒng)之一，其面積約占陸地面積的50%，在全球陸地碳循環(huán)中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。草甸土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存在表層土壤，對(duì)環(huán)境變化異常敏感，草甸生存環(huán)境的改變繼而引起的土壤表層碳庫的微小變化可能對(duì)全球溫室氣體排放通量產(chǎn)生影響[2]。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時(shí)間最慢的碳庫，有1 400～1 500 Pg的碳是以有機(jī)質(zhì)的形式儲(chǔ)存在土壤之中，在草甸碳循環(huán)中扮演著極其重要的角色[3]。

山地草甸生態(tài)系統(tǒng)具有凈化空氣、涵養(yǎng)水源、保持水土等多種生態(tài)功能，在物質(zhì)循環(huán)和全球氣候變化方面扮演著極其重要的作用[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)草甸養(yǎng)分關(guān)系之間的研究多注重于碳氮關(guān)系和碳氮比方面，對(duì)有機(jī)碳和其他養(yǎng)分關(guān)系之間研究較少。張鵬等研究了祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮分布特征和其相互關(guān)系[6]，王建林等研究了青藏高原高寒草甸碳氮比分布特征及其影響因素，二者都談及了碳氮分布規(guī)律與其相互關(guān)系，而且其分布和關(guān)系與海拔、氣候、地形等要素密切相關(guān)[7]。

武功山山地草甸位于江西省中部地區(qū)，主要分布在武功山海拔1 600 m以上地區(qū)，有“云中草原”的美譽(yù)。近年來，隨著政府投資力度和宣傳力度的加大，武功山名氣得到很大的提升，來武功山旅游的人數(shù)也逐年增加。尤其是一年一度的武功山國(guó)際帳篷節(jié)，吸引了全國(guó)各地乃至世界的游客前來登山和旅游。游客的隨意踐踏以及廢棄物的過量丟棄，很大程度上造成武功山山地草甸的退化，綿延約4 000 hm2的山地草甸已呈現(xiàn)出退化并被分割得支離破碎的情景[8]。惡劣的自然環(huán)境加上過度的開發(fā)，武功山山地草甸出現(xiàn)了不同程度的退化，有些地方已完全退化為裸地。草甸的退化，造成地上地下生物量減少，阻斷了碳的輸入，使有機(jī)質(zhì)的碳匯大為減少。在地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和對(duì)草甸的依賴必然增加的前提下，草甸退化不可避免。草甸退化不僅對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀痪坝^造成極其惡劣的影響，而且勢(shì)必對(duì)整個(gè)武功山的小氣候和生態(tài)造成不良后果，影響整個(gè)贛中甚至華中地區(qū)的碳氮循環(huán)?；谖涔ι讲莸橥嘶脑颍狙芯繉?duì)武功山不同退化程度山地草甸土壤的有機(jī)碳和其他養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性研究，以期找出山地草甸退化過程中有機(jī)碳和各養(yǎng)分間的關(guān)系，為山地草甸退化程度診斷和修復(fù)提供理論依據(jù)[9-10]。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

武功山屬于羅霄山脈北段，位于江西省中西部，地理位置介于114°10′～114°17′E、27°25′～27°35′N之間，呈東北—西南走向綿延120 km，總面積 260 km2。屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季溫和少雨。年平均氣溫為14～16 ℃，年降水量為1 350～1 750 mm，雨熱同期，適合植被生長(zhǎng)。海拔高差1 600 m，其中，最高峰為白鶴峰，海拔為 1 918.3 m，為景觀奇特的花崗巖、混合巖中地貌。土壤為花崗巖和片麻巖發(fā)育而來的山地草甸黑土，土壤肥沃，有機(jī)質(zhì)含量高。在植被類型上，以芒草為主要優(yōu)勢(shì)種，苔草、飄拂草等為亞優(yōu)勢(shì)種，土壤、植被等呈現(xiàn)出典型的非地帶性特征。

1.2樣地設(shè)置和樣品采集

2015年9月進(jìn)行樣地設(shè)置和土樣采集。在海拔高度 1 600 m 處，沿山脊線每隔150 m間距設(shè)置1個(gè)海拔梯度，共設(shè)3個(gè)梯度（1 600、1 750、1 900 m）。在每個(gè)梯度上，根據(jù)植被蓋度大小、物種差異等因素把草甸的退化程度分為4個(gè)等級(jí)，即輕度退化、中度退化、重度退化、未退化草甸（CK）（表1）。根據(jù)草甸的退化程度，采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)輕度退化、中度退化、重度退化、未退化草甸各隨機(jī)設(shè)置3個(gè)10 m×10 m樣方，對(duì)每一樣方的土壤分2層（0～20 cm、>20～40 cm）進(jìn)行隨機(jī)多點(diǎn)采樣，同層混勻，采集的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室。仔細(xì)去除土壤中的石礫和植物殘?bào)w（如根、莖、葉），自然風(fēng)干，磨碎，分別過2 mm和0.149 mm篩，保存，共獲得72個(gè)土壤樣品，供土壤理化性質(zhì)分析。

1.3測(cè)定與分析

1.3.1測(cè)定方法土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；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；土壤全磷采用HClO4-H2SO4浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效磷采用0.03 mol/L NH4F-[JP2]0.025 mol/L HCl浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用NH4Ac浸提，火焰光度法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定。[JP]

1.3.2分析方法應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布檢驗(yàn)，用方差分析、LSD和Duncans多重比較檢驗(yàn)分析不同海拔草甸、不同土層深度間養(yǎng)分之間的差異，土壤養(yǎng)分相關(guān)性采用Origin 8.1線性相關(guān)分析，所有圖形均運(yùn)用Origin 8.1繪制。

2結(jié)果與分析

2.1不同海拔梯度不同退化程度土壤有機(jī)碳分布格局

從圖1可以看出，在3個(gè)不同海拔梯度1 600、1 750、1 900 m 和不同土層0～20 cm、>20～40 cm之間，土壤各海拔間上層有機(jī)碳含量的平均數(shù)值變化范圍為60.53～67.16 g/kg，下層為49.5～56.80 g/kg。隨著海拔升高上層比下層有機(jī)碳含量分別增加了18.24%、22.91%、22.29%，均表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳的含量呈減少趨勢(shì)，相同海拔不同土層間有機(jī)碳含量存在極顯著性差異。相同土層不同海拔有機(jī)碳含量差異不顯著，沒有呈現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律，有可能是由于取樣誤差或海拔梯度過小引起。

[FK（W10][TPMWW1.tif][FK）]

2.2不同海拔高度、土層深度土壤理化性狀

2.2.1[JP2]全氮、堿解氮含量從表2可以看出，土壤中不同海拔上層全氮的含量在4.46～4.89 g/kg，下層為 3.56～3.82 g/kg。相同海拔不同土層之間差異顯著，即在垂直方向上隨著土層深度的增加全氮呈顯著下降趨勢(shì)。相同土層不同海拔之間差異不顯著，全氮含量隨著海拔的變化差異不顯著。堿解氮在土壤中上層含量在0.61～0.65 g/kg，下層為0.51～0.52 g/kg。堿解氮在不同海拔上下層之間均存在顯著的差異，相同土層不同海拔間差異不顯著。在1 600～1 900 m 海拔范圍內(nèi)，海拔對(duì)氮素的影響不顯著，這可能與海拔高差較小有關(guān)。

2.2.2全磷、速效磷含量土壤全磷上層含量為0.61～097 g/kg，下層為0.28～0.62 g/kg。海拔高度 1 600、1 900 m 上下層全磷差異顯著，1 750 m上下層差異不顯著。上層不同海拔間1 600、1 900 m差異顯著，與海拔1 750 m差異不顯著。上層全磷含量隨著海拔的升高呈下降趨勢(shì)，在 1 900 m 達(dá)到最小值，呈明顯的垂直分布規(guī)律。全磷下層不同海拔間1 600、1 750 m差異不顯著，與1 900 m差異顯著。在1 750 m土壤下層全磷含量出現(xiàn)最高值，然后向高海拔和低海拔方向呈下降趨勢(shì)，且向高海拔方向降低速率高于低海拔方向。速效磷上層含量在2.06～6.01 mg/kg，下層含量為1.32～3.09 mg/kg，相同土層不同海拔間差異顯著。上層不同海拔間全磷含量差異顯著，并且隨著海拔的升高呈增加趨勢(shì)，呈現(xiàn)明顯的垂直分布規(guī)律；下層有效磷含量亦隨著海拔的升高而呈增加趨勢(shì)，在海拔1 900 m達(dá)到最大值，下層速效磷增加速度較慢，趨勢(shì)不如上層明顯，下層僅在1 600、1 900 m差異顯著（表3）。土壤中速效磷含量較低，可能會(huì)影響植物對(duì)磷的吸收，造成植被營(yíng)養(yǎng)不良。

2.2.3速效鉀含量、pH值土壤速效鉀土壤上層含量在81.15～130.01 mg/kg，下層在51.87～96.33 mg/kg。不同海拔上層土壤速效鉀含量大于下層，且上下層之間差異顯著。上層速效鉀含量隨著海拔的升高而降低，在1 900 m達(dá)到最小值，下降速率在1 750 m以上地區(qū)高于1 750 m以下地區(qū)，海拔 1 900 m 上層土壤速效鉀與1 600、1 750 m差異顯著，呈明顯垂直分布規(guī)律。下層速效鉀含量隨著海拔的升高而顯著降低，不同海拔間差異顯著，呈明顯的垂直分布規(guī)律（表4）。

土壤pH值是指示土壤酸度大小的一個(gè)重要指標(biāo)，pH值越小，酸度越大，其實(shí)質(zhì)是氫離子的數(shù)量和濃度不斷增加的一個(gè)[CM（25]過程。植物的生長(zhǎng)和發(fā)育都要保持在一定的酸度范圍內(nèi)，否則植物就沒法生存。適合的酸度范圍對(duì)于動(dòng)物和微生物的生理活動(dòng)有積極的促進(jìn)作用，有助于土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和礦物質(zhì)元素的釋放。從表4可以看出，武功山土壤上層pH值為4.70～4.92，下層為4.68～4.85之間，上下層均呈強(qiáng)酸特性。上層pH值在1 750 m達(dá)到最大值，然后向1 650、1 900 m 方向呈遞減趨勢(shì)；下層土壤pH值在1 750 m為最大值，以此為中心在垂直向高海拔和低海拔方向遞減，且高海拔遞減速率快于低海拔。

2.3土壤有機(jī)碳與其他養(yǎng)分間相關(guān)性

2.3.1有機(jī)碳與全氮和堿解氮含量的關(guān)系通過相關(guān)分析，有機(jī)碳和全氮與堿解氮都呈極顯著的正相關(guān)，且有機(jī)碳和全氮、堿解氮之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.70、0.68。全氮、堿解氮含量隨著有機(jī)碳含量的增加呈顯著增加趨勢(shì)，其線性相關(guān)的斜率分別為50.82、6.16，即當(dāng)有機(jī)碳每提高1 g/kg，全氮、堿解氮分別增加50.82、6.16 mg/kg（圖2）。表明有機(jī)碳含量大小對(duì)氮素影響較大，提高土壤碳貯量有利于土壤氮素的增加。

2.3.2有機(jī)碳與全磷和速效磷含量的關(guān)系從圖3可以看出，有機(jī)碳與全磷、速效磷均無顯著性線性關(guān)系，這可能是人為干擾造成草甸退化從而引起磷素流失引起的。[FL）]

[TPMWW2.tif][FK）]

[FK（W10][TPMWW3.tif][FK）]

2.3.3有機(jī)碳與速效鉀含量、pH值的關(guān)系從圖4可以看出，速效鉀與有機(jī)碳之間亦存在極顯著性的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.48，其線性相關(guān)的斜率為1.81，即有機(jī)碳每增加 1 g/kg，速效鉀增加1.81 mg/kg。土壤有機(jī)碳和土壤酸度之間不存在顯著性相關(guān)關(guān)系，有可能是山地的局部小氣候影響和人為干擾導(dǎo)致的土壤退化所致。

3討論與結(jié)論

在海拔1 600～1 900 m范圍內(nèi)，武功山山地草甸不同養(yǎng)分元素整體呈垂直分布規(guī)律，同時(shí)由于土壤、氣候、植被等因素影響，其分布又有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性特征[11-12]。有機(jī)碳、全[CM（25]氮、堿解氮、全磷含量整體隨著海拔的升高而降低；速效磷則隨著海拔的升高而增加，與趙曉蕊等研究結(jié)果[12]相一致；pH值則在1 750 m出現(xiàn)最大值，然后以此為基礎(chǔ)向 1 600、1 900 m 2個(gè)方向呈遞減趨勢(shì)。不同海拔之間的差異主要體現(xiàn)在氣溫、降水2個(gè)方面，隨著海拔的升高，氣溫呈現(xiàn)有規(guī)律的下降趨勢(shì)，降水則隨著氣溫的升高而增加，在一定高度上達(dá)到最大值，此后隨著海拔的增加又呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。海拔間的這種水熱差異會(huì)引起不同海拔間氣候、土壤和植被等方面的差異，從而間接影響土壤中養(yǎng)分的分布，使得土壤養(yǎng)分的分布具有空間異質(zhì)性。而氣溫、降水在垂直分布上的差異又在一定程度上影響了土壤養(yǎng)分含量，使其養(yǎng)分分布隨著海拔的變化呈現(xiàn)出垂直分布的特征[13]。對(duì)不同土壤剖面養(yǎng)分分布的研究也比較多，相同海拔不同土層整體差異顯著，具有很強(qiáng)的表聚性，本結(jié)論與吳艷宏等研究結(jié)果[14-15]一致。主要是由于各種養(yǎng)分來源植物枯枝落葉，而武功山草甸地上地下生物量豐富，植被生長(zhǎng)周期短，其枯枝落葉大量集中在土壤表層，腐爛后向表層追加大量養(yǎng)分，導(dǎo)致表層土壤養(yǎng)分含量高，下層含量低，呈明顯的表聚性特征。

前人對(duì)有機(jī)碳和氮的相關(guān)關(guān)系研究較多[16]，草甸有機(jī)碳與其他養(yǎng)分間的關(guān)系研究較少，有機(jī)碳與磷素、鉀素間的關(guān)系更是少有涉及。在海拔1 600～1 900 m范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳與土壤全氮、堿解氮、速效鉀之間均存在極顯著正相關(guān)，本結(jié)論與曹麗花等研究結(jié)果[10]相一致。有機(jī)碳與全磷、速效磷、pH值關(guān)系則不明顯，有機(jī)碳變化對(duì)磷、pH值影響不顯著，可能是土壤退化導(dǎo)致磷素大量流失，磷素含量大量減少，分布格局發(fā)生變化引起，同時(shí)局部小氣候也是影響因素之一。以往有機(jī)碳和其他養(yǎng)分間的研究中，有機(jī)碳是各養(yǎng)分的核心所在，其含量大小直接影響其他養(yǎng)分的供應(yīng)[17-18]。隨著武功山草甸退化程度的加劇，土壤覆蓋度的降低，土壤有機(jī)碳碳匯來源將大幅減少，有機(jī)碳含量急劇下降，這將嚴(yán)重影響其他養(yǎng)分的供應(yīng)和積累，勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分和生態(tài)環(huán)境造成影響，不利于武功山的生態(tài)發(fā)展。因此，研究不同養(yǎng)分間分布規(guī)律及其有機(jī)碳與不同養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于武功山草甸植被修復(fù)和土壤施肥具有很好的指導(dǎo)意義。

在1 600～1 900 m海拔范圍內(nèi)，土壤養(yǎng)分受水熱條件的影響呈表聚性特征和垂直分布規(guī)律。全氮、堿解氮、速效鉀與有機(jī)碳之間呈極顯著的正相關(guān)，磷素、pH值則與有機(jī)碳相關(guān)不顯著。因此，在研究草甸生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮養(yǎng)分分布特征以及有機(jī)碳和其他養(yǎng)分之間的相關(guān)性，為生態(tài)修復(fù)和草甸施肥提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

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