陳浩，鞏合德，魯志云，王高升

(1.西南林業(yè)大學地理與生態(tài)旅游學院，云南 昆明 650224;2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051;3.中國科學院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站，云南 景東 676209;4.云南省林業(yè)和草原科學院,云南 昆明 650201)

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，森林生態(tài)系統(tǒng)的生長質(zhì)量取決于森林土壤的養(yǎng)分含量水平。森林土壤的養(yǎng)分含量水平受氣候、地形、植被、成土母質(zhì)、土壤類型、土層深度、土壤微生物、酶活性、有機質(zhì)含量等環(huán)境因素和人為因素的綜合影響，是多種因素綜合協(xié)同作用的結(jié)果[1-2]。土壤有機質(zhì)、氮、磷和鉀是土壤養(yǎng)分的最主要組成部分，是森林生態(tài)系統(tǒng)健康生長所需的大量營養(yǎng)元素，通過對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤主要養(yǎng)分含量進行持續(xù)測量與分析，可以對森林的生長狀況和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化進行實時監(jiān)測，從而為制定科學合理的森林保護對策提供理論依據(jù)。

中國科學院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站，位于哀牢山國家級自然保護區(qū)北段山頂部，隸屬于云南省普洱市景東縣，海拔2 450 m。山體頂部有我國連續(xù)分布面積最大、保存最完整的原生亞熱帶中山濕性常綠闊葉林，該站長期對該地區(qū)不同森林類型土壤養(yǎng)分的年際變化、年內(nèi)變化和垂直變化進行定位監(jiān)測，積累大量的連續(xù)觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前，大多數(shù)對森林土壤養(yǎng)分的研究主要集中于空間分布上和季節(jié)性變化上，對于年際變化尤其是10 a以上的年際變化的研究報道很少，哀牢山中山濕性常綠闊葉林10 a以上土壤養(yǎng)分變化方面的研究則未見報道。本文以哀牢山森林生態(tài)站長期定位觀測的研究數(shù)據(jù)為材料，對不同土層、不同年份，以及年內(nèi)不同月份之間的土壤有機碳、氮、磷和鉀等大量元素進行研究，為后期哀牢山自然保護區(qū)內(nèi)森林培育提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 研究地區(qū)及研究方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

研究樣地位于云南省普洱市景東縣太忠鎮(zhèn)杜鵑湖畔(原名徐家壩水庫)的哀牢山國家級自然保護區(qū)北段山頂部，是中國科學院哀牢山森林生態(tài)系統(tǒng)研究站的長期固定樣地，也是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)、國家野外科學觀測研究站(CNERN)和中國科學院西南知識創(chuàng)新基地的長期固定樣地。哀牢山站(24°32′N、101°01′E，海拔2 450 m)，處于西南季風氣候區(qū)，年平均溫度11.0 ℃，最冷月(1月)平均氣溫5.0 ℃，最熱月(7月)平均氣溫15.3 ℃，≥10 ℃的有效積溫為3 420 ℃，平均霜期190 d。年平均降水量1 931.1 mm，干、雨季節(jié)分明，雨季為5—10月，占全年降水的85%，干季為11—4月，占全年降水的15%。年平均相對濕度為83%。年平均日照時數(shù)1 239 h。整體氣候特征為冬季漫長(11—3月)，無夏季，春季和秋季相連(4—10月)，涼、濕特征明顯[3-8]。

哀牢山杜鵑湖畔生長著我國面積最大的以云南特有植物種為優(yōu)勢種群的原生亞熱帶中山濕性常綠闊葉林，喬、灌、草林相齊全，喬木層主要為殼斗科(Fagaceae)的木果石櫟(Lithocarpusxylocarpus)、騰沖栲(Castanopsiswattii)、景東石櫟(L.chintungensis)，茶科(Theaceae)的滇木荷(Schimanoronhae)、舟柄茶(Hartiasinensis)，樟科(Lauraceae)的綠葉潤楠(Machilusviridis)和木蘭科(Magnoliaceae)的紅花木蓮(Manglietiainsignis)等；灌木層主要優(yōu)勢種為箭竹(Sinarundinarianitida)；草本層主要優(yōu)勢種為細梗苔草(Carexteinogyna)、滇西瘤足蕨(Plagiogyriacommunis)；此外，林中分布有較多藤本植物，多為木質(zhì)大藤本；樹冠附生有大量的苔蘚和蕨類植物；樹杈內(nèi)和樹干上部堆積有豐富的林冠腐殖質(zhì)[4,9-10]。

林下土壤為山地棕壤或黃棕壤，主要成土母質(zhì)為古生代板巖、微晶片巖等，地表有覆蓋厚度為5～10 cm的凋落物，其下是8～18 cm的腐殖質(zhì)層，0～30 cm土層有機質(zhì)含量為5%～9%，全氮含量在0.3%以上，土壤偏酸性(pH為4.2)[4]。

1.2 采樣方法

本研究中的數(shù)據(jù)來源于中國科學院西雙版納熱帶植物園哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站2005—2015年土壤長期定位觀測數(shù)據(jù)，采樣方法參照中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)[11]，在對哀牢山中山濕性常綠闊葉林，分別采集0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm剖面土壤樣品，進行土壤養(yǎng)分含量測定。

1.3 樣品分析

用全自動碳氮分析儀(K370 BUCHI Auto Kjeldahi Unit，瑞士)測定有機質(zhì)(LY/T 1237—1999)和全氮(LY/T 1228—1999)；用堿解擴散法測定速效氮(堿解氮)(LY/T 1229—1999)；用HNO3-HClO4消解，HCl溶解，ICP-AES測定全磷(LY/T 1270—1999)；用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提，鉬銻抗比色法測定有效磷(LY/T1233—1999)；采用NaOH熔融-火焰光度法測定全鉀，采用中性CH3COONH4(pH=7.0)浸提，ICP-AES測定速效鉀(LY/T 1236—1999，iCAP6300型 ICP-AES，Thermo Fisher美國)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel和SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析及處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的垂直變化

從表1和圖1分析數(shù)據(jù)可知，不同土層的土壤有機質(zhì)含量差異極顯著(P<0.001)，表層土(0～10 cm)有機質(zhì)最高，高達223.99 g/kg，10～20 cm土層有機質(zhì)含量較表層土有機質(zhì)含量下降了50%，只有116.8 g/kg，隨著土層深度的增加，土壤有機質(zhì)含量逐漸降低，且波動的幅度逐漸變小，60～100 cm 土層有機質(zhì)含量只有31.47 g/kg。

表1 土壤有機質(zhì)、氮、磷和鉀顯著性分析

不同土層全氮、全磷、全鉀差異極顯著(P<0.001)，全氮與有機質(zhì)含量的變化趨勢相似，都隨著土層深度的增加而逐步下降，且波動的幅度也逐步變窄。全磷的含量在0～40 cm土層逐漸減少，在 40～60 cm土層最小，僅為0.56 g/kg，60～100 cm土層則有所上升。全鉀含量則表現(xiàn)出與有機質(zhì)、全氮和全磷不同的變化趨勢，在0～40 cm土層逐漸增加，在40～60 cm土層達到最大，為12.82 g/kg，60～100 cm土層則呈明顯下降趨勢。

2.2 土壤養(yǎng)分的年際變化

由表1和圖2可以看出，與2005年相比，2015年0～10 cm土壤有機質(zhì)差異極顯著(P<0.001)、全氮差異極顯著(P<0.001)、全磷差異顯著(P<0.05)和全鉀差異不顯著(P>0.05)。各營養(yǎng)元素均隨著時間的推移含量有所下降，其中土壤全磷下降幅度最大為23.45%，有機質(zhì)下降幅度最小為8.76%，全氮和全鉀的下降幅度分別為15.40%和14.30%。

2.3 土壤養(yǎng)分年內(nèi)變化

由表1、圖3可知，通過相關(guān)性分析0～20 cm土層土壤養(yǎng)分在生長季中數(shù)據(jù)變化都呈現(xiàn)正態(tài)分布，土壤養(yǎng)分有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀之間均有密切的相關(guān)關(guān)系；通過分析0～20 cm土層土壤有機質(zhì)與全氮差異極顯著(P<0.001)、全磷和全鉀差異顯著(P<0.05)。

如圖4可知，腐殖質(zhì)層及0～20 cm表層土壤有機質(zhì)年內(nèi)變化趨勢基本一致，冬春兩季有機質(zhì)含量積累，3—8月隨著溫度增加，植物生理活動加快，土壤有機質(zhì)含量消耗較多，故含量較低。腐殖質(zhì)層及0～20 cm表層土壤全氮含量變化各異，其中腐殖質(zhì)層的全氮含量全年都在增加，而0～20 cm表層土壤的全氮含量5—8月處于降低的趨勢，到9月后再逐漸增加。有效磷、速效鉀含量在0～20 cm表層的全年變化波動較小，腐殖質(zhì)層有效磷、速效鉀在冬春兩季降低、夏秋兩季增加。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 哀牢山亞熱帶中山濕性常綠闊葉林土壤養(yǎng)分的垂直變化規(guī)律

已有的研究結(jié)果表明，森林土壤養(yǎng)分含量垂直變化差異顯著[12-16]，一般情況下，隨著土層深度的增加，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷等養(yǎng)分含量下降趨勢明顯[17-22]；而土壤全鉀的變動性相對較小[23-25]。本研究表明，土壤有機質(zhì)和全氮含量隨著土壤深度的增加下降趨勢明顯；土壤全磷下降趨勢不明顯，在0～60 cm土層呈緩慢下降趨勢，60～100 cm土層則有所上升；土壤全鉀則表現(xiàn)出與土壤有機質(zhì)、全氮和全磷截然不同的變化規(guī)律，在0～60 cm土層呈逐漸上升趨勢，60～100 cm土層則有所下降，土壤全鉀的變化規(guī)律與王燕等[26]的研究結(jié)果一致。

3.1.2 土壤養(yǎng)分的年際變化規(guī)律

大多數(shù)對森林土壤養(yǎng)分的研究主要集中于空間分布上和季節(jié)性變化上，對于年際變化尤其是10 a以上的年際變化的研究報道很少。本研究通過對2005—2015年的土壤養(yǎng)分監(jiān)測研究顯示，與2005年相比，2015年哀牢山亞熱帶中山濕性常綠闊葉林0～10 cm土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量都有一定程度的下降，其中土壤全磷下降幅度最大(23.45%)，有機質(zhì)下降幅度最小(8.76%)，全氮和全鉀的下降幅度分別為15.40%和14.30%。從數(shù)據(jù)上看，從2005年到2015年，土壤養(yǎng)分含量是有較大幅度下降的，但哀牢山中山濕性常綠闊葉林處于自然保護區(qū)內(nèi)，受人為擾動很小，土壤養(yǎng)分含量不應(yīng)出現(xiàn)較大幅度的下降，究其原因，應(yīng)是土壤空間異質(zhì)性和不同取樣人員操作差異等原因所致。

3.1.3 土壤養(yǎng)分生長季變化規(guī)律

本次研究表明，0～20 cm土層有機質(zhì)和全氮在森林春夏生長旺季3—8月份呈下降趨勢，在8月份降到最低，8—11月份隨著秋冬季凋落物的增加而逐漸增加，這與夏漢平等[27]的研究結(jié)果一致。土壤有效磷則表現(xiàn)出與有機質(zhì)和全氮截然相反的變化趨勢，在冬春干旱期(12月—翌年6月)，有效磷含量是逐漸增加的，但隨著降雨量的逐漸增大，地表徑流增加會使土壤中有效磷流失，森林中林木生長對土壤有效磷的消耗快速增加，導(dǎo)致有效磷含量在7—11月份快速下降，這與薛敬意等[28]研究結(jié)果相似。土壤速效鉀則沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，全年基本維持在較平穩(wěn)狀態(tài)，僅在雨熱同期的8月份其含量相對低一點。

3.2 結(jié)論

哀牢山中山濕性常綠闊葉林在0～100 cm不同土層中有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀差異極顯著(P<0.001)，有機質(zhì)、全氮、全磷隨著亦隨著土層深度的增加而減少，且波動的幅度逐漸變??；土壤全鉀則出現(xiàn)先上升再下降的趨勢。2005年和2015年0～10 cm土壤有機質(zhì)差異極顯著(P<0.001)、全氮差異極顯著(P<0.001)、全磷差異顯著(P<0.05)和全鉀差異不顯著(P>0.05)，土壤中各營養(yǎng)元素均隨著時間的推移含量有所下降。腐殖質(zhì)層及0～20 cm表層土壤的有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀均呈現(xiàn)“生長季消耗、非生長季積累”的規(guī)律。