武功山山地草甸土壤磷素分布格局及其與土壤酸度的關(guān)系

趙曉蕊，郭曉敏，張金遠(yuǎn)，牛德奎，單連友，張文元，陳伏生，李 志，魏曉華，龔 霞*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江西 南昌 330045;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045;3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045;4.上海海豐農(nóng)場，江蘇 大豐 224153;5.Earth and Environmental Science，University of British Columbia(Okanagan campus)，Kelowna，British Columbia，Canada，V1V1V7)

磷是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，以多種形式參與植物體的生命代謝過程[1]。土壤是磷在生態(tài)系統(tǒng)中的最大儲存庫[2]，然而雖然土壤中全磷含量很高，但其中真正可被植物吸收利用的有效磷含量只占土壤全磷1%左右[3]。我國約有1/3－1/2的土壤缺乏有效磷[4－5]。特別是在我國南方地區(qū)，土壤磷素有效性極低，是南方生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和生態(tài)過程的重要養(yǎng)分限制因子[6－7]。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)分布最廣的生態(tài)類型之一，山地草甸生態(tài)系統(tǒng)具有涵養(yǎng)水源、保持水土等多種生態(tài)功能[8，9]，在全球碳、氮、磷循環(huán)中起著重要作用[10]。江西武功山山地草甸位于羅霄山脈北段，其所處地理位置(北緯27°30')和走向在我國華東植被區(qū)劃中具有重要地位，并成為劃分我國亞熱帶東部濕潤區(qū)常綠闊葉林中部亞熱帶和北部亞熱帶的天然界線。武功山草甸也以其面積廣和分布基準(zhǔn)海拔低(1 600 m)的特點在華東植被垂直帶譜中具有典型性和特殊性，是氣候變化的重要指示植被類型。此外武功山的地理位置處于亞熱帶紅黃壤區(qū)，磷素是該區(qū)域的重要限制性營養(yǎng)因子，因而對武功山草甸土壤磷素有效性的研究尤為重要。以往關(guān)于草甸生態(tài)系統(tǒng)磷素分布的研究有很多[11－12]，但均未涉及土壤酸度對磷素有效性的影響。土壤酸度是土壤磷素有效性重要的化學(xué)調(diào)控因子，它通過影響土壤中磷素的存在形態(tài)，從而影響磷素的有效性及土壤的供磷水平[13－15]。因此，本文以武功山山地草甸土壤生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，開展土壤酸度與磷素有效性的相關(guān)性研究[12，16－17]。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

武功山山地草甸位于江西省北部，介于東經(jīng)114°10'～114°17'和北緯27°25'～27°35'，屬羅霄山脈北段，綿延120 km，總面積260余km2。年平均溫度約為14～16℃，年降雨量1 350～1 750 mm。武功山巖石主要由花崗巖和片麻巖構(gòu)成，處于亞熱帶紅黃壤區(qū)。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，由于畜牧經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致大面積天然草甸群落遭到近毀滅性的破壞，難以自然恢復(fù)。此外，由于2008年以來每年在武功山舉辦的國際帳篷節(jié)，眾多游客扎營于山地草甸植被之上，對山地草甸也造成了極大程度的破壞。基于以上原因，本研究針對亞熱帶山地草甸生態(tài)系統(tǒng)極端脆弱性、敏感性和人為干擾嚴(yán)重等問題，選取武功山山地草甸未受人為干擾區(qū)為研究對象，開展磷素的空間分布及磷素有效性與土壤酸度相關(guān)性的研究，以期為后續(xù)的退化山地草甸的植被恢復(fù)及可持續(xù)經(jīng)營工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐[18]。

1.2 試驗樣地設(shè)置和樣品采集

2013年5月進(jìn)行樣地設(shè)置和土樣采集。沿山脊線在海拔1 600～1 900 m，每隔50 m間距設(shè)置1個梯度，共7 個梯度(1 600，1 650，1 700，1 750，1 800，1 850 和1 900 m)。在每個梯度上選擇未受人為干擾的草甸隨機(jī)設(shè)置3個10 m的樣方，對每一樣方的土壤分兩層(0～20 cm和20～40 cm)進(jìn)行多點采樣，同層混勻，采集的土壤帶回實驗室。仔細(xì)去除土壤中的石礫和植物殘體(如根、莖和葉)，自然風(fēng)干，磨碎，過篩，保存，共獲得42個土壤樣品供土壤理化性質(zhì)分析用。

1.3 實驗分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

土壤有效磷采用0.03 mol/L NH4F－0.025 mol/L HCl浸提，鉬銻抗比色法測定[19];土壤全磷采用HClO4－H2SO4浸提，鉬銻抗比色法測定;土壤pH采用電位法測定;土壤水解性總酸度采用醋酸鈉－中和滴定法測定[20];土壤交換性酸度采用 1 mol/L KCl交換－中和滴定法測定[19，21]。

應(yīng)用SPSS17.0統(tǒng)計軟件對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布檢驗，用方差分析和Tukey檢驗分析土壤磷素和酸度的空間分布狀況;用Pearson相關(guān)系數(shù)評價土壤有效磷與土壤酸度的相關(guān)性。論文所有數(shù)據(jù)的圖形處理采用Microsoft Excel 2007完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤磷素的分布格局

武功山山地草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤全磷含量和有效磷含量的變異范圍分別為0.46～1.37 g/kg和3.71～17.78 mg/kg(圖1和圖2)。

圖1 不同海拔及不同土層土壤全磷的含量Fig.1 The soil total phosphorus concentration in 0－20 cm and 20－40 cm layers along the different altitudes

圖2 不同海拔及不同土層土壤有效磷的含量Fig.2 The soil available phosphorus concentration in 0－20 cm and 20－40 cm layers along the different altitudes

方差分析結(jié)果顯示，武功山山地草甸0～20 cm與20～40 cm土層土壤全磷及有效磷含量呈垂直分布格局，隨海拔高度的增高而顯著增加。在海拔1 650～1 750 m，土壤全磷及有效磷含量無顯著性差異;在海拔1 800～1 900 m，兩種磷素含量出現(xiàn)顯著差異。同一海拔有效磷及全磷分布具有表聚性，0～20 cm土層土壤全磷及有效磷含量顯著高于20～40 cm土層土壤全磷及有效磷含量。

Pearson相關(guān)性分析表明，土壤全磷及有效磷含量顯著正相關(guān)(r=0.812，0.01＜P＜0.05)，說明了土壤全磷含量的高低在一定程度上影響土壤有效磷的供應(yīng)狀況，這與劉志祥等人[22]對縉云山土壤磷素分布的研究結(jié)果相同。

2.2 磷素有效性與土壤酸度的關(guān)系

2.2.1 土壤活性酸度(pH值)與有效磷的關(guān)系 土壤活性酸度(pH值)表示土壤中活性酸的強度。研究結(jié)果表明(表1)，土壤pH值變幅為4.78～5.37，土壤pH值在不同海拔高度及不同土壤深度下無顯著性差異，且土壤pH值與土壤有效磷含量無顯著相關(guān)性(r=0.003，P＜0.05)。

2.2.2 土壤交換性酸度與土壤有效磷的關(guān)系 交換性酸度是指土壤經(jīng)過中性鹽溶液(KCl)浸提后交換出的交換性氫和交換性鋁的量[20]。

土壤交換性酸度的變幅為9.03～23.66 mmol/kg(圖3)，在0～20 cm，土壤的交換性酸度隨海拔高度的升高而顯著增加，但在20～40 cm，交換性酸度在海拔高度上并沒有顯著差異。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤交換性酸度的含量與土壤有效磷含量具有顯著正相關(guān)性(r=0.850，0.01＜P＜0.05)。

表1 不同海拔及不同土層土壤pH值Tab.1 the soil pH value along different soil depths and altitudes

圖3 不同海拔及不同土層土壤水解性總酸度含量Fig.3 The soil total hydrolytic acidity in 0－20 cm and 20－40 cm layers among the different altitudes

圖4 不同海拔及不同土層土壤交換性酸度含量Fig.4 The soil exchangeable acidity in 0－20 cm and 20－40 cm layers among the different altitudes

2.2.3 土壤水解性總酸度及其與土壤有效磷含量的關(guān)系 研究結(jié)果表明(圖4)，土壤水解性總酸度變幅為19.85～42.13 mmol/kg，在同一海拔高度上，不同土層之間無顯著差異。在0～20 cm，土壤的水解性總酸度在不同海拔高度上無顯著性差異，但在20～40 cm，水解性總酸度是隨著海拔梯度的升高而顯著增加。土壤水解性總酸度代表微酸性和酸性土壤的總酸度，它可以促進(jìn)土壤中的遲效磷源轉(zhuǎn)為速效磷，因而土壤水解性總酸度值也是評價土壤供磷能力的重要的參考數(shù)據(jù)[20]。草甸植被根系深度是影響土壤養(yǎng)分的重要因素[23－24]，武功山山地草甸植被根系深度大多在0～20 cm，可能是由于植物生長期根系會大量吸收水解性總酸所轉(zhuǎn)換的有效磷，導(dǎo)致在0～20 cm土壤水解性總酸度無顯著性差異。Pearson相關(guān)性分析表明，土壤水解性總酸度與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(guān)性(r=0.664，P＜0.01)。

3 結(jié)果與討論

武功山山地草甸土壤全磷及有效磷含量均呈現(xiàn)隨海拔高度的升高而增加的趨勢，且兩種磷素均具有表聚性。有關(guān)土壤磷素分布格局隨海拔高度變化的研究有許多[25]，李惠卓等[26]對太行山脈北端白石山不同類型森林土壤的養(yǎng)分進(jìn)行分析，結(jié)果表明土壤全磷及速效磷含量隨海拔升高而增加。歐勇勝等[27]通過對橫斷山北部生態(tài)脆弱區(qū)土壤磷素的空間分布研究發(fā)現(xiàn)，由于氣候條件、淋溶及植被分布等因素影響，土壤磷素的空間分布具有垂直規(guī)律，表現(xiàn)為全磷及速效磷含量總體上隨海拔的升高而增加。付晶瑩等[28]對廬山土壤養(yǎng)分調(diào)查也發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量隨海拔高度的升高而增加，這與武功山山地草甸土壤全磷及有效磷含量變化趨勢一致。土壤磷素隨海拔高度的升高而變化，可能是由于土壤風(fēng)化程度的不同、低海拔區(qū)與高海拔區(qū)氣候及降雨量差異以及植被分布的差異而造成的。植被分布的差異對磷素分布特別是有效磷的分布狀況有顯著影響。對武功山山地草甸的植被多樣性調(diào)查表明，武功山山地草甸的草甸植被主要有3種:禾草草甸、薹草草甸及雜草草甸。其中，禾草草甸、薹草草甸主要分布于海拔1 450～1 600 m。從1 600～1 900 m主要為雜草草甸，這一區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率大，植物種類豐富，以三脈紫菀為優(yōu)勢種，五節(jié)芒為次優(yōu)勢種，伴生種為臺灣剪股穎、狼尾草、穗狀香薷、一枝黃花、淺圓齒堇菜、薄葉卷柏、朝天委陵菜、馬蘭、過路黃、唐松草等，且海拔越高，物種豐富度越大。而有效磷的含量也是隨海拔高度的升高而逐漸增加，說明植物種群多樣性的增加有利于將土壤非活性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為活性養(yǎng)分供植物吸收利用。這是一種正反饋機(jī)制，同時也說明磷素作為限制性營養(yǎng)因子在植物分布和植物生長中的重要作用。而磷素的表聚性則是由于草甸植被凋落物的歸還，枯草的腐敗等導(dǎo)致土壤表層磷素含量高于下層土壤。

武功山山地草甸土壤pH值呈酸性，且隨海拔高度的增加無顯著變化。交換性酸度和水解性總酸度隨海拔高度的升高而顯著增加。土壤水解性總酸度及交換性酸度與土壤有效磷含量具有顯著相關(guān)性。草甸植物根系分泌物增加了土壤中有機(jī)酸的含量，有機(jī)酸與土壤中的Al、Fe發(fā)生配位反應(yīng)，釋放了與之結(jié)合的磷素，增加了土壤中有效磷的含量。因此，隨海拔高度的增加，土壤水解性總酸度及交換性酸度顯著增加，從而土壤有效磷的含量顯著升高。此外，土壤酸度的變化還可以影響土壤中有機(jī)磷形態(tài)的變化，從而進(jìn)一步影響磷素的有效性[29－31]。武功山地處亞熱帶紅黃壤區(qū)，磷素是該區(qū)域的限制性營養(yǎng)因子[32]，因此對于武功山山地草甸土壤磷素的分布格局及土壤酸度的研究可對指導(dǎo)退化草甸生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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