廣西大明山格木天然林土壤化學(xué)性質(zhì)的垂直變化

趙志剛 ，秦旭東 ，韋鵬 ，郭俊杰 ，曾杰 ，徐建民

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東廣州510520； 2. 廣西林業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣西南寧530011； 3. 廣西大明山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，廣西武鳴530115）

廣西大明山格木天然林土壤化學(xué)性質(zhì)的垂直變化

趙志剛1，秦旭東2，韋鵬3，郭俊杰1，曾杰1，徐建民1

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東廣州510520； 2. 廣西林業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣西南寧530011； 3. 廣西大明山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，廣西武鳴530115）

格木 Erythrophleum fordii屬國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物，亦是我國(guó)熱帶、南亞熱帶地區(qū)一個(gè)重要的珍貴用材樹種。本研究以我國(guó)天然分布海拔跨度最大的廣西大明山格木天然林為對(duì)象，分析其土壤化學(xué)性質(zhì)隨海拔梯度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：土壤pH值隨土層深度的增加而上升，隨海拔上升而下降，交換性酸和交換性鋁含量的變化規(guī)律則與pH值相反，中、上層交換性酸含量在海拔間差異顯著（P＜0.05），且與海拔極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；上層（0～20 cm）土壤的pH值、交換性H+和交換性Al3+含量均與海拔相關(guān)極顯著。土壤養(yǎng)分含量基本上隨土層加深而下降，其土層間的差異隨海拔升高呈增大的趨勢(shì)。土壤綜合肥力隨海拔升高而增加，與海拔呈極顯著正相關(guān)，且與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)顯著。研究為格木天然資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

格木天然林；土壤化學(xué)性質(zhì)；海拔；干擾；廣西大明山

土壤性質(zhì)的海拔梯度變化在植被研究中經(jīng)常被采用[1]，其對(duì)環(huán)境因子具有再分配的作用，如溫度、光照、濕度、降水等均與海拔關(guān)系密切，隨海拔升高，氣溫和土溫下降，降水增加[2]，這些環(huán)境因子變化會(huì)對(duì)土壤微生物活性[3]、有機(jī)質(zhì)分解、營(yíng)養(yǎng)元素的活化及淋溶產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用，導(dǎo)致土壤物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一系列變化。土壤性質(zhì)隨海拔的變化影響著植被的垂直分布[4]，亦影響植物的生長(zhǎng)和群落發(fā)育[5]、適應(yīng)性以及種間競(jìng)爭(zhēng)等[6]。

相對(duì)而言，珍稀瀕危植物一般具有特殊生境需求，如土壤、水分等，這也就導(dǎo)致其分布大多具有局限性[7]，特殊性和局限性導(dǎo)致其對(duì)干擾的抵抗能力低，原有群落和環(huán)境條件破壞后種群難以更新和恢復(fù)，從而加劇其瀕危的狀態(tài)。因此，對(duì)珍稀瀕危樹種的保護(hù)應(yīng)立足于對(duì)其生態(tài)需求特殊性進(jìn)行針對(duì)性研究，其中土壤性質(zhì)變化是小尺度研究的重要內(nèi)容之一。

格木Erythrophleum fordii是國(guó)家二級(jí)瀕危保護(hù)樹種，因其木材珍貴而產(chǎn)生的高額利潤(rùn)驅(qū)動(dòng)以及土地利用方式改變等，導(dǎo)致其天然資源遭受嚴(yán)重破壞[8-9]，嚴(yán)重的人為干擾亦可導(dǎo)致其土壤退化[2]。研究其天然林土壤化學(xué)性質(zhì)，有助于增進(jìn)對(duì)于格木生境需求以及土壤退化狀況的了解。然而，目前關(guān)于格木天然林土壤方面的研究尚未見報(bào)道。格木在我國(guó)的海拔分布范圍多在100 m以下，僅廣西大明山格木群體是我國(guó)海拔分布高且跨度大，其分布海拔高達(dá)600 m[9]，是研究格木天然林土壤性質(zhì)隨海拔梯度變化規(guī)律的理想場(chǎng)所。本研究即以此格木天然林為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析不同海拔格木天然林土壤化學(xué)性質(zhì)的變化特征，旨在為格木天然林保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于廣西武鳴縣兩江鎮(zhèn)太陽(yáng)山 (108°22′E，23°28′N)，地處廣西大明山南緣，氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均溫21.7℃，積溫7 426.1℃，年均降水量1 489.0 mm，年均相對(duì)濕度78%，無(wú)霜期337 d，土壤類型以赤紅壤為主。其地帶性植被為季風(fēng)常綠闊葉林，該格木種群為我國(guó)格木垂直分布最高的天然種群，海拔范圍在200～600 m[9]，格木在坡中、上部群落的喬木層中優(yōu)勢(shì)地位明顯，下部格木則以零星分布為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與土樣采集

該區(qū)域格木天然林曾經(jīng)遭受嚴(yán)重破壞，下坡尤為嚴(yán)重，中上坡干擾程度相對(duì)較輕。在同一坡面 (西南坡 ) 自 310 m 海拔開始，每隔 50 m 設(shè)置1個(gè)40 m×40 m典型樣地，共5個(gè)樣地。樣地Ⅰ(310 m)為灌叢，格木零星分布；樣地Ⅱ(360 m)為以先鋒樹種藜蒴占優(yōu)勢(shì)的喬木群落，格木零星分布；樣地Ⅲ (410 m)、Ⅳ (460 m) 和Ⅴ (510 m) 均為以格木占優(yōu)的喬木群落。樣地設(shè)置基本上反映植被類型和格木垂直分布特點(diǎn)。

按照5點(diǎn)法采集土壤樣品，在40 m×40 m樣地范圍內(nèi)的四角和中心各挖1個(gè)土壤剖面，剝除枯落物及腐殖質(zhì)，按照0～20 cm、20～40 cm、40～ 60 cm 3個(gè)層次進(jìn)行取樣。

1.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定均遵照森林土壤行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。pH值的測(cè)定采用電位法(土∶水=1∶2.5)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化——外加熱法，全氮采用凱氏消煮—擴(kuò)散法，速效氮的測(cè)定采用堿解—擴(kuò)散法，全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法，速效磷采用H2SO4浸提法，全鉀采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法，交換性酸度和交換性鋁離子采用氯化鉀交換-中和滴定法。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用主成分分析法計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)，先將指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，然后計(jì)算主成分載荷值，根據(jù)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則選取特征值，確定主成分表達(dá)式并計(jì)算綜合得分[10-12]。應(yīng)用SPSS 11.5軟件對(duì)土層間和海拔間土壤化學(xué)性質(zhì)的各指標(biāo)進(jìn)行方差分析、Duncan多重比較，分析表層土壤化學(xué)性質(zhì)和海拔間的相關(guān)性 (采用Pearson 系數(shù) )。

2 結(jié)果與分析

2.1 土層間土壤化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律

廣西大明山格木天然林土壤呈酸性，其pH值平均為 4.17 (±0.11)。由圖 1 可以看出， pH 值隨土層深度增加呈上升趨勢(shì)，其均值由表層的4.11 (±0.10) 增至下層的 4.23 (±0.12)，但土層間差異不顯著(P＞0.05)；與之相反的是，交換性H+和交換性Al3+含量隨土層深度增加呈下降趨勢(shì)，其表層含量約為下層的1.4～1.5倍左右，說(shuō)明表層土壤酸化程度高，而且坡中、上部的3個(gè)樣地土層間差異達(dá)顯著 (P＜0.05) 或極顯著水平 (P＜0.01)，下部?jī)蓚€(gè)樣地在層次間差異不顯著。

各海拔格木天然林內(nèi)的土壤有機(jī)質(zhì)含量在層次間差異均極顯著，且隨著土層深度的增加呈下降趨勢(shì) (圖2)，而且下降幅度較大，表層平均有機(jī)質(zhì)含量約為下層的4.2倍。土壤氮、磷、鉀全量和速效部分等指標(biāo)中，除全鉀含量隨土層深度增加呈上升趨勢(shì)外，其余指標(biāo)均隨之下降 (圖2)，而且各海拔土壤全氮、速效氮和速效磷含量在層次間均差異極顯著，全鉀含量均差異不顯著，全磷和速效鉀含量?jī)H在中、上部3個(gè)海拔樣地的土層間差異顯著，在下部樣地差異不顯著。從變化幅度來(lái)看，表層土壤全氮、全磷含量分別為下層的2.1倍和1.2倍；表層土壤的速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為下層的3.2倍、3.7倍和1.3倍?？傮w來(lái)看，土壤養(yǎng)分含量隨土層深度增加而降低，速效養(yǎng)分在土層間的變化幅度高于全量。

圖1 格木天然林土壤pH值、交換性H+、交換性Al3+和有機(jī)質(zhì)沿海拔變化趨勢(shì)Fig. 1 Change trends of soil acidity and organic matter with altitude in natural forests of E. fordii

圖2 不同層次土壤氮磷鉀含量隨海拔的變化趨勢(shì)Fig. 2 Change trends of total and available NPK contents in three soil layers with altitude in natural forests of E.fordii

2.2 海拔間土壤化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律

由圖1 可以看出，土壤pH值隨海拔升高呈下降趨勢(shì)，交換性H+和交換性Al3+含量隨海拔升高則呈上升趨勢(shì)，各層土壤的pH值和交換性Al3+含量在海拔間差異均不顯著，表層和中層土壤的交換性H+在海拔間差異分別達(dá)到極顯著 (P＜0.01) 和顯著 (P ＜ 0.05) 水平。

土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著海拔上升呈現(xiàn)增加趨勢(shì) （圖1），但僅下層土壤有機(jī)質(zhì)含量在海拔間差異顯著。表層土壤僅全鉀含量在海拔間差異極顯著，下坡含量最高。從圖2可以看出，中、下層土壤全氮、全磷和全鉀含量在海拔間均達(dá)到顯著或極顯著水平，表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢(shì)，總體來(lái)看下坡高于上坡。速效氮含量隨海拔上升呈增加趨勢(shì)，但僅下層土壤在海拔間差異極顯著。速效磷含量隨海拔上升先增加然后下降，且中下層土壤在海拔間差異極顯著，各層土壤的速效鉀含量在海拔間差異均不顯著。

土壤養(yǎng)分含量隨海拔的變化趨勢(shì)比較復(fù)雜，因此，通過(guò)土壤綜合肥力來(lái)對(duì)比分析土壤質(zhì)量的垂直變化。由圖3可以看出，土壤綜合肥力指數(shù)隨海拔上升呈升高趨勢(shì)，下坡灌叢群落最低，上部格木喬木群落最高。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)與海拔的相關(guān)性分析

一般而言，表層土壤的養(yǎng)分循環(huán)較快，其養(yǎng)分與植被間關(guān)系也較為密切，更能夠反映森林土壤的特點(diǎn)[13]，因此，根據(jù)各海拔表層 (0～20 cm) 土壤的化學(xué)性質(zhì)，分析土壤綜合肥力以及土壤化學(xué)性質(zhì)與海拔間的相關(guān)性。

圖3 土壤綜合肥力指數(shù)隨海拔的變化趨勢(shì)Fig. 3 Change trends of integrated soil fertility index with altitude

由表1可知，土壤pH值與海拔極顯著負(fù)相關(guān) (P＜0.01)，即其隨海拔上升而下降。交換性H+和交換性Al3+含量與海拔呈顯著 (P＜0.05)或極顯著正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)含量和土壤綜合肥力指數(shù)與海拔顯著正相關(guān)，其他指標(biāo)與海拔相關(guān)不顯著。土壤綜合肥力與有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)，與pH值極顯著負(fù)相關(guān)，與其余養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)不顯著。

表1 格木林地表層土壤 (0～20 cm) 化學(xué)性質(zhì)與海拔間的相關(guān)性分析?Table 1 Correlations between altitude and chemical characteristics of top-layer soil (0～20 cm) in natural forests of E. fordii

3 討 論

在本研究中，格木天然林土壤pH值隨著土層深度增加而升高，隨著海拔上升而下降，但其差異均不顯著。交換性H+和交換性Al3+含量隨海拔升高呈上升趨勢(shì)，而且土層間差異隨海拔上升呈增加趨勢(shì)，與以往研究基本一致[14-17]。各養(yǎng)分含量隨海拔的變化趨勢(shì)有所不同，有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量隨海拔升高而增加，全磷和全鉀含量則先下降后上升，速效磷含量則先上升后下降，速效鉀含量則沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。由此可見，不同養(yǎng)分隨海拔的變化規(guī)律較為復(fù)雜，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能與不同海拔植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用及養(yǎng)分循環(huán)的影響存在差異有關(guān)[18-19]。相關(guān)分析顯示，養(yǎng)分指標(biāo)中僅土壤有機(jī)質(zhì)含量與海拔顯著正相關(guān) (P＜0.01)。有機(jī)質(zhì)的這種垂直變化與環(huán)境因子的垂直變化關(guān)系密切，隨海拔升高降水增加，溫度下降，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)礦化速度下降，有機(jī)質(zhì)含量增加[18-20]。土壤綜合肥力指數(shù)與海拔表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系 (P＜0.05)，而且在各養(yǎng)分指標(biāo)中其僅與土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力影響最大[2]。

如前所述，土壤化學(xué)性質(zhì)垂直變化除了受海拔影響外，也與植被類型差異有關(guān)。隨著海拔升高，植被類型依次為灌叢群落 (樣地Ⅰ) 、以先鋒樹種藜蒴為主的喬木群落 (樣地Ⅱ)以及以格木占優(yōu)勢(shì)的喬木群落 (樣地Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)。通過(guò)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶訪談得知，在調(diào)查的海拔范圍內(nèi)，以前均為格木占優(yōu)的喬木群落，受人類活動(dòng)范圍和強(qiáng)度日益增加的影響，尤其是低海拔人為干擾強(qiáng)度大，植被遭受破壞的程度隨著海拔的升高而減輕。這種影響在本研究中亦得到體現(xiàn)，從下坡到中坡土壤化學(xué)性質(zhì)的變化主要是嚴(yán)重人為干擾后不同恢復(fù)程度植被類型的差異有關(guān)[18-19]，從中坡向上群落類型基本一致，但格木優(yōu)勢(shì)度存在差異，樣地Ⅳ的土壤綜合肥力指數(shù)低于樣地Ⅴ和樣地Ⅲ，可能與干擾導(dǎo)致的群落組成和結(jié)構(gòu)差異有關(guān)[18-20]，樣地Ⅳ內(nèi)格木占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其林分結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，林下植被明顯偏少，土壤理化特征和植被的關(guān)系將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Vertical variation of soil chemical properties in natural forests of Erythrophleum fordii in Damingshan Moutain, Guangxi

ZHAO Zhi-gang1, QΙN Xu-dong2, WEΙ Peng3, GUO Jun-jie1, ZENG Jie1, XU Jian-ming1
(1. Research Ιnstitute of Tropical Forestry, CAF, Guangzhou 510520, Guangdong, China; 2. Guangxi Forestry Ιnventory & Planning Ιnstitute, Nanning 530011, Guangxi, China; 3. Administration of Damingshan Nature Reserve, Wuming 530115, Guangxi, China)

Erythrophleum fordii is one of national second key protected tree species, and is an important valuable timber species in tropical and warm subtropical zones of China. The soil chemical properties in the natural forests of E. fordii were investigated in Danigshan Mountain where the altitude span of its natural distribution was the largest, and the effects of altitude on soil chemical properties were analyzed. The results showed that the soil pH value increased as the soil depth increased, and decreased as the altitude rose, while the contents of exchangeable H+and Al3+changed in contrast to pH value, the contents of exchangeable H+of top-layer (0～20cm) and middle-layer (20～40cm) soils were in signif i cant difference among the altitudes, and were correlated signif i cantly with the altitudes; the pH value, contents of exchangeable H+and Al3+of top-layer soil were all remarkably correlated with the altitudes; the soil nutrient content was basically decreased with the depth, the difference between layers increased with the increase of altitude; the soil organic matter and integrated soil fertility index was in closely signif i cant and positive correlation with the altitude, and other soil chemical properties mostly decreased initially and then increased with increase of altitude, which were not signif i cantly correlated with altitude. The f i ndings can provide some evidences for further protection of E. fordii.

national forest of Erythrophleum fordii; soil chemical properties; altitudes; artif i cial disturbance; Damingshan Mountain

S714.5

A

1673-923X(2013)12-0101-05

2013-05-17

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題 (201204301-2)、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(RΙTFKYYW2010-05)資助

趙志剛（1979-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，助理研究員，從事森林培育與森林生態(tài)研究

曾 杰（1969-），男，湖南邵東人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事森林培育與生態(tài)遺傳研究；

E-mail：zengjie69@163.com

[本文編校：吳 彬 ]