亞熱帶常綠闊葉林土壤磷素空間分布特征及其影響因素

樊綱惟，項(xiàng)文化，雷丕峰，3，鄒麗梅

土壤是時(shí)空連續(xù)的變異體，受自然因素（母質(zhì)、氣候、生物、地形與時(shí)間）以及人為因素（土地利用、施肥等）的共同作用，具有高度的空間異質(zhì)性，不論在大尺度還是在小尺度上，土壤的空間異質(zhì)性普遍存在[1]。土壤的空間異質(zhì)性影響植物群落的組成、植被的分布和生物量格局[2]。在土壤養(yǎng)分循環(huán)中，磷（P）作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與組成植物體內(nèi)許多重要化合物，是植物體生長(zhǎng)代謝過(guò)程不可缺少的元素[3]。土壤中P的含量受到母質(zhì)、氣候、生物[4]和土壤中的地球化學(xué)過(guò)程[5]等一系列因素的影響，而土壤P含量的變化也影響著包括碳、氮循環(huán)在內(nèi)的其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)[6]。在許多熱帶濕潤(rùn)森林和海岸系統(tǒng)中，微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)受到P的限制，從而使磷素成為整個(gè)系統(tǒng)的限制因子[7]。因此，對(duì)土壤磷素的空間分布及其控制因素的研究顯得十分重要。土壤全P含量的分布格局及其主導(dǎo)影響因素也隨著研究尺度的不同而存在差異。一些研究者認(rèn)為中小尺度磷素空間分布的差異主要受到施肥等因素的影響，結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生的影響相對(duì)較小[8,9]。而在大尺度研究中，多數(shù)研究者認(rèn)為成土母質(zhì)、地貌[10]、土地利用方式和土壤侵蝕[11]是影響土壤磷素分布的主要因素。

常綠闊葉林是中國(guó)亞熱帶地區(qū)最復(fù)雜、生產(chǎn)力較高、生物多樣性最豐富的地帶性植被類(lèi)型之一，對(duì)保護(hù)環(huán)境、維持全球性碳循環(huán)平衡和人類(lèi)持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用[12]。青岡-石櫟群落是我國(guó)亞熱帶低山丘陵區(qū)典型的常綠闊葉林之一，代表著區(qū)域內(nèi)森林群落的演替方向，具有維持區(qū)域生物多樣性和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等生態(tài)功能[13]。研究土壤磷素空間分布與地形特征之間的關(guān)系，對(duì)于常綠闊葉林的保護(hù)、提高森林生產(chǎn)力和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)都具有十分重要的意義。本研究以湘中丘陵區(qū)青岡-石櫟林為對(duì)象，分析土壤磷素的空間異質(zhì)性和引起土壤磷素異質(zhì)性的生態(tài)過(guò)程，探討其空間分布的影響因素，為該區(qū)土壤資源的合理利用和常綠闊葉林的經(jīng)營(yíng)與管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及樣地設(shè)置

研究地選在湖南省長(zhǎng)沙縣大山?jīng)_國(guó)有林場(chǎng)(28°23′58″-28°24′58″N，113°17′46″-113°19′08″E)，該林場(chǎng)地處幕阜山余脈西部邊緣的湘中丘陵地區(qū)，海拔55-217.4 m，屬中亞熱帶東南季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.6-17.6℃，最低氣溫為-11℃，最高氣溫為40℃，年降雨量為1412-1559 mm，土壤為板巖和頁(yè)巖發(fā)育而成紅壤[14]。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，由于人為干擾，原生植被已破壞，經(jīng)過(guò)近幾十年的封山育林，現(xiàn)保存著一定的人工林群落及不同森林類(lèi)型的次生植被[15]。其中青岡-石櫟林是區(qū)內(nèi)保存較完好的常綠闊葉林之一。2013年3月在林場(chǎng)內(nèi)選取了群落結(jié)構(gòu)典型、干擾較小的青岡-石櫟林作為研究樣地，設(shè)置面積為1 hm2（100 m×100 m）的固定樣地，樣地分成100個(gè)10 m×10 m的小樣地，調(diào)查植物組成特征。樣地海拔為71-126 m，坡向?yàn)槲鞅毕颍露葹?2°，土壤pH值為4.18-5.03。

1.2 樣品采集及測(cè)定分析

2013年9-10月期間，在青岡-石櫟林100個(gè)小樣地的中心位置進(jìn)行采樣。如果中心位置有樹(shù)木或大的石塊，采樣點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)移動(dòng)，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度，以及每個(gè)小樣地四個(gè)頂點(diǎn)的海拔高度。按照50 cm×50 cm的面積采集凋落物，在原地用環(huán)刀取腐殖質(zhì)層，用土鉆取0-10 cm，10-20 cm和20-30 cm土層深度的土壤，共采集土樣300個(gè)，腐殖質(zhì)層樣100個(gè)，凋落物100個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重裝袋做好標(biāo)記。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨，分別過(guò)60目篩和100目篩，以備化學(xué)分析。凋落物于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重、稱(chēng)重。土壤全磷測(cè)定用堿熔—鉬銻抗比色法[16]，土壤有效磷P含量采用鹽酸—氟化銨（Bray-1）法，凋落物和腐殖質(zhì)全P含量采用釩鉬黃比色法測(cè)定，土壤pH值采用電極法測(cè)定（水土比2∶1）[17]。

選擇海拔和凹凸度作為地形因子，分析它們對(duì)土壤磷素分布影響。在樣地設(shè)置和群落調(diào)查時(shí)，用羅盤(pán)儀測(cè)定每個(gè)小樣地四個(gè)角的水平坐標(biāo)位置、相對(duì)高度和坡度，根據(jù)1∶1萬(wàn)的地形圖確定樣地原點(diǎn)的海拔，計(jì)算每個(gè)小樣地4個(gè)角的海拔。各采樣點(diǎn)的海拔為小樣地4個(gè)角海拔的平均值，凹凸度為小樣地海拔減去該小樣地相鄰的8個(gè)小樣地海拔的平均值，處于樣地邊緣小樣地的凹凸度為小樣地中心的海拔減去4個(gè)角海拔的平均值，若凹凸度為正值，表明該小樣地海拔比周?chē)鷺臃胶０胃?，即為凸型地形，反之則低，為凹型地形[18]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分析在SPSS 17.0軟件系統(tǒng)進(jìn)行，利用K-S檢驗(yàn)對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不能滿(mǎn)足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，用算術(shù)平方根或?qū)?shù)轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。在MATLAB 7.1平臺(tái)上，基于三次樣條插值法對(duì)土壤全P含量和有效P含量進(jìn)行空間插值，得到青岡-石櫟林土壤磷素的空間分布特征圖。用回歸分析法對(duì)0-30 cm土壤全P和有效P分別與海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖質(zhì)層全P含量進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 青岡-石櫟林土壤性質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征及正態(tài)性檢驗(yàn)

土壤全P含量的均值為0.260 g/kg（表1），接近浙江天童常綠闊葉林土壤全P含量（0.26 g/kg）[19]和廣東鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤全P含量（0.258±0.011 g/kg）[20]，低于湘南紫色丘陵耕作區(qū)土壤全P含量（0.5-0.8 g/kg）[21]，明顯低于全國(guó)土壤全P含量（0.60 g/kg）。0-30 cm層土壤有效P含量均值為3.59mg/kg，高于中國(guó)土壤有效磷（3.40mg/kg）[22]，略低于廣東鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤有效P含量（4.22±0.16 mg/kg）[20]。

一般認(rèn)為，變異系數(shù)（CV）<0.1為弱變異性，0.11.0為強(qiáng)變異性[23,24]，從表中可以看出，0-30 cm層土壤全P和有效P含量的變異系數(shù)分別為16.35%和22.06%，均達(dá)到了中等強(qiáng)度變異。單一樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，凋落物層全P含量、腐殖質(zhì)層全P含量和0-30 cm土壤全P含量均符合正態(tài)分布，0-30 cm土壤有效P含量經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布（表1）。

表1 全P和有效P含量的統(tǒng)計(jì)特征（n＝100）

2.2 土壤全P與有效P含量空間分布

土壤磷素含量的空間分布受多種因素的影響。土壤全P含量在1 hm2的研究樣地內(nèi)隨地形變化規(guī)律較為明顯，分布格局以條帶狀的梯度變化為主（圖1），低值出現(xiàn)在中間山脊地帶，含量基本低于0.270 g/kg。高值出現(xiàn)在兩邊海拔較低的溝谷洼地；土壤有效P含量在整個(gè)研究樣地內(nèi)呈斑塊狀分布，高值區(qū)位于部分低洼處，沒(méi)有明顯隨地形變化的趨勢(shì)。說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)相對(duì)土壤有效P而言，土壤全P含量空間分布受地形因子的影響較大。

圖1 青岡-石櫟常綠闊葉林土壤全P（左）和有效P（右）含量的空間分布格局

2.3 土壤全P和有效P含量的影響因素

相關(guān)分析結(jié)果表明土壤全P含量受到相對(duì)高差和凹凸度的影響，土壤有效P含量受凋落物生物量和腐殖質(zhì)層全P含量的影響，土壤全P、有效P含量與凋落物全P含量的相關(guān)性不顯著（p>0.05）。根據(jù)該結(jié)果，我們進(jìn)一步對(duì)海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖質(zhì)層全P含量與土壤全P和有效P含量進(jìn)行一元回歸分析，研究土壤磷素含量分布隨影響因子的變化趨勢(shì)。

（1）海拔。0-30 cm土壤全P和海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖2），相關(guān)系數(shù)為-0.499（p<0.01）。這與秦松對(duì)西南丘陵的研究結(jié)果略有不同[25]，其結(jié)果表現(xiàn)為磷素分布隨著海拔的升高而增加，原因可能是西南丘陵區(qū)的海拔在310 m以上，高海拔處氣溫越低，蒸發(fā)量小且濕度大，有機(jī)質(zhì)分解慢，有利于養(yǎng)分富集。本研究區(qū)海拔小于130 m，溫度濕度的影響較小，而降水、地表徑流會(huì)加快磷元素淋溶，導(dǎo)致上層土壤全磷含量降低[26]，磷素向低地聚集，表現(xiàn)出全P含量隨海拔增加而降低。0-30 cm土壤有效P含量與海拔無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，這與Soethe等[27]對(duì)熱帶森林的研究結(jié)果相一致。

圖2 全P含量與海拔的關(guān)系

（2）凹凸度。0-30 cm土壤全P含量和凹凸度呈負(fù)相關(guān)（圖3），相關(guān)系數(shù)為-0.261（p<0.01），達(dá)極顯著水平。土壤有效P含量與凹凸度無(wú)顯著相關(guān)性。土壤全P的空間變異受凹凸度影響較大，同海拔范圍內(nèi)，低地溝谷的全磷含量要明顯高于坡面和山脊[28]，這可能是因?yàn)槲挥诟吆０翁幍耐寥辣挥晁疀_刷下來(lái)沉積在低洼處土壤表層，導(dǎo)致養(yǎng)分在土壤表層的逐漸累積，因此溝谷土壤全P含量較高。

圖3 全P含量與凹凸度的關(guān)系

（3）凋落物生物量。0-30 cm土壤全P與凋落物生物量的相關(guān)系數(shù)為0.064，但未達(dá)到顯著水平，表明自然土壤中的磷素主要來(lái)源于成土母質(zhì)，其空間格局在大尺度上主要受土壤類(lèi)型和氣候條件的影響[10]。0-30 cm土壤有效P含量均值與凋落物生物量呈正相關(guān)（圖4），相關(guān)系數(shù)為0.263（p<0.01），達(dá)極顯著水平，這與劉文杰等[22]在研究中提出有效磷含量主要受凋落物分解的影響的觀點(diǎn)相符合。因此，增加該區(qū)域凋落物的累積量有利于提高有效P的含量。

圖4 有效P含量與凋落物生物量的關(guān)系

（4）腐殖質(zhì)層全P含量。土壤全P含量與腐殖質(zhì)層全P含量無(wú)顯著性相關(guān)性。土壤有效P和腐殖質(zhì)全P含量具有顯著正相關(guān)（R＝0.238，p＝0.017），說(shuō)明腐殖質(zhì)層對(duì)土壤有效P具有供應(yīng)和保持的作用。腐殖質(zhì)層主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w的分解，其含量的大小與土壤磷素的積累緊密相關(guān)。在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中，由于P循環(huán)在系統(tǒng)內(nèi)部的局限性，植物歸還土壤的磷是有效磷的重要來(lái)源[29]。

3 結(jié)論

青岡-石櫟常綠闊葉林中土壤（0-30 cm）全P和有效P含量的變化范圍分別為0.200-0.402 g/kg和2.22-6.74 mg/kg，變異系數(shù)分別為16.35%和22.06%，均到達(dá)了中等強(qiáng)度變異。土壤全P含量呈條帶狀的空間分布格局，山脊含量低，溝谷含量高；土壤有效P含量則呈斑塊狀分布，沒(méi)有明顯隨地形變化的趨勢(shì)。土壤磷素空間分布格局與地形、凋落物量有關(guān)，其中土壤全P含量與海拔、凹凸度呈極顯著負(fù)相關(guān)，而有效P含量受地形因子的影響較小，與凋落物生物量、腐殖質(zhì)層全P含量呈顯著正相關(guān)?？梢?jiàn)，凋落物量對(duì)林地土壤有效P含量影響較大，通過(guò)封山育林和保護(hù)林下凋落物，有利于提高林地土壤有效P含量和森林生產(chǎn)力。

土壤磷素含量受到成土母質(zhì)、地貌、氣候、土地利用方式等諸多因素的影響，不同尺度的研究范圍內(nèi)，其主導(dǎo)影響因素也存在差異。本研究中分析了凋落物、腐殖質(zhì)、相對(duì)高差和凹凸度對(duì)土壤磷素含量的影響，但土壤母質(zhì)、地上植物種類(lèi)以及土壤機(jī)械組成對(duì)土壤磷素含量的影響有待進(jìn)一步研究。

[1]Huggett R J.Soil chronosequences,soil development,and soil evolution:acritical review[J].Catena,1998,32(3):155-172.

[2]Kleb HR,Wilson SD.Vegetation effectsonsoil resourceheterogeneity in prairie and forest[J].The American Naturalist,1997,150(3):283-298.

[3]胡靄堂.植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1995：148-531.

[4]Stewart J W B,Tiessen H.Dynamics of soil organic phosphorus[J].Biogeochemistry,1987,4(1):41-60.

[5]Cross A F,Schlesinger WH.A literaturereview and evaluation of the Hedley fractionation:Applications to thebiogeochemical cycle of soil phosphorusin natural ecosystems[J].Geoderma,1995,64(3):197-214.

[6]Bronson K F,Zobeck TM,Chua TT,et al.Carbon and nitrogen pools of southern high plains cropland and grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal,2004,68(5):1695-1704.

[7]Sundareshwar P V,Morris J T,Koepfler E K,et al.Phosphorus limitation of coastal ecosystem processes[J].Science,2003,299:563-565.

[8]張世熔,黃元仿,李保國(guó),等.黃淮海沖積平原區(qū)土壤有效磷、鉀的時(shí)空變異特征[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2003,9(1):3-8.

[9]黃紹文,金繼運(yùn),楊俐蘋(píng),等.鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級(jí)區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異與分區(qū)管理技術(shù)研究[J].資源科學(xué),2002,24(2):76-82.

[10]Achim D,Thomas G,Niels T.Phosphorus fertilizer effect s on Soil Phosphorus Pools in Acid Upland Soils[J].Soil Science Society of America Journal,2002,66(2):652-660.

[11]John NQ,John A C,Hess MT.The Selective Removal of Phosphorus from Soil:Is Event Size important?[J].Journal of Environmental Quality,2001,30(2):538-545.

[12]湯孟平,周?chē)?guó)模,施擁軍,等.天目山常綠闊葉林優(yōu)勢(shì)種群及其空間分布格局[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2006,30(5):743-752.

[13]祁承經(jīng),喻勛林.湖南種子植物總覽[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[14]鄧杰,鄧湘雯,黃志宏,等.4種典型亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季地表N2O通量特征[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(13):6-13.

[15]路翔,項(xiàng)文化,任輝,等.中亞熱帶四種森林凋落物及碳氮貯量比較[J].生態(tài)學(xué)雜志,2012,31(9):2234-2240.

[16]國(guó)家林業(yè)局.森林土壤全磷的測(cè)定[S].中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),（LY/T 1232-1999）：森林土壤分析方法.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000，p87-90.

[17]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[18]Renato V,Robin B.F,Gorky V,et al.Treespeciesdistributionsand local habitat variation in the Amazon:large forest plot in eastern Ecuador[J].Journal of Ecology,2004,92(2):214-229.

[19]張娜,王希華,鄭澤梅,等.浙江天童常綠闊葉林土壤的空間異質(zhì)性及其與地形的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23(9):2361-2369.

[20]莫江明，鼎湖山退化馬尾松林、混交林和季風(fēng)常綠闊葉林土壤全磷和有效磷的比較[J].廣西植物，2005，25(2):186-192.

[21]廖超林,劉杰,張楊珠,等.湘南紫色丘陵耕作區(qū)土壤肥力質(zhì)量空間變異研究[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2012,33(4):502-507.

[22]劉文杰,陳生云,胡鳳祖,等.疏勒河上游土壤磷和鉀的分布及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(17):5429-5437.

[23]呂靜,常慶瑞.土石山地耕地土壤養(yǎng)分空間分布特征研究——以陜西隴縣為例[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究.2012,33(1):113-116.

[24]魏彥昌,歐陽(yáng)志云,苗洪,等.尖峰嶺自然保護(hù)區(qū)土壤性質(zhì)空間異質(zhì)性[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(2):197-203.

[25]秦松,樊燕,劉洪斌,等.地形因子與土壤養(yǎng)分空間分布的相關(guān)性研究[J].水土保持研究,2008,15(1):46-52.

[26]Jiao J G,Ellis E C,Yesilonis I,et al.Distributions of soil phosphorus in China’s densely populated village landscapes[J].Journal of Soilsand Sediments,2010,10(3):461-472.

[27]Soethe N,Lehmann J,Engels C.Nutrient availability at different altitudes in a tropical montane forest in Ecuador[J].Journal of Tropical Ecology,2008,24(4):397-406.

[28]張娜,王希華,鄭澤梅,等.浙江天童常綠闊葉林土壤的空間異質(zhì)性及其與地形的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23(9):2361-2369.

[29]趙瓊,曾德慧.陸地生態(tài)系統(tǒng)磷素循環(huán)及其影響因素[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2005,29(1):153-163.