武功山草甸土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)退化的響應(yīng)

趙自穩(wěn)， 張文元， 潛偉平， 劉宇新， 胡耀文， 彭輝武， 郭曉敏*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 江西 南昌 330045； 2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330045； 3.萍鄉(xiāng)市林業(yè)科學(xué)研究所, 江西 萍鄉(xiāng)337000)

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武功山草甸土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)退化的響應(yīng)

趙自穩(wěn)1,2， 張文元1,2， 潛偉平3， 劉宇新1， 胡耀文1,2， 彭輝武3， 郭曉敏1,2*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 江西 南昌 330045； 2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330045； 3.萍鄉(xiāng)市林業(yè)科學(xué)研究所, 江西 萍鄉(xiāng)337000)

為給退化山地草甸的恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，以江西省武功山山地草甸為研究對(duì)象，分析生態(tài)系統(tǒng)退化對(duì)其土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，及各指標(biāo)間的相互關(guān)系。結(jié)果表明：在研究區(qū)域內(nèi)，武功山草甸退化使其土壤陽(yáng)離子交換量下降，說(shuō)明草甸退化使土壤保肥能力明顯降低；退化使土壤交換性酸含量以及各土壤養(yǎng)分含量均呈下降趨勢(shì)；退化使土壤陽(yáng)離子交換量與全氮、堿解氮間的相關(guān)性減弱，土壤pH與氮素由不相關(guān)變?yōu)闃O顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.733，P<0.01)，與速效鉀由顯著負(fù)相關(guān)變?yōu)椴幌嚓P(guān)(P>0.05)。

退化草甸； 土壤化學(xué)性質(zhì)； 海拔； 生態(tài)系統(tǒng)； 江西省武功山

武功山位于羅霄山脈北段，江西安福、宜春、萍鄉(xiāng)三地交界處(114°10′～114°17′E，27°25′～27°35′N)，總面積260余km2。年均溫約為14～16℃，年降雨量1 350～1 750 mm，主峰白鶴峰海拔1 918.3 m。草甸區(qū)域主要分布在海拔1 600～1 900 m，有禾本科的野古草(ArudinellahirtaTanaka)、芒類(Miscanthusspp.)、冬茅(Imperataspp.)等。近年來(lái)，武功山國(guó)際帳篷節(jié)吸引了大量的游客登山和宿營(yíng)，但隨著旅游規(guī)模的擴(kuò)大和游客游程范圍的延伸，游客的任意踐踏以及廢棄物的排放，導(dǎo)致綿延約4 000 hm2的山地草甸逐漸破碎化。對(duì)武功山草甸退化區(qū)的研究與生態(tài)修復(fù)已成為保護(hù)武功山自然保護(hù)區(qū)的首要任務(wù)。目前，關(guān)于武功山土壤養(yǎng)分的研究，僅有趙曉蕊等[1-2]對(duì)武功山山地草甸土壤磷素的研究。草地退化的核心問(wèn)題是土壤退化[3]，具有一定的滯后性、緩沖性及復(fù)雜性，對(duì)退化草甸土壤化學(xué)性質(zhì)的研究既有助于揭示退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中的作用機(jī)理，又可指導(dǎo)草甸退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)[4-5]。因此，筆者針對(duì)武功山草甸生態(tài)系統(tǒng)人為干擾嚴(yán)重而導(dǎo)致草甸退化的問(wèn)題，分別選取武功山未退化和退化的山地草甸土壤為研究對(duì)象，進(jìn)行土壤養(yǎng)分研究，以期為退化山地草甸的恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地設(shè)置和樣品采集

2014年6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100 m設(shè)置1個(gè)梯度，共4個(gè)梯度。目前，在我國(guó)關(guān)于草地退化的分級(jí)還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為減小誤差，對(duì)比鮮明，筆者選擇未退化的草甸區(qū)(CK)和退化草甸區(qū)(TH)，按照CK植被蓋度>90%，TH植被蓋度<10%進(jìn)行取樣，分別隨機(jī)設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的樣方，對(duì)每一樣方的土壤在草本根系集中的0～20 cm土層進(jìn)行多點(diǎn)采樣，混和均勻，采集的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，去除土壤中的植物殘?bào)w和砂礫，然后風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩、保存，供土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)采用乙二胺四乙酸—乙酸銨交換—?jiǎng)P氏定氮儀測(cè)定，交換性酸(EA)采用1 mol/L氯化鉀交換—中和滴定法，土壤有機(jī)碳(OC)采用重鉻酸鉀—濃硫酸消煮法測(cè)定，土壤全氮(TN)采用FOSS 8400凱氏定氮儀測(cè)定，土壤pH值采用電位法測(cè)定，土壤堿解氮(AN)采用堿解蒸餾法測(cè)定，土壤有效磷(AP)采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤速效鉀(AK)采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布狀況進(jìn)行單因素方差分析和Tukey多重檢驗(yàn)分析，其相關(guān)性利用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，所有數(shù)據(jù)均利用SPSS17.0軟件進(jìn)行分析，所有圖形利用Excle 2007繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤陽(yáng)離子交換量

自然條件下的土壤膠體具有凈負(fù)電荷，可以吸附、交換土壤中的陽(yáng)離子，以此反映土壤的營(yíng)養(yǎng)肥力和緩沖能力[6]，因此，土壤CEC是進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和管理以及土壤特性研究的重要指標(biāo)[7-10]。武功山未退化的草甸區(qū)(CK)和退化草甸區(qū)(TH)草甸土壤CEC的變異范圍分別為17.47～25.14 cmol/kg和9.99～13.91 cmol/kg(圖版)。在研究區(qū)域內(nèi)，武功山草甸的退化使得其土壤陽(yáng)離子交換量下降，且差異顯著，說(shuō)明草甸退化使土壤保肥能力明顯降低。CK和TH草甸土壤CEC均隨海拔升高有增加趨勢(shì)，但除TH草甸土壤在海拔1 700 m顯著較低外，其余差異均不顯著。

2.2 土壤酸度

土壤酸度對(duì)其地上植被的生長(zhǎng)起著重要的作用，不但影響土壤中微生物的活性，也可以直接作用于土壤的養(yǎng)分循環(huán)，影響?zhàn)B分對(duì)植物的有效性[11]。武功山CK和TH草甸土壤：EA含量的變異范圍分別為12.48～21.27 mmol/kg和7.09～10.49 mmol/kg(圖版)，pH值的變異范圍分別為4.80～4.88和4.34～4.79。在研究區(qū)域內(nèi)，武功山草甸退化使其土壤交換性酸含量下降，除海拔1 700 m外，均呈顯著差異，而退化對(duì)土壤pH的影響僅表現(xiàn)在1 600 m和1 900 m處。另外，CK和TH草甸土壤EA含量和CK草甸土壤pH值均隨著海拔升高無(wú)顯著變化，但TH草甸土壤pH值在海拔1 600 m和1 900 m處顯著較低，這可能是因?yàn)樵诤０? 900 m及山頂附近，雨水可以直接沖刷裸露的地表土壤，而

注：不同大寫字母表示CK和TH草甸在同一海拔間土壤養(yǎng)分指標(biāo)差異顯著(P>0.05)，不同小寫字母表示CK或TH草甸在不同海拔間土壤養(yǎng)分指標(biāo)差異顯著(P<0.05)(下同)。

Note: Different capital letters mean difference significance of soil nutrition indexes between CK and TH meadow at the same altitude at 0.05 level. Different lowercase letters mean difference significance of soil nutrition indexes between CK and TH meadow at different altitude at 0.05 level. The same below.

圖版 不同海拔CK和TH草甸土壤養(yǎng)分指標(biāo)

Fig. Soil nutrition indexes of CK and TH meadow at different altitude

在海拔1 600 m左右易形成匯水區(qū)，是高山草甸與高山矮林灌叢的交界處，因此退化土壤的pH值明顯較低。

2.3 土壤速效養(yǎng)分

由圖版可知，武功山CK和TH草甸土壤AN含量的變異范圍分別為472.44～762.14 mg/kg和378.12～488.19 mg/kg，AP含量為13.67～17.78 mg/kg和8.05～11.82 mg/kg，AK含量為33.54～44.34 mg/kg和22.73～32.60 mg/kg。在研究區(qū)域內(nèi)，武功山同一海拔的草甸退化使各速效養(yǎng)分含量均有所下降，堿解氮在海拔1 800 m和1 900 m處受退化影響顯著，而有效磷則在海拔1 600 m和1 700 m處受退化影響顯著，速效鉀各個(gè)海拔受退化影響均顯著。

隨海拔的增高，土壤AN含量呈U型變化，于1 700 m處均達(dá)到最低值，這可能是由于該海拔坡度較陡，且風(fēng)蝕比較嚴(yán)重而造成了土壤養(yǎng)分的流失。退化使武功山草甸土壤AN含量其在海拔梯度上的差異由顯著變?yōu)椴伙@著，而不同海拔的AP、AK在CK或TH范圍內(nèi)均沒有顯著差異。

2.4 武功山草甸土壤各化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性

由表1可知，未退化草甸土壤的CEC與土壤EA、AN、AP含量之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤CEC與各指標(biāo)含量的相關(guān)程度依次為AP=EA>AN>AK>pH，說(shuō)明未退化土壤具有良好的保氮保磷能力；土壤EA含量與AP含量極顯著相關(guān)(P<0.01)，土壤交換性酸與磷素關(guān)系密切；另外，土壤pH值與AK極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表1 未退化草甸土壤化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系

表2 退化草甸土壤化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系

由表2可知，退化草甸土壤的CEC與土壤EA、AP含量均極顯著相關(guān)(P<0.01)，土壤CEC與各指標(biāo)含量的相關(guān)程度依次為EA>AP>AN>AK>pH，說(shuō)明退化土壤仍具有良好的保磷能力；土壤EA含量也與AP含量極顯著相關(guān)(P<0.01)；土壤pH值與AN顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

綜上，武功山草甸退化導(dǎo)致土壤陽(yáng)離子交換量與堿解氮的相關(guān)性減弱，土壤pH與堿解氮由不相關(guān)變?yōu)闃O顯著負(fù)相關(guān)，與速效鉀由顯著負(fù)相關(guān)變?yōu)椴幌嚓P(guān)，這說(shuō)明退化導(dǎo)致草甸土壤中各化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生異常。

3 結(jié)論與討論

人為干擾引起的武功山草甸生態(tài)系統(tǒng)退化致使土壤陽(yáng)離子交換量、交換性酸以及速效養(yǎng)分含量均有所下降。草甸退化引起了土壤退化，土壤退化加速了草甸的退化，周而復(fù)始，惡性循環(huán)導(dǎo)致目前的武功山草甸退化導(dǎo)致面積越來(lái)越大，裸露地表越來(lái)越多，游人帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)損失矛盾日漸凸顯。

武功山草甸退化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，首先表現(xiàn)為植被蓋度變小，植物的多樣性和多度都有所減少，進(jìn)而土壤養(yǎng)分流失，肥力下降，土壤養(yǎng)分的減少和植被的退化呈正反饋關(guān)系。目前，研究草甸退化對(duì)土壤養(yǎng)分影響的文章有很多[4,12-17]，其結(jié)論均說(shuō)明草甸退化會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失。但由于研究區(qū)域植被分布、海拔、氣候及地形的不同以及研究方法的差異，研究不同草甸退化程度對(duì)土壤養(yǎng)分影響的結(jié)論不盡相同，既有隨著退化的加重，土壤養(yǎng)分含量持續(xù)下降[12]，也有先升后降但總體呈下降趨勢(shì)[14]。

武功山的草甸是否能夠恢復(fù)，對(duì)其今后的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，筆者希望通過(guò)本研究，為探索影響武功山山地草甸土壤生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)的關(guān)鍵因子，以及后續(xù)的施肥試驗(yàn)提供理論依據(jù)，并且指導(dǎo)其退化區(qū)域的植被恢復(fù)。接下來(lái)對(duì)武功山的退化草甸的研究可以擴(kuò)展到土壤物理性質(zhì)、微生物以及地上地下生物量的變化，力求全方位剖析退化對(duì)草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而得到草甸恢復(fù)的最佳方案。

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(責(zé)任編輯： 劉 海)

Response of Soil Chemical Property to Ecosystem Degradation of Meadow in Wugong Mountain

ZHAO Ziwen1,2， ZHANG Wenyuan1,2, QIAN Weiping3， LIU Yuxin1，HU Yaowen1,2， PENG Huiwu3， GUO Xiaomin1,2*

(1.CollegeofForestry,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang,Jiangxi330045; 2.JiangxiKeyLaboratoryofForestCultivation,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang,Jiangxi330045; 3.PingxiangInstituteofForestScience,Pingxiang，Jiangxi337000,China)

The effect of ecosystem degradation on soil chemical property of mountain land meadow, Wugong Mountain, Jiangxi and correlations between different indexes of soil chemical property were analyzed to provide the theoretical basis and technological support for recovery of degradation mountain land meadow. Results:Meadow degradation results in decrease of soil cation exchange capacity, which indicates that meadow degradation reduces soil fertilizer conservation capacity obviously. The soil exchangeable acid content and soil nutrition content of degradation meadow both present a declining trend. The correlations between soil cation exchange capacity and total nitrogen, available nitrogen in degradation meadow decrease. The correlation between soil pH and nitrogen in degradation meadow changes from non-correlation to very significant negative correlation(r=-0.733，P<0.01), but the correlation between soil pH and available K in degradation meadow changes from significant negative correlation to non-correlation(P>0.05).

degraded meadow; soil chemical property; elevation; ecosystem; Wugong Mountain in Jiangxi

2014-12-26； 2015-07-03修回

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“武功山山地草甸生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究及示范”(2012BAC11B06)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“武功山山地草甸退化土壤生態(tài)特征時(shí)空變異與土壤碳匯響應(yīng)機(jī)制研究”(30960312)

趙自穩(wěn)(1989-)，男，在讀碩士，研究方向：環(huán)境破壞與土壤生態(tài)、養(yǎng)分。E-mail: zzwjxau@163.com

*通訊作者：郭曉敏(1956-)，女，教授，從事地力維持、植被恢復(fù)和城市林業(yè)等研究。E-mail: gxmjxau@163.com

1001-3601(2015)07-0391-0177-04

S714.5

A

農(nóng)業(yè)信息·農(nóng)業(yè)工程·資源環(huán)境

Agricultural Information and Technology·Agricultural Engineering·Resource and Environment