武功山草甸土壤微量元素分布及對(duì)人為干擾的響應(yīng)

鄧邦良，袁知洋，郭曉敏

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045)

武功山草甸土壤微量元素分布及對(duì)人為干擾的響應(yīng)

鄧邦良，袁知洋，郭曉敏

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045)

土壤中有效態(tài)微量元素的供給水平會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。通過(guò)研究武功山山地草甸土壤有效態(tài)微量元素Fe、Cu、Mn、Zn、B的分布特征以及對(duì)人為干擾的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有效態(tài)Fe、Cu、Mn、Zn、B的平均含量分別為169.15、0.94、3.73、1.60、0.28 mg·kg-1，有效態(tài)Fe、Cu、Zn、B隨海拔增加并未有顯著增加或減少的規(guī)律，0-20 cm土層的有效態(tài)Mn隨海拔增加有顯著(P<0.05)減少趨勢(shì)。有效態(tài)Fe、Mn、Zn具有空間異質(zhì)性。0-20和20-40 cm土層，有效態(tài)Cu都對(duì)人為干擾響應(yīng)敏感(P<0.05)，且隨著人為干擾程度的增加，有效態(tài)Cu含量呈現(xiàn)富集現(xiàn)象，最大富集率分別為139.5%和181.8%。

武功山；草甸；微量元素；海拔；人為干擾

微量元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，有Fe、Cu、Mn、Zn、B、Mo等，參與植物體內(nèi)氧化還原過(guò)程，是組成植物體內(nèi)某些酶和蛋白質(zhì)的重要組成成分[1]。土壤中植物必需微量元素 Fe、Cu、Mn、Zn、B等的供給水平會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。

土壤微量元素含量主要與土壤母質(zhì)類型、成土過(guò)程、培肥條件、有機(jī)質(zhì)含量、氧化還原狀況和pH等綜合因素有關(guān)[2-3]。在我國(guó)南方地區(qū)，由不同成土母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的土壤，部分微量元素有效性極低，是南方生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要養(yǎng)分限制因子[4]。

武功山山地草甸，作為南方陸地生態(tài)系統(tǒng)分布最廣的草地生態(tài)系統(tǒng)類型之一，在全球碳氮循環(huán)中起著重要作用。現(xiàn)階段，對(duì)干擾造成草地退化的研究主要集中在土壤NPK[5-7]、微生物和酶[8-9]、物理性質(zhì)[5]、細(xì)根[5]、植物多樣性[10]、生物量[11]、碳氮循環(huán)[12]等方面；而土壤微量元素的研究卻主要集中在微量元素的有效態(tài)和有效性[3]，以及微量元素與pH、有機(jī)質(zhì)關(guān)系等方面[13-14]。但是研究土壤有效態(tài)微量元素與干擾的響應(yīng)機(jī)制，特別是人為干擾對(duì)山地草甸區(qū)域有效態(tài)微量元素影響的研究鮮有報(bào)道。分析武功山山地草甸土壤有效態(tài)微量元素與海拔和干擾之間的關(guān)系，有助于探索有效態(tài)微量元素對(duì)海拔和干擾的敏感性，以期能為武功山山地草甸植被保護(hù)及修復(fù)等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然概況

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣設(shè)計(jì) 對(duì)于干擾造成的草地退化的等級(jí)劃分，主要是以草地類型[12]、植被蓋度[10]、放牧強(qiáng)度[5]、生物多樣性[8]、植被類型[11]等指標(biāo)來(lái)劃分。本研究根據(jù)武功山游人踩踏造成草甸退化的現(xiàn)象，應(yīng)用植被蓋度指標(biāo)劃分了4個(gè)不同退化等級(jí)。分別為“無(wú)干擾或無(wú)退化(CK)” (植被總蓋度100%)、“人為輕度干擾或輕度退化(L)” (60%<植被總蓋度<90%)、“人為中度干擾或中度退化(M)” (30%<植被總蓋度<60%)、“人為重度干擾或重度退化(H)” (植被總蓋度<30%)。

2013年8月，在武功山最高峰1 900 m的金頂峰 (27°26′ N，114°07′ E) 區(qū)域附近采樣，選擇樣地坡向朝南一側(cè)山脈，在海拔1 600～1 900 m范圍內(nèi)劃分出3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組在每隔50 m的海拔，選擇一個(gè)無(wú)干擾或無(wú)退化的樣地，每個(gè)區(qū)組設(shè)置7個(gè)海拔處理，共21個(gè)樣地，每個(gè)樣地的面積為10 m×10 m，用于探究海拔對(duì)有效態(tài)微量元素含量的影響。

金頂附近的高山草甸集中在1 600～1 900 m，而金頂?shù)母呱讲莸榈闹脖黄茐闹饕? 800 m左右的游步道，其中1 900 m樣地太少不具代表性，1 800 m以下干擾程度比較少，所以在研究不同人為干擾對(duì)微量元素的含量影響時(shí)采用的海拔高度是1 850 m。樣地設(shè)置同樣是在武功山最高峰1 900 m的金頂峰 (27°26′ N，114°07′ E) 區(qū)域附近采樣，選擇樣地坡向朝南一側(cè)山脈，在1 850 m海拔處劃分出3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組中包含“無(wú)干擾或無(wú)退化(CK)”、“人為輕度干擾或輕度退化(L)”、“人為中度干擾或中度退化(M)”、“人為重度干擾或重度退化(M)”4種試驗(yàn)處理，共12個(gè)樣地，每個(gè)樣地的面積為10 m×10 m，用于探究人為干擾對(duì)有效態(tài)微量元素含量的影響。

本研究采用五點(diǎn)取樣法。在整個(gè)10 m×10 m的樣地設(shè)置1個(gè)中心點(diǎn)，另外4個(gè)點(diǎn)為中心點(diǎn)和對(duì)角線的中點(diǎn)。所在樣地的每一樣方的土壤分上下兩層( 0-20和20-40 cm) 進(jìn)行取樣，將這5個(gè)樣點(diǎn)的每層土樣約1 kg土壤進(jìn)行同層混勻帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.2 測(cè)定與統(tǒng)計(jì)方法 速效銅、鐵、錳、鋅采用原子吸收光譜法，有效硼采用姜黃素比色法[3]。數(shù)據(jù)分析采用DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用Duncan法進(jìn)行多重比較。采用Origin 8.1制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素分布格局

2.1.1 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Fe分布格局 土壤有效態(tài)Fe平均含量為169.15 mg·kg-1。在0-20 cm土層，雖然海拔對(duì)有效態(tài)Fe的影響顯著(P<0.05)，但是隨海拔增加不呈現(xiàn)遞增或遞減的規(guī)律；在20-40 cm土層，海拔對(duì)有效態(tài)Fe的影響不顯著(P>0.05)。有效態(tài)Fe主要受pH影響[3]，通過(guò)調(diào)查，武功山草甸的pH值介于4.08～5.87，屬于酸性土壤。復(fù)雜的山地水文條件，形成的土壤pH差異造就了土壤有效態(tài)Fe含量的多變性(圖1)。

數(shù)值仿真基于Ansys分析平臺(tái)進(jìn)行，建立壓力環(huán)傳感器測(cè)力系統(tǒng)的有限元分析模型。根據(jù)圖2所示，壓力環(huán)與找平塊以及壓力環(huán)與調(diào)索螺栓之間均為擠壓接觸連接，因此應(yīng)按接觸問(wèn)題進(jìn)行仿真。

圖1 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Fe分布格局Fig.1 Distribution patterns of available soil Fe along an altitude gradient

注：不同小寫字母表示同一土層不同海拔土壤有效態(tài)微量元素差異顯著(P<0.05)，不同的大寫字母表示同一土層不同海拔土壤有效態(tài)微量元素差異極顯著(P<0.01)。下同。

Note: Different lower case and capital letters for the same soil layer indicate significantly different among different altitudes at 0.05 and 0.01 level， respectively. The same below.

2.1.2 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Cu分布格局 土壤有效態(tài)Cu平均含量為0.94 mg·kg-1。在0-20 cm以及20-40 cm土層，海拔都對(duì)有效態(tài)Cu的含量影響顯著(P<0.01)。全Cu含量與土壤母質(zhì)類型、腐殖質(zhì)量、成土過(guò)程和培肥條件等有關(guān)，而有效態(tài)Cu與全Cu的相對(duì)分配比率取決于礦物質(zhì)種類結(jié)構(gòu)、母質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)含量等[3]。雖然0-20 cm土層和20-40 cm土層，海拔間都具有顯著差異，但是沒(méi)有隨海拔變化顯著上升或者下降的趨勢(shì)，很難找到有效態(tài)Cu與海拔變化的規(guī)律,這可能和局部有機(jī)質(zhì)含量差異有關(guān)(圖2)。

2.1.3 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Mn分布格局 土壤有效態(tài)Mn平均含量為3.73 mg·kg-1。在0-20以及20-40cm土層，海拔都對(duì)有效態(tài)Mn的含量影響顯著(P<0.05)。其中0-20 cm土層，有效態(tài)Mn的含量隨著海拔增加有減少的趨勢(shì)，由于土壤中Mn的總含量因母質(zhì)的種類、質(zhì)地、成土母質(zhì)以及土壤的酸度、有機(jī)質(zhì)的積累程度而異，其中有效態(tài)Mn受pH、氧化還原狀況、有機(jī)質(zhì)等綜合影響[3]，所以造成這一現(xiàn)象的原因可能和低海拔溫度高，植被生長(zhǎng)較高海拔旺盛，有機(jī)質(zhì)積累程度較高有關(guān)。通過(guò)分析可以得出，0-20 cm有效態(tài)Mn對(duì)海拔變化敏感，且隨著海拔增加，呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)(圖3)。

圖2 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Cu分布格局Fig.2 Distribution patterns of available soil Cu along an altitude gradient

圖3 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Mn分布格局Fig.3 Distribution patterns of available soil Mn along an altitude gradient

2.1.4 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Zn分布格局 土壤有效態(tài)Zn平均含量為1.60 mg·kg-1。在0-20 cm以及20-40 cm土層，海拔對(duì)有效態(tài)Zn的含量影響不顯著(P>0.05)。土壤含Zn量與成土母質(zhì)中的礦物種類及其風(fēng)化程度有關(guān)，在成土母質(zhì)相似的武功山草甸區(qū)域[3]，有效態(tài)Zn對(duì)海拔變化不敏感(圖4)。

圖4 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素Zn分布格局Fig.4 Distribution patterns of available soil Zn along an altitude gradient

2.1.5 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素B分布格局 土壤有效態(tài)B平均含量為0.28 mg·kg-1。在0-20 cm以及20-40 cm土層，海拔對(duì)有效態(tài)B的含量影響不顯著(P>0.05)。有效態(tài)B主要受土壤質(zhì)地、pH等影響，當(dāng)土壤pH低于7時(shí)，溶液中B主要以H3BO3形態(tài)存在，很少被土壤粘粒吸附[3]，所以在土壤質(zhì)地相似、pH為酸性的武功山草甸區(qū)域內(nèi)，有效態(tài)B對(duì)海拔變化不敏感(圖5)。

圖5 不同海拔土壤有效態(tài)微量元素B分布格局Fig.5 Distribution patterns of available soil B along an altitude gradient

2.2 土壤有效態(tài)微量元素空間分布

土壤有效態(tài)Fe、Mn、Zn元素具有空間異質(zhì)性。其中，F(xiàn)e元素0-20 cm土壤(161.3 mg·kg-1)顯著(P<0.05)低于20-40 cm土壤(177.0 mg·kg-1)，這可能與山地草甸降水淋溶有關(guān)，降水能夠促進(jìn)土壤脫硅富鋁鐵化，呈現(xiàn)上層土壤Fe含量高于下層土壤；Mn、Zn元素0-20 cm土壤(分別為5.9、2.1 mg·kg-1)均顯著高于20-40 cm土壤(分別為1.6、1.1 mg·kg-1)，其他元素差異不顯著(P>0.05)，這可能和草甸植被為草本，根系較淺有關(guān)，有效態(tài)微量元素Mn、Zn主要集中在上層土壤(圖6)。

圖6 不同土層土壤有效態(tài)微量元素分布格局Fig.6 Distribution patterns of available soil across different soil layer

注：不同小寫字母和大寫字母分別表示同一元素不同土層間差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

Note: Different lower case and capital letters for the same available soil microelement indicate significant different among different soil layer at 0.05 and 0.01 level， respectively. The same below.

2.3 土壤有效態(tài)微量元素對(duì)人為干擾的響應(yīng)

不同人為干擾程度對(duì)土壤有效態(tài)Fe、Mn、Zn、B的含量影響不顯著(P>0.05)。但是，不同人為干擾程度對(duì)0-20 cm以及20-40 cm土層的土壤有效態(tài)Cu的含量影響都差異顯著(P<0.05)，在0-20 cm土層，有效態(tài)Cu在中度干擾(M)最大(1.03 mg·kg-1)，比無(wú)干擾(CK)含量(0.43 mg·kg-1)高139.5%；在20-40 cm土層，有效態(tài)Cu在重度干擾(H)最大(0.93 mg·kg-1)，比無(wú)干擾(CK)含量(0.33mg·kg-1)高181.8%，且隨著人為干擾程度的增加，有效態(tài)微量元素Cu的含量呈現(xiàn)富集現(xiàn)象，這可能和人為踩踏造成植被蓋度減少，在土壤中的Cu元素，隨著植被減少，吸收量減少，持續(xù)在土壤中富集有關(guān)(圖7)。

圖7 土壤有效態(tài)微量元素對(duì)人為干擾的響應(yīng)Fig.7 Available soil microelement response to human disturbance

注：CK、L、M、H分別表示無(wú)干擾或無(wú)退化、人為輕度干擾或輕度退化、人為中度干擾或中度退化及人為重度干擾或重度退化。

Note: CK, no disturbance or no degradation; L, light disturbance intensity of light degradation; M, moderate disturbance intensity or moderate degradation; H, high disturbance intensity or high degradation.

3 討論與結(jié)論

海拔差異主要體現(xiàn)在溫度、降水等方面的不同。在僅僅300 m海拔跨度的武功山草甸范圍(1 600～1 900 m)，則主要體現(xiàn)在溫度的差異，然而土壤微量元素含量主要與土壤母質(zhì)類型、成土過(guò)程、培肥條件、有機(jī)質(zhì)含量，氧化還原狀況、pH等綜合因素有關(guān)[2-3]，和溫度的關(guān)系不是特別明顯，這也就是有效態(tài)Fe、Cu、Zn、B隨海拔變化沒(méi)有顯著增加或者減少的原因。

空間異質(zhì)性，主要是由于山地草甸植被根系淺，加上降水淋溶差異，形成了有效態(tài)Fe、Mn、Zn元素的空間異質(zhì)性。干擾，一方面增大了土壤容重，降低了土壤的孔隙度，導(dǎo)致土壤緊實(shí)，通透性下降，從而降低植物根系呼吸作用[15]，間接影響了植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用；另一方面，干擾降低了微生物代謝活動(dòng)以及改變了微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)組成[8,15-16]，進(jìn)而降低了大部分土壤酶活性[9,16]，使得生物活性降低，造成土壤膠體物質(zhì)減少，破壞了微團(tuán)聚體膠結(jié)形成較大粒徑的粗團(tuán)聚體。由于土壤粗團(tuán)聚體的物理保護(hù)對(duì)有機(jī)碳積累起著重要的作用[17-18]，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)的積累，從而影響有機(jī)質(zhì)對(duì)微量元素的吸附作用[19]。所以，干擾通過(guò)破壞土壤的理化性質(zhì)，造成生物量減少[11,20]，土壤的有效固碳能力降低，土壤組成成分的保護(hù)和穩(wěn)定作用減弱，進(jìn)而影響土壤對(duì)養(yǎng)分的釋放與吸收[21]，可能間接造成了有效態(tài)微量元素含量發(fā)生改變。有研究表明，人為干擾對(duì)土壤微量元素Cu、Zn等具有蓄積增加的趨勢(shì)[22-24]，這與本研究得出的土壤有效態(tài)Cu受人為干擾影響程度的增加有顯著富集的現(xiàn)象比較吻合。但是，在東祁連山退化高寒草甸，速效Zn以極度退化高寒草甸草地較高，速效Fe和速效Mn隨著退化程度加深含量下降較大[25]，這與本研究得出的干擾對(duì)有效態(tài)微量元素Fe、Mn、Zn、B無(wú)顯著影響的結(jié)果不一樣，這可能和干擾程度劃分依據(jù)和樣地植被類型和氣候條件差異性有關(guān)。

綜上，在海拔落差只有300 m的武功山山地草甸范圍內(nèi)，除0-20 cm土層的土壤有效態(tài)Mn隨海拔增加而顯著減少外，有效態(tài)Fe、Cu、Zn、B隨海拔增加沒(méi)有顯著性增加或減少規(guī)律。有效態(tài)Fe、Mn、Zn具有空間異質(zhì)性。土壤有效態(tài)Cu對(duì)人為干擾響應(yīng)敏感，且隨著人為干擾程度增加，有效態(tài)Cu含量呈現(xiàn)富集現(xiàn)象。

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(責(zé)任編輯 王芳)

Microelement distributions and responses to human disturbance in meadow soil of Wugong Mountain

DENG Bang-liang, YUAN Zhi-yang, GUO Xiao-min

(College of Landscape Architecture and Art, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)

The supply of available soil microelement will affect the normal growth and development of plant. The present study was conducted to analyze the distribution characteristics of available soil microelement Fe, Cu, Mn, Zn, and B and its response to disturbance in the meadow soil of Wugong Mountain. The results showed that the average contents of available Fe, Cu, Mn, Zn, and B were 169.15, 0.94, 3.73, 1.60, and 0.28 mg·kg-1, respectively, and available Fe, Cu, Zn, and B did not significantly change with the increase of altitude, and available Mn at 0―20 cm soil layer had a significant (P<0.05) decreasing trend with the increase of altitude. Available Fe, Mn, Zn had spatial heterogeneity. Available Cu was sensitive response to human disturbance at both 0-20 cm and 20-40 cm soil layer, and the enrichment of available Cu was positively associated with the increase of the degree of human disturbance with the biggest enrichment 139.5% and 181.8%, respectively.

wugong mountain； meadow； microelement； altitude； human disturbance

GUO Xiao-min E-mail：gxmjxau@163.com

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0453

2014-10-17 接受日期：2015-06-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC11B06)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360177)

鄧邦良(1990-)，男，江西南昌人，在讀碩士生，主要從事土壤生態(tài)、養(yǎng)分及植被恢復(fù)研究。 E-mail：1178156906@qq.com

郭曉敏(1956-)，女，江西南昌人，教授，博士，主要從事林木營(yíng)養(yǎng)與施肥、經(jīng)濟(jì)林培育、地力維持、植被恢復(fù)、城市林業(yè)等領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。E-mail：gxmjxau@163.com

S812.2

A

1001-0629(2015)10-1555-07*

鄧邦良，袁知洋，郭曉敏.武功山草甸土壤微量元素分布及對(duì)人為干擾的響應(yīng)[J].草業(yè)科學(xué),2015,32(10):1555-1560.

DENG Bang-liang，YUAN Zhi-yang，GUO Xiao-min.Microelement distributions and responses to human disturbance in meadow soil of Wugong Mountain[J].Pratacultural Science，2015,32(10)：1555-1560.