武功山山地草甸土壤有機質(zhì)、全氮及堿解氮分布格局及關(guān)系

鄧邦良++袁知洋++溫衛(wèi)華等

摘要：土壤中有機質(zhì)、全氮及堿解氮是草本植物生長的重要限制性營養(yǎng)因子，且它們之間關(guān)系密切。以江西省武功山山地草甸為研究對象，分析不同海拔高度（1 600～1 900 m） 和不同土壤深度（0～20 cm、20～40 cm） 條件下，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮的空間分布特征以及3者之間的相互關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）武功山山地草甸土壤中有機質(zhì)、堿解氮和全氮含量在同一垂直土壤剖面中均隨著發(fā)生層的下降而降低，在海拔梯度上，3大養(yǎng)分指標(biāo)的空間變化呈倒“U”形，均于1 750 m左右處達到最高值；（2）利用SPSS回歸分析發(fā)現(xiàn)，上下層土壤均出現(xiàn)有機質(zhì)和全氮、全氮和堿解氮相關(guān)性極顯著，全氮與有機質(zhì)呈線性正相關(guān)，堿解氮與全氮呈非線性正相關(guān)，擬合度均較好；（3）草甸上層土壤中有機質(zhì)供氮水平高于下層，而下層土壤中堿解氮占全氮比重明顯比上層要高。研究揭示了武功山山地草甸土壤有機質(zhì)、全氮及堿解氮的空間分布格局及其相關(guān)性，為武功山山地草甸生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：草甸土壤；武功山；有機質(zhì)；全氮；堿解氮；分布格局；相關(guān)性

中圖分類號： S153文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0414-04

收稿日期：2014-11-10

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAC11B00）；國家自然科學(xué)基金（編號：31360177）。

作者簡介：鄧邦良（1990—），男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事水土保持植被恢復(fù)研究。E-mail：1178156906@qq.com。

通信作者：張文元，博士，講師，主要從事森林培育理論和技術(shù)、油茶養(yǎng)分管理方面的教學(xué)與研究。E-mail：zwy15@126.com。土壤有機質(zhì)和氮素是土壤肥力的重要影響因素[1]。土壤有機質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機物質(zhì)，它包括土壤中各種動植物殘體、新鮮生物體及其分解和合成的各種有機物質(zhì)[2]。土壤中氮素主要取決于有機質(zhì)的積累和分解，土壤氮素的檢測通常選擇全氮和堿解氮這兩大指標(biāo)，本試驗所測武功山土壤氮素也是指這兩大指標(biāo)。土壤中所有形式有機態(tài)氮與無機態(tài)氮的總和稱土壤全氮，反映土壤氮素的總貯量和供氮潛力，堿解氮包括無機態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡單、能為作物直接吸收利用的有機態(tài)氮，可供作物近期吸收利用，它能反映土壤近期的供氮水平[3]。

關(guān)于土壤有機質(zhì)和全氮及堿解氮分布格局和關(guān)系研究深入到了高原、山地、草甸、濕地、農(nóng)用地、森林等各種土地類型，如張法偉等在中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站（海北站）對青藏高原高寒草甸土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量的分布格局對不同土地利用格局的響應(yīng)進行了研究，通過SPSS軟件對測定數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后得出了響應(yīng)格局[4]；Wang等對不同土地使用背景下黃土高原小流域土壤全氮的空間格局進行統(tǒng)計學(xué)分析[5]；王艷杰等對霧靈山地區(qū)山地土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮分析中發(fā)現(xiàn)，它們之間有著密切的關(guān)系，并且用回歸方程進行了擬合[6]；劉世全等對多個地區(qū)西藏土壤剖面不同深度土層進行分析，探討了西藏高寒地區(qū)土壤有機質(zhì)和氮素狀況及其影響因素，發(fā)現(xiàn)西藏土壤全氮含量與有機質(zhì)含量呈線性正相關(guān)，堿解氮含量與全氮、有機質(zhì)含量呈非線性正相關(guān)[7]；白軍紅等研究了土壤有機質(zhì)及全氮在霍林河中下游的科爾沁和向海2個自然保護區(qū)濕地表層土壤中的水平分布及線性回歸擬合[8]；孫冬梅等對黑龍江農(nóng)用地的不同類型土壤中的有機質(zhì)、全氮及堿解氮關(guān)系進行了回歸分析，探討不同類型土壤對3者關(guān)系的影響[9]；Aber等對加拿大森林土壤中的不同枯落物生成的有機質(zhì)和氮素的計算分析中得出，不同的枯落物對提高森林土壤肥力和供氮能力不一樣[10]。因此，本研究盡量保證在武功山草甸草本植被相同的背景下進行。

江西武功山山地草甸以其面積廣和分布基準(zhǔn)海拔低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[11]。山地草甸在山岳型旅游景點的要素構(gòu)成中是難得的景觀類型，武功山是一個國家級旅游風(fēng)景區(qū)，人為踐踏等破壞因素造成植被死亡，土壤裸露且蓄水能力降低，養(yǎng)分循環(huán)受阻。目前關(guān)于武功山草甸生態(tài)恢復(fù)的研究多集中在旅游活動的管理研究上，很少有關(guān)于草甸土壤養(yǎng)分狀況的研究。因此本研究以武功山主峰金頂山地草甸土壤為研究對象，分析不同海拔高度（1 600～1 900 m） 和不同土壤深度（0～20 cm、20～40 cm） 條件下，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮的空間分布特征及其相關(guān)性，為改良武功山山地草甸土壤養(yǎng)分狀況、合理開展草甸生態(tài)系統(tǒng)保育工作提供科技支撐和理論依據(jù)，為我國亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南方丘陵山地草甸的保育提供科學(xué)參考。

1材料與方法

1.1武功山草甸概況

武功山位于江西省西部，毗鄰湖南省，地處114°10′～114°17′E、27°25′～27°35′N，屬羅霄山脈北段，南北走向綿延約120 km，總面積大約260 km2，年平均溫度約為14～16 ℃，年降水量1 350～1 750 mm，為贛江水系和湘江水系的分水嶺，武功山巖石主要由花崗巖和片麻巖構(gòu)成[12]，草甸區(qū)土壤以南方山地草甸黑壤為主。主峰金頂海拔1 918.3 m，在我國華東植被區(qū)劃中具有重要地位。山體垂直，海拔較高，且山勢陡峻，導(dǎo)致氣候、土壤、植被的垂直地帶性分異明顯。尤其是主峰周邊大面積分布的山地草甸更使之成為難得的植被垂直地帶性的天然博物館。而在江西省境內(nèi)，除武夷山外，其他山體（廬山、井岡山等）均不具有典型的山地草甸植被類型。

本試驗區(qū)位于武功山金頂風(fēng)景區(qū)，海拔1 600～1 900 m，土壤是山地草甸土，由于枯枝落葉豐富以及積水、低溫等因素，有機物腐爛分解緩慢，土層淺薄，色澤黝黑，干后成塊。在天然草地上，主要有禾本科的野古草（Arundinella anomala）、芒（Miscanthus sinensis）、茅根（Perotis indica）等。

1.2試驗樣地設(shè)置和樣品采集

2014年4月在武功山金頂主峰草甸區(qū)（該區(qū)域統(tǒng)一東北坡向，坡度0～50°左右）進行樣地設(shè)置和土樣采集，沿山脊線在海拔1 600～1 900 m范圍，每隔50 m海拔間距設(shè)置7個梯度（1 600、1 650、1 700、1 750、1 800、1 850、1 900 m），在每個梯度上選擇自然未退化的草甸，隨機設(shè)置4個10 m×10 m的樣方，所在樣地的每個樣方的土壤分上、下2層（0～20 cm、20～40 cm） 進行取樣，將這5個樣點的每層土樣約1 kg土壤進行同層混勻，共534份土樣，帶回實驗室晾干后，取出細(xì)根、石粒等雜質(zhì)，用0.1 mm孔徑土塞磨制成待測土壤樣品。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

1.3.1土壤有機質(zhì)和2種氮素的測定方法土樣有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量的測定基于《土壤理化分析》中規(guī)定的方法[13]，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀濃硫酸消煮法測定，土壤全氮采用全自動凱氏定氮儀測定，土壤堿解氮采用堿解擴散法測定。

1.3.2數(shù)據(jù)處理應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對所有的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.01、α=0.05這2個水平，數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布檢驗，用方差分析和Duncans檢驗分析土壤有機質(zhì)和氮素的空間分布狀況。用SPSS回歸分析評價土壤有機質(zhì)與土壤2類氮素，以及全氮和堿解氮的相關(guān)性。本研究中所有數(shù)據(jù)的圖形處理采用Microsoft Excel 2003完成。

2結(jié)果與分析

2.1土壤有機質(zhì)和氮素統(tǒng)計分析

通過對采集的28個樣地的上、下層土壤的有機質(zhì)、全氮和堿解氮進行試驗分析，得出的數(shù)據(jù)通過SPSS中描述分析生成quantile-quantile（Q-Q）圖進行上、下層這3大指標(biāo)的正態(tài)分布檢驗，得出上、下層土壤每個系列的數(shù)據(jù)點均分布在坐標(biāo)軸對角線上或者附近，說明數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，因此這些數(shù)據(jù)具有良好的統(tǒng)計學(xué)意義，進而可以對得出的數(shù)據(jù)在SPSS 17.0中進行統(tǒng)計分析。從表1可知，武功山采樣區(qū)金頂山地草甸上層（0～20 cm）土壤有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量的變化范圍分別為58.41～152.43 g/kg、2 420.00～5 377.36 mg/kg、241.15～408.15 mg/kg；山地草甸下層（20～40 cm）土壤有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量的變化范圍分別為45.28～125.70 g/kg、1 710.40～4 788.80 mg/kg、180.40～320.80 mg/kg。3者變異系數(shù)均在16%～30%之間，均呈現(xiàn)輕度變異[14]。一般把耕層含有有機質(zhì)200 g/kg以上的土壤稱為有機質(zhì)土壤，而在200 g/kg 以下的稱為礦質(zhì)土壤[3]。因此，武功山的草甸土壤可以劃歸為礦質(zhì)土壤。表1武功山不同海拔梯度樣地草甸土壤上層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）有機質(zhì)、全氮及堿解氮統(tǒng)計分析

2.2土壤有機質(zhì)和氮素的分布格局

方差分析結(jié)果顯示了武功山山地草甸0～20 cm與20～40 cm土層有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量呈垂直分布格局，在整體草甸海拔1 600～1 900 m的梯度上，土壤有機質(zhì)在所取土壤上、下層上均存在極顯著差異（0～20 cm，P=0.000 1；20～40 cm，P=0.000 1）；較為特殊的是土壤全氮含量在上層不存在顯著性差異（0～20 cm，P=0.059 4），而下層土壤全氮含量卻存在極顯著性差異（20～40 cm，P=0.006）；土壤堿解氮含量在土壤上、下層中，在整體海拔上均存在極顯著差異（0～20 cm，P=0.001 4；20～40 cm，P=0.000 4）（圖1至圖3）。因此，除了上層土壤全氮含量隨海拔變化顯現(xiàn)出的差異性不明顯外，即表層土壤全氮含量在整體海拔上表現(xiàn)波動性較小，其他指標(biāo)均在整個海拔梯度上呈現(xiàn)顯著差異，全氮指標(biāo)出現(xiàn)這種情況極可能是因為武功山草甸表層植被單一，均為五節(jié)芒等，草甸山體在保水效率低和低溫的水土氣候環(huán)境下導(dǎo)致來自有機質(zhì)腐殖化而形成的全氮比較穩(wěn)定，因此在表層形成的氮素含量在各處的差異不大，因此今后研究外來干擾導(dǎo)致草甸退化的機制時，可以側(cè)重對全氮這一指標(biāo)的檢測，在整個海拔梯度上研究土壤全氮在退化樣地和正常樣地的差異性。

0～20 cm土層土壤有機質(zhì)、全氮及堿解氮含量均高于20～40 cm土層，因此這3大養(yǎng)分在同一垂直土壤剖面中均隨著發(fā)生層的下降而減少，并且都在1 750 m這個草甸海拔中間點測到最大值，在此處測到最大值不一定代表這個海拔的養(yǎng)分含量就是峰值；進一步發(fā)現(xiàn)在海拔1 750、1 800 m 3種養(yǎng)分均出現(xiàn)不顯著差異，即1 800 m的3種養(yǎng)分含量均比較接近1 750 m（圖1至圖3）。因此，準(zhǔn)確表述為在武功山主峰1 750 m左右存在3種土壤養(yǎng)分峰值，土壤有機質(zhì)、全氮及堿解氮含量均呈現(xiàn)倒“U”形，先增后減的格局，初步表現(xiàn)出了變化一致性，可以判斷在武功山草甸土壤中3者的關(guān)系密切，可以進行進一步的回歸分析，通過回歸方程來找出3者之間的定量關(guān)系。

2.3土壤有機質(zhì)與氮素、全氮和堿解氮的關(guān)系

將7個海拔梯度4個重復(fù)共28個樣地分上、下層，測出的有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量（單位統(tǒng)一為mg/kg），用SPSS回歸方法分析得出上層、下層土壤中有機質(zhì) （OM，mg/kg） 與全氮（TN，mg/kg）、堿解氮 （AN，mg/kg）的關(guān)系（表2、表3），接著用逐步回歸分析方法分上下層分析上述3者之間的關(guān)系（顯著性水平為0.01）時，均發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)與全氮的關(guān)系極顯著，而堿解氮被剔除，說明有機質(zhì)與堿解氮的關(guān)系不如有機質(zhì)與全氮的關(guān)系明顯。因此堿解氮不與有機質(zhì)作方程模擬，有機質(zhì)直接與全氮進行線性回歸分析得出回歸方程。因為堿解氮是全氮中可以被植物短期吸收的氮素，是從屬關(guān)系，但是堿解氮易受土壤水熱條件和生物活動的影響而發(fā)生變化[15]，不能簡單采用線性回歸分析。因此，本研究采用線性回歸分析和曲線模擬結(jié)合，發(fā)現(xiàn)上層土壤的全氮和堿解氮關(guān)系用二次曲線模擬效果比較好，而下層用指數(shù)模擬比較好，因此分析結(jié)果如下。

2.3.1上層土壤（0～20 cm）的三者關(guān)系上層土壤有機質(zhì)和全氮的關(guān)系：OM=221.428TN+47.853 （r=0.672，顯著性水平為 0.01 ）；全氮和堿解氮的關(guān)系：TN=671.199-2.354AN+0.005AN2（r=0.645，顯著性水平為 0.01 ）。

2.3.2下層土壤（20～40 cm）三者的關(guān)系下層土壤有機質(zhì)和全氮的關(guān)系為：OM=223.511TN+25.486 （r=0.864，顯著性水平為 0.01 ）；全氮和堿解氮的關(guān)系為：TN=158.655+0003lnAN（r=0.601，顯著性水平為 0.01）。

2.4上下層土壤供氮狀況和氮素成分對比分析

武功山草甸土壤有機質(zhì)、氮素的回歸關(guān)系，揭示了土壤全氮和有機質(zhì)、全氮和堿解氮的緊密關(guān)系。對上層、下層土壤中全氮（TN，mg/kg）和有機質(zhì)（OM，mg/kg）的比值、堿解氮（AN，mg/kg）和全氮（TN，mg/kg）的比值作對比分析，發(fā)現(xiàn)上層土壤中有機質(zhì)含量在高于下層土壤的情況下，大部分上層土壤的全氮和有機質(zhì)含量的比值高于下層，說明上層土壤的肥力不僅在量上占優(yōu)，在質(zhì)上也同樣占優(yōu)（圖4）。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，雖然上層土壤全氮和堿解氮的含量都高于下層，但是下層土壤中堿解氮和全氮的比值卻普遍高于上層（圖5），出現(xiàn)這種狀況，極可能是在土壤垂直面上植物根系對氮素吸收的影響[16]，武功山草甸中的草本植物根系多集中在表層土，吸收堿解氮大都集中在0～20 cm附近土壤層，加上土壤的淋溶作用和可礦化氮的轉(zhuǎn)化作用[17]，使土壤下層堿解氮在全氮中的比例比較高，初步判定下層土壤中的氮素大多為無機氮或可溶性有機氮等。

3結(jié)論與討論

（1）武功山主峰山地草甸土壤中有機質(zhì)、堿解氮和全氮含量在同一垂直土壤剖面中均隨著發(fā)生層的下降而減少，在海拔梯度上，3大養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異呈倒“U”形，于1 750 m 左右處均達到最高值。

（2）利用SPSS回歸分析發(fā)現(xiàn)，上、下層土壤均表現(xiàn)出有機質(zhì)和全氮含量、有機質(zhì)和堿解氮含量、全氮和堿解氮含量關(guān)系極顯著，有機質(zhì)有機質(zhì)（OM，mg/kg）作為自變量和全氮（TN，mg/kg）及堿解氮（AN，mg/kg）2個因素作因變量的逐步回歸分析時，均出現(xiàn)堿解氮被剔除。因此，利用回歸分析得出上層土壤（0～20 cm）有機質(zhì)和全氮的關(guān)系：OM=221.428TN+47.853（r=0.672，顯著性水平為 0.01 ），全氮和堿解氮的關(guān)系為：TN=671.199-2.354AN+0.005AN2（r=0.645，顯著性水平為 0.01 ）；下層土壤（20～40 cm）有機質(zhì)和全氮的關(guān)系為：OM=223.511TN+25.486（r=0.864，顯著性水平為 001），全氮和堿解氮的關(guān)系為：TN=158.655+0.003lnAN（r=0.601，顯著性水平為 0.01），今后可以利用這些回歸方程對未知養(yǎng)分含量進行估算。

（3）草甸上層土壤中有機質(zhì)供氮水平高于下層，肥力指標(biāo)全面優(yōu)于下層，而下層土壤中堿解氮占全氮比重明顯比上層要高。說明上、下層土壤的養(yǎng)分發(fā)生條件有差別，下層土壤雖然有機質(zhì)含量高但是全氮含量相比上層土壤出現(xiàn)較大虧損，是否與土壤淋溶作用和燒山活動累計有機質(zhì)有關(guān)，值得進一步細(xì)致探討，今后可從有機質(zhì)質(zhì)量和全氮的有機、無機2個部分具體組成進行下一步研究工作。

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