泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征——以云南省小江流域?yàn)槔?/h1>
2016-04-13 08:33:58張廣帥鄧浩俊林勇明馬瑞豐王道杰吳承禎
生態(tài)學(xué)報(bào) 2016年3期
張廣帥, 鄧浩俊, 杜 錕, 林勇明, 馬瑞豐, 俞 偉, 王道杰, 吳承禎,洪 偉
1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院, 福州 350002
2 福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營與過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350002
3 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041
4 武夷學(xué)院, 南平 354300
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泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征
——以云南省小江流域?yàn)槔?/p>
張廣帥1,2, 鄧浩俊1,2, 杜錕1,2, 林勇明1,2,*, 馬瑞豐1, 俞偉1, 王道杰3, 吳承禎1,2,4,洪偉1,2
1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院, 福州350002
2 福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營與過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州350002
3 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都610041
4 武夷學(xué)院, 南平354300
摘要:為了探究泥石流頻發(fā)區(qū)不同海拔梯度土壤的化學(xué)計(jì)量特征，闡明土壤性質(zhì)對(duì)海拔變化的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而有效指導(dǎo)受限性生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)，在云南省小江流域支流阿旺小河西北側(cè)山地選取了1500—2000m、2000—2500m、2500—3000m 3個(gè)海拔梯度，測定各海拔梯度范圍內(nèi)0—10cm、10—20cm、20—30cm土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量及其機(jī)械組成，分析了不同海拔梯度土壤化學(xué)計(jì)量比的垂直分布特征及其與植被區(qū)、土壤物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著海拔梯度的升高，土壤有機(jī)碳和全氮含量以及碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均呈升高趨勢(shì)，全磷和全鉀含量以及磷鉀比呈降低趨勢(shì)，且有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀對(duì)海拔的敏感程度依次降低；不同海拔梯度之間，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀及其化學(xué)計(jì)量比的垂直分布存在顯著差異性，即隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳和全氮含量呈降低趨勢(shì)，而全磷和全鉀含量以及各化學(xué)計(jì)量比變化規(guī)律不明顯；同一海拔梯度內(nèi)，森林植被區(qū)和灌草叢群落植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異性不大，且隨海拔梯度變化一致，灌草叢群落中，土壤碳氮比與地上植被蓋度具有極顯著正相關(guān)性，森林群落植被區(qū)，土壤磷鉀比與優(yōu)勢(shì)喬木種平均高度具有極顯著負(fù)相關(guān)性，而與平均胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)性；土壤物理結(jié)構(gòu)的分異是造成土壤化學(xué)計(jì)量特征發(fā)生變化的主要內(nèi)在原因，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率和砂粒的增加呈指數(shù)型上升而隨著粘粒的增加呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：泥石流頻發(fā)區(qū); 海拔梯度; 化學(xué)計(jì)量特征; 土壤物理結(jié)構(gòu)
土壤養(yǎng)分是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性因素，直接決定地上有機(jī)體生長、植被群落的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力水平高低和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1- 2]。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是反映土壤內(nèi)部碳氮磷等循環(huán)的主要指標(biāo)，綜合了生態(tài)系統(tǒng)功能的變異性，易于測量且有助于確定生態(tài)過程對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)[3]。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)在國外起步較早，可追溯到20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)90年代以來發(fā)展迅速且逐步成熟[4- 5]。自2005年曾德慧和陳廣生首次在國內(nèi)系統(tǒng)介紹了生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本理論，隨后國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)開展各種生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)化學(xué)計(jì)量方面的研究，如劉萬德等對(duì)云南普洱季風(fēng)常綠闊葉林演替系列的土壤植被系統(tǒng)進(jìn)行了C、N、P化學(xué)計(jì)量特征研究[6]，丁小慧等對(duì)呼倫貝爾草地植物群落進(jìn)行了化學(xué)計(jì)量特征研究[7]，目前國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在：(1)不同優(yōu)勢(shì)物種和土壤的化學(xué)計(jì)量特征[8- 9]；(2)不同演替階段土壤-植被系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量特征[10- 11]；(3)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤-植被系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量特征[12]；(4)施肥作用下土壤-植被系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量特征[13]。泥石流頻發(fā)區(qū)作為一類典型的受限性生態(tài)脆弱區(qū)，其土壤碳氮磷平衡性較差，對(duì)區(qū)域環(huán)境變化響應(yīng)敏感，土壤-植被系統(tǒng)退化嚴(yán)重，對(duì)其土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究可加深生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能變化、系統(tǒng)維持機(jī)制及演變特征等方面的認(rèn)識(shí)。
云南金沙江一級(jí)支流小江流域山地海拔最高達(dá)4016 m，最低為691 m，相對(duì)高差達(dá)3000多m，作為干熱河谷的典型流域，區(qū)域內(nèi)泥石流災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)烈，流域兩側(cè)山體及植被破壞嚴(yán)重，土壤正常的分布規(guī)律受到嚴(yán)重制約且土壤侵蝕嚴(yán)重。長期以來人們對(duì)小江流域兩側(cè)山地的研究主要涉及土壤侵蝕[14- 15]、景觀格局演變[16]、泥石流灘地利用[17]、植被恢復(fù)技術(shù)[18]等方面，而對(duì)其土壤化學(xué)計(jì)量特征的研究鮮見報(bào)道，長期受山地災(zāi)害限制下土壤性質(zhì)的響應(yīng)特征尚不明了，難以科學(xué)有效地指導(dǎo)受限性脆弱生態(tài)區(qū)土壤-植被系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)重建工作。本課題組前期已對(duì)小江流域泥石流頻發(fā)區(qū)山地植被的土壤環(huán)境梯度及其相互關(guān)系進(jìn)行了報(bào)道[19]，有鑒于此，本文選擇泥石流頻發(fā)區(qū)典型流域小江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在該流域內(nèi)沿海拔梯度設(shè)置樣地，探討土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征沿海拔梯度的變化規(guī)律，以期為山地脆弱生態(tài)系統(tǒng)資源的合理利用和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。
1研究地區(qū)與研究方法
1.1研究區(qū)概況
小江流域(102°52′—103°22′E，25°32′—26°35′N)為金沙江一級(jí)支流，發(fā)源于滇東北高原魚味后山，自南向北流經(jīng)云南尋甸縣、昆明市東川區(qū)及會(huì)澤縣境，全長138.2 km，流域面積3043.45 km2。小江河谷發(fā)育在小江深大斷裂帶上，屬深切割構(gòu)造型河谷，新老構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，河谷兩側(cè)地形陡峻，地面高差懸殊，最高海拔4016 m，最低海拔691 m。受地形條件的制約，本區(qū)氣候類型復(fù)雜，垂直地帶性分異明顯，年平均氣溫17—19 ℃，年平均日較差8—9.5 ℃，≥10 ℃的年活動(dòng)積溫5100—6500 ℃，年平均降雨量740—810 mm，年蒸發(fā)量為3000 mm，干燥指數(shù)為2.49—2.02，干濕季節(jié)分明，雨季(5—11月)降雨量占全年總降雨量的80%以上，年平均日照時(shí)數(shù)2236 h，夏季日照時(shí)數(shù)470 h，占全年日照時(shí)數(shù)的21%，冬春日照長。小江河谷按海拔高程可分為4個(gè)不同氣候帶，即河谷半干旱南亞熱帶(海拔900—1500 m)、中山下部干濕交替中、北亞熱帶(海拔1500—2000 m)、中山半濕潤暖溫帶(2000—2500 m)和寒溫帶濕潤山地區(qū)(海拔2500—3000 m及以上山區(qū))[20]。
1.2野外調(diào)查與取樣
調(diào)查于2013年7—9月進(jìn)行。在小江流域支流阿旺小河西北側(cè)山地，沿海拔梯度(海拔范圍1500—3000 m)選擇3個(gè)樣帶從低到高設(shè)置典型喬木和灌草叢樣方，其中樣帶1的起始海拔為1500 m，終止海拔為2949 m，共設(shè)置7個(gè)樣方(包括4個(gè)灌草叢樣方和3個(gè)喬木樣方)；樣帶2的起始海拔為1591 m，終止海拔為2952 m，同樣設(shè)置7個(gè)樣方(包括4個(gè)灌草叢樣方和3個(gè)喬木樣方)；樣帶3的起始海拔為1549 m，終止海拔為3000 m，也設(shè)置了7個(gè)樣方(包括4個(gè)灌草叢樣方和3個(gè)喬木樣方)。喬木樣方面積為20m×20m，灌草叢樣方為2m×2m[21]。樣帶設(shè)置包含3個(gè)海拔范圍，在1500—2000 m(梯度Ⅰ)、2000—2500 m(梯度Ⅱ)、2500—3000 m(梯度Ⅲ)范圍內(nèi)各設(shè)置7個(gè)樣方，樣方的設(shè)置盡可能代表每個(gè)海拔梯度的整體情況。用手持GPS500測定每個(gè)調(diào)查樣方的海拔，并用地質(zhì)羅盤儀測量坡度。在每個(gè)樣方內(nèi)，用環(huán)刀法分別對(duì)0—10 cm、10—20cm、20—30cm的土壤進(jìn)行3點(diǎn)重復(fù)取樣，其中1個(gè)取樣點(diǎn)在樣方中心位置，另外2個(gè)取樣點(diǎn)分別位于樣方中心點(diǎn)與左右兩側(cè)連線的中心位置，混合后密封，帶回實(shí)驗(yàn)室測定。
表1 樣地概況
1.3樣品處理及測定
土壤容重用環(huán)刀法測定；土壤含水量用烘干法測定；土壤孔隙度采用公式(1)計(jì)算；過2mm篩后在中國科學(xué)院東川泥石流定位觀測研究站采用馬爾文激光粒度儀測定土壤機(jī)械組成，土壤粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)選用美國制(USDA)粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)；化學(xué)性質(zhì)參照土壤理化分析[21- 22]進(jìn)行，過0.149 mm篩后，測有機(jī)碳全氮、全磷、全鉀。其中土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化- 外加熱法測定；全氮含量采用半微量-凱氏法測定；全磷含量采用堿熔-鉬銻抗顯色法測定；全鉀含量采用堿熔-火焰光度法測定。對(duì)每一樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定，取其平均值為最終測定結(jié)果。
土壤總孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100%
(1)
1.4數(shù)據(jù)處理與分析
數(shù)據(jù)用EXCEL2007建庫作圖，對(duì)不同海拔梯度及土壤深度之間土壤養(yǎng)分含量、物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比較，運(yùn)用皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析對(duì)海拔梯度、土壤理化、灌叢群落地上蓋度以及森林群落主要生理指標(biāo)和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行相關(guān)性分析，運(yùn)用回歸分析研究土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨海拔梯度以及土壤物理結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。以上數(shù)據(jù)分析均在SPSS19.0中進(jìn)行。
2結(jié)果與分析
2.1土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量與物理結(jié)構(gòu)
對(duì)不同海拔梯度每個(gè)樣本點(diǎn)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀3次測定的平均值進(jìn)行比較分析可知，在海拔由低到高上升過程中，0—30cm土壤的有機(jī)碳、全氮含量逐漸升高，表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，而土壤全磷和全鉀含量則逐漸降低，表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ(表2)。從海拔梯度Ⅰ到Ⅱ，土壤有機(jī)碳和全氮分別升高了29.67%和31.79%，而土壤全磷和全鉀分別降低了28.38%和35.83%；從海拔梯度Ⅱ到Ⅲ，土壤有機(jī)碳和全氮分別升高了72.15%和45.73%，而土壤全磷和全鉀分別降低了37.74%和5.08%。這表明在海拔梯度升高的過程中，0—30cm土壤有機(jī)碳和全氮增加的程度以及土壤全磷降低的程度逐漸增大，而土壤全鉀含量降低的程度則隨著海拔升高逐漸減小。
表2 土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量
同列不同字母表示差異性顯著(P<0.05)；N=21
圖1 不同深度土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量Fig.1 Content of organic carbon (SOC),total nitrogen (TN),total phosphorus (TP) and total potassium (TK) in soil with different depth不同大寫字母表示相同海拔梯度不同土壤深度間在0.05水平上具有顯著差異，不同小寫字母表示相同土壤深度不同海拔梯度間在0.05水平上具有顯著差異(P<0.05);N=21
海拔升高過程中不同深度土壤有機(jī)碳、全氮含量均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，而土壤全磷和全鉀則呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)(圖1)。隨著海拔的升高，不同深度土壤養(yǎng)分含量的垂直分布明顯不同，海拔梯度在Ⅰ范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳、全氮含量均隨著深度的增加而減少，土壤全磷含量則隨著深度的增加而增加，土壤全鉀含量相對(duì)保持穩(wěn)定；海拔梯度在Ⅱ范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量均隨著深度的增加而減少，土壤全鉀含量同樣較為穩(wěn)定；海拔梯度在Ⅲ范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷均略有降低但相對(duì)變幅不大，而土壤全鉀含量基本保持不變。
對(duì)不同海拔梯度各樣本點(diǎn)土壤物理性質(zhì)3次測定的平均值比較分析可知，土壤的物理結(jié)構(gòu)中，0—30cm土壤的含水率、孔隙度和砂粒含量均隨著海拔的升高而升高，土壤黏粒含量和粉粒含量則與之相反，土壤容重表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。綜合土壤養(yǎng)分含量和物理結(jié)構(gòu)方差分析結(jié)果可知除了全鉀，Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)海拔梯度之間土壤養(yǎng)分和物理結(jié)構(gòu)差異性不顯著，而其與Ⅲ土壤的養(yǎng)分含量和物理結(jié)構(gòu)的差異性顯著。
表3 土壤物理結(jié)構(gòu)(N=21)
2.2土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征
根據(jù)每個(gè)樣本點(diǎn)3次測定值所得生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的平均值可知，海拔升高的過程中，0—30cm土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比呈升高的趨勢(shì)，磷鉀比呈降低的趨勢(shì)，而碳氮比變化不明顯。各化學(xué)計(jì)量比在Ⅰ和Ⅱ間均無顯著差異，而碳氮比、碳鉀比、氮鉀比和磷鉀比在Ⅱ和Ⅲ之間無顯著差異。從Ⅰ到Ⅱ，土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比分別升高了96.31%、66.18%、107.79%、63.38%，而磷鉀比降低了1.15%；從Ⅱ到Ⅲ，土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比分別升高了155.52%、68.41%、104.36%、43.10%，而磷鉀比降低了36.05%。
表4 土壤化學(xué)計(jì)量特征(N=21)
海拔升高過程中，不同深度土壤的碳氮比變化規(guī)律不明顯，而碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)(圖2)。另外隨著海拔梯度由低到高，不同深度土壤的碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比和磷鉀比的垂直分布明顯不同。海拔梯度在Ⅰ范圍內(nèi)，土壤碳氮比隨著土壤深度增加先增加后減小，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比隨著土壤深度增加遞減，土壤磷鉀比隨著土壤深度增加則呈增加趨勢(shì)；海拔梯度在Ⅱ范圍內(nèi)土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮鉀比和磷鉀比均隨著土壤深度遞減，而氮磷比隨著土壤深度的增加基本保持不變；海拔梯度在Ⅲ范圍內(nèi)土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比均隨土壤深度增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，而氮鉀比和磷鉀比則表現(xiàn)為基本不變或略有降低。
圖2 不同深度土壤化學(xué)計(jì)量特征(N=21)Fig.2 Ratio of C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K in soil with different depth(N=21)
對(duì)土壤各養(yǎng)分含量、化學(xué)計(jì)量比、土壤物理結(jié)構(gòu)以及海拔高度進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)。土壤碳磷比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率、孔隙度、砂粒呈極顯著正相關(guān)，而與全磷、粉粒、粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤碳鉀比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率和砂粒呈極顯著正相關(guān)，與孔隙度呈顯著正相關(guān)，而與全磷、全鉀、粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤氮磷比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率、孔隙度、砂粒呈極顯著正相關(guān)，而與全磷、粘粒和粉粒呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤氮鉀比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率呈極顯著正相關(guān)，與孔隙度和砂粒呈顯著正相關(guān)，而與全鉀和粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全磷呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤磷鉀比與全磷呈極顯著正相關(guān)，與粘粒含量呈顯著正相關(guān)；土壤碳氮比只與粘粒呈顯著負(fù)相關(guān)。
2.3不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征
對(duì)不同海拔梯度內(nèi)的森林和灌草叢群落下土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量進(jìn)行比較(圖3)，2種植被區(qū)內(nèi)土壤的有機(jī)碳和全氮含量均隨著海拔梯度的升高而增加，同一海拔梯度內(nèi)森林區(qū)和灌草叢區(qū)的有機(jī)碳和全氮含量無顯著差異。森林區(qū)的全磷和全鉀含量呈隨海拔梯度升高而減小的趨勢(shì)，灌草區(qū)的全磷和全鉀含量變化無明顯規(guī)律。圖4所示為不同海拔梯度森林群落區(qū)和灌草叢群落區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比變化，2種植被群落類型區(qū)隨海拔梯度的變化一致，同一海拔梯度內(nèi)森林區(qū)和灌草叢區(qū)之間的土壤各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異不顯著。
對(duì)3個(gè)海拔梯度內(nèi)12個(gè)灌草叢群落的土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比和植被蓋度進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析(表6)，碳氮比與植被蓋度具有極顯著正相關(guān)性，而其它各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比與植被蓋度相關(guān)性不顯著。
對(duì)3個(gè)海拔梯度內(nèi)9個(gè)森林群落區(qū)主要優(yōu)勢(shì)喬木的平均蓋度、平均胸徑和土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析(表7)，磷鉀比與平均高度具有極顯著負(fù)相關(guān)性，與平均胸徑具有顯著正相關(guān)性，而其它各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比與平均樹高和平均胸徑均無顯著相關(guān)性。
表5 土壤化學(xué)計(jì)量特征與土壤理化相關(guān)性分析(N=21)
*表示相關(guān)程度達(dá)到顯著水平(P<0.05); **表示相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01)
圖3 不同植被區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量Fig.3 Contents of soil organic carbon, total nitrogen, phosphorus and potassium under different vegetation area不同小寫字母表示不同海拔梯度間在0.05水平上具有顯著差異(P<0.05)
圖4 不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比Fig.4 Ratio of C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K under different vegetation area
化學(xué)計(jì)量比StoichiometricratioC∶NC∶PC∶KN∶PN∶KP∶K蓋度Coverage0.995**0.4770.4550.5930.4490.536
**表示相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01)
表7土壤化學(xué)計(jì)量特征與森林群落區(qū)生長指標(biāo)的相關(guān)性分析(N=9)
Table 7Correlational analyses of Soil stoichiometry characteristic and physiological indexes(mean height, average diameter at breast height)in Forestry region
化學(xué)計(jì)量比StoichiometricratioC∶NC∶PC∶KN∶PN∶KP∶K平均高度Meanheight0.214-0.103-0.207-0.246-0.396-0.898**平均胸徑Averagediameteratbreastheight0.5090.490.4250.2080.166-0.772*
*表示相關(guān)程度達(dá)到顯著水平(P<0.05)，**表示相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01)
2.4土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與海拔的關(guān)系
相關(guān)性分析可知(表5)，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔高度呈極顯著正相關(guān)，而碳氮比和磷鉀比與海拔相關(guān)性不顯著。對(duì)不同深度的土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔進(jìn)行回歸分析(圖5)，土壤0—10cm、10—20cm、20—30cm處的碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均隨著海拔梯度的升高呈指數(shù)型上升(P<0.05)。土壤深度在0—10cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為35.834、28.595、31.922、22.817，P值均小于0.01；土壤深度在10—20cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為38.092、65.166、40.584、35.356，P值均小于0.01；土壤深度在20—30cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為12.997、19.240、24.560和13.633，P值分別為0.03、0.01、0.001和0.02。
圖5 土壤化學(xué)計(jì)量特征與海拔的關(guān)系Fig.5 Regression analysis of Soil stoichiometry characteristic and elevation
2.5土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與土壤物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系
選取與土壤化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性極顯著且能夠表征土壤物理結(jié)構(gòu)的土壤含水率、粘粒含量和砂粒含量作為自變量，與土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比、磷鉀比進(jìn)行回歸分析(圖6)。對(duì)土壤碳氮比、磷鉀比與土壤物理結(jié)構(gòu)的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P值均大于0.05，擬合效果不理想。分別對(duì)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比與土壤含水率、粘粒含量和砂粒含量進(jìn)行回歸分析，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率和砂粒含量的升高呈指數(shù)型上升趨勢(shì)，而隨著粘粒含量的升高呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)。對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比與土壤含水率進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為22.355、60.390、32.564、67.722，P值均小于0.01；與粘粒含量進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為51.257、49.338、26.310、10.074，P值均小于0.05；與砂粒含量進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為28.145、12.685、18.516、5.698，P值均小于0.05。
圖6 土壤化學(xué)計(jì)量特征與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.6 Regression analysis of Soil stoichiometry characteristic and physical structure
3討論
3.1土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀對(duì)海拔梯度及土層的響應(yīng)
土壤作為植物生長的基質(zhì)，其養(yǎng)分特征具有空間和時(shí)間上的異質(zhì)性[23]。土壤養(yǎng)分含量是海拔梯度主導(dǎo)下地形、氣候以及生物因素相互作用的結(jié)果。研究區(qū)不同海拔土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著海拔的升高而增加，全磷和全鉀含量隨著海拔的升高而降低。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量受到地表植被凋落物的礦化分解和轉(zhuǎn)化累積的作用，土壤全氮含量主要受氮素的礦化和固定、硝化與反硝化、植物吸收、地表徑流、硝酸鹽淋溶以及動(dòng)植物體歸還等作用的影響，而這些過程很大程度上受土壤微生物活力的影響，隨著海拔的升高，氣溫降低，土壤微生物活性減弱，動(dòng)植物殘?bào)w分解速度減慢，土壤有機(jī)碳氮礦化速率減慢，使土壤中有機(jī)碳和氮積累量得以增加[24]。張巧明等在研究秦嶺不同海拔土壤理化性質(zhì)時(shí)[25]發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量隨著海拔的升高而增加，與本研究結(jié)果一致。此外，降水和溫度等氣候要素影響著土壤的風(fēng)化速率和養(yǎng)分元素的淋溶強(qiáng)度[26- 27]，隨著降水和溫度的增加，土壤風(fēng)化程度增強(qiáng)，土壤磷、鉀的密度逐漸降低。Neufeldt等研究表明[28]，高溫多雨的環(huán)境有助于加快土壤的風(fēng)化速率和磷、鉀元素的淋溶，研究中隨著海拔的升高，土壤全磷、全鉀含量逐漸降低的主要原因可能和不同海拔降水量的差異有關(guān)。在本研究區(qū)的不同海拔梯度，土壤的有機(jī)碳和全氮均隨著土層的加深呈降低的趨勢(shì)，而全磷和全鉀的變化趨勢(shì)不明顯，這個(gè)結(jié)論與朱秋蓮[29]、魏孝安[30]等得出的結(jié)果一致。
3.2土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比對(duì)海拔梯度、土層、植被區(qū)及土壤物理結(jié)構(gòu)的響應(yīng)
土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比主要受區(qū)域水熱條件和成土作用特征的控制，由于氣候、地貌、時(shí)間、土壤生物、母質(zhì)類型以及人類干擾的影響，土壤碳、氮、磷、鉀總量變化差異較大，進(jìn)而使C∶N∶P∶K的空間變異性很大。研究表明，我國熱帶、亞熱帶地區(qū)的紅壤、黃壤中C∶N可高達(dá)20∶1，而濕潤溫帶土壤中的C∶N穩(wěn)定在10∶1到12∶1左右[3]，云南省普洱市常綠闊葉原始林土壤碳氮比為23[5]。本研究中，海拔梯度從低到高碳氮比依次為21.3、18.12和19.51，接近于熱帶亞熱帶紅壤、黃壤的C∶N比。
不同海拔梯度和不同土壤深度間土壤碳氮比差異性均不顯著，且與土壤有機(jī)碳含量變化較為穩(wěn)定，一方面可能由于本研究所取土樣深度較淺，未深入到土壤礦物層，另一方面也驗(yàn)證了不同生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果[31]。隨著海拔梯度的升高，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比逐漸增加，而磷鉀比逐漸降低，且不同土壤深度碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比分異明顯，這是因?yàn)橛袡C(jī)碳和全氮對(duì)海拔和外界環(huán)境因子較為敏感，土壤全磷和全鉀相對(duì)穩(wěn)定，而相對(duì)于全鉀，土壤全磷隨著海拔升高其淋溶更為明顯。另外低海拔地區(qū)人類活動(dòng)頻繁，不利于有機(jī)碳和氮的積累，導(dǎo)致碳氮含量較低，而人為施肥產(chǎn)生的磷源輸入使土壤全磷含量較高也是其主要原因[32]。
植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分具有重要影響，許多研究表明不同植被類型的土壤碳氮比存在顯著差異[3]，在本研究中，同一海拔梯度內(nèi)森林群落類型區(qū)和灌草叢群落類型區(qū)土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異性并不顯著，且2種植被群落類型區(qū)土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨海拔梯度的變化具有一致性，這一現(xiàn)象可能是由于泥石流頻發(fā)區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，自我調(diào)節(jié)能力弱，對(duì)外界擾動(dòng)反饋敏感，系統(tǒng)內(nèi)部植物對(duì)土壤養(yǎng)分通量的調(diào)控作用不足。灌草叢植被群落區(qū)內(nèi)，碳氮比與植被蓋度呈極顯著正相關(guān)性，說明灌草叢群落地上植物是土壤中碳素和氮素的主要來源，即土壤碳素主要來源于進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及其腐殖化系數(shù)的大小，土壤氮素主要來源于生物固氮和隨降水進(jìn)入土壤中的氮[33]，而土壤磷、鉀主要與母質(zhì)風(fēng)化有關(guān)，故與灌叢植物蓋度相關(guān)性不顯著；森林群落區(qū)內(nèi)，由于研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和人工干擾嚴(yán)重，原始喬木群落已極少分布，現(xiàn)已人工針葉林、闊葉林及針闊混交林為主要植被類型[19]，其碳、氮主要來源以地表凋落物為主，故與平均樹高和平均胸徑相關(guān)性不大，而前人研究表明植物根系的生長有助于降低土壤磷、鉀等礦質(zhì)元素的固定，增加其有效性。這可能是因?yàn)榱帜镜母的軌蚍置贖+和有機(jī)酸等物質(zhì)有關(guān)[34]，而隨著林木高度的增加，其根系分布加深，且根幅、樹高和胸徑均隨著林齡的增加而增加[35]，因此森林群落區(qū)喬木種的平均樹高與土壤磷鉀比具有極顯著負(fù)相關(guān)性。
土壤的物理結(jié)構(gòu)影響著土壤的通氣、透水、持水、導(dǎo)熱等功能，是制約土壤養(yǎng)分含量高低的重要因素[36- 37]。本研究表明土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率的增加和砂粒的增加呈指數(shù)型上升而隨著粘粒的增加呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)橐环矫嬗捎诒狙芯克⊥翗觾H為0—30cm，未達(dá)到土壤黏盤，故砂粒含量越多的土壤更容易吸收降水進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分增大，而隨著土壤含水量增加，全磷和全鉀淋溶程度加強(qiáng)，相關(guān)性分析表明，土壤砂粒和含水率均與海拔呈極顯著正相關(guān)，砂粒與含水率較高的土壤由于海拔較高，溫度較低，在低溫濕潤的環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)不易礦化，以積累為主；另一方面，土壤粘粒含量越多，土壤顆粒越小，對(duì)磷、鉀的吸附能力越強(qiáng)，土壤全磷和全鉀含量越高[22]，而粘粒含量較高的低海拔地區(qū)溫度相對(duì)較高，降水較少，氣候以干熱為主，有機(jī)質(zhì)礦化作用顯著，碳、氮含量較低。
鑒于以上研究結(jié)果，泥石流頻發(fā)區(qū)脆弱山地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮土壤性質(zhì)與海拔梯度、地形、氣候環(huán)境等因子之間的耦合作用關(guān)系，根據(jù)土壤性質(zhì)對(duì)不同環(huán)境因子的響應(yīng)特征因地制宜的制定恢復(fù)措施，選擇適應(yīng)性較好、養(yǎng)分回歸能力強(qiáng)的本地物種，促進(jìn)區(qū)域土壤-植被-環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
4結(jié)論
(1)不同海拔梯度和不同土壤深度間土壤碳氮比差異性均不顯著，隨著海拔梯度的升高，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比逐漸增加，而磷鉀比逐漸降低，且不同土壤深度碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比分異明顯。
(2)同一海拔梯度內(nèi)森林群落類型區(qū)和灌草叢群落類型區(qū)土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異性不顯著，且2種植被群落類型區(qū)土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨海拔梯度的變化具有一致性。
(3)灌草叢植被區(qū)內(nèi)土壤碳氮比與地上植被蓋度具有極顯著正相關(guān)性，森林植被區(qū)內(nèi)土壤磷鉀比與主要喬木種的平均高度具有極顯著負(fù)相關(guān)性而與平均胸徑具有顯著負(fù)相關(guān)性。
(4)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔高度呈極顯著正相關(guān)，而碳氮比和磷鉀比與海拔相關(guān)性不顯著。
(5)不同土壤深度處的碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均隨著海拔梯度的升高呈指數(shù)型上升。
(6)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率的增加和砂粒的增加呈指數(shù)型上升而隨著粘粒的增加呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)。
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Soil stoichiometry characteristics at different elevation gradients of a mountain in an area with high frequency debris flow: a case study in Xiaojiang
Watershed, Yunnan ZHANG Guangshuai1,2, DENG Haojun1,2, DU Kun1,2,LIN Yongming1,2,*, MA Ruifeng1, YU Wei1, WANG Daojie3, WU Chengzhen1,2,4, HONG Wei1,2
1CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China2KeyLaboratoryforForestEcosystemProcessandManagementofFujianProvince,Fuzhou350002,China3InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences&MinistryofWaterConservancy,Chengdu610041,China4WuyiUniversity,Nanping354300,China
Abstract：To understand soil stoichiometric characteristics at different elevations in a mountainous area with high frequency debris flows, organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), and mechanical characteristics of soil from 3 elevational bands (1500—2000, 2000—2500, 2500—3000 m) were measured at different soil depths. This study also analyzed vertical variations in soil stoichiometric characteristics in these elevational gradients and its correlation with soil physical structure. SOC, TN, C∶P, C∶K, N∶P, and N∶K were positively correlated with elevation, while TP, TK, and P∶K were negatively correlated with elevation. SOC had the strongest relationship with elevation, followed by total N, P, and K. The vertical distribution of SOC, TN, TP, TK, and stoichiometric ratio varied with elevation．SOC and TN decreased with soil depth, but there was no clear relationship with TP, TK, or stoichiometric ratio. Within each elevational band, soil stoichiometric characteristics did not differ significantly between forest communities and shrub-meadow communities; both presented the same pattern as the elevation changed. In the shrub-meadow community, C∶N was significantly correlated with above ground vegetation cover. In the forest community, P∶K was significantly correlated with mean tree height. Differences in soil physical structure were the key factor linked to changes in soil stoichiometric characteristics. C∶P, C∶K, N∶P, and N∶K had a positive exponential relationship with soil water content and sand content, and a negative exponential relationship with clay content.
Key Words:Area with high frequency debris flow; elevation gradient; stoichiometry characteristic; soil physical structure
DOI:10.5846/stxb201405060892
*通訊作者
Corresponding author.E-mail: monkey1422@163.com
收稿日期:2014- 05- 06; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12
基金項(xiàng)目:福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(6112C039Q); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201564); 國家科技支撐計(jì)劃專題項(xiàng)目(2012BAC06B02-02)
張廣帥, 鄧浩俊, 杜錕, 林勇明, 馬瑞豐, 俞偉, 王道杰, 吳承禎,洪偉.泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征——以云南省小江流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(3):675- 687.
Zhang G S, Deng H j, Du K,Lin Y M, Ma R F, Yu W, Wang D J, Wu C Z, Hong W.Soil stoichiometry characteristics at different elevation gradients of a mountain in an area with high frequency debris flow: a case study in Xiaojiang Watershed, Yunnan.Acta Ecologica Sinica,2016,36(3):675- 687.
張廣帥, 鄧浩俊, 杜 錕, 林勇明, 馬瑞豐, 俞 偉, 王道杰, 吳承禎,洪 偉
1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院, 福州 350002
2 福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營與過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350002
3 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041
4 武夷學(xué)院, 南平 354300
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泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征
——以云南省小江流域?yàn)槔?/p>
張廣帥1,2, 鄧浩俊1,2, 杜錕1,2, 林勇明1,2,*, 馬瑞豐1, 俞偉1, 王道杰3, 吳承禎1,2,4,洪偉1,2
1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院, 福州350002
2 福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營與過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州350002
3 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都610041
4 武夷學(xué)院, 南平354300
摘要:為了探究泥石流頻發(fā)區(qū)不同海拔梯度土壤的化學(xué)計(jì)量特征，闡明土壤性質(zhì)對(duì)海拔變化的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而有效指導(dǎo)受限性生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)，在云南省小江流域支流阿旺小河西北側(cè)山地選取了1500—2000m、2000—2500m、2500—3000m 3個(gè)海拔梯度，測定各海拔梯度范圍內(nèi)0—10cm、10—20cm、20—30cm土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量及其機(jī)械組成，分析了不同海拔梯度土壤化學(xué)計(jì)量比的垂直分布特征及其與植被區(qū)、土壤物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著海拔梯度的升高，土壤有機(jī)碳和全氮含量以及碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均呈升高趨勢(shì)，全磷和全鉀含量以及磷鉀比呈降低趨勢(shì)，且有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀對(duì)海拔的敏感程度依次降低；不同海拔梯度之間，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀及其化學(xué)計(jì)量比的垂直分布存在顯著差異性，即隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳和全氮含量呈降低趨勢(shì)，而全磷和全鉀含量以及各化學(xué)計(jì)量比變化規(guī)律不明顯；同一海拔梯度內(nèi)，森林植被區(qū)和灌草叢群落植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異性不大，且隨海拔梯度變化一致，灌草叢群落中，土壤碳氮比與地上植被蓋度具有極顯著正相關(guān)性，森林群落植被區(qū)，土壤磷鉀比與優(yōu)勢(shì)喬木種平均高度具有極顯著負(fù)相關(guān)性，而與平均胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)性；土壤物理結(jié)構(gòu)的分異是造成土壤化學(xué)計(jì)量特征發(fā)生變化的主要內(nèi)在原因，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率和砂粒的增加呈指數(shù)型上升而隨著粘粒的增加呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：泥石流頻發(fā)區(qū); 海拔梯度; 化學(xué)計(jì)量特征; 土壤物理結(jié)構(gòu)
土壤養(yǎng)分是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性因素，直接決定地上有機(jī)體生長、植被群落的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力水平高低和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1- 2]。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是反映土壤內(nèi)部碳氮磷等循環(huán)的主要指標(biāo)，綜合了生態(tài)系統(tǒng)功能的變異性，易于測量且有助于確定生態(tài)過程對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)[3]。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)在國外起步較早，可追溯到20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)90年代以來發(fā)展迅速且逐步成熟[4- 5]。自2005年曾德慧和陳廣生首次在國內(nèi)系統(tǒng)介紹了生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本理論，隨后國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)開展各種生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)化學(xué)計(jì)量方面的研究，如劉萬德等對(duì)云南普洱季風(fēng)常綠闊葉林演替系列的土壤植被系統(tǒng)進(jìn)行了C、N、P化學(xué)計(jì)量特征研究[6]，丁小慧等對(duì)呼倫貝爾草地植物群落進(jìn)行了化學(xué)計(jì)量特征研究[7]，目前國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在：(1)不同優(yōu)勢(shì)物種和土壤的化學(xué)計(jì)量特征[8- 9]；(2)不同演替階段土壤-植被系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量特征[10- 11]；(3)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤-植被系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量特征[12]；(4)施肥作用下土壤-植被系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量特征[13]。泥石流頻發(fā)區(qū)作為一類典型的受限性生態(tài)脆弱區(qū)，其土壤碳氮磷平衡性較差，對(duì)區(qū)域環(huán)境變化響應(yīng)敏感，土壤-植被系統(tǒng)退化嚴(yán)重，對(duì)其土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究可加深生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能變化、系統(tǒng)維持機(jī)制及演變特征等方面的認(rèn)識(shí)。
云南金沙江一級(jí)支流小江流域山地海拔最高達(dá)4016 m，最低為691 m，相對(duì)高差達(dá)3000多m，作為干熱河谷的典型流域，區(qū)域內(nèi)泥石流災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)烈，流域兩側(cè)山體及植被破壞嚴(yán)重，土壤正常的分布規(guī)律受到嚴(yán)重制約且土壤侵蝕嚴(yán)重。長期以來人們對(duì)小江流域兩側(cè)山地的研究主要涉及土壤侵蝕[14- 15]、景觀格局演變[16]、泥石流灘地利用[17]、植被恢復(fù)技術(shù)[18]等方面，而對(duì)其土壤化學(xué)計(jì)量特征的研究鮮見報(bào)道，長期受山地災(zāi)害限制下土壤性質(zhì)的響應(yīng)特征尚不明了，難以科學(xué)有效地指導(dǎo)受限性脆弱生態(tài)區(qū)土壤-植被系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)重建工作。本課題組前期已對(duì)小江流域泥石流頻發(fā)區(qū)山地植被的土壤環(huán)境梯度及其相互關(guān)系進(jìn)行了報(bào)道[19]，有鑒于此，本文選擇泥石流頻發(fā)區(qū)典型流域小江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在該流域內(nèi)沿海拔梯度設(shè)置樣地，探討土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征沿海拔梯度的變化規(guī)律，以期為山地脆弱生態(tài)系統(tǒng)資源的合理利用和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。
1研究地區(qū)與研究方法
1.1研究區(qū)概況
小江流域(102°52′—103°22′E，25°32′—26°35′N)為金沙江一級(jí)支流，發(fā)源于滇東北高原魚味后山，自南向北流經(jīng)云南尋甸縣、昆明市東川區(qū)及會(huì)澤縣境，全長138.2 km，流域面積3043.45 km2。小江河谷發(fā)育在小江深大斷裂帶上，屬深切割構(gòu)造型河谷，新老構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，河谷兩側(cè)地形陡峻，地面高差懸殊，最高海拔4016 m，最低海拔691 m。受地形條件的制約，本區(qū)氣候類型復(fù)雜，垂直地帶性分異明顯，年平均氣溫17—19 ℃，年平均日較差8—9.5 ℃，≥10 ℃的年活動(dòng)積溫5100—6500 ℃，年平均降雨量740—810 mm，年蒸發(fā)量為3000 mm，干燥指數(shù)為2.49—2.02，干濕季節(jié)分明，雨季(5—11月)降雨量占全年總降雨量的80%以上，年平均日照時(shí)數(shù)2236 h，夏季日照時(shí)數(shù)470 h，占全年日照時(shí)數(shù)的21%，冬春日照長。小江河谷按海拔高程可分為4個(gè)不同氣候帶，即河谷半干旱南亞熱帶(海拔900—1500 m)、中山下部干濕交替中、北亞熱帶(海拔1500—2000 m)、中山半濕潤暖溫帶(2000—2500 m)和寒溫帶濕潤山地區(qū)(海拔2500—3000 m及以上山區(qū))[20]。
1.2野外調(diào)查與取樣
調(diào)查于2013年7—9月進(jìn)行。在小江流域支流阿旺小河西北側(cè)山地，沿海拔梯度(海拔范圍1500—3000 m)選擇3個(gè)樣帶從低到高設(shè)置典型喬木和灌草叢樣方，其中樣帶1的起始海拔為1500 m，終止海拔為2949 m，共設(shè)置7個(gè)樣方(包括4個(gè)灌草叢樣方和3個(gè)喬木樣方)；樣帶2的起始海拔為1591 m，終止海拔為2952 m，同樣設(shè)置7個(gè)樣方(包括4個(gè)灌草叢樣方和3個(gè)喬木樣方)；樣帶3的起始海拔為1549 m，終止海拔為3000 m，也設(shè)置了7個(gè)樣方(包括4個(gè)灌草叢樣方和3個(gè)喬木樣方)。喬木樣方面積為20m×20m，灌草叢樣方為2m×2m[21]。樣帶設(shè)置包含3個(gè)海拔范圍，在1500—2000 m(梯度Ⅰ)、2000—2500 m(梯度Ⅱ)、2500—3000 m(梯度Ⅲ)范圍內(nèi)各設(shè)置7個(gè)樣方，樣方的設(shè)置盡可能代表每個(gè)海拔梯度的整體情況。用手持GPS500測定每個(gè)調(diào)查樣方的海拔，并用地質(zhì)羅盤儀測量坡度。在每個(gè)樣方內(nèi)，用環(huán)刀法分別對(duì)0—10 cm、10—20cm、20—30cm的土壤進(jìn)行3點(diǎn)重復(fù)取樣，其中1個(gè)取樣點(diǎn)在樣方中心位置，另外2個(gè)取樣點(diǎn)分別位于樣方中心點(diǎn)與左右兩側(cè)連線的中心位置，混合后密封，帶回實(shí)驗(yàn)室測定。
表1 樣地概況
1.3樣品處理及測定
土壤容重用環(huán)刀法測定；土壤含水量用烘干法測定；土壤孔隙度采用公式(1)計(jì)算；過2mm篩后在中國科學(xué)院東川泥石流定位觀測研究站采用馬爾文激光粒度儀測定土壤機(jī)械組成，土壤粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)選用美國制(USDA)粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)；化學(xué)性質(zhì)參照土壤理化分析[21- 22]進(jìn)行，過0.149 mm篩后，測有機(jī)碳全氮、全磷、全鉀。其中土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化- 外加熱法測定；全氮含量采用半微量-凱氏法測定；全磷含量采用堿熔-鉬銻抗顯色法測定；全鉀含量采用堿熔-火焰光度法測定。對(duì)每一樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定，取其平均值為最終測定結(jié)果。
土壤總孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100%
(1)
1.4數(shù)據(jù)處理與分析
數(shù)據(jù)用EXCEL2007建庫作圖，對(duì)不同海拔梯度及土壤深度之間土壤養(yǎng)分含量、物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比較，運(yùn)用皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析對(duì)海拔梯度、土壤理化、灌叢群落地上蓋度以及森林群落主要生理指標(biāo)和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行相關(guān)性分析，運(yùn)用回歸分析研究土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨海拔梯度以及土壤物理結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。以上數(shù)據(jù)分析均在SPSS19.0中進(jìn)行。
2結(jié)果與分析
2.1土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量與物理結(jié)構(gòu)
對(duì)不同海拔梯度每個(gè)樣本點(diǎn)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀3次測定的平均值進(jìn)行比較分析可知，在海拔由低到高上升過程中，0—30cm土壤的有機(jī)碳、全氮含量逐漸升高，表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，而土壤全磷和全鉀含量則逐漸降低，表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ(表2)。從海拔梯度Ⅰ到Ⅱ，土壤有機(jī)碳和全氮分別升高了29.67%和31.79%，而土壤全磷和全鉀分別降低了28.38%和35.83%；從海拔梯度Ⅱ到Ⅲ，土壤有機(jī)碳和全氮分別升高了72.15%和45.73%，而土壤全磷和全鉀分別降低了37.74%和5.08%。這表明在海拔梯度升高的過程中，0—30cm土壤有機(jī)碳和全氮增加的程度以及土壤全磷降低的程度逐漸增大，而土壤全鉀含量降低的程度則隨著海拔升高逐漸減小。
表2 土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量
同列不同字母表示差異性顯著(P<0.05)；N=21
圖1 不同深度土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量Fig.1 Content of organic carbon (SOC),total nitrogen (TN),total phosphorus (TP) and total potassium (TK) in soil with different depth不同大寫字母表示相同海拔梯度不同土壤深度間在0.05水平上具有顯著差異，不同小寫字母表示相同土壤深度不同海拔梯度間在0.05水平上具有顯著差異(P<0.05);N=21
海拔升高過程中不同深度土壤有機(jī)碳、全氮含量均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，而土壤全磷和全鉀則呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)(圖1)。隨著海拔的升高，不同深度土壤養(yǎng)分含量的垂直分布明顯不同，海拔梯度在Ⅰ范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳、全氮含量均隨著深度的增加而減少，土壤全磷含量則隨著深度的增加而增加，土壤全鉀含量相對(duì)保持穩(wěn)定；海拔梯度在Ⅱ范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量均隨著深度的增加而減少，土壤全鉀含量同樣較為穩(wěn)定；海拔梯度在Ⅲ范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷均略有降低但相對(duì)變幅不大，而土壤全鉀含量基本保持不變。
對(duì)不同海拔梯度各樣本點(diǎn)土壤物理性質(zhì)3次測定的平均值比較分析可知，土壤的物理結(jié)構(gòu)中，0—30cm土壤的含水率、孔隙度和砂粒含量均隨著海拔的升高而升高，土壤黏粒含量和粉粒含量則與之相反，土壤容重表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。綜合土壤養(yǎng)分含量和物理結(jié)構(gòu)方差分析結(jié)果可知除了全鉀，Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)海拔梯度之間土壤養(yǎng)分和物理結(jié)構(gòu)差異性不顯著，而其與Ⅲ土壤的養(yǎng)分含量和物理結(jié)構(gòu)的差異性顯著。
表3 土壤物理結(jié)構(gòu)(N=21)
2.2土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征
根據(jù)每個(gè)樣本點(diǎn)3次測定值所得生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的平均值可知，海拔升高的過程中，0—30cm土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比呈升高的趨勢(shì)，磷鉀比呈降低的趨勢(shì)，而碳氮比變化不明顯。各化學(xué)計(jì)量比在Ⅰ和Ⅱ間均無顯著差異，而碳氮比、碳鉀比、氮鉀比和磷鉀比在Ⅱ和Ⅲ之間無顯著差異。從Ⅰ到Ⅱ，土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比分別升高了96.31%、66.18%、107.79%、63.38%，而磷鉀比降低了1.15%；從Ⅱ到Ⅲ，土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比分別升高了155.52%、68.41%、104.36%、43.10%，而磷鉀比降低了36.05%。
表4 土壤化學(xué)計(jì)量特征(N=21)
海拔升高過程中，不同深度土壤的碳氮比變化規(guī)律不明顯，而碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)(圖2)。另外隨著海拔梯度由低到高，不同深度土壤的碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比和磷鉀比的垂直分布明顯不同。海拔梯度在Ⅰ范圍內(nèi)，土壤碳氮比隨著土壤深度增加先增加后減小，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比隨著土壤深度增加遞減，土壤磷鉀比隨著土壤深度增加則呈增加趨勢(shì)；海拔梯度在Ⅱ范圍內(nèi)土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮鉀比和磷鉀比均隨著土壤深度遞減，而氮磷比隨著土壤深度的增加基本保持不變；海拔梯度在Ⅲ范圍內(nèi)土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比均隨土壤深度增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，而氮鉀比和磷鉀比則表現(xiàn)為基本不變或略有降低。
圖2 不同深度土壤化學(xué)計(jì)量特征(N=21)Fig.2 Ratio of C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K in soil with different depth(N=21)
對(duì)土壤各養(yǎng)分含量、化學(xué)計(jì)量比、土壤物理結(jié)構(gòu)以及海拔高度進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)。土壤碳磷比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率、孔隙度、砂粒呈極顯著正相關(guān)，而與全磷、粉粒、粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤碳鉀比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率和砂粒呈極顯著正相關(guān)，與孔隙度呈顯著正相關(guān)，而與全磷、全鉀、粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤氮磷比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率、孔隙度、砂粒呈極顯著正相關(guān)，而與全磷、粘粒和粉粒呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤氮鉀比與海拔、有機(jī)碳、全氮、含水率呈極顯著正相關(guān)，與孔隙度和砂粒呈顯著正相關(guān)，而與全鉀和粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全磷呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤磷鉀比與全磷呈極顯著正相關(guān)，與粘粒含量呈顯著正相關(guān)；土壤碳氮比只與粘粒呈顯著負(fù)相關(guān)。
2.3不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征
對(duì)不同海拔梯度內(nèi)的森林和灌草叢群落下土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量進(jìn)行比較(圖3)，2種植被區(qū)內(nèi)土壤的有機(jī)碳和全氮含量均隨著海拔梯度的升高而增加，同一海拔梯度內(nèi)森林區(qū)和灌草叢區(qū)的有機(jī)碳和全氮含量無顯著差異。森林區(qū)的全磷和全鉀含量呈隨海拔梯度升高而減小的趨勢(shì)，灌草區(qū)的全磷和全鉀含量變化無明顯規(guī)律。圖4所示為不同海拔梯度森林群落區(qū)和灌草叢群落區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比變化，2種植被群落類型區(qū)隨海拔梯度的變化一致，同一海拔梯度內(nèi)森林區(qū)和灌草叢區(qū)之間的土壤各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異不顯著。
對(duì)3個(gè)海拔梯度內(nèi)12個(gè)灌草叢群落的土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比和植被蓋度進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析(表6)，碳氮比與植被蓋度具有極顯著正相關(guān)性，而其它各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比與植被蓋度相關(guān)性不顯著。
對(duì)3個(gè)海拔梯度內(nèi)9個(gè)森林群落區(qū)主要優(yōu)勢(shì)喬木的平均蓋度、平均胸徑和土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析(表7)，磷鉀比與平均高度具有極顯著負(fù)相關(guān)性，與平均胸徑具有顯著正相關(guān)性，而其它各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比與平均樹高和平均胸徑均無顯著相關(guān)性。
表5 土壤化學(xué)計(jì)量特征與土壤理化相關(guān)性分析(N=21)
*表示相關(guān)程度達(dá)到顯著水平(P<0.05); **表示相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01)
圖3 不同植被區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量Fig.3 Contents of soil organic carbon, total nitrogen, phosphorus and potassium under different vegetation area不同小寫字母表示不同海拔梯度間在0.05水平上具有顯著差異(P<0.05)
圖4 不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比Fig.4 Ratio of C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K under different vegetation area
化學(xué)計(jì)量比StoichiometricratioC∶NC∶PC∶KN∶PN∶KP∶K蓋度Coverage0.995**0.4770.4550.5930.4490.536
**表示相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01)
表7土壤化學(xué)計(jì)量特征與森林群落區(qū)生長指標(biāo)的相關(guān)性分析(N=9)
Table 7Correlational analyses of Soil stoichiometry characteristic and physiological indexes(mean height, average diameter at breast height)in Forestry region
化學(xué)計(jì)量比StoichiometricratioC∶NC∶PC∶KN∶PN∶KP∶K平均高度Meanheight0.214-0.103-0.207-0.246-0.396-0.898**平均胸徑Averagediameteratbreastheight0.5090.490.4250.2080.166-0.772*
*表示相關(guān)程度達(dá)到顯著水平(P<0.05)，**表示相關(guān)程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01)
2.4土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與海拔的關(guān)系
相關(guān)性分析可知(表5)，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔高度呈極顯著正相關(guān)，而碳氮比和磷鉀比與海拔相關(guān)性不顯著。對(duì)不同深度的土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔進(jìn)行回歸分析(圖5)，土壤0—10cm、10—20cm、20—30cm處的碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均隨著海拔梯度的升高呈指數(shù)型上升(P<0.05)。土壤深度在0—10cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為35.834、28.595、31.922、22.817，P值均小于0.01；土壤深度在10—20cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為38.092、65.166、40.584、35.356，P值均小于0.01；土壤深度在20—30cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為12.997、19.240、24.560和13.633，P值分別為0.03、0.01、0.001和0.02。
圖5 土壤化學(xué)計(jì)量特征與海拔的關(guān)系Fig.5 Regression analysis of Soil stoichiometry characteristic and elevation
2.5土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與土壤物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系
選取與土壤化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性極顯著且能夠表征土壤物理結(jié)構(gòu)的土壤含水率、粘粒含量和砂粒含量作為自變量，與土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比、磷鉀比進(jìn)行回歸分析(圖6)。對(duì)土壤碳氮比、磷鉀比與土壤物理結(jié)構(gòu)的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P值均大于0.05，擬合效果不理想。分別對(duì)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比與土壤含水率、粘粒含量和砂粒含量進(jìn)行回歸分析，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率和砂粒含量的升高呈指數(shù)型上升趨勢(shì)，而隨著粘粒含量的升高呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)。對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比與土壤含水率進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為22.355、60.390、32.564、67.722，P值均小于0.01；與粘粒含量進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為51.257、49.338、26.310、10.074，P值均小于0.05；與砂粒含量進(jìn)行指數(shù)擬合的F值分別為28.145、12.685、18.516、5.698，P值均小于0.05。
圖6 土壤化學(xué)計(jì)量特征與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.6 Regression analysis of Soil stoichiometry characteristic and physical structure
3討論
3.1土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀對(duì)海拔梯度及土層的響應(yīng)
土壤作為植物生長的基質(zhì)，其養(yǎng)分特征具有空間和時(shí)間上的異質(zhì)性[23]。土壤養(yǎng)分含量是海拔梯度主導(dǎo)下地形、氣候以及生物因素相互作用的結(jié)果。研究區(qū)不同海拔土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著海拔的升高而增加，全磷和全鉀含量隨著海拔的升高而降低。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量受到地表植被凋落物的礦化分解和轉(zhuǎn)化累積的作用，土壤全氮含量主要受氮素的礦化和固定、硝化與反硝化、植物吸收、地表徑流、硝酸鹽淋溶以及動(dòng)植物體歸還等作用的影響，而這些過程很大程度上受土壤微生物活力的影響，隨著海拔的升高，氣溫降低，土壤微生物活性減弱，動(dòng)植物殘?bào)w分解速度減慢，土壤有機(jī)碳氮礦化速率減慢，使土壤中有機(jī)碳和氮積累量得以增加[24]。張巧明等在研究秦嶺不同海拔土壤理化性質(zhì)時(shí)[25]發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量隨著海拔的升高而增加，與本研究結(jié)果一致。此外，降水和溫度等氣候要素影響著土壤的風(fēng)化速率和養(yǎng)分元素的淋溶強(qiáng)度[26- 27]，隨著降水和溫度的增加，土壤風(fēng)化程度增強(qiáng)，土壤磷、鉀的密度逐漸降低。Neufeldt等研究表明[28]，高溫多雨的環(huán)境有助于加快土壤的風(fēng)化速率和磷、鉀元素的淋溶，研究中隨著海拔的升高，土壤全磷、全鉀含量逐漸降低的主要原因可能和不同海拔降水量的差異有關(guān)。在本研究區(qū)的不同海拔梯度，土壤的有機(jī)碳和全氮均隨著土層的加深呈降低的趨勢(shì)，而全磷和全鉀的變化趨勢(shì)不明顯，這個(gè)結(jié)論與朱秋蓮[29]、魏孝安[30]等得出的結(jié)果一致。
3.2土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比對(duì)海拔梯度、土層、植被區(qū)及土壤物理結(jié)構(gòu)的響應(yīng)
土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比主要受區(qū)域水熱條件和成土作用特征的控制，由于氣候、地貌、時(shí)間、土壤生物、母質(zhì)類型以及人類干擾的影響，土壤碳、氮、磷、鉀總量變化差異較大，進(jìn)而使C∶N∶P∶K的空間變異性很大。研究表明，我國熱帶、亞熱帶地區(qū)的紅壤、黃壤中C∶N可高達(dá)20∶1，而濕潤溫帶土壤中的C∶N穩(wěn)定在10∶1到12∶1左右[3]，云南省普洱市常綠闊葉原始林土壤碳氮比為23[5]。本研究中，海拔梯度從低到高碳氮比依次為21.3、18.12和19.51，接近于熱帶亞熱帶紅壤、黃壤的C∶N比。
不同海拔梯度和不同土壤深度間土壤碳氮比差異性均不顯著，且與土壤有機(jī)碳含量變化較為穩(wěn)定，一方面可能由于本研究所取土樣深度較淺，未深入到土壤礦物層，另一方面也驗(yàn)證了不同生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果[31]。隨著海拔梯度的升高，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比逐漸增加，而磷鉀比逐漸降低，且不同土壤深度碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比分異明顯，這是因?yàn)橛袡C(jī)碳和全氮對(duì)海拔和外界環(huán)境因子較為敏感，土壤全磷和全鉀相對(duì)穩(wěn)定，而相對(duì)于全鉀，土壤全磷隨著海拔升高其淋溶更為明顯。另外低海拔地區(qū)人類活動(dòng)頻繁，不利于有機(jī)碳和氮的積累，導(dǎo)致碳氮含量較低，而人為施肥產(chǎn)生的磷源輸入使土壤全磷含量較高也是其主要原因[32]。
植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分具有重要影響，許多研究表明不同植被類型的土壤碳氮比存在顯著差異[3]，在本研究中，同一海拔梯度內(nèi)森林群落類型區(qū)和灌草叢群落類型區(qū)土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異性并不顯著，且2種植被群落類型區(qū)土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨海拔梯度的變化具有一致性，這一現(xiàn)象可能是由于泥石流頻發(fā)區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，自我調(diào)節(jié)能力弱，對(duì)外界擾動(dòng)反饋敏感，系統(tǒng)內(nèi)部植物對(duì)土壤養(yǎng)分通量的調(diào)控作用不足。灌草叢植被群落區(qū)內(nèi)，碳氮比與植被蓋度呈極顯著正相關(guān)性，說明灌草叢群落地上植物是土壤中碳素和氮素的主要來源，即土壤碳素主要來源于進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及其腐殖化系數(shù)的大小，土壤氮素主要來源于生物固氮和隨降水進(jìn)入土壤中的氮[33]，而土壤磷、鉀主要與母質(zhì)風(fēng)化有關(guān)，故與灌叢植物蓋度相關(guān)性不顯著；森林群落區(qū)內(nèi)，由于研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和人工干擾嚴(yán)重，原始喬木群落已極少分布，現(xiàn)已人工針葉林、闊葉林及針闊混交林為主要植被類型[19]，其碳、氮主要來源以地表凋落物為主，故與平均樹高和平均胸徑相關(guān)性不大，而前人研究表明植物根系的生長有助于降低土壤磷、鉀等礦質(zhì)元素的固定，增加其有效性。這可能是因?yàn)榱帜镜母的軌蚍置贖+和有機(jī)酸等物質(zhì)有關(guān)[34]，而隨著林木高度的增加，其根系分布加深，且根幅、樹高和胸徑均隨著林齡的增加而增加[35]，因此森林群落區(qū)喬木種的平均樹高與土壤磷鉀比具有極顯著負(fù)相關(guān)性。
土壤的物理結(jié)構(gòu)影響著土壤的通氣、透水、持水、導(dǎo)熱等功能，是制約土壤養(yǎng)分含量高低的重要因素[36- 37]。本研究表明土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率的增加和砂粒的增加呈指數(shù)型上升而隨著粘粒的增加呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)橐环矫嬗捎诒狙芯克⊥翗觾H為0—30cm，未達(dá)到土壤黏盤，故砂粒含量越多的土壤更容易吸收降水進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分增大，而隨著土壤含水量增加，全磷和全鉀淋溶程度加強(qiáng)，相關(guān)性分析表明，土壤砂粒和含水率均與海拔呈極顯著正相關(guān)，砂粒與含水率較高的土壤由于海拔較高，溫度較低，在低溫濕潤的環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)不易礦化，以積累為主；另一方面，土壤粘粒含量越多，土壤顆粒越小，對(duì)磷、鉀的吸附能力越強(qiáng)，土壤全磷和全鉀含量越高[22]，而粘粒含量較高的低海拔地區(qū)溫度相對(duì)較高，降水較少，氣候以干熱為主，有機(jī)質(zhì)礦化作用顯著，碳、氮含量較低。
鑒于以上研究結(jié)果，泥石流頻發(fā)區(qū)脆弱山地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮土壤性質(zhì)與海拔梯度、地形、氣候環(huán)境等因子之間的耦合作用關(guān)系，根據(jù)土壤性質(zhì)對(duì)不同環(huán)境因子的響應(yīng)特征因地制宜的制定恢復(fù)措施，選擇適應(yīng)性較好、養(yǎng)分回歸能力強(qiáng)的本地物種，促進(jìn)區(qū)域土壤-植被-環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
4結(jié)論
(1)不同海拔梯度和不同土壤深度間土壤碳氮比差異性均不顯著，隨著海拔梯度的升高，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比逐漸增加，而磷鉀比逐漸降低，且不同土壤深度碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比分異明顯。
(2)同一海拔梯度內(nèi)森林群落類型區(qū)和灌草叢群落類型區(qū)土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比差異性不顯著，且2種植被群落類型區(qū)土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨海拔梯度的變化具有一致性。
(3)灌草叢植被區(qū)內(nèi)土壤碳氮比與地上植被蓋度具有極顯著正相關(guān)性，森林植被區(qū)內(nèi)土壤磷鉀比與主要喬木種的平均高度具有極顯著負(fù)相關(guān)性而與平均胸徑具有顯著負(fù)相關(guān)性。
(4)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔高度呈極顯著正相關(guān)，而碳氮比和磷鉀比與海拔相關(guān)性不顯著。
(5)不同土壤深度處的碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均隨著海拔梯度的升高呈指數(shù)型上升。
(6)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率的增加和砂粒的增加呈指數(shù)型上升而隨著粘粒的增加呈指數(shù)型下降的趨勢(shì)。
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Soil stoichiometry characteristics at different elevation gradients of a mountain in an area with high frequency debris flow: a case study in Xiaojiang
Watershed, Yunnan ZHANG Guangshuai1,2, DENG Haojun1,2, DU Kun1,2,LIN Yongming1,2,*, MA Ruifeng1, YU Wei1, WANG Daojie3, WU Chengzhen1,2,4, HONG Wei1,2
1CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China2KeyLaboratoryforForestEcosystemProcessandManagementofFujianProvince,Fuzhou350002,China3InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences&MinistryofWaterConservancy,Chengdu610041,China4WuyiUniversity,Nanping354300,China
Abstract：To understand soil stoichiometric characteristics at different elevations in a mountainous area with high frequency debris flows, organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), and mechanical characteristics of soil from 3 elevational bands (1500—2000, 2000—2500, 2500—3000 m) were measured at different soil depths. This study also analyzed vertical variations in soil stoichiometric characteristics in these elevational gradients and its correlation with soil physical structure. SOC, TN, C∶P, C∶K, N∶P, and N∶K were positively correlated with elevation, while TP, TK, and P∶K were negatively correlated with elevation. SOC had the strongest relationship with elevation, followed by total N, P, and K. The vertical distribution of SOC, TN, TP, TK, and stoichiometric ratio varied with elevation．SOC and TN decreased with soil depth, but there was no clear relationship with TP, TK, or stoichiometric ratio. Within each elevational band, soil stoichiometric characteristics did not differ significantly between forest communities and shrub-meadow communities; both presented the same pattern as the elevation changed. In the shrub-meadow community, C∶N was significantly correlated with above ground vegetation cover. In the forest community, P∶K was significantly correlated with mean tree height. Differences in soil physical structure were the key factor linked to changes in soil stoichiometric characteristics. C∶P, C∶K, N∶P, and N∶K had a positive exponential relationship with soil water content and sand content, and a negative exponential relationship with clay content.
Key Words:Area with high frequency debris flow; elevation gradient; stoichiometry characteristic; soil physical structure
DOI:10.5846/stxb201405060892
*通訊作者
Corresponding author.E-mail: monkey1422@163.com
收稿日期:2014- 05- 06; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12
基金項(xiàng)目:福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(6112C039Q); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201564); 國家科技支撐計(jì)劃專題項(xiàng)目(2012BAC06B02-02)
張廣帥, 鄧浩俊, 杜錕, 林勇明, 馬瑞豐, 俞偉, 王道杰, 吳承禎,洪偉.泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征——以云南省小江流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(3):675- 687.
Zhang G S, Deng H j, Du K,Lin Y M, Ma R F, Yu W, Wang D J, Wu C Z, Hong W.Soil stoichiometry characteristics at different elevation gradients of a mountain in an area with high frequency debris flow: a case study in Xiaojiang Watershed, Yunnan.Acta Ecologica Sinica,2016,36(3):675- 687.
