武功山退化草甸養(yǎng)分分布格局及相關性

孟文武++鄭利亞++崔誠++趙自穩(wěn)++牛德奎 郭曉敏

摘要：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）、不同土壤深度（0～20 cm、>20～40 cm）、不同退化程度草甸下土壤養(yǎng)分分布特征以及有機碳、土壤其他養(yǎng)分間的相關關系，結(jié)果表明：（1）武功山不同土壤養(yǎng)分相同海拔不同土層間整體差異顯著，呈現(xiàn)出表聚性特征，相同土層不同海拔間整體呈垂直分布規(guī)律；（2）土壤有機碳與土壤全氮、堿解氮和速效鉀之間存在極顯著正相關。土壤有機碳與土壤全磷、速效磷和pH值間則無明顯的相關性。明確了武功山山地草甸土壤不同海拔間有機碳和各養(yǎng)分間的分布規(guī)律，揭示了土壤有機碳與其他土壤養(yǎng)分間的相關關系，研究結(jié)果為武功山山地草甸的植被和生態(tài)修復提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：武功山；退化草甸；土壤有機碳；土壤理化性質(zhì)；相關性

中圖分類號：X171.4文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）03-0237-04

[HJ1.4mm]

收稿日期：2016-05-26

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAC11B06）；國家自然科學基金（編號：30960312、31560150）。

作者簡介：孟文武（1990—），男，安徽淮北人，碩士研究生，研究方向為土壤養(yǎng)分和植被修復。E-mail：1090237198@qq.com。

通信作者：郭曉敏，博士，教授，主要從事林木營養(yǎng)與施肥、經(jīng)濟林培育、植被恢復等領域的教學和科研。E-mail：gxmjxau@163.com。[HJ]

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上分布面積最廣的生態(tài)系統(tǒng)之一，其面積約占陸地面積的50%，在全球陸地碳循環(huán)中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。草甸土壤有機碳主要儲存在表層土壤，對環(huán)境變化異常敏感，草甸生存環(huán)境的改變繼而引起的土壤表層碳庫的微小變化可能對全球溫室氣體排放通量產(chǎn)生影響[2]。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時間最慢的碳庫，有1 400～1 500 Pg的碳是以有機質(zhì)的形式儲存在土壤之中，在草甸碳循環(huán)中扮演著極其重要的角色[3]。

山地草甸生態(tài)系統(tǒng)具有凈化空氣、涵養(yǎng)水源、保持水土等多種生態(tài)功能，在物質(zhì)循環(huán)和全球氣候變化方面扮演著極其重要的作用[4-5]。目前，國內(nèi)對草甸養(yǎng)分關系之間的研究多注重于碳氮關系和碳氮比方面，對有機碳和其他養(yǎng)分關系之間研究較少。張鵬等研究了祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮分布特征和其相互關系[6]，王建林等研究了青藏高原高寒草甸碳氮比分布特征及其影響因素，二者都談及了碳氮分布規(guī)律與其相互關系，而且其分布和關系與海拔、氣候、地形等要素密切相關[7]。

武功山山地草甸位于江西省中部地區(qū)，主要分布在武功山海拔1 600 m以上地區(qū)，有“云中草原”的美譽。近年來，隨著政府投資力度和宣傳力度的加大，武功山名氣得到很大的提升，來武功山旅游的人數(shù)也逐年增加。尤其是一年一度的武功山國際帳篷節(jié)，吸引了全國各地乃至世界的游客前來登山和旅游。游客的隨意踐踏以及廢棄物的過量丟棄，很大程度上造成武功山山地草甸的退化，綿延約4 000 hm2的山地草甸已呈現(xiàn)出退化并被分割得支離破碎的情景[8]。惡劣的自然環(huán)境加上過度的開發(fā)，武功山山地草甸出現(xiàn)了不同程度的退化，有些地方已完全退化為裸地。草甸的退化，造成地上地下生物量減少，阻斷了碳的輸入，使有機質(zhì)的碳匯大為減少。在地方經(jīng)濟快速發(fā)展和對草甸的依賴必然增加的前提下，草甸退化不可避免。草甸退化不僅對當?shù)氐淖匀痪坝^造成極其惡劣的影響，而且勢必對整個武功山的小氣候和生態(tài)造成不良后果，影響整個贛中甚至華中地區(qū)的碳氮循環(huán)?；谖涔ι讲莸橥嘶脑?，本研究對武功山不同退化程度山地草甸土壤的有機碳和其他養(yǎng)分進行相關性研究，以期找出山地草甸退化過程中有機碳和各養(yǎng)分間的關系，為山地草甸退化程度診斷和修復提供理論依據(jù)[9-10]。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

武功山屬于羅霄山脈北段，位于江西省中西部，地理位置介于114°10′～114°17′E、27°25′～27°35′N之間，呈東北—西南走向綿延120 km，總面積 260 km2。屬于典型的亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季溫和少雨。年平均氣溫為14～16 ℃，年降水量為1 350～1 750 mm，雨熱同期，適合植被生長。海拔高差1 600 m，其中，最高峰為白鶴峰，海拔為 1 918.3 m，為景觀奇特的花崗巖、混合巖中地貌。土壤為花崗巖和片麻巖發(fā)育而來的山地草甸黑土，土壤肥沃，有機質(zhì)含量高。在植被類型上，以芒草為主要優(yōu)勢種，苔草、飄拂草等為亞優(yōu)勢種，土壤、植被等呈現(xiàn)出典型的非地帶性特征。

1.2樣地設置和樣品采集

2015年9月進行樣地設置和土樣采集。在海拔高度 1 600 m 處，沿山脊線每隔150 m間距設置1個海拔梯度，共設3個梯度（1 600、1 750、1 900 m）。在每個梯度上，根據(jù)植被蓋度大小、物種差異等因素把草甸的退化程度分為4個等級，即輕度退化、中度退化、重度退化、未退化草甸（CK）（表1）。根據(jù)草甸的退化程度，采用完全隨機試驗設計，對輕度退化、中度退化、重度退化、未退化草甸各隨機設置3個10 m×10 m樣方，對每一樣方的土壤分2層（0～20 cm、>20～40 cm）進行隨機多點采樣，同層混勻，采集的土壤帶回實驗室。仔細去除土壤中的石礫和植物殘體（如根、莖、葉），自然風干，磨碎，分別過2 mm和0.149 mm篩，保存，共獲得72個土壤樣品，供土壤理化性質(zhì)分析。

1.3測定與分析

1.3.1測定方法土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮采用FOSS8400全自動凱氏定氮儀測定；土壤堿解氮采用堿解蒸餾法測定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4浸提，鉬銻抗比色法測定；速效磷采用0.03 mol/L NH4F-[JP2]0.025 mol/L HCl浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4Ac浸提，火焰光度法測定；土壤pH值采用電位法測定。[JP]

1.3.2分析方法應用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對所有的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布檢驗，用方差分析、LSD和Duncans多重比較檢驗分析不同海拔草甸、不同土層深度間養(yǎng)分之間的差異，土壤養(yǎng)分相關性采用Origin 8.1線性相關分析，所有圖形均運用Origin 8.1繪制。

2結(jié)果與分析

2.1不同海拔梯度不同退化程度土壤有機碳分布格局

從圖1可以看出，在3個不同海拔梯度1 600、1 750、1 900 m 和不同土層0～20 cm、>20～40 cm之間，土壤各海拔間上層有機碳含量的平均數(shù)值變化范圍為60.53～67.16 g/kg，下層為49.5～56.80 g/kg。隨著海拔升高上層比下層有機碳含量分別增加了18.24%、22.91%、22.29%，均表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加，有機碳的含量呈減少趨勢，相同海拔不同土層間有機碳含量存在極顯著性差異。相同土層不同海拔有機碳含量差異不顯著，沒有呈現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律，有可能是由于取樣誤差或海拔梯度過小引起。

[FK（W10][TPMWW1.tif][FK）]

2.2不同海拔高度、土層深度土壤理化性狀

2.2.1[JP2]全氮、堿解氮含量從表2可以看出，土壤中不同海拔上層全氮的含量在4.46～4.89 g/kg，下層為 3.56～3.82 g/kg。相同海拔不同土層之間差異顯著，即在垂直方向上隨著土層深度的增加全氮呈顯著下降趨勢。相同土層不同海拔之間差異不顯著，全氮含量隨著海拔的變化差異不顯著。堿解氮在土壤中上層含量在0.61～0.65 g/kg，下層為0.51～0.52 g/kg。堿解氮在不同海拔上下層之間均存在顯著的差異，相同土層不同海拔間差異不顯著。在1 600～1 900 m 海拔范圍內(nèi)，海拔對氮素的影響不顯著，這可能與海拔高差較小有關。

2.2.2全磷、速效磷含量土壤全磷上層含量為0.61～097 g/kg，下層為0.28～0.62 g/kg。海拔高度 1 600、1 900 m 上下層全磷差異顯著，1 750 m上下層差異不顯著。上層不同海拔間1 600、1 900 m差異顯著，與海拔1 750 m差異不顯著。上層全磷含量隨著海拔的升高呈下降趨勢，在 1 900 m 達到最小值，呈明顯的垂直分布規(guī)律。全磷下層不同海拔間1 600、1 750 m差異不顯著，與1 900 m差異顯著。在1 750 m土壤下層全磷含量出現(xiàn)最高值，然后向高海拔和低海拔方向呈下降趨勢，且向高海拔方向降低速率高于低海拔方向。速效磷上層含量在2.06～6.01 mg/kg，下層含量為1.32～3.09 mg/kg，相同土層不同海拔間差異顯著。上層不同海拔間全磷含量差異顯著，并且隨著海拔的升高呈增加趨勢，呈現(xiàn)明顯的垂直分布規(guī)律；下層有效磷含量亦隨著海拔的升高而呈增加趨勢，在海拔1 900 m達到最大值，下層速效磷增加速度較慢，趨勢不如上層明顯，下層僅在1 600、1 900 m差異顯著（表3）。土壤中速效磷含量較低，可能會影響植物對磷的吸收，造成植被營養(yǎng)不良。

2.2.3速效鉀含量、pH值土壤速效鉀土壤上層含量在81.15～130.01 mg/kg，下層在51.87～96.33 mg/kg。不同海拔上層土壤速效鉀含量大于下層，且上下層之間差異顯著。上層速效鉀含量隨著海拔的升高而降低，在1 900 m達到最小值，下降速率在1 750 m以上地區(qū)高于1 750 m以下地區(qū)，海拔 1 900 m 上層土壤速效鉀與1 600、1 750 m差異顯著，呈明顯垂直分布規(guī)律。下層速效鉀含量隨著海拔的升高而顯著降低，不同海拔間差異顯著，呈明顯的垂直分布規(guī)律（表4）。

土壤pH值是指示土壤酸度大小的一個重要指標，pH值越小，酸度越大，其實質(zhì)是氫離子的數(shù)量和濃度不斷增加的一個[CM（25]過程。植物的生長和發(fā)育都要保持在一定的酸度范圍內(nèi)，否則植物就沒法生存。適合的酸度范圍對于動物和微生物的生理活動有積極的促進作用，有助于土壤中有機質(zhì)的分解和礦物質(zhì)元素的釋放。從表4可以看出，武功山土壤上層pH值為4.70～4.92，下層為4.68～4.85之間，上下層均呈強酸特性。上層pH值在1 750 m達到最大值，然后向1 650、1 900 m 方向呈遞減趨勢；下層土壤pH值在1 750 m為最大值，以此為中心在垂直向高海拔和低海拔方向遞減，且高海拔遞減速率快于低海拔。

2.3土壤有機碳與其他養(yǎng)分間相關性

2.3.1有機碳與全氮和堿解氮含量的關系通過相關分析，有機碳和全氮與堿解氮都呈極顯著的正相關，且有機碳和全氮、堿解氮之間的相關系數(shù)分別為0.70、0.68。全氮、堿解氮含量隨著有機碳含量的增加呈顯著增加趨勢，其線性相關的斜率分別為50.82、6.16，即當有機碳每提高1 g/kg，全氮、堿解氮分別增加50.82、6.16 mg/kg（圖2）。表明有機碳含量大小對氮素影響較大，提高土壤碳貯量有利于土壤氮素的增加。

2.3.2有機碳與全磷和速效磷含量的關系從圖3可以看出，有機碳與全磷、速效磷均無顯著性線性關系，這可能是人為干擾造成草甸退化從而引起磷素流失引起的。[FL）]

[TPMWW2.tif][FK）]

[FK（W10][TPMWW3.tif][FK）]

2.3.3有機碳與速效鉀含量、pH值的關系從圖4可以看出，速效鉀與有機碳之間亦存在極顯著性的正相關，相關系數(shù)為0.48，其線性相關的斜率為1.81，即有機碳每增加 1 g/kg，速效鉀增加1.81 mg/kg。土壤有機碳和土壤酸度之間不存在顯著性相關關系，有可能是山地的局部小氣候影響和人為干擾導致的土壤退化所致。

3討論與結(jié)論

在海拔1 600～1 900 m范圍內(nèi)，武功山山地草甸不同養(yǎng)分元素整體呈垂直分布規(guī)律，同時由于土壤、氣候、植被等因素影響，其分布又有很強的空間異質(zhì)性特征[11-12]。有機碳、全[CM（25]氮、堿解氮、全磷含量整體隨著海拔的升高而降低；速效磷則隨著海拔的升高而增加，與趙曉蕊等研究結(jié)果[12]相一致；pH值則在1 750 m出現(xiàn)最大值，然后以此為基礎向 1 600、1 900 m 2個方向呈遞減趨勢。不同海拔之間的差異主要體現(xiàn)在氣溫、降水2個方面，隨著海拔的升高，氣溫呈現(xiàn)有規(guī)律的下降趨勢，降水則隨著氣溫的升高而增加，在一定高度上達到最大值，此后隨著海拔的增加又呈現(xiàn)降低趨勢。海拔間的這種水熱差異會引起不同海拔間氣候、土壤和植被等方面的差異，從而間接影響土壤中養(yǎng)分的分布，使得土壤養(yǎng)分的分布具有空間異質(zhì)性。而氣溫、降水在垂直分布上的差異又在一定程度上影響了土壤養(yǎng)分含量，使其養(yǎng)分分布隨著海拔的變化呈現(xiàn)出垂直分布的特征[13]。對不同土壤剖面養(yǎng)分分布的研究也比較多，相同海拔不同土層整體差異顯著，具有很強的表聚性，本結(jié)論與吳艷宏等研究結(jié)果[14-15]一致。主要是由于各種養(yǎng)分來源植物枯枝落葉，而武功山草甸地上地下生物量豐富，植被生長周期短，其枯枝落葉大量集中在土壤表層，腐爛后向表層追加大量養(yǎng)分，導致表層土壤養(yǎng)分含量高，下層含量低，呈明顯的表聚性特征。

前人對有機碳和氮的相關關系研究較多[16]，草甸有機碳與其他養(yǎng)分間的關系研究較少，有機碳與磷素、鉀素間的關系更是少有涉及。在海拔1 600～1 900 m范圍內(nèi)，土壤有機碳與土壤全氮、堿解氮、速效鉀之間均存在極顯著正相關，本結(jié)論與曹麗花等研究結(jié)果[10]相一致。有機碳與全磷、速效磷、pH值關系則不明顯，有機碳變化對磷、pH值影響不顯著，可能是土壤退化導致磷素大量流失，磷素含量大量減少，分布格局發(fā)生變化引起，同時局部小氣候也是影響因素之一。以往有機碳和其他養(yǎng)分間的研究中，有機碳是各養(yǎng)分的核心所在，其含量大小直接影響其他養(yǎng)分的供應[17-18]。隨著武功山草甸退化程度的加劇，土壤覆蓋度的降低，土壤有機碳碳匯來源將大幅減少，有機碳含量急劇下降，這將嚴重影響其他養(yǎng)分的供應和積累，勢必會對土壤養(yǎng)分和生態(tài)環(huán)境造成影響，不利于武功山的生態(tài)發(fā)展。因此，研究不同養(yǎng)分間分布規(guī)律及其有機碳與不同養(yǎng)分間的相關關系，對于武功山草甸植被修復和土壤施肥具有很好的指導意義。

在1 600～1 900 m海拔范圍內(nèi)，土壤養(yǎng)分受水熱條件的影響呈表聚性特征和垂直分布規(guī)律。全氮、堿解氮、速效鉀與有機碳之間呈極顯著的正相關，磷素、pH值則與有機碳相關不顯著。因此，在研究草甸生態(tài)系統(tǒng)時，要充分考慮養(yǎng)分分布特征以及有機碳和其他養(yǎng)分之間的相關性，為生態(tài)修復和草甸施肥提供基礎數(shù)據(jù)和理論指導。

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