元陽梯田景區(qū)森林土壤養(yǎng)分的分布特征

李曉華，田原潤，何永美，郭先華,，蘇友波，胡怡悅，張建育

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué),云南 昆明 650201；2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)中最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，能夠為人類的生產(chǎn)和生活提供各種產(chǎn)品和服務(wù)。森林生態(tài)系統(tǒng)具有涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、森林防護、保護生物多樣性和森林游憩等多種服務(wù)功能[1]。土壤資源是人類生產(chǎn)和生活的最基本、最廣泛和最重要的天然資源，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。森林土壤是森林植被生長所需的物質(zhì)基礎(chǔ)，森林土壤養(yǎng)分是植物生長的重要因子，是評價土地的重要指標(biāo)[3]。土壤養(yǎng)分的組成及其空間分布特征對土壤生產(chǎn)力的提高和生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向具有深遠影響[4]。土壤在時間和空間上具有空間異質(zhì)性，特別是表層土壤，其養(yǎng)分含量具有高度空間異質(zhì)性[2]。因此，研究森林土壤養(yǎng)分空間分布特征對認識森林植物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)能量流動兩方面都意義深遠[5-6]。

元陽為世界遺產(chǎn)紅河哈尼梯田文化景觀的核心區(qū)。水被稱為元陽梯田景觀的靈魂，而森林生態(tài)系統(tǒng)為元陽梯田的重要水源。元陽縣是一個森林資源豐富的地區(qū)，森林土壤養(yǎng)分是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要成分，對森林的長期生存起著重要作用。許圓圓等[7-8]對元陽梯田景區(qū)不同森林群落土壤氮、磷元素及其循環(huán)進行了研究，但是關(guān)于元陽梯田景區(qū)森林土壤養(yǎng)分的含量以及空間分布特征的研究尚未見報道。而森林群落是元陽梯田主要的植物群落之一，也是元陽梯田的重要森林資源，森林位于山頂，為哈尼梯田儲蓄大量的水資源，是其重要的水源林。本研究根據(jù)第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)將云南省元陽縣新街鎮(zhèn)壩達、小水井兩個區(qū)域的森林土壤養(yǎng)分劃分等級，土壤養(yǎng)分分級是以極高、高、中、低、缺、極缺表示土壤養(yǎng)分豐缺程度，用以評價壩達、小水井兩區(qū)的土壤養(yǎng)分質(zhì)量。同時對研究區(qū)各養(yǎng)分的空間變異性進行了研究，為森林生態(tài)系統(tǒng)合理管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 長期試驗地概況

元陽縣位于云南省南部，哀牢山脈南段，紅河南岸[9]，本研究以元陽縣新街鎮(zhèn)壩達、小水井2個區(qū)域為研究區(qū)，位于23°06′20″-23°07′30″N， 102°43′30″-102°46′31″E，海拔1 840-2 060m。林區(qū)年均氣溫16.4℃，相對濕度85%，年平均日照時數(shù)1 770.2h，年平均降雨量為1 397.6mm，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤以紅壤分布最廣，研究區(qū)內(nèi)物種繁多，每個生物群落均有喬灌層。每個生物群落的總蓋度均超90%，林區(qū)內(nèi)人為破壞小，森林保護完好[8]。54個典型土壤樣地的基本情況見表1-表2。

表1 壩達土壤樣地基本情況

注：旱冬瓜AIulsnepalensisD．Don；杉木Cunninghamialanceolata(Lamb．) Hook．；五眼果Choerospondiasaxillaris(Roxb.)Bt.et Hill.；茶樹Camelliasinensis；云南松PinusyunnanensisFranch.。

表2 小水井土壤樣地基本情況

注：榿木AlnuscremastogyneBurk.；紅油果樹StranvaesiadavidianaDcne.。

1.2 供試土壤

根據(jù)元陽梯田自身特點，在壩達和小水井分別按照不同海拔進行布點，每個海拔選取1個標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個樣地的面積是20m×20m，在各樣方里采集土壤。每個研究區(qū)均選取9個海拔，共18個樣地。每個標(biāo)準(zhǔn)樣地依照S形隨機選取5個點采集土壤合成1份混合土壤，采樣面積為15cm×15cm、深度為0-10cm，密封保存帶回實驗室。每個處理取3個重復(fù)的混合土樣，共計54份混合土壤。采集過程中保證上下均勻，除去動植物殘留體、枯枝落葉、礫石等，且每個點采樣土壤原始質(zhì)量大于1kg。每個樣地均記錄其經(jīng)緯度、海拔和植被類型。采回的土壤一部分經(jīng)過自然風(fēng)干，揀去植物根系和石塊等處理后研磨過篩，用于測定土壤養(yǎng)分含量，一部分冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 土壤樣點分布圖

1.3 分析項目與方法

包括pH、有機碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀，測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[9]。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析采用Excel、Origin 9.0和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下的土壤基本理化性質(zhì)

壩達、小水井兩地區(qū)不同植被類型下土壤的基本化學(xué)性質(zhì)見表3-表4。

表3 壩達土壤基本理化性質(zhì)

注：不同小寫字母表示不同植被類型同一土層在0.05水平上的顯著差異，下同。

表4 小水井土壤基本理化性質(zhì)

2.1.1 不同植被類型土壤pH值

對壩達、小水井兩個研究區(qū)不同植被類型土壤pH值的結(jié)果分析，壩達區(qū)域內(nèi)幾種植被類型的土壤pH值在4.61-5.21之間，呈酸性土壤，其中，云南松的土壤pH值最高，總體而言，針葉林的土壤pH值高于闊葉林的土壤pH值。小水井區(qū)域幾種植被類型的土壤pH值在4.48-5.15之間，亦呈酸性，且土壤pH值大小順序為榿木>草地>杉木>茶樹>云南松>旱冬瓜>紅油果樹，總體上針葉林的土壤pH值高于闊葉林的土壤pH值。

2.1.2 不同植被類型土壤總有機碳

土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量的主要依據(jù)，有機碳不僅能增強土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養(yǎng)分的有效性，而且可促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強土壤的緩沖性等[10]。

對壩達不同植被類型下土壤總有機碳含量的分析結(jié)果見圖2。

圖2 壩達和小水井不同植被類型的土壤總有機碳

不同植被類型間表層土壤總有機碳的含量各不相同。其中，旱冬瓜土壤總有機碳的含量最高，達53.24g/kg；杉木的含量最低，僅為36.79g/kg。

對小水井不同植被類型下土壤總有機碳含量的分析結(jié)果顯示，不同植被類型間表層土壤中，紅油果樹下土壤總有機碳的含量最高，達66.44g/kg；其次為旱冬瓜、云南松，而榿木、茶樹、草地下土壤的總有機碳含量較低，表現(xiàn)出闊葉林含量高，這與土壤表層不同植被凋落物的性質(zhì)有關(guān)。

兩個研究區(qū)相比，壩達林場的土壤總有機碳的含量較高，平均為45.56g/kg，這與壩達人為破壞程度較小，有利于有機質(zhì)積累有關(guān)；而小水井人為破壞程度較大，人工植被恢復(fù)的時間相對較短，進入土壤當(dāng)中的有機殘體的數(shù)量相對較少。

2.1.3 不同植被類型土壤氮素

土壤全氮是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。森林土壤全氮量的消長與土壤有機碳含量變化相似，主要決定于各地有機碳積累與分解作用的相對強度。堿解氮也被稱為土壤水解性氮，是評價土壤有效氮量的重要指標(biāo)[11]。

壩達不同植被類型的土壤全氮和堿解氮含量見圖3。

圖3 壩達不同植被類型的土壤全氮和堿解氮

壩達不同植被類型下0-10cm土層全氮量的變化規(guī)律為茶樹>旱冬瓜>五眼果>草地>杉木>云南松。而壩達不同植被類型土壤堿解氮含量占全氮含量的2.69%-8.45%。

小水井不同植被類型的土壤全氮和堿解氮含量見圖4。

圖4 小水井不同植被類型的土壤全氮含量和堿解氮含量

小水井不同植被類型下表層土壤全氮量的大小順序為紅油果樹>旱冬瓜>榿木>云南松>茶樹>草地>杉木。結(jié)果分析可知，該地區(qū)堿解氮含量占總氮含量的4.09%-4.57%，且其變化規(guī)律與全氮量的變化規(guī)律基本一致。

2.1.4 不同植被類型土壤磷素

磷是植物生長必需的營養(yǎng)元素，它以多種途徑參與土壤系統(tǒng)的代謝過程，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[12]。磷作為植物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，越來越受到人們的關(guān)注[13]。研究土壤中磷素組分的轉(zhuǎn)化特征，對于提高植物對磷素的有效性具有現(xiàn)實意義。其中，土壤速效磷是土壤磷素現(xiàn)實供應(yīng)的指標(biāo)。

研究結(jié)果表明(圖5)，壩達研究區(qū)不同林分林下土壤全磷含量在0.44-0.77g/kg之間；小水井研究區(qū)不同林分林下土壤全磷含量在0.71-1.43g/kg之間。

圖5 壩達和小水井不同植被類型的土壤全磷

研究區(qū)速效磷含量見圖6。根據(jù)Chapman的分級標(biāo)準(zhǔn)[14]對該地區(qū)土壤速效磷進行分級評價，土壤速效磷含量在2.35-6.20mg/kg之間，供應(yīng)等級為中級。對小水井土壤速效磷含量的研究表明，不同植被類型之間土壤速效磷含量各不相同，榿木林下速效磷含量最高，杉木林下速效磷含量最低，前者是后者的1.6倍。

圖6 壩達和小水井不同植被類型的土壤速效磷

2.1.5 不同植被類型土壤鉀素

鉀是植物營養(yǎng)的元素之一[15]，對于森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和營養(yǎng)維持具有十分重要的意義[16]。鉀元素主要以礦物態(tài)的形式存在于土壤中，土壤中鉀元素含量及其有效性對于植物的生理活動、植物間的競爭、根系分泌物的碳轉(zhuǎn)換和林木健康具有重要意義[16]。

土壤中鉀的存在形態(tài)可分為無效態(tài)鉀、緩效態(tài)鉀以及速效鉀。土壤速效鉀包括土壤溶液中的鉀和吸附在土壤膠體表面的代換性鉀，兩者均容易被植物吸收利用，因此常用土壤速效鉀來評價土壤鉀素養(yǎng)分供應(yīng)的水平[14]。

圖7 壩達和小水井不同植被類型的土壤全鉀含量

對土壤全鉀的統(tǒng)計分析表明，壩達不同林型土壤全鉀含量最高的是云南松，為15.98g/kg，最低的是茶樹，為6.64g/kg；小水井不同林型土壤全鉀含量最高的是草地，為21.06g/kg，最低的是紅油果樹，為5.06g/kg。

圖8 壩達和小水井不同植被類型的土壤速效鉀

對壩達土壤速效鉀含量的測定結(jié)果分析可知，不同植被類型間的土壤速效鉀含量存在很大差異。壩達土壤速效鉀含量的測定結(jié)果表明：不同植被類型土壤表層五眼果樹、云南松和草地的土壤速效鉀含量分別為76.86mg/kg、73.49mg/kg、71.38mg/kg，高于其他植被類型。兩個研究區(qū)相比，壩達的土壤速效鉀含量較高，這可能是由于該研究區(qū)植被覆蓋度大，有機殘體分解時可以產(chǎn)生更多的鉀。

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異性

對研究區(qū)域內(nèi)18個樣點的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進行常規(guī)計算統(tǒng)計分析，結(jié)果見表5。

表5 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計

根據(jù)全國第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，壩達和小水井兩個研究區(qū)的土壤有機碳均達到一級標(biāo)準(zhǔn)，即養(yǎng)分處于極高水平，這與兩個研究區(qū)域均為保護完好，人為破壞程度小的森林有關(guān)。壩達和小水井的土壤全氮均為一級標(biāo)準(zhǔn)，堿解氮也均為一級水平，養(yǎng)分處于極高狀態(tài)。這是由于土壤中的氮素是由成土過程中微生物的作用積累的，大部分呈有機態(tài)，因而氮素含量高低與有機碳的含量高低密切相關(guān)[17]。土壤中全磷含量高時并不意味著磷素供應(yīng)水平高[18]。本研究中全磷的養(yǎng)分水平在研究區(qū)域符合三級標(biāo)準(zhǔn)，即養(yǎng)分中等；速效磷的養(yǎng)分水平在研究區(qū)域符合五級水平，處于缺乏水平，這表明研究地區(qū)土壤普遍缺磷，土壤嚴(yán)重供磷不足。研究結(jié)果表明，全鉀在壩達屬于四級水平，在小水井為五級水平，養(yǎng)分處于缺乏水平；速效鉀在全區(qū)與全鉀水平相同，即養(yǎng)分缺乏?？傮w而言，壩達和小水井兩個研究區(qū)養(yǎng)分處于中等偏低狀態(tài)，有機碳和氮素養(yǎng)分水平相對較高，處于極高水平；而磷素和鉀素養(yǎng)分則處于缺乏狀態(tài)，這可能是由于研究區(qū)域受人為影響小，土壤沒有進行人工施肥。

變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，是評價指標(biāo)值變異程度的統(tǒng)計量。變異系數(shù)能夠反映土壤的內(nèi)在性質(zhì)，體現(xiàn)土壤養(yǎng)分對外部環(huán)境的靈敏度。一般認為，變異系數(shù)<10%時為弱變異性；變異系數(shù)介于10%-100%為中等強度變異性；變異系數(shù)>100%為強變異性[19]。從表5中可以看出，研究區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)在15%-60%之間，7個養(yǎng)分指標(biāo)變異系數(shù)都屬于中等強度變異性。不考慮空間位置，從養(yǎng)分指標(biāo)的隨機分布來看，7個養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布總體為散點狀，水平方向差異較大。究其原因可能是由于地表植被覆蓋度、土壤裸露度、土壤水土流失狀況不盡相同，導(dǎo)致研究區(qū)的土壤養(yǎng)分變異程度較大。例如壩達部分采樣點分布在水庫附近的生態(tài)林帶，土質(zhì)疏松，地表徑流多，植被覆蓋率不如原始或者次生林，導(dǎo)致該部分地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量低且易于流失。成土母質(zhì)、土壤類型、氣候條件、土壤顆粒、植被類型、降雨都是造成土壤養(yǎng)分變異的重要原因。壩達統(tǒng)計指標(biāo)中變異性最小的是土壤的有機碳和全磷，變異系數(shù)分別為15.82%和20.89%，小水井統(tǒng)計指標(biāo)中變異性最小的是土壤的有機碳和全氮，變異系數(shù)分別為23.46%和26.50%，綜合分析認為，研究地區(qū)土壤有機碳和全氮指標(biāo)屬中、低度變異程度，低敏感度指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同林分下土壤的養(yǎng)分含量

由于土壤表層養(yǎng)分濃度較高，當(dāng)前大多報道集中在表層土壤養(yǎng)分的研究，文波龍等[20]對于元陽梯田景區(qū)土壤的養(yǎng)分垂直分布規(guī)律進行了研究；許圓圓等[10-11]對元陽梯田景區(qū)不同森林群落土壤氮、磷元素及其循環(huán)進行了研究，而對于元陽梯田景區(qū)森林土壤的養(yǎng)分特征還未有完整的研究。所以本文不但研究了有機碳、氮素和磷素，同時也研究了鉀素的分布，并從研究區(qū)內(nèi)不同林型土壤養(yǎng)分含量和整個研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異性兩個方面做出了探討。

蔣文偉等的相關(guān)研究表明，森林植被類型對土壤養(yǎng)分具有一定的影響作用[21]。不同的植被類型，其根系深度、對土壤養(yǎng)分的吸收強度和深度都存在差異，因而不同植被類型的土壤養(yǎng)分特征也存在差異[22]。本研究對壩達、小水井不同植被類型下土壤養(yǎng)分的差異進行比較分析，結(jié)果表明：植被類型對于森林土壤養(yǎng)分的分布具有顯著影響。張繼平等[22]的研究也證明，在同一土壤剖面內(nèi)，不同森林植物群落的養(yǎng)分含量差異顯著?？傮w來講，土壤有機碳和氮素含量整體表現(xiàn)為闊葉林>針葉林，這與楊麗霞[23]有關(guān)森林土壤有機碳庫組分定量化研究中的結(jié)果相一致。

3.2 土壤養(yǎng)分的空間變異性

森林土壤養(yǎng)分分布受多種環(huán)境因素的綜合作用，因而土壤養(yǎng)分含量在空間分布上具有明顯差異性。本研究中，壩達和小水井森林土壤養(yǎng)分均屬于中等變異性，其中全鉀的變異程度最大，而氮素和磷素的速效養(yǎng)分變異程度大于全量。

梯田景區(qū)森林土壤各養(yǎng)分均表現(xiàn)出高度的空間異質(zhì)性。研究區(qū)土壤總氮含量和堿解氮含量都很高，表明研究區(qū)氮素含量十分豐富。這是由于研究區(qū)內(nèi)植被完好保護，受人為影響小，因而枯枝落葉累積量大。長期的腐殖化作用使得大量的腐殖質(zhì)富集，有機碳含量豐富，從而有利于氮素的累積。

研究區(qū)森林土壤磷素含量較小，但其空間變異程度大。這是由于土壤全磷含量受氣候因子影響很大，在熱帶、亞熱帶地區(qū)氣候高溫多雨加快了土壤分化速度與磷元素的淋溶[24-25]。速效磷含量也較低，這主要由于研究區(qū)內(nèi)地形崎嶇，地面坡度較陡，雨水對地表切割作用大，導(dǎo)致地表破碎嚴(yán)重，水土流失極易發(fā)生，且流失速度快、流失量大而流失面積廣，加快了速效磷的流失。

研究區(qū)森林土壤含鉀量也較低，全鉀和速效鉀均屬缺乏水平，土壤全鉀、速效鉀的變異性和其它養(yǎng)分一樣都是受成土母質(zhì)、氣候因素、土壤類型、地形因子等因素的綜合作用。研究區(qū)全鉀與速效鉀空間變異存在差異，說明二者形成的主導(dǎo)因素不同，土壤中的新鮮植物殘體、根系、微生物中均含有一定量的鉀，但這些并不能形成穩(wěn)定的含鉀有機物。一旦有機體死亡，其所含的鉀就會被水淋洗或浸提出進入土壤，是土壤速效鉀的組成部分和補充液態(tài)鉀以及交換性鉀的重要來源[26-28]。