武夷山不同海拔土壤性狀研究進展

祁雪連，錢 琦，錢學(xué)詩，唐羅忠

(1.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037)

武夷山位于福建省西北部(27°33′—27°54′N、117°27′—117°51′E)，是國家級自然保護區(qū)。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均氣溫18.3 ℃，年均相對濕度83.5%，年均霧日100 d以上，年均降水量2000 mm左右。武夷山擁有世界上同緯度帶現(xiàn)存面積最大、保存最完整的中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)。境內(nèi)物種豐富，植被垂直帶譜分布完整，從低海拔到高海拔依次為常綠闊葉林、針闊混交林、針葉林、亞高山矮林以及高山草甸等植物群落[1-2]?；谖湟纳降乩砦恢玫奶厥庑裕瑲夂蚝蜕鷳B(tài)系統(tǒng)的代表性，至今已有許多學(xué)者針對該地區(qū)的生物多樣性、土壤理化性質(zhì)和生物性狀等進行研究，取得了一定進展。本文系統(tǒng)地闡述了國內(nèi)外關(guān)于武夷山不同海拔土壤性質(zhì)的研究成果，以期為進一步研究武夷山生態(tài)系統(tǒng)的演化規(guī)律及其與環(huán)境的互作關(guān)系提供參考。

1 土壤物理性狀

1.1 土壤機械組成

土壤機械組成決定著土壤質(zhì)地，影響土壤的理化性質(zhì)與肥力狀況[3]，是土壤分類的重要依據(jù)之一。武夷山土壤總體屬于壤土，由于母巖和成土環(huán)境有所不同，土壤質(zhì)地存在一定差異，但基本上是隨海拔的升高，從中壤土向輕壤土、砂壤土過渡[4]。黃群山等[5]在對武夷山6個代表性土壤剖面進行研究后發(fā)現(xiàn)，在土壤表層(A層)物理性粘粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占10%～31%，土壤粘粒含量隨海拔升高而逐漸減少，并于山體下部出現(xiàn)明顯的粘粒下移現(xiàn)象。這主要是隨著海拔的升高，溫度下降，降雨量增加，濕度增大，導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化作用減弱，土壤質(zhì)地變粗[6]。從土壤的顆粒組成看，隨海拔的升高，粘粒含量減少，各層粉粘比增大[7]。

1.2 土壤顏色

土壤顏色是比較直觀和重要的土壤形態(tài)特征之一，它既能反映土壤物質(zhì)的組成和變化，又是成土過程的結(jié)果和外在表現(xiàn)，因生物作用、水熱條件、地形條件等因素而不同。許慧瓊[4]研究發(fā)現(xiàn)土壤中的化學(xué)物質(zhì)會隨海拔的變化而變化，一般而言，隨著海拔的降低，土壤中暗色的有機質(zhì)和褐鐵礦減少，紅色而高亮的赤鐵礦增加，使得表土層亮度和彩度隨海拔的下降而增大。羅榕婷等[8]通過對武夷山不同海拔土壤剖面B層顏色的對比發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高，土壤的彩度由濃變淡，亮度由白轉(zhuǎn)黑。土壤顏色的深淺一般與腐殖質(zhì)含量呈正相關(guān)，黑色一般是肥力高的標(biāo)志。因此，從土壤顏色可以發(fā)現(xiàn)武夷山土壤腐殖質(zhì)的累積隨海拔的增高而增加，同時發(fā)現(xiàn)黃壤具有較強的黃化現(xiàn)象[9-10]。武夷山的土壤從低海拔到高海拔總體呈紅壤、黃紅壤、黃壤和山地草甸土的趨勢[11]。

1.3 土壤有效層厚度

武夷山土壤層次分化較為明顯，一般可劃分為腐殖質(zhì)層 (A)、淀積層 (B)及母質(zhì)層 (C)，A層與B層之間普遍存在過渡層(AB層)[4]?；谕寥婪柿χ饕性贏層，因此多數(shù)研究選擇A層作為研究對象。研究發(fā)現(xiàn)土層厚度基本上是隨海拔升高而減小[7]。這主要是因為低海拔地區(qū)溫濕度適宜、凋落物較多、土壤動物和微生物活動頻繁，促進了母質(zhì)分化和土壤的形成，改善了土壤質(zhì)地，增加了土壤肥力，使土層厚度增大。

2 土壤化學(xué)性狀

2.1 土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo)，也是決定土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)的重要基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)武夷山土壤有機質(zhì)含量基本上是隨海拔升高而增加[7，12]。這主要是因為隨著海拔的升高，溫度降低，濕度增大，土壤團聚體比例增加，土壤微生物活性減弱，有機質(zhì)分解速率減慢，更多的有機質(zhì)得以積累。但羅榕婷等[8]也發(fā)現(xiàn)，有些高海拔地帶的土壤有機質(zhì)含量會明顯低于低海拔地帶，這可能與局部的小地形條件有關(guān)，也可能受樹木砍伐、植被破壞等人為干擾因子的影響，導(dǎo)致高海拔地帶土壤有機質(zhì)含量降低。

在同一剖面，表層土壤有機質(zhì)含量往往明顯高于下層土壤，且隨海拔升高，土壤剖面有機質(zhì)含量自表層向下減少幅度逐漸減小，其原因主要是隨著海拔的升高，植被由木本轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼尽Ｄ颈局脖坏牡蚵湮镏饕谴罅康目葜β淙~，多集中于土壤表層，土壤下層中的根系凋落物相對較少，所以容易造成土壤有機質(zhì)由表層向下層急劇減少；而草本植被凋落物主要來源于死亡的根系，地上部分枯落物相對較少，再則高海拔的土壤有效層較淺，所以土壤有機質(zhì)含量由表層向下層減少幅度較小[7，13]。

2.2 土壤交換性鹽基含量

土壤交換性鹽基含量基本代表了土壤潛在的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，可以作為評價土壤保肥能力的指標(biāo)。盧超[7]研究發(fā)現(xiàn)武夷山土壤交換性鹽基含量基本上在6.97～35.41 cmol·kg-1范圍內(nèi)，且整體上是隨海拔升高而逐漸增大。交換性鹽基中以Ca2+為主，K+、Mg2+居中，Na+含量最低。在相同海拔高度，土壤交換性鹽基總量是隨土壤深度的增加而下降?？傮w而言，由于風(fēng)化程度較高，脫硅富鋁化作用較強，武夷山土壤的鹽基飽和度普遍較低，呈現(xiàn)為明顯的鹽基不飽和狀態(tài)[3，9]。

2.3 土壤pH值

武夷山土壤pH值因其母巖的化學(xué)性質(zhì)、植被類型和小氣候等條件不同而存在一定差異[14]，大量研究結(jié)果表明武夷山土壤呈酸性，如黃群山等[5]研究發(fā)現(xiàn)土壤pH值在4.2～4.5范圍內(nèi)，田珊娜[3]的研究認(rèn)為pH值在4.5～6.0范圍內(nèi)。在同一土壤剖面，上層土壤pH值要低于下層土壤[7]。而在不同海拔高度，武夷山土壤pH值則無明顯的變化規(guī)律[15]。這可能與成土母質(zhì)、土地利用方式、種植制度、土壤有機質(zhì)含量等多種自然與人為因素的綜合影響有關(guān)。但是，因為武夷山黃壤具有較高含量的交換性鋁離子，且土壤有機質(zhì)含量少，對酸的緩沖能力弱，所以其pH值普遍小于山地草甸土[8]。

3 土壤生物性狀

3.1 微生物性狀

3.1.1 微生物群落特征 土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，與土壤肥力密切相關(guān)。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性不僅能反映土壤環(huán)境質(zhì)量，還對保持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要影響[16-18]。運用BIOLOG微平板技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物的主要碳源是碳水化合物和羧酸類碳源，且天然林的土壤微生物代謝功能多樣性明顯高于人工林；運用末端限制性片段長度多態(tài)性法(T-RFLP)和磷脂脂肪酸標(biāo)記法 (PLFA)研究武夷山常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林、高山草甸這4種不同海拔典型植被帶中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征時發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落多樣性受植被類型的影響，常綠闊葉林的土壤微生物群落多樣性明顯高于其它植被類型[19-21]。土壤微生物群落多樣性會隨著海拔的上升以及土層的加深而降低。金裕華[22]研究發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高，土壤微生物各類群數(shù)量分布顯著改變，即細(xì)菌所占比例逐漸升高，真菌比例逐漸降低，而且具有明顯的季節(jié)性特征，即總菌數(shù)、細(xì)菌數(shù)、放線菌數(shù)和真菌PLFAs數(shù)呈現(xiàn)夏季>秋季>春季>冬季的變化趨勢[23]。且土壤微生物群落多樣性在低海拔地區(qū)易受溫度的影響；升溫會影響低海拔地區(qū)土壤中總PLFAs、細(xì)菌、真菌和放線菌的豐度[24]。

3.1.2 微生物碳氮含量 武夷山生態(tài)系統(tǒng)中的土壤微生物碳氮量均具有明顯的季節(jié)特征。陳涵貞等[25]研究發(fā)現(xiàn)，常綠闊葉林土壤微生物碳含量在夏季顯著大于其它季節(jié)，土壤微生物氮含量也有類似現(xiàn)象[26]，這主要是由于武夷山夏季溫度高、雨水充沛，為微生物的活動與繁殖提供了適宜的條件。

土壤微生物碳氮含量與海拔高度具有明顯的相關(guān)性。王豐[27]在研究常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林、高山草甸這4種群落土壤微生物碳時發(fā)現(xiàn)，其含量是隨海拔的上升而增加，并隨土壤深度的增加而減小。土壤微生物碳含量與海拔的相關(guān)性主要是受土壤濕度、總有機碳含量、全氮、全磷含量的影響，隨著海拔的升高，土壤濕度、總有機碳含量、土壤全氮、全磷含量增加，有利于微生物的活動，促進了土壤微生物碳含量的提高[28-29]；而土壤微生物碳含量與土層深度的相關(guān)性主要是受到土壤溫度和有機質(zhì)含量的影響，隨著土層的加深，溫度和有機質(zhì)含量下降，氧氣含量降低，微生物活動受到限制。

王國兵等[30]研究表明土壤微生物氮含量的變化規(guī)律與微生物碳含量變化規(guī)律一致，即隨著海拔的上升而增加，隨著土壤深度的增加而減小。范躍新等[31]佐證了溫度與濕度的變化是導(dǎo)致不同海拔土壤微生物氮含量發(fā)生變化的主要原因。

3.2 土壤氮礦化

土壤氮礦化是指土壤中的有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮(主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)的過程，其受溫度、濕度、土壤凋落物組成等因子的影響[32-33]。徐憲根等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在5～35 ℃范圍內(nèi)土壤氮礦化量和氮礦化速率會隨溫度的升高而顯著增加；土壤氮礦化的Q10值在15～25 ℃時達(dá)到最大，表明土壤氮礦化對溫度的敏感性在15～25 ℃時最高。不同海拔植被群落的土壤氮礦化速率存在差異，其中亞高山矮林的土壤氮礦化速率最高，其平均值是常綠闊葉林的1.31倍，高山草甸的1.40倍，針葉林的2.93倍，所以土壤氮礦化速率呈現(xiàn)為亞高山矮林>常綠闊葉林>高山草甸>針葉林的趨勢。

不同海拔的土壤銨態(tài)氮含量與硝態(tài)氮含量變化趨勢并不一致，徐憲根[35]發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)為高山草甸>亞高山矮林>常綠闊葉林>針葉林的趨勢；而硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)為常綠闊葉林>亞高山矮林>高山草甸>針葉林的趨勢。這主要與不同海拔植被的土壤性質(zhì)以及環(huán)境條件有關(guān)。在相同海拔和相同植被條件下，土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均隨土壤深度的增加而減小。李巍等[36]研究發(fā)現(xiàn)，武夷山雨季時的土壤氮礦化速率大于旱季，表明降雨是影響該地區(qū)土壤氮礦化速率的重要因素。

3.3 土壤酶活性

土壤酶活性是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一[37]，與海拔、植被類型、土壤溫濕度、有機質(zhì)、微生物等密切相關(guān)[38-40]。金裕華等[41]在研究武夷山土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶4種酶活性的季節(jié)變化和海拔梯度變化時發(fā)現(xiàn)，酸性磷酸酶在秋季的活性顯著高于其它季節(jié)，而其余3種酶的活性無明顯的季節(jié)差異；同時發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高土壤酶活性總體呈上升趨勢。解心潔等[42]在研究不同海拔土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶和蛋白酶的活性差異時也發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性總體上隨海拔的升高而增強。在相同海拔高度，土壤酶活性具有明顯的土壤層次差異性，即土層越深酶活性越低[22]。分析認(rèn)為，土壤酶活性的海拔變化規(guī)律和土壤層次間的差異主要與土壤有機質(zhì)含量有關(guān)[22，41-42]。

楊式雄等[43-44]在研究武夷山常綠闊葉林、針闊混交林、杉木純林等9種林型的土壤酶活性差異時發(fā)現(xiàn)，林型不同，土壤酶活性不同。在各種林型中，除了過氧化物酶活性的季節(jié)性變化不明顯外，蛋白酶、脲酶、酸性磷酸酶等其它7種土壤酶活性具有比較明顯的季節(jié)動態(tài)變化，呈現(xiàn)夏季最高，秋季次之，冬季最低的特征。此外，除了多酚氧化酶外，其它土壤酶活性均隨著土壤剖面深度的增加而下降。

3.4 動物性狀

土壤動物是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中的主要分解者之一，是聯(lián)絡(luò)陸地生態(tài)系統(tǒng)地上與地下部分物質(zhì)和能量的重要樞紐，影響土壤的理化性質(zhì)和肥力，受土壤溫濕度、凋落物的種類和數(shù)量等多種因素影響[45-46]。研究結(jié)果[47]表明，武夷山土壤動物群落中蜱螨目、彈尾目、鞘翅目、膜翅目這4種類群在數(shù)量上占優(yōu)勢，且隨著海拔的上升，土壤動物的總類群數(shù)、總密度和群落多樣性指數(shù)明顯下降，其原因可能是隨著海拔的上升，氣溫降低、植被多樣性和土壤有機質(zhì)多樣性降低，導(dǎo)致高海拔地帶土壤動物數(shù)量和多樣性降低[48]。

武夷山多數(shù)植被類型的土壤動物群落具有明顯的“表聚現(xiàn)象”，但是高山草甸土中的彈尾目、膜翅目、雙翅目 (幼蟲)、等足目等動物類群則較多聚集在10～25 cm的土層中[49]，這可能與其海拔高、表層土壤的溫度、光照強度、水分含量等因子的變化幅度較大有關(guān)。

4 研究展望

迄今已有許多學(xué)者針對武夷山不同海拔高度的典型植被特征和土壤主要性狀(包括物理、化學(xué)、生物性狀)進行深入研究，取得了豐碩成果，但是，基于地質(zhì)與地形、植被類型、環(huán)境因子的時空變化以及人為擾動的影響，至今有許多問題尚不清楚。今后，可對以下方面進行研究。

1)武夷山不同海拔植被、土壤生化性質(zhì)的差異性及其對氣候變化的響應(yīng)過程和響應(yīng)機制研究，探明亞熱帶典型植被及土壤性質(zhì)隨海拔變化的機理，構(gòu)建因果關(guān)系的量化模型，尋找基本驅(qū)動因子，為預(yù)測未來的變化趨勢、預(yù)防生態(tài)退化提供理論和技術(shù)參數(shù)。

2)深入、系統(tǒng)地研究人為擾動因子對武夷山不同海拔典型植被及土壤性質(zhì)的影響程度與影響機制，重點研究用材林、經(jīng)濟林等人工林營造對土壤和生物的影響程度和影響范圍，為武夷山生態(tài)系統(tǒng)的評價與管理提供重要理論參考。

3)強化國家級和省部級研究平臺的建設(shè)與管理，開展長期的定位觀測與研究；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信息平臺，促進成果共享與信息交流；加強與其它氣候帶、其它區(qū)域植被和土壤的橫向比較，探尋武夷山植被與土壤的特異性及其成因。