云南烏蒙山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分特征1)

張燕 王平 孟月 李偉 尹正吉

(云南師范大學(xué)，昆明，650500)(云南烏蒙山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)局)(云南省測(cè)繪工程院)

土壤不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，更是土壤養(yǎng)分的重要儲(chǔ)存器，它為植物生長繁殖提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，影響著植被的物種組成、結(jié)構(gòu)變化和生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[2]。不同植被類型的凋落物、儲(chǔ)量、養(yǎng)分歸還量及凋落物分解速率不同，林下土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異明顯[3-4]。因此，不同的植被類型影響著土壤的養(yǎng)分循環(huán)[1]、性狀和發(fā)育程度[5-6]。碳、氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育的必需元素[7]，準(zhǔn)確了解不同植被類型土壤養(yǎng)分分布、供應(yīng)狀況及限制因素，對(duì)植被生長狀況預(yù)測(cè)、森林土壤管理有重要意義。

董廷發(fā)等[8]對(duì)不同海拔云南松土壤研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分隨海拔變異明顯，表現(xiàn)為少C低P；曹小玉等[9]研究了中亞熱帶幾種典型森林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明不同森林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)受森林類型影響明顯；郝寶寶等[10]研究陜北風(fēng)沙區(qū)不同植被類型養(yǎng)分特征并做了肥力評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其肥力較低且肥力綜合值無顯著差異；羅維成等[11]對(duì)不同氣候區(qū)灌叢沙錐做了養(yǎng)分研究，表明不同灌叢沙錐養(yǎng)分有顯著差異。有關(guān)研究從不同海拔、區(qū)域、氣候區(qū)等方面分析了土壤養(yǎng)分分布特征，以及土壤養(yǎng)分分布和環(huán)境因子的關(guān)系，但大部分只獨(dú)立描述了土壤養(yǎng)分特征。張雨鑒等[12]根據(jù)生態(tài)化學(xué)計(jì)量對(duì)滇中5種林型下的土壤碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行了研究，表明5種不同林型、不同土層深度土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計(jì)量比存在顯著差異；趙洛琪等[13]研究了不同植物群落土壤養(yǎng)分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及其養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比，表明不同植物群落對(duì)土壤養(yǎng)分的影響在空間及時(shí)間上均具有一定的影響，土壤氮、磷元素是限制植物群落發(fā)展的主要因子；何高迅等[14]研究了滇中退化山地不同植被類型對(duì)土壤碳、氮、磷儲(chǔ)量和化學(xué)計(jì)量的影響，表明植被類型和土壤深度及其交互作用顯著影響研究區(qū)的土壤有機(jī)碳、土壤全氮和土壤全磷儲(chǔ)量和化學(xué)計(jì)量比，植被修復(fù)主要受到氮元素的限制?？梢娡ㄟ^對(duì)土壤養(yǎng)分各元素之間的比例關(guān)系研究，可全面了解土壤的養(yǎng)分狀況[15-16]，從而預(yù)測(cè)該區(qū)植被生長狀況。

本研究選取烏蒙山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)原生常綠闊葉林、次生常綠闊葉林、原生常綠-落葉闊葉混交林、次生常綠-落葉闊葉混交林、方竹林、草甸等6種植被類型，對(duì)其土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究，以期為了解滇東北植被與土壤養(yǎng)分的關(guān)系、不同植被類型土壤養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

云南烏蒙山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于云南省東北部的昭通市境內(nèi)，地理坐標(biāo)為103°51′47″～104°45′4″E，27°47′35″～28°17′42″N[17]；以中山地貌為主，海拔980～2 454.7 m，相對(duì)高度1 474.7 m[18]，氣候垂直分異明顯，主要為山地北亞熱帶、暖溫帶和中溫帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫15 ℃，年降水量在800～1 300 mm，年日照時(shí)間1 000 h以下[19]。烏蒙山自然保護(hù)區(qū)及其附近地區(qū)屬于金沙江水系，較大的河流有洛澤河、白水江、黃水河、大關(guān)河、木桿河和小河等[19]。土壤類型主要有紫色土、黃壤、黃棕壤和沼澤土[19]。植被類型主要為常綠闊葉林、常綠-落葉闊葉混交林、竹林及草甸，主要的珍稀優(yōu)勢(shì)樹種為珙桐(Davidiainvolucrata)林、峨眉栲(Castanopsisplatycantha)林、華木荷(Schimasinensis)林等[18]。

2 研究方法

2.1 樣品采集及處理

在保護(hù)區(qū)內(nèi)選擇原生常綠闊葉林(Ⅰ)、次生常綠闊葉林(Ⅱ)、原生常綠-落葉闊葉混交林(Ⅲ)、次生常綠-落葉混交林(Ⅳ)、方竹林(Ⅴ)、草甸(Ⅵ)等6種植被類型為研究對(duì)象，選擇立地條件大體一致的區(qū)域設(shè)置6個(gè)50 m×50 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地(見表1)。在每個(gè)樣地內(nèi)沿“S”型選取5個(gè)采樣點(diǎn)挖剖面，分別不同土層由下至上采集土樣，將不同0～100 cm土層分為4層，將各土層(h)分別為0

表1 研究樣地基本概況

2.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定

土壤有機(jī)碳(C)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測(cè)定，土壤全氮(N)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用凱式定氮法測(cè)定，土壤全磷(P)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀(K)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[20]，重復(fù)測(cè)定3次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2019和SPSS 22.0,利用單因素方差(One-way ANOVA)分析及多重比較(LSD)的方法對(duì)不同林型和不同土層土壤C、N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比值進(jìn)行差異比較。用Preson相關(guān)系數(shù)法分析土壤養(yǎng)分及比值的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比

由表2可知，烏蒙山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)6種不同植被類型下土壤C、N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其比值在0～100 cm發(fā)生規(guī)律性變化。6種植被類型土壤C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.19～57.00 g·kg-1，土壤C質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序?yàn)椋悍街窳帧⒉莸?、次生常綠闊葉林、次生常綠-落葉闊葉混交林、原生常綠-落葉闊葉混交林、原生常綠闊葉林，各植被類型間均存在顯著性差異(P<0.05)；土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.94～4.48 g·kg-1，方竹林土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，原生常綠闊葉林土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，原生常綠-落葉闊葉混交林土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與草甸差異不顯著(P>0.05)，方竹林與各植被類型間均存在顯著性差異(P<0.05)；土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27～0.65 g·kg-1，土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序?yàn)椋悍街窳?、次生常綠-落葉闊葉混交林、草甸、次生常綠闊葉林、原生常綠闊葉林、原生常綠-落葉闊葉混交林，各植被類型間差異顯著(P<0.05)；土壤K質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.50～27.29 g·kg-1，土壤K質(zhì)量分?jǐn)?shù)大到小的順序?yàn)椋捍紊＞G闊葉林、原生常綠-落葉闊葉混交林、方竹林、原生常綠闊葉林、次生常綠-落葉闊葉混交林、草甸，各植被類型間差異著性(P<0.05)。

表2 不同植被類型0～100 cm土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg-1

由表3可知，草甸土壤的w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)均高于其他植被類型，與其他植被類型存在顯著差異(P<0.05)；原生常綠闊葉林土壤的w(N)∶w(P)和w(N)∶w(K)最小；草甸土壤的w(P)∶w(K)最大，而原生常綠-落葉闊葉混交林土壤的w(P)∶w(K)最小。

表3 不同植被類型0～100 cm土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比

6種植被類型土壤的C、N、P、K變異系數(shù)分別為41%、54%、30%、39%；土壤w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)、w(N)∶w(P)、w(N)∶w(K)、w(P)∶w(K)的變異系數(shù)分別為46%、22%、40%、34%、24%、46%。土壤P、K的變異系數(shù)小于C、N，土壤w(C)∶w(P)和w(N)∶w(K)的變異系數(shù)小于w(C)∶w(N)、w(P)∶w(K)，說明土壤P、K比C、N穩(wěn)定，w(C)∶w(P)和w(N)∶w(K)相對(duì)較穩(wěn)定，而w(C)∶w(N)、w(P)∶w(K)十分不穩(wěn)定；不同植被類型間土壤養(yǎng)分及比值變異程度有一定差異，原生林的變異程度明顯大于次生林，草甸的變異程度最小。

3.2 不同植被類型不同土層土壤養(yǎng)分特征

由表4可知，除草甸外，不同植被類型土壤C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體隨土層深度加深而減少；除原生常綠闊葉林外，其他植被類型土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度加深整體減少；各植被類型土壤K質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加而增多。不同植被類型土壤C質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土層間均存在顯著差異(P<0.05)；原生常綠闊葉林下各土層土壤的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異(P<0.05)，而除次生常綠-落葉闊葉混交林土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)在00.05)，其他土層間存在顯著差異(P<0.05)，草甸在00.05)，其他土層土壤的K質(zhì)量分?jǐn)?shù)間存在顯著差異(P<0.05)，其他4個(gè)植被類型在不同土層間均存在顯著性差異(P<0.05)。

表4 不同植被類型不同土層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

植被類型不同植被類型不同土層土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-10

植被類型不同植被類型不同土層土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-10

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同行不同大寫字母表示同一植被類型不同土層間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示不同植被類型同一土層差異顯著(P<0.05)。

土壤C和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)在同一土層的不同植被類型中均存在顯著差異(P<0.05)，說明植被類型對(duì)土壤的C、K元素影響較其他元素深刻。表層土壤的N元素主要來自于凋落物的分解，00.05)外，其他植被類型之間均存在顯著差異(P<0.05)；20 cm0.05)外，其他植被類型間土壤的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異(P<0.05)；40 cm0.05)外，其他植被類型土壤之間P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在顯著差異(P<0.05)；在60 cm0.05)，其它植被類型之間土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在顯著差異(P<0.05)。

3.3 不同植被類型不同土層土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比

由表5可知，原生常綠闊葉林土壤w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)，次生常綠闊葉林土壤w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)，原生常綠-落葉闊葉混交林土壤w(C)∶w(N)，次生常綠-落葉闊葉混交林土壤w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)、w(N)∶w(K)、w(P)∶w(K)，方竹林土壤w(C)∶w(K)，均隨土層深度加深而降低；而草甸土壤w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)整體隨土層深度加深而升高，土壤w(N)∶w(P)、w(N)∶w(K)、w(P)∶w(K)則隨土層加深整體降低。

表5 不同植被類型不同土層化學(xué)計(jì)量比的變化

植被類型不同植被類型不同土層土壤w(C)∶w(P)0

植被類型不同植被類型不同土層土壤w(C)∶w(K)0

植被類型不同植被類型不同土層土壤w(N)∶w(P)0

植被類型不同植被類型不同土層土壤w(N)∶w(K)0

6種植被類型土壤化學(xué)計(jì)量比在不同土層差異顯著差異(P<0.05)。原生常綠闊葉林、次生常綠闊葉林、次生常綠-落葉闊葉混交林、草甸土壤的w(C)∶w(N)在不同土層差異顯著(P<0.05)，原生常綠-落葉闊葉混交林和方竹林的差異表現(xiàn)出一致性，即在20 cm0.05)，其他土層間差異性顯著(P<0.05)；除草甸00.05)，其他植被類型在40 cm0.05)。

續(xù)(表5)

3.4 不同植被類型土壤養(yǎng)分與化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

由表6可知，6種植被類型0～100 cm土壤的C、N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，但與土壤K均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)；除土壤w(N)∶w(K)外，各土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比之間均呈顯著相關(guān)性(P<0.05)。此外，土壤C與w(N)∶w(K)、N與w(N)∶w(P)和w(N)∶w(K)、P與w(N)∶w(K)、K與w(N)∶w(P)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，土壤K與w(C)∶w(N)、w(C)∶w(K)、w(P)∶w(K)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表6 不同植被類型0～100 cm土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性

4 討論

土壤中儲(chǔ)存著植物生長繁殖所需的C、N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響著植物群落的組成，決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及生產(chǎn)力[21-22]。本研究結(jié)果表明，6中植被類型土壤C、N、P、K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計(jì)量比均屬于中等強(qiáng)度變異和強(qiáng)度變異，土壤C、N的變異系數(shù)較P、K的變異系數(shù)大，主要原因是土壤C、N主要受生物小循環(huán)的影響，空間變異性較大，而土壤P、K主要受土壤礦物風(fēng)化的影響[23]，這與申景昕[24]的研究結(jié)果一致。

土壤供給植物所需的養(yǎng)分，植物通過凋落物分解的方式歸還土壤。本研究區(qū)6種植被類型土壤C質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平為22.16～57 g·kg-1，除原生常綠闊葉林外，均高于中國陸地土壤平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(24.56 g·kg-1)[25]，其中方竹林土壤的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平為0.94～4.48 g·kg-1，除原生常綠闊葉林、原生混交林、草甸外，其他林型高于中國陸地土壤平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.88 g·kg-1)[25]；土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平為0.27～0.65 g·kg-1,均低于中國陸地土壤平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.78 g·kg-1)[25]；土壤K質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平為7.5～27.297 g·kg-1，均高于桂西北不同植被類型土壤的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(7.10 g·kg-1)[26]，6種植被類型中，方竹林土壤的C、N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，這是因?yàn)榉街窬哂邪l(fā)達(dá)的根鞭系統(tǒng)，為土壤養(yǎng)分輸入增加了來源，還能減緩林內(nèi)降水量和土壤水分對(duì)養(yǎng)分元素的遷移[24]。原生常綠闊葉林土壤C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，由于隨著植被的正向演替，林內(nèi)郁閉程度提高，植被對(duì)土壤中的養(yǎng)分元素利用提高，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[27]。研究區(qū)不同植被類型土壤C、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在差異，主要原因是不同植被類型凋落物性質(zhì)存在差異[28]，其次是母巖本身的差異性，說明植被類型和土壤母質(zhì)對(duì)土壤C、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響更大。本研究區(qū)6種植被類型的土壤w(C)∶w(N)為10.18～29.80，高于中國土壤w(C)∶w(N)(10～12)[25],與全球土壤w(C)∶w(N)水平(9.9-29.9)相近[25]，而原生常綠闊葉林與草甸土壤w(C)∶w(N)顯著高于其他林型，因?yàn)槎咄寥繬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其他林型低，說明該區(qū)土壤w(C)∶w(N)主要受N元素的限制，而土壤w(C)∶w(N)越高，有機(jī)質(zhì)土礦化速度越慢[29]，說明森植被演替后期和初期不利于土壤有機(jī)氮的釋放和植被的吸收利用；土壤w(C)∶w(P)為58.39～100.10，除次生混交林外，其他植被類型均高于全國平均水平61[25]，因?yàn)镻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而土壤w(C)∶w(P)值高不利于植被的生長[30]，主要原因是土壤微生物在分解有機(jī)質(zhì)過程中與植被生長競(jìng)爭無機(jī)磷，說明該區(qū)植被生長受土壤P元素的強(qiáng)烈限制。土壤w(N)∶w(P)可用于確定養(yǎng)分限制的閾值[31]和評(píng)價(jià)凋落物分解狀況[32]，并且會(huì)影響植物對(duì)養(yǎng)分元素的吸收、限制，土壤w(N)∶w(P)在一定程度上可預(yù)測(cè)植被生長狀況[33]。本研究區(qū)土壤w(N)∶w(P)為3.22～7.52，遠(yuǎn)低于中國平均水平(9.3)[31]和全球平均水平(13.1)[25]。由于中國南亞熱帶地區(qū)森林土壤存在普遍缺P的現(xiàn)象，土壤w(N)∶w(P)低，說明該區(qū)域植被生長可能受N、P同時(shí)限制。

土壤C、N、P、K在不同土層都表現(xiàn)出一定差異(P<0.05)，土壤P在60～100 cm土層處出現(xiàn)累積，因?yàn)樵撗芯繀^(qū)母質(zhì)中鐵鋁氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，對(duì)土壤P的固定作用較強(qiáng)[34]，也進(jìn)一步解釋了該研究區(qū)土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的原因。土壤C、N、P、K在同一土層的不同植被類型中存在一定顯著性差異(P<0.05)，表層土壤中表現(xiàn)得及其明顯，這與張?zhí)〇|等[35]對(duì)帽兒山地區(qū)土壤的研究結(jié)果一致。表層土壤的C、N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為原生混交林高于原生常綠闊葉林，次生常綠闊葉林高于次生混交林。因?yàn)榛旖涣钟欣诟纳萍兞种θ~灰分含量低、凋落物分解慢、土壤酸性等性狀，明顯促進(jìn)微生物活動(dòng)，提高土壤酶活性，加速有機(jī)物的分解和養(yǎng)分累積，從而提高土壤肥力[36]。6種植被類型土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比存在一定的相關(guān)性，因而土壤C、N、P、K的差異性導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)計(jì)量比也表現(xiàn)出差異性。除草甸土壤w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)整體隨土層深度加深而升高外，其他化學(xué)計(jì)量比隨土層加深而降低，因?yàn)椴莸橄碌耐寥繬、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而草甸生物量低，凋落物歸還量少，土壤長期被水淹沒，C易向深層土壤遷移。土壤w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(C)∶w(K)表現(xiàn)為原生林大于其他林型，土壤w(N)∶w(P)、w(N)∶w(K)、w(P)∶w(K)表現(xiàn)為次生林大于其他林型，說明原生林中土壤C供應(yīng)能力和植物對(duì)N、P、K的吸收能力較強(qiáng)，而次生林土壤N供應(yīng)能力較強(qiáng)。

5 結(jié)論

云南烏蒙山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異，表現(xiàn)為方竹林較高，次生林和草甸次之，原生林最低。各植被類型土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比的空間變異系數(shù)均為中等強(qiáng)度或強(qiáng)度變異，其中，原生林變異程度高于次生林，草甸的變異程度最??；土壤P、K元素較C、N穩(wěn)定，土壤w(C)∶w(N)和w(N)∶w(P)比w(C)∶w(K)、w(N)∶w(K)穩(wěn)定；整體上，不同植被類型土壤C、N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度加深而降低，土壤K質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨土層深度加深而升高；除草甸外，不同植被類型土壤化學(xué)計(jì)量比隨土層深度加深而降低，土壤w(N)∶w(P)隨土層深度變化規(guī)律各異；6種植被類型土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，土壤w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)較高，w(N)∶w(P)較低，土壤N和P是6種植被土壤的限制因素。