北熱帶亞高山土壤肥力垂直分異特征
——以紅河蝴蝶谷為例

張 燕，王 平，譚小愛，楊鎮(zhèn)文，尹正吉

(1. 云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650500； 2. 蝴蝶谷景區(qū)管委會(huì)，云南 紅河 661509；3. 云南省測(cè)繪工程院，云南 昆明 650033)

土壤不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，更是土壤肥力的重要儲(chǔ)存器。土壤肥力能綜合反映土壤各方面的性質(zhì)，常見的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有土壤養(yǎng)分、物理及化學(xué)性質(zhì)等綜合指標(biāo)[1]，土壤肥力是維持森林和生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要影響[2]，同時(shí)其對(duì)氣候變化和人為干擾也十分敏感[3]，肥力下降會(huì)降低土壤有機(jī)碳存量，導(dǎo)致特殊生境消失以及生物多樣性減少等[4-5]。因此，了解不同氣候條件下土壤肥力空間分異特征及影響因素對(duì)土壤可持續(xù)利用及生態(tài)系統(tǒng)資源管理等具有重要意義。目前對(duì)土壤肥力的研究主要集中在城市綠地系統(tǒng)、農(nóng)田系統(tǒng)及不同林分影響等方面，如周偉等研究了長(zhǎng)春城市森林綠地土壤肥力，結(jié)果表明區(qū)內(nèi)土壤肥力處于中等水平，松土、漚肥、增施有機(jī)肥等是提升城市植被生態(tài)服務(wù)功能的重要措施[6]。馮嘉儀等分析了華南地區(qū)5種典型林分類型的土壤肥力，結(jié)果表明闊葉混交林可更好地積蓄土壤肥力[7]。劉永賢等分析了廣西典型土壤不同林分的土壤肥力，結(jié)果表明不同林分的土壤肥力具有差異性[8]。目前土壤肥力的評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法、相關(guān)性分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、修正內(nèi)梅羅指數(shù)法等，但前者常存在主觀性強(qiáng)、對(duì)土壤肥力變化的靈敏度較低等缺陷，而修正內(nèi)羅梅指數(shù)法雖主要用于土壤污染和水體質(zhì)量的評(píng)價(jià)研究，但由于其主要考慮的是指標(biāo)最小值對(duì)土壤肥力的限制性，同時(shí)消除了極大值的影響，所以該方法在土壤綜合肥力評(píng)價(jià)研究中得到廣泛應(yīng)用[9]。但目前基于修正內(nèi)羅梅指數(shù)對(duì)熱帶典型土地利用類型下的土壤綜合肥力評(píng)價(jià)研究較少，空間分異特征研究主要集中在水平方向方面[10]，缺乏海拔梯度上的分異特征研究。

本研究中通過評(píng)估滇南蝴蝶谷地區(qū)各個(gè)海拔梯度(105～3 012 m)上單項(xiàng)土壤肥力和土壤綜合肥力，確定該地區(qū)各層土壤單項(xiàng)肥力變異特征、土壤綜合肥力隨海拔梯度的變化特征，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)北熱帶山地森林土壤肥力空間分異及生態(tài)環(huán)境管護(hù)、保育、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河州金平縣馬鞍底鄉(xiāng)和勐橋鄉(xiāng)的卡房村，地理坐標(biāo)為22°35′40″～22°52′5″N，103°24′51″～103°38′48″E，為哀牢山脈南段中山、亞高山山地，地層巖石以下元古界哀牢山群、瑤山群片巖、片麻巖、混合巖和印支—燕山期花崗巖為主，地勢(shì)西南高，東北低，地處低緯北熱帶山原型濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，從紅河河谷(105 m)到最高峰五臺(tái)山(3 012 m)，年均溫由23℃降低到7℃，年日照時(shí)數(shù)722～1 698 h，年降水量1 450～3 850 mm，5—10月為雨季，降水量占全年的70%～85%，11月至次年4月為干季，降雨量占全年降水量的15%～30%。區(qū)內(nèi)河流均屬紅河水系，從北至南依次為紅河一級(jí)支流新橋河、小者蘭河、龍脖河。土壤垂直變化明顯，基帶土壤為磚紅壤帶(海拔105～600 m)，之上依次發(fā)育赤紅壤帶(海拔600～1 200 m)、紅壤帶(海拔1 200～1 500 m)、黃壤帶(海拔1 500～1 800 m)、黃棕壤帶(海拔1 800～2 500 m)、棕壤帶(海拔2 500～3 012 m)。地帶性植被為亞熱帶濕性常綠闊葉林，主要分布在海拔1 400～2 000 m區(qū)域，主要優(yōu)勢(shì)樹種為殼斗科青岡(Cyclobalanopsisspp.)、石櫟(Lithocarpusspp.)等，向下為山地雨林、季雨林，主要優(yōu)勢(shì)樹種為番龍眼(Pometiatomentosa)、千果欖仁(Terminaliamyriocarpa)、木竹子(Garciniamultiflora)等，向上為山地苔蘚矮林，主要優(yōu)勢(shì)樹種為潤(rùn)楠(Machiluspingii)、木蓮(Manglietiafordiana)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置及樣品采集

2015年7—8月和2016年9月，在研究區(qū)東北坡自五臺(tái)山頂向下至紅河河谷設(shè)置1條垂直樣帶，以高差100 m為間距布設(shè)樣地，在100 m的間距內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，按照0～20 cm、20～40 cm分層采樣，再將5個(gè)點(diǎn)同層土樣均勻混合，采用四分法按對(duì)角線取500 g裝入土袋，共采集垂直樣帶的土壤混合樣58袋(圖1)。

2.2 樣品分析

將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，按照《陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤觀測(cè)規(guī)范》[11]要求對(duì)土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，制備為直徑2、1、0.25 mm待測(cè)樣品。土壤含水量采用烘干法測(cè)定；土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)定；土壤pH采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量—外加熱法測(cè)定；全氮含量采用半微量開氏法測(cè)定；全磷含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效磷含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用NaOH熔融—火焰光度法測(cè)定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法測(cè)定；水解氮含量采用堿解擴(kuò)散法[12]測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變異系數(shù)

單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變異系數(shù)(Cv)計(jì)算公式為：

(1)

式中：SD為單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；M為單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)平均值。

變異系數(shù)Cv表示空間變異程度，Cv<0.1時(shí)屬于弱變異，0.11時(shí)屬于強(qiáng)變異[13]。

2.3.2土壤綜合肥力評(píng)價(jià)

按隸屬度函數(shù)對(duì)土壤質(zhì)地、pH、有機(jī)質(zhì)、全磷、速效磷、堿解氮、代換性鹽基總量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除各參數(shù)間的量綱差別[13]。通過非量化參數(shù)(卡慶斯基制)分肥力系數(shù)確定為中壤土、重壤土(Pi=3)；輕(砂)壤土、輕(砂)粘土(Pi=2)；砂土、粘土(Pi=1)[13]。采用修正內(nèi)梅羅公式計(jì)算土壤綜合肥力系數(shù)(P)[14-15]，公式為：

(2)

式中：Pimid表示土壤各屬性分肥力系數(shù)的平均值；Pimin為各分肥力系數(shù)中最小值；n為參評(píng)的土壤屬性個(gè)數(shù)。

根據(jù)計(jì)算出的綜合肥力系數(shù)進(jìn)行土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)：當(dāng)P>2.7時(shí)，土壤很肥沃；當(dāng)1.8

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土層森林單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變異特征

不同土層森林單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

如表1所示，各土層土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)在0.11～0.86范圍，均屬于中等變異，其中，亞表層的pH變異系數(shù)最低，接近弱變異；亞表層的有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)最高，接近強(qiáng)變異，其原因可能是林分、微生物環(huán)境的不同，這與呂世麗[16]的研究成果大致相同。0～10 cm和10～20 cm土層的土壤含水量、pH、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀的變異差別較小，有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀與其他指標(biāo)相比，變異差異較明顯。從有機(jī)質(zhì)來看，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)分別為0.62和0.86，雖然均屬于中等變異，但變異明顯小于亞表層。表層和亞表層土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值分別為76.37 g/kg、57.87 g/kg，均大于秦嶺南坡的有機(jī)質(zhì)含量[17]，表層有機(jī)質(zhì)含量平均值明顯高于亞表層，與高黎貢山、秦嶺等區(qū)域一致，說明枯落物和根系的分解造成有機(jī)質(zhì)在表層聚集，隨著土層厚度的增加，植物根系逐漸減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低。從全氮來看，其變異系數(shù)分別是 0.69和0.86，研究區(qū)表層和亞表層全氮含量平均值分別為2.48 g/kg和1.95 g/kg，除少數(shù)樣點(diǎn)外，不同海拔高度上各樣點(diǎn)土壤全氮含量隨土層厚度增加逐漸減少，主要是由于表層土壤上覆蓋有枯枝落葉層，利于土壤氮素的累積，隨著土層深度增加，土壤中枯枝落葉和動(dòng)植物殘?bào)w減少，土壤全氮含量隨之減少。此外，由于有機(jī)質(zhì)對(duì)全氮含量具有重要影響[18]，因此其含量分布與有機(jī)質(zhì)大體一致。從速效鉀來看，其變異系數(shù)分別為0.4和0.59，差異為0.19。表層和亞表層土壤速效鉀含量平均值分別為119.17 g/kg和78.12 g/kg，山地土壤中的鉀素主要來源于母質(zhì)以及有機(jī)質(zhì)分解后返還，表層有機(jī)質(zhì)含量豐富，其分解后產(chǎn)生的鉀素大量留在表層，因而表層的速效鉀含量遠(yuǎn)大于亞表層，這與小五臺(tái)山[19]、牛背梁[16]等地的研究結(jié)果一致。以上分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)深刻影響著氮、鉀等元素的循環(huán)，更是在土壤肥力中扮演著重要作用。

表1 蝴蝶谷森林單項(xiàng)土壤肥力統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of individual fertility of forest soil in Butterfly Valley

3.2 垂直方向上不同土類土壤綜合肥力特征

研究區(qū)表層、亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔變化情況如表2所示。

整體來看，研究區(qū)表層和亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨著海拔的升高均呈增大趨勢(shì)，其中表層土壤綜合肥力系數(shù)可在海拔100～1 500 m、1 500～2 300 m和2 300～3 012 m海拔段內(nèi)進(jìn)行分析。海拔100～1 500 m的表層土壤綜合肥力系數(shù)，除在海拔900～1 000 m增大到1.31，在海拔1 000～1 100 m又減小到1.11外，其余海拔段基本在1.2±0.05波動(dòng)，說明在這一區(qū)域內(nèi)海拔梯度對(duì)土壤綜合肥力系數(shù)的影響較??；在海拔1 500～2 200 m區(qū)域，隨著海拔的升高，表層土壤綜合肥力系數(shù)從海拔1 500～1 600 m時(shí)的1.16增大到海拔2 200～2 300 m時(shí)的1.53，每100米垂直遞增0.05； 在海拔2 300～2 700 m區(qū)域，土壤綜合肥力系數(shù)基本保持在約1.30，在海拔2 700 m以上區(qū)域其又增大到約1.50。1 500～3 012 m海拔段與表層土壤綜合肥力系數(shù)的變化關(guān)系可用函數(shù)表示：y=0.017 9x+0.952 2(N=15，R2=0.454 7)。亞表層土壤綜合肥力系數(shù)在100～1 500 m、1 500～2 000 m和2 000～3 012 m海拔段的變化趨勢(shì)差異仍較大。在海拔100～1 500 m區(qū)域，亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔升高呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，二者變化關(guān)系可用函數(shù)表示：y=-0.004 8x+1.202(N=14，R2=0.124 4)。海拔超過1 500 m后，隨海拔的升高，亞表層土壤綜合肥力系數(shù)從海拔1 500～1 600 m的1.08增大到海拔2 000～2 100 m的1.64，每100米垂直遞增0.09。海拔2 100 m以上區(qū)域亞表層土壤綜合肥力系數(shù)基本在1.32±0.07波動(dòng)。

表2 蝴蝶谷土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔梯度變化統(tǒng)計(jì)Tab.2 Variation of soil comprehensive fertility coefficient with altitude gradient in Butterfly Valley

從土壤剖面方面看，在海拔100～1 400 m區(qū)域，表層和亞表層土壤綜合肥力系數(shù)十分相近，二者綜合肥力系數(shù)的總和僅相差0.3。海拔1 400～1 800 m區(qū)域，表層土壤綜合肥力系數(shù)大于亞表層，海拔1 800～2 100 m區(qū)域?yàn)楸韺油寥谰C合肥力小于亞表層，海拔>2 100 m區(qū)域表層土壤綜合肥力均大于亞表層。成土母質(zhì)、地形和生產(chǎn)活動(dòng)等不同的生態(tài)環(huán)境一直顯著影響著土壤肥力特性[20]，表層和亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔的升高呈線性增加趨勢(shì)，與黨坤良等[17]研究不一致，主要原因是人為干擾程度及發(fā)育土壤、生長(zhǎng)植被的狀況不同，紅河蝴蝶谷低海拔地區(qū)，土壤多為磚紅壤、赤紅壤和紅壤，有機(jī)質(zhì)含量低，中海拔地區(qū)土壤以黃壤、黃棕壤、棕壤為主，有機(jī)質(zhì)含量高[15]，因而高海拔地區(qū)的土壤肥力系數(shù)高于低海拔地區(qū)。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)不同土層單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)在0.11～0.86之間，均屬于中等變異，其中，亞表層的pH變異系數(shù)最低，有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)最高，有機(jī)質(zhì)、速效鉀、全氮在不同土層變異差異明顯。

2)研究區(qū)表層土壤綜合肥力系數(shù)在1.11～1.54之間，平均為1.27，亞表層土壤綜合肥力系數(shù)在1.07～1.64之間，平均為1.24，表層和亞表層土壤的綜合肥力隨著海拔的升高均呈增大趨勢(shì)。