海拔梯度及典型土地利用類型對北熱帶山地土壤有機質(zhì)和綜合肥力的影響

王 平，華紅蓮，丁智強，俞小押，譚小愛，李玉輝

（1.云南師范大學 地理學部，昆明 650500；2.福建師范大學 地理科學學院，福州 350007；3. 黔南民族師范學院 旅游與資源環(huán)境學院，貴州 都勻 558000）

土壤有機質(zhì)（Soil Organic Matter，SOM）形成于微生物對枯落物的部分分解轉(zhuǎn)化（Castellano et al., 2015），其分解和吸存不僅對土壤結構、持水性以及土壤和植物群落之間的養(yǎng)分循環(huán)、生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)功能和生物多樣性維持產(chǎn)生深遠影響（Lavallee et al., 2020），還能通過調(diào)節(jié)大氣CO2而成為全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)（Cotrufo et al., 2019）。土壤綜合肥力（Soil Integrated Fertility, SIF）作為土壤質(zhì)量的基礎性指標之一，是維持森林和生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的關鍵，對森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要影響，同時SIF 對氣候變化和人為干擾十分敏感（Borrelli et al., 2017），肥力下降會降低土壤有機碳存量，導致特殊生境消失以及生物多樣性降低等（裴小龍 等，2020；Mutuku et al.,2021）。因此，了解不同氣候條件背景下SOM 和SIF 空間分異特征及影響因素對準確分析未來氣候變暖條件下森林生態(tài)系統(tǒng)對全球碳循環(huán)的貢獻、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SOM 的研究主要集中在其來源與分解動力學（Schmidt et al., 2011；汪景寬 等，2019；Lavallee et al., 2020）、空間預測（Sothe et al., 2022）、管理實踐（Chow, 2021）、分子組成結構（Dmitry et al., 2020）等方面，對不同尺度和生態(tài)系統(tǒng)類型上的研究揭示了氣候、地形、植被覆蓋類型等對SOM 空間分異特征的影響（Fang et al., 2012;Kunkel et al., 2011），其中海拔和土地利用類型作為環(huán)境因素分異的基礎條件和人類活動干擾的直接表現(xiàn)，對SOM 有著深刻的影響。雖然相關學者對不同區(qū)域SOM 與海拔的關系進行了大量研究，但是其相互作用仍具有高度不確定性，如新疆天山托木爾峰（馬國飛 等，2017）和云南哈巴雪山（蘇驊等，2020）SOM隨海拔高度增加而增大，湘東大圍山（田宇 等，2021）SOM 隨海拔升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，隴南白龍江流域SOM 隨海拔升高而降低（焦?jié)櫚?等，2018）。同樣，相關研究也顯示了海拔對SIF 的影響以及由于自然地理環(huán)境和研究區(qū)域的不同而產(chǎn)生高度不確定的結果（Harpole et al., 2011; Mihoc et al., 2016；焦?jié)櫚?等，2018）。熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)因具有活躍生化循環(huán)過程和較高生產(chǎn)力而在全球氣候變化中扮演著重要角色，云南作為中國土壤有機碳儲量最高的地區(qū)之一，水平方向上以熱帶和亞熱帶氣候為主，但同時復雜地形結構造成土壤有機質(zhì)的高度空間變異性，雖然早期已有關于該區(qū)域土壤有機碳空間分布的研究（Duan et al., 2014; Zhang et al., 2021），但較少關注SOM和SIF在海拔梯度上的變化，該問題的研究有助于提高對區(qū)域SOM和SIF垂直空間分異特征的認識，從而為進一步確定該區(qū)域土壤碳平衡和森林生產(chǎn)力提供數(shù)據(jù)支撐。

在熱帶地區(qū)，原始森林向農(nóng)業(yè)用地和種植園轉(zhuǎn)換已成為影響土壤質(zhì)量的重要干擾形式，在缺乏相關保護措施的前提下將林地轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)用地或園地往往會導致土壤理化性質(zhì)的退化，同時還會造成土壤有機質(zhì)和綜合肥力的顯著下降（Van Straaten et al., 2015）。目前對該地區(qū)的研究主要集中在由森林向草地或農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換后土壤有機碳的變化（Don et al., 2011; Fujisaki et al., 2015）。香蕉和橡膠作為濕潤熱帶種植園中的主要樹種，是該區(qū)域原始森林被砍伐的重要驅(qū)動力，但很少有研究關注原生林砍伐后形成的次生林與橡膠林、香蕉園在土壤有機質(zhì)和綜合肥力方面的差異，同時目前尚未獲得有關熱帶地區(qū)森林轉(zhuǎn)換后土壤質(zhì)量變化方向、幅度和速度的準確信息（Chen et al., 2017; Sierra et al., 2018），這有可能阻礙熱帶地區(qū)土地利用變化背景下土壤有機碳動態(tài)的準確評估。

就SIF 的評價方法而言，目前主要有層次分析法、相關關系法、主成分分析法、灰色關聯(lián)分析法（謝瑾 等，2012），但這些研究方法存在主觀性強、對SIF 變化的靈敏度較低等缺陷。修正內(nèi)羅梅指數(shù)法主要用于土壤污染和水體質(zhì)量的評價研究，由于其考慮的是指標最小值對SIF 的限制性，同時消除了極大值的影響，所以該方法在SIF 評價研究中得到廣泛應用（尤譽杰 等，2018），特別是針對地形條件多變、土地利用結構復雜、SIF 空間分異較大的區(qū)域，評價結果具有更高的準確性。但目前基于修正內(nèi)羅梅指數(shù)對熱帶典型土地利用類型SIF 評價研究較少，空間分異性研究也集中在水平方向上，缺乏海拔梯度上的分異特征及與SOM 相關性的研究（簡尊吉 等，2021）。

與大部分北熱帶山地相似，蝴蝶谷地區(qū)山體下部由于土地開墾、森林砍伐、過度放牧、薪柴樵采、林下采集/種植以及旅游開發(fā)等人類活動的強烈干擾，由20 世紀50 年代以原生林地為主，演變?yōu)槟壳按紊?、香蕉園和橡膠林交錯分布的混農(nóng)林用地結構。基于上述分析，本研究通過評估蝴蝶谷地區(qū)海拔梯度上各山地土壤帶（磚紅壤帶、赤紅壤帶、紅壤帶、黃壤帶、黃棕壤帶和棕壤帶）和典型土地利用類型（香蕉園、橡膠林、次生林）的SOM和SIF，確定不同海拔梯度和典型土地利用類型對北熱帶山地SOM和SIF的影響，研究結果可為未來全球氣候變暖背景下北熱帶森林土壤碳循環(huán)與人類活動耦合響應評估和山區(qū)土地資源高效利用提供參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

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)境內(nèi)，地理位置處于22°35′40″—22°52′05″N，103°24′51″—103°38′48″ E，為哀牢山脈南段中山、亞高山地區(qū)，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。區(qū)內(nèi)地勢西南高，東北低，由最低點龍脖河匯口（105 m）到最高峰五臺山（3 012 m），年均溫由23℃降低到7℃。該區(qū)地處低緯北熱帶山原型季風氣候區(qū)，年日照時數(shù)722～1 698 h，年降水量1 450～3 850 mm（河谷至山頂），5—10月為雨季，降水量占全年的70%～85%，每年的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支流新橋河、小者蘭河、龍脖河（圖1）。

圖1 研究區(qū)及采樣點空間位置Fig.1 Location of study area and spatial location of sampling points

2 材料與方法

2.1 山地土壤帶劃分及采樣

以《中國土壤分類系統(tǒng)》（全國土壤普查辦公室，1993）、《云南土壤》（王文富，1996）為依據(jù)，結合實地考察結果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)基帶為磚紅壤帶（105～600 m），之上到五臺山頂部依次發(fā)育有赤紅壤帶（600～1 200 m）、紅壤帶（1 200～1 500 m）、黃壤帶（1 500～1 900 m）、黃棕壤帶（1 900～2 500 m）、棕壤帶（2 500～3 012 m）。需要特別說明的是各山地土壤帶之間并無嚴格的海拔界線，而是在空間結構表現(xiàn)出東北—西南向圈層式、逐層遞變的特點。各山地土壤帶基本情況如表1所示。

表1 研究區(qū)山地土壤帶樣地基本情況Table 1 Background environmental profile of each mountain soil zone in the study area

基于山地土壤帶劃分結果，于2015 年7—8 月和2016年9月，在每個山地土壤帶內(nèi)按100 m 間距采樣，具體以“S”型采樣法選取5個點，基于表層（0～20 cm）、亞表層（20～40 cm）分層采樣，再將5個點的同層土樣均勻混合，采用四分法按對角線取500 g 裝入土袋，采集混合樣58 袋（表層、亞表層各29 袋）。在磚紅壤帶內(nèi)設置1 條水平土壤樣帶，選取典型的2 塊香蕉園、3 塊橡膠林和1 塊次生林地，橡膠和香蕉種植均超過30年，在每塊樣地設置30 m×30 m的樣方，每個樣方內(nèi)按“S”型選取5個點，按表層、亞表層將5個點的同層土樣均勻混合，采用四分法按對角線取500 g 土壤裝袋，之后在2022年2月按相同的方法在附近地區(qū)又補充采集了2塊次生林和1塊香蕉園的土樣，所以前后共采集水平樣帶混合土樣18袋（表層、亞表層各9袋）。

2.2 樣品分析

土壤混合樣帶回實驗室后對其進行風干，制備為2、1和0.25 mm待測樣品。土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH 采用水浸提電極電位法測定（水土比為 2.5∶1）；SOM 采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮采用半微量開氏法測定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；速效磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；全鉀采用NaOH 熔融-火焰光度法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定（鮑士旦，2003）。

2.3 土壤綜合肥力評價

首先按隸屬度函數(shù)對pH、SOM、全磷、速效磷、堿解氮、代換性鹽基總量進行標準化處理，消除各參數(shù)之間的量綱差別。標準化處理方法如下（周偉 等，2017）：

式中：Pi為分肥力系數(shù)，亦為各土壤理化性質(zhì)對SIF 的貢獻率；Xi為第i種屬性的測定值，Ximid、Ximin、Ximax為分級指標（表2）。

表2 內(nèi)梅羅評定方法中土壤各屬性分級標準Table 2 Grading criterion for various soil properties in the Nemorow grading method

依據(jù)得到的土壤各屬性分肥力系數(shù)，采用修正內(nèi)梅羅公式計算綜合肥力系數(shù)，公式為（周偉 等，2017）：

式中：SIF為土壤綜合肥力系數(shù)；Pimid為土壤各屬性分肥力系數(shù)的平均值，該系數(shù)也是各土壤屬性對SIF的貢獻率；Pimin為各分肥力系數(shù)中最小值；n為參評的土壤屬性個數(shù)。根據(jù)計算所得的綜合肥力系數(shù)給出SIF 的綜合評價：SIF>2.7，表示土壤很肥沃；1.8＜SIF＜2.7，表示土壤肥沃；0.9＜SIF＜1.8，表示土壤肥力一般；SIF<0.9，表示土壤貧瘠（周偉 等，2017）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)在Microsoft Excel 2013 處理后，基于SPSS 18.0 對不同海拔土壤指標進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗不同山地土壤帶SOM和SIF之間的差異顯著性以及海拔和土層深度（Duncan法，α=0.05），采用Pearson相關系數(shù)和線性回歸分析分析海拔與SOM、SIF之間的相關性，采用SPSS中的系統(tǒng)聚類進行聚類分析。

3 實驗結果

3.1 土壤有機質(zhì)分異特征

研究區(qū)表層SOM 質(zhì)量分數(shù)為21.91～120.67 g/kg，棕壤帶最高，磚紅壤帶最低，磚紅壤帶僅為棕壤帶的18.16%（圖2-a）。各山地土壤帶中，從磚紅壤帶、赤紅壤帶到紅壤帶，SOM 雖然在逐漸增大，但無顯著性差異（P＞0.05），而三者與黃棕壤帶和棕壤帶SOM有顯著差異（P＜0.05），磚紅壤帶與黃壤帶亦有顯著性差異（P＜0.05）。研究區(qū)表層SOM質(zhì)量分數(shù)隨著海拔高度的增加呈線性增加趨勢，二者關系可用y= 20.408x+ 3.892 2（N=6,R2=0.980 7）表示。亞表層SOM質(zhì)量分數(shù)16.38～101.88 g/kg，黃棕壤帶SOM 值最高，赤紅壤帶最低，后者僅為前者的16.08%。隨著海拔增高，亞表層SOM 質(zhì)量分數(shù)逐漸增大， 二者關系可用y= 3.865 8x2-8.967 1x+ 24.321（N=6,R2=0.893 8）表示，但磚紅壤帶、赤紅壤帶、紅壤帶和黃壤帶的SOM 無顯著差異（P＞0.05），而與更高海拔的黃壤帶、棕壤帶SOM有顯著差異（P＜0.05）。從剖面來看，研究區(qū)表層、亞表層SOM質(zhì)量分數(shù)平均為75.32、51.57 g/kg（P＞0.05），黃壤帶表層、亞表層差值最大，達48.56 g/kg。此外，除赤紅壤帶和黃壤帶表層、亞表層SOM 有顯著差異（P＜0.05）外，其余山地土壤帶不同層次均無顯著性差異。從雙因素方差分析結果來看，海拔梯度和土壤深度對研究區(qū)SOM 均有顯著影響（P＜0.05），但二者交互作用的影響不顯著（P＞0.05）。

低海拔水平樣地SOM 質(zhì)量分數(shù)差異較大（圖2-b）。3種典型土地利用類型表層SOM 質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為：次生林（26.61 g/kg）>香蕉園（13.48 g/kg）>橡膠林（11.91 g/kg）；相較次生林，香蕉園和橡膠林表層SOM分別減少了49.34%和55.24%。亞表層表現(xiàn)為橡膠林（8.91 g/kg）<香蕉園（9.61 g/kg）<次生林（19.28 g/kg），相較次生林，香蕉園和橡膠林亞表層SOM分別減少了50.16%和53.78%。在土壤剖面上，亞表層SOM均小于表層，3種典型土地利用類型SOM 減少量排序為次生林（7.33 g/kg）>香蕉園（3.87 g/kg）>橡膠林（3.00 g/kg）；相較于表層，對應減少量百分比分別為27.55%、28.71%和25.19%。

圖2 研究區(qū)SOM在海拔梯度（a）和典型土地利用類型（b）上的變化特征Fig.2 Variation characteristics of SOM in altitude gradient and typical land use types in the study area

3.2 土壤綜合肥力分異特征

研究區(qū)表層、亞表層SIF 隨海拔高度變化情況如圖3-a所示。各山地土壤帶表層SIF為1.15～1.59，土壤肥力值一般，各土壤肥力值排序為棕壤帶＞黃棕壤帶＞黃壤帶＞紅壤帶＞赤紅壤帶＞磚紅壤帶，磚紅壤帶顯著低于其他幾個山地土壤帶（P＜0.05），整體表現(xiàn)為隨著海拔升高土壤肥力逐漸增強的特征，二者關系可用函數(shù)y= 0.083 5x+ 1.054 9（N=6，R2=0.963）表示。亞表層SIF為0.94～1.44，土壤肥力值一般，隨著海拔的升高，土壤肥力逐漸增強，黃壤帶、黃棕壤帶和棕壤帶顯著高于磚紅壤帶、赤紅壤帶和紅壤帶，海拔和土壤肥力的關系可用 函 數(shù)y= 0.117 7x+ 0.749 9 （N=6，R2=0.928 1）表示。在不同土層深度上，表層、亞表層SIF 平均值分別為1.35 和1.16（P＜0.01），除黃棕壤帶不同深度SIF差異不顯著外（P＞0.05），其余SIF均有顯著性差異（P＜0.05）。雙因素方差分析結果顯示，無論是海拔梯度、土層深度以及二者的交互作用，對研究區(qū)SIF均有顯著影響（P＜0.05）。

在典型土地利用類型上（圖3-b），橡膠林、香蕉園和次生林表層SIF分別為1.21、1.33、1.48，亞表層分別為0.94、1.10、1.17，表層、亞表層SIF均為次生林＞香蕉園＞橡膠林（P＞0.05），表層SIF大于亞表層，但僅在次生林有顯著差異。與次生林相比，香蕉園和橡膠林表層SIF 降低了10.19%和18.26%，亞表層降低了6.27%和20.01%。無論是土地利用類型、土層深度以及二者的交互作用，對SIF均無顯著影響（P＞0.05）。

圖3 研究區(qū)SIF在海拔梯度（a）和典型土地利用類型（b）上的變化特征Fig. 3 Variation characteristics of SIF in altitude gradient and typical land use types in the study area

3.3 土壤理化性質(zhì)對綜合肥力的貢獻

限制和維持SIF 的因素在海拔梯度上具有顯著差異（P＜0.05），而在不同土層深度上的差異不顯著（P＞0.05），按各因子對山地土壤帶SIF 的貢獻率，在SPSS 中按系統(tǒng)聚類法進行聚類分析，無論是表層還是亞表層，均可分為3組，第一組僅有磚紅壤帶，第二組為赤紅壤帶和紅壤帶，第三組包括黃壤帶、黃棕壤帶和棕壤帶，各組內(nèi)限制和維持SIF的因素具有相似性，而組間具有顯著差異（P＜0.05）（圖4-a、b）。具體來看，低海拔磚紅壤帶中對表層SIF 貢獻最大的是全磷，其次是全鉀、速效鉀和pH，而對亞表層貢獻較大的是全磷，其次是全鉀以及pH，而限制表層、亞表層的因素均為堿解氮和速效磷。對第二組表層貢獻率較大的因素是SOM、全磷和全鉀，而對亞表層貢獻率較大的為全磷和全鉀，限制表層、亞表層SIF 的因素相似，包括pH、總氮、堿解氮和速效磷。對第三組表層、亞表層SIF 貢獻較大的因素均為SOM、全氮、全磷、全鉀、堿解氮，限制因素主要是速效磷、pH 和速效鉀。

不同土地利用類型SIF 的限制和維持因素具有差異性（P＞0.05）（圖4-c、d）。其中對橡膠林表層、亞表層SIF 貢獻最大的因素均為全磷，而限制因素均為堿解氮和速效磷。對香蕉園表層、亞表層SIF貢獻較大的是全磷和全鉀，pH和全氮對表層的貢獻較大，而對亞表層的貢獻較小，速效鉀與之相反，表層、亞表層的限制因素主要為堿解氮。維持次生林表層、亞表層SIF的因素主要是全磷和全鉀，另外全氮對表層的影響較大，而速效鉀對亞表層的影響較大，表層的限制因素為堿解氮、速效磷和SOM，亞表層主要為堿解氮和速效磷?？傮w來看，無論是橡膠林、香蕉園還是次生林，維持和限制SIF的因素與同海拔段內(nèi)自然土壤的情況基本一致。

圖4 各山地土壤帶及典型土地利用類型下土壤理化性質(zhì)分肥力系數(shù)特征Fig.4 Contribution of soil physical and chemical properties to vertical soil zones and land use types of SIF

4 討論

4.1 海拔對SOM和SIF的影響

研究區(qū)表層、亞表層SOM 隨海拔梯度而增加反映了在降水增加、空氣濕度增大、人類活動干擾減弱背景下枯落物不斷增多，腐殖質(zhì)累積作用不斷加強，使得SOM 質(zhì)量分數(shù)增多。表層和亞表層SOM 隨海拔梯度的變化情況與新疆天山托木爾峰（馬國飛 等，2017）和云南哈巴雪山（蘇驊 等，2020）等地的情況一致，其內(nèi)在機制可能是海拔升高導致溫度降低，進而減少土壤表面CO2通量和不穩(wěn)定有機質(zhì)，使得有機質(zhì)不斷累積增多（Zhang et al., 2021）。而表層有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)平均值高于亞表層與高黎貢山（和麗萍 等，2015）研究結果一致，說明枯落物和根系的分解造成有機質(zhì)在表層聚集，隨著土體厚度的增加，植物根系逐漸減少，使得SOM質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。

成土母質(zhì)、地形和生產(chǎn)活動等不同生態(tài)環(huán)境因子顯著影響SIF特性，因而研究區(qū)不同海拔高度SIF差異較大，這與趙明珠等（2019）的研究結果一致。表層和亞表層SIF 隨海拔的增加呈線性增加的趨勢，不同于黨坤良等（2006）的研究結果，主要原因是人為干擾程度及發(fā)育的土壤、生長的植被狀況不同，紅河蝴蝶谷低海拔地區(qū)土壤多為磚紅壤、赤紅壤和紅壤，有機質(zhì)含量低，加之熱量水平高，降雨豐沛，人畜活動頻繁，土地利用強度較高，表層SOM 流失嚴重，而中高海拔地區(qū)，土壤以黃棕壤、棕壤為主，有機質(zhì)含量高（陳彥清 等，2016），同時由于人為干擾較弱，森林植被保存較原始，土壤侵蝕處于中等至較弱水平，因而高海拔SIF高于低海拔地區(qū)。

4.2 土地利用對SOM和SIF的影響

低海拔水平樣地表層SOM 以次生林最大，香蕉園次之，橡膠林最小的特征與文志等（2019）的研究結果一致。區(qū)內(nèi)橡膠林亞表層SOM 低于柬埔寨地區(qū)（31.35 g/kg）（Toriyama et al., 2022）、納板河流域（34.8 g/kg）（謝瑾 等，2012）和西雙版納地區(qū)（15.35 g/kg）（Chen et al., 2017）等地，香蕉園亞表層SOM 接近海南樂東的9.32 g/kg，低于澄邁的17.34 g/kg（陳明智 等， 2007）和廣西北海、欽州（13.90～39.2 g/kg）（魏守興 等， 2012）等地。通過野外觀測，人為干擾較弱的次生林，林下有1～2 cm的枯落物積累，有利于腐殖質(zhì)的形成，使得表層SOM 質(zhì)量分數(shù)較高，而土地利用強度增加可能是導致香蕉園和橡膠林SOM 下降的主要原因（姜賽平 等，2019），雖然人為翻耕不利于枯落物的留存分解，但也促進表層和亞表層SOM 的交換，使得香蕉園和橡膠林表層、亞表層SOM 質(zhì)量分數(shù)的差值較?。ㄒ妶D4-a）。同時，次生林灌木層和草本層覆蓋度較高，而香蕉園和橡膠林林下空曠，林下結構的差異導致香蕉園和橡膠林土壤微生物多樣性、土壤水分和溫度均較次生林低，而較低的溫度和土壤水分不利于枯落物的分解和SOM 的形成（Schmidt et al., 2011; Sierra et al., 2018）。

通過對比SIF 在次生林、橡膠林和香蕉園的變化規(guī)律，其從次生林到香蕉園、橡膠林地逐漸減小的趨勢與謝瑾等（2012）的研究結果一致，而次生林SIF 明顯高于香蕉園和橡膠林的特征與冼干標等（2007）的研究結果一致。次生林在群落結構、物種組成、生物多樣性、枯落物量、分解速率等方面均明顯優(yōu)于人類活動干擾強烈的香蕉園和橡膠林，即次生林養(yǎng)分歸還的物質(zhì)來源和轉(zhuǎn)換、積蓄條件較好，說明次生林乃至原生林保護利用更有利于SIF的提升與積蓄。

4.3 土壤理化性質(zhì)對SIF的貢獻

認識各土壤理化性質(zhì)對SIF 的貢獻可為未來加強林地土壤改良和質(zhì)量提升提供關鍵支撐。限制和維持不同土地利用類型SIF 的因素與同海拔段內(nèi)自然土壤之間具有相似性，說明人類對土地的改造利用應該結合自然土壤特性因地制宜，未來應該增加翻耕、施用有機肥等措施，防止土壤板結，改善土壤結構，提升土壤保水透氣功能，增加石灰和堿性肥料的施用，以調(diào)節(jié)土壤pH，改善SIF。隨著海拔高度的升高，SIF 的限制因素由堿解氮和速效磷轉(zhuǎn)變?yōu)樗傩Я缀退傩р?，說明氮素隨海拔梯度的增加而增加，磷元素則相對穩(wěn)定，鉀元素逐漸減少。

氮、磷、鉀是SIF 的重要支撐，其中土壤氮主要受控于凋落物累積和分解，隨著有機質(zhì)含量升高，氮素含量也在增加（紀文婧 等，2016）。在研究區(qū)內(nèi)，隨海拔升高，SOM 逐漸增加（見圖2-a），所以氮素對低海拔土壤帶SIF 的限制要高于高海拔段。雖然相關研究揭示了土壤磷元素與SOM 的正相關關系（宋雄儒 等，2015），但是土壤磷元素多來源于巖石風化，其豐富程度多受地層巖石等地質(zhì)背景控制，因此磷元素在土壤中的分布也具有遷移緩慢、空間分布較穩(wěn)定等特點（馬國飛 等，2017），這也解釋了雖然研究區(qū)SOM 隨海拔高度而增加，但磷元素對SIF 的限制強度基本穩(wěn)定的現(xiàn)象。同時研究區(qū)不同海拔段全磷含量對SIF 的貢獻值始終較高，而速效磷的限制強烈，說明全磷與速效磷之間無顯著相關性，這與宋雄儒等（2015）的研究一致。土壤速效鉀隨海拔增高而減小的趨勢與任啟文（2020）、羅鈺穎（2020）等研究一致，速效鉀具有較強的水溶性，受研究區(qū)降水隨海拔梯度逐漸增強的影響，中高海拔段土壤帶中速效鉀流失嚴重，所以其對各山地土壤帶SIF的限制隨海拔升高而加強。

除氮磷鉀外，pH隨海拔升高而對SIF的貢獻逐漸降低，說明pH隨海拔升高而降低。pH對氮磷鉀元素在SOM 中的釋放以及植物對其吸收利用等生物地球化學循環(huán)具有重要作用。如土壤中磷的溶解和吸附等化學形態(tài)轉(zhuǎn)變過程受pH約束，pH升高可以增強土壤中磷的有效性（宋雄儒 等，2015）；pH還會影響土壤層對SOM 的螯合或吸附（Camino et al., 2014），或是通過影響微生物活性來影響SOM礦化等（Ratpukdi et al., 2010）。土壤pH 的減小也反應了各種鹽基離子侵蝕流失、土壤腐殖質(zhì)積累轉(zhuǎn)換和硝化作用等隨海拔梯度逐漸增強，所以適宜的pH有助于SIF的維持和提升。

5 結論

通過對蝴蝶谷地區(qū)6 個山地土壤帶和低海拔3個典型土地利用類型土壤有機質(zhì)和綜合肥力特征的分析、評價，結果表明，海拔升高帶來氣溫、降水和人類活動強度的梯度差異，導致森林生態(tài)系統(tǒng)中生物過程和水文過程發(fā)生改變，進而影響了凋落物的生物地球化學循環(huán)，北熱帶山地土壤帶SOM、SIF表現(xiàn)出隨海拔升高而增大的特點，即SOM、SIF均為棕壤帶＞黃棕壤帶＞黃壤帶＞紅壤帶＞赤紅壤帶＞磚紅壤帶。在典型土地利用類型下，表層和亞表層SOM、SIF均為次生林＞香蕉園＞橡膠林，除次生林SOM 顯著高于香蕉園和橡膠林外，其余均無顯著差異。按土壤理化性質(zhì)對各山地土壤帶SIF維持和限制的特征，可劃分為3個類型，其中磚紅壤帶以速效氮、速效磷限制為主，赤紅壤帶和紅壤帶以速效氮、速效磷和pH 限制為主，黃壤帶、黃棕壤帶和棕壤帶以速效磷、速效鉀和pH限制為主，而維持和限制低海拔不同土地利用類型SIF 的因素與同海拔段內(nèi)自然土壤基本一致。未來山地開發(fā)利用過程中低海拔區(qū)域應該注重補充氮肥和磷肥，中高海拔區(qū)域則應該注重補充磷肥和鉀肥，同時調(diào)節(jié)適宜的pH 更有助于土壤養(yǎng)分的釋放和植物吸收利用。