祁連山典型流域青海云杉林土壤磷研究

中圖分類號：S714 文獻標識碼：A doi：10.13601/j.issn.1005—5215.2025.04.004

Study on Soil Phosphorus Picea crassifolia Forest Typical shed

Miao 1， ， 1， 1， 2 （1.Academy Provce， ，Cha; 2.Ganzhou District works Authority， 734ooo，Cha）

AbstractIn order to reveal thevertical distribution pattern，altitude differentiation characteristics soil phosphorus and the fluence mechanism organic matter on the transformation phosphorus forms Picea crassifolia forest the typical watershed ，the Picea crasifolia forest Dayekou Bas was taken as the research object，and the sample plots were set up at an altitude gradient 2 500- （2 3300m . The soil prile was excavated and the soil samples were collected layers for the determation total phosphorus，available phosphorus and organic matter. The data were analyzed by nonlear regression and Pearson corelation test. The results showed that the massfraction total phosphorus decreased with the crease soil depth at low and medium altitudes （ 2500-2900m ），and the deep soil at 3100m was enriched phosphorus due to weatherg or meralization.Available phosphorus only decreased with thedeepeng soil layer atan altitude 2700m ，and there was no significant law at other altitudes. The mass fraction total phosphorus creased first and then decreased with the crease altitude，and reached the peak at 2900m . The available phosphorus decreased with the crease altitude，and the mass fraction available phosphorus at 3 300m was slightly higher than that at 3100m . Available phosphorus was significantly negatively correlated with organic matter，while total phosphorus was not significantly correlated with organic matter. Hydrothermal conditions at an altitude 2900m （204 are mostconducive to total phosphorus accumulation，and available phosphorus is reducd at high altitudes due to low temperature and organic matter adsorption.

Key words Dayekou Bas ;Picea crassifolia forest;soil prile;soil phosphorus磷是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關鍵限制性養(yǎng)分元 素之一，其在生物地球化學循環(huán)過程直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1-2]。祁連山作為我國西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)區(qū)，其植被分布與土壤養(yǎng)分特征對區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。青海云杉（Piceacrassifolia）是祁連山陰坡中低海拔段（ 2 700～3 300m） 的建群樹種，林下土壤磷的貯存形態(tài)及空間分異規(guī)律，不僅關系到森林群落的穩(wěn)定性，還可能通過水文過程影響下游水體的營養(yǎng)平衡[3]。有機層作為磷循環(huán)的關鍵界面，通過接收大氣沉降和生物周轉(zhuǎn)的磷輸人，有效減少磷的側(cè)向流失[］。祁連山青海云杉林土壤 pH 隨海拔升高逐漸降低，與有機質(zhì)共同構(gòu)成養(yǎng)分循環(huán)的首要限制因子，直接影響磷的生物有效性[4]。隨著全球氣候變化加劇，溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)磷限制現(xiàn)象日益凸顯，祁連山作為典型溫帶山地生態(tài)系統(tǒng)，其青海云杉林對磷的高效利用（如根系磷富集和衰老組織磷再吸收）和對維持群落穩(wěn)定性和水源涵養(yǎng)功能具有特殊意義[5]

近年來，關于高寒山地土壤磷的研究多集中于青藏高原核心區(qū)，而對祁連山過渡帶的研究相對薄弱。已有研究表明，海拔梯度通過改變水熱條件、植被類型和成土過程，顯著影響土壤磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化與有效性[。然而，祁連山大野口流域作為典型的林草復合生態(tài)系統(tǒng)，其青海云杉林土壤磷的海拔分異規(guī)律及驅(qū)動機制仍存在諸多問題需要研究，如土壤全磷與速效磷的分布是否受相同環(huán)境因子的調(diào)控，土壤有機質(zhì)積累對磷有效性的影響是否存在海拔依賴性等。

本研究選取祁連山大野口流域不同海拔梯度0 （2 500～3 300m） 青海云杉林為研究對象，通過系統(tǒng)分析土壤全磷、速效磷質(zhì)量分數(shù)及其與有機質(zhì)的關系，旨在揭示青海云杉林土壤磷的垂直分布格局及其海拔分異特征和有機質(zhì)積累對磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響機制。研究結(jié)果可為祁連山水源涵養(yǎng)林的可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

祁連山大野口流域位于青藏高原北麓邊緣、祁連山中段的肅南縣馬蹄鄉(xiāng)八一村境內(nèi)（ 100^°13^′ 一100^°16^′E，38^°16^′-38^°33^′N） ，流域面積 68.06km² ，呈中卵形地貌，屬北祁連山褶皺帶高山深谷地形，海拔 2 650～4 600m 。該區(qū)域氣候為溫帶大陸性高寒半干旱一半濕潤山地氣候，年均氣溫 5.4^°C ，極端溫度從7月的 19.6^°C 至12月的 -12.5^°C ，年降水量300～500mm （平均值 354.3mm ），其中 70% 集中于6一9月，年蒸發(fā)量 1488mm ，年均相對濕度60% ，呈現(xiàn)顯著的水熱異質(zhì)性[8。陰坡和半陰坡低海拔段 （2500～3300m） 為青海云杉純林帶，林下伴生黑穗臺草（Carexatrata）、珠芽蓼（Polygonumviuiparum）等草本植物；中海拔段（3 300～ 3600m， 為發(fā)育亞高山灌木林帶，優(yōu)勢種包括吉拉柳（Salixgilashanica）、金露梅（Potentillafrutico-sa ）和鬼箭錦雞兒（Caraganajubata）；高海拔段 （gt; 3600m 以灌叢草甸和高山冰雪植被為主，常見高山繡線菊（Spiraeaalpa）和匐燈蘚（Plagiomni-umcuspidatum）等。土壤類型垂直分異同步顯現(xiàn)，依次為有機質(zhì)豐富的山地灰褐土、貧瘠的山地栗鈣土，以及高海拔的高山草甸土和石質(zhì)荒漠土，土層厚度隨海拔升高從1m 銳減至不足20cm[9-10]

2研究方法

2.1樣地設置和土樣采集

在祁連山大野口流域青海云杉林內(nèi)，沿垂直海拔梯度設置研究樣地。選擇 2500，2700，2900 、3100.3300m 等5個典型海拔段，每個海拔梯度布設 2～3 個 20m×20m 的樣地，用以系統(tǒng)研究土壤磷質(zhì)量分數(shù)的垂直分異特征。樣地選址時確保同一海拔內(nèi)樣地的微環(huán)境條件（如坡度、坡向）保持一致，供試樣地參數(shù)詳見表1。在選定樣地內(nèi)隨機選取3～5 個采樣點開挖土壤剖面，剖面深度延伸至母質(zhì)層。使用小刀和鋼卷尺進行土層機械劃分，按 0～ 10，gt;10～20，gt;20～30，gt;30～40，gt;40～60cm 分層取樣。采樣時遵循自下而上的順序逐層采集，使用不銹鋼鏟獲取各層原狀土樣。為有效降低樣地間異質(zhì)性影響[11]，同一海拔各重復樣地的對應土層土樣經(jīng)充分混勻后，采用四分法保留約 500g 代表性樣品，密封保存并運送至實驗室。樣品經(jīng)自然風干、研磨過篩后，測定土壤有機質(zhì)、全磷及速效磷質(zhì)量分數(shù)。

表1供試樣地情況

2.2土壤磷素和有機質(zhì)測定

土壤全磷質(zhì)量分數(shù)采用鉬銻抗比色法（酸消解法）測定。將土壤樣品經(jīng)濃硫酸一高氯酸消解后，加入鉬銻抗顯色劑，通過分光光度計測定吸光度，計算全磷質(zhì)量分數(shù)。土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提法，將土樣與濃度為 0.5mol?L^-1 的 NaHCO₃ 溶液震蕩浸提后，離心過濾，顯色后測定吸光度，計算速效磷質(zhì)量分數(shù)。

土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化一外加熱法測定。通過氧化有機碳后滴定計算有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)[12]

2.3 數(shù)據(jù)處理

將不同海拔和土層的全磷、速效磷及有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)按統(tǒng)一單位整理，消除量綱差異。通過非線性回歸模型（如多項式回歸）和線性回歸結(jié)合波動性檢驗（如滑動平均法）分析全磷、速效磷質(zhì)量分數(shù)隨海拔的變化趨勢。使用Pearson相關系數(shù)檢驗全磷、速效磷與有機質(zhì)的關系。

3結(jié)果與分析

3.1 不同海拔青海云杉林土壤剖面全磷和速效磷質(zhì)量分數(shù)變化

祁連山大野口流域不同海拔梯度下青海云杉林土壤全磷和速效磷的分布特征呈現(xiàn)顯著異質(zhì)性（圖1）。全磷質(zhì)量分數(shù)在垂直剖面上呈現(xiàn)海拔依賴性差異。海拔 的土壤全磷質(zhì)量分數(shù)隨土層深度增加呈遞減趨勢，而 3 100m 海拔的土壤全磷質(zhì)量分數(shù)在 gt;40～60cm 土層顯著升高，較其他土層增加約 18%～35% 。 3300m 海拔的全磷質(zhì)量分數(shù)在剖面上無明顯變化規(guī)律。從質(zhì)量分數(shù)范圍看， 2500m 海拔為 0.49～0.58g?kg^-1 （204號 2700m 海拔為 0.39～0.51g?kg^-1，2900m 海拔為 0.54～0.76g?kg^-1，3100m 海拔為 0.48～ 0.71g?kg^-1，3300m 海拔為 0.52～0.60g?kg^-1 ，其中 2900m 海拔的全磷質(zhì)量分數(shù)峰值達到 0.76g kg^-1 ，顯著高于其他海拔。整體上，全磷質(zhì)量分數(shù)隨海拔升高呈現(xiàn)先增后降趨勢， 2900m 為質(zhì)量分數(shù)最高點。

速效磷的垂直分布規(guī)律更為復雜。除 2700m 海拔的速效磷質(zhì)量分數(shù)隨土層加深持續(xù)降低外，其他海拔未表現(xiàn)出顯著變化趨勢。從質(zhì)量分數(shù)范圍看，速效磷隨海拔升高呈現(xiàn)波動性遞減，由高到低依次為 2 500m（7. 517～9. 923mg?kg^-1） ） ?2 700m （ 6.053～9.5051 mg kg^-1 ）、 2900m（3.808～ 6.237mg?kg^-1 ）、 3300m（3.366～5.300mg ：kg^-1 ），3 100m（3.003～5.629mg?kg^-1） 。

3.2不同海拔青海云杉林土壤全磷和速效磷質(zhì)量分數(shù)隨海拔變化特征

青海云杉林土壤 （0～60cm） 的全磷和速效磷質(zhì)量分數(shù)隨海拔梯度呈現(xiàn)差異化分布特征（圖2）。由圖2可知，全磷平均質(zhì)量分數(shù)在 2 500～3 300m 范圍內(nèi)呈現(xiàn)“先增后降”的非線性趨勢， 2900m 為峰值點 （0.65mg?kg^-1 ），由到大小依次為2900、³ 100，3 300，2 500，2 700m 。其中 2900m 處的全磷質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他海拔，達到峰值。

速效磷平均質(zhì)量分數(shù)隨海拔升高呈波動性遞減，由大到小排序為 2 500m（8.240mg?k ?kg^-1 ）、2700m（7.326mg?kg^-1），2900m（5.206mg?kg^-1） kg^-1 ）、3 300m （4.269mg kg^-1 ）、3 100m （ 4. 006mg?kg^-1 ）， 3300m 的速效磷質(zhì)量分數(shù)略高于 3100m 。

3.3青海云杉林土壤全磷和速效磷質(zhì)量分數(shù)與土壤有機質(zhì)的相關性

對不同海拔梯度及不同土層深度的土壤全磷、速效磷與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的關聯(lián)性進行了相關性分析，結(jié)果見表2。由表2可知，土壤全磷與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之間未呈現(xiàn)統(tǒng)計學顯著性關聯(lián)（ Pgt;0.05） 。王壤速效磷與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之間存在極顯著負相關關系（ Plt;0.01） 。值得注意的是，盡管全磷與速效磷在數(shù)值上存在量級差異，但二者未表現(xiàn)出顯著相關性（ ?Pgt;0.05） 。

表2土壤有機質(zhì)和磷素質(zhì)量分數(shù)的相關性分析

注： ×× 表示在0.01水平（雙側(cè)）上極顯著相關。

4結(jié)論與討論

1）海拔 2500，2700，2900m 的青海云杉林土壤全磷質(zhì)量分數(shù)隨土層加深呈遞減趨勢，而3100m海拔的 gt;40～60cm 土層全磷質(zhì)量分數(shù)顯著升高（較其他土層增加 18%～35%），3 300m 則無明顯變化規(guī)律。這種垂直分異可能與高海拔地區(qū)獨特的土壤發(fā)育條件有關：一方面，海拔 3100m 處深層土壤可能因低溫抑制有機質(zhì)分解，導致磷的積累（如母質(zhì)風化釋放的次生磷），而石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的土壤中K⁺ 質(zhì)量分數(shù)較高，可能通過陽離子交換促進磷的釋放[13];另一方面，高海拔區(qū)域的凍融循環(huán)和物理風化主導的成土過程增強了深層土壤的礦物分解釋放磷。此外，已有研究表明，高海拔土壤碳磷比值（ C/ P）顯著降低，表明磷相對富集，這可能與低溫條件下微生物周轉(zhuǎn)速率下降導致的磷滯留有關[14]

就速效磷而言，除 2700m 海拔處土壤隨土層加深持續(xù)降低外，其他海拔未呈現(xiàn)顯著垂直趨勢。這種差異性表明，速效磷的動態(tài)更受局地生物地球化學過程調(diào)控，如根系分泌物（如有機酸）通過合鐵鋁氧化物釋放固定態(tài)磷[15]，而微生物周轉(zhuǎn)（如磷酸酶活性）驅(qū)動的有機磷礦化可能在淺層土壤中占主導[16]。研究還發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流路徑的存在（如大孔隙或根系通道）可能加速局部區(qū)域的磷垂向遷移，但受土壤質(zhì)地和水分條件限制，其影響具有高度空間異質(zhì)性[17]

2）全磷質(zhì)量分數(shù)隨海拔升高呈現(xiàn)先增后降趨勢， 2900m 海拔處為峰值，顯著高于其他海拔，這可能與以下因素有關：一是與該海拔的土壤發(fā)育條件有關，即該海拔可能具備更適宜的水熱條件，促進有機質(zhì)積累和礦化，從而增加全磷質(zhì)量分數(shù)；二是與母質(zhì)風化差異有關，不同海拔的基巖風化程度可能影響磷的釋放量。速效磷隨海拔升高整體下降，可能與以下機制相關：一是與低溫抑制分解有關，高海拔低溫減緩有機質(zhì)分解和磷的礦化速率，導致速效磷減少[18]；二是與有機質(zhì)吸附作用有關，有機質(zhì)積累可能通過吸附鈍化或微生物固持降低速效磷的生物有效性。值得注意的是， 3 300m 海拔處的速效磷質(zhì)量分數(shù)略高于 3100m ，這可能與局部微地形或凋落物分解差異有關[18]

3）土壤全磷與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之間無統(tǒng)計學顯著性關聯(lián)，這可能與成土母質(zhì)的主導作用及磷素固定機制有關[19]。成土母質(zhì)作為土壤磷的原始來源，其礦物組成（如含磷巖石的分解）直接決定了全磷的初始質(zhì)量分數(shù)，而有機質(zhì)對全磷的貢獻相對有限。此外，磷素在土壤中易與鐵、鋁氧化物或黏土礦物形成難溶性化合物（如磷酸鹽沉淀），導致其生物有效性降低，進一步削弱了全磷與有機質(zhì)之間的關聯(lián)性。速效磷與有機質(zhì)呈現(xiàn)極顯著負相關。這一現(xiàn)象表明，有機質(zhì)的積累可能通過以下途徑抑制速效磷的生物有效性，包括吸附鈍化和微生物固持，有機質(zhì)中的腐殖酸等組分可通過表面吸附或絡合作用固定磷酸鹽離子，減少其可溶性；微生物在分解有機質(zhì)的過程中優(yōu)先吸收速效磷以滿足自身代謝需求，導致磷的暫時性生物固定[19]。高海拔區(qū)域（如 3300m， 速效磷質(zhì)量分數(shù)較低，可能與有機質(zhì)積累量較高及低溫抑制微生物礦化作用有關。盡管全磷與速效磷在數(shù)值上存在量級差異，但二者未表現(xiàn)出顯著相關性，這說明速效磷的動態(tài)變化并非直接來源于全磷庫的釋放，而是受控于非全磷庫的轉(zhuǎn)化過程，如有機磷的礦化（如磷脂、核酸分解）或無機磷的化學活化（如pH變化引起的溶解）[20]。

該研究揭示了青海云杉林土壤磷庫的不同土層分異和隨海拔梯度的變化規(guī)律，為高寒山地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分管理和碳磷耦合研究提供了重要數(shù)據(jù)支撐。未來需結(jié)合土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、磷酸酶活性與氣候因子的交互作用，揭示有機質(zhì)積累與磷有效性的海拔依賴性，同時關注不同坡向和微地形對磷分布的影響。

參考文獻：

[1］陳美領，陳浩，毛慶功，等.氮沉降對森林土壤磷循環(huán)的影響[J].生態(tài)學報，2016，36（16）：4965-4976.

[2] LEONARDO D，ANIBAL D M，VINCENT M. Environmentaldrivers of soil phosphorus composition in natural ecosystems[J].Biogeoences，2018，15（14）：4575-4592.

[3] SOHRT J，PUHLMANN H，WEILER M. Phosphorus transportin lateral subsurface flow at forested hillslopes[J].Soil Discus-sions，2018：1-20.

[4］李效雄．祁連山西水林區(qū)青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能研究[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學，2013.

[5]ZENG F，CHEN X，HUANG B，et al. Distribution changes ofphosphorus in soil-plant systems of larch plantations across thechronosequence[J].Forests，2018，9（9）：147-157.

[6]唐立濤，劉丹，羅雪萍，等.青海省森林土壤磷儲量及其分布格局[J].植物生態(tài)學報，2019，43（12）：1091—1103.

[7] HE X，AUGUSTO L，GOLL D S，et al. Global patterns and driv-ers of phosphorus fractions in natural soils[J]. Biogeosciences，2023，20（20），4147—4163.

[8]拓鋒，劉賢德，劉潤紅，等.祁連山大野口流域青海云杉種群空間格局及其關聯(lián)性[J].植物生態(tài)學報，2020，44（11）：1172—1183.

[9]拓鋒，劉賢德，黃冬柳，等.祁連山大野口流域青海云杉種群數(shù)量動態(tài)[J].生態(tài)學報，2021，41（17）：6871-6882.

[10］樊選.祁連山中段大野口流域不同植被土壤有機碳和理化性質(zhì)變化特征研究[J].防護林科技，2023（3）：7—10.

[11]T/GSSF004—2022土壤樣品采集、制備及保存技術規(guī)程[S].蘭州：甘肅省土壤肥料學會，2022.

[12]元琳，李艷玲，向璐，等.高梁和地球囊霉聯(lián)合修復鍶污染土壤研究[J].生態(tài)學報，2020，40（2）：648-656.

[13］陳玉藍，王勇，梁錦鵬，等.四川涼山會東縣不同海拔農(nóng)田土壤phoD基因群落組成及多樣性特征[J].生態(tài)學報，2024，44（19）：8488-8497.

[14]牟文博，徐當會，王謝軍，等.排露溝流域不同海拔灌叢土壤碳氮磷化學計量特征[J].植物生態(tài)學報，2022，46（11）：1422—1431.

[15]DHARIWAL A G，TARAFDAR JC. Organic acid mediated phos-phorus mobilization from phytin and glycerophosphate[J]. GSC Ad-vanced Research and Reviews，2023，15（1） ：62-68.

[16]黃玫，王娜，王昭生，等.磷影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程及模型表達方法[J].植物生態(tài)學報，2019，43（6）：471-481.

[17] JULICH D，MAKOWSKI V，F(xiàn)EGER K H，et al. Phosphorusfluxes in two contrasting forest soils along preferential path-ways after experimental N and P additions[J]. Biogeochemis-try，2022，157（3）：1-19.

[18] POURBABAEI H，SALEHI A，EBRAHIMI S S，et al. Variationsof soil physicochemical properties and vegetation cover under differ-ent altitudinal gradient，western Hyrcanean forest，north of Iran[J].Journal ofForest Science，2020，66（4）：159—169.

[19]HE X，AUGSTO L，GOLL D S，et al. Global patterns and driv-ers of soil total phosphorus concentration[J].Earth SystemScience Data，2021，13（12） ：5831-5846.

［20］龐耀悅，胡笑濤，王芳，等.不同深蓄儲水灌溉量對冬小麥磷素利用和磷素下滲流失風險的影響［J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2024 20/2） 402-504