亞熱帶常綠闊葉林土壤磷素空間分布特征及其影響因素
2014-04-17 05:25:50樊綱惟項文化雷丕峰鄒麗梅
農業現代化研究 2014年3期
樊綱惟，項文化，雷丕峰，3，鄒麗梅
土壤是時空連續的變異體，受自然因素（母質、氣候、生物、地形與時間）以及人為因素（土地利用、施肥等）的共同作用，具有高度的空間異質性，不論在大尺度還是在小尺度上，土壤的空間異質性普遍存在[1]。土壤的空間異質性影響植物群落的組成、植被的分布和生物量格局[2]。在土壤養分循環中，磷（P）作為植物生長發育的必需營養元素之一，參與組成植物體內許多重要化合物，是植物體生長代謝過程不可缺少的元素[3]。土壤中P的含量受到母質、氣候、生物[4]和土壤中的地球化學過程[5]等一系列因素的影響，而土壤P含量的變化也影響著包括碳、氮循環在內的其他元素的生物地球化學循環[6]。在許多熱帶濕潤森林和海岸系統中，微生物的生長和活動受到P的限制，從而使磷素成為整個系統的限制因子[7]。因此，對土壤磷素的空間分布及其控制因素的研究顯得十分重要。土壤全P含量的分布格局及其主導影響因素也隨著研究尺度的不同而存在差異。一些研究者認為中小尺度磷素空間分布的差異主要受到施肥等因素的影響，結構因素產生的影響相對較小[8,9]。而在大尺度研究中，多數研究者認為成土母質、地貌[10]、土地利用方式和土壤侵蝕[11]是影響土壤磷素分布的主要因素。
常綠闊葉林是中國亞熱帶地區最復雜、生產力較高、生物多樣性最豐富的地帶性植被類型之一，對保護環境、維持全球性碳循環平衡和人類持續發展發揮著重要作用[12]。青岡-石櫟群落是我國亞熱帶低山丘陵區典型的常綠闊葉林之一，代表著區域內森林群落的演替方向，具有維持區域生物多樣性和改善區域生態環境等生態功能[13]。研究土壤磷素空間分布與地形特征之間的關系，對于常綠闊葉林的保護、提高森林生產力和可持續經營都具有十分重要的意義。本研究以湘中丘陵區青岡-石櫟林為對象，分析土壤磷素的空間異質性和引起土壤磷素異質性的生態過程，探討其空間分布的影響因素，為該區土壤資源的合理利用和常綠闊葉林的經營與管理提供參考。
1 研究方法
1.1 研究區概況及樣地設置
研究地選在湖南省長沙縣大山沖國有林場(28°23′58″-28°24′58″N，113°17′46″-113°19′08″E)，該林場地處幕阜山余脈西部邊緣的湘中丘陵地區，海拔55-217.4 m，屬中亞熱帶東南季風氣候區，年平均氣溫16.6-17.6℃，最低氣溫為-11℃，最高氣溫為40℃，年降雨量為1412-1559 mm，土壤為板巖和頁巖發育而成紅壤[14]。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，由于人為干擾，原生植被已破壞，經過近幾十年的封山育林，現保存著一定的人工林群落及不同森林類型的次生植被[15]。其中青岡-石櫟林是區內保存較完好的常綠闊葉林之一。2013年3月在林場內選取了群落結構典型、干擾較小的青岡-石櫟林作為研究樣地，設置面積為1 hm2（100 m×100 m）的固定樣地，樣地分成100個10 m×10 m的小樣地，調查植物組成特征。樣地海拔為71-126 m，坡向為西北向，坡度為22°，土壤pH值為4.18-5.03。
1.2 樣品采集及測定分析
2013年9-10月期間，在青岡-石櫟林100個小樣地的中心位置進行采樣。如果中心位置有樹木或大的石塊，采樣點進行適當移動，記錄每個采樣點的經緯度和海拔高度，以及每個小樣地四個頂點的海拔高度。按照50 cm×50 cm的面積采集凋落物，在原地用環刀取腐殖質層，用土鉆取0-10 cm，10-20 cm和20-30 cm土層深度的土壤，共采集土樣300個，腐殖質層樣100個，凋落物100個，現場稱重裝袋做好標記。土壤樣品經風干、研磨，分別過60目篩和100目篩，以備化學分析。凋落物于80℃烘箱內烘干至恒重、稱重。土壤全磷測定用堿熔—鉬銻抗比色法[16]，土壤有效磷P含量采用鹽酸—氟化銨（Bray-1）法，凋落物和腐殖質全P含量采用釩鉬黃比色法測定，土壤pH值采用電極法測定（水土比2∶1）[17]。
選擇海拔和凹凸度作為地形因子，分析它們對土壤磷素分布影響。在樣地設置和群落調查時，用羅盤儀測定每個小樣地四個角的水平坐標位置、相對高度和坡度，根據1∶1萬的地形圖確定樣地原點的海拔，計算每個小樣地4個角的海拔。各采樣點的海拔為小樣地4個角海拔的平均值，凹凸度為小樣地海拔減去該小樣地相鄰的8個小樣地海拔的平均值，處于樣地邊緣小樣地的凹凸度為小樣地中心的海拔減去4個角海拔的平均值，若凹凸度為正值，表明該小樣地海拔比周圍樣方海拔高，即為凸型地形，反之則低，為凹型地形[18]。
1.3 數據統計分析
土壤養分數據分析在SPSS 17.0軟件系統進行，利用K-S檢驗對土壤養分進行描述性統計分析，對不能滿足正態分布的數據，用算術平方根或對數轉換，使轉換后的數據呈正態分布。在MATLAB 7.1平臺上，基于三次樣條插值法對土壤全P含量和有效P含量進行空間插值，得到青岡-石櫟林土壤磷素的空間分布特征圖。用回歸分析法對0-30 cm土壤全P和有效P分別與海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖質層全P含量進行一元線性回歸分析。
2 結果與討論
2.1 青岡-石櫟林土壤性質統計特征及正態性檢驗
土壤全P含量的均值為0.260 g/kg（表1），接近浙江天童常綠闊葉林土壤全P含量（0.26 g/kg）[19]和廣東鼎湖山季風常綠闊葉林土壤全P含量（0.258±0.011 g/kg）[20]，低于湘南紫色丘陵耕作區土壤全P含量（0.5-0.8 g/kg）[21]，明顯低于全國土壤全P含量（0.60 g/kg）。0-30 cm層土壤有效P含量均值為3.59mg/kg，高于中國土壤有效磷（3.40mg/kg）[22]，略低于廣東鼎湖山季風常綠闊葉林土壤有效P含量（4.22±0.16 mg/kg）[20]。
一般認為，變異系數（CV）<0.1為弱變異性，0.1
表1 全P和有效P含量的統計特征（n＝100）
2.2 土壤全P與有效P含量空間分布
土壤磷素含量的空間分布受多種因素的影響。土壤全P含量在1 hm2的研究樣地內隨地形變化規律較為明顯，分布格局以條帶狀的梯度變化為主（圖1），低值出現在中間山脊地帶，含量基本低于0.270 g/kg。高值出現在兩邊海拔較低的溝谷洼地；土壤有效P含量在整個研究樣地內呈斑塊狀分布，高值區位于部分低洼處，沒有明顯隨地形變化的趨勢。說明該區域內相對土壤有效P而言，土壤全P含量空間分布受地形因子的影響較大。
圖1 青岡-石櫟常綠闊葉林土壤全P（左）和有效P（右）含量的空間分布格局
2.3 土壤全P和有效P含量的影響因素
相關分析結果表明土壤全P含量受到相對高差和凹凸度的影響，土壤有效P含量受凋落物生物量和腐殖質層全P含量的影響，土壤全P、有效P含量與凋落物全P含量的相關性不顯著（p>0.05）。根據該結果，我們進一步對海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖質層全P含量與土壤全P和有效P含量進行一元回歸分析，研究土壤磷素含量分布隨影響因子的變化趨勢。
（1）海拔。0-30 cm土壤全P和海拔呈極顯著負相關（圖2），相關系數為-0.499（p<0.01）。這與秦松對西南丘陵的研究結果略有不同[25]，其結果表現為磷素分布隨著海拔的升高而增加，原因可能是西南丘陵區的海拔在310 m以上，高海拔處氣溫越低，蒸發量小且濕度大，有機質分解慢，有利于養分富集。本研究區海拔小于130 m，溫度濕度的影響較小，而降水、地表徑流會加快磷元素淋溶，導致上層土壤全磷含量降低[26]，磷素向低地聚集，表現出全P含量隨海拔增加而降低。0-30 cm土壤有效P含量與海拔無顯著相關關系，這與Soethe等[27]對熱帶森林的研究結果相一致。
圖2 全P含量與海拔的關系
（2）凹凸度。0-30 cm土壤全P含量和凹凸度呈負相關（圖3），相關系數為-0.261（p<0.01），達極顯著水平。土壤有效P含量與凹凸度無顯著相關性。土壤全P的空間變異受凹凸度影響較大，同海拔范圍內，低地溝谷的全磷含量要明顯高于坡面和山脊[28]，這可能是因為位于高海拔處的土壤被雨水沖刷下來沉積在低洼處土壤表層，導致養分在土壤表層的逐漸累積，因此溝谷土壤全P含量較高。
圖3 全P含量與凹凸度的關系
（3）凋落物生物量。0-30 cm土壤全P與凋落物生物量的相關系數為0.064，但未達到顯著水平，表明自然土壤中的磷素主要來源于成土母質，其空間格局在大尺度上主要受土壤類型和氣候條件的影響[10]。0-30 cm土壤有效P含量均值與凋落物生物量呈正相關（圖4），相關系數為0.263（p<0.01），達極顯著水平，這與劉文杰等[22]在研究中提出有效磷含量主要受凋落物分解的影響的觀點相符合。因此，增加該區域凋落物的累積量有利于提高有效P的含量。
圖4 有效P含量與凋落物生物量的關系
（4）腐殖質層全P含量。土壤全P含量與腐殖質層全P含量無顯著性相關性。土壤有效P和腐殖質全P含量具有顯著正相關（R＝0.238，p＝0.017），說明腐殖質層對土壤有效P具有供應和保持的作用。腐殖質層主要來源于動植物殘體的分解，其含量的大小與土壤磷素的積累緊密相關。在大多數生態系統中，由于P循環在系統內部的局限性，植物歸還土壤的磷是有效磷的重要來源[29]。
3 結論
青岡-石櫟常綠闊葉林中土壤（0-30 cm）全P和有效P含量的變化范圍分別為0.200-0.402 g/kg和2.22-6.74 mg/kg，變異系數分別為16.35%和22.06%，均到達了中等強度變異。土壤全P含量呈條帶狀的空間分布格局，山脊含量低，溝谷含量高；土壤有效P含量則呈斑塊狀分布，沒有明顯隨地形變化的趨勢。土壤磷素空間分布格局與地形、凋落物量有關，其中土壤全P含量與海拔、凹凸度呈極顯著負相關，而有效P含量受地形因子的影響較小，與凋落物生物量、腐殖質層全P含量呈顯著正相關。可見，凋落物量對林地土壤有效P含量影響較大，通過封山育林和保護林下凋落物，有利于提高林地土壤有效P含量和森林生產力。
土壤磷素含量受到成土母質、地貌、氣候、土地利用方式等諸多因素的影響，不同尺度的研究范圍內，其主導影響因素也存在差異。本研究中分析了凋落物、腐殖質、相對高差和凹凸度對土壤磷素含量的影響，但土壤母質、地上植物種類以及土壤機械組成對土壤磷素含量的影響有待進一步研究。
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