泥石流頻發區山地不同海拔土壤化學計量特征——以云南省小江流域為例

張廣帥, 鄧浩俊, 杜　錕, 林勇明, 馬瑞豐, 俞　偉, 王道杰, 吳承禎,洪　偉

1 福建農林大學林學院, 福州　350002

2 福建省高校森林生態系統經營與過程重點實驗室, 福州　350002

3 中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所, 成都　610041

4 武夷學院, 南平　354300

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泥石流頻發區山地不同海拔土壤化學計量特征
——以云南省小江流域為例

張廣帥1,2, 鄧浩俊1,2, 杜錕1,2, 林勇明1,2,*, 馬瑞豐1, 俞偉1, 王道杰3, 吳承禎1,2,4,洪偉1,2

1 福建農林大學林學院, 福州350002

2 福建省高校森林生態系統經營與過程重點實驗室, 福州350002

3 中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所, 成都610041

4 武夷學院, 南平354300

摘要:為了探究泥石流頻發區不同海拔梯度土壤的化學計量特征，闡明土壤性質對海拔變化的響應規律，進而有效指導受限性生態脆弱區生態系統的保護和恢復，在云南省小江流域支流阿旺小河西北側山地選取了1500—2000m、2000—2500m、2500—3000m 3個海拔梯度，測定各海拔梯度范圍內0—10cm、10—20cm、20—30cm土壤的有機碳、全氮、全磷、全鉀含量及其機械組成，分析了不同海拔梯度土壤化學計量比的垂直分布特征及其與植被區、土壤物理結構的關系。結果表明：隨著海拔梯度的升高，土壤有機碳和全氮含量以及碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均呈升高趨勢，全磷和全鉀含量以及磷鉀比呈降低趨勢，且有機碳、全氮、全磷和全鉀對海拔的敏感程度依次降低；不同海拔梯度之間，土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀及其化學計量比的垂直分布存在顯著差異性，即隨著土壤深度的增加，有機碳和全氮含量呈降低趨勢，而全磷和全鉀含量以及各化學計量比變化規律不明顯；同一海拔梯度內，森林植被區和灌草叢群落植被區土壤生態化學計量比差異性不大，且隨海拔梯度變化一致，灌草叢群落中，土壤碳氮比與地上植被蓋度具有極顯著正相關性，森林群落植被區，土壤磷鉀比與優勢喬木種平均高度具有極顯著負相關性，而與平均胸徑呈顯著負相關性；土壤物理結構的分異是造成土壤化學計量特征發生變化的主要內在原因，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率和砂粒的增加呈指數型上升而隨著粘粒的增加呈指數型下降的趨勢。

關鍵詞：泥石流頻發區; 海拔梯度; 化學計量特征; 土壤物理結構

土壤養分是影響生態系統結構和功能的關鍵性因素，直接決定地上有機體生長、植被群落的結構、生產力水平高低和生態系統的穩定性[1- 2]。土壤生態化學計量比是反映土壤內部碳氮磷等循環的主要指標，綜合了生態系統功能的變異性，易于測量且有助于確定生態過程對全球氣候變化的響應[3]。土壤生態化學計量學在國外起步較早，可追溯到20世紀50年代，20世紀90年代以來發展迅速且逐步成熟[4- 5]。自2005年曾德慧和陳廣生首次在國內系統介紹了生態化學計量學的基本理論，隨后國內學者陸續開展各種生態系統生態化學計量方面的研究，如劉萬德等對云南普洱季風常綠闊葉林演替系列的土壤植被系統進行了C、N、P化學計量特征研究[6]，丁小慧等對呼倫貝爾草地植物群落進行了化學計量特征研究[7]，目前國內相關研究主要集中在：(1)不同優勢物種和土壤的化學計量特征[8- 9]；(2)不同演替階段土壤-植被系統的化學計量特征[10- 11]；(3)不同生態系統土壤-植被系統的化學計量特征[12]；(4)施肥作用下土壤-植被系統的化學計量特征[13]。泥石流頻發區作為一類典型的受限性生態脆弱區，其土壤碳氮磷平衡性較差，對區域環境變化響應敏感，土壤-植被系統退化嚴重，對其土壤生態化學計量特征的研究可加深生態脆弱區生態系統功能變化、系統維持機制及演變特征等方面的認識。

云南金沙江一級支流小江流域山地海拔最高達4016 m，最低為691 m，相對高差達3000多m，作為干熱河谷的典型流域，區域內泥石流災害活動強烈，流域兩側山體及植被破壞嚴重，土壤正常的分布規律受到嚴重制約且土壤侵蝕嚴重。長期以來人們對小江流域兩側山地的研究主要涉及土壤侵蝕[14- 15]、景觀格局演變[16]、泥石流灘地利用[17]、植被恢復技術[18]等方面，而對其土壤化學計量特征的研究鮮見報道，長期受山地災害限制下土壤性質的響應特征尚不明了，難以科學有效地指導受限性脆弱生態區土壤-植被系統的保護與恢復重建工作。本課題組前期已對小江流域泥石流頻發區山地植被的土壤環境梯度及其相互關系進行了報道[19]，有鑒于此，本文選擇泥石流頻發區典型流域小江流域為研究區，在該流域內沿海拔梯度設置樣地，探討土壤生態化學計量特征沿海拔梯度的變化規律，以期為山地脆弱生態系統資源的合理利用和生態恢復提供理論依據。

1研究地區與研究方法

1.1研究區概況

小江流域(102°52′—103°22′E，25°32′—26°35′N)為金沙江一級支流，發源于滇東北高原魚味后山，自南向北流經云南尋甸縣、昆明市東川區及會澤縣境，全長138.2 km，流域面積3043.45 km2。小江河谷發育在小江深大斷裂帶上，屬深切割構造型河谷，新老構造錯綜復雜，新構造運動強烈，河谷兩側地形陡峻，地面高差懸殊，最高海拔4016 m，最低海拔691 m。受地形條件的制約，本區氣候類型復雜，垂直地帶性分異明顯，年平均氣溫17—19 ℃，年平均日較差8—9.5 ℃，≥10 ℃的年活動積溫5100—6500 ℃，年平均降雨量740—810 mm，年蒸發量為3000 mm，干燥指數為2.49—2.02，干濕季節分明，雨季(5—11月)降雨量占全年總降雨量的80%以上，年平均日照時數2236 h，夏季日照時數470 h，占全年日照時數的21%，冬春日照長。小江河谷按海拔高程可分為4個不同氣候帶，即河谷半干旱南亞熱帶(海拔900—1500 m)、中山下部干濕交替中、北亞熱帶(海拔1500—2000 m)、中山半濕潤暖溫帶(2000—2500 m)和寒溫帶濕潤山地區(海拔2500—3000 m及以上山區)[20]。

1.2野外調查與取樣

調查于2013年7—9月進行。在小江流域支流阿旺小河西北側山地，沿海拔梯度(海拔范圍1500—3000 m)選擇3個樣帶從低到高設置典型喬木和灌草叢樣方，其中樣帶1的起始海拔為1500 m，終止海拔為2949 m，共設置7個樣方(包括4個灌草叢樣方和3個喬木樣方)；樣帶2的起始海拔為1591 m，終止海拔為2952 m，同樣設置7個樣方(包括4個灌草叢樣方和3個喬木樣方)；樣帶3的起始海拔為1549 m，終止海拔為3000 m，也設置了7個樣方(包括4個灌草叢樣方和3個喬木樣方)。喬木樣方面積為20m×20m，灌草叢樣方為2m×2m[21]。樣帶設置包含3個海拔范圍，在1500—2000 m(梯度Ⅰ)、2000—2500 m(梯度Ⅱ)、2500—3000 m(梯度Ⅲ)范圍內各設置7個樣方，樣方的設置盡可能代表每個海拔梯度的整體情況。用手持GPS500測定每個調查樣方的海拔，并用地質羅盤儀測量坡度。在每個樣方內，用環刀法分別對0—10 cm、10—20cm、20—30cm的土壤進行3點重復取樣，其中1個取樣點在樣方中心位置，另外2個取樣點分別位于樣方中心點與左右兩側連線的中心位置，混合后密封，帶回實驗室測定。

表1　樣地概況

1.3樣品處理及測定

土壤容重用環刀法測定；土壤含水量用烘干法測定；土壤孔隙度采用公式(1)計算；過2mm篩后在中國科學院東川泥石流定位觀測研究站采用馬爾文激光粒度儀測定土壤機械組成，土壤粒級劃分標準選用美國制(USDA)粒級劃分標準；化學性質參照土壤理化分析[21- 22]進行，過0.149 mm篩后，測有機碳全氮、全磷、全鉀。其中土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化- 外加熱法測定；全氮含量采用半微量-凱氏法測定；全磷含量采用堿熔-鉬銻抗顯色法測定；全鉀含量采用堿熔-火焰光度法測定。對每一樣品進行3次重復測定，取其平均值為最終測定結果。

土壤總孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100%

(1)

1.4數據處理與分析

數據用EXCEL2007建庫作圖，對不同海拔梯度及土壤深度之間土壤養分含量、物理結構和生態化學計量比進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比較，運用皮爾遜(Pearson)相關分析對海拔梯度、土壤理化、灌叢群落地上蓋度以及森林群落主要生理指標和生態化學計量比進行相關性分析，運用回歸分析研究土壤生態化學計量比隨海拔梯度以及土壤物理結構的變化趨勢。以上數據分析均在SPSS19.0中進行。

2結果與分析

2.1土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量與物理結構

對不同海拔梯度每個樣本點土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀3次測定的平均值進行比較分析可知，在海拔由低到高上升過程中，0—30cm土壤的有機碳、全氮含量逐漸升高，表現為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，而土壤全磷和全鉀含量則逐漸降低，表現為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ(表2)。從海拔梯度Ⅰ到Ⅱ，土壤有機碳和全氮分別升高了29.67%和31.79%，而土壤全磷和全鉀分別降低了28.38%和35.83%；從海拔梯度Ⅱ到Ⅲ，土壤有機碳和全氮分別升高了72.15%和45.73%，而土壤全磷和全鉀分別降低了37.74%和5.08%。這表明在海拔梯度升高的過程中，0—30cm土壤有機碳和全氮增加的程度以及土壤全磷降低的程度逐漸增大，而土壤全鉀含量降低的程度則隨著海拔升高逐漸減小。

表2　土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量

同列不同字母表示差異性顯著(P<0.05)；N=21

圖1　不同深度土壤的有機碳、全氮、全磷、全鉀含量Fig.1　Content of organic carbon (SOC),total nitrogen (TN),total phosphorus (TP) and total potassium (TK) in soil with different depth不同大寫字母表示相同海拔梯度不同土壤深度間在0.05水平上具有顯著差異，不同小寫字母表示相同土壤深度不同海拔梯度間在0.05水平上具有顯著差異(P<0.05);N=21

海拔升高過程中不同深度土壤有機碳、全氮含量均呈現出遞增的趨勢，而土壤全磷和全鉀則呈現出遞減的趨勢(圖1)。隨著海拔的升高，不同深度土壤養分含量的垂直分布明顯不同，海拔梯度在Ⅰ范圍內，土壤有機碳、全氮含量均隨著深度的增加而減少，土壤全磷含量則隨著深度的增加而增加，土壤全鉀含量相對保持穩定；海拔梯度在Ⅱ范圍內，土壤有機碳、全氮、全磷含量均隨著深度的增加而減少，土壤全鉀含量同樣較為穩定；海拔梯度在Ⅲ范圍內，土壤有機碳、全氮、全磷均略有降低但相對變幅不大，而土壤全鉀含量基本保持不變。

對不同海拔梯度各樣本點土壤物理性質3次測定的平均值比較分析可知，土壤的物理結構中，0—30cm土壤的含水率、孔隙度和砂粒含量均隨著海拔的升高而升高，土壤黏粒含量和粉粒含量則與之相反，土壤容重表現為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。綜合土壤養分含量和物理結構方差分析結果可知除了全鉀，Ⅰ和Ⅱ兩個海拔梯度之間土壤養分和物理結構差異性不顯著，而其與Ⅲ土壤的養分含量和物理結構的差異性顯著。

表3　土壤物理結構(N=21)

2.2土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀的生態化學計量特征

根據每個樣本點3次測定值所得生態化學計量比的平均值可知，海拔升高的過程中，0—30cm土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比呈升高的趨勢，磷鉀比呈降低的趨勢，而碳氮比變化不明顯。各化學計量比在Ⅰ和Ⅱ間均無顯著差異，而碳氮比、碳鉀比、氮鉀比和磷鉀比在Ⅱ和Ⅲ之間無顯著差異。從Ⅰ到Ⅱ，土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比分別升高了96.31%、66.18%、107.79%、63.38%，而磷鉀比降低了1.15%；從Ⅱ到Ⅲ，土壤的碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比分別升高了155.52%、68.41%、104.36%、43.10%，而磷鉀比降低了36.05%。

表4　土壤化學計量特征(N=21)

海拔升高過程中，不同深度土壤的碳氮比變化規律不明顯，而碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比呈現升高的趨勢(圖2)。另外隨著海拔梯度由低到高，不同深度土壤的碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比和磷鉀比的垂直分布明顯不同。海拔梯度在Ⅰ范圍內，土壤碳氮比隨著土壤深度增加先增加后減小，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比隨著土壤深度增加遞減，土壤磷鉀比隨著土壤深度增加則呈增加趨勢；海拔梯度在Ⅱ范圍內土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮鉀比和磷鉀比均隨著土壤深度遞減，而氮磷比隨著土壤深度的增加基本保持不變；海拔梯度在Ⅲ范圍內土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比均隨土壤深度增加呈先升高后降低的趨勢，而氮鉀比和磷鉀比則表現為基本不變或略有降低。

圖2　不同深度土壤化學計量特征(N=21)Fig.2　Ratio of C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K in soil with different depth(N=21)

對土壤各養分含量、化學計量比、土壤物理結構以及海拔高度進行相關性分析(表5)。土壤碳磷比與海拔、有機碳、全氮、含水率、孔隙度、砂粒呈極顯著正相關，而與全磷、粉粒、粘粒呈極顯著負相關；土壤碳鉀比與海拔、有機碳、全氮、含水率和砂粒呈極顯著正相關，與孔隙度呈顯著正相關，而與全磷、全鉀、粘粒呈極顯著負相關，與粉粒呈顯著負相關；土壤氮磷比與海拔、有機碳、全氮、含水率、孔隙度、砂粒呈極顯著正相關，而與全磷、粘粒和粉粒呈極顯著負相關；土壤氮鉀比與海拔、有機碳、全氮、含水率呈極顯著正相關，與孔隙度和砂粒呈顯著正相關，而與全鉀和粘粒呈極顯著負相關，與全磷呈顯著負相關；土壤磷鉀比與全磷呈極顯著正相關，與粘粒含量呈顯著正相關；土壤碳氮比只與粘粒呈顯著負相關。

2.3不同植被區土壤生態化學計量特征

對不同海拔梯度內的森林和灌草叢群落下土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀含量進行比較(圖3)，2種植被區內土壤的有機碳和全氮含量均隨著海拔梯度的升高而增加，同一海拔梯度內森林區和灌草叢區的有機碳和全氮含量無顯著差異。森林區的全磷和全鉀含量呈隨海拔梯度升高而減小的趨勢，灌草區的全磷和全鉀含量變化無明顯規律。圖4所示為不同海拔梯度森林群落區和灌草叢群落區土壤生態化學計量比變化，2種植被群落類型區隨海拔梯度的變化一致，同一海拔梯度內森林區和灌草叢區之間的土壤各生態化學計量比差異不顯著。

對3個海拔梯度內12個灌草叢群落的土壤生態化學計量比和植被蓋度進行皮爾遜相關分析(表6)，碳氮比與植被蓋度具有極顯著正相關性，而其它各生態化學計量比與植被蓋度相關性不顯著。

對3個海拔梯度內9個森林群落區主要優勢喬木的平均蓋度、平均胸徑和土壤生態化學計量比進行皮爾遜相關分析(表7)，磷鉀比與平均高度具有極顯著負相關性，與平均胸徑具有顯著正相關性，而其它各生態化學計量比與平均樹高和平均胸徑均無顯著相關性。

表5　土壤化學計量特征與土壤理化相關性分析(N=21)

*表示相關程度達到顯著水平(P<0.05); **表示相關程度達到極顯著水平(P<0.01)

圖3　不同植被區土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量Fig.3　Contents of soil organic carbon, total nitrogen, phosphorus and potassium under different vegetation area不同小寫字母表示不同海拔梯度間在0.05水平上具有顯著差異(P<0.05)

圖4　不同植被區土壤生態化學計量比Fig.4　Ratio of C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K under different vegetation area

化學計量比StoichiometricratioC∶NC∶PC∶KN∶PN∶KP∶K蓋度Coverage0.995**0.4770.4550.5930.4490.536

**表示相關程度達到極顯著水平(P<0.01)

表7土壤化學計量特征與森林群落區生長指標的相關性分析(N=9)

Table 7Correlational analyses of Soil stoichiometry characteristic and physiological indexes(mean height, average diameter at breast height)in Forestry region

化學計量比StoichiometricratioC∶NC∶PC∶KN∶PN∶KP∶K平均高度Meanheight0.214-0.103-0.207-0.246-0.396-0.898**平均胸徑Averagediameteratbreastheight0.5090.490.4250.2080.166-0.772*

*表示相關程度達到顯著水平(P<0.05)，**表示相關程度達到極顯著水平(P<0.01)

2.4土壤生態化學計量特征與海拔的關系

相關性分析可知(表5)，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔高度呈極顯著正相關，而碳氮比和磷鉀比與海拔相關性不顯著。對不同深度的土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔進行回歸分析(圖5)，土壤0—10cm、10—20cm、20—30cm處的碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均隨著海拔梯度的升高呈指數型上升(P<0.05)。土壤深度在0—10cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進行指數擬合的F值分別為35.834、28.595、31.922、22.817，P值均小于0.01；土壤深度在10—20cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進行指數擬合的F值分別為38.092、65.166、40.584、35.356，P值均小于0.01；土壤深度在20—30cm，碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比進行指數擬合的F值分別為12.997、19.240、24.560和13.633，P值分別為0.03、0.01、0.001和0.02。

圖5　土壤化學計量特征與海拔的關系Fig.5　Regression analysis of Soil stoichiometry characteristic and elevation

2.5土壤生態化學計量特征與土壤物理結構的關系

選取與土壤化學計量比相關性極顯著且能夠表征土壤物理結構的土壤含水率、粘粒含量和砂粒含量作為自變量，與土壤碳氮比、碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比、磷鉀比進行回歸分析(圖6)。對土壤碳氮比、磷鉀比與土壤物理結構的回歸方程進行顯著性檢驗，P值均大于0.05，擬合效果不理想。分別對土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比與土壤含水率、粘粒含量和砂粒含量進行回歸分析，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率和砂粒含量的升高呈指數型上升趨勢，而隨著粘粒含量的升高呈指數型下降的趨勢。對回歸方程進行顯著性檢驗，碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比與土壤含水率進行指數擬合的F值分別為22.355、60.390、32.564、67.722，P值均小于0.01；與粘粒含量進行指數擬合的F值分別為51.257、49.338、26.310、10.074，P值均小于0.05；與砂粒含量進行指數擬合的F值分別為28.145、12.685、18.516、5.698，P值均小于0.05。

圖6　土壤化學計量特征與物理結構的關系Fig.6　Regression analysis of Soil stoichiometry characteristic and physical structure

3討論

3.1土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀對海拔梯度及土層的響應

土壤作為植物生長的基質，其養分特征具有空間和時間上的異質性[23]。土壤養分含量是海拔梯度主導下地形、氣候以及生物因素相互作用的結果。研究區不同海拔土壤有機碳和全氮含量隨著海拔的升高而增加，全磷和全鉀含量隨著海拔的升高而降低。土壤有機碳儲量受到地表植被凋落物的礦化分解和轉化累積的作用，土壤全氮含量主要受氮素的礦化和固定、硝化與反硝化、植物吸收、地表徑流、硝酸鹽淋溶以及動植物體歸還等作用的影響，而這些過程很大程度上受土壤微生物活力的影響，隨著海拔的升高，氣溫降低，土壤微生物活性減弱，動植物殘體分解速度減慢，土壤有機碳氮礦化速率減慢，使土壤中有機碳和氮積累量得以增加[24]。張巧明等在研究秦嶺不同海拔土壤理化性質時[25]發現土壤全氮含量隨著海拔的升高而增加，與本研究結果一致。此外，降水和溫度等氣候要素影響著土壤的風化速率和養分元素的淋溶強度[26- 27]，隨著降水和溫度的增加，土壤風化程度增強，土壤磷、鉀的密度逐漸降低。Neufeldt等研究表明[28]，高溫多雨的環境有助于加快土壤的風化速率和磷、鉀元素的淋溶，研究中隨著海拔的升高，土壤全磷、全鉀含量逐漸降低的主要原因可能和不同海拔降水量的差異有關。在本研究區的不同海拔梯度，土壤的有機碳和全氮均隨著土層的加深呈降低的趨勢，而全磷和全鉀的變化趨勢不明顯，這個結論與朱秋蓮[29]、魏孝安[30]等得出的結果一致。

3.2土壤生態化學計量比對海拔梯度、土層、植被區及土壤物理結構的響應

土壤的生態化學計量比主要受區域水熱條件和成土作用特征的控制，由于氣候、地貌、時間、土壤生物、母質類型以及人類干擾的影響，土壤碳、氮、磷、鉀總量變化差異較大，進而使C∶N∶P∶K的空間變異性很大。研究表明，我國熱帶、亞熱帶地區的紅壤、黃壤中C∶N可高達20∶1，而濕潤溫帶土壤中的C∶N穩定在10∶1到12∶1左右[3]，云南省普洱市常綠闊葉原始林土壤碳氮比為23[5]。本研究中，海拔梯度從低到高碳氮比依次為21.3、18.12和19.51，接近于熱帶亞熱帶紅壤、黃壤的C∶N比。

不同海拔梯度和不同土壤深度間土壤碳氮比差異性均不顯著，且與土壤有機碳含量變化較為穩定，一方面可能由于本研究所取土樣深度較淺，未深入到土壤礦物層，另一方面也驗證了不同生態系統土壤碳氮比相對穩定的結果[31]。隨著海拔梯度的升高，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比逐漸增加，而磷鉀比逐漸降低，且不同土壤深度碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比分異明顯，這是因為有機碳和全氮對海拔和外界環境因子較為敏感，土壤全磷和全鉀相對穩定，而相對于全鉀，土壤全磷隨著海拔升高其淋溶更為明顯。另外低海拔地區人類活動頻繁，不利于有機碳和氮的積累，導致碳氮含量較低，而人為施肥產生的磷源輸入使土壤全磷含量較高也是其主要原因[32]。

植被類型對土壤養分具有重要影響，許多研究表明不同植被類型的土壤碳氮比存在顯著差異[3]，在本研究中，同一海拔梯度內森林群落類型區和灌草叢群落類型區土壤的生態化學計量比差異性并不顯著，且2種植被群落類型區土壤養分及其生態化學計量比隨海拔梯度的變化具有一致性，這一現象可能是由于泥石流頻發區山地生態系統穩定性差，自我調節能力弱，對外界擾動反饋敏感，系統內部植物對土壤養分通量的調控作用不足。灌草叢植被群落區內，碳氮比與植被蓋度呈極顯著正相關性，說明灌草叢群落地上植物是土壤中碳素和氮素的主要來源，即土壤碳素主要來源于進入土壤有機質的數量及其腐殖化系數的大小，土壤氮素主要來源于生物固氮和隨降水進入土壤中的氮[33]，而土壤磷、鉀主要與母質風化有關，故與灌叢植物蓋度相關性不顯著；森林群落區內，由于研究區地質災害和人工干擾嚴重，原始喬木群落已極少分布，現已人工針葉林、闊葉林及針闊混交林為主要植被類型[19]，其碳、氮主要來源以地表凋落物為主，故與平均樹高和平均胸徑相關性不大，而前人研究表明植物根系的生長有助于降低土壤磷、鉀等礦質元素的固定，增加其有效性。這可能是因為林木的根系能夠分泌H+和有機酸等物質有關[34]，而隨著林木高度的增加，其根系分布加深，且根幅、樹高和胸徑均隨著林齡的增加而增加[35]，因此森林群落區喬木種的平均樹高與土壤磷鉀比具有極顯著負相關性。

土壤的物理結構影響著土壤的通氣、透水、持水、導熱等功能，是制約土壤養分含量高低的重要因素[36- 37]。本研究表明土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率的增加和砂粒的增加呈指數型上升而隨著粘粒的增加呈指數型下降的趨勢，這是因為一方面由于本研究所取土樣僅為0—30cm，未達到土壤黏盤，故砂粒含量越多的土壤更容易吸收降水進而導致土壤水分增大，而隨著土壤含水量增加，全磷和全鉀淋溶程度加強，相關性分析表明，土壤砂粒和含水率均與海拔呈極顯著正相關，砂粒與含水率較高的土壤由于海拔較高，溫度較低，在低溫濕潤的環境下，有機質不易礦化，以積累為主；另一方面，土壤粘粒含量越多，土壤顆粒越小，對磷、鉀的吸附能力越強，土壤全磷和全鉀含量越高[22]，而粘粒含量較高的低海拔地區溫度相對較高，降水較少，氣候以干熱為主，有機質礦化作用顯著，碳、氮含量較低。

鑒于以上研究結果，泥石流頻發區脆弱山地生態系統的恢復過程中，應當充分考慮土壤性質與海拔梯度、地形、氣候環境等因子之間的耦合作用關系，根據土壤性質對不同環境因子的響應特征因地制宜的制定恢復措施，選擇適應性較好、養分回歸能力強的本地物種，促進區域土壤-植被-環境系統的可持續發展。

4結論

(1)不同海拔梯度和不同土壤深度間土壤碳氮比差異性均不顯著，隨著海拔梯度的升高，土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比逐漸增加，而磷鉀比逐漸降低，且不同土壤深度碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比分異明顯。

(2)同一海拔梯度內森林群落類型區和灌草叢群落類型區土壤的生態化學計量比差異性不顯著，且2種植被群落類型區土壤養分及其生態化學計量比隨海拔梯度的變化具有一致性。

(3)灌草叢植被區內土壤碳氮比與地上植被蓋度具有極顯著正相關性，森林植被區內土壤磷鉀比與主要喬木種的平均高度具有極顯著負相關性而與平均胸徑具有顯著負相關性。

(4)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比與海拔高度呈極顯著正相關，而碳氮比和磷鉀比與海拔相關性不顯著。

(5)不同土壤深度處的碳氮比、碳鉀比、氮磷比和氮鉀比均隨著海拔梯度的升高呈指數型上升。

(6)土壤碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比隨著含水率的增加和砂粒的增加呈指數型上升而隨著粘粒的增加呈指數型下降的趨勢。

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Soil stoichiometry characteristics at different elevation gradients of a mountain in an area with high frequency debris flow: a case study in Xiaojiang

Watershed, Yunnan ZHANG Guangshuai1,2, DENG Haojun1,2, DU Kun1,2,LIN Yongming1,2,*, MA Ruifeng1, YU Wei1, WANG Daojie3, WU Chengzhen1,2,4, HONG Wei1,2

1CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China2KeyLaboratoryforForestEcosystemProcessandManagementofFujianProvince,Fuzhou350002,China3InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences&MinistryofWaterConservancy,Chengdu610041,China4WuyiUniversity,Nanping354300,China

Abstract：To understand soil stoichiometric characteristics at different elevations in a mountainous area with high frequency debris flows, organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), and mechanical characteristics of soil from 3 elevational bands (1500—2000, 2000—2500, 2500—3000 m) were measured at different soil depths. This study also analyzed vertical variations in soil stoichiometric characteristics in these elevational gradients and its correlation with soil physical structure. SOC, TN, C∶P, C∶K, N∶P, and N∶K were positively correlated with elevation, while TP, TK, and P∶K were negatively correlated with elevation. SOC had the strongest relationship with elevation, followed by total N, P, and K. The vertical distribution of SOC, TN, TP, TK, and stoichiometric ratio varied with elevation．SOC and TN decreased with soil depth, but there was no clear relationship with TP, TK, or stoichiometric ratio. Within each elevational band, soil stoichiometric characteristics did not differ significantly between forest communities and shrub-meadow communities; both presented the same pattern as the elevation changed. In the shrub-meadow community, C∶N was significantly correlated with above ground vegetation cover. In the forest community, P∶K was significantly correlated with mean tree height. Differences in soil physical structure were the key factor linked to changes in soil stoichiometric characteristics. C∶P, C∶K, N∶P, and N∶K had a positive exponential relationship with soil water content and sand content, and a negative exponential relationship with clay content.

Key Words:Area with high frequency debris flow; elevation gradient; stoichiometry characteristic; soil physical structure

DOI:10.5846/stxb201405060892

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: monkey1422@163.com

收稿日期:2014- 05- 06; 網絡出版日期:2015- 06- 12

基金項目:福建農林大學林學院青年科研基金項目(6112C039Q); 國家自然科學基金項目(41201564); 國家科技支撐計劃專題項目(2012BAC06B02-02)

張廣帥, 鄧浩俊, 杜錕, 林勇明, 馬瑞豐, 俞偉, 王道杰, 吳承禎,洪偉.泥石流頻發區山地不同海拔土壤化學計量特征——以云南省小江流域為例.生態學報,2016,36(3):675- 687.

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