不同干擾程度對山地草甸土壤有機質及酸度的影響

李 志， 袁穎丹， 張學玲， 盛可銀， 牛德奎， 張文元， 龔 霞， 郭曉敏

(1.江西農業大學林學院，江西南昌 330045； 2.南京林業大學林學院，江蘇南京 210037)

在土壤當中含有碳的有機物質被稱為土壤有機質，如動物或植物的殘體，也包括微生物體以及被微生物分解、合成的所有有機物質，土壤的肥力、生態環境的保護，以及可持續發展等各個方面都受到土壤有機質的作用和影響[1-3]。土壤酸堿度同樣對土壤有機質周轉有著十分重要的影響[4-5]，是土壤肥力和生產力的限制因子之一，而土壤酸化也是土壤退化的重要表現形式[6]。在土壤酸度研究中，一般包含活性酸和潛性酸，土壤活性酸用pH值表示，土壤潛性酸通常用交換性酸度或者水解性酸度來表示[7-9]。土壤pH值影響著土壤演化過程中的化學反應或過程，尤其對氧化還原、溶解沉淀以及配合反應起支配作用[10]。地球上的三大碳庫為草地、森林、大海，而在陸地生態系統中草地的面積最大[11]，具有很大的碳儲存能力，是重要的可更新自然資源，所以如何保護并改良現有草地系統，使其能夠保持健康、穩定的狀態，是實現人類社會與生態經濟可持續發展的重要基礎。

武功山的地理位置是在江西省西部地區，其山脈走向及位置對于我國華東地區的植被區劃具有重要意義，是劃分亞熱帶范圍內東部濕潤區域常綠闊葉林的中部亞地帶以及北部亞地帶天然的分界線[12-13]。山地草甸在山岳型旅游景點的要素構成中是難得的景觀類型，自2004年以來，武功山景區的游客己達45萬人次；自2008年以來，每年一屆的武功山國際帳篷節也吸引了越來越多來自全國各地的游客登山、探險和宿營，隨著旅游規模的擴大和游客游程范圍的延伸，對包括山地草甸在內的多種植被和特殊景觀的負面影響也日趨增大，游客的任意踐踏以及廢棄物的排放，均在很大程度上造成草甸群落組成和生產力的退化，山地草甸逐漸破碎化現象日漸明顯[13-14]。針對這些問題，筆者所在的研究團隊已經開展了部分科研工作，袁穎丹等針對不同海拔高度土壤的含氮量與物理性質之間的關系進行分析，結果表明土壤的總孔隙度與堿解氮含量、全氮含量呈顯著正相關[15]。袁知洋等的研究結果表明，草甸區內不同植被群落的土壤有機質含量與微生物量碳含量以及易氧化態碳的含量呈顯著正相關，而不同干擾程度對堿解氮的影響不顯著[16-17]。鄧邦良等的研究表明，在不同海拔梯度上，土層深度對有機質含量影響顯著[18]。但是針對不同退化程度酸度與有機質含量，尤其是交換性酸與活性酸及有機質含量關系的研究還尚未開展。因此，本試驗主要基于山地草甸生態系統對外界干擾所呈現的敏感性以及脆弱性等特征，通過對不同干擾程度下山地草甸土壤不同土層深度所含有機質及酸度進行分析，探究其差異程度及分布規律，研究結果可為建立科學的南方地區山地草甸生態脆弱度評價體系提供理論參考，也可為合理開展退化山地草甸生態修復工作提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概括

武功山分布于羅霄山脈北部，吉安、宜春和萍鄉3個地級市行政區劃的接壤區域(27°25′～27°35′ N，114°10′～114°17′ E)，是湘江水系及贛江水系的分水嶺，綿延大約120 km，總面積約970 km2，年平均氣溫為14～16 ℃，夏季的最高溫為 23 ℃，年均日照時長為1 580～1 700 h，年均蒸發量為 1 360～1 700 mm，年均濕度值為70%～80%，年均降水量為1 350～1 570 mm，武功山山體巖石類型主要為花崗巖和片麻巖，主峰白鶴峰(金頂)海拔1 918.3 m[19]。武功山草甸分布區的土壤主要是亞熱帶山地草甸土，由于枯枝落葉豐富以及積水、低溫等因素，有機物腐爛分解緩慢，土層淺薄，色澤黝黑，干后成塊。武功山山體垂直，海拔較高，且山勢陡峻，導致氣候、土壤、植被的垂直地帶性分異明顯，在江西省境內，除武功山外，其他山體(廬山、井岡山等)均不具典型的山地草甸植被類型。在天然草地上，主要有禾本科的野古草(Arundinellaanomala)、芒類(Miscanthussinensis)、茅根(Perotisindica)等，還有少量蓼科(Polygonaceae)、薔薇科(Rosaceae)、唇形科(Labiatae)和十字花科(Cruciferae)植物[20-21]。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 2013年10月下旬，到達武功山主體景區(金頂風景區)進行試驗樣地設置及樣品采集。因為人們的大量踩踏行為，致使草甸分布區出現大面積的植被覆蓋度下降的現象。本研究參照國家質檢總局2004年頒布的《天然草地退化、沙化鹽漬化的分級指標》國家標準(GB 19377—2003)[22]和孫小弟等對退化草地分級標準的研究結果[23-24]，選擇武功山主峰(金頂)周圍(海拔1 880～1 913 m)為研究區，依據因人為干擾所造成的植被覆蓋度相對百分數的減少率(%)，設置無干擾(contrast check，縮寫為CK，0～10%)、輕度干擾(slight disturbance，SLD，11%～20%)、中度干擾(medium disturbance，MD，21%～30%)、重度干擾(severe disturbance，SD，>30%)等4種處理，每種處理設置3個10 m×10 m的重復樣地，作為研究不同干擾程度下山地草甸土壤酸度及有機質含量差異的采樣區域。

1.2.2 樣品采集與測定方法 運用5點采樣法在樣地內分上(0～20 cm)、下(20～40 cm)層進行取樣，將每一個樣地內相同土層的土樣混合均勻，在采樣現場運用四分法獲取約500 g土壤樣品裝入樣品保鮮袋，把樣品及時帶回實驗室，并晾置在土壤樣品架上面，經過自然風干之后，仔細揀去樣品當中的動植物殘體以及石塊等雜質，把樣品研磨、粉碎，通過 2 mm 篩孔進行待測樣品制備。土壤活性酸pH值、交換性酸(AA)含量、有機質(OM)含量等指標在中國農業科學院中-加合作土壤植物測試實驗室采用高效土壤養分系統研究法測定，該研究方法是美國佛羅里達國際農化服務中心(Agro Services International Inc.，簡稱ASI)的Hunter博士在總結了前人土壤測試工作的基礎上，吸收了美國北卡羅萊那州立大學的Waugh、Gate和Nelson的研究結果提出的評價土壤養分狀況的實驗室化學分析方法，在中-加鉀肥農學項目實施中引進中國，并在中國農業科學院建立了中-加合作土壤植物測試實驗室[25]。

1.2.3 數據處理 使用Microsoft Office 2016對初始數據進行編排整理，運用SPSS 21.0進行單因素方差分析及檢驗，用SigmaPlot12.5進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 武功山金頂風景區山地草甸土壤酸度及有機質總體特征

土壤學中常根據土壤的pH值，將土壤的酸堿性分為若干級，根據土壤酸度理論[26]，武功山主峰景區草甸土壤pH值總體呈強酸性，波動范圍為4.05～4.83，平均值為4.56。交換性酸(AA)含量的范圍為1.71～4.97 cmol/L，平均含量 3.36 cmol/L。結合第二次全國土壤普查的土壤養分含量分級指標，武功山草甸土壤有機質(OM)含量較豐富，達到二級水平，范圍為1.8%～3.4%，平均含量為2.63%。變異系數(CV)主要是說明指標參數變異的程度，通常情況下，CV<0.1為弱變異性，CV在0.1～1.0之間被認為是中等程度的變異，如果CV>1.0，則為強變異性[27]。由表1可知，武功山山地草甸土壤酸度計有機質的變異性總體上不強烈，其中，土壤活性酶pH值呈弱變異性，而AA含量和OM含量都是中度變異。

2.2 不同干擾程度對土壤酸度及有機質的影響

2.2.1 不同干擾程度及不同土層深度的土壤pH值 土壤的pH值影響著土壤中養分存在的狀態、轉化及其有效性，是土壤質量的重要指標，植被生長也有其比較適宜的pH值范圍，如果超出這一范圍，則植被生長也將會受到一定影響[26]。從圖1可以看出，上、下層土壤pH值均受人為干擾的影響，隨著干擾程度加重，土壤pH值降低，活性酸度增強，在重度干擾水平下與其他水平呈現顯著差異，輕度、中度干擾和無干擾草甸土壤pH值差異不顯著，不同土層間的pH值無顯著差異。

表1 武功山草甸土壤酸度及有機質

2.2.2 不同干擾程度及土層深度對土壤交換性酸的影響 在土壤膠體的表面所吸附的交換性氫離子和鋁離子總量是土壤交換性酸，一般被認為是土壤的潛在酸，可以和溶液中的氫離子(活性酸)保持動態的平衡，作為土壤酸度容量的指標之一，土壤的交換性酸決定著土壤的活性酸[6]。從圖2可以看出，不同干擾程度對山地草甸交換性酸有一定的影響，但是顯著性不強。總體來看，隨著人為干擾程度增強，土壤中的交換性酸含量呈降低趨勢，與pH值的分布規律相近。在輕度干擾水平的土壤交換性酸含量比中度干擾水平相對稍低，可能是山地草甸土壤交換性酸含量對干擾響應較為敏感，但是，隨著干擾增加，可能人們會帶來一定的外來物質，對交換性酸的含量有所影響。不同土層土壤交換性酸的含量，上層土壤總體高于下層，土壤在輕度干擾水平上、下土層土壤交換性酸含量差異顯著，其他干擾水平下，不同土層間土壤交換性酸含量差異不顯著。

2.2.3 不同干擾程度及土層深度對土壤有機質含量的影響 土壤有機質含量是評價土壤肥力的一項重要指標，一般情況下，土壤有機質只占土壤質量的1%～5%，但對土壤的保肥供肥性、土壤結構的形成和穩定性、土壤物理化學過程及重金屬與農藥等污染物的降解等生態過程起十分重要的作用[3，28]。從圖3可以看出，山地草甸土壤有機質含量在重度和輕度干擾水平的上層土壤之間差異顯著，而不同干擾水平下層土壤有機質含量差異不顯著。不同土層深度土壤有機質含量在輕度干擾水平差異顯著，該結果與土壤交換性酸的差異特征較為一致，其他干擾水平下不同深度土壤有機質含量差異不顯著。

2.3 土壤有機質與土壤酸度關系分析

武功山山地草甸土壤酸度、有機質的相關性分析見表2，結果表明：土壤pH值與土壤交換性酸呈正相關，而與有機質含量呈負相關，土壤交換性酸則與有機質含量呈極顯著正相關，二者的相關模型為y=0.343x+1.477(r2=0.444)。

表2 土壤酸度、有機質的相關性分析

注：“*”表示顯著相關(P<0.05)，“**”表示極顯著相關(P<0.01)。

3 討論

本研究認為，人為干擾會進一步增強土壤酸性，造成植被覆蓋度下降，在干擾初期導致土壤有機質含量降低，但是在后期隨著干擾強度增加，可能是帶來了較多的外界物質，使土壤有機質含量有所增加。戴萬宏等利用中國第二次土壤普查的實測土壤數據，研究了全國及不同地區地帶性土壤表層有機質含量與土壤酸堿度的關系，認為中國地帶性土壤表層有機質含量有明顯隨pH值升高而降低的趨勢，二者間呈顯著負相關[1]，與本研究結論相似。江慧華等對武夷山地區的土壤有機質、全氮等養分指標研究，發現0～20 cm的表層土壤有機質含量比下層土壤要高，并且在旅游區土壤有機質含量有回升的趨勢[29]，也與本研究的結論相似。在一些研究中，土壤酸堿度與有機質之間的關系存在一些不確定的情況，有學者認為出現關系不明確的原因不完全是由土壤pH值所造成的，其他方面如土壤有機質周轉的影響因子(土壤的質地、環境氣候及土壤微生物數量、種群結構等)也是可能致使出現這種差別的重要原因[30]。在武功山草甸分布區，因為干擾造成植被退化，覆蓋度降低，勢必會造成土壤侵蝕加劇，如何能夠利用土壤酸度與有機質的特性，來改善區域環境，保持好南方地區這一最大的“云間草原”則是需要進一步深入探討的內容。

4 結論

武功山金頂風景區山地草甸土壤為強酸性或極強酸性土壤，隨著干擾程度的增加，上、下層土壤活性酸度逐步增強；交換性酸含量呈現與活性酸相似的分布趨勢；土壤有機質的含量較為豐富，上層土壤的有機質含量要高于下層。重度干擾水平與其他干擾水平上、下層土壤活性酸含量具有顯著差異，不同干擾水平之間土壤交換性酸含量的影響不顯著，重度和輕度干擾水平上層土壤有機質含量有顯著差異，下層土壤有機質含量影響不顯著。不同土層深度土壤pH值無顯著差異，在輕度干擾水平上不同土層土壤交換性酸和有機質含量差異顯著(P<0.05)。土壤活性酸與有機質含量具有負相關關系；而土壤交換性酸則與有機質含量具有極顯著正相關關系，二者之間的線性方程為y=0.343x+1.477(r2=0.444)。

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