貢嘎山海螺溝典型植被帶總磷分布特征

吳艷宏，周 俊，邴海健，余 東，孫守琴，羅 輯

（1．中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041；

2．中國(guó)科學(xué)院山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

貢嘎山海螺溝典型植被帶總磷分布特征

吳艷宏1，2，周 俊1，2，邴海健1，2，余 東1，2，孫守琴1，2，羅 輯1，2

（1．中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041；

2．中國(guó)科學(xué)院山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

由于獨(dú)特的生物地球化學(xué)循環(huán)方式，磷已成為影響山地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育和安全的重要元素。為了了解貢嘎山磷的生物地球化學(xué)循環(huán)，對(duì)貢嘎山海螺溝坡地典型植被帶土壤、植物根際土壤、植物不同部位總磷在生長(zhǎng)季（9月）和非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季初期（5月）的分布特征進(jìn)行調(diào)查。結(jié)果表明：土壤總磷的分布在垂直梯度上的差異以及同一土壤剖面不同土壤層總磷的差異均較明顯，同時(shí)還呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性差異，這些差異的形成與土壤發(fā)育程度、溫度變化及植物生長(zhǎng)有關(guān)；不同根際土壤在非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季初期總磷的差異非常大，而在生長(zhǎng)季較為接近，進(jìn)一步說(shuō)明植物對(duì)山地磷的生物地球化學(xué)循環(huán)存在較大影響；杜鵑、冬瓜楊、柳的葉較幼枝更富集磷，而峨眉冷杉、麥吊杉、竹的幼枝較葉所含磷略高。

磷；土壤；根際；植被帶；垂直地帶性；生物地球化學(xué)；海螺溝；貢嘎山

Key words：phosphorus；soil；rhizosphere；vegetation zone；vertical zonality；biogeochemistry；Hailuogou；Gongga Mountain

0 引 言

與碳、氮一樣，磷是植物正常生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一［1］。與碳、氮不同的是，磷只能來(lái)源于巖石圈巖石的風(fēng)化［2］，而碳、氮主要來(lái)源于大氣，通過(guò)生物固碳或固氮作用進(jìn)入生物圈［3］。相對(duì)于碳、氮循環(huán)，磷的生物地球化學(xué)循環(huán)是比較封閉和緩慢的過(guò)程［4］，全球范圍內(nèi)的磷循環(huán)在較短時(shí)間尺度上可以認(rèn)為是不斷由陸地輸出向海洋沉積的單向過(guò)程。因此，陸地生態(tài)系統(tǒng)尤其是山地系統(tǒng)磷的流失，哪怕是非常小的量，在自然條件下都是難以補(bǔ)償?shù)?。根?jù)生物計(jì)量化學(xué)平衡原理［5］，磷的有效供給還影響植物對(duì)碳、氮的吸收和利用［6］，從而影響生態(tài)過(guò)程，影響生態(tài)系統(tǒng)初始生產(chǎn)力。因而，陸地生態(tài)系統(tǒng)磷的有效供給成為實(shí)質(zhì)性的控制性因素，磷的生物地球化學(xué)循環(huán)和生物有效性影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和安全［5，7－8］。另一方面，過(guò)多的磷輸入是淡水、海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因［9］，山地是地球表層物質(zhì)來(lái)源的起點(diǎn)，江河湖泊均發(fā)源于此，山地系統(tǒng)磷的輸出通量及其生物有效性直接影響下游水體生態(tài)環(huán)境安全。因此，無(wú)論從山地系統(tǒng)本身生態(tài)發(fā)育和安全的角度，還是從區(qū)域環(huán)境影響的角度，山地生態(tài)系統(tǒng)磷的生物地球化學(xué)循環(huán)都值得重點(diǎn)研究。貢嘎山位于青藏高原東緣與四川盆地銜接處，垂直植被帶譜完整，垂直氣候梯度顯著，是研究山地磷生物地球化學(xué)循環(huán)的理想?yún)^(qū)域。筆者選擇貢嘎山海螺溝典型植被帶，開(kāi)展總磷（TP）分布特征的基礎(chǔ)調(diào)查研究，為進(jìn)一步研究貢嘎山磷的生物地球化學(xué)循環(huán)提供參考。

1 研究區(qū)概況

貢嘎山位于中國(guó)西南部，青藏高原東緣，是橫斷山系的最高峰（海拔7 556 m）。由于在地貌上位于四川盆地和青藏高原的過(guò)渡帶，貢嘎山在29 km的水平距離上垂直高差達(dá)6 500 m，形成了完整的氣候梯度和植被垂直帶譜：干熱河谷稀樹(shù)灌叢帶、山地常綠闊葉林帶、山地針闊葉混交林帶、亞高山針葉林帶、高山灌叢草甸帶和高山冰雪帶［10］。圍繞貢嘎山主峰，分布有數(shù)十條海洋性冰川，海螺溝是貢嘎山東坡最主要冰川河，其兩岸坡地土壤的成土母質(zhì)多為以花崗變質(zhì)巖為主的冰川堆積物和坡積物，含大量云母［11］。由于地形變化劇烈，坡度較大，土壤厚度不大，又因發(fā)育時(shí)間短，所以土壤發(fā)育程度不高，空間差異性大。

2 材料與方法

2．1 樣品采集

2010年5月和9月分別在貢嘎山海螺溝灌叢帶、針葉林帶和針闊混交林帶（圖1）挖掘土壤剖面分層采集土壤樣品；針對(duì)典型植物，采集植物細(xì)根周?chē)H土壤樣品；同時(shí)采集不同植物葉、枝、干、皮等樣品。土壤采樣方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［12］。

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig．1 Location of Sampling Sites

2．2 試驗(yàn)方法

土壤樣品低溫（＜40℃）烘干，并研磨至能通過(guò)0．15 mm孔徑篩；植物樣品先后用自來(lái)水和蒸餾水洗去灰塵后，低溫（＜40℃）烘干，并粉碎至能通過(guò)0．15 mm孔徑篩。稱(chēng)取0．125 g左右土壤和植物樣品置于已用去離子水洗凈的消解罐中，分別加入0．5 m L濃鹽酸（含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后文同）為38%）、6．0 mL濃硝酸（含量為96%～98%）、3．0 mL濃氫氟酸（含量為40%），在Berghof MWS－3型微波消解系統(tǒng)中，將溫度設(shè)定為（180±5）℃進(jìn)行反應(yīng)10～15 min；冷卻后，定量轉(zhuǎn)移至50 m L聚四氟乙烯燒杯中，加入0．5 mL濃高氯酸（含量為70%～72%），中溫（180℃～200℃）蒸干，再加入2．5 mL 1 mol·L－1HNO3、0．25 m L H2O2、5 m L超純水，加熱溶解殘?jiān)?，冷卻后定容至25 m L；溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯瓶中，4℃下保存待測(cè)。元素磷含量用美國(guó)Leeman Labs Profile多道電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP－MS）測(cè)定，并采用美國(guó)SPEXTM標(biāo)準(zhǔn)溶液（不確定性為2%）作為標(biāo)準(zhǔn)，水系沉積物GSD－9和GSD－11為參考物質(zhì)，測(cè)量誤差小于5%。

3 結(jié)果與討論

3．1 采樣點(diǎn)土壤發(fā)育狀況

海螺溝土壤發(fā)育于冰川堆積物，發(fā)育程度較弱，不同植被帶差異明顯，難以按土壤學(xué)傳統(tǒng)分層方法區(qū)分出土壤層。根據(jù)野外直觀判識(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量、顏色、粒徑大小，將土壤剖面分為A0層（棕褐色、棕黑色，富含分解、半分解有機(jī)質(zhì)）、A層（棕色、棕褐色，含腐殖質(zhì)層）、B層（淀積、殘積層）、C層（母質(zhì)層，貢嘎山海螺溝土壤發(fā)育不均，土壤剖面常有層位缺失）。

以杜鵑（rhododendron）為主的灌叢帶，分布于海拔3 800～4 000 m，土壤發(fā)育弱，A0層為棕褐色、棕黑色，厚度小于1 cm；A層為棕褐色，厚度8 cm左右，含礫石；B層為棕色，含礫石，厚度10～15 cm；C層厚度各采樣點(diǎn)不一，為黃色、黃綠色沙礫。以峨眉冷杉（abies fabri）為主的暗針葉林帶，分布于海拔2 900～3 800 m，土壤發(fā)育以成熟林帶土壤發(fā)育為主，A0層為棕黑色，凋落物含量高，厚度0～5 cm；A層為棕褐色，含少量礫石，厚度1～10 cm，各地帶發(fā)育不一；B層為棕色，含礫石，常缺失，在海拔3 500～3 600 m帶的厚度為8～10 cm； C層為青灰色、黃色沙礫，厚度各地不一。以冬瓜楊為主的冰川末端地帶，分布于海拔2 950 m左右，土壤發(fā)育弱，A0層為棕褐色，厚度小于1 cm；A層為棕色，含礫石，厚度為1 cm左右；B層缺失；C層為青灰色，厚度不一。以苞槲科（lithocarpus）為主的闊葉林帶，分布于海拔2 400 m以下，土壤發(fā)育程度較高，A0層為棕黑色，厚度3～5 cm；A層為棕褐色，顆粒較細(xì)，含少量沙礫，厚度為5～12 cm；B層為棕色，厚度6～9 cm；C層為棕黃色、青灰色，厚度不等。

各地帶土壤發(fā)育程度不一，與土壤發(fā)育時(shí)間、植被覆蓋、海拔高度相關(guān)。土壤發(fā)育程度從低到高分別為：以杜鵑為優(yōu)勢(shì)種的灌叢草甸帶、冬瓜楊帶、峨眉冷杉林帶和苞槲科帶。植被覆蓋度高、土壤發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)的闊葉林帶各土壤層清晰，富含腐殖質(zhì)的A0、A層厚度大；而植被覆蓋度差的灌叢帶和發(fā)育時(shí)間短的冬瓜楊帶A0、A層較薄。

3．2 典型植被帶土壤總磷分布特征

從總體上來(lái)說(shuō)，以杜鵑為優(yōu)勢(shì)種的高山灌叢草甸帶土壤總磷最高，而以苞槲科為優(yōu)勢(shì)種的闊葉林帶最低，冬瓜楊帶又較峨眉冷杉磷帶略高（表1、圖2）。這些表明隨著土壤發(fā)育程度的增高，磷的流失也增加了。

表1 各植被帶土壤總磷調(diào)查結(jié)果Tab．1 Investigated Results of Total Phosphorus in Soil from Different Vegetation Zones

圖2 典型植被帶土壤總磷分布及季節(jié)差異Fig．2 Distribution and Seasonal Difference of Total Phosphorus in Soils from Typical Vegetation Zones

各植被帶A0層總磷均高于其他各層，可能因?yàn)橹参镂×送寥懒?，而隨著凋落物分解歸還于A0層，少量歸還的磷達(dá)到A層。在杜鵑和峨眉冷杉林帶，C層總磷高于B層，這主要因?yàn)镃層風(fēng)化程度弱于B層，磷釋放量較少；另一方面，野外觀察發(fā)現(xiàn)，植物根系很少生長(zhǎng)到C層，因此植物從C層吸收的磷也較少。而在苞槲科發(fā)育的常綠闊葉林帶，土壤發(fā)育程度高，植物根生長(zhǎng)深度大，B層總磷含量略高于C層。

土壤總磷的季節(jié)性分布特征是生長(zhǎng)季（9月）的總磷總體上低于非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季初期（5月）。這與植物吸收是否有關(guān)，有待通過(guò)植物對(duì)磷循環(huán)的影響研究進(jìn)行探討。除苞槲科帶外，其他3個(gè)植被帶的C層總磷季節(jié)差異較大，可能原因是溫度對(duì)土壤化學(xué)過(guò)程有影響，在5月采集樣品時(shí)，杜鵑、峨眉冷杉和冬瓜楊帶的C層土壤仍然冰凍著，隨著氣溫升高，凍土融化，化學(xué)風(fēng)化增強(qiáng)，磷釋放出來(lái)，因此9月份C層總磷低于5月份。

3．3 不同植被根際土壤總磷分布特征

非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季初期，各植被根際土壤總磷差異較大，杜鵑根際土壤最高，而冬瓜楊最低；生長(zhǎng)季根際，土壤總磷差異不大。除杜鵑根際土壤外，峨眉冷杉、冬瓜楊和苞槲科根際土壤生長(zhǎng)季總磷均略高于非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季初期（表2、圖3）。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與植物及微生物作用有關(guān)，隨著生長(zhǎng)季的到來(lái)，在植物、微生物吸收磷的同時(shí)，根系分泌酸和酶，促進(jìn)土壤磷的形態(tài)轉(zhuǎn)換及釋放，因此除杜鵑外，生長(zhǎng)季根際土壤總磷較非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季初期高。杜鵑根際土壤在生長(zhǎng)季的總磷反而較低，這可能與杜鵑對(duì)磷的需求特征有關(guān)。杜鵑等灌木葉／枝干比較大，而磷等更易在葉中富集［13］，因此灌木生長(zhǎng)對(duì)磷的需求量較大，造成其根際土壤總磷較低；此外，灌叢帶草本植物發(fā)育，而草本植物總磷較高，達(dá)到1 600× 10－6，也是造成根際土壤總磷下降的原因之一。

表2 不同植物根際土壤總磷采樣結(jié)果Tab．2 Sampling Results of Total Phosphorus in Rhizospheric Soils of Different Vegetations

3．4 不同植物總磷分布特征

對(duì)杜鵑、峨眉冷杉、麥吊杉、冬瓜楊、柳、沙棘及竹的葉、幼枝及樹(shù)皮的總磷進(jìn)行分析（圖4），結(jié)果表明沙棘無(wú)論是葉還是幼枝，總磷均較高。本研究的沙棘樣品主要采集自冰川末端冰川退縮跡地上，土壤發(fā)育程度弱，沙棘作為先鋒植物，迅速吸收巖石中的磷，對(duì)加速磷的生物地球化學(xué)循環(huán)起到重要作用。除沙棘外，其他植物幼枝的總磷相近，竹幼枝略高。冬瓜楊和柳葉的總磷較高，是其幼枝的3～4倍，杜鵑葉的總磷略高于幼枝，而峨眉冷杉、麥吊杉和竹的葉中總磷低于幼枝，這一結(jié)果與其他元素的富集特征相吻合［13］。樹(shù)皮的總磷均較低。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）貢嘎山典型植被帶土壤總磷分析表明，在垂直梯度上磷的分布有明顯差異，而同一土壤剖面不同土壤層總磷也有明顯的分布規(guī)律，即A0層總磷最高，C層除常綠闊葉林帶外都低于B層。土壤總磷的季節(jié)性差異也較為明顯。土壤總磷的變化特征與土壤發(fā)育程度、溫度變化、植被生長(zhǎng)相關(guān)。生長(zhǎng)季各植物類(lèi)型根際土壤總磷相近，而非生長(zhǎng)季差異明顯，根際土壤的總磷季節(jié)性差異大，進(jìn)一步表明生物、微生物在磷的生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要作用。典型植物葉、幼枝和皮的總磷顯示，沙棘對(duì)磷的持有能力較高，無(wú)論是枝還是總磷是杜鵑和針葉樹(shù)種的2～3倍，冬瓜楊葉的總磷最高。

圖3 不同植物根際土壤總磷分布Fig．3 Distribution of Total Phosphorus in Rhizospheric Soil of Different Vegetations

圖4 典型植物葉、幼枝、皮的總磷分布Fig．4 Distribution of Total Phosphorus in Leaf，Young Shoot and Bark of Typical Vegetations

（2）下一步需要重點(diǎn)探討土壤磷形態(tài)組合的特征，了解土壤磷釋放的過(guò)程和特點(diǎn)，加強(qiáng)微生物、植物對(duì)磷循環(huán)作用的影響研究，加強(qiáng)不同植物磷蓄積和需求研究，估算植物磷庫(kù)和生態(tài)形態(tài)安全發(fā)育的需磷量，真正獲得山地形態(tài)磷生物地球化學(xué)循環(huán)的理論認(rèn)識(shí)。

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Characteristic of Total Phosphorus Distribution in Typical Vegetation Zones Along Hailuogou of Gongga Mountain

WU Yan－h(huán)ong1，2，ZHOU Jun1，2，BING Hai－jian1，2，YU Dong1，2，SUN Shou－qin1，2，LUO Ji1，2
（1．Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，Sichuan，China；2．Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，Sichuan，China）

Phosphorus is an essential nutrient for mountain ecosystem development and security because of the special biogeochemical cycle．In order to understand the biogeochemical cycle of phosphorus in Gongga Mountain，the distributions of total phosphorus in soil from typical vegetation zone，rhizospheric soil and different parts of plants at growing season（September）and non－growing season or the beginning of growing season（May）were investigated．The results showed that the difference of distribution of total phosphorus in vertical gradient and that in different soil horizons from the same soil profile were significant，and the seasonal difference was remarkable；the above differences were related with the degree of soil development，temperature change and plant growing；the difference of total phosphorus in different rhizospheric soils at non－growing season or the beginning of growing season was large，but the difference at growing season was close，so that the plant had significant impact on the biogeochemical cycle of phosphorus in mountain；phosphorus in leaf was more than that in young shoot for rhododendron，populus purdomii and willow，while phosphorus in young shoot was a little more than that in leaf for abies fabric，picea brachytyla and bamboo．

P593；P595

A

1672－6561（2012）03－0070－05

2012－03－27

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目（KZCX2－YW－BR－21）

吳艷宏（1969－），男，江蘇靖江人，研究員，理學(xué)博士，E－mail：yhwu＠imde．a(chǎn)c．cn。