雅安不同海拔地區(qū)的珙桐群落土壤養(yǎng)分特征

李長(zhǎng)燕,彭 希

(1.名山區(qū)林業(yè)局，四川 雅安 625100；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，四川 成都 611130)

土壤碳氮磷鉀含量的多少對(duì)植物的結(jié)構(gòu)和功能有著重要的影響，直接決定地被植物生長(zhǎng)、植物群落的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力水平高低和森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1～2]。作為土壤碳氮磷鉀循環(huán)的重要指標(biāo)，土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比綜合了森林生態(tài)系統(tǒng)功能的變異性，不僅方便測(cè)量，而且在全球氣候變化的時(shí)代，有助于維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[3]。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)在歐洲起步較早，20世紀(jì)中期就已經(jīng)有了初步的研究，到21世紀(jì)初，國(guó)外的化學(xué)計(jì)量學(xué)已經(jīng)比較系統(tǒng)[4]，且我國(guó)化學(xué)計(jì)量學(xué)也開(kāi)始步入起步階段。近10年，國(guó)內(nèi)生態(tài)學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)土壤及其植被進(jìn)行了大量的研究，如肖燁等對(duì)吉林東部山地沼澤濕地土壤碳、氮、磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究[5]。目前，國(guó)內(nèi)這方面的研究主要集中在：(1)不同土壤深度的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[6～7]；(2)不同植被類(lèi)型土壤的化學(xué)計(jì)量特征[8-9]；(3)不同施肥條件下土壤的化學(xué)計(jì)量特征[10～11]；(4)不同林齡喬木土壤的化學(xué)計(jì)量特征[12]等。當(dāng)前，圍繞不同海拔梯度上森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮磷鉀等研究[13]逐漸增多，作為一種自然地理變化，海拔梯度的變化對(duì)森林土壤碳氮磷鉀含量、植被類(lèi)型以及因植被郁閉度不同導(dǎo)致林地凋落物的變化均有一定的影響[14]，而且這些因素又會(huì)對(duì)森林土壤養(yǎng)分造成一定的影響[15]。因此，對(duì)不同海拔土壤碳氮磷鉀的研究至關(guān)重要。

雅安位于四川盆地西部邊緣，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，許多珍稀瀕危植物在這兒得以生存和繁衍。珙桐作為我國(guó)特有的珍稀物種，具有多方面的價(jià)值，不僅有很好的觀賞價(jià)值，在藥用、經(jīng)濟(jì)方面也具有很高的價(jià)值。鑒于此，以雅安珙桐群落不同海拔高度土壤作為研究對(duì)象，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分含量，以生態(tài)學(xué)計(jì)量學(xué)方法探究雅安珙桐群落不同海拔土壤碳氮磷鉀特征，分析不同海拔梯度間的土壤養(yǎng)分差異及生態(tài)學(xué)計(jì)量特征，為雅安珙桐群落的保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于雅安市寶興縣、漢源縣、雨城區(qū)、天全縣和滎經(jīng)縣5個(gè)地區(qū)的珙桐群落分布帶上，地域跨29°28′00″N～30°4′29″N，102°18′33″E～102°58′30″E之間，海拔在 1 213 m～2 276 m之間。降雨多，日照時(shí)間較少，年均降雨量 1 800 mm左右。雅安珙桐群落分布廣闊，低海拔地區(qū)的珙桐群落多與常綠闊葉樹(shù)種混交，高海拔地區(qū)多與落葉闊葉樹(shù)種混交。土壤類(lèi)型主要為紫色土、山地黃壤、山地黃棕壤，土壤養(yǎng)分較為豐富(見(jiàn)表1)。

表1

不同海拔梯度樣地基本概況

1.2 土壤樣品采集

調(diào)查于2017年7—8月進(jìn)行，在海拔 1 000 m～1 500 m(梯度Ⅰ)、1 500 m～2 000 m(梯度Ⅱ)、2 000 m～2 500 m(梯度Ⅲ)的雅安珙桐群落分布帶上，隨機(jī)選取了16個(gè)具有代表性的樣地。根據(jù)雅安珙桐群落根系分布和土壤深度[16]，每個(gè)樣地采用5點(diǎn)法采集0～30 cm土樣5份，并去除枯枝落葉等，然后將5點(diǎn)土樣混合均勻后裝入袋子。將采集到的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干，去除根、葉、石塊，磨細(xì)后分別過(guò)2 mm和0.15 mm網(wǎng)篩，最后測(cè)定與分析土壤樣品的各指標(biāo)。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH值的測(cè)量采用電位法，有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法，土壤全氮測(cè)定采用凱氏定氮法，土壤全磷測(cè)定方法采用鉬銻抗比色法，土壤全鉀的測(cè)定采用酸溶—火焰光度法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用軟件Excel2010和SPSS 20.0，對(duì)不同海拔梯度之間土壤碳氮磷鉀含量和生態(tài)學(xué)計(jì)量比進(jìn)行單因素方差分析和LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔梯度土壤C、N、P、K含量

對(duì)雅安珙桐群落不同海拔梯度土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量進(jìn)行分析(見(jiàn)表2)，隨著海拔梯度的增加，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量逐漸升高，表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，速效鉀含量表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(shì)，土壤有機(jī)碳、全氮含量增加的程度逐漸減小，全磷、全鉀含量增加的程度逐漸增加。土壤有機(jī)碳、全氮、全磷的變異系數(shù)都較高，其中有機(jī)碳最高，說(shuō)明不同海拔梯度下有機(jī)碳、全氮、全磷差異較大，土壤有機(jī)碳含量對(duì)海拔梯度的響應(yīng)最大，全鉀變異系數(shù)較低，海拔梯度對(duì)全鉀含量影響較小，不同海拔梯度土壤全鉀含量分布較均勻。土壤pH值變化差異不大，隨著海拔梯度的增加，pH值逐漸增大，但始終偏堿性，變異系數(shù)也比較小，海拔的變化對(duì)其影響并不大。

表2不同海拔梯度土壤理化性質(zhì)

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同海拔梯度土壤C、N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

對(duì)不同海拔梯度土壤C、N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)，土壤C∶N、C∶P、N∶P隨著海拔的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，土壤C∶P、N∶K隨著海拔的增加而增加，P：K隨海拔的變化不變。Ⅰ和Ⅲ土壤C∶N、C∶P差異顯著，其余差異不明顯。

表3不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

圖1 不同珙桐群落土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀元素相關(guān)性

對(duì)不同海拔梯度土壤C、N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行相關(guān)分析(見(jiàn)圖1),研究結(jié)果顯示不同珙桐群落土壤碳氮磷平均值之間呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.8636(P=0.000)、0.4421(P=0.000)、0.5951(P=0.000)，土壤K與C、K與N、K與P之間相關(guān)性不顯著。從空間尺度上看，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量隨海拔梯度的變化而變化。說(shuō)明雅安珙桐群落土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀分布在一定程度上相互耦合。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同海拔土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量特征

森林群落的發(fā)展離不開(kāi)土壤，土壤的各種化學(xué)反應(yīng)影響著土壤pH值，對(duì)土壤酶和有機(jī)質(zhì)的分解至關(guān)重要，間接影響著植物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，另外，土壤碳氮磷鉀的含量影響著森林群落的結(jié)構(gòu)和功能。隨著海拔的增加，各海拔梯度土壤pH值差異不顯著，海拔對(duì)土壤pH值影響不大，且土壤呈酸性，說(shuō)明珙桐可能適合生長(zhǎng)在酸性土壤中，這與楊敬天[18]的研究結(jié)果一致。張繼平的研究表明，土壤碳氮磷含量與海拔梯度就有一定的關(guān)系[19]。張廣帥等[20]云南省泥石流頻發(fā)區(qū)山地不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征的研究發(fā)現(xiàn)，土壤全碳主要來(lái)自土壤微生物對(duì)地被植物凋落物的分解和轉(zhuǎn)化，全氮含量來(lái)源于氮素的硝化與反硝化化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程[19]，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量相互影響。雅安珙桐群落不同海拔梯度土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量隨著海拔的升高而增加。本研究中土壤有機(jī)碳、全氮和全磷平均值分別為39.46 g·kg-1、3.11 g·kg-1和0.85 g·kg-1，高于全國(guó)土壤有機(jī)碳、全氮和全磷平均值，說(shuō)明土壤養(yǎng)分含量較高，這與趙維俊等[21]研究一致。隨著海拔梯度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，其原因可能是相對(duì)低海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)濕度大，致使高海拔地區(qū)凋落物轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)的速度加快，高海拔地區(qū)土壤有機(jī)碳含量最高。由于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的相互影響，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)相似。磷元素和鉀元素主要受到巖石淋溶和氣候的影響，雅安地形主要為山地，濕度較大，下雨強(qiáng)度較小，磷元素和鉀元素的淋溶較小，海拔相對(duì)較高的地區(qū)土壤全磷和全鉀含量較高。張巧明等[22]在研究秦嶺不同海拔土壤理化性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量隨著海拔的增加而增加，與本研究結(jié)果一致。土壤中的K元素主要來(lái)自礦物風(fēng)化、森林凋落物和降水淋溶，與全鉀的變化趨勢(shì)不一致，與黃蘚茹等[23]的研究結(jié)果不一致，可能是海拔梯度Ⅱ處珙桐群落人類(lèi)活動(dòng)較大，加劇了土壤速效鉀的流失。

3.2 C、N、P、K化學(xué)計(jì)量特征的影響因素

相關(guān)研究表明，影響土壤碳氮磷鉀化學(xué)計(jì)量特征的因素主要有海拔、森林植被群落類(lèi)型、土壤類(lèi)型、氣候條件等，其中不同海拔梯度和緯度區(qū)域下的植物群落表土土壤碳氮磷鉀含量差異很大，使得土壤碳氮磷鉀比差異明顯。在本研究區(qū)域內(nèi)，珙桐群落不同海拔梯度的土壤C∶N介于8.91～33.98之間，其均值為13.34，略高于全球土壤C∶N，并且與相關(guān)的研究結(jié)果一致。研究區(qū)內(nèi)土壤C∶P平均值(48.02)低于全球森林0～30 cm土壤C∶P平均值[24]，說(shuō)明土壤磷的含量比較高，這與張廣帥等[20]研究結(jié)果一致。C、N、P作為植物細(xì)胞的必要組成成分，其含量相互影響，C、N、P以枯落物形式進(jìn)入土壤，張光啟[25]的研究表明，植物凋落物與土壤養(yǎng)分之間耦合，致使土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比變化趨勢(shì)相似。且N∶C的斜率比P∶C大，說(shuō)明N含量受C含量的影響較大。王紹強(qiáng)的研究也表明，土壤C∶N與有機(jī)質(zhì)分解速度成反比關(guān)系[3]。土壤C∶K平均值為1.28，這與張海東[26]的研究結(jié)果比較一致，土壤全鉀含量較為豐富。土壤C∶N、C∶P、N∶P在海拔梯度Ⅱ較高，這主要是因?yàn)樵摵０翁荻确秶鷥?nèi)森林植物群落較為豐富，土壤有機(jī)碳含量高，生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)快；此外，樣地內(nèi)的光照條件良好，優(yōu)勢(shì)喬木樹(shù)種珙桐造成的遮光現(xiàn)象不嚴(yán)重，灌木和草本層的植物生長(zhǎng)良好，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)快；植物根系及其周?chē)寥牢⑸锓N類(lèi)和數(shù)量較高，使得該海拔梯度內(nèi)土壤的生物活性強(qiáng)，致使該海拔梯度內(nèi)生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征最高。隨著海拔梯度的升高，土壤C∶N、C∶P、N∶P逐漸增加，然后減少，而C∶K、N∶K隨海拔梯度的增加而增加，主要是因?yàn)橛袡C(jī)碳和全氮受外界環(huán)境和海拔的影響，不同海拔梯度P∶K變化不大，主要是因?yàn)榱缀外浽囟际菤夂蚝蛶r石淋溶的影響，造成不同的海拔梯度土壤全磷和全鉀含量都隨著海拔的增加，P∶K變化不大。低海拔梯度地區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)的影響，有機(jī)碳和氮的積累少，有機(jī)碳和全氮含量較低。不同海拔梯度C、N、P與K的化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性不明顯，說(shuō)明海拔對(duì)C、N、P與K的化學(xué)計(jì)量比影響不大。本研究中先通過(guò)計(jì)算不同珙桐群落土壤C、N、P、K含量的平均值，對(duì)C、N、P的化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性分析，N∶C的斜率比P∶C大，說(shuō)明N含量受C含量的影響較大。王紹強(qiáng)的研究也表明，土壤C∶N與有機(jī)質(zhì)分解速度成反比關(guān)系[3]。通過(guò)對(duì)C、N、P和K的化學(xué)計(jì)量比線性分析，K與C、N、P之間的相互作用不大。

綜上，珙桐群落土壤碳氮磷鉀含量豐富，高于全國(guó)土壤0～30 cm碳氮磷鉀含量，不同海拔珙桐群落土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量隨著海拔的增加而增加，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量受海拔的影響，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量變異系數(shù)都較高(>25%)；海拔梯度的變化對(duì)土壤C∶N、C∶P有一定的影響，C、N、P之間相互影響，且與K的影響效果不大。在保護(hù)雅安珙桐群落的過(guò)程中，不僅需要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和土壤條件等，還應(yīng)該考慮海拔梯度的變化對(duì)土壤養(yǎng)分和C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K的影響。通過(guò)適當(dāng)?shù)牧址终{(diào)整保持合理的群落結(jié)構(gòu)，并減少人為干擾，使珙桐群落與其生境充分發(fā)揮各自的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特征。針對(duì)本研究采集土壤樣品深度導(dǎo)致的問(wèn)題，對(duì)于土壤深度較淺的地區(qū)，可適當(dāng)降低取樣深度，如采集0～20 cm的土樣；也可采集多層土樣，如分別在0～20 cm、>20 cm～40 cm和>40 cm～60 cm土層采集土壤樣品。