武功山山地草甸土壤磷素分布格局及其与土壤酸度的关系

赵晓蕊，郭晓敏，张金远，牛德奎，单连友，张文元，陈伏生，李 志，魏晓华，龚 霞*

(1.江西农业大学 理学院，江西 南昌 330045;2.江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045;3.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045;4.上海海丰农场，江苏 大丰 224153;5.Earth and Environmental Science，University of British Columbia(Okanagan campus)，Kelowna，British Columbia，Canada，V1V1V7)

磷是植物生长发育所必需的营养元素之一，以多种形式参与植物体的生命代谢过程[1]。土壤是磷在生态系统中的最大储存库[2]，然而虽然土壤中全磷含量很高，但其中真正可被植物吸收利用的有效磷含量只占土壤全磷1%左右[3]。我国约有1/3－1/2的土壤缺乏有效磷[4－5]。特别是在我国南方地区，土壤磷素有效性极低，是南方生态系统生产力和生态过程的重要养分限制因子[6－7]。

作为陆地生态系统分布最广的生态类型之一，山地草甸生态系统具有涵养水源、保持水土等多种生态功能[8，9]，在全球碳、氮、磷循环中起着重要作用[10]。江西武功山山地草甸位于罗霄山脉北段，其所处地理位置(北纬27°30')和走向在我国华东植被区划中具有重要地位，并成为划分我国亚热带东部湿润区常绿阔叶林中部亚热带和北部亚热带的天然界线。武功山草甸也以其面积广和分布基准海拔低(1 600 m)的特点在华东植被垂直带谱中具有典型性和特殊性，是气候变化的重要指示植被类型。此外武功山的地理位置处于亚热带红黄壤区，磷素是该区域的重要限制性营养因子，因而对武功山草甸土壤磷素有效性的研究尤为重要。以往关于草甸生态系统磷素分布的研究有很多[11－12]，但均未涉及土壤酸度对磷素有效性的影响。土壤酸度是土壤磷素有效性重要的化学调控因子，它通过影响土壤中磷素的存在形态，从而影响磷素的有效性及土壤的供磷水平[13－15]。因此，本文以武功山山地草甸土壤生态系统为研究对象，开展土壤酸度与磷素有效性的相关性研究[12，16－17]。

1 材料与方法

1.1 试验样地概况

武功山山地草甸位于江西省北部，介于东经114°10'～114°17'和北纬27°25'～27°35'，属罗霄山脉北段，绵延120 km，总面积260余km2。年平均温度约为14～16℃，年降雨量1 350～1 750 mm。武功山岩石主要由花岗岩和片麻岩构成，处于亚热带红黄壤区。20世纪90年代至21世纪初，由于畜牧经济的发展导致大面积天然草甸群落遭到近毁灭性的破坏，难以自然恢复。此外，由于2008年以来每年在武功山举办的国际帐篷节，众多游客扎营于山地草甸植被之上，对山地草甸也造成了极大程度的破坏。基于以上原因，本研究针对亚热带山地草甸生态系统极端脆弱性、敏感性和人为干扰严重等问题，选取武功山山地草甸未受人为干扰区为研究对象，开展磷素的空间分布及磷素有效性与土壤酸度相关性的研究，以期为后续的退化山地草甸的植被恢复及可持续经营工作提供理论依据和技术支撑[18]。

1.2 试验样地设置和样品采集

2013年5月进行样地设置和土样采集。沿山脊线在海拔1 600～1 900 m，每隔50 m间距设置1个梯度，共7 个梯度(1 600，1 650，1 700，1 750，1 800，1 850 和1 900 m)。在每个梯度上选择未受人为干扰的草甸随机设置3个10 m的样方，对每一样方的土壤分两层(0～20 cm和20～40 cm)进行多点采样，同层混匀，采集的土壤带回实验室。仔细去除土壤中的石砾和植物残体(如根、茎和叶)，自然风干，磨碎，过筛，保存，共获得42个土壤样品供土壤理化性质分析用。

1.3 实验分析及数据统计分析方法

土壤有效磷采用0.03 mol/L NH4F－0.025 mol/L HCl浸提，钼锑抗比色法测定[19];土壤全磷采用HClO4－H2SO4浸提，钼锑抗比色法测定;土壤pH采用电位法测定;土壤水解性总酸度采用醋酸钠－中和滴定法测定[20];土壤交换性酸度采用 1 mol/L KCl交换－中和滴定法测定[19，21]。

应用SPSS17.0统计软件对所有的数据进行统计分析，显著性水平设定为α=0.05。数据经正态分布检验，用方差分析和Tukey检验分析土壤磷素和酸度的空间分布状况;用Pearson相关系数评价土壤有效磷与土壤酸度的相关性。论文所有数据的图形处理采用Microsoft Excel 2007完成。

2 结果与分析

2.1 土壤磷素的分布格局

武功山山地草甸生态系统土壤全磷含量和有效磷含量的变异范围分别为0.46～1.37 g/kg和3.71～17.78 mg/kg(图1和图2)。

图1 不同海拔及不同土层土壤全磷的含量Fig.1 The soil total phosphorus concentration in 0－20 cm and 20－40 cm layers along the different altitudes

图2 不同海拔及不同土层土壤有效磷的含量Fig.2 The soil available phosphorus concentration in 0－20 cm and 20－40 cm layers along the different altitudes

方差分析结果显示，武功山山地草甸0～20 cm与20～40 cm土层土壤全磷及有效磷含量呈垂直分布格局，随海拔高度的增高而显著增加。在海拔1 650～1 750 m，土壤全磷及有效磷含量无显著性差异;在海拔1 800～1 900 m，两种磷素含量出现显著差异。同一海拔有效磷及全磷分布具有表聚性，0～20 cm土层土壤全磷及有效磷含量显著高于20～40 cm土层土壤全磷及有效磷含量。

Pearson相关性分析表明，土壤全磷及有效磷含量显著正相关(r=0.812，0.01＜P＜0.05)，说明了土壤全磷含量的高低在一定程度上影响土壤有效磷的供应状况，这与刘志祥等人[22]对缙云山土壤磷素分布的研究结果相同。

2.2 磷素有效性与土壤酸度的关系

2.2.1 土壤活性酸度(pH值)与有效磷的关系 土壤活性酸度(pH值)表示土壤中活性酸的强度。研究结果表明(表1)，土壤pH值变幅为4.78～5.37，土壤pH值在不同海拔高度及不同土壤深度下无显著性差异，且土壤pH值与土壤有效磷含量无显著相关性(r=0.003，P＜0.05)。

2.2.2 土壤交换性酸度与土壤有效磷的关系 交换性酸度是指土壤经过中性盐溶液(KCl)浸提后交换出的交换性氢和交换性铝的量[20]。

土壤交换性酸度的变幅为9.03～23.66 mmol/kg(图3)，在0～20 cm，土壤的交换性酸度随海拔高度的升高而显著增加，但在20～40 cm，交换性酸度在海拔高度上并没有显著差异。Pearson相关性分析结果表明，土壤交换性酸度的含量与土壤有效磷含量具有显著正相关性(r=0.850，0.01＜P＜0.05)。

表1 不同海拔及不同土层土壤pH值Tab.1 the soil pH value along different soil depths and altitudes

图3 不同海拔及不同土层土壤水解性总酸度含量Fig.3 The soil total hydrolytic acidity in 0－20 cm and 20－40 cm layers among the different altitudes

图4 不同海拔及不同土层土壤交换性酸度含量Fig.4 The soil exchangeable acidity in 0－20 cm and 20－40 cm layers among the different altitudes

2.2.3 土壤水解性总酸度及其与土壤有效磷含量的关系 研究结果表明(图4)，土壤水解性总酸度变幅为19.85～42.13 mmol/kg，在同一海拔高度上，不同土层之间无显著差异。在0～20 cm，土壤的水解性总酸度在不同海拔高度上无显著性差异，但在20～40 cm，水解性总酸度是随着海拔梯度的升高而显著增加。土壤水解性总酸度代表微酸性和酸性土壤的总酸度，它可以促进土壤中的迟效磷源转为速效磷，因而土壤水解性总酸度值也是评价土壤供磷能力的重要的参考数据[20]。草甸植被根系深度是影响土壤养分的重要因素[23－24]，武功山山地草甸植被根系深度大多在0～20 cm，可能是由于植物生长期根系会大量吸收水解性总酸所转换的有效磷，导致在0～20 cm土壤水解性总酸度无显著性差异。Pearson相关性分析表明，土壤水解性总酸度与土壤有效磷含量呈极显著正相关性(r=0.664，P＜0.01)。

3 结果与讨论

武功山山地草甸土壤全磷及有效磷含量均呈现随海拔高度的升高而增加的趋势，且两种磷素均具有表聚性。有关土壤磷素分布格局随海拔高度变化的研究有许多[25]，李惠卓等[26]对太行山脉北端白石山不同类型森林土壤的养分进行分析，结果表明土壤全磷及速效磷含量随海拔升高而增加。欧勇胜等[27]通过对横断山北部生态脆弱区土壤磷素的空间分布研究发现，由于气候条件、淋溶及植被分布等因素影响，土壤磷素的空间分布具有垂直规律，表现为全磷及速效磷含量总体上随海拔的升高而增加。付晶莹等[28]对庐山土壤养分调查也发现土壤有效磷含量随海拔高度的升高而增加，这与武功山山地草甸土壤全磷及有效磷含量变化趋势一致。土壤磷素随海拔高度的升高而变化，可能是由于土壤风化程度的不同、低海拔区与高海拔区气候及降雨量差异以及植被分布的差异而造成的。植被分布的差异对磷素分布特别是有效磷的分布状况有显著影响。对武功山山地草甸的植被多样性调查表明，武功山山地草甸的草甸植被主要有3种:禾草草甸、薹草草甸及杂草草甸。其中，禾草草甸、薹草草甸主要分布于海拔1 450～1 600 m。从1 600～1 900 m主要为杂草草甸，这一区域内植被覆盖率大，植物种类丰富，以三脉紫菀为优势种，五节芒为次优势种，伴生种为台湾剪股颖、狼尾草、穗状香薷、一枝黄花、浅圆齿堇菜、薄叶卷柏、朝天委陵菜、马兰、过路黄、唐松草等，且海拔越高，物种丰富度越大。而有效磷的含量也是随海拔高度的升高而逐渐增加，说明植物种群多样性的增加有利于将土壤非活性养分转化为活性养分供植物吸收利用。这是一种正反馈机制，同时也说明磷素作为限制性营养因子在植物分布和植物生长中的重要作用。而磷素的表聚性则是由于草甸植被凋落物的归还，枯草的腐败等导致土壤表层磷素含量高于下层土壤。

武功山山地草甸土壤pH值呈酸性，且随海拔高度的增加无显著变化。交换性酸度和水解性总酸度随海拔高度的升高而显著增加。土壤水解性总酸度及交换性酸度与土壤有效磷含量具有显著相关性。草甸植物根系分泌物增加了土壤中有机酸的含量，有机酸与土壤中的Al、Fe发生配位反应，释放了与之结合的磷素，增加了土壤中有效磷的含量。因此，随海拔高度的增加，土壤水解性总酸度及交换性酸度显著增加，从而土壤有效磷的含量显著升高。此外，土壤酸度的变化还可以影响土壤中有机磷形态的变化，从而进一步影响磷素的有效性[29－31]。武功山地处亚热带红黄壤区，磷素是该区域的限制性营养因子[32]，因此对于武功山山地草甸土壤磷素的分布格局及土壤酸度的研究可对指导退化草甸生态系统的植被恢复提供理论依据和技术支持。

[1]潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社，2001:30.

[2]贾兴永，李菊梅.土壤磷有效性及其与土壤性质关系的研究[J].中国土壤与肥料，2011(6):76－82.

[3]Hingsher P.Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root－induced chemical changes:a review[J].Plant and Soil，2001，237(2):173－195.

[4]张宝贵，李贵桐.土壤生物在土壤磷有效化中的作用[J].土壤学报，1998，36(1):104－111.

[5]徐俊兵.扬州市土壤有机质和速效磷钾的分布研究[J].土壤，2004，36(1):99－103.

[6]张鼎华，林开淼，李宝福.杉木、马尾松及其混交林根际土壤磷素特征[J].应用生态学报，2011，22(11):2815－2821.

[7]Gong X，Liu Y，Li Q，et al.Sub－tropic degraded red soil restoration:Is soil organic carbon build－up limited by nutrients supply[J].Forest Ecology And Management，2013(300):77－87.

[8]杨元武，李希来，周华坤.高寒草甸退化草地土壤特性分析[J].安徽农业科学，2011，39(24):14687－14690.

[9]王启兰，王溪，曹广民，等.青海省海北州典型高寒草甸土壤质量评价[J].应用生态学报，2011，22(6):1416－1422.

[10]曹广民，张金霞，鲍新奎.高寒草甸生态系统磷素循环[J].生态学报，1999，19(4):514－518.

[11]张文彦，樊江文，钟华平.中国典型草原优势植物功能群氮磷化学计量学特征研究[J].草地学报，2010，18(4):503－509.

[12]赵君，张仁懿，李新娥，等.甘南亚高寒草甸金露梅叶片氮磷化学计量学动态[J].兰州大学学报:自然科学版，2011，47(2):88－92.

[13]何电源.中国南方土壤肥力与栽培植物施肥[M].北京:科学出版社，1994:84.

[14]陈立新.落叶松人工林土壤酸度变化与无机磷形态的关系[J].中国水土保持科学，2005，3(4):108－114.

[15]张志.红松人工林土壤质量演变规律[D].哈尔滨:东北林业大学，2004.

[16]谭鑫，张宏.我国高寒草甸土壤磷素研究进展[J].草业与畜牧，2009(160):1－5.

[17]李海英，彭春红，王启基.高寒矮蒿草草甸不同退化演替阶段植物地上部氮磷元素比较[J].西北植物学报，2004，11(24):2069－2074.

[18]张乃莉，郭继勋.松嫩草甸不同退化程度生境土壤磷素动态研究[J].应用与环境生物学报，2006，12(6):777－782.

[19]鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京:中国农业出版社，2000.

[20]中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社，1978.

[21]刘菊秀，周国逸.氯化钾交换－中和滴定法测定森林土壤交换性酸的研究[J].环境与开发，2000，15(4):38－39.

[22]刘志祥，江长胜，祝涛.缙云山不同土地利用方式对土壤全磷和有效磷的影响[J].西南大学学报:自然科学版，2013，35(3):140－145.

[23]钟芳，赵瑾，孙荣高，等.兰州南北两山五类乔灌木林草地土壤养分与微生物空间分布研究[J].草业学报，2010，19(3):94－101.

[24]修娜，吉文丽，张扬.秦岭野生苔草植物资源及坪用价值[J].草业科学，2011，28(7):1253－1258.

[25]王斌，周志宇，张冈.贺兰山西坡不同海拔梯度上土壤－植物系统磷相关性研究[J].安徽农业科学，2009，35(37):17630－17634.

[26]李惠卓，张毅功，伊红岩.白石山森林土壤有机质及氮、磷、钾养分状况研究[J].河北林果研究，1997，12(2):114－116.

[27]欧勇胜，张世熔，余琼，等.横断山北部生态脆弱区土壤磷素空间分布特征[J].生态学报，2005，25(10):2776－2781.

[28]付晶莹，朱晓芳.庐山不同海拔高度土壤养分含量分析[J].安徽农学通报，2008，14(15):73－74.

[29]李和生，马宏瑞，赵春生.根际土壤有机磷的分组及其有效性分析[J].土壤通报，1998，29(3):116－118.

[30]陈立新.落叶松人工林土壤酸度与有机磷形态的相关性[J].生态学报，2005，25(11):2841－2847.

[31]来璐，郝明德，彭令发.土壤磷素研究进展[J].水土保持研究，2003，18(1):65－67.

[32]龚霞，牛德奎，赵晓蕊，等.植被恢复对亚热带退化红壤区土壤化学性质与微生物群落的影响[J].应用生态学报，2013，24(4):1094－1100.