亚热带常绿阔叶林土壤磷素空间分布特征及其影响因素

樊纲惟，项文化，雷丕峰，3，邹丽梅

土壤是时空连续的变异体，受自然因素（母质、气候、生物、地形与时间）以及人为因素（土地利用、施肥等）的共同作用，具有高度的空间异质性，不论在大尺度还是在小尺度上，土壤的空间异质性普遍存在[1]。土壤的空间异质性影响植物群落的组成、植被的分布和生物量格局[2]。在土壤养分循环中，磷（P）作为植物生长发育的必需营养元素之一，参与组成植物体内许多重要化合物，是植物体生长代谢过程不可缺少的元素[3]。土壤中P的含量受到母质、气候、生物[4]和土壤中的地球化学过程[5]等一系列因素的影响，而土壤P含量的变化也影响着包括碳、氮循环在内的其他元素的生物地球化学循环[6]。在许多热带湿润森林和海岸系统中，微生物的生长和活动受到P的限制，从而使磷素成为整个系统的限制因子[7]。因此，对土壤磷素的空间分布及其控制因素的研究显得十分重要。土壤全P含量的分布格局及其主导影响因素也随着研究尺度的不同而存在差异。一些研究者认为中小尺度磷素空间分布的差异主要受到施肥等因素的影响，结构因素产生的影响相对较小[8,9]。而在大尺度研究中，多数研究者认为成土母质、地貌[10]、土地利用方式和土壤侵蚀[11]是影响土壤磷素分布的主要因素。

常绿阔叶林是中国亚热带地区最复杂、生产力较高、生物多样性最丰富的地带性植被类型之一，对保护环境、维持全球性碳循环平衡和人类持续发展发挥着重要作用[12]。青冈-石栎群落是我国亚热带低山丘陵区典型的常绿阔叶林之一，代表着区域内森林群落的演替方向，具有维持区域生物多样性和改善区域生态环境等生态功能[13]。研究土壤磷素空间分布与地形特征之间的关系，对于常绿阔叶林的保护、提高森林生产力和可持续经营都具有十分重要的意义。本研究以湘中丘陵区青冈-石栎林为对象，分析土壤磷素的空间异质性和引起土壤磷素异质性的生态过程，探讨其空间分布的影响因素，为该区土壤资源的合理利用和常绿阔叶林的经营与管理提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况及样地设置

研究地选在湖南省长沙县大山冲国有林场(28°23′58″-28°24′58″N，113°17′46″-113°19′08″E)，该林场地处幕阜山余脉西部边缘的湘中丘陵地区，海拔55-217.4 m，属中亚热带东南季风气候区，年平均气温16.6-17.6℃，最低气温为-11℃，最高气温为40℃，年降雨量为1412-1559 mm，土壤为板岩和页岩发育而成红壤[14]。地带性植被为亚热带常绿阔叶林，由于人为干扰，原生植被已破坏，经过近几十年的封山育林，现保存着一定的人工林群落及不同森林类型的次生植被[15]。其中青冈-石栎林是区内保存较完好的常绿阔叶林之一。2013年3月在林场内选取了群落结构典型、干扰较小的青冈-石栎林作为研究样地，设置面积为1 hm2（100 m×100 m）的固定样地，样地分成100个10 m×10 m的小样地，调查植物组成特征。样地海拔为71-126 m，坡向为西北向，坡度为22°，土壤pH值为4.18-5.03。

1.2 样品采集及测定分析

2013年9-10月期间，在青冈-石栎林100个小样地的中心位置进行采样。如果中心位置有树木或大的石块，采样点进行适当移动，记录每个采样点的经纬度和海拔高度，以及每个小样地四个顶点的海拔高度。按照50 cm×50 cm的面积采集凋落物，在原地用环刀取腐殖质层，用土钻取0-10 cm，10-20 cm和20-30 cm土层深度的土壤，共采集土样300个，腐殖质层样100个，凋落物100个，现场称重装袋做好标记。土壤样品经风干、研磨，分别过60目筛和100目筛，以备化学分析。凋落物于80℃烘箱内烘干至恒重、称重。土壤全磷测定用碱熔—钼锑抗比色法[16]，土壤有效磷P含量采用盐酸—氟化铵（Bray-1）法，凋落物和腐殖质全P含量采用钒钼黄比色法测定，土壤pH值采用电极法测定（水土比2∶1）[17]。

选择海拔和凹凸度作为地形因子，分析它们对土壤磷素分布影响。在样地设置和群落调查时，用罗盘仪测定每个小样地四个角的水平坐标位置、相对高度和坡度，根据1∶1万的地形图确定样地原点的海拔，计算每个小样地4个角的海拔。各采样点的海拔为小样地4个角海拔的平均值，凹凸度为小样地海拔减去该小样地相邻的8个小样地海拔的平均值，处于样地边缘小样地的凹凸度为小样地中心的海拔减去4个角海拔的平均值，若凹凸度为正值，表明该小样地海拔比周围样方海拔高，即为凸型地形，反之则低，为凹型地形[18]。

1.3 数据统计分析

土壤养分数据分析在SPSS 17.0软件系统进行，利用K-S检验对土壤养分进行描述性统计分析，对不能满足正态分布的数据，用算术平方根或对数转换，使转换后的数据呈正态分布。在MATLAB 7.1平台上，基于三次样条插值法对土壤全P含量和有效P含量进行空间插值，得到青冈-石栎林土壤磷素的空间分布特征图。用回归分析法对0-30 cm土壤全P和有效P分别与海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖质层全P含量进行一元线性回归分析。

2 结果与讨论

2.1 青冈-石栎林土壤性质统计特征及正态性检验

土壤全P含量的均值为0.260 g/kg（表1），接近浙江天童常绿阔叶林土壤全P含量（0.26 g/kg）[19]和广东鼎湖山季风常绿阔叶林土壤全P含量（0.258±0.011 g/kg）[20]，低于湘南紫色丘陵耕作区土壤全P含量（0.5-0.8 g/kg）[21]，明显低于全国土壤全P含量（0.60 g/kg）。0-30 cm层土壤有效P含量均值为3.59mg/kg，高于中国土壤有效磷（3.40mg/kg）[22]，略低于广东鼎湖山季风常绿阔叶林土壤有效P含量（4.22±0.16 mg/kg）[20]。

一般认为，变异系数（CV）<0.1为弱变异性，0.11.0为强变异性[23,24]，从表中可以看出，0-30 cm层土壤全P和有效P含量的变异系数分别为16.35%和22.06%，均达到了中等强度变异。单一样本K-S检验结果表明，凋落物层全P含量、腐殖质层全P含量和0-30 cm土壤全P含量均符合正态分布，0-30 cm土壤有效P含量经对数转换后符合正态分布（表1）。

表1 全P和有效P含量的统计特征（n＝100）

2.2 土壤全P与有效P含量空间分布

土壤磷素含量的空间分布受多种因素的影响。土壤全P含量在1 hm2的研究样地内随地形变化规律较为明显，分布格局以条带状的梯度变化为主（图1），低值出现在中间山脊地带，含量基本低于0.270 g/kg。高值出现在两边海拔较低的沟谷洼地；土壤有效P含量在整个研究样地内呈斑块状分布，高值区位于部分低洼处，没有明显随地形变化的趋势。说明该区域内相对土壤有效P而言，土壤全P含量空间分布受地形因子的影响较大。

图1 青冈-石栎常绿阔叶林土壤全P（左）和有效P（右）含量的空间分布格局

2.3 土壤全P和有效P含量的影响因素

相关分析结果表明土壤全P含量受到相对高差和凹凸度的影响，土壤有效P含量受凋落物生物量和腐殖质层全P含量的影响，土壤全P、有效P含量与凋落物全P含量的相关性不显著（p>0.05）。根据该结果，我们进一步对海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖质层全P含量与土壤全P和有效P含量进行一元回归分析，研究土壤磷素含量分布随影响因子的变化趋势。

（1）海拔。0-30 cm土壤全P和海拔呈极显著负相关（图2），相关系数为-0.499（p<0.01）。这与秦松对西南丘陵的研究结果略有不同[25]，其结果表现为磷素分布随着海拔的升高而增加，原因可能是西南丘陵区的海拔在310 m以上，高海拔处气温越低，蒸发量小且湿度大，有机质分解慢，有利于养分富集。本研究区海拔小于130 m，温度湿度的影响较小，而降水、地表径流会加快磷元素淋溶，导致上层土壤全磷含量降低[26]，磷素向低地聚集，表现出全P含量随海拔增加而降低。0-30 cm土壤有效P含量与海拔无显著相关关系，这与Soethe等[27]对热带森林的研究结果相一致。

图2 全P含量与海拔的关系

（2）凹凸度。0-30 cm土壤全P含量和凹凸度呈负相关（图3），相关系数为-0.261（p<0.01），达极显著水平。土壤有效P含量与凹凸度无显著相关性。土壤全P的空间变异受凹凸度影响较大，同海拔范围内，低地沟谷的全磷含量要明显高于坡面和山脊[28]，这可能是因为位于高海拔处的土壤被雨水冲刷下来沉积在低洼处土壤表层，导致养分在土壤表层的逐渐累积，因此沟谷土壤全P含量较高。

图3 全P含量与凹凸度的关系

（3）凋落物生物量。0-30 cm土壤全P与凋落物生物量的相关系数为0.064，但未达到显著水平，表明自然土壤中的磷素主要来源于成土母质，其空间格局在大尺度上主要受土壤类型和气候条件的影响[10]。0-30 cm土壤有效P含量均值与凋落物生物量呈正相关（图4），相关系数为0.263（p<0.01），达极显著水平，这与刘文杰等[22]在研究中提出有效磷含量主要受凋落物分解的影响的观点相符合。因此，增加该区域凋落物的累积量有利于提高有效P的含量。

图4 有效P含量与凋落物生物量的关系

（4）腐殖质层全P含量。土壤全P含量与腐殖质层全P含量无显著性相关性。土壤有效P和腐殖质全P含量具有显著正相关（R＝0.238，p＝0.017），说明腐殖质层对土壤有效P具有供应和保持的作用。腐殖质层主要来源于动植物残体的分解，其含量的大小与土壤磷素的积累紧密相关。在大多数生态系统中，由于P循环在系统内部的局限性，植物归还土壤的磷是有效磷的重要来源[29]。

3 结论

青冈-石栎常绿阔叶林中土壤（0-30 cm）全P和有效P含量的变化范围分别为0.200-0.402 g/kg和2.22-6.74 mg/kg，变异系数分别为16.35%和22.06%，均到达了中等强度变异。土壤全P含量呈条带状的空间分布格局，山脊含量低，沟谷含量高；土壤有效P含量则呈斑块状分布，没有明显随地形变化的趋势。土壤磷素空间分布格局与地形、凋落物量有关，其中土壤全P含量与海拔、凹凸度呈极显著负相关，而有效P含量受地形因子的影响较小，与凋落物生物量、腐殖质层全P含量呈显著正相关。可见，凋落物量对林地土壤有效P含量影响较大，通过封山育林和保护林下凋落物，有利于提高林地土壤有效P含量和森林生产力。

土壤磷素含量受到成土母质、地貌、气候、土地利用方式等诸多因素的影响，不同尺度的研究范围内，其主导影响因素也存在差异。本研究中分析了凋落物、腐殖质、相对高差和凹凸度对土壤磷素含量的影响，但土壤母质、地上植物种类以及土壤机械组成对土壤磷素含量的影响有待进一步研究。

[1]Huggett R J.Soil chronosequences,soil development,and soil evolution:acritical review[J].Catena,1998,32(3):155-172.

[2]Kleb HR,Wilson SD.Vegetation effectsonsoil resourceheterogeneity in prairie and forest[J].The American Naturalist,1997,150(3):283-298.

[3]胡霭堂.植物营养学[M].北京:中国农业大学出版社,1995：148-531.

[4]Stewart J W B,Tiessen H.Dynamics of soil organic phosphorus[J].Biogeochemistry,1987,4(1):41-60.

[5]Cross A F,Schlesinger WH.A literaturereview and evaluation of the Hedley fractionation:Applications to thebiogeochemical cycle of soil phosphorusin natural ecosystems[J].Geoderma,1995,64(3):197-214.

[6]Bronson K F,Zobeck TM,Chua TT,et al.Carbon and nitrogen pools of southern high plains cropland and grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal,2004,68(5):1695-1704.

[7]Sundareshwar P V,Morris J T,Koepfler E K,et al.Phosphorus limitation of coastal ecosystem processes[J].Science,2003,299:563-565.

[8]张世熔,黄元仿,李保国,等.黄淮海冲积平原区土壤有效磷、钾的时空变异特征[J].植物营养与肥料学报,2003,9(1):3-8.

[9]黄绍文,金继运,杨俐苹,等.乡(镇)级区域土壤养分空间变异与分区管理技术研究[J].资源科学,2002,24(2):76-82.

[10]Achim D,Thomas G,Niels T.Phosphorus fertilizer effect s on Soil Phosphorus Pools in Acid Upland Soils[J].Soil Science Society of America Journal,2002,66(2):652-660.

[11]John NQ,John A C,Hess MT.The Selective Removal of Phosphorus from Soil:Is Event Size important?[J].Journal of Environmental Quality,2001,30(2):538-545.

[12]汤孟平,周国模,施拥军,等.天目山常绿阔叶林优势种群及其空间分布格局[J].植物生态学报,2006,30(5):743-752.

[13]祁承经,喻勋林.湖南种子植物总览[M].长沙:湖南科学技术出版社,2002.

[14]邓杰,邓湘雯,黄志宏,等.4种典型亚热带森林生态系统生长季地表N2O通量特征[J].中国农学通报,2012,28(13):6-13.

[15]路翔,项文化,任辉,等.中亚热带四种森林凋落物及碳氮贮量比较[J].生态学杂志,2012,31(9):2234-2240.

[16]国家林业局.森林土壤全磷的测定[S].中华人民共和国林业行业标准,（LY/T 1232-1999）：森林土壤分析方法.北京：中国标准出版社，2000，p87-90.

[17]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000.

[18]Renato V,Robin B.F,Gorky V,et al.Treespeciesdistributionsand local habitat variation in the Amazon:large forest plot in eastern Ecuador[J].Journal of Ecology,2004,92(2):214-229.

[19]张娜,王希华,郑泽梅,等.浙江天童常绿阔叶林土壤的空间异质性及其与地形的关系[J].应用生态学报,2012,23(9):2361-2369.

[20]莫江明，鼎湖山退化马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林土壤全磷和有效磷的比较[J].广西植物，2005，25(2):186-192.

[21]廖超林,刘杰,张杨珠,等.湘南紫色丘陵耕作区土壤肥力质量空间变异研究[J].农业现代化研究,2012,33(4):502-507.

[22]刘文杰,陈生云,胡凤祖,等.疏勒河上游土壤磷和钾的分布及其影响因素[J].生态学报,2012,32(17):5429-5437.

[23]吕静,常庆瑞.土石山地耕地土壤养分空间分布特征研究——以陕西陇县为例[J].农业现代化研究.2012,33(1):113-116.

[24]魏彦昌,欧阳志云,苗洪,等.尖峰岭自然保护区土壤性质空间异质性[J].生态学杂志,2007,26(2):197-203.

[25]秦松,樊燕,刘洪斌,等.地形因子与土壤养分空间分布的相关性研究[J].水土保持研究,2008,15(1):46-52.

[26]Jiao J G,Ellis E C,Yesilonis I,et al.Distributions of soil phosphorus in China’s densely populated village landscapes[J].Journal of Soilsand Sediments,2010,10(3):461-472.

[27]Soethe N,Lehmann J,Engels C.Nutrient availability at different altitudes in a tropical montane forest in Ecuador[J].Journal of Tropical Ecology,2008,24(4):397-406.

[28]张娜,王希华,郑泽梅,等.浙江天童常绿阔叶林土壤的空间异质性及其与地形的关系[J].应用生态学报,2012,23(9):2361-2369.

[29]赵琼,曾德慧.陆地生态系统磷素循环及其影响因素[J].植物生态学报,2005,29(1):153-163.