不同海拔高度下梵净山土壤碳、氮、磷分布特征

李相楹, 张维勇, 刘 峰, 张珍明, 何腾兵, 林昌虎,4

(1.贵州大学, 贵阳 550025; 2.贵州梵净山国家级自然保护区管理局, 贵州 铜仁554400;3.贵州省生物研究所, 贵阳 550009; 4.贵州医科大学, 贵阳 550025)



不同海拔高度下梵净山土壤碳、氮、磷分布特征

李相楹1, 张维勇2, 刘 峰2, 张珍明3, 何腾兵1, 林昌虎1,4

(1.贵州大学, 贵阳 550025; 2.贵州梵净山国家级自然保护区管理局, 贵州 铜仁554400;3.贵州省生物研究所, 贵阳 550009; 4.贵州医科大学, 贵阳 550025)

为探明梵净山地区海拔高度与土壤性质间的关系，在不同海拔高度采集不同深度土层土样，测定土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量。结果表明：在不同采样深度下，随着土层深度的增加，土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷以及碳氮比、碳磷比和氮磷比均逐渐下降。在不同海拔高度下，受气候、生物和地形等因素的影响，0—20 cm层土壤中有机质、碱解氮含量与海拔高度显著相关，有机质含量随海拔的增加呈先增加后下降的趋势，在海拔1 450 m达到最大值，碱解氮含量随海拔的增加而增加；20—40 cm层土壤各项指标与海拔高度相关度不紧密；40—60 cm层土壤中，有机质、全氮含量、碳磷比、氮磷比与海拔高度显著相关，均随海拔的增加而增加。

海拔高度; 梵净山; 碳； 氮； 磷; 分布特征

土壤碳、氮、磷是植物生长的必需元素，其分布特征影响植物的整个生长过程。海拔高度是影响土壤碳氮磷含量分布的重要因素之一，海拔高度的变化会造成气候、植物类型与土壤类型等的改变，从而影响土壤理化性质与养分供应情况。目前已有诸多研究结果表明，海拔高度与土壤碳氮磷存在显著相关性。

贵州梵净山国家级自然保护区，位于贵州省东北部的江口、印江和松桃3县的交界之处。梵净山是武陵山脉主峰，山体庞大，是乌江水系和沅水系的分水岭[1]。生物多样性高，植被类型多样，是一个以常绿阔叶林、落叶阔叶林为主的森林生态系统，山中生长有多种珍稀植物，如冷杉(Abiesfanjingshanensis)、珙桐(DavidiainvolucrataBaill)、红豆杉(Taxuswallichianavar. mairei)[2-3]等，药用植物丰富，保护区及周边地区药用植物多达460余种(变种)[4]，还有多种野生动物，是濒危灵长类动物黔金丝猴的唯一分布地[5-6]。梵净山土壤垂直分布明显，从下至上依次为山地黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地暗色矮林土、山地灌丛草甸土[7]。

虽然我国学者对梵净山已经做出大量研究，但过去研究者对该区的研究多集中在植物分布[8-9]与动物分布[10]等方面，鲜有针对海拔高度与土壤理化性质相关性的研究报道。探明梵净山地区土壤碳氮磷含量与海拔高度间的关系，为进一步了解梵净山国家级自然保护区的自然地理条件，保护珍稀动植物，合理利用该区自然资源，理解各生态化学计量特征，本文在梵净山海拔高度500～2 400 m范围内采集多个土壤样品，分析土壤碳氮磷含量，进而研究海拔高度与土壤碳氮磷的相关性，以期揭示土壤营养元素的分布特征，为梵净山的土壤背景调查、资源利用与生态保护提供基础资料与参考依据，对认识梵净山土壤养分垂直分布及其对海拔高度变化的响应具有重要的理论意义。

1　研究区概况

梵净山风景区位于贵州省铜仁市江口县、印江自治县、松桃自治县交界处，地理坐标为27°46′50″—28°1′30″N，108°35′55″—108°48′30″E，面积约419 km2，地处我国亚热带中心，被联合国教科文组织纳为全球“人与生物圈”保护网成员单位，为中国5大佛教名山之一。平均气温6～17℃，1月均温3.1～5.1℃，7月均温15～27℃，≥10℃积温1 500～5 500℃，年降雨量1 100～2 600 mm左右，相对湿度平均超过80%(迎风坡)，垂直气候带谱可分为中亚热带、北亚热带、暖温带、温带4个气候带。最高峰凤凰山海拔2 570.5 m，其次为金顶海拔2 493.4 m，最低处盘溪沟海拔500 m。土壤呈明显的垂直分布，由山顶至山麓依次为山地灌丛草旬土、山地暗色矮林土、山地黄棕壤、山地黄壤、山地黄红壤。植被类型主要有常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林、针阔混交林和灌丛等。

2　材料与方法

2.1样品采集

根据梵净山土壤分布特点，在确保采样点的典型性、代表性和均匀性的基础上，采用GPS定位，于2013年10月在梵净山风景区内不同海拔高度处进行土壤样品采集，样地按“S”形布设5～8个采样点，采集土壤样品进行混合，每个样地采集0—20 cm土层样品，在具有代表性的样地取20—40，40—60 cm土层样品，每个样地采集重复样品3个，合计采集0—20 cm土层样品75个、20—40 cm土层样品42个、40—60 cm土层样品30个，共147个土壤样品。采集样品装入不含污染物的布袋，带回实验室风干，剔除植物残体及大砾石等非土壤物质，同时避免灰尘和酸碱等污染。风干后按对角线四分取土法分取一半样品研磨过筛，供分析测试用，另一半作为备用样品保存。

2.2测定方法

土壤样品分析方法如下：土壤有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化—容量法测定，土壤全氮采用开氏法，土壤碱解氮采用碱解扩散法，土壤全磷采用酸溶—钼锑抗比色法，土壤有效磷采用盐酸—氟化氨提取—钼锑抗比色法。

2.3数据分析

试验数据首先按统计学的方法，剔除异常值采取Grubbs法，显著水平α=0.05，然后用Excel 2003统计整理，并将计算结果汇总绘制成总数据表。再对各指标数据进行计算平均值、标准偏差、误差，采用SPSS 19.0软件进行相关性分析和多重比较。

3　结果与分析

3.1不同海拔高度土壤有机质、全氮、全磷含量分布特征

碳氮磷是植物生长的必需元素，对作物的生长发育起着至关重要的作用，由表1可知，随着海拔高度的变化，土壤有机质、全氮、全磷的含量也发生不同程度的变化，最大值与最小值相差甚远。就变异系数而言，各营养元素的变异系数为18%～138%。

土壤有机质、全氮及全磷含量均随采样土层深度的增加而降低，不同土层有机质含量均值分别为70.70，44.12，18.22 g/kg；全氮含量均值分别为5.18，3.19，1.49 g/kg；全磷含量均值分别为0.39，0.31，0.23 g/kg。

从图1可以看出，0—20 cm与20—40 cm层土壤有机质含量随着海拔高度的升高而升高，并在升高至一定程度范围后，又随着海拔高度的升高而降低。40—60 cm层土壤随海拔高度的升高而缓慢增加。经过回归分析，20—40 cm层土壤有机质含量与海拔高度不存在显著相关性(p=0.355)，0—20 cm与40—60 cm层土壤有机质含量与海拔高度分别存在显著相关与极显著相关性，回归方程分别为：

Y20=-2.7×10-5X2+0.1070X-17.733

(R2=0.2078，p=0.046<0.05)

(1)

Y60=-1.7×10-6X2+0.0163X-2.6907

(R2=0.6806，p=0.003<0.01)

(2)

表1　梵净山不同土层土壤主要养分特征

图1　不同海拔高度下土壤碳氮磷的变化

各层土壤全氮含量均随着海拔高度的升高而平缓上升。但经过回归分析，0—20 cm与20—40 cm层土壤全氮含量与海拔高度不存在显著相关性，其p值分别为0.090，0.231；40—60 cm层土壤有机质含量与海拔高度存在极显著相关性，回归方程如下：

Y60=9.4×10-8X2+0.0007X+0.2218

(R2=0.5994，p=0.009<0.01)

(3)

0—20 cm与20—40 cm层土壤全磷含量均随着海拔高度的升高而提升，在达到一定含量后，全磷含量又随着海拔高度的升高而降低，但经回归分析，此两层土壤全磷含量与海拔高度不存在显著相关性，其p值分别为0.405，0.866；40—60 cm层土壤全磷含量随着海拔高度的升高而缓慢上升，回归分析表明，两者同样不存在显著相关性，p值为0.236。

3.2不同海拔高度下碱解氮、速效磷含量分布特征

土壤碱解氮、速效磷含量与作物的生长具有密切的关系，分别能够反映土壤近期内的氮素与磷素的供应情况，可供作物近期吸收利用，是土壤肥力的直接体现。由表1可知，土壤碱解氮和速效磷含量均随采样土层深度的增加而降低，不同土层碱解氮含量均值分别为394.02，250.68，124.71 mg/kg；速效磷含量均值分别为57.55，25.21，13.40 mg/kg。

由图2可知，0—20 cm层土壤碱解氮含量随着海拔高度的升高而提高，经过回归分析，两者存在极显著的相关性，其回归方程为：

Y20=9.5×10-5X2+0.1492X+373.15

(R2=0.2955，p=0.008<0.01)

(4)

图2　不同海拔高度下碱解氮、有效磷的变化

20—40 cm层土壤碱解氮含量随着海拔高度的增加而提升，在到达一定含量后，又随着海拔高度的升高而降低，但经过回归分析，两者不存在显著的相关性，p值为0.268。40—60 cm层土壤碱解氮含量先随海拔的升高而降低，在降低到一定含量后，又随着海拔的提升而升高，回归分析表明，两者亦不存在显著的相关性，p值为0.183。

0—20 cm与20—40 cm层土壤有效磷含量先随着海拔高度的升高而增加，在达到一定含量后，又随着海拔高度的升高而降低，经回归分析，此两层土壤有效磷含量皆与海拔高度无明显相关关系，p值分别为0.645，0.237；40—60 cm层土壤有效磷含量随着海拔高度的升高而缓慢降低，回归分析表明，两者无相关性，其p值为0.381。

3.3不同海拔高度下生态化学计量特征

由表1可知，土壤C/N，C/P，N/P均随采样土层深度的增加而降低，不同土层C/N均值分别为14.47，12.88，11.99；C/P均值分别为236.38，170.57，72.81；N/P均值分别为14.94，12.15，6.24。不同深度土层土壤C/N变异系数为24.30%～69.43%，C/P变异系数为46.45～72.24，N/P变异系数为46.46～53.47，可见各土层土壤生态化学计量都存在中等程度变异。

从图3可以看出，各深度土层土壤C/N比均随着海拔高度的升高而升高，在达到一定比值后，又随着海拔高度的升高而降低，经过回归分析，各深度土层土壤C/N比与海拔高度无相关性，p值分别为0.451，0.551，0.927。

各深度土层土壤C/P比均随着海拔高度的升高而缓慢上升，经回归分析，0—20 cm与20—40 cm层土壤C/P比与海拔高度无相关性，p值分别为0.518，0.278；40—60 cm层则存在显著相关性，回归方程为：

Y60=-4×10-6X2-0.0477X+12.898

(R2=0.411，p=0.046<0.05)

(5)

0—20 cm层土壤N/P比随着海拔高度的升高而降低，在降低到一定程度后，又随着海拔高度的升高而提高，回归分析表明，两者无明显相关关系，p值为0.572；20—40 cm与40—60 cm层均随海拔高度的升高而平缓提高，回归分析表明，20—40 cm层土壤N/P比与海拔高度无明显相关关系，p值为0.157；40—60 cm层则存在显著相关性，回归方程为：

Y60=1×10-6X2-0.0002X+3.7555

(R2=0.4519，p=0.036<0.05)

(6)

图3　不同海拔高度下生态化学计量变化

4　讨论与结论

4.1讨 论

(1) 不同深度土层土壤碳、氮、磷含量变化。土壤碳、氮、磷含量及其在空间上的分布对植物生长的影响很大。梵净山地区不同深度土壤呈明显的变化规律：随着土壤深度的增加，土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷以及各生态化学计量均呈降低的趋势，表层土壤各指标含量较深层土壤有数倍之差。土壤有机质、磷素、氮素主要来源于动植物及微生物残体、分泌物及排泄物，梵净山常绿阔叶、落叶阔叶混交林中，凋落物在土层表面聚集，通气状况与水热条件良好，经过微生物的作用分解，为各种元素的输入提供了便利的条件，而深层土壤各元素则多源于根系、根系分泌物及土壤微生物等，对比表层土壤，与外界的交换作用较弱，故土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷等均随着土壤深度的增加而降低。

(2) 海拔高度对碳、氮、磷含量的影响。梵净山自然保护区0—20 cm层土壤有机质含量随海拔高度的增加呈先升高后下降的趋势，在海拔1 450 m达到最大值；40—60 cm层土壤有机质则随海拔高度的增加而提高，此结果与前人的研究基本一致[11]。究其原因，一方面，土壤有机质含量与温度、水分有关，梵净山高海拔区域气温低于低海拔区域，低温阻碍了土壤矿化的作用，为有机质的积累提供了条件，且梵净山高海拔区域云雾缭绕，土壤湿度较大，促进植物凋落物转化为土壤有机质；另一方面，高海拔地区的针叶与竹叶相较于低海拔地区的阔叶，难于分解，更易积累有机质，因此，表层及深层土壤有机质皆随着海拔高度的升高而升高。表层土壤较深层土壤更易受到气候的影响，在气温低于一定范围后，土壤微生物活动受到抑制，腐殖化作用变弱，土壤有机质的积累速度降低，故在海拔高度增加到一定程度后，表层土壤有机质会由上升趋势转变为下降趋势。

全磷与有效磷含量与海拔高度相关性不明显；40—60 cm层土壤全氮含量、0—20 cm层土壤碱解氮含量变化规律与土壤有机质相似，随海拔高度的升高而缓慢上升。土壤各种营养元素受有机质含量的影响较大，土壤全氮、碱解氮含量主要受到有机质分解与植物生长消耗所影响，通常在分解缓慢的情况下，土壤全氮、碱解氮含量较高。梵净山高海拔地区较潮湿，且温度较低，产生了嫌气条件，微生物不易活动，土壤有机质难于分解，从而导致土壤全氮、碱解氮含量随海拔高度的上升而增加。

(3) 海拔高度对土壤碳、氮、磷比的影响。本研究结果表明，梵净山不同深度土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比变化范围分别为11.99～14.47，72.81～236.38，6.24～14.94，高于中国陆地土壤的平均值(中国陆地土壤C/N，C/P，N/P的平均值为12.3，52.7，3.9)[12]。40—60 cm层土壤碳磷比与氮磷比均随海拔高度的上升而缓慢增加。土壤碳氮含量在空间分布上能够保持一致性，两者虽然变化差异较大，但碳氮比受气候和环境影响较小。通过相关性分析表明，梵净山自然保护区土壤有机质与全氮存在极显著的正相关性(r=0.832)，因此土壤碳氮比随海拔高度的升高无明显变化，这与Tian等[12]对全国土壤碳氮磷含量的研究结果大致相同。而土壤碳磷比和氮磷比受区域水热条件和成土作用特征影响较大，由于气候、地貌、植被、母岩、时间、土壤动物等土壤形成因子和人类活动的影响，土壤碳氮磷总量变化很大，使得土壤的空间变异性较大。土壤全磷与全氮、有机质分别存在极显著与显著正相关，但是相关系数较小，分别为0.467，0.297，因此土壤的碳磷比与氮磷比随海拔高度变化差异较大，均随海拔高度的上升而增加。土壤的碳磷比与氮磷比受海拔高度的影响主要是由于水热条件变化而引起。气温随海拔高度的增加而降低，从而影响土壤与生物的形成，两者间的相互作用可对土壤养分的分布产生影响。高海拔地区气温较低，雾多潮湿，致使磷的淋溶作用强烈，不利于磷的积累，相对低海拔地区磷素含量较低，而植物生长茂盛，地表植被丰厚，从而促进土壤碳氮积累，因此，梵净山自然保护区土壤碳磷比与氮磷比随着海拔高度的上升而有所增加。

总而言之，梵净山自然保护区不同海拔高度下土壤理化性质存在明显差异，气候、生物与地形等因素对土壤性状有明显的影响作用。研究结果与贵州其他自然保护区的研究结果基本一致，较于贵州望谟苏铁、黎平太平山自然保护区的研究结果[13-14]，3个地区土壤有机质、氮素含量均随海拔高度的上升而提高，且随土层深度的升高而降低，有着相同的规律。以有机形式或其他稳定形式存在的营养元素含量在不同海拔高度下能以一定的规律变化，而易淋溶的营养元素含量则无明显的规律性。研究海拔与土壤养分的相关性，可了解梵净山土壤养分的垂直分布特性，为调查梵净山珍稀植物生长条件及其生态环境保护提供理论支持，并解释海拔高度对土壤养分的影响，建议在以后的研究中对不同海拔高度下土壤养分含量进行长期定点调查，并与植被类型分布相结合，针对土壤养分变化与植物生长状况，制定适宜的珍稀植物保护方案，维持梵净山生态环境的多样性。

4.2结 论

(1) 梵净山自然保护区不同深度土壤碳、氮、磷含量差异较大，其分布规律：随着土壤深度的增加，土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量以及碳氮比、氮磷比、碳磷比等生态化学计量均呈降低的趋势。

(2) 土壤全磷、有效磷含量均与海拔高度不相关，0—20 cm层土壤中，土壤有机质、碱解氮与海拔高度显著相关，有机质随海拔的增加呈先提高后下降的趋势，在海拔1 450 m达到最大值，碱解氮随海拔的增加而增加；20—40 cm层土壤各项指标与海拔高度不相关；40—60 cm层土壤中，有机质、全氮含量与海拔高度显著相关，均随海拔的增加而增加。

(3) 0—20，20—40 cm层土壤各生态化学计量指标均与海拔高度无明显相关关系，40—60 cm层土壤碳磷比、氮磷比与海拔高度显著相关，均随海拔的增加而增加。

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The Distribution Characteristics of Soil Carbon, Nitrogen and Phosphorus at Different Altitudes in Fanjingshan Mountain

LI Xiangying1, ZHANG Weiyong2, LIU Feng2, ZHANG Zhenming3, HE Tengbing1, LIN Changhu1,4

(1.GuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 2.BureauofGuizhouFanjingshanNationalNatureReserve,Tongren,Guizhou554400,China; 3.InstituteofBiology,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang550009，China; 4.GuizhouMedicalUniversity,Guiyang550025,China)

Soil physicochemical properties of different depth of Fanjingshan Mountain at different altitudes were investigated to explore the relationship between altitudes and soil physicochemical properties. The contents of soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, total phosphorus and available phosphorus were determined. The results showed that with the increase of depth of soil samples in different altitudes, the contents of soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and the ecological stoichiometry decreased. At the different altitudes, there was a significant correlation between elevation and the contents of soil organic matter and available nitrogen in the depth of 0—20 cm due to the factors such as climate, biological and terrain. With the increase of elevation, the contents of soil organic matter increased, then decreased. The highest value appeared at the altitude of 1 450 m. The available nitrogen increased with the increase of elevation. All indicators of the soil in the depth of 20—40 cm had no obvious correlation with elevation. The contents of soil organic matter and total nitrogen, soil C/P and N/P had a significant correlation with the elevation, they increased with the altitude rising in the soil depth of 40—60 cm.

altitude; Fanjingshan Mountain; carbon; nitrogen; phosphor; distribution

2015-06-04

2015-06-15

梵净山科研专项;贵州省省院合作项目(黔科合院地合20130072);贵州省科技厅社发攻关资助项目(黔科合SY字[2013]3157号);贵州省社发攻关课题(黔科合SY字[2013]3152)

李相楹(1990—),男,贵州遵义人,硕士研究生,研究方向为土壤化学与环境。E-mail:lixiangyinglxy@163.com

林昌虎(1961—),男,贵州盘县人,研究员,主要从事土壤学与环境科学研究。E-mail:linchanghu79@sina.com

S714.5

A

1005-3409(2016)03-0019-06