武功山山地草甸土壤养分的初步分析

孙 佩, 袁知洋, 邓邦良, 孙志国, 郭晓敏

(1.湖北大学 资源环境学院,湖北 武汉 430000; 2.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034;3.江西农业大学 园林与艺术学院,江西 南昌 330045; 4.江西农业大学 江西省森林培育重点实验室,江西 南昌 330045;5.湖北科技学院 资源与环境科学工程学院,湖北 咸宁 437100)

武功山山地草甸土壤养分的初步分析

孙 佩1, 袁知洋2*, 邓邦良3,4, 孙志国5, 郭晓敏3,4

(1.湖北大学 资源环境学院,湖北 武汉 430000; 2.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034;3.江西农业大学 园林与艺术学院,江西 南昌 330045; 4.江西农业大学 江西省森林培育重点实验室,江西 南昌 330045;5.湖北科技学院 资源与环境科学工程学院,湖北 咸宁 437100)

以江西省萍乡市武功山核心景区的金顶—吊马桩一带的区块状山地草甸为研究对象,在对武功山金顶景区草甸土壤上(0～20 cm)、下(20～40 cm)两层土壤进行采样并运用ASI土壤养分状况系统分析法测定,采用常规统计分析得出结论:试验区草甸土壤总体偏酸性,土壤大体属于2类有机质土壤,在含量变幅上除了有机质、速效钾、有效镁、有效硼、有效硫的含量较为稳定,其他养分元素均出现较大变幅,两层土壤养分的变异除pH值外,均出现中度或者重度变异,以中度变异为主,其中硝态氮、有效磷和有效钙在两层土壤均出现了重度变异,说明土壤中的主要养分含量大都发生了局部不稳定状况,两层土壤养分指标中发生养分偏斜的多于未偏斜的;基于ASI土壤养分分析系统的分级状况，发现只有草甸土壤中的速效氮(铵态氮和硝态氮之和)、有效铁、有效硫在土壤的上下两层均表现为较为丰富的状况，以及有效锌在上层草甸土的含量较为丰富，草甸土壤中的其他土壤养分元素含量总体处于偏低水平，且过半养分含量处于严重缺乏的水平。

武功山草甸;土壤养分;含量;统计

土壤是地球固体表面的疏松表层,是陆生植物生长的基础物质[1],起着支撑和提供养分的作用,是植物生态系统中物质循环和能量交换的重要场所。大部分的植物根系与土壤之间的接触面较大,借助根系,物质交换在土壤和植物之间时刻发生着,且在坡地草甸的根系可以起到固土保肥的作用[2],因而一方面土壤养分是植物的一个重要的生态因子,植物本身就是土壤养分的赋存体,因此通过调控土壤养分就可影响植物的发育和生长,土壤及时满足植物对水、肥、气、热要求的能力,称为土壤肥力[3-4]。肥沃的土壤同时能满足植物对水、肥、气、热的要求,是植物正常生长发育的基础,而土壤养分是土壤肥力最为重要的指标之一,尤其对于草甸地区的草本植物来说,因其发达的根系和大面积的成片分布,其生态系统需要土壤肥力的极大支撑。另一方面,江西萍乡武功山的金顶草甸景区是游客活动聚集地,该地区集中了大量的旅馆和宿营基地,导致草甸植被的毁坏和土壤的直接出露[5-6],加之武功山地区的降水丰沛,属于亚热带季风区,年降水量700～1 200 mm,因此使表层(0～20 cm)和深层(20～40 cm)草甸土壤均发生养分的淋失[7]。2014年7月—2015年5月,对武功山核心景区的草甸土壤在扰动背景下的15种有效养分指标进行了统计分析,为弄清武功山山地草甸土壤养分状况,合理开展草甸生态系统保育工作,提供科技支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 武功山草甸概况

武功山山体垂直海拔较高且山势陡峻,导致气候、土壤、植被的垂直地带性分异明显。尤其是在约1 500～1 900 m海拔范围的东南侧山体,普遍发育大面积的山地草甸更使之成为难得的植被垂直地带性的天然景观,由于在江西境内,除武夷山外,其它山体如庐山、井冈山等均不具典型的山地草甸植被类型,因此其形成了华南地区独特的草甸景观,草甸下发育着平均深度为40 cm的草甸黑土,由于草甸枯枝落叶丰富以及积水、低温等因素,有机物腐烂分解缓慢,土层浅薄,色泽幽黑,干后成块。在天然草地上,裸子植物、蕨类植物和被子植物共有44科、90属、108种,草甸维管束植物区系比较丰富[8]。44种科属维管束植物区系分布其中,在此种科级分布区里,属于世界范围分布的约有12种之多,约占27%。芒类(Miscanthus sinensis)作为主要群落,其分布面积较大,是整个植物群落的优势种;其次是野古草(Arundinella anomala),为亚优势种,伴生茅根(Perotis indica)等;还有少量蓼科(Polygonaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、唇形科(Labiatae)和十字花科(Cruciferae)植物[9]

1.2 试验样地概况

试验样地位于武功山主峰金顶(N27°27′19″,E114°10′24″,1 918.3 m)—吊马桩(N27°27′59″,E114°10′31″,1 598 m)景区处的成片区山地草甸,如图1卫星图所示。该地区草甸景观面积较为广阔,美学价值较高,是武功山山地草甸的旅游核心区,是游客上山旅游活动的首要目的地,且金顶区域有成片的旅馆和餐饮设施,因此此片区的草甸成为受到旅游活动等干扰最为剧烈的地区,草甸土壤养分可能因受到不同程度的干扰而发生变异。

图1 武功山金顶采样区卫星图Fig.1 Satellite imagery of sampling area in Jinding of Wugong Mountain

1.3 样品采集方法

在武功山金顶草甸试验区的采样设计:选取武功山山地草甸土壤上(0～20 cm)、下(20～40 cm)两层为研究对象,在地图上初步划定试验区的大面积的草甸片区,在该片区内按顺序选取了117个草甸土壤采样点,如图2。每个采样点间距控制为30 m左右,进行网格状取样,在每个采样网格的中间点和四周距离为3 m的四个点分别取样,每个点取上(0～20 cm)、下(20～40 cm)两层土壤,分别将五个点的上、下两层土壤分层混合均匀,取适量进行标记、装袋,并及时带回实验室,预先进行晾干、筛选、研磨等处理,继而应用ASI土壤养分状况系统分析法进行化学分析,测出每个土样的15个养分指标,代表该网格区的草甸土壤养分状况。

图2 武功山金顶采样点示意图Fig.2 Map of sampling area in Jinding of Wugong Mountain

1.4 样品测定与数据分析方法

1.4.1 土壤样品理化指标的具体的实验方法

本研究中的土壤样品的养分测定主要基于ASI土壤养分状况系统研究法[10-12],具体操作流程如下。

(1) 土壤pH的测定:电位法测定。

(2) 土壤有机质的测定:碱溶有机质(ASI-OM)采用0.2 mol/L NaOH-0.01 mol/L EDTA-2%甲醇浸提剂浸提,及分光光度计420 nm光波和腐植酸做标准曲线测定。

(3) 土壤无机养分的测定:采用ASI联合浸提液中的较为精确的Mehlich3浸提法[11]和原子吸收光度法测定被浸提土壤中各养分元素的有效含量。

1.4.2 数据处理与统计方法

(1) 应用Excel2003和SPSS17.0统计软件对土壤养分数据进行描述性统计分析,图片后期利用PS制图软件(Photoshop CS3)进行分辨率处理,图表和文本均采用Microsoft Excel 2003完成。

(2) 变异程度是为了直观地表示土壤养分在试验区分布的离散程度,用CV值表示变异系数。按照反映117个样点的土壤养分含量值离散程度的变异系数大小,将土壤变异性分级:①土壤养分变异系数CV数值<10%,为弱变异性;②土壤养分变异系数CV在10%～100%之间,为中度变异性;③土壤养分变异系数CV>100%,属于重度变异性。

①

(3) 偏斜程度即土壤养分分布的偏移量,以P值表示。

②

当土壤养分分布服从正态分布时,中值等于平均值,P=0,若以P值5%为分界线,>5%为偏斜,<5%为不偏斜。

2 结果与分析

2.1 基于ASI的武功山土壤养分的传统统计学特征分析

2.1.1 武功山山地草甸土壤养分含量的统计特征分析

在分析土壤养分的空间变异之前,需要对所有采样点的土壤养分数据值进行传统统计特征分析,这是武功山山地土壤养分的空间异质性分析的前提和基础。文中对117个采样点的上、下层土壤样本进行土壤特性和养分测定,并对测定数据进行描述性统计学分析。数据表中的统计项目包括最大值、最小值、平均值、中值、标准差、方差、偏斜度、变异系数等。分析结果见表1-表2。

表1 武功山金顶片区山地草甸土壤养分描述性统计分析及正态分布检验(上层土壤0～20 cm)Table 1 Criteria and concentration of soil nutrients in meadow grassland in Wugong Mountain(The upper soil 0～20 cm)

注:有机质(OM)的单位为%,活性酸(AA)的单位为cmol/L,其他养分的单位均为mg/L,下表2同。

表2 武功山金顶片区山地草甸土壤养分描述性统计分析及正态分布检验(下层土壤20～40 cm)Table 2 Descriptive statistical analysis and normal distribution test of soil nutrients in meadow in Wugong Mountain(The subsoil 20～40 cm)

表3 中国土壤养分分级标准Table 3 Classification criterion of soil nutrient in China

从表1-表3可以得出:

(1) 土壤养分含量的变化范围:上层土壤中pH值的变化范围在4.15～5.87,平均值为4.72,下层土壤中pH值的变化范围在4.13～5.58,平均值为4.69,表明该草甸区土壤整体呈酸性;有机质的含量是判断土壤肥力的重要一环,上层土壤中其最大值和最小值分别为9.56%和0.94%,均值为3.57%,下层土壤中的最大值和最小值分别为9.97%和0.96%,均值为2.95。按照中国第二次土壤养分的分级标准(表3),在有机质方面,武功山实验区金顶草甸上层土壤在第5类—第1类有机质土均有分布,大体上达到了2级有机质土的标准,下层土壤为第5类—第1类有机质土均有分布,大体上达到了3级有机质土的标准,有机质从变化范围来看,上下层均变化较大,最大值均出现了是最小值10倍左右的变幅。上层草甸土壤中铵态氮和硝态氮的最大含量和最小含量变幅分别约为相差近28倍和300倍,下层变幅约为13倍和400倍,说明硝态氮相对于铵态氮其在草甸试验区的分布更加不稳定。有效磷在草甸土壤的上层和下层的极大值和极小值的变化幅度为近60倍和80倍。速效钾在上下层草甸土壤的这一变化幅度分别为6.5倍和10倍左右,说明钾素这一主要养分元素在武功山山地草甸土壤中其总体分布稳定性要强于氮素和磷素。有效铁在草甸土壤的上下层的这一变幅差距不大,均为13倍和9倍左右。有效锰的变化幅度较大,上下层分别达到了240倍和100倍左右。有效锌的变幅在上下层分别达到20和60倍。有效铜则在下层草甸的变幅较大,达到130倍左右,上层仅仅16倍,说明铜在草甸土壤下层的总体分布更为不稳定。有效钙在上层的变幅达到70倍,下层稍小达到30倍左右。值得注意的是有效镁、有效硼以及有效硫三种养分元素在草甸上下层土壤中的变幅均未超过10倍,是总体养分分布较为稳定的三种养分元素,和有机质一样属于稳定分布土壤养分的元素。

根据表1、表2、表4中的草甸土壤养分指标的统计变异系数CV表明,武功山主景区草甸土壤养分含量变化程度较大,不同土壤养分的变异情况各不相同,上层(0～20 cm)和下层(20～40 cm)草甸土壤养分变异系数情况也有差异,上层草甸土壤养分的变异系数在5.51%～120.35%之间,三种变异性状况都存在,其中仅仅只有pH值一个指标变异系数属于弱变异性,其测试值显示变异最低,变异系数仅为5.51%。重度变异性的养分指标分别为硝态氮120.35%、有效磷100.75%、有效钙110.49%,其余指标均为中度变异。

表4 两层草甸土壤养分变异强度情况Table 4 Soil nutrients variation of intensity of two layers meadow soil

下层(20～40 cm)草甸土壤养分变异状况如表4所述:土壤的变异系数在5.33%～158.16%,发生弱变异的土壤养分和上层土壤中相同,为pH。发生重度变异的养分指标为硝态氮157.45%、有效磷158.16%、有效锰111.68%、有效铜128.71%、有效钙102.11%,其余的养分指标均为中度变异。

通过表1可以看出,主景区金顶草甸区的上层(0～20 cm)土壤养分偏斜量统计状况:不发生偏斜的土壤养分有5种,分别为pH、速效钾、有效铁、有效锌、有效硼,其他10种的养分均发生偏斜,发生偏斜最小的土壤养分为有效硫6.54%,最大的为硝态氮53.1%;通过表2可以得出,主景区金顶草甸的下层土壤养分的偏斜量统计状况:不发生偏斜的土壤养分有7种,分别为pH、活性酸、速效钾、有效铁、有效镁、有效硼、有效硫,其他8种养分则发生偏斜,发生偏斜最小的养分是铵态氮7.26%,偏斜最大的和上层一样是硝态氮,为64.82%。

2.1.2 基于ASI土壤养分分析系统的土壤养分分级状况

在ASI土壤养分分析系统研究中,养分含量是根据其阳离子的交换量来区分等级的,分为低、中、高、极高四个等级,分别代表养分在土壤中的限制性临界值、中等含量、丰富含量和极其丰富的含量。土壤中各养分的ASI分级指标见表5。

表5 土壤养分状况系统研究法(ASI)土壤养分分级指标(mg/L)Table 5 The classification of soil nutrients by ASI(mg/L)

根据土壤养分状况系统分析研究的要求,对土壤的评价有如下标准:

(1) 若土壤养分含量低于养分临界值,即表明该土壤养分已成为植物生长的限制因子,需要及时补充施加,否则将影响植物正常生长。

(2) 若土壤养分含量处于中等数值范围,表明该养分对植物生长有一定程度的影响,一般情况下建议适当施肥,减小其对植物不利的影响。

(3) 土壤养分含量处于第三等级的丰富度时,可以不予施加养分补充,但其有大量的生物量产出被人类转移利用时,可以酌情补充。

(4) 若该土壤养分含量达到极高丰富度时,则表示该土壤养分含量足以完全对植物的需求予以供给,不需要任何养分的施加。

表6 草甸土壤养分含量分级情况(上层)Table 6 Meadow soil nutrient content classification(the upper soil)

表7 草甸土壤养分含量分级情况(下层)Table 7 Meadow soil nutrient content classification(the subsoil)

结合表5-表7可以看出:

(1) 在主要养分元素氮磷钾方面,武功山金顶试验区草甸土壤上层速效氮含量处于较好水平,超过半数样点其速效氮含量处于中等和高等水平,能满足作物的生长需求,下层有效氮素的含量明显减少,处于速效氮临界值以下(low)的土壤样点反而超过了半数;有效磷方面,上、下两层草甸土壤中的速效磷处于临界值以下的低含量的样点分别为65.8%和75.21%,说明该试验区草甸土壤缺磷状况比较普遍;速效钾方面,上、下层草甸土壤中低含量的样点占样点数分别为68.4%和94.87%,缺钾的状态比缺磷更严重;说明此地区的土壤氮磷钾的含量总体处于低值,也初步解释了武功山草甸禾本科植物发育较好的自然选择,即使草甸中的各种禾本科植物有较好的抗贫瘠能力,但是长期如此低的含量,会使土壤供应养分不足,使退化草甸生态恢复的难度加大。

(2) 中量元素方面,在试验区土壤所有代表样点中,有效钙、有效镁的整体含量都处于临界值以下,有效钙、有效镁的含量在上层草甸土壤低等养分含量的样点数量占了92.3%和100%,下层草甸土壤分别占了97.44%和100%,有效钙、有效镁都处于极度缺乏的状态。在上层和下层草甸土壤中大部分样点有效硫含量集中在中级和高级水平,上层土壤的有效硫的中、高等级水平的比例分别为47.9%和45.3%，下层为58.12%和23.93%，甚至上层草甸土都没有出现低等水平有效硫的样点。。

(3) 微量元素方面,有效铁在上层和下层草甸土壤中其含量整体上处于高等含量状态,高等含量的样点在上、下层中分别占98.3%和99.15%。该地区土壤的铁含量丰富,对需铁量大的植物来说,十分适宜其生长。有效锰在上层和下层草甸土壤样点中,大部分样点含量均处于低含量和中等含量的区间,一致表现为缺锰。值得注意的是,有效锌在上、下层草甸土壤中的含量状况有巨大差别,上层草甸土壤中的有效锌含量大部分集中在中等和高等水平区间,占总体样点数的77.4%,而下层土壤中有效锌含量在这两个区间仅仅达到17.95%,大部分样点其有效锌含量集中在低含量位置,达到82.05%,说明有效锌在武功山草甸土中出现了上下层分异的状态,在后续的对有效锌的养分管理上应予以注意,上层草甸土壤的剥离有可能造成土壤有效锌含量的急速降低。有效铜所测样点上、下层土壤的含量大部分都集中在低等和中等含量区间,在这区间的比例都超过了90%,低含量样点的数目稍多于中等含量的样点,说明该试验区土壤缺铜较为严重。有效硼上、下层草甸土壤含量等级基本集中在低等和中等水平区间,分别为99.1%和98.3%,但是有所差异的是,上层草甸土壤中有效硼的低等水平占据多数,达到78.6%,下层为29.06%,含量状况稍好于上层,说明硼元素有沉积效应,或者草甸植物对硼元素的吸收集中在浅层土壤,总体来说草甸土壤严重缺硼。

3 结论与讨论

3.1 结论

试验区草甸土壤总体上偏酸性,大体属于2类有机质土壤,在含量变幅上除了有机质、速效钾、有效镁、有效硼、有效硫的含量较为稳定,其他养分元素均出现较大变幅,两层土壤养分的变异上除了pH均出现中度或者重度变异,其余以中度变异为主,其中硝态氮、有效磷和有效钙在两层土壤均出现了重度变异,说明土壤中的主要养分含量大都发生了局部不稳定状况,两层土壤养分指标中发生养分偏斜的多于未偏斜的;基于ASI土壤养分分析系统的分级状况,试验样地草甸土壤中的大部分土壤养分元素含量总体处于偏低水平,除了草甸土壤中的速效氮(铵态氮和硝态氮之和)、有效铁、有效硫在土壤的垂直深度上均表现为较为丰富的状况,有效锌在上层草甸土的含量较为丰富,相比下层的状况较为理想,其他养分元素均表现为不同程度的缺乏状态,且所测养分项目中过半指标处于严重缺乏的状态。在退化草甸区进行植草恢复时,适当施肥,能提高有机质的含量,保护草甸的土壤微生物环境[13],能提高退化样地的土壤水分和团聚体的含量,减少水土流失造成的草甸土壤严重贫瘠化等[14],且能够较为高效地恢复草甸植被[15-16]。

3.2 讨论

在已退化区的草甸进行植草修复时,本文的很多结论和分析可以作为参考,对于金顶区域这类养分变异较大的草甸土壤,在进行修复时,应进行适当的调整,依地形状况进行草皮移植和肥料施用。

综上所述,武功山的山地草甸土壤养分管理工作还处于起步阶段,后续的研究工作需要更加细致化。如对山地草甸的养分进行精准化、常态化管理;进行植被修复等工作时,需要长期动态监测和分析土壤养分空间变异状况。建议将土壤微生物环境和土壤碳的研究作为后续工作的重点。

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(责任编辑：陈姣霞)

Preliminary Analysis of Wugong Mountain Meadow Soil Nutrients

SUN Pei1, YUAN Zhiyang2, DENG Bangliang3,4, SUN Zhiguo5, GUO Xiaomin3,4

(1.HubeiUniversity,FacultyofResourcesandEnvironmentalScience,Wuhan,Hubei430000;2.HubeiInstituteofGeosciences,Wuahan,Hubei430034;3.JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang,CollegeofLandscapeArchitectureandArt,Jiangxi330045;4.JiangxiAgriculturalUniversity,JiangxiProvincialKeyLaboratoryofForestCultivation,Nanchang,Jiangxi330045;5.HubeiUniversityofScienceandTechnology,SchoolofResourcesEnvironmentalScienceandEngineering,Xianning,Hubei437100)

The authors study on the meadow soil from Jinding to Diaomazhuang of Wugong Mountain core scenic spot in Pingxiang City,Jiangxi Province,takes upper soil(0～20 cm) and subsoil(20～40 cm) of Wugong Mountain Jinding meadow as sample and measures them using ASI. Through conventional statistical analysis and the conclusions are as follows:the experimental zone meadow soil,on the whole,is partial acid,generally belong to Class 2 of organic soil,in content amplitude except organic matter,available potassium,effective magnesium,effective boron,effective sulfur content are relatively stable,other nutrient elements have a large amplitude. Two layers of soil nutrients variation on besides the pH in moderate or severe variation,which is given priority to with moderate variation,including nitrate nitrogen,the calcium in two layers soil effective phosphorus and effective appeared severe variation,showing that the main nutrient content in soil mostly exist unstable situation,the nutrient deviation in two layers soil nutrient index of slightly more than not skewed;based on ASI soil nutrient analysis system of hierarchical situation,most soil nutrient element content of meadow test sample in general are at low levels,expect available nitrogen,(sum of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen),effective iron,effective sulfur in the vertical depth of meadow soil are characterized by relatively rich conditions,effective zinc content is relatively rich in the upper meadow soil,compared to the ideal condition of lower level,other nutrient elements are in different levels of lacking,and more than half of them are in a state of severe shortage.

Wugong Mountain meadow; soil nutrients; content; statistics

2017-02-09;改回日期:2017-02-24

国家科技支撑计划项目(2012BAC11B06);国家自然科学基金项目(31360177);国家自然科学基金项目(31560150)。

孙佩(1990-),女,硕士研究生,农业信息化专业,从事农业遥感信息提取和农情遥感监测。E-mail:yzyjxau@163.com

通信作者:袁知洋(1988-),男,工程师,农学专业,从事土壤生态、养分及植被恢复研究。E-mail:yzyjxau@163.com

S158.3

A

1671-1211(2017)03-0288-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.011

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1452.024.html 数字出版日期:2017-05-16 14:52