亚热带山地草甸土壤速效养分分布特征研究——以江西武功山为例

李 志，袁颖丹，张学玲，牛德奎,，张文元，胡冬南，郭晓敏*

(1.河南农业大学林学院，河南 郑州 450003；2. 江西农业大学林学院，江西 南昌 330045; 3. 南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；4. 江西省森林培育重点实验室，江西 南昌 330045；5. 江西特色林木资源培育与利用2011协同创新中心，江西 南昌 330045)

亚热带山地草甸土壤速效养分分布特征研究
——以江西武功山为例

李 志1,2,4,5，袁颖丹3,4,5，张学玲2,4,5，牛德奎2,4,5,，
张文元2,4,5，胡冬南2,4,5，郭晓敏2,4,5*

(1.河南农业大学林学院，河南 郑州 450003；2. 江西农业大学林学院，江西 南昌 330045; 3. 南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；4. 江西省森林培育重点实验室，江西 南昌 330045；5. 江西特色林木资源培育与利用2011协同创新中心，江西 南昌 330045)

【目的】以武功山不同海拔和干扰程度的山地草甸土壤为研究对象，为退化山地草甸恢复治理提供理论参考和科学依据。【方法】基于土壤养分系统研究法(ASI法)测定各处理区域土壤速效养分含量，运用SPSS21.0及SigmaPlot12.5进行多元统计及绘图，分析土壤pH、 有机质、速效氮、速效钾的分布特征。【结果】土壤pH值呈强酸性，均值为4.56，有机质含量丰富，平均含量为3.11 %；土壤速效氮(AN)含量中等，平均含量为38.96 mg/L；速效磷(AP)平均含量为5.01 mg/L；速效钾(AK)平均含量为46.79 mg/L。不同海拔高度的上层土壤OM及AN、AP、AK含量高于下层；土壤OM含量有极显著差异(P<0.01)，不同海拔之间上层土壤AN具有显著差异(P<0.05)，土壤AN含量随海拔变化呈现“W”型波动状分布，AK的含量依旧随海拔升高呈现先增高然后减低的趋势，不同海拔含量具有极显著差异(P<0.05)。SD区域内土壤pH值与其他区域内具有极显著差异(P<0.01)，SD区域上层土壤OM含量与SLD区域具有显著差异(P<0.05)，不同干扰程度上、下层土壤AN含量无显著差异(P>0.05)，在CK和MD区域，不同土层深度的AN含量差异显著(P<0.05)。SD区域内上层土壤的AP含量与其他区域差异显著(P<0.05)，不同干扰程度上、下层AK含量均无显著差异(P>0.05)，在CK及SLD不同土层深度土壤AK含量有显著差异(P<0.05)。海拔高度与土壤pH值呈极显著正相关(P<0.01)，与OM、AP呈极显著负相关(P<0.05)。退化程度与pH、AK呈极显著负相关(P<0.01)。【结论】海拔和人为干扰是影响武功山草甸土壤速效养分含量变化的重要原因。不同区域草甸土壤pH值呈弱变异，OM、AN、AP、AK等含量呈中度变异。武功山土壤速效性养分含量丰富，可运用生物和工程措施相结合的方法，及时对植被退化区域进行修复，以防止区域环境的进一步破坏。

土壤有机质；速效性养分；海拔；干扰；土层

【研究意义】植物生长需要从土壤中汲取养分，在土壤中速效氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)则是植物生长必须的基本元素[1]；植被生长过程中分布及发育状况，也会受到海拔因素的影响，而海拔高度对土壤中各种养分的含量也具有明显的影响[2-3]。草地是重要的陆地生态系统，在地球陆地表层的植被系统中分布范围最广[4-5]。近些年来，因为人为和自然因素的影响，草地退化十分严重，目前，我国的天然草地90 %以上处于不同程度的退化之中[6]。【前人研究进展】江西省武功山是中国南方地区最大的连续型亚热带山地草甸分布区，近年来随着旅游事业的迅猛发展和人类活动的加剧，使脆弱的山地草甸受到严重的干扰，造成了一定程度的生态退化[7-10]。【本研究切入点】本文以武功山不同海拔和干扰程度的山地草甸土壤为研究对象，分析了土壤速效养分的含量，【拟解决的关键问题】阐述了区域速效养分分布规律，探究了形成当前速效养分格局的原因。研究结果可以为退化山地草甸恢复治理提供理论参考和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

江西武功山位于罗霄山脉北段，为赣江水系和湘江水系的分水岭，位于江西安福、宜春和萍乡交界处(114°10′～114°17′ E，27°25′～27°35′ N)，呈东北-西南走向，绵延120 km，总面积970 km2，其中，武功山国家森林公园总面积约260 km2，年平均气温14～16 ℃，夏季最高温度为23 ℃，年均日照时间在1580～1700 h，年均降雨量为1350～1570 mm，年平均蒸发量1360～1700 mm，年平均湿度70-80%；武功山岩石主要由花岗岩、片麻岩构成；主峰白鹤峰(金顶)海拔1918.3 m。土壤是山地草甸土，由于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[11]。武功山所处地理位置和其南北走向的山脉分布，在我国华东植被区划中具有重要地位，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，在江西境内，除武功山外，其它山体(庐山、井冈山等)均不具典型的山地草甸植被类型。在天然草地上，主要有禾本科的刺芒野古草(Arundinellasetosa)、芒(Miscanthussinensis)、茅根(Perotisindica)等，还有少量蓼科(Polygonaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、唇形科(Labiatae)和十字花科(Cruciferae)植物[12-13]。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 2013年10月下旬于武功山上进行试验样地设置与样品采集。在武功山金顶风景区海拔1600～1900 m的草甸分布范围，每隔50 m为一个梯度，共设置7个海拔梯度，每个梯度选取坡向一致、植物生长一致的植被区域，设置3个10 m×10 m的重复样地，作为对比不同海拔间土壤特征的试验样地。

在高海拔草甸区域(1900 m)，因为是游人最为集中区，出现大面积的因游人干扰而形成的裸地。本研究参照国家质量监督检验检疫总局2004年颁布的《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》国家标准(GB 19377-2003)[14]和孙小弟等对退化草地分级标准的研究现状[15]，针对武功山金顶游人汇集区域不同的踩踏、干扰程度，依据植被总盖度不同，设置无干扰 (CK，植被总盖度100 %)、轻度干扰(SLD， Slight disturbance， 60 %<植被覆盖度<90 %)、中度干扰(MD， Medium disturbance， 30 %<植被覆盖度<60 %)、重度干扰(SD， Severe disturbance， 植被总盖度<30 %)4种处理，在每种处理草甸区设置3个10 m×10 m的重复样地，作为研究不同干扰程度速效养分特征的试验样地。

1.2.2 样品采集与测定方法 每个10 m×10 m的样方内采用沿对角线5点采样，每个采样点的土壤包括两层，即上层(0×20 cm)和下层(20～40 cm)，混合均匀后，用四分法取出约500 g土壤装袋，带回实验室自然风干，拣去动植物残体和石块，用木棍粉碎，全部过2 mm筛孔制作待测样品。土壤pH、有机质(OM)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)等指标采用土壤养分系统研究法(ASI法)测定[16]。

1.2.3 数据处理 应用Microsoft Office 2013和SPSS21.0进行数据统计分析，用SigmaPlot12.5进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 武功山山地草甸土壤养分总体特征

土壤学中常常根据土壤的pH值，将土壤的酸碱性分为若干级[17]，由表1可知，根据土壤酸度理论，武功山草甸土壤pH值总体呈强酸性，变幅为4.05～5.02，平均值为4.56。 结合第二次全国土壤普查的土壤养分含量分级指标，武功山草甸土壤有机质(OM)含量较丰富，达到二级水平，变幅为1.18 %～5.69 %，平均含量为3.11 %。依据金继运、白由路、杨俐平等人基于ASI法对土壤速效养分的分级[16]，武功山山地草甸土壤速效氮(AN)含量中等，变幅为16.2～88.5 mg/L，平均含量为38.96 mg/L；速效磷(AP)含量较低，变幅为0.1～16.2 mg/L，平均含量为5.01 mg/L；速效钾(AK)含量较低，变幅为18.7～104.1 mg/L，平均含量为46.79 mg/L。说明该区域养分含量不均衡，存在有效性磷、钾偏低的现象。变异系数(Coefficient of variation ,c.v.)的大小反映了特性参数的空间变异程度，一般认为，c.v.小于或等于10 %为弱变异性，大于10 %且不超过100 %为中等变异性，如果大于100 %为强变异性[18]。研究区土壤养分整体无不强烈变异，其中AP最大，为67.65 %，其次是AN、OM和AK，均呈中度变异，而pH的c.v.最小，呈弱变异。

2.2 不同海拔高度山地草甸土壤养分分布

土壤的pH是土壤质量的重要指标，由图1可知，不同海拔之间土壤pH值差异不显著(P>0.05)。从分布情况来看，各土层pH值均在1750 m时达到最大；不同土层深度间的pH值在1600 m的低海拔区域差异显著(P<0.05)，在其他海拔区域差异不显著(P>0.05)。不同海拔高度的上层土壤OM及AN、AP、AK含量高于下层。土壤OM含量是评价土壤肥力的一项重要指标，不同海拔土壤OM含量有极显著差异(P<0.01)；分布情况为1600～1750 m，随海拔升高土壤OM含量呈增加趋势，而在1750～1900 m的范围内，土壤OM含量差异趋于平缓；各海拔梯度不同土层深度的OM含量差异均不显著(P>0.05)。

土壤中的AN、AP、AK含量能较好的反映出能够被植物直接吸收的养分元素供应状况。从图1可知，不同海拔之间上层土壤AN具有显著差异(P<0.05)，下层土壤总体差异不显著(P>0.05)；土壤AN含量随海拔变化呈现“W”型波动状分布，在海拔1600 m处含量较高，从1650～1800 m逐渐增加，在1850 m含量较低，在1900 m含量又增加；在1700、1750、1800、1900 m海拔处不同土层深度土壤AN含量有显著差异(P<0.05)，其他海拔高度不同土层深度土壤AN含量差异不显著(P<0.05)。不同海拔高度上层土壤AP的含量差异不显著(P>0.05)，而下层土壤AP含量则差异显著(P<0.05)，主要的差异出现在1650和1800 m，从图中可以看出，随海拔变化，分布趋势和AN相似；不同土层之间的AP含量在1800 m处具有显著差异(P<0.05)。AK的含量依旧随海拔升高呈现先增高然后减低的趋势，不同海拔含量具有极显著差异(P<0.05)；在1750 m及1850 m处不同土层土壤AK含量无显著差异(P>0.05)，其他海拔处均有显著差异(P<0.05)。

表1 武功山草甸土壤pH、有机质及有效性养分概况

大写字母代表不同海拔同一土层深度土壤养分含量差异；小写字母代表同一海拔高度不同土层深度间土壤养分含量差异性The capital letters represent different soil nutrient contents in the same soil layer of difference elevations; and lowercase letters represent different soil nutrient content in the different soil layers with same elevations图1 不同海拔及不同土层山地草甸土壤有机质含量分布Fig.1 Variation of different elevations of mountain meadow soil nutrients

2.3 不同干扰程度对山地草甸土壤养分含量的影响

武功山因为是国家AAAA级景区，山地草甸面积广阔，景观优美，素有“云中草原”之称，每年吸引大量游客来此欣赏美景，但是因为一些游客不规范或不文明的行为方式，及景区不完善的管理措施和基础建设等原因，致使游人对山地草甸这一脆弱的生态系统造成了严重的影响，最为明显的便是游客踩踏造成的地表植被的退化，出现大片不规则裸露地或斑驳地。针对武功山金顶游人汇集区域内不同的踩踏、干扰程度，分析对山地草甸土壤有效性养分含量的影响情况。

如图2所示，SD区域内土壤pH值与其他区域内具有极显著差异(P<0.01)，随着干扰程度的加重，土壤酸性逐步增强，上、下层土壤pH值由小到大顺序均为SD0.05)。SD区域上层土壤OM含量与SLD区域具有显著差异(P<0.05)，顺序为SLD0.05)，顺序为SD0.05)，有小到大顺序均为SLD0.05)，上、下层土壤AP含量有小到大顺序均为SLD0.05)，上层顺序为SLD

大写字母代表不同干扰程度同一土层深度土壤养分含量差异性，小写字母代表同一干扰程度不同土层深度土壤养分含量差异性The capital letters represent different soil nutrient contents in the same soil layer of difference disturbance levels; and lowercase letters represent different soil nutrient content in the different soil layers with same disturbance levels图2 不同干扰程度不同土层草甸土壤的pH、OM及速效养分的影响Fig.2 Effect of different degree of interference of pH， OM and meadow soil available nutrients

2.4 山地草甸土壤养分含量相关性分析

表2表明：海拔高度与土壤pH值呈极显著正相关(P<0.01)，与OM、AP呈极显著负相关(P<0.05)。退化程度与pH、AK呈极显著负相关(P<0.01)。土层因素与土壤OM、AN、AP、AK均呈极显著负相关(P<0.01)。土壤OM分别与pH、AK呈显著(P<0.05)、极显著负相关(P<0.01)。土壤pH则还与AP呈现极显著负相关(P<0.01。土壤AN、AP、AK三者之间彼此呈显著正相关(P<0.05)。

表2 土壤养分指标之间相关性分析

注：*表示差异达到显著水平(P<0.05)，**表示差异为极显著水平(P<0.01)。

Note：*Correlation is significant at theP<0.05 level (2-tailed)；**Correlation is significant at theP<0.05 level (2-tailed).

3 讨 论

众多研究表明，海拔高度、外界干扰等对土壤养分含量具有明显影响，从而影响土壤养分含量的多少及垂直分布[19-23]。王恩武和宋文静[3]对云南省施甸县1500 m以下、1500～1800 m、1800 m以上3个海拔区域内烟区土壤养分含量进行分析，结果表明随海拔高度的增加，土壤AN和AP含量呈下降趋势，AK含量则是随海拔变化呈倒“U”型分布，这与本研究结果在部分海拔范围内的土壤养分分布情况相同，存在差异的原因可能是一方面两个研究区域地表植被优势物种不同，进而对土壤特性的影响不同，另一方面设置的海拔梯度数量不同，本研究详细研究了7个海拔梯度的土让养分含量；德科加等[24]通过对青海省三江源区4056～4028 m的6个海拔梯度上的不同海拔高度草甸土壤速效养分含量进行分析发现AN、AP、AK随海拔高度的增加呈“W”型变化趋势，这与本研究的结论相近，说明山地草甸土壤养分含量一般随海拔高度呈波动状分布。赵建昌[25]在贺兰山中段2000 m海拔高度的草原上，按照距离旅游线路的远近划分不同干扰程度(距离近，干扰大，距离远，干扰轻)，并对不同干扰程度草甸土壤养分状况进行研究，发现土壤pH、 OM及AN、AP的含量均是在轻度干扰程度低于CK区域，而中度干扰区域又高于轻度干扰区，但是重度干扰区域的养分含量又略低于中度区域，AK的含量则随干扰强度的增强而增加。本研究的结果总体上土壤速效养分含量状况是轻度干扰区域比CK区域减少，随着干扰程度的增强而增加，从数据分布的趋势来看，赵建昌的研究结果和本研究的差异主要出现在重度干扰区的养分含量相对于中度干扰区域的差异，产生原因可能是试验区域受干扰的范围差异造成的，因为在武功山草甸区人们野外宿营或者进行户外集体活动等是在相对平缓的坡面区域进行，造成干扰区域是呈一定范围面状分布，而不是沿旅游路线向两侧的等距离分布，沿山体的游步道因为是石阶修筑，行走比较方便，而两侧地形因为有一定的坡度，所以干扰也较少出现在游步道两侧，另外，在干扰越严重的区域虽然地被植物的减少，但是游人在此驻足时间较多，带来的外界物质也较多，这些物质可能是受干扰区土壤养分的补偿来源， 从作者现场的观测情况看，干扰程度越强的区域，土壤里面的根系分布反而越是粗壮，这也说明了干扰增强而速效养分含量增加这一特殊的现象。但是，该区域的土壤养分含量并不是无限的增加，在重度干扰的区域下，如果持续进行长期的或者更加强烈的干扰活动，势必会造成水土流失的加剧，进而出现的不仅是土壤养分流失，更可能出现草地沙化等情况。海拔及干扰因素除了对草甸土壤速效养分分布情况产生影响外，对山地草甸的初级生产力[26, 27]及土壤微生物群落结构[28]等都会有不同的作用，我们将在更大尺度上，结合更加全面的指标体系对山地草甸生态特征进行研究。武功山地区作为中国南方地区规模较大的连续型亚热带山地草甸分布区域，如何能够在满足人们旅游、观赏及区域内居民生活需要的同时，实现草甸生态环境的良性循环，达到可持续发展的状态则是接下来要解决的关键问题。

4 结 论

在武功山草甸分布区，土壤呈酸性或强酸性，不同区域的土壤pH值呈弱变异，OM、AN、AP、AK等呈中度变异，其中AP含量的变异系数较大。海拔是影响土壤速效养分指标的重要因素，特别对OM、AN、AP的影响更为显著，土壤养分含量总体上随海拔升高呈“W”型波动分布。人为干扰程度下对山地草甸速效养分含量有影响，对土壤pH、AK的影响更加显著，在轻度干扰区域内各养分指标数值比CK区域明显减小，干扰初期破坏了植被生长的正常环境，因而使土壤养分含量减低，随着干扰程度的加重，游人带来的外界物质增多，因此增加了土壤养分含量。土壤有机质含量与pH值呈显著相关，土壤AN、AP、AK含量间呈正相关关系。

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DistributionCharacteristicsofSoilAvailableNutrientsinSubtropicalMountainousMeadow:A Case Study of Wugong Mountain in Jiangxi Province

LI Zhi1,2,4,5,YUAN Ying-dan3,4,5,ZHANG Xue-ling2,4,5,NIU De-kui2,4,5,ZHANG Wen-yuan2,4,5,HU Dong-nan2,4,5,GUO Xiao-min2,4,5*

(1.College of Forestry, Henan Agricultural University, Henan Zhengzhou 450003, China；2.College of Forestry, Jiangxi Agricultural University, Jiangxi Nanchang 330045, China；3.College of Forestry, Nanjing Forestry University，Jiangsu Nanjing 210037,China; 4.Key laboratory of Tree Breeding and Cultivation of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330045, China；5.Collaborative Innovation Center of Jiangxi Typical Trees Cultivation and Utilization，Jiangxi Nanchang 330045, China)

【Objective】The alpine meadow soil of different elevations and human disturbance levels in Wugong Mountain was taken as the object of study, it will provide theoretical reference and scientific basis for restoration and management of degraded mountain meadow. 【Method】Based on the soil nutrient system (ASI) method, the contents of soil available nutrients in different treatment areas were determined, the distribution characteristics of soil pH, organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium were analyzed. Multivariate statistical analysis and mapping were conducted by using SPSS 21.0 and SigmaPlot 12.5. 【Result】The results showed that: (i) The pH value of soil was strongly acidic, the mean was 4.56, the soil organic matter content was rich, the mean was 3.11 %, the soil available nitrogen content was medium, the mean was 38.96 mg/L, the means of available phosphorus was 5.01mg/L and available potassium was 46.79mg/L. (ii) The contents of soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium in the upper soil were higher than those in the lower layers at different elevations. The soil organic matter content was extremely significantly different (P<0.01), the content of available nitrogen showed a "W" distribution pattern with the changed of elevations, and was significant difference (P<0.05), along with the increase of elevations, the content of the available potassium showed a gradual increase and then decrease trend, there were significant differences at different elevations(P<0.05). (iii) The soil pH values in the SD region were significantly different from those in other areas (P<0.01). The soil organic matter content in SD region was significantly different from that in SLD region (P<0.05). There was no significant difference in soil available nitrogen content between different human disturbance levels (P>0.05). In the CK and MD regions, the available nitrogen content in different soil depths was significantly different (P<0.05). The content of available phosphorus in the upper soil of SD region was significantly different from that in other areas (P<0.05). There was significant difference in available potassium content between CK and SLD (P<0.05), and no significant difference between the upper and lower soil layers (P>0.05). The elevations and soil pH were correlated with extremely significantly positively (P<0.01), and negatively correlated with organic matter and available phosphorus (P<0.05), the human disturbance levels were extremely significantly negatively correlated with pH and available potassium (P<0.01). 【Conclusion】The elevations and human disturbance are the important factors that affect the change of available nutrients in meadow soil of Wugong Mountain. The soil pH value had little variation in different areas of meadow, but organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium content showed medium variation. The soil available nutrients were rich, the combination of biological and engineering measures can be used to repair vegetation human disturbance areas in a timely manner so as to prevent further destruction of the regional environment.

Soil organic matter; Nutrient availability; Elevation; Disturbance; Soil layer

1001-4829(2017)10-2308-07

10.16213/j.cnki.scjas.2017.10.025

2016-02-20

国家自然科学基金项目(31360177、31560150)；国际植物营养研究所项目(IPNI-JX29)；江西省科技计划项目(20144BBF60002)；江西省研究生创新专项资助项目(YC2013-B029、YC2015-S189)

李 志(1987-)，男，河南方城人，博士研究生，主要从事生态修复、水土保持研究，E-mail：lizhi876@163.com，*为通讯作者，E-mail:gxmjxau@163.com。

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(责任编辑 李 洁)