元阳梯田景区森林土壤养分的分布特征

李晓华，田原润，何永美，郭先华,，苏友波，胡怡悦，张建育

(1.云南农业大学,云南 昆明 650201；2.中国科学院 南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008)

森林生态系统是地球生态系统中最重要的陆地生态系统之一，能够为人类的生产和生活提供各种产品和服务。森林生态系统具有涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、森林防护、保护生物多样性和森林游憩等多种服务功能[1]。土壤资源是人类生产和生活的最基本、最广泛和最重要的天然资源，是生态系统的重要组成部分[2]。森林土壤是森林植被生长所需的物质基础，森林土壤养分是植物生长的重要因子，是评价土地的重要指标[3]。土壤养分的组成及其空间分布特征对土壤生产力的提高和生态恢复的途径和方向具有深远影响[4]。土壤在时间和空间上具有空间异质性，特别是表层土壤，其养分含量具有高度空间异质性[2]。因此，研究森林土壤养分空间分布特征对认识森林植物群落结构及生态系统能量流动两方面都意义深远[5-6]。

元阳为世界遗产红河哈尼梯田文化景观的核心区。水被称为元阳梯田景观的灵魂，而森林生态系统为元阳梯田的重要水源。元阳县是一个森林资源丰富的地区，森林土壤养分是森林生态系统的重要成分，对森林的长期生存起着重要作用。许圆圆等[7-8]对元阳梯田景区不同森林群落土壤氮、磷元素及其循环进行了研究，但是关于元阳梯田景区森林土壤养分的含量以及空间分布特征的研究尚未见报道。而森林群落是元阳梯田主要的植物群落之一，也是元阳梯田的重要森林资源，森林位于山顶，为哈尼梯田储蓄大量的水资源，是其重要的水源林。本研究根据第二次土壤普查养分分级标准将云南省元阳县新街镇坝达、小水井两个区域的森林土壤养分划分等级，土壤养分分级是以极高、高、中、低、缺、极缺表示土壤养分丰缺程度，用以评价坝达、小水井两区的土壤养分质量。同时对研究区各养分的空间变异性进行了研究，为森林生态系统合理管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 长期试验地概况

元阳县位于云南省南部，哀牢山脉南段，红河南岸[9]，本研究以元阳县新街镇坝达、小水井2个区域为研究区，位于23°06′20″-23°07′30″N， 102°43′30″-102°46′31″E，海拔1 840-2 060m。林区年均气温16.4℃，相对湿度85%，年平均日照时数1 770.2h，年平均降雨量为1 397.6mm，属于亚热带季风气候。土壤以红壤分布最广，研究区内物种繁多，每个生物群落均有乔灌层。每个生物群落的总盖度均超90%，林区内人为破坏小，森林保护完好[8]。54个典型土壤样地的基本情况见表1-表2。

表1 坝达土壤样地基本情况

注：旱冬瓜AIulsnepalensisD．Don；杉木Cunninghamialanceolata(Lamb．) Hook．；五眼果Choerospondiasaxillaris(Roxb.)Bt.et Hill.；茶树Camelliasinensis；云南松PinusyunnanensisFranch.。

表2 小水井土壤样地基本情况

注：桤木AlnuscremastogyneBurk.；红油果树StranvaesiadavidianaDcne.。

1.2 供试土壤

根据元阳梯田自身特点，在坝达和小水井分别按照不同海拔进行布点，每个海拔选取1个标准样地，每个样地的面积是20m×20m，在各样方里采集土壤。每个研究区均选取9个海拔，共18个样地。每个标准样地依照S形随机选取5个点采集土壤合成1份混合土壤，采样面积为15cm×15cm、深度为0-10cm，密封保存带回实验室。每个处理取3个重复的混合土样，共计54份混合土壤。采集过程中保证上下均匀，除去动植物残留体、枯枝落叶、砾石等，且每个点采样土壤原始质量大于1kg。每个样地均记录其经纬度、海拔和植被类型。采回的土壤一部分经过自然风干，拣去植物根系和石块等处理后研磨过筛，用于测定土壤养分含量，一部分冰箱保存备用。

图1 土壤样点分布图

1.3 分析项目与方法

包括pH、有机碳、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾，测定方法参照《土壤农化分析》[9]。

1.4 统计分析

数据处理与统计分析采用Excel、Origin 9.0和SPSS 19.0统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下的土壤基本理化性质

坝达、小水井两地区不同植被类型下土壤的基本化学性质见表3-表4。

表3 坝达土壤基本理化性质

注：不同小写字母表示不同植被类型同一土层在0.05水平上的显著差异，下同。

表4 小水井土壤基本理化性质

2.1.1 不同植被类型土壤pH值

对坝达、小水井两个研究区不同植被类型土壤pH值的结果分析，坝达区域内几种植被类型的土壤pH值在4.61-5.21之间，呈酸性土壤，其中，云南松的土壤pH值最高，总体而言，针叶林的土壤pH值高于阔叶林的土壤pH值。小水井区域几种植被类型的土壤pH值在4.48-5.15之间，亦呈酸性，且土壤pH值大小顺序为桤木>草地>杉木>茶树>云南松>旱冬瓜>红油果树，总体上针叶林的土壤pH值高于阔叶林的土壤pH值。

2.1.2 不同植被类型土壤总有机碳

土壤有机碳是评价土壤质量的主要依据，有机碳不仅能增强土壤的保肥和供肥能力，提高土壤养分的有效性，而且可促进团粒结构的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通气性，增强土壤的缓冲性等[10]。

对坝达不同植被类型下土壤总有机碳含量的分析结果见图2。

图2 坝达和小水井不同植被类型的土壤总有机碳

不同植被类型间表层土壤总有机碳的含量各不相同。其中，旱冬瓜土壤总有机碳的含量最高，达53.24g/kg；杉木的含量最低，仅为36.79g/kg。

对小水井不同植被类型下土壤总有机碳含量的分析结果显示，不同植被类型间表层土壤中，红油果树下土壤总有机碳的含量最高，达66.44g/kg；其次为旱冬瓜、云南松，而桤木、茶树、草地下土壤的总有机碳含量较低，表现出阔叶林含量高，这与土壤表层不同植被凋落物的性质有关。

两个研究区相比，坝达林场的土壤总有机碳的含量较高，平均为45.56g/kg，这与坝达人为破坏程度较小，有利于有机质积累有关；而小水井人为破坏程度较大，人工植被恢复的时间相对较短，进入土壤当中的有机残体的数量相对较少。

2.1.3 不同植被类型土壤氮素

土壤全氮是衡量土壤氮素供应状况的重要指标。森林土壤全氮量的消长与土壤有机碳含量变化相似，主要决定于各地有机碳积累与分解作用的相对强度。碱解氮也被称为土壤水解性氮，是评价土壤有效氮量的重要指标[11]。

坝达不同植被类型的土壤全氮和碱解氮含量见图3。

图3 坝达不同植被类型的土壤全氮和碱解氮

坝达不同植被类型下0-10cm土层全氮量的变化规律为茶树>旱冬瓜>五眼果>草地>杉木>云南松。而坝达不同植被类型土壤碱解氮含量占全氮含量的2.69%-8.45%。

小水井不同植被类型的土壤全氮和碱解氮含量见图4。

图4 小水井不同植被类型的土壤全氮含量和碱解氮含量

小水井不同植被类型下表层土壤全氮量的大小顺序为红油果树>旱冬瓜>桤木>云南松>茶树>草地>杉木。结果分析可知，该地区碱解氮含量占总氮含量的4.09%-4.57%，且其变化规律与全氮量的变化规律基本一致。

2.1.4 不同植被类型土壤磷素

磷是植物生长必需的营养元素，它以多种途径参与土壤系统的代谢过程，是评价土壤质量的重要指标[12]。磷作为植物生长所必需的营养元素之一，越来越受到人们的关注[13]。研究土壤中磷素组分的转化特征，对于提高植物对磷素的有效性具有现实意义。其中，土壤速效磷是土壤磷素现实供应的指标。

研究结果表明(图5)，坝达研究区不同林分林下土壤全磷含量在0.44-0.77g/kg之间；小水井研究区不同林分林下土壤全磷含量在0.71-1.43g/kg之间。

图5 坝达和小水井不同植被类型的土壤全磷

研究区速效磷含量见图6。根据Chapman的分级标准[14]对该地区土壤速效磷进行分级评价，土壤速效磷含量在2.35-6.20mg/kg之间，供应等级为中级。对小水井土壤速效磷含量的研究表明，不同植被类型之间土壤速效磷含量各不相同，桤木林下速效磷含量最高，杉木林下速效磷含量最低，前者是后者的1.6倍。

图6 坝达和小水井不同植被类型的土壤速效磷

2.1.5 不同植被类型土壤钾素

钾是植物营养的元素之一[15]，对于森林生态系统生产力和营养维持具有十分重要的意义[16]。钾元素主要以矿物态的形式存在于土壤中，土壤中钾元素含量及其有效性对于植物的生理活动、植物间的竞争、根系分泌物的碳转换和林木健康具有重要意义[16]。

土壤中钾的存在形态可分为无效态钾、缓效态钾以及速效钾。土壤速效钾包括土壤溶液中的钾和吸附在土壤胶体表面的代换性钾，两者均容易被植物吸收利用，因此常用土壤速效钾来评价土壤钾素养分供应的水平[14]。

图7 坝达和小水井不同植被类型的土壤全钾含量

对土壤全钾的统计分析表明，坝达不同林型土壤全钾含量最高的是云南松，为15.98g/kg，最低的是茶树，为6.64g/kg；小水井不同林型土壤全钾含量最高的是草地，为21.06g/kg，最低的是红油果树，为5.06g/kg。

图8 坝达和小水井不同植被类型的土壤速效钾

对坝达土壤速效钾含量的测定结果分析可知，不同植被类型间的土壤速效钾含量存在很大差异。坝达土壤速效钾含量的测定结果表明：不同植被类型土壤表层五眼果树、云南松和草地的土壤速效钾含量分别为76.86mg/kg、73.49mg/kg、71.38mg/kg，高于其他植被类型。两个研究区相比，坝达的土壤速效钾含量较高，这可能是由于该研究区植被覆盖度大，有机残体分解时可以产生更多的钾。

2.2 土壤养分空间变异性

对研究区域内18个样点的养分数据进行常规计算统计分析，结果见表5。

表5 土壤养分含量统计

根据全国第二次土壤普查的土壤养分分级标准，坝达和小水井两个研究区的土壤有机碳均达到一级标准，即养分处于极高水平，这与两个研究区域均为保护完好，人为破坏程度小的森林有关。坝达和小水井的土壤全氮均为一级标准，碱解氮也均为一级水平，养分处于极高状态。这是由于土壤中的氮素是由成土过程中微生物的作用积累的，大部分呈有机态，因而氮素含量高低与有机碳的含量高低密切相关[17]。土壤中全磷含量高时并不意味着磷素供应水平高[18]。本研究中全磷的养分水平在研究区域符合三级标准，即养分中等；速效磷的养分水平在研究区域符合五级水平，处于缺乏水平，这表明研究地区土壤普遍缺磷，土壤严重供磷不足。研究结果表明，全钾在坝达属于四级水平，在小水井为五级水平，养分处于缺乏水平；速效钾在全区与全钾水平相同，即养分缺乏。总体而言，坝达和小水井两个研究区养分处于中等偏低状态，有机碳和氮素养分水平相对较高，处于极高水平；而磷素和钾素养分则处于缺乏状态，这可能是由于研究区域受人为影响小，土壤没有进行人工施肥。

变异系数为标准差与均值的比值，是评价指标值变异程度的统计量。变异系数能够反映土壤的内在性质，体现土壤养分对外部环境的灵敏度。一般认为，变异系数<10%时为弱变异性；变异系数介于10%-100%为中等强度变异性；变异系数>100%为强变异性[19]。从表5中可以看出，研究区土壤养分指标的变异系数在15%-60%之间，7个养分指标变异系数都属于中等强度变异性。不考虑空间位置，从养分指标的随机分布来看，7个养分指标的空间分布总体为散点状，水平方向差异较大。究其原因可能是由于地表植被覆盖度、土壤裸露度、土壤水土流失状况不尽相同，导致研究区的土壤养分变异程度较大。例如坝达部分采样点分布在水库附近的生态林带，土质疏松，地表径流多，植被覆盖率不如原始或者次生林，导致该部分地区的土壤养分含量低且易于流失。成土母质、土壤类型、气候条件、土壤颗粒、植被类型、降雨都是造成土壤养分变异的重要原因。坝达统计指标中变异性最小的是土壤的有机碳和全磷，变异系数分别为15.82%和20.89%，小水井统计指标中变异性最小的是土壤的有机碳和全氮，变异系数分别为23.46%和26.50%，综合分析认为，研究地区土壤有机碳和全氮指标属中、低度变异程度，低敏感度指标。

3 结论与讨论

3.1 不同林分下土壤的养分含量

由于土壤表层养分浓度较高，当前大多报道集中在表层土壤养分的研究，文波龙等[20]对于元阳梯田景区土壤的养分垂直分布规律进行了研究；许圆圆等[10-11]对元阳梯田景区不同森林群落土壤氮、磷元素及其循环进行了研究，而对于元阳梯田景区森林土壤的养分特征还未有完整的研究。所以本文不但研究了有机碳、氮素和磷素，同时也研究了钾素的分布，并从研究区内不同林型土壤养分含量和整个研究区土壤养分的空间变异性两个方面做出了探讨。

蒋文伟等的相关研究表明，森林植被类型对土壤养分具有一定的影响作用[21]。不同的植被类型，其根系深度、对土壤养分的吸收强度和深度都存在差异，因而不同植被类型的土壤养分特征也存在差异[22]。本研究对坝达、小水井不同植被类型下土壤养分的差异进行比较分析，结果表明：植被类型对于森林土壤养分的分布具有显著影响。张继平等[22]的研究也证明，在同一土壤剖面内，不同森林植物群落的养分含量差异显著。总体来讲，土壤有机碳和氮素含量整体表现为阔叶林>针叶林，这与杨丽霞[23]有关森林土壤有机碳库组分定量化研究中的结果相一致。

3.2 土壤养分的空间变异性

森林土壤养分分布受多种环境因素的综合作用，因而土壤养分含量在空间分布上具有明显差异性。本研究中，坝达和小水井森林土壤养分均属于中等变异性，其中全钾的变异程度最大，而氮素和磷素的速效养分变异程度大于全量。

梯田景区森林土壤各养分均表现出高度的空间异质性。研究区土壤总氮含量和碱解氮含量都很高，表明研究区氮素含量十分丰富。这是由于研究区内植被完好保护，受人为影响小，因而枯枝落叶累积量大。长期的腐殖化作用使得大量的腐殖质富集，有机碳含量丰富，从而有利于氮素的累积。

研究区森林土壤磷素含量较小，但其空间变异程度大。这是由于土壤全磷含量受气候因子影响很大，在热带、亚热带地区气候高温多雨加快了土壤分化速度与磷元素的淋溶[24-25]。速效磷含量也较低，这主要由于研究区内地形崎岖，地面坡度较陡，雨水对地表切割作用大，导致地表破碎严重，水土流失极易发生，且流失速度快、流失量大而流失面积广，加快了速效磷的流失。

研究区森林土壤含钾量也较低，全钾和速效钾均属缺乏水平，土壤全钾、速效钾的变异性和其它养分一样都是受成土母质、气候因素、土壤类型、地形因子等因素的综合作用。研究区全钾与速效钾空间变异存在差异，说明二者形成的主导因素不同，土壤中的新鲜植物残体、根系、微生物中均含有一定量的钾，但这些并不能形成稳定的含钾有机物。一旦有机体死亡，其所含的钾就会被水淋洗或浸提出进入土壤，是土壤速效钾的组成部分和补充液态钾以及交换性钾的重要来源[26-28]。