武夷山不同海拔土壤性状研究进展

祁雪连，钱 琦，钱学诗，唐罗忠

(1.南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037； 2.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037)

武夷山位于福建省西北部(27°33′—27°54′N、117°27′—117°51′E)，是国家级自然保护区。属中亚热带季风湿润气候区，年均气温18.3 ℃，年均相对湿度83.5%，年均雾日100 d以上，年均降水量2000 mm左右。武夷山拥有世界上同纬度带现存面积最大、保存最完整的中亚热带森林生态系统。境内物种丰富，植被垂直带谱分布完整，从低海拔到高海拔依次为常绿阔叶林、针阔混交林、针叶林、亚高山矮林以及高山草甸等植物群落[1-2]。基于武夷山地理位置的特殊性，气候和生态系统的代表性，至今已有许多学者针对该地区的生物多样性、土壤理化性质和生物性状等进行研究，取得了一定进展。本文系统地阐述了国内外关于武夷山不同海拔土壤性质的研究成果，以期为进一步研究武夷山生态系统的演化规律及其与环境的互作关系提供参考。

1 土壤物理性状

1.1 土壤机械组成

土壤机械组成决定着土壤质地，影响土壤的理化性质与肥力状况[3]，是土壤分类的重要依据之一。武夷山土壤总体属于壤土，由于母岩和成土环境有所不同，土壤质地存在一定差异，但基本上是随海拔的升高，从中壤土向轻壤土、砂壤土过渡[4]。黄群山等[5]在对武夷山6个代表性土壤剖面进行研究后发现，在土壤表层(A层)物理性粘粒的质量分数占10%～31%，土壤粘粒含量随海拔升高而逐渐减少，并于山体下部出现明显的粘粒下移现象。这主要是随着海拔的升高，温度下降，降雨量增加，湿度增大，导致化学风化作用减弱，土壤质地变粗[6]。从土壤的颗粒组成看，随海拔的升高，粘粒含量减少，各层粉粘比增大[7]。

1.2 土壤颜色

土壤颜色是比较直观和重要的土壤形态特征之一，它既能反映土壤物质的组成和变化，又是成土过程的结果和外在表现，因生物作用、水热条件、地形条件等因素而不同。许慧琼[4]研究发现土壤中的化学物质会随海拔的变化而变化，一般而言，随着海拔的降低，土壤中暗色的有机质和褐铁矿减少，红色而高亮的赤铁矿增加，使得表土层亮度和彩度随海拔的下降而增大。罗榕婷等[8]通过对武夷山不同海拔土壤剖面B层颜色的对比发现，随着海拔的升高，土壤的彩度由浓变淡，亮度由白转黑。土壤颜色的深浅一般与腐殖质含量呈正相关，黑色一般是肥力高的标志。因此，从土壤颜色可以发现武夷山土壤腐殖质的累积随海拔的增高而增加，同时发现黄壤具有较强的黄化现象[9-10]。武夷山的土壤从低海拔到高海拔总体呈红壤、黄红壤、黄壤和山地草甸土的趋势[11]。

1.3 土壤有效层厚度

武夷山土壤层次分化较为明显，一般可划分为腐殖质层 (A)、淀积层 (B)及母质层 (C)，A层与B层之间普遍存在过渡层(AB层)[4]。基于土壤肥力主要集中在A层，因此多数研究选择A层作为研究对象。研究发现土层厚度基本上是随海拔升高而减小[7]。这主要是因为低海拔地区温湿度适宜、凋落物较多、土壤动物和微生物活动频繁，促进了母质分化和土壤的形成，改善了土壤质地，增加了土壤肥力，使土层厚度增大。

2 土壤化学性状

2.1 土壤有机质

土壤有机质是衡量土壤肥力高低的重要指标，也是决定土壤物理性质、化学性质和生物性质的重要基础。研究发现武夷山土壤有机质含量基本上是随海拔升高而增加[7，12]。这主要是因为随着海拔的升高，温度降低，湿度增大，土壤团聚体比例增加，土壤微生物活性减弱，有机质分解速率减慢，更多的有机质得以积累。但罗榕婷等[8]也发现，有些高海拔地带的土壤有机质含量会明显低于低海拔地带，这可能与局部的小地形条件有关，也可能受树木砍伐、植被破坏等人为干扰因子的影响，导致高海拔地带土壤有机质含量降低。

在同一剖面，表层土壤有机质含量往往明显高于下层土壤，且随海拔升高，土壤剖面有机质含量自表层向下减少幅度逐渐减小，其原因主要是随着海拔的升高，植被由木本转变为草本。木本植被的凋落物主要是大量的枯枝落叶，多集中于土壤表层，土壤下层中的根系凋落物相对较少，所以容易造成土壤有机质由表层向下层急剧减少；而草本植被凋落物主要来源于死亡的根系，地上部分枯落物相对较少，再则高海拔的土壤有效层较浅，所以土壤有机质含量由表层向下层减少幅度较小[7，13]。

2.2 土壤交换性盐基含量

土壤交换性盐基含量基本代表了土壤潜在的养分数量，可以作为评价土壤保肥能力的指标。卢超[7]研究发现武夷山土壤交换性盐基含量基本上在6.97～35.41 cmol·kg-1范围内，且整体上是随海拔升高而逐渐增大。交换性盐基中以Ca2+为主，K+、Mg2+居中，Na+含量最低。在相同海拔高度，土壤交换性盐基总量是随土壤深度的增加而下降。总体而言，由于风化程度较高，脱硅富铝化作用较强，武夷山土壤的盐基饱和度普遍较低，呈现为明显的盐基不饱和状态[3，9]。

2.3 土壤pH值

武夷山土壤pH值因其母岩的化学性质、植被类型和小气候等条件不同而存在一定差异[14]，大量研究结果表明武夷山土壤呈酸性，如黄群山等[5]研究发现土壤pH值在4.2～4.5范围内，田珊娜[3]的研究认为pH值在4.5～6.0范围内。在同一土壤剖面，上层土壤pH值要低于下层土壤[7]。而在不同海拔高度，武夷山土壤pH值则无明显的变化规律[15]。这可能与成土母质、土地利用方式、种植制度、土壤有机质含量等多种自然与人为因素的综合影响有关。但是，因为武夷山黄壤具有较高含量的交换性铝离子，且土壤有机质含量少，对酸的缓冲能力弱，所以其pH值普遍小于山地草甸土[8]。

3 土壤生物性状

3.1 微生物性状

3.1.1 微生物群落特征 土壤微生物是生态系统物质循环的重要组成部分，与土壤肥力密切相关。土壤微生物群落结构及其多样性不仅能反映土壤环境质量，还对保持土壤生态系统稳定性有着重要影响[16-18]。运用BIOLOG微平板技术研究发现土壤微生物的主要碳源是碳水化合物和羧酸类碳源，且天然林的土壤微生物代谢功能多样性明显高于人工林；运用末端限制性片段长度多态性法(T-RFLP)和磷脂脂肪酸标记法 (PLFA)研究武夷山常绿阔叶林、针叶林、亚高山矮林、高山草甸这4种不同海拔典型植被带中土壤微生物群落结构特征时发现土壤微生物群落多样性受植被类型的影响，常绿阔叶林的土壤微生物群落多样性明显高于其它植被类型[19-21]。土壤微生物群落多样性会随着海拔的上升以及土层的加深而降低。金裕华[22]研究发现，随着海拔的升高，土壤微生物各类群数量分布显著改变，即细菌所占比例逐渐升高，真菌比例逐渐降低，而且具有明显的季节性特征，即总菌数、细菌数、放线菌数和真菌PLFAs数呈现夏季>秋季>春季>冬季的变化趋势[23]。且土壤微生物群落多样性在低海拔地区易受温度的影响；升温会影响低海拔地区土壤中总PLFAs、细菌、真菌和放线菌的丰度[24]。

3.1.2 微生物碳氮含量 武夷山生态系统中的土壤微生物碳氮量均具有明显的季节特征。陈涵贞等[25]研究发现，常绿阔叶林土壤微生物碳含量在夏季显著大于其它季节，土壤微生物氮含量也有类似现象[26]，这主要是由于武夷山夏季温度高、雨水充沛，为微生物的活动与繁殖提供了适宜的条件。

土壤微生物碳氮含量与海拔高度具有明显的相关性。王丰[27]在研究常绿阔叶林、针叶林、亚高山矮林、高山草甸这4种群落土壤微生物碳时发现，其含量是随海拔的上升而增加，并随土壤深度的增加而减小。土壤微生物碳含量与海拔的相关性主要是受土壤湿度、总有机碳含量、全氮、全磷含量的影响，随着海拔的升高，土壤湿度、总有机碳含量、土壤全氮、全磷含量增加，有利于微生物的活动，促进了土壤微生物碳含量的提高[28-29]；而土壤微生物碳含量与土层深度的相关性主要是受到土壤温度和有机质含量的影响，随着土层的加深，温度和有机质含量下降，氧气含量降低，微生物活动受到限制。

王国兵等[30]研究表明土壤微生物氮含量的变化规律与微生物碳含量变化规律一致，即随着海拔的上升而增加，随着土壤深度的增加而减小。范跃新等[31]佐证了温度与湿度的变化是导致不同海拔土壤微生物氮含量发生变化的主要原因。

3.2 土壤氮矿化

土壤氮矿化是指土壤中的有机氮转化为无机氮(主要包括硝态氮和铵态氮)的过程，其受温度、湿度、土壤凋落物组成等因子的影响[32-33]。徐宪根等[34]研究发现，在5～35 ℃范围内土壤氮矿化量和氮矿化速率会随温度的升高而显著增加；土壤氮矿化的Q10值在15～25 ℃时达到最大，表明土壤氮矿化对温度的敏感性在15～25 ℃时最高。不同海拔植被群落的土壤氮矿化速率存在差异，其中亚高山矮林的土壤氮矿化速率最高，其平均值是常绿阔叶林的1.31倍，高山草甸的1.40倍，针叶林的2.93倍，所以土壤氮矿化速率呈现为亚高山矮林>常绿阔叶林>高山草甸>针叶林的趋势。

不同海拔的土壤铵态氮含量与硝态氮含量变化趋势并不一致，徐宪根[35]发现土壤铵态氮含量呈现为高山草甸>亚高山矮林>常绿阔叶林>针叶林的趋势；而硝态氮含量呈现为常绿阔叶林>亚高山矮林>高山草甸>针叶林的趋势。这主要与不同海拔植被的土壤性质以及环境条件有关。在相同海拔和相同植被条件下，土壤硝态氮和铵态氮含量均随土壤深度的增加而减小。李巍等[36]研究发现，武夷山雨季时的土壤氮矿化速率大于旱季，表明降雨是影响该地区土壤氮矿化速率的重要因素。

3.3 土壤酶活性

土壤酶活性是评价土壤肥力的重要指标之一[37]，与海拔、植被类型、土壤温湿度、有机质、微生物等密切相关[38-40]。金裕华等[41]在研究武夷山土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶4种酶活性的季节变化和海拔梯度变化时发现，酸性磷酸酶在秋季的活性显著高于其它季节，而其余3种酶的活性无明显的季节差异；同时发现随着海拔的升高土壤酶活性总体呈上升趋势。解心洁等[42]在研究不同海拔土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和蛋白酶的活性差异时也发现，土壤酶活性总体上随海拔的升高而增强。在相同海拔高度，土壤酶活性具有明显的土壤层次差异性，即土层越深酶活性越低[22]。分析认为，土壤酶活性的海拔变化规律和土壤层次间的差异主要与土壤有机质含量有关[22，41-42]。

杨式雄等[43-44]在研究武夷山常绿阔叶林、针阔混交林、杉木纯林等9种林型的土壤酶活性差异时发现，林型不同，土壤酶活性不同。在各种林型中，除了过氧化物酶活性的季节性变化不明显外，蛋白酶、脲酶、酸性磷酸酶等其它7种土壤酶活性具有比较明显的季节动态变化，呈现夏季最高，秋季次之，冬季最低的特征。此外，除了多酚氧化酶外，其它土壤酶活性均随着土壤剖面深度的增加而下降。

3.4 动物性状

土壤动物是陆地生态系统物质循环中的主要分解者之一，是联络陆地生态系统地上与地下部分物质和能量的重要枢纽，影响土壤的理化性质和肥力，受土壤温湿度、凋落物的种类和数量等多种因素影响[45-46]。研究结果[47]表明，武夷山土壤动物群落中蜱螨目、弹尾目、鞘翅目、膜翅目这4种类群在数量上占优势，且随着海拔的上升，土壤动物的总类群数、总密度和群落多样性指数明显下降，其原因可能是随着海拔的上升，气温降低、植被多样性和土壤有机质多样性降低，导致高海拔地带土壤动物数量和多样性降低[48]。

武夷山多数植被类型的土壤动物群落具有明显的“表聚现象”，但是高山草甸土中的弹尾目、膜翅目、双翅目 (幼虫)、等足目等动物类群则较多聚集在10～25 cm的土层中[49]，这可能与其海拔高、表层土壤的温度、光照强度、水分含量等因子的变化幅度较大有关。

4 研究展望

迄今已有许多学者针对武夷山不同海拔高度的典型植被特征和土壤主要性状(包括物理、化学、生物性状)进行深入研究，取得了丰硕成果，但是，基于地质与地形、植被类型、环境因子的时空变化以及人为扰动的影响，至今有许多问题尚不清楚。今后，可对以下方面进行研究。

1)武夷山不同海拔植被、土壤生化性质的差异性及其对气候变化的响应过程和响应机制研究，探明亚热带典型植被及土壤性质随海拔变化的机理，构建因果关系的量化模型，寻找基本驱动因子，为预测未来的变化趋势、预防生态退化提供理论和技术参数。

2)深入、系统地研究人为扰动因子对武夷山不同海拔典型植被及土壤性质的影响程度与影响机制，重点研究用材林、经济林等人工林营造对土壤和生物的影响程度和影响范围，为武夷山生态系统的评价与管理提供重要理论参考。

3)强化国家级和省部级研究平台的建设与管理，开展长期的定位观测与研究；构建网络信息平台，促进成果共享与信息交流；加强与其它气候带、其它区域植被和土壤的横向比较，探寻武夷山植被与土壤的特异性及其成因。