樊綱惟，項文化，雷丕峰，3，鄒麗梅

土壤是時空連續(xù)的變異體，受自然因素（母質(zhì)、氣候、生物、地形與時間）以及人為因素（土地利用、施肥等）的共同作用，具有高度的空間異質(zhì)性，不論在大尺度還是在小尺度上，土壤的空間異質(zhì)性普遍存在[1]。土壤的空間異質(zhì)性影響植物群落的組成、植被的分布和生物量格局[2]。在土壤養(yǎng)分循環(huán)中，磷（P）作為植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一，參與組成植物體內(nèi)許多重要化合物，是植物體生長代謝過程不可缺少的元素[3]。土壤中P的含量受到母質(zhì)、氣候、生物[4]和土壤中的地球化學(xué)過程[5]等一系列因素的影響，而土壤P含量的變化也影響著包括碳、氮循環(huán)在內(nèi)的其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)[6]。在許多熱帶濕潤森林和海岸系統(tǒng)中，微生物的生長和活動受到P的限制，從而使磷素成為整個系統(tǒng)的限制因子[7]。因此，對土壤磷素的空間分布及其控制因素的研究顯得十分重要。土壤全P含量的分布格局及其主導(dǎo)影響因素也隨著研究尺度的不同而存在差異。一些研究者認(rèn)為中小尺度磷素空間分布的差異主要受到施肥等因素的影響，結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生的影響相對較小[8,9]。而在大尺度研究中，多數(shù)研究者認(rèn)為成土母質(zhì)、地貌[10]、土地利用方式和土壤侵蝕[11]是影響土壤磷素分布的主要因素。

常綠闊葉林是中國亞熱帶地區(qū)最復(fù)雜、生產(chǎn)力較高、生物多樣性最豐富的地帶性植被類型之一，對保護(hù)環(huán)境、維持全球性碳循環(huán)平衡和人類持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用[12]。青岡-石櫟群落是我國亞熱帶低山丘陵區(qū)典型的常綠闊葉林之一，代表著區(qū)域內(nèi)森林群落的演替方向，具有維持區(qū)域生物多樣性和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等生態(tài)功能[13]。研究土壤磷素空間分布與地形特征之間的關(guān)系，對于常綠闊葉林的保護(hù)、提高森林生產(chǎn)力和可持續(xù)經(jīng)營都具有十分重要的意義。本研究以湘中丘陵區(qū)青岡-石櫟林為對象，分析土壤磷素的空間異質(zhì)性和引起土壤磷素異質(zhì)性的生態(tài)過程，探討其空間分布的影響因素，為該區(qū)土壤資源的合理利用和常綠闊葉林的經(jīng)營與管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及樣地設(shè)置

研究地選在湖南省長沙縣大山?jīng)_國有林場(28°23′58″-28°24′58″N，113°17′46″-113°19′08″E)，該林場地處幕阜山余脈西部邊緣的湘中丘陵地區(qū)，海拔55-217.4 m，屬中亞熱帶東南季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.6-17.6℃，最低氣溫為-11℃，最高氣溫為40℃，年降雨量為1412-1559 mm，土壤為板巖和頁巖發(fā)育而成紅壤[14]。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，由于人為干擾，原生植被已破壞，經(jīng)過近幾十年的封山育林，現(xiàn)保存著一定的人工林群落及不同森林類型的次生植被[15]。其中青岡-石櫟林是區(qū)內(nèi)保存較完好的常綠闊葉林之一。2013年3月在林場內(nèi)選取了群落結(jié)構(gòu)典型、干擾較小的青岡-石櫟林作為研究樣地，設(shè)置面積為1 hm2（100 m×100 m）的固定樣地，樣地分成100個10 m×10 m的小樣地，調(diào)查植物組成特征。樣地海拔為71-126 m，坡向為西北向，坡度為22°，土壤pH值為4.18-5.03。

1.2 樣品采集及測定分析

2013年9-10月期間，在青岡-石櫟林100個小樣地的中心位置進(jìn)行采樣。如果中心位置有樹木或大的石塊，采樣點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)移動，記錄每個采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度，以及每個小樣地四個頂點(diǎn)的海拔高度。按照50 cm×50 cm的面積采集凋落物，在原地用環(huán)刀取腐殖質(zhì)層，用土鉆取0-10 cm，10-20 cm和20-30 cm土層深度的土壤，共采集土樣300個，腐殖質(zhì)層樣100個，凋落物100個，現(xiàn)場稱重裝袋做好標(biāo)記。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨，分別過60目篩和100目篩，以備化學(xué)分析。凋落物于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重、稱重。土壤全磷測定用堿熔—鉬銻抗比色法[16]，土壤有效磷P含量采用鹽酸—氟化銨（Bray-1）法，凋落物和腐殖質(zhì)全P含量采用釩鉬黃比色法測定，土壤pH值采用電極法測定（水土比2∶1）[17]。

選擇海拔和凹凸度作為地形因子，分析它們對土壤磷素分布影響。在樣地設(shè)置和群落調(diào)查時，用羅盤儀測定每個小樣地四個角的水平坐標(biāo)位置、相對高度和坡度，根據(jù)1∶1萬的地形圖確定樣地原點(diǎn)的海拔，計算每個小樣地4個角的海拔。各采樣點(diǎn)的海拔為小樣地4個角海拔的平均值，凹凸度為小樣地海拔減去該小樣地相鄰的8個小樣地海拔的平均值，處于樣地邊緣小樣地的凹凸度為小樣地中心的海拔減去4個角海拔的平均值，若凹凸度為正值，表明該小樣地海拔比周圍樣方海拔高，即為凸型地形，反之則低，為凹型地形[18]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分析在SPSS 17.0軟件系統(tǒng)進(jìn)行，利用K-S檢驗對土壤養(yǎng)分進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，對不能滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，用算術(shù)平方根或?qū)?shù)轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。在MATLAB 7.1平臺上，基于三次樣條插值法對土壤全P含量和有效P含量進(jìn)行空間插值，得到青岡-石櫟林土壤磷素的空間分布特征圖。用回歸分析法對0-30 cm土壤全P和有效P分別與海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖質(zhì)層全P含量進(jìn)行一元線性回歸分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 青岡-石櫟林土壤性質(zhì)統(tǒng)計特征及正態(tài)性檢驗

土壤全P含量的均值為0.260 g/kg（表1），接近浙江天童常綠闊葉林土壤全P含量（0.26 g/kg）[19]和廣東鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤全P含量（0.258±0.011 g/kg）[20]，低于湘南紫色丘陵耕作區(qū)土壤全P含量（0.5-0.8 g/kg）[21]，明顯低于全國土壤全P含量（0.60 g/kg）。0-30 cm層土壤有效P含量均值為3.59mg/kg，高于中國土壤有效磷（3.40mg/kg）[22]，略低于廣東鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤有效P含量（4.22±0.16 mg/kg）[20]。

一般認(rèn)為，變異系數(shù)（CV）<0.1為弱變異性，0.11.0為強(qiáng)變異性[23,24]，從表中可以看出，0-30 cm層土壤全P和有效P含量的變異系數(shù)分別為16.35%和22.06%，均達(dá)到了中等強(qiáng)度變異。單一樣本K-S檢驗結(jié)果表明，凋落物層全P含量、腐殖質(zhì)層全P含量和0-30 cm土壤全P含量均符合正態(tài)分布，0-30 cm土壤有效P含量經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布（表1）。

表1 全P和有效P含量的統(tǒng)計特征（n＝100）

2.2 土壤全P與有效P含量空間分布

土壤磷素含量的空間分布受多種因素的影響。土壤全P含量在1 hm2的研究樣地內(nèi)隨地形變化規(guī)律較為明顯，分布格局以條帶狀的梯度變化為主（圖1），低值出現(xiàn)在中間山脊地帶，含量基本低于0.270 g/kg。高值出現(xiàn)在兩邊海拔較低的溝谷洼地；土壤有效P含量在整個研究樣地內(nèi)呈斑塊狀分布，高值區(qū)位于部分低洼處，沒有明顯隨地形變化的趨勢。說明該區(qū)域內(nèi)相對土壤有效P而言，土壤全P含量空間分布受地形因子的影響較大。

圖1 青岡-石櫟常綠闊葉林土壤全P（左）和有效P（右）含量的空間分布格局

2.3 土壤全P和有效P含量的影響因素

相關(guān)分析結(jié)果表明土壤全P含量受到相對高差和凹凸度的影響，土壤有效P含量受凋落物生物量和腐殖質(zhì)層全P含量的影響，土壤全P、有效P含量與凋落物全P含量的相關(guān)性不顯著（p>0.05）。根據(jù)該結(jié)果，我們進(jìn)一步對海拔、凹凸度、凋落物生物量、凋落物全P含量和腐殖質(zhì)層全P含量與土壤全P和有效P含量進(jìn)行一元回歸分析，研究土壤磷素含量分布隨影響因子的變化趨勢。

（1）海拔。0-30 cm土壤全P和海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖2），相關(guān)系數(shù)為-0.499（p<0.01）。這與秦松對西南丘陵的研究結(jié)果略有不同[25]，其結(jié)果表現(xiàn)為磷素分布隨著海拔的升高而增加，原因可能是西南丘陵區(qū)的海拔在310 m以上，高海拔處氣溫越低，蒸發(fā)量小且濕度大，有機(jī)質(zhì)分解慢，有利于養(yǎng)分富集。本研究區(qū)海拔小于130 m，溫度濕度的影響較小，而降水、地表徑流會加快磷元素淋溶，導(dǎo)致上層土壤全磷含量降低[26]，磷素向低地聚集，表現(xiàn)出全P含量隨海拔增加而降低。0-30 cm土壤有效P含量與海拔無顯著相關(guān)關(guān)系，這與Soethe等[27]對熱帶森林的研究結(jié)果相一致。

圖2 全P含量與海拔的關(guān)系

（2）凹凸度。0-30 cm土壤全P含量和凹凸度呈負(fù)相關(guān)（圖3），相關(guān)系數(shù)為-0.261（p<0.01），達(dá)極顯著水平。土壤有效P含量與凹凸度無顯著相關(guān)性。土壤全P的空間變異受凹凸度影響較大，同海拔范圍內(nèi)，低地溝谷的全磷含量要明顯高于坡面和山脊[28]，這可能是因為位于高海拔處的土壤被雨水沖刷下來沉積在低洼處土壤表層，導(dǎo)致養(yǎng)分在土壤表層的逐漸累積，因此溝谷土壤全P含量較高。

圖3 全P含量與凹凸度的關(guān)系

（3）凋落物生物量。0-30 cm土壤全P與凋落物生物量的相關(guān)系數(shù)為0.064，但未達(dá)到顯著水平，表明自然土壤中的磷素主要來源于成土母質(zhì)，其空間格局在大尺度上主要受土壤類型和氣候條件的影響[10]。0-30 cm土壤有效P含量均值與凋落物生物量呈正相關(guān)（圖4），相關(guān)系數(shù)為0.263（p<0.01），達(dá)極顯著水平，這與劉文杰等[22]在研究中提出有效磷含量主要受凋落物分解的影響的觀點(diǎn)相符合。因此，增加該區(qū)域凋落物的累積量有利于提高有效P的含量。

圖4 有效P含量與凋落物生物量的關(guān)系

（4）腐殖質(zhì)層全P含量。土壤全P含量與腐殖質(zhì)層全P含量無顯著性相關(guān)性。土壤有效P和腐殖質(zhì)全P含量具有顯著正相關(guān)（R＝0.238，p＝0.017），說明腐殖質(zhì)層對土壤有效P具有供應(yīng)和保持的作用。腐殖質(zhì)層主要來源于動植物殘體的分解，其含量的大小與土壤磷素的積累緊密相關(guān)。在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中，由于P循環(huán)在系統(tǒng)內(nèi)部的局限性，植物歸還土壤的磷是有效磷的重要來源[29]。

3 結(jié)論

青岡-石櫟常綠闊葉林中土壤（0-30 cm）全P和有效P含量的變化范圍分別為0.200-0.402 g/kg和2.22-6.74 mg/kg，變異系數(shù)分別為16.35%和22.06%，均到達(dá)了中等強(qiáng)度變異。土壤全P含量呈條帶狀的空間分布格局，山脊含量低，溝谷含量高；土壤有效P含量則呈斑塊狀分布，沒有明顯隨地形變化的趨勢。土壤磷素空間分布格局與地形、凋落物量有關(guān)，其中土壤全P含量與海拔、凹凸度呈極顯著負(fù)相關(guān)，而有效P含量受地形因子的影響較小，與凋落物生物量、腐殖質(zhì)層全P含量呈顯著正相關(guān)?？梢姡蚵湮锪繉α值赝寥烙行含量影響較大，通過封山育林和保護(hù)林下凋落物，有利于提高林地土壤有效P含量和森林生產(chǎn)力。

土壤磷素含量受到成土母質(zhì)、地貌、氣候、土地利用方式等諸多因素的影響，不同尺度的研究范圍內(nèi)，其主導(dǎo)影響因素也存在差異。本研究中分析了凋落物、腐殖質(zhì)、相對高差和凹凸度對土壤磷素含量的影響，但土壤母質(zhì)、地上植物種類以及土壤機(jī)械組成對土壤磷素含量的影響有待進(jìn)一步研究。

[1]Huggett R J.Soil chronosequences,soil development,and soil evolution:acritical review[J].Catena,1998,32(3):155-172.

[2]Kleb HR,Wilson SD.Vegetation effectsonsoil resourceheterogeneity in prairie and forest[J].The American Naturalist,1997,150(3):283-298.

[3]胡靄堂.植物營養(yǎng)學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1995：148-531.

[4]Stewart J W B,Tiessen H.Dynamics of soil organic phosphorus[J].Biogeochemistry,1987,4(1):41-60.

[5]Cross A F,Schlesinger WH.A literaturereview and evaluation of the Hedley fractionation:Applications to thebiogeochemical cycle of soil phosphorusin natural ecosystems[J].Geoderma,1995,64(3):197-214.

[6]Bronson K F,Zobeck TM,Chua TT,et al.Carbon and nitrogen pools of southern high plains cropland and grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal,2004,68(5):1695-1704.

[7]Sundareshwar P V,Morris J T,Koepfler E K,et al.Phosphorus limitation of coastal ecosystem processes[J].Science,2003,299:563-565.

[8]張世熔,黃元仿,李保國,等.黃淮海沖積平原區(qū)土壤有效磷、鉀的時空變異特征[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2003,9(1):3-8.

[9]黃紹文,金繼運(yùn),楊俐蘋,等.鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異與分區(qū)管理技術(shù)研究[J].資源科學(xué),2002,24(2):76-82.

[10]Achim D,Thomas G,Niels T.Phosphorus fertilizer effect s on Soil Phosphorus Pools in Acid Upland Soils[J].Soil Science Society of America Journal,2002,66(2):652-660.

[11]John NQ,John A C,Hess MT.The Selective Removal of Phosphorus from Soil:Is Event Size important?[J].Journal of Environmental Quality,2001,30(2):538-545.

[12]湯孟平,周國模,施擁軍,等.天目山常綠闊葉林優(yōu)勢種群及其空間分布格局[J].植物生態(tài)學(xué)報,2006,30(5):743-752.

[13]祁承經(jīng),喻勛林.湖南種子植物總覽[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[14]鄧杰,鄧湘雯,黃志宏,等.4種典型亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)生長季地表N2O通量特征[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2012,28(13):6-13.

[15]路翔,項文化,任輝,等.中亞熱帶四種森林凋落物及碳氮貯量比較[J].生態(tài)學(xué)雜志,2012,31(9):2234-2240.

[16]國家林業(yè)局.森林土壤全磷的測定[S].中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),（LY/T 1232-1999）：森林土壤分析方法.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000，p87-90.

[17]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[18]Renato V,Robin B.F,Gorky V,et al.Treespeciesdistributionsand local habitat variation in the Amazon:large forest plot in eastern Ecuador[J].Journal of Ecology,2004,92(2):214-229.

[19]張娜,王希華,鄭澤梅,等.浙江天童常綠闊葉林土壤的空間異質(zhì)性及其與地形的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2012,23(9):2361-2369.

[20]莫江明，鼎湖山退化馬尾松林、混交林和季風(fēng)常綠闊葉林土壤全磷和有效磷的比較[J].廣西植物，2005，25(2):186-192.

[21]廖超林,劉杰,張楊珠,等.湘南紫色丘陵耕作區(qū)土壤肥力質(zhì)量空間變異研究[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2012,33(4):502-507.

[22]劉文杰,陳生云,胡鳳祖,等.疏勒河上游土壤磷和鉀的分布及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(17):5429-5437.

[23]呂靜,常慶瑞.土石山地耕地土壤養(yǎng)分空間分布特征研究——以陜西隴縣為例[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究.2012,33(1):113-116.

[24]魏彥昌,歐陽志云,苗洪,等.尖峰嶺自然保護(hù)區(qū)土壤性質(zhì)空間異質(zhì)性[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(2):197-203.

[25]秦松,樊燕,劉洪斌,等.地形因子與土壤養(yǎng)分空間分布的相關(guān)性研究[J].水土保持研究,2008,15(1):46-52.

[26]Jiao J G,Ellis E C,Yesilonis I,et al.Distributions of soil phosphorus in China’s densely populated village landscapes[J].Journal of Soilsand Sediments,2010,10(3):461-472.

[27]Soethe N,Lehmann J,Engels C.Nutrient availability at different altitudes in a tropical montane forest in Ecuador[J].Journal of Tropical Ecology,2008,24(4):397-406.

[28]張娜,王希華,鄭澤梅,等.浙江天童常綠闊葉林土壤的空間異質(zhì)性及其與地形的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2012,23(9):2361-2369.

[29]趙瓊,曾德慧.陸地生態(tài)系統(tǒng)磷素循環(huán)及其影響因素[J].植物生態(tài)學(xué)報,2005,29(1):153-163.