張 燕，王 平，譚小愛，楊鎮(zhèn)文，尹正吉

(1. 云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650500； 2. 蝴蝶谷景區(qū)管委會，云南 紅河 661509；3. 云南省測繪工程院，云南 昆明 650033)

土壤不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，更是土壤肥力的重要儲存器。土壤肥力能綜合反映土壤各方面的性質(zhì)，常見的評價(jià)指標(biāo)主要有土壤養(yǎng)分、物理及化學(xué)性質(zhì)等綜合指標(biāo)[1]，土壤肥力是維持森林和生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的關(guān)鍵，對森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要影響[2]，同時(shí)其對氣候變化和人為干擾也十分敏感[3]，肥力下降會降低土壤有機(jī)碳存量，導(dǎo)致特殊生境消失以及生物多樣性減少等[4-5]。因此，了解不同氣候條件下土壤肥力空間分異特征及影響因素對土壤可持續(xù)利用及生態(tài)系統(tǒng)資源管理等具有重要意義。目前對土壤肥力的研究主要集中在城市綠地系統(tǒng)、農(nóng)田系統(tǒng)及不同林分影響等方面，如周偉等研究了長春城市森林綠地土壤肥力，結(jié)果表明區(qū)內(nèi)土壤肥力處于中等水平，松土、漚肥、增施有機(jī)肥等是提升城市植被生態(tài)服務(wù)功能的重要措施[6]。馮嘉儀等分析了華南地區(qū)5種典型林分類型的土壤肥力，結(jié)果表明闊葉混交林可更好地積蓄土壤肥力[7]。劉永賢等分析了廣西典型土壤不同林分的土壤肥力，結(jié)果表明不同林分的土壤肥力具有差異性[8]。目前土壤肥力的評價(jià)方法主要有層次分析法、相關(guān)性分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、修正內(nèi)梅羅指數(shù)法等，但前者常存在主觀性強(qiáng)、對土壤肥力變化的靈敏度較低等缺陷，而修正內(nèi)羅梅指數(shù)法雖主要用于土壤污染和水體質(zhì)量的評價(jià)研究，但由于其主要考慮的是指標(biāo)最小值對土壤肥力的限制性，同時(shí)消除了極大值的影響，所以該方法在土壤綜合肥力評價(jià)研究中得到廣泛應(yīng)用[9]。但目前基于修正內(nèi)羅梅指數(shù)對熱帶典型土地利用類型下的土壤綜合肥力評價(jià)研究較少，空間分異特征研究主要集中在水平方向方面[10]，缺乏海拔梯度上的分異特征研究。

本研究中通過評估滇南蝴蝶谷地區(qū)各個(gè)海拔梯度(105～3 012 m)上單項(xiàng)土壤肥力和土壤綜合肥力，確定該地區(qū)各層土壤單項(xiàng)肥力變異特征、土壤綜合肥力隨海拔梯度的變化特征，為進(jìn)一步認(rèn)識北熱帶山地森林土壤肥力空間分異及生態(tài)環(huán)境管護(hù)、保育、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河州金平縣馬鞍底鄉(xiāng)和勐橋鄉(xiāng)的卡房村，地理坐標(biāo)為22°35′40″～22°52′5″N，103°24′51″～103°38′48″E，為哀牢山脈南段中山、亞高山山地，地層巖石以下元古界哀牢山群、瑤山群片巖、片麻巖、混合巖和印支—燕山期花崗巖為主，地勢西南高，東北低，地處低緯北熱帶山原型濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，從紅河河谷(105 m)到最高峰五臺山(3 012 m)，年均溫由23℃降低到7℃，年日照時(shí)數(shù)722～1 698 h，年降水量1 450～3 850 mm，5—10月為雨季，降水量占全年的70%～85%，11月至次年4月為干季，降雨量占全年降水量的15%～30%。區(qū)內(nèi)河流均屬紅河水系，從北至南依次為紅河一級支流新橋河、小者蘭河、龍脖河。土壤垂直變化明顯，基帶土壤為磚紅壤帶(海拔105～600 m)，之上依次發(fā)育赤紅壤帶(海拔600～1 200 m)、紅壤帶(海拔1 200～1 500 m)、黃壤帶(海拔1 500～1 800 m)、黃棕壤帶(海拔1 800～2 500 m)、棕壤帶(海拔2 500～3 012 m)。地帶性植被為亞熱帶濕性常綠闊葉林，主要分布在海拔1 400～2 000 m區(qū)域，主要優(yōu)勢樹種為殼斗科青岡(Cyclobalanopsisspp.)、石櫟(Lithocarpusspp.)等，向下為山地雨林、季雨林，主要優(yōu)勢樹種為番龍眼(Pometiatomentosa)、千果欖仁(Terminaliamyriocarpa)、木竹子(Garciniamultiflora)等，向上為山地苔蘚矮林，主要優(yōu)勢樹種為潤楠(Machiluspingii)、木蓮(Manglietiafordiana)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置及樣品采集

2015年7—8月和2016年9月，在研究區(qū)東北坡自五臺山頂向下至紅河河谷設(shè)置1條垂直樣帶，以高差100 m為間距布設(shè)樣地，在100 m的間距內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，按照0～20 cm、20～40 cm分層采樣，再將5個(gè)點(diǎn)同層土樣均勻混合，采用四分法按對角線取500 g裝入土袋，共采集垂直樣帶的土壤混合樣58袋(圖1)。

2.2 樣品分析

將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，按照《陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤觀測規(guī)范》[11]要求對土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，制備為直徑2、1、0.25 mm待測樣品。土壤含水量采用烘干法測定；土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測定；土壤pH采用電位法測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量—外加熱法測定；全氮含量采用半微量開氏法測定；全磷含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定；速效磷含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用NaOH熔融—火焰光度法測定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定；水解氮含量采用堿解擴(kuò)散法[12]測定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變異系數(shù)

單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變異系數(shù)(Cv)計(jì)算公式為：

(1)

式中：SD為單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；M為單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)平均值。

變異系數(shù)Cv表示空間變異程度，Cv<0.1時(shí)屬于弱變異，0.11時(shí)屬于強(qiáng)變異[13]。

2.3.2土壤綜合肥力評價(jià)

按隸屬度函數(shù)對土壤質(zhì)地、pH、有機(jī)質(zhì)、全磷、速效磷、堿解氮、代換性鹽基總量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除各參數(shù)間的量綱差別[13]。通過非量化參數(shù)(卡慶斯基制)分肥力系數(shù)確定為中壤土、重壤土(Pi=3)；輕(砂)壤土、輕(砂)粘土(Pi=2)；砂土、粘土(Pi=1)[13]。采用修正內(nèi)梅羅公式計(jì)算土壤綜合肥力系數(shù)(P)[14-15]，公式為：

(2)

式中：Pimid表示土壤各屬性分肥力系數(shù)的平均值；Pimin為各分肥力系數(shù)中最小值；n為參評的土壤屬性個(gè)數(shù)。

根據(jù)計(jì)算出的綜合肥力系數(shù)進(jìn)行土壤肥力的綜合評價(jià)：當(dāng)P>2.7時(shí)，土壤很肥沃；當(dāng)1.8

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土層森林單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變異特征

不同土層森林單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

如表1所示，各土層土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)在0.11～0.86范圍，均屬于中等變異，其中，亞表層的pH變異系數(shù)最低，接近弱變異；亞表層的有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)最高，接近強(qiáng)變異，其原因可能是林分、微生物環(huán)境的不同，這與呂世麗[16]的研究成果大致相同。0～10 cm和10～20 cm土層的土壤含水量、pH、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀的變異差別較小，有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀與其他指標(biāo)相比，變異差異較明顯。從有機(jī)質(zhì)來看，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)分別為0.62和0.86，雖然均屬于中等變異，但變異明顯小于亞表層。表層和亞表層土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值分別為76.37 g/kg、57.87 g/kg，均大于秦嶺南坡的有機(jī)質(zhì)含量[17]，表層有機(jī)質(zhì)含量平均值明顯高于亞表層，與高黎貢山、秦嶺等區(qū)域一致，說明枯落物和根系的分解造成有機(jī)質(zhì)在表層聚集，隨著土層厚度的增加，植物根系逐漸減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低。從全氮來看，其變異系數(shù)分別是 0.69和0.86，研究區(qū)表層和亞表層全氮含量平均值分別為2.48 g/kg和1.95 g/kg，除少數(shù)樣點(diǎn)外，不同海拔高度上各樣點(diǎn)土壤全氮含量隨土層厚度增加逐漸減少，主要是由于表層土壤上覆蓋有枯枝落葉層，利于土壤氮素的累積，隨著土層深度增加，土壤中枯枝落葉和動植物殘?bào)w減少，土壤全氮含量隨之減少。此外，由于有機(jī)質(zhì)對全氮含量具有重要影響[18]，因此其含量分布與有機(jī)質(zhì)大體一致。從速效鉀來看，其變異系數(shù)分別為0.4和0.59，差異為0.19。表層和亞表層土壤速效鉀含量平均值分別為119.17 g/kg和78.12 g/kg，山地土壤中的鉀素主要來源于母質(zhì)以及有機(jī)質(zhì)分解后返還，表層有機(jī)質(zhì)含量豐富，其分解后產(chǎn)生的鉀素大量留在表層，因而表層的速效鉀含量遠(yuǎn)大于亞表層，這與小五臺山[19]、牛背梁[16]等地的研究結(jié)果一致。以上分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)深刻影響著氮、鉀等元素的循環(huán)，更是在土壤肥力中扮演著重要作用。

表1 蝴蝶谷森林單項(xiàng)土壤肥力統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of individual fertility of forest soil in Butterfly Valley

3.2 垂直方向上不同土類土壤綜合肥力特征

研究區(qū)表層、亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔變化情況如表2所示。

整體來看，研究區(qū)表層和亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨著海拔的升高均呈增大趨勢，其中表層土壤綜合肥力系數(shù)可在海拔100～1 500 m、1 500～2 300 m和2 300～3 012 m海拔段內(nèi)進(jìn)行分析。海拔100～1 500 m的表層土壤綜合肥力系數(shù)，除在海拔900～1 000 m增大到1.31，在海拔1 000～1 100 m又減小到1.11外，其余海拔段基本在1.2±0.05波動，說明在這一區(qū)域內(nèi)海拔梯度對土壤綜合肥力系數(shù)的影響較??；在海拔1 500～2 200 m區(qū)域，隨著海拔的升高，表層土壤綜合肥力系數(shù)從海拔1 500～1 600 m時(shí)的1.16增大到海拔2 200～2 300 m時(shí)的1.53，每100米垂直遞增0.05； 在海拔2 300～2 700 m區(qū)域，土壤綜合肥力系數(shù)基本保持在約1.30，在海拔2 700 m以上區(qū)域其又增大到約1.50。1 500～3 012 m海拔段與表層土壤綜合肥力系數(shù)的變化關(guān)系可用函數(shù)表示：y=0.017 9x+0.952 2(N=15，R2=0.454 7)。亞表層土壤綜合肥力系數(shù)在100～1 500 m、1 500～2 000 m和2 000～3 012 m海拔段的變化趨勢差異仍較大。在海拔100～1 500 m區(qū)域，亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔升高呈波動下降趨勢，二者變化關(guān)系可用函數(shù)表示：y=-0.004 8x+1.202(N=14，R2=0.124 4)。海拔超過1 500 m后，隨海拔的升高，亞表層土壤綜合肥力系數(shù)從海拔1 500～1 600 m的1.08增大到海拔2 000～2 100 m的1.64，每100米垂直遞增0.09。海拔2 100 m以上區(qū)域亞表層土壤綜合肥力系數(shù)基本在1.32±0.07波動。

表2 蝴蝶谷土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔梯度變化統(tǒng)計(jì)Tab.2 Variation of soil comprehensive fertility coefficient with altitude gradient in Butterfly Valley

從土壤剖面方面看，在海拔100～1 400 m區(qū)域，表層和亞表層土壤綜合肥力系數(shù)十分相近，二者綜合肥力系數(shù)的總和僅相差0.3。海拔1 400～1 800 m區(qū)域，表層土壤綜合肥力系數(shù)大于亞表層，海拔1 800～2 100 m區(qū)域?yàn)楸韺油寥谰C合肥力小于亞表層，海拔>2 100 m區(qū)域表層土壤綜合肥力均大于亞表層。成土母質(zhì)、地形和生產(chǎn)活動等不同的生態(tài)環(huán)境一直顯著影響著土壤肥力特性[20]，表層和亞表層土壤綜合肥力系數(shù)隨海拔的升高呈線性增加趨勢，與黨坤良等[17]研究不一致，主要原因是人為干擾程度及發(fā)育土壤、生長植被的狀況不同，紅河蝴蝶谷低海拔地區(qū)，土壤多為磚紅壤、赤紅壤和紅壤，有機(jī)質(zhì)含量低，中海拔地區(qū)土壤以黃壤、黃棕壤、棕壤為主，有機(jī)質(zhì)含量高[15]，因而高海拔地區(qū)的土壤肥力系數(shù)高于低海拔地區(qū)。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)不同土層單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)在0.11～0.86之間，均屬于中等變異，其中，亞表層的pH變異系數(shù)最低，有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)最高，有機(jī)質(zhì)、速效鉀、全氮在不同土層變異差異明顯。

2)研究區(qū)表層土壤綜合肥力系數(shù)在1.11～1.54之間，平均為1.27，亞表層土壤綜合肥力系數(shù)在1.07～1.64之間，平均為1.24，表層和亞表層土壤的綜合肥力隨著海拔的升高均呈增大趨勢。