北熱帶亞高山土壤肥力垂直分異特征
——以紅河蝴蝶谷為例

張 燕，王 平，譚小愛，楊鎮文，尹正吉

(1. 云南師范大學 地理學部，云南 昆明 650500； 2. 蝴蝶谷景區管委會，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系統的重要組成部分，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，常見的評價指標主要有土壤養分、物理及化學性質等綜合指標[1]，土壤肥力是維持森林和生態系統凈初級生產力的關鍵，對森林生態系統穩定和農業可持續發展具有重要影響[2]，同時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碳存量，導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利用及生態系統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、農田系統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，結果表明區內土壤肥力處于中等水平，松土、漚肥、增施有機肥等是提升城市植被生態服務功能的重要措施[6]。馮嘉儀等分析了華南地區5種典型林分類型的土壤肥力，結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方法主要有層次分析法、相關性分析法、主成分分析法、灰色關聯分析法、修正內梅羅指數法等，但前者常存在主觀性強、對土壤肥力變化的靈敏度較低等缺陷，而修正內羅梅指數法雖主要用于土壤污染和水體質量的評價研究，但由于其主要考慮的是指標最小值對土壤肥力的限制性，同時消除了極大值的影響，所以該方法在土壤綜合肥力評價研究中得到廣泛應用[9]。但目前基于修正內羅梅指數對熱帶典型土地利用類型下的土壤綜合肥力評價研究較少，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各個海拔梯度(105～3 012 m)上單項土壤肥力和土壤綜合肥力，確定該地區各層土壤單項肥力變異特征、土壤綜合肥力隨海拔梯度的變化特征，為進一步認識北熱帶山地森林土壤肥力空間分異及生態環境管護、保育、農業生產等提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于云南省紅河州金平縣馬鞍底鄉和勐橋鄉的卡房村，地理坐標為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氣候區，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℃，年日照時數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%。區內河流均屬紅河水系，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區域，主要優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，主要優勢樹種為潤楠(Machiluspingii)、木蓮(Manglietiafordiana)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設置及樣品采集

2015年7—8月和2016年9月，在研究區東北坡自五臺山頂向下至紅河河谷設置1條垂直樣帶，以高差100 m為間距布設樣地，在100 m的間距內隨機選取5個點，按照0～20 cm、20～40 cm分層采樣，再將5個點同層土樣均勻混合，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驗室，按照《陸地生態系統土壤觀測規范》[11]要求對土壤樣品進行風干，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；土壤機械組成采用比重計法測定；土壤pH采用電位法測定；土壤有機質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散法[12]測定。

2.3 數據分析

2.3.1單項土壤肥力指標變異系數

單項土壤肥力指標變異系數(Cv)計算公式為：

(1)

式中：SD為單項土壤肥力指標標準差；M為單項土壤肥力指標平均值。

變異系數Cv表示空間變異程度，Cv<0.1時屬于弱變異，0.11時屬于強變異[13]。

2.3.2土壤綜合肥力評價

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

(2)

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

根據計算出的綜合肥力系數進行土壤肥力的綜合評價：當P>2.7時，土壤很肥沃；當1.8

3 結果與分析

3.1 不同土層森林單項土壤肥力指標變異特征

不同土層森林單項土壤肥力指標統計結果見表1。

如表1所示，各土層土壤肥力指標的變異系數在0.11～0.86范圍，均屬于中等變異，其中，亞表層的pH變異系數最低，接近弱變異；亞表層的有機質和全氮的變異系數最高，接近強變異，其原因可能是林分、微生物環境的不同，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，有機質、全氮和速效鉀與其他指標相比，變異差異較明顯。從有機質來看，研究區有機質變異系數分別為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質含量平均值分別為76.37 g/kg、57.87 g/kg，均大于秦嶺南坡的有機質含量[17]，表層有機質含量平均值明顯高于亞表層，與高黎貢山、秦嶺等區域一致，說明枯落物和根系的分解造成有機質在表層聚集，隨著土層厚度的增加，植物根系逐漸減少，土壤有機質含量逐漸降低。從全氮來看，其變異系數分別是 0.69和0.86，研究區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，除少數樣點外，不同海拔高度上各樣點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體減少，土壤全氮含量隨之減少。此外，由于有機質對全氮含量具有重要影響[18]，因此其含量分布與有機質大體一致。從速效鉀來看，其變異系數分別為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以及有機質分解后返還，表層有機質含量豐富，其分解后產生的鉀素大量留在表層，因而表層的速效鉀含量遠大于亞表層，這與小五臺山[19]、牛背梁[16]等地的研究結果一致。以上分析表明，土壤有機質深刻影響著氮、鉀等元素的循環，更是在土壤肥力中扮演著重要作用。

表1 蝴蝶谷森林單項土壤肥力統計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

研究區表層、亞表層土壤綜合肥力系數隨海拔變化情況如表2所示。

整體來看，研究區表層和亞表層土壤綜合肥力系數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可在海拔100～1 500 m、1 500～2 300 m和2 300～3 012 m海拔段內進行分析。海拔100～1 500 m的表層土壤綜合肥力系數，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，說明在這一區域內海拔梯度對土壤綜合肥力系數的影響較??；在海拔1 500～2 200 m區域，隨著海拔的升高，表層土壤綜合肥力系數從海拔1 500～1 600 m時的1.16增大到海拔2 200～2 300 m時的1.53，每100米垂直遞增0.05； 在海拔2 300～2 700 m區域，土壤綜合肥力系數基本保持在約1.30，在海拔2 700 m以上區域其又增大到約1.50。1 500～3 012 m海拔段與表層土壤綜合肥力系數的變化關系可用函數表示：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區域，亞表層土壤綜合肥力系數隨海拔升高呈波動下降趨勢，二者變化關系可用函數表示：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以上區域亞表層土壤綜合肥力系數基本在1.32±0.07波動。

表2 蝴蝶谷土壤綜合肥力系數隨海拔梯度變化統計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區域，表層和亞表層土壤綜合肥力系數十分相近，二者綜合肥力系數的總和僅相差0.3。海拔1 400～1 800 m區域，表層土壤綜合肥力系數大于亞表層，海拔1 800～2 100 m區域為表層土壤綜合肥力小于亞表層，海拔>2 100 m區域表層土壤綜合肥力均大于亞表層。成土母質、地形和生產活動等不同的生態環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育土壤、生長植被的狀況不同，紅河蝴蝶谷低海拔地區，土壤多為磚紅壤、赤紅壤和紅壤，有機質含量低，中海拔地區土壤以黃壤、黃棕壤、棕壤為主，有機質含量高[15]，因而高海拔地區的土壤肥力系數高于低海拔地區。

4 結論

1)研究區不同土層單項土壤肥力指標的變異系數在0.11～0.86之間，均屬于中等變異，其中，亞表層的pH變異系數最低，有機質和全氮的變異系數最高，有機質、速效鉀、全氮在不同土層變異差異明顯。

2)研究區表層土壤綜合肥力系數在1.11～1.54之間，平均為1.27，亞表層土壤綜合肥力系數在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。