广西大明山格木天然林土壤化学性质的垂直变化

赵志刚 ，秦旭东 ，韦鹏 ，郭俊杰 ，曾杰 ，徐建民

（1. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州510520； 2. 广西林业勘测设计院，广西南宁530011； 3. 广西大明山国家级自然保护区管理局，广西武鸣530115）

广西大明山格木天然林土壤化学性质的垂直变化

赵志刚1，秦旭东2，韦鹏3，郭俊杰1，曾杰1，徐建民1

（1. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州510520； 2. 广西林业勘测设计院，广西南宁530011； 3. 广西大明山国家级自然保护区管理局，广西武鸣530115）

格木 Erythrophleum fordii属国家二级重点保护植物，亦是我国热带、南亚热带地区一个重要的珍贵用材树种。本研究以我国天然分布海拔跨度最大的广西大明山格木天然林为对象，分析其土壤化学性质随海拔梯度的变化规律。结果表明：土壤pH值随土层深度的增加而上升，随海拔上升而下降，交换性酸和交换性铝含量的变化规律则与pH值相反，中、上层交换性酸含量在海拔间差异显著（P＜0.05），且与海拔极显著正相关（P＜0.01）；上层（0～20 cm）土壤的pH值、交换性H+和交换性Al3+含量均与海拔相关极显著。土壤养分含量基本上随土层加深而下降，其土层间的差异随海拔升高呈增大的趋势。土壤综合肥力随海拔升高而增加，与海拔呈极显著正相关，且与土壤有机质含量相关显著。研究为格木天然资源保护提供科学依据。

格木天然林；土壤化学性质；海拔；干扰；广西大明山

土壤性质的海拔梯度变化在植被研究中经常被采用[1]，其对环境因子具有再分配的作用，如温度、光照、湿度、降水等均与海拔关系密切，随海拔升高，气温和土温下降，降水增加[2]，这些环境因子变化会对土壤微生物活性[3]、有机质分解、营养元素的活化及淋溶产生促进或抑制作用，导致土壤物理和化学性质产生一系列变化。土壤性质随海拔的变化影响着植被的垂直分布[4]，亦影响植物的生长和群落发育[5]、适应性以及种间竞争等[6]。

相对而言，珍稀濒危植物一般具有特殊生境需求，如土壤、水分等，这也就导致其分布大多具有局限性[7]，特殊性和局限性导致其对干扰的抵抗能力低，原有群落和环境条件破坏后种群难以更新和恢复，从而加剧其濒危的状态。因此，对珍稀濒危树种的保护应立足于对其生态需求特殊性进行针对性研究，其中土壤性质变化是小尺度研究的重要内容之一。

格木Erythrophleum fordii是国家二级濒危保护树种，因其木材珍贵而产生的高额利润驱动以及土地利用方式改变等，导致其天然资源遭受严重破坏[8-9]，严重的人为干扰亦可导致其土壤退化[2]。研究其天然林土壤化学性质，有助于增进对于格木生境需求以及土壤退化状况的了解。然而，目前关于格木天然林土壤方面的研究尚未见报道。格木在我国的海拔分布范围多在100 m以下，仅广西大明山格木群体是我国海拔分布高且跨度大，其分布海拔高达600 m[9]，是研究格木天然林土壤性质随海拔梯度变化规律的理想场所。本研究即以此格木天然林为研究对象，重点分析不同海拔格木天然林土壤化学性质的变化特征，旨在为格木天然林保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于广西武鸣县两江镇太阳山 (108°22′E，23°28′N)，地处广西大明山南缘，气候属南亚热带季风气候，年均温21.7℃，积温7 426.1℃，年均降水量1 489.0 mm，年均相对湿度78%，无霜期337 d，土壤类型以赤红壤为主。其地带性植被为季风常绿阔叶林，该格木种群为我国格木垂直分布最高的天然种群，海拔范围在200～600 m[9]，格木在坡中、上部群落的乔木层中优势地位明显，下部格木则以零星分布为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与土样采集

该区域格木天然林曾经遭受严重破坏，下坡尤为严重，中上坡干扰程度相对较轻。在同一坡面 (西南坡 ) 自 310 m 海拔开始，每隔 50 m 设置1个40 m×40 m典型样地，共5个样地。样地Ⅰ(310 m)为灌丛，格木零星分布；样地Ⅱ(360 m)为以先锋树种藜蒴占优势的乔木群落，格木零星分布；样地Ⅲ (410 m)、Ⅳ (460 m) 和Ⅴ (510 m) 均为以格木占优的乔木群落。样地设置基本上反映植被类型和格木垂直分布特点。

按照5点法采集土壤样品，在40 m×40 m样地范围内的四角和中心各挖1个土壤剖面，剥除枯落物及腐殖质，按照0～20 cm、20～40 cm、40～ 60 cm 3个层次进行取样。

1.2.2 土壤化学性质测定

土壤化学性质的测定均遵照森林土壤行业标准执行。pH值的测定采用电位法(土∶水=1∶2.5)，有机质采用重铬酸钾氧化——外加热法，全氮采用凯氏消煮—扩散法，速效氮的测定采用碱解—扩散法，全磷采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法，速效磷采用H2SO4浸提法，全钾采用氢氧化钠碱熔—火焰光度法，速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法，交换性酸度和交换性铝离子采用氯化钾交换-中和滴定法。

1.2.3 数据分析

采用主成分分析法计算土壤综合肥力指数，先将指标数据标准化，然后计算主成分载荷值，根据主成分累积贡献率达到85%的原则选取特征值，确定主成分表达式并计算综合得分[10-12]。应用SPSS 11.5软件对土层间和海拔间土壤化学性质的各指标进行方差分析、Duncan多重比较，分析表层土壤化学性质和海拔间的相关性 (采用Pearson 系数 )。

2 结果与分析

2.1 土层间土壤化学性质变化规律

广西大明山格木天然林土壤呈酸性，其pH值平均为 4.17 (±0.11)。由图 1 可以看出， pH 值随土层深度增加呈上升趋势，其均值由表层的4.11 (±0.10) 增至下层的 4.23 (±0.12)，但土层间差异不显著(P＞0.05)；与之相反的是，交换性H+和交换性Al3+含量随土层深度增加呈下降趋势，其表层含量约为下层的1.4～1.5倍左右，说明表层土壤酸化程度高，而且坡中、上部的3个样地土层间差异达显著 (P＜0.05) 或极显著水平 (P＜0.01)，下部两个样地在层次间差异不显著。

各海拔格木天然林内的土壤有机质含量在层次间差异均极显著，且随着土层深度的增加呈下降趋势 (图2)，而且下降幅度较大，表层平均有机质含量约为下层的4.2倍。土壤氮、磷、钾全量和速效部分等指标中，除全钾含量随土层深度增加呈上升趋势外，其余指标均随之下降 (图2)，而且各海拔土壤全氮、速效氮和速效磷含量在层次间均差异极显著，全钾含量均差异不显著，全磷和速效钾含量仅在中、上部3个海拔样地的土层间差异显著，在下部样地差异不显著。从变化幅度来看，表层土壤全氮、全磷含量分别为下层的2.1倍和1.2倍；表层土壤的速效氮、速效磷、速效钾含量分别为下层的3.2倍、3.7倍和1.3倍。总体来看，土壤养分含量随土层深度增加而降低，速效养分在土层间的变化幅度高于全量。

图1 格木天然林土壤pH值、交换性H+、交换性Al3+和有机质沿海拔变化趋势Fig. 1 Change trends of soil acidity and organic matter with altitude in natural forests of E. fordii

图2 不同层次土壤氮磷钾含量随海拔的变化趋势Fig. 2 Change trends of total and available NPK contents in three soil layers with altitude in natural forests of E.fordii

2.2 海拔间土壤化学性质变化规律

由图1 可以看出，土壤pH值随海拔升高呈下降趋势，交换性H+和交换性Al3+含量随海拔升高则呈上升趋势，各层土壤的pH值和交换性Al3+含量在海拔间差异均不显著，表层和中层土壤的交换性H+在海拔间差异分别达到极显著 (P＜0.01) 和显著 (P ＜ 0.05) 水平。

土壤有机质含量随着海拔上升呈现增加趋势 （图1），但仅下层土壤有机质含量在海拔间差异显著。表层土壤仅全钾含量在海拔间差异极显著，下坡含量最高。从图2可以看出，中、下层土壤全氮、全磷和全钾含量在海拔间均达到显著或极显著水平，表现出先下降后上升的变化趋势，总体来看下坡高于上坡。速效氮含量随海拔上升呈增加趋势，但仅下层土壤在海拔间差异极显著。速效磷含量随海拔上升先增加然后下降，且中下层土壤在海拔间差异极显著，各层土壤的速效钾含量在海拔间差异均不显著。

土壤养分含量随海拔的变化趋势比较复杂，因此，通过土壤综合肥力来对比分析土壤质量的垂直变化。由图3可以看出，土壤综合肥力指数随海拔上升呈升高趋势，下坡灌丛群落最低，上部格木乔木群落最高。

2.3 土壤化学性质与海拔的相关性分析

一般而言，表层土壤的养分循环较快，其养分与植被间关系也较为密切，更能够反映森林土壤的特点[13]，因此，根据各海拔表层 (0～20 cm) 土壤的化学性质，分析土壤综合肥力以及土壤化学性质与海拔间的相关性。

图3 土壤综合肥力指数随海拔的变化趋势Fig. 3 Change trends of integrated soil fertility index with altitude

由表1可知，土壤pH值与海拔极显著负相关 (P＜0.01)，即其随海拔上升而下降。交换性H+和交换性Al3+含量与海拔呈显著 (P＜0.05)或极显著正相关关系。有机质含量和土壤综合肥力指数与海拔显著正相关，其他指标与海拔相关不显著。土壤综合肥力与有机质含量显著正相关，与pH值极显著负相关，与其余养分指标相关不显著。

表1 格木林地表层土壤 (0～20 cm) 化学性质与海拔间的相关性分析†Table 1 Correlations between altitude and chemical characteristics of top-layer soil (0～20 cm) in natural forests of E. fordii

3 讨 论

在本研究中，格木天然林土壤pH值随着土层深度增加而升高，随着海拔上升而下降，但其差异均不显著。交换性H+和交换性Al3+含量随海拔升高呈上升趋势，而且土层间差异随海拔上升呈增加趋势，与以往研究基本一致[14-17]。各养分含量随海拔的变化趋势有所不同，有机质、全氮和速效氮含量随海拔升高而增加，全磷和全钾含量则先下降后上升，速效磷含量则先上升后下降，速效钾含量则没有明显的变化趋势。由此可见，不同养分随海拔的变化规律较为复杂，这种现象的产生可能与不同海拔植被类型对土壤养分的吸收利用及养分循环的影响存在差异有关[18-19]。相关分析显示，养分指标中仅土壤有机质含量与海拔显著正相关 (P＜0.01)。有机质的这种垂直变化与环境因子的垂直变化关系密切，随海拔升高降水增加，温度下降，导致有机质矿化速度下降，有机质含量增加[18-20]。土壤综合肥力指数与海拔表现出显著的正相关关系 (P＜0.05)，而且在各养分指标中其仅与土壤有机质含量显著正相关，说明土壤有机质对土壤肥力影响最大[2]。

如前所述，土壤化学性质垂直变化除了受海拔影响外，也与植被类型差异有关。随着海拔升高，植被类型依次为灌丛群落 (样地Ⅰ) 、以先锋树种藜蒴为主的乔木群落 (样地Ⅱ)以及以格木占优势的乔木群落 (样地Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)。通过当地农户访谈得知，在调查的海拔范围内，以前均为格木占优的乔木群落，受人类活动范围和强度日益增加的影响，尤其是低海拔人为干扰强度大，植被遭受破坏的程度随着海拔的升高而减轻。这种影响在本研究中亦得到体现，从下坡到中坡土壤化学性质的变化主要是严重人为干扰后不同恢复程度植被类型的差异有关[18-19]，从中坡向上群落类型基本一致，但格木优势度存在差异，样地Ⅳ的土壤综合肥力指数低于样地Ⅴ和样地Ⅲ，可能与干扰导致的群落组成和结构差异有关[18-20]，样地Ⅳ内格木占绝对优势，其林分结构相对简单，林下植被明显偏少，土壤理化特征和植被的关系将是下一步研究的重点。

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Vertical variation of soil chemical properties in natural forests of Erythrophleum fordii in Damingshan Moutain, Guangxi

ZHAO Zhi-gang1, QΙN Xu-dong2, WEΙ Peng3, GUO Jun-jie1, ZENG Jie1, XU Jian-ming1
(1. Research Ιnstitute of Tropical Forestry, CAF, Guangzhou 510520, Guangdong, China; 2. Guangxi Forestry Ιnventory & Planning Ιnstitute, Nanning 530011, Guangxi, China; 3. Administration of Damingshan Nature Reserve, Wuming 530115, Guangxi, China)

Erythrophleum fordii is one of national second key protected tree species, and is an important valuable timber species in tropical and warm subtropical zones of China. The soil chemical properties in the natural forests of E. fordii were investigated in Danigshan Mountain where the altitude span of its natural distribution was the largest, and the effects of altitude on soil chemical properties were analyzed. The results showed that the soil pH value increased as the soil depth increased, and decreased as the altitude rose, while the contents of exchangeable H+and Al3+changed in contrast to pH value, the contents of exchangeable H+of top-layer (0～20cm) and middle-layer (20～40cm) soils were in signif i cant difference among the altitudes, and were correlated signif i cantly with the altitudes; the pH value, contents of exchangeable H+and Al3+of top-layer soil were all remarkably correlated with the altitudes; the soil nutrient content was basically decreased with the depth, the difference between layers increased with the increase of altitude; the soil organic matter and integrated soil fertility index was in closely signif i cant and positive correlation with the altitude, and other soil chemical properties mostly decreased initially and then increased with increase of altitude, which were not signif i cantly correlated with altitude. The f i ndings can provide some evidences for further protection of E. fordii.

national forest of Erythrophleum fordii; soil chemical properties; altitudes; artif i cial disturbance; Damingshan Mountain

S714.5

A

1673-923X(2013)12-0101-05

2013-05-17

林业公益性行业科研专项课题 (201204301-2)、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(RΙTFKYYW2010-05)资助

赵志刚（1979-），男，内蒙古赤峰人，博士，助理研究员，从事森林培育与森林生态研究

曾 杰（1969-），男，湖南邵东人，博士，研究员，博士生导师，主要从事森林培育与生态遗传研究；

E-mail：zengjie69@163.com

[本文编校：吴 彬 ]