不同海拔梯度下梵净山土壤机械组成及养分特征

舒 锟，张家春，张珍明，张瑞庆

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；

2.贵州省植物园，贵阳 550004；3.贵州省生物研究所，贵阳 550002)

不同海拔梯度下梵净山土壤机械组成及养分特征

舒 锟1，张家春2，张珍明3*，张瑞庆1

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；

2.贵州省植物园，贵阳 550004；3.贵州省生物研究所，贵阳 550002)

【目的】研究不同海拔梯度下梵净山土壤主要物理性质和化学性质，为梵净山森林植被恢复与生态系统管理提供科学依据。【方法】以不同海拔梵净山土壤为研究对象，通过野外调查与室内分析相结合的方法，对梵净山不同海拔主要土壤性状特征进行研究。【结果】梵净山从山脚至山顶土壤类型分别为山地黄红壤、山地黄壤、山地暗黄棕壤、高山草甸土；山地黄红壤大部分为轻黏土，山地黄壤土壤质地主要为重壤，高海拔地区表土层土壤疏松，土壤多为重壤土。不同海拔下土壤C/N比随着海拔的增加呈现减小的趋势，而土壤C/P、N/P比随着海拔的增加呈现增加的趋势。不同海拔土壤活性碳和缓效碳含量变化范围分别为6.32～9.11g/kg和1.15～9.16g/kg，在海拔500～2 570m范围内，随海拔升高，土壤活性碳呈现降低的趋势，而缓效碳含量呈现增加的趋势。土壤有机碳矿化率的最大值出现在海拔1 301～2 100m，为13.20％。土壤微量元素Cu变化趋势表现为在海拔1 301～2 100m平均含量最大，海拔500～1 300m时元素含量降低，随着海拔梯度降低，元素含量先增大后减小；土壤其余元素(Fe、Mn、Zn、Mo)含量随海拔梯度变化规律不明显。岩石裸露率与矿化率之间相关性极显著，土壤缓效有机碳及活性有机碳均与土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾等大部分肥力指标表现出显著或极显著相关。【结论】不同海拔梯度下梵净山土壤类型和土壤性状特征差别较大。

不同海拔；土壤性状；垂直分布；梵净山

土壤是森林生态系统中生物赖以生存的载体，储存着丰富的营养物质，而土壤的营养物质高低决定了植物的生长发育状况[1-2]。海拔是影响土壤性状特征的重要因素，随着海拔的垂直变化，植物类型与土壤养分等都随之改变。海拔带来垂直分布的同时，也能强烈反映各环境因素之间的变化。不同海拔影响不同植被的根系分布，进而影响生物群落的分布及土壤养分的差异，最终改变森林生态系统的功能[3-4]。基于土壤在森林生态系统中的重要作用，国内学者展开了广泛的研究。马维伟等[5]研究了不同海拔草甸湿地土壤理化性状的变化规律，探明了气温、降雨、植物群落与土壤肥力之间的差异；郭永龙等[6]分析了华北典型山区土壤的肥力和盐分变化与海拔变化之间的差异，并指出海拔变化对土壤理化性状有显著影响；张黎明等[7]研究了海南五指山不同海拔土壤的养分，并指出土壤碳、氮含量随着海拔的升高而呈明显的下降趋势；张巧明等[8]研究表明，秦岭火地塘林区土壤有机质、全氮含量随着海拔的升高而升高，而有效磷则是相反的规律。

梵净山有着地球上同纬度保存最完好，最典型的原始森林，有5个垂直土类和林带，最高海拔2 572m，与山麓的垂直高差达2 000m以上。近年来随着当地旅游业的快速发展，同时人类活动的强烈破坏，使脆弱的生态系统受到严重的干扰。由于水热因子的差异，梵净山不同海拔下发育形成了不同类型的山地垂直带。由于气候因子、环境因子和人为活动不同，导致不同海拔下土壤机械组成和养分特征差异较大。长期以来，对于梵净山的研究多集中于植物资源分布及部分树种的土壤理化性质方面[9]，而对于梵净山垂直带土壤性质，特别是对其垂直变化具有反馈作用的土壤理化特征方面工作开展较少。为此，我们以不同海拔下梵净山山地土壤垂直带为对象，研究了不同海拔下梵净山土壤机械组成及其养分特征与环境因子的关系，试图在不同海拔梯度下揭示山地土壤物理性质及主要养分的变化规律，探讨不同海拔梯度下土壤特点、生态系统功能之间的关系等，为梵净山旅游开发及生态系统修复提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

梵净山位于贵州东北部的印江、松桃、江口三县交界处，是武陵山脉的主峰，植被种类丰富。最高峰凤凰山海拔2 572m，与山麓的垂直高差达2 000m以上。梵净山为中亚热带季风山地湿润气候，冬无严寒、夏无酷暑，温度随海拔而下降，海拔每升高100m，气温下降0.5～0.8℃，年降雨量为1 800～2 000mm，是贵州省3大多雨中心之一。由于梵净山垂直高差大，使水热条件在山体不同海拔上重新分配，从而形成了典型的中亚热带山地植物垂直分布规律，1 300m以下为常绿阔叶林带，1 300～2 100m为常绿阔叶、落叶阔叶混交林带，2 100～2 350m为亚高山针叶林带，2 350m以上为亚高山灌丛草甸。

1.2 样品采集与制备

采用垂直样带法于2013年10月在梵净山自然保护区进行调查，采集不同海拔下土壤样品。依据土壤发生学原理和土壤垂直分异规律，结合保护区地形特征，以30m×30m设置标准样方24个，海拔500～2 570m之间的6个梯度分别设置了4个样方，每块样地按S型设5个土壤取样点，深度为0～20cm土壤样品混合作为一个混合样。

将采集的土壤样品带回实验室风干，剔除植物残体及大砾石等非土壤物质，同时避免酸、碱等污染。取风干样品按四分法充分混合后，用木棍辗压、过尼龙筛，而后进一步用玛瑙钵研细，过孔径1mm筛后用于测定土壤速效养分；另取土样风干研磨，过0.25mm筛后测定土壤全量养分。将过筛样品置于密封袋中作好标签，放入干燥器中保存备用，供分析测试用。

1.3 测试方法

土壤pH：电极电位法[10]275(土水比1∶2.5)；阳离子交换量：乙酸铵交换法[10]95；土壤机械组成：比重计速测定法[10]27；有机质：高温外加热重铬酸钾氧化-容量法[10]33；土壤全氮：凯氏法[10]41；碱解氮：碱解扩散法[10]49；土壤全磷：酸溶-钼锑抗比色法测定[10]66；土壤全钾：氢氟酸高氯酸消煮-火焰分光光度法[10]85；速效钾：乙酸铵浸提-火焰光度法[10]87。土壤全 Fe、Mn、Cu、Zn、Mo测定：称取0.100 0g土样(精确到0.000 2g)，于25mL聚四氟乙烯坩埚中，加少许水湿润，小心加入3mL浓硝酸，再加1mL高氯酸[10]171，将其放入高压密封罐中，置于烘箱中，调节180℃，消解3h；消解完毕后，通风冷却至室温后，将其转移至50mL离心管中，以超纯水定容至刻度，摇匀上电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)。土壤有机碳矿化过程中CO2释放量：室内恒温培养、碱液吸收法，培养时间为98d[11]。分析样品重复数30％，平行测定的结果用算术平均值加减标准差表示。

1.4 数据分析

土壤碳矿化速率[12]计算公式为

式中：Cmin为土壤碳矿化速率；C为测试时间内CO2浓度变化的直线斜率；V为培养瓶和管线的总体积；m为培养瓶内干土质量；α为CO2气体体积转化为质量的系数；β为时间转化为天数的系数。

实验数据首先剔除异常值，把分布于平均值±3倍标准差之外的异常数值去除，然后用Excel 2003统计整理，并将计算结果汇总绘制成总数据表，再对各指标数据进行平均。

2 结果与分析

2.1 不同海拔下梵净山土壤机械组成

受土壤母质特征的影响，加上所处区域生物气候条件的差异，在不同的水热条件下，母质风化程度发生了强弱的差异[13-14]，山地黄红壤大部分为轻粘土(表1)，土壤中粒径＜0.01mm的物理性粘粒占50％左右，各粒径机械组成中普遍以粒径<0.001mm的颗粒含量高。山地黄壤土壤质地主要为重壤，剖面结构上，各粒径土壤所占比重以粒径0.05～0.01mm、＜0.001mm颗粒为主，两者共占50％～60％。物理性粘粒(＜0.01mm)含量占49％。高海拔地区植被覆盖度较高，残留的大量枯枝落叶腐殖质层，表土层土壤疏松，土壤多为重壤土，由于质地粘重，热量释放低，土壤中养分散失率小，表层土壤中有机质和养分含量较高；山地暗黄棕壤分布区域海拔高，森林保护好，林下机械淋溶作用弱，粘粒含量从上而下的变化不大，质地比较均匀，土壤机械组成中粒径1～0.25mm的颗粒含量很少，仅占1％～2％，粒径＜0.001的颗粒含量偏高。梵净山高山草甸土出现的地形多为高海拔的山顶地势稍平缓的山脊地段，土壤风化减弱，淋溶作用亦不明显，山地灌丛草甸土经常处于湿润状态，土体通透性能良好，由于水湿条件变化的影响，部分山地灌丛草甸土具有氧化还原交替作用。随着海拔的增加，岩石裸露率、0.01～0.05mm的颗粒含量及物理性粘粒的差异达到极显著水平，其他随着海拔的增加的差异均不显著。

2.2 不同海拔下梵净山土壤养分特征

土壤酸碱度对土壤养分的有效性有重要影响，对土壤肥力状况有很大的影响[15-16]。在强酸性土壤中容易引起钾、钙、镁、磷等元素的短缺，而在强碱性土壤中容易引起铁、硼、铜、锰和锌的短缺，土壤酸碱度还通过影响微生物的活动而影响植物的生长[17-18]。由表2可知，土壤pH会随着植被所处的海拔不同而有所差异，差异达到极显著水平，且随着海拔的增加pH先增加后减少；且随着成土母质不同而不同，其中山地土黄壤到高山草甸土的pH介于3.65～4.82之间，而山地黄红壤的pH最大为4.82，明显高于其他4个土壤类型的pH；同种母质发育土壤的地带性分异分析，表明土壤性质差异受气候带影响较为明显[19]。山地黄红壤的CEC最低，为6.48 cmol/kg，并且随着海拔增加，CEC的含量也逐渐增加；高山草甸的达到最大14.80 cmol/kg，CEC在不同土壤类型之间差异较大，受地带性影响较大。

表1 梵净山不同海拔高度土壤物理性质Table 1 The different altitude soil physical properties of Fanjing Mountain

梵净山不同海拔下土壤氮、磷、钾含量差异不同(表2)，根据全国第二次土壤普查分类标准：土壤全氮＞2.0g/kg为一级，总体上梵净山不同海拔下全氮含量较为丰富，除了500～1 300m的海拔低于一级标准，其他海拔梯度都达到最优水平，尤其是海拔为2 101～2 350m的土壤全氮含量明显高于其他3个海拔梯度；碱解氮也表现为类似规律，其大小关系表现为先增加后减少的趋势；根据我国南方森林土壤全磷含量一般低于0.56g/kg，全钾含量一般为16.6g/kg左右，高可达24.9～33.2g/kg，低可至0.83～3.3g/kg[20]，梵净山自然保护区林下土壤全磷、全钾含量均较为丰富，其中全磷最大值为(4.61±1.37)g/kg，出现在1 301～2 100m；全钾最大值为(4.65±1.32)g/kg出现在2 101～2 350m。土壤全氮、有效磷及碱解氮受海拔的影响较大，在不同海拔下土壤全氮、有效磷及碱解氮的含量表现为极显著差异。

梵净山不同海拔下土壤化学计量特征有所差异(图1)，本研究不同海拔下土壤C/N比值变化范围分别为6.94～15.35，平均值为9.90；C/P比变化范围为7.79～14.09，平均值为12.03；N/P比变化范围为0.15～2.15，平均值为1.42变异系数为48.82％；土壤C∶N比8.02～21.03，平均值为11.88；整体来看，土壤C/N比随着海拔的增加呈现减小的趋势，而土壤C/P、N/P比随着海拔的增加呈现增加的趋势。

2.3 不同海拔下土壤有机碳矿化特征

土壤有机碳在土壤中的地位尤为重要，它是土壤中各种营养元素，它与土壤矿物质共同作为林木营养的来源，是衡量土壤健康的重要指标之一，土壤有机碳来自植物分泌物及残体的归还，其储量主要受气候、土壤、人类活动等因素的影响[21-22]。由表2可以看出：在不同海拔上，土壤有机碳含量存在着差异，差异水平达到极显著。其中海拔为2 101～2 350m的土壤有机碳含量明显高于其他4个海拔的，在2 101～2 350m是固氮乔灌木的主要分布地带，其植被分布较茂盛，植物生长量较大，能够有效地减弱雨水对土壤的侵蚀，而且地表凋落物较厚以及部分动物、微生物的残体的分解[23]，保持土壤有机碳含量处于较高水平。

表3表明，4个海拔土壤活性碳和缓效碳含量在海拔上的变化趋势和土壤有机碳含量变化趋势相似，总体上在海拔上的变化趋势的差异均不显著。不同海拔土壤活性碳和缓效碳含量变化范围分别为6.32～9.11g/kg和1.15～9.16g/kg，在海拔500～2 570m范围内，随海拔升高，土壤活性碳呈现降低的趋势，而缓效碳含量呈现增加的趋势。土壤有机碳矿化率在海拔500～2 100m相对较高，最大值出现在海拔1 301～2 100m，为13.20％，从海拔2 101～2 570m起开始明显降低，最低值出现在2 351～2 570m的海拔范围内，为7.57％。随海拔梯度的升高，土壤有机碳矿化率有减少的趋势。

2.4 不同海拔下土壤微量元素特征

随海拔梯度增加，空气散热快，温度逐渐降低，降水及空气湿度增加，气候变得湿冷，土壤的水热条件和植被均发生变化，不同的垂直地带土壤有机质的矿化程度、土壤的机械组成以及微生物数量等均不同，微量元素含量也不同[24]。通过研究不同海拔对梵净山土壤微量元素含量分布特征，发现：大于2 300m(高海拔)，2 101～2 350m(较高海拔)，1 301～2 100m(中海拔)，500～1 300m(较低海拔)，梵净山自然保护区土壤微量元素在不同海拔垂直空间含量分布有差异，且微量元素Mn、Cu随着海拔的增加的差异达到极显著水平。

表2 梵净山不同海拔高度下土壤主要养分特征Table 2 The main nutrient characteristics of soil in Fanjing Mountain

由表4可知，Mo平均含量为0.57～1.09mg/kg，最高含量为最低含量的1.91倍，最高值出现在海拔2 101～2 350m，最低值出现在海拔500～1 300m；Zn平均含量为24.33～43.19mg/kg，最高含量为最低含量的1.77倍，最高值出现在海拔1 301～2 100m，最低值出现在海拔500～1 300m；Mn平均含量为167.74～311.42mg/kg，最高含量为最低含量的1.85倍，最高值出现在海拔2 101～2 350m，最低值出现在海拔2 351～2 570m；Fe平均含量为21 532.42～25 442.36mg/kg，最高含量为最低含量的1.18倍，最高值出现在海拔1 301～2 100m，最低值出现在海拔500～1 300m；Cu平均含量为8.74～14.63mg/kg，最高含量为最低含量的1.67倍，最高值出现在海拔2 351～2 570m，最低值出现在海拔500～1 300m；土壤Cu变化趋势表现为在高海拔，即海拔1 301～2 100m平均含量最大，海拔500～1 300m时元素含量降低，随着海拔梯度降低，元素含量先增大后减小；土壤其余元素(Fe、Mn、Zn、Mo)含量随海拔梯度变化规律不明显。

图1 不同海拔下土壤化学计量特征Figure 1 Characteristics of soil chemical measurement at different altitude

表3 不同海拔土壤有机碳矿化组分Table 3 Mineralization fractions of soil organic carbon at different altitudes

2.5 不同海拔下土壤主要养分间的相关分析

土壤作为植物生长的基质，其养分特征具有空间和时间上的异质性[25]。土壤养分含量是海拔梯度主导下地形、气候以及生物因素相互作用的结果。海拔是山地重要的地形因子之一，海拔的不同会引起气候特征、林分类型、土壤类型的改变，进而导致土壤理化性质的差异[26]。主要土壤化学性质之间的相关性分析见表5，结果表明，岩石裸露率与矿化率之间相关性极显著，但与土壤有机质、土壤养分全量和有效态含量之间相关性不显著，表明其对土壤养分含量影响不大。而土壤缓效有机碳及活性有机碳均与土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾等大部分肥力指标表现出显著或极显著相关，表明土壤养分之间的各化学指标可以显著影响和改变土壤有机碳含量，从而影响土壤有机碳矿化过程。除此之外，pH只与有机质有显著负相关，和矿化率及其他各理化指标的相关性不显著，表明pH对梵净山土壤肥力状况影响不大。

表4 不同海拔土壤微量元素含量(平均值±标准差)Table 4 Trace element contents in soil at different altitudes(mean ±standard deviation)

3 讨论与结论

对土壤类型的划分，本文采用土壤属性和垂直生物气候带相结合的方法，研究了梵净山土壤类型及其分布规律。梵净山从山麓到山顶，随着山体海拔的升高，空气散热快，温度逐渐降低，降水及空气湿度增加，产生了生物气候的垂直分布差异，从而形成了各种山地土壤，有规律地排列成山地土壤垂直带谱。不同垂直高度的生物气候差异较大，导致表现出的土壤属性不同，由于从山麓到山顶不论成土条件还是土壤属性都是渐变的，除山顶和山麓的土壤明显不同外，其中间地段在垂直梯度上往往具有过渡性，梵净山土壤从山脚至山顶土壤类型主要为4种类型：海拔500(600)～1 300m为山地黄红壤，海拔1 301～2 100m为山地黄壤，海拔2 101～2 350m为山地暗黄棕壤，海拔2 251m以上为高山草甸土。山地黄红壤大部分为轻粘土，山地黄壤土壤质地主要为重壤，高海拔地区表土层土壤疏松，土壤多为重壤土。

在野外调查和室内化学分析结果基础上，比较了梵净山垂直梯度上土壤剖面特征和理化性质，得出在不同海拔上土壤属性是不同的。不同海拔土壤活性碳和缓效碳含量变化范围分别为6.32～9.11g/kg和1.15～9.16g/kg，在海拔500～2 570m范围内，随海拔升高，土壤活性碳呈现降低的趋势，而缓效碳含量呈现增加的趋势，最大值出现在海拔1 301～2 100m，为13.20％。土壤Cu变化趋势表现为在高海拔，即海拔1 301～2 100m平均含量最大，海拔500～1 300m时元素含量降低，随着海拔梯度降低，元素含量先增大后减小；土壤其余元素(Fe、Mn、Zn、Mo)含量随海拔梯度变化规律不明显。梵净山土壤不仅具有上述明显的垂直分布规律，而且还受地形地貌和其他因子的影响，它们的发生和分布是在水平地带性的基础上发展的，由于水平地带性与垂直地带性有着密切的关系，但因水热条件、植物群落、地形及母质等特性，因而也有别于相应的水平地带性土壤。通过研究发现，岩石裸露率与矿化率之间相关性极显著，土壤缓效有机碳及活性有机碳均与土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾等大部分肥力指标表现出显著或极显著相关。

表5 不同海拔高度下土壤主要理化性质相关关系Table 5 Relationship between soil physical and chemical properties at different altitudes

土壤的生态化学计量比主要受区域水热条件和成土作用特征的控制，由于气候、地貌、时间、土壤生物、母质类型以及人类干扰的影响，土壤碳、氮、磷、钾总量变化差异较大，进而使C∶N∶P的空间变异性很大[27]。研究表明：我国湿润温带土壤的C∶N稳定在10～12之间，热带与亚热带土壤C∶N高达20∶1，全球土壤 C∶N 平均为13.33[28]，而全球森林 0～10cm土壤均值为12.4[29]。本研究不同海拔下土壤C/N比值变化范围分别为6.94～15.35，土壤C/N比随着海拔的增加呈现减小的趋势，平均值为9.90，接近于热带亚热带黄壤的C∶N比。C/P比变化范围为7.79～14.09，平均值为12.03，远远低于全球森林 0～10cm 土壤 C∶P 均值(81.9)[30]，这从另一个方面验证了梵净山森林生态系统土壤磷的缺乏，P是限制梵净山生态系统的主要限制因子。N/P比变化范围为0.15～2.15，平均值为1.42变异系数为48.82％；土壤C∶N 比 8.02～21.03，平均值为11.88。

整体来看，土壤C/N比随着海拔的增加呈现减小的趋势，而土壤C/P、N/P比随着海拔的增加呈现增加的趋势。梵净山地区低海拔湿热，高海拔湿冷，湿热地区有利于地表植被的生长，从而促进土壤碳氮的累积。相对于高海拔地区，低纬度地区降雨和温度较大，导致磷的淋溶和风化作用较强，不利于磷的累积[27]。土壤 C∶P、N∶P 比 在2 001～2 350m 较高，该海拔梯度在野外调查中采样点坡度较平缓，植被种类丰富，草本植物生长较好；林地光照与通气状况良好，高大乔木造成的遮光现象不多；在凋落物与根系分解过程诱导形成的微生物区系丰富，导致该海拔梯度内土壤生物活性强，使得土壤碳、氮含量相对较高，以至于该海拔梯度内生态化学计量特征明显高于其他海拔梯度[31]。

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Soil Mechanical Composition and Nutrient Properties Along an Elevational Gradient in Fanjing Mountain

SHU Kun1，ZHANG Jia-chun2，ZHANG Zhen-ming3*，ZHANG Rui-qing1
(1.Shanxi Land Engineering Construction Refco Group Ltd.，Xi'an 710075，China；2.Guizhou Botanical Garden,Guiyang 550000，China；3.Guizhou Institute of Biology,Guiyang 550009，China)

【Objective】The objective of the study was to investigate soil physical and chemical properties along an elevational gradient in Fanjing Mountain，and to provide a scientific basis for forest restoration and ecosystem management.【Method】Soil samples were collected from different elevationsof Fanjing Mountain.Soil properties was studied by field investigation and laboratory analysis.【Results】The soil types along an elevation of Fanjing Mountain were mountain yellow red soil，yellow soil，dark yellow brown soil and meadow soil，respectively.Mountain yellow red soil mostly contained light clay but mountain yellow soil had much more heavy loam.The surface soil in the higher altitude was loose and it generally belonged to be heavy loam soil.Soil C/N decreased with the increase of altitude but the opposite was true for soil C/P and N/P was.Soil active carbon ranged from 6.32g/kg to 9.11g/kg and slow active carbon varied from 1.15g/kg to 9.16g/kg along the elevation gradient.Soil active carbon decreased with increasing elevatioin of 500m to 2 570m but slow active soil carbon exhibited a contrasting pattern.The mineralization rate of soil organic carbon(13.20％)was highest in the elevation of 1 301m to 2 100m.The average soil trace element of Cu was greatest in the 1 301m 2 100m.Moreover，Cu content decreased during the elevation of 500～1 300m.Cu content firstly increased then decreased with altitude.The variation of other soil elements(e.g.，Fe，Mn，Zn and Mo)was not obvious along altitude.The correlations between bare stone rate and mineralization rate were significant.In addition，soil slow-release organic carbon and labile organic carbon showed significant relationships with most fertility indexes，including soil organic matter，total nitrogen，available phosphorus and available potassium.【Conclusion】There were obvious differences in soil types and soil properties among different elevations.

different elevation；soil properties；the vertical distribution；Fanjing Mountain

S153.6

A

1000-2650(2017)01-0052-08

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.01.008

2016-09-18

贵州省省院合作项目[黔科合院地合(2013)7002]；贵州省社发攻关项目[黔科合SY(2013)3152]。

舒锟，硕士研究生。*责任作者：张珍明，在读博士研究生，高级工程师，主要从事土壤化学与生态学方面研究，E-mail：zhang6653579@163.com。

(本文审稿：刘 洋；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋)