岳麓山坡面林下土壤有机质分布特征研究

2018-07-02江未来

邵阳学院学报（自然科学版） 2018年3期

江未来

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙，410081)

从全球来看，我国属于水土流失严重的国家之一，水土流失面积达到356万km2以上[1]。在水土流失过程中，大量肥沃土壤随水流走，土壤肥力不断下降，影响植物生长，破坏土地资源，土壤质量下降[2]。土壤有机质是土壤的重要组成成分，是衡量土壤肥力的重要指标[3]。研究土壤有机质的空间分布，掌握土壤理化性质空间上的变化特征，对于防治水土流失，保护生态环境具有重要意义。

由于不同地区气候、母岩、地形、植被和动物等方面存在差异，形成了多种土壤类型，导致土壤性质各异。即使同一土壤类型，土壤的某些性质在不同的空间位置仍存在着一定的差异[4]，这种土壤特性在空间分布的非均一性被称为土壤特性的空间变异性[5]。在不同尺度上研究土壤空间变异性，对了解土壤的形成过程、结构和功能以及植物与土壤的关系等方面具有重要的参考价值。岳麓山位于我国亚热带季风气候区的长沙盆地西侧，属于长沙有名的风景区之一，具有雨季降水丰富、人类活动频繁的特点，近年来由于旅游开发，山上的某些坡面存在轻微水土流失现象。自20世纪70年代以来，国内外学者对土壤特性的空间变异性做了大量的研究，取得了许多重要的进展[6-10]。然而关于岳麓山土壤特性方面的研究较少，如王玲等[11]从坡面小区尺度对林地土壤部分理化指标进行了评析；谢轲[12]等对影响土壤硬度的容重、温度、湿度等因子进行了分析。鉴于此，文中选取岳麓山赫石坡坡面作为研究对象，通过实地考察采样和室内实验，从不同坡位、不同土层深度分析其空间尺度下土壤有机质分布特征、影响因素及其与pH的相互关系，以期为研究岳麓山土壤特性和生态保护提供科学依据。

1 研究区概况

岳麓山(112°44′—112°48′E，28°20′—28°27′N)位于湖南省长沙市，属于长浏盆地西缘，湘中丘陵与洞庭湖平原的过渡地带。山体沿湘江西岸南北分布，长约4km，宽约2km，面积6km2，最高海拔300.8m[13]，基岩以石英砂岩和页岩为主，丘陵红壤发育，植被覆盖率较高，地表堆积较丰富腐殖质层。该山位于亚热带季风性湿润气候区，具有冬旱夏雨，冬冷夏热，雨热同期的气候特征。夏季极端气温可达40℃以上，年平均气温17.2℃，年积温5457℃，多年平均降雨量1361.6mm[14]。植被类型主要为亚热带常绿落叶阔叶林，植被生长繁茂，森林资源丰富。本次研究区域为岳麓山北段东坡赫石坡至圆佛岭一带坡面，坡长约430m，坡宽约200m，坡度较陡。该地属于长沙风景区，人类活动较频繁，对生态环境影响较大，坡面内植被覆盖以灌木和乔木为主，分布较为稀疏，林下土壤较多出露地表。

2 研究方法

2.1 样品采集

根据研究区实际情况，共划定6个采样区。如图1所示，坡下为S1、S2，坡中为S3、S4，坡上为S5、S6。采样时在每个采样区内设置5-8个采样点，为了不破坏土壤自然结构，保持土壤自然状态，需要去除地表枯枝落叶层至2cm表土，然后在每个采样点按0-20cm、20-40cm、40-60cm的标准分层采样，取样时使用土钻取土，同时记录样点的海拔高度、坡位和植被状况，共取得混合散土样18个。

图1 土壤样区分布图Fig.1 Distribution of soil sampling sites

2.2 室内实验

本次野外采集的所有土样均带回实验室测定土壤理化性质，测定实验参照鲍士旦主编的《土壤农化分析》[15]完成。

土壤pH值用电位法测定。实验步骤如下：先用50ml小烧杯称取制备好的土壤样品10g，加入去除CO2的蒸馏水25ml(水土比为2.5∶1)，用磁力搅拌器充分搅拌2-3分钟后静置30min，最后用校正好的pH计直接测试澄清水溶液并记录读数，为了实验的精确性，每个样品溶液测定三次取平均值。

土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定，实验步骤如下：首先称取过100目筛风干土样0.2g，放入干燥试管中,用滴定管加入5ml浓度为0.8mol/L的K2Cr2O7和5ml浓H2SO4溶液并缓慢摇匀。将试管放入温度为185-190℃的石蜡油浴锅中，沸热至5分钟(油锅温度保持在170-180℃之间)，取出试管冷却后，将试管内熔融样品转移至250ml的三角瓶中，再加入2-3滴邻啡罗啉指示剂，最后用浓度为0.2mol/L的FeSO4标准溶液滴定至呈现砖红色为止,为了保证实验的精确性，每个土壤样品做两个平行，结果取平均值。有机质含量用以下公式进行计算。

上式中,SOM为土壤有机质,g/kg;V0为滴定空白试验所用FeSO4溶液的体积，ml;V为滴定样品所用FeSO4溶液的体积,ml;C为0.8 mol/L重铬酸钾标准溶液的浓度，mol/L；5为0.8mol/L重铬酸钾标准溶液的体积，ml；3.0为1/4碳原子的摩尔质量，g/mol;1.1为氧化校正系数，W为实验称取的土壤样品质量,g;1.724为平均换算系数。

3 结果与分析

3.1 有机质分布特征

有机质含量是评价土壤肥力状况的重要土壤因子，它主要来源于微生物对动植物残体分解的有机产物，它可以为植物生长提供所需要的各种养分，促进植物生长发育及微生物、土壤动物的活动，提供土壤微生物氮源，维持微生物量，对土壤结构的形成和物理、化学、生物性状的改善意义重大。

根据实验统计，总样本土壤有机质含量在8.05g/kg到13.8g/kg之间，有机质含量较高。根据下图2均值变化可知，0-20cm土壤层有机质含量表现为坡下﹤坡中﹤坡上，主要原因是坡下人类活动较频繁，地表草本植物、枯枝落叶等覆盖物较少，积累的有机质相应较少。S6位于圆佛岭的陡坡上，地表裸露，降雨造成的水土流失导致有机质含量较低；20-40cm土壤层有机质含量从坡下往坡上呈先略微减小后增大趋势；40-60cm土壤层有机质含量则从坡下往坡上呈递减趋势，这可能跟土壤侵蚀和发育成熟的原始土壤堆积厚度有关。

下图2中有机质的线性变化，通过对有机质平均值随土层深度变化进行线性拟合分析，得到拟合方程的系数为-0.0391，说明随着土壤深度增加，有机质含量不断减小，有机质与土层深度呈负相关关系。分析认为，土壤有机质主要来源于地表植被提供的枯枝落叶残体分解返还，随土层深度增加，枯枝落叶相应减少，有机质含量降低。

图2 土壤有机质含量分布特征Fig.2 Characteristics of soil organic matter content distribution

3.2 有机质与pH的关系分析

土壤pH通过影响土壤微生物活动、有机质分解、养分元素有效性及其迁移转化而间接影响地表植物的生长。分析研究区土壤酸碱状况和空间分布变化特征，对于土壤有机质分布变化的原因分析具有重要意义。

从下表1可知，土壤pH值在2.78-4.01之间，且随土壤深度增加其酸性逐渐减弱。0-20cm土层pH的变异系数为8.41%，存在弱变异性。20-40cm、40-60cm土层变异系数分别为10.88%和10.67%，属于中等程度变异。土壤有机质质量分数在1.85%-3.17%之间，0-20cm、40-60cm土层有机质的变异性较强，变异系数分别为17.5%和15.32%，属于中等程度变异。20-40cm土层有机质变异性较弱，变异系数为9.78%。通过对不同土层深度土壤有机质质量分数和pH值分别进行方差分析表明，两者随土层深度的变化差异性均未达到显著性水平。

从下表2的均值比较可知，土壤有机质质量分数变化规律跟表层有机质变化规律相一致；土壤pH则为坡上<坡下<坡中，其原因除了受土壤母质均一性影响，还跟地表植被盖度和人类活动相关。土壤pH在坡下的变异系数为9.58%，属于弱变异性，其它不同坡位土壤有机质质量分数和pH的变异系数均大于10%，属于中等程度变异性。通过对有机质质量分数和pH值的方差分析发现，两者在不同坡位的变化差异性均未达到显著性水平。图3所示为有机质质量分析与pH值的线性相关关系，拟合方程的系数为-0.5855。通过对不同坡位土壤有机质质量分数与pH值相关性分析得到相关系数为-0.506，显著性r=0.032，土壤有机质质量分数与pH呈显著负相关关系(P<0.05)，说明有机质含量与pH值关系密切，有机质含量越高，有机质提供的酸性离子对pH的指示作用越显著，土壤酸性越强。

表1 不同土层土壤有机质质量分数与pH描述性统计分析结果

Table 1 Descriptive statistical analysis results of SOM mass fraction and pH in different soil layers

指标土壤深度/cmMinMaxAVGSDCV/%F值显著性质量分数/%0-202.053.172.400.4217.5020-401.872.512.250.229.7840-601.852.722.220.3415.320.5060.613pH0-202.783.493.090.268.4120-402.863.853.400.3710.8840-602.984.013.560.3810.672.8600.089

表2 不同坡位土壤有机质质量分数与pH描述性统计分析结果

Table 2 Descriptive statistical analysis results of SOM mass fraction and pH in different slope positions

指标坡位MinMaxAVGSDCV/%F值显著性质量分数/%坡下1.852.752.210.3013.57坡中1.872.512.290.2812.22坡上2.013.172.370.4318.140.3370.719pH坡下2.983.723.340.329.58坡中2.784.013.510.4412.54坡上2.863.793.210.3711.530.9160.421

图3 有机质质量分数与pH的线性关系Fig.3 Linear relationship between organic matter mass fraction and pH

4 结论

通过对研究区土壤有机质、pH的空间分异特征及两者的相互关系进行分析研究，结果表明：

1)土壤有机质介于8.05-13.8g/kg之间。0-20cm土层有机质含量为坡下﹤坡中﹤坡上，主要受人类活动、地表植被、枯枝落叶等覆盖物影响积累的有机质向坡中坡上递减形成；20-40cm土壤层有机质含量从坡下往坡上呈先略微减小后增大趋势；40-60cm土层有机质含量从坡下往坡上呈递减趋势，跟土壤侵蚀和发育成熟的原始土壤堆积厚度有关。不同坡位土壤有机质随土层深度变化呈负相关关系，有机质含量均随土层深度的增加而减小。

2)土壤有机质质量分数在1.85%-3.17%之间，0-20cm、40-60cm土层有机质的变异系数分别为17.5%和15.32%，属于中等程度变异性。20-40cm土层有机质变异系数为9.78%，变异性较弱。土壤pH值在2.78-4.01之间，属于强酸性土壤，且随土壤深度增加其酸性逐渐降低。0-20cm土层pH的变异系数为8.41%，存在弱变异性。20-40cm、40-60cm土层变异系数分别为10.88%和10.67%，属于中等程度变异性。方差分析表明，两者随土层深度变化的差异性均未达到显著性水平。

3)土壤pH为坡上<坡下<坡中，跟土壤母质均一性、地表植被盖度和人类活动相关。除坡下土壤pH的变异系数为9.58%，存在弱变异性外，其它不同坡位土壤有机质质量分数和pH的变异系数均大于10%，属于中等程度变异性。方差分析表明，两者在不同坡位变化的差异性均未达到显著性水平。相关性分析表明，土壤有机质质量分数与pH呈显著负相关关系(P<0.05)，有机质含量与pH值关系密切。

参考文献:

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