雅安不同海拔地区的珙桐群落土壤养分特征

李长燕,彭 希

(1.名山区林业局，四川 雅安 625100；2.四川农业大学林学院，四川 成都 611130)

土壤碳氮磷钾含量的多少对植物的结构和功能有着重要的影响，直接决定地被植物生长、植物群落的结构、生产力水平高低和森林生态系统的稳定性[1～2]。作为土壤碳氮磷钾循环的重要指标，土壤生态化学计量比综合了森林生态系统功能的变异性，不仅方便测量，而且在全球气候变化的时代，有助于维护森林生态系统的稳定[3]。土壤生态化学计量学在欧洲起步较早，20世纪中期就已经有了初步的研究，到21世纪初，国外的化学计量学已经比较系统[4]，且我国化学计量学也开始步入起步阶段。近10年，国内生态学者开始运用化学计量学对土壤及其植被进行了大量的研究，如肖烨等对吉林东部山地沼泽湿地土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量学特征的研究[5]。目前，国内这方面的研究主要集中在：(1)不同土壤深度的化学计量学特征[6～7]；(2)不同植被类型土壤的化学计量特征[8-9]；(3)不同施肥条件下土壤的化学计量特征[10～11]；(4)不同林龄乔木土壤的化学计量特征[12]等。当前，围绕不同海拔梯度上森林生态系统土壤碳氮磷钾等研究[13]逐渐增多，作为一种自然地理变化，海拔梯度的变化对森林土壤碳氮磷钾含量、植被类型以及因植被郁闭度不同导致林地凋落物的变化均有一定的影响[14]，而且这些因素又会对森林土壤养分造成一定的影响[15]。因此，对不同海拔土壤碳氮磷钾的研究至关重要。

雅安位于四川盆地西部边缘，属于典型的亚热带季风性湿润气候，许多珍稀濒危植物在这儿得以生存和繁衍。珙桐作为我国特有的珍稀物种，具有多方面的价值，不仅有很好的观赏价值，在药用、经济方面也具有很高的价值。鉴于此，以雅安珙桐群落不同海拔高度土壤作为研究对象，测定土壤有机质、氮磷钾等养分含量，以生态学计量学方法探究雅安珙桐群落不同海拔土壤碳氮磷钾特征，分析不同海拔梯度间的土壤养分差异及生态学计量特征，为雅安珙桐群落的保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于雅安市宝兴县、汉源县、雨城区、天全县和荥经县5个地区的珙桐群落分布带上，地域跨29°28′00″N～30°4′29″N，102°18′33″E～102°58′30″E之间，海拔在 1 213 m～2 276 m之间。降雨多，日照时间较少，年均降雨量 1 800 mm左右。雅安珙桐群落分布广阔，低海拔地区的珙桐群落多与常绿阔叶树种混交，高海拔地区多与落叶阔叶树种混交。土壤类型主要为紫色土、山地黄壤、山地黄棕壤，土壤养分较为丰富(见表1)。

表1

不同海拔梯度样地基本概况

1.2 土壤样品采集

调查于2017年7—8月进行，在海拔 1 000 m～1 500 m(梯度Ⅰ)、1 500 m～2 000 m(梯度Ⅱ)、2 000 m～2 500 m(梯度Ⅲ)的雅安珙桐群落分布带上，随机选取了16个具有代表性的样地。根据雅安珙桐群落根系分布和土壤深度[16]，每个样地采用5点法采集0～30 cm土样5份，并去除枯枝落叶等，然后将5点土样混合均匀后装入袋子。将采集到的土壤样品带回实验室，风干，去除根、叶、石块，磨细后分别过2 mm和0.15 mm网筛，最后测定与分析土壤样品的各指标。

1.3 测定方法

土壤pH值的测量采用电位法，有机碳测定采用重铬酸钾容量法—稀释热法，土壤全氮测定采用凯氏定氮法，土壤全磷测定方法采用钼锑抗比色法，土壤全钾的测定采用酸溶—火焰光度法[17]。

1.4 数据处理

数据分析采用软件Excel2010和SPSS 20.0，对不同海拔梯度之间土壤碳氮磷钾含量和生态学计量比进行单因素方差分析和LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同海拔梯度土壤C、N、P、K含量

对雅安珙桐群落不同海拔梯度土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量进行分析(见表2)，随着海拔梯度的增加，土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量逐渐升高，表现为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，速效钾含量表现为先降低后增加的趋势，土壤有机碳、全氮含量增加的程度逐渐减小，全磷、全钾含量增加的程度逐渐增加。土壤有机碳、全氮、全磷的变异系数都较高，其中有机碳最高，说明不同海拔梯度下有机碳、全氮、全磷差异较大，土壤有机碳含量对海拔梯度的响应最大，全钾变异系数较低，海拔梯度对全钾含量影响较小，不同海拔梯度土壤全钾含量分布较均匀。土壤pH值变化差异不大，随着海拔梯度的增加，pH值逐渐增大，但始终偏碱性，变异系数也比较小，海拔的变化对其影响并不大。

表2不同海拔梯度土壤理化性质

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

2.2 不同海拔梯度土壤C、N、P、K生态化学计量特征

对不同海拔梯度土壤C、N、P、K生态化学计量特征比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K进行分析(见表3)，土壤C∶N、C∶P、N∶P随着海拔的增加，呈现先增加后降低的趋势，土壤C∶P、N∶K随着海拔的增加而增加，P：K随海拔的变化不变。Ⅰ和Ⅲ土壤C∶N、C∶P差异显著，其余差异不明显。

表3不同海拔土壤化学计量特征

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

图1 不同珙桐群落土壤有机碳、全氮、全磷、全钾元素相关性

对不同海拔梯度土壤C、N、P、K生态化学计量特征进行相关分析(见图1),研究结果显示不同珙桐群落土壤碳氮磷平均值之间呈极显著相关，相关系数R2分别为0.8636(P=0.000)、0.4421(P=0.000)、0.5951(P=0.000)，土壤K与C、K与N、K与P之间相关性不显著。从空间尺度上看，土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量随海拔梯度的变化而变化。说明雅安珙桐群落土壤有机碳、全氮、全磷和全钾分布在一定程度上相互耦合。

3 讨论与结论

3.1 不同海拔土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量特征

森林群落的发展离不开土壤，土壤的各种化学反应影响着土壤pH值，对土壤酶和有机质的分解至关重要，间接影响着植物根系对土壤养分的吸收，另外，土壤碳氮磷钾的含量影响着森林群落的结构和功能。随着海拔的增加，各海拔梯度土壤pH值差异不显著，海拔对土壤pH值影响不大，且土壤呈酸性，说明珙桐可能适合生长在酸性土壤中，这与杨敬天[18]的研究结果一致。张继平的研究表明，土壤碳氮磷含量与海拔梯度就有一定的关系[19]。张广帅等[20]云南省泥石流频发区山地不同海拔土壤化学计量特征的研究发现，土壤全碳主要来自土壤微生物对地被植物凋落物的分解和转化，全氮含量来源于氮素的硝化与反硝化化学反应等过程[19]，土壤有机质和全氮含量相互影响。雅安珙桐群落不同海拔梯度土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量随着海拔的升高而增加。本研究中土壤有机碳、全氮和全磷平均值分别为39.46 g·kg-1、3.11 g·kg-1和0.85 g·kg-1，高于全国土壤有机碳、全氮和全磷平均值，说明土壤养分含量较高，这与赵维俊等[21]研究一致。随着海拔梯度的增加，土壤有机质含量增加，其原因可能是相对低海拔地区，高海拔地区湿度大，致使高海拔地区凋落物转化为有机质的速度加快，高海拔地区土壤有机碳含量最高。由于土壤有机质和全氮的相互影响，土壤全氮和有机质的变化趋势相似。磷元素和钾元素主要受到岩石淋溶和气候的影响，雅安地形主要为山地，湿度较大，下雨强度较小，磷元素和钾元素的淋溶较小，海拔相对较高的地区土壤全磷和全钾含量较高。张巧明等[22]在研究秦岭不同海拔土壤理化性质时发现土壤全氮含量随着海拔的增加而增加，与本研究结果一致。土壤中的K元素主要来自矿物风化、森林凋落物和降水淋溶，与全钾的变化趋势不一致，与黄藓茹等[23]的研究结果不一致，可能是海拔梯度Ⅱ处珙桐群落人类活动较大，加剧了土壤速效钾的流失。

3.2 C、N、P、K化学计量特征的影响因素

相关研究表明，影响土壤碳氮磷钾化学计量特征的因素主要有海拔、森林植被群落类型、土壤类型、气候条件等，其中不同海拔梯度和纬度区域下的植物群落表土土壤碳氮磷钾含量差异很大，使得土壤碳氮磷钾比差异明显。在本研究区域内，珙桐群落不同海拔梯度的土壤C∶N介于8.91～33.98之间，其均值为13.34，略高于全球土壤C∶N，并且与相关的研究结果一致。研究区内土壤C∶P平均值(48.02)低于全球森林0～30 cm土壤C∶P平均值[24]，说明土壤磷的含量比较高，这与张广帅等[20]研究结果一致。C、N、P作为植物细胞的必要组成成分，其含量相互影响，C、N、P以枯落物形式进入土壤，张光启[25]的研究表明，植物凋落物与土壤养分之间耦合，致使土壤C、N、P化学计量比变化趋势相似。且N∶C的斜率比P∶C大，说明N含量受C含量的影响较大。王绍强的研究也表明，土壤C∶N与有机质分解速度成反比关系[3]。土壤C∶K平均值为1.28，这与张海东[26]的研究结果比较一致，土壤全钾含量较为丰富。土壤C∶N、C∶P、N∶P在海拔梯度Ⅱ较高，这主要是因为该海拔梯度范围内森林植物群落较为丰富，土壤有机碳含量高，生态系统生物化学循环快；此外，样地内的光照条件良好，优势乔木树种珙桐造成的遮光现象不严重，灌木和草本层的植物生长良好，生态系统内物质循环快；植物根系及其周围土壤微生物种类和数量较高，使得该海拔梯度内土壤的生物活性强，致使该海拔梯度内生态化学计量特征最高。随着海拔梯度的升高，土壤C∶N、C∶P、N∶P逐渐增加，然后减少，而C∶K、N∶K随海拔梯度的增加而增加，主要是因为有机碳和全氮受外界环境和海拔的影响，不同海拔梯度P∶K变化不大，主要是因为磷和钾元素都是气候和岩石淋溶的影响，造成不同的海拔梯度土壤全磷和全钾含量都随着海拔的增加，P∶K变化不大。低海拔梯度地区受人类活动的影响，有机碳和氮的积累少，有机碳和全氮含量较低。不同海拔梯度C、N、P与K的化学计量比相关性不明显，说明海拔对C、N、P与K的化学计量比影响不大。本研究中先通过计算不同珙桐群落土壤C、N、P、K含量的平均值，对C、N、P的化学计量比相关性分析，N∶C的斜率比P∶C大，说明N含量受C含量的影响较大。王绍强的研究也表明，土壤C∶N与有机质分解速度成反比关系[3]。通过对C、N、P和K的化学计量比线性分析，K与C、N、P之间的相互作用不大。

综上，珙桐群落土壤碳氮磷钾含量丰富，高于全国土壤0～30 cm碳氮磷钾含量，不同海拔珙桐群落土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量随着海拔的增加而增加，土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量受海拔的影响，土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量变异系数都较高(>25%)；海拔梯度的变化对土壤C∶N、C∶P有一定的影响，C、N、P之间相互影响，且与K的影响效果不大。在保护雅安珙桐群落的过程中，不仅需要考虑当地的气候条件和土壤条件等，还应该考虑海拔梯度的变化对土壤养分和C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K的影响。通过适当的林分调整保持合理的群落结构，并减少人为干扰，使珙桐群落与其生境充分发挥各自的生物学和生态学特征。针对本研究采集土壤样品深度导致的问题，对于土壤深度较浅的地区，可适当降低取样深度，如采集0～20 cm的土样；也可采集多层土样，如分别在0～20 cm、>20 cm～40 cm和>40 cm～60 cm土层采集土壤样品。