色季拉山急尖长苞冷杉林不同坡向土壤养分及肥力研究

高 郯,李江荣,卢 杰,*,郑维列,陈甲瑞,王建科,段 斐

1 西藏农牧学院高原生态研究所,林芝 860000 2 西藏高原森林生态教育部重点实验室,林芝 860000 3 西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站,林芝 860000

地形是某些生态过程发生的基本组成因素,也是气象、环境等具有时空异质性的重要来源,坡向作为地形中最重要的因子之一,其通过影响非生物资源的空间分布,如太阳辐射、光照、温度、风与地面的夹角等影响土壤养分的转化及分布,进而对植被的生长发育、种群的组成和分布产生影响[1- 4]。土壤是陆地生态系统的重要组成部分,尤其是森林生态系统,为一切生物生化反应提供载体,土壤中养分显著影响植被生长、群落组成、结构及生产力水平[5- 6],反过来植被的生长及分布状况会影响土壤养分的分布及循环。不同植被根系在土壤中生长及分布状况不一,土壤中的物质循环在不同土壤深度就表现出差异性,各土层的肥力特征亦有所差异[7]。同时,地形、土壤特征和土壤肥力具有高度相关性,土壤肥力是各因素的综合作用、综合反映,是土壤的基本属性和本质特征,是衡量土壤质量的有效手段,主要体现在土壤养分有机质、氮、磷、钾等指标[8- 9]。目前对土壤肥力的研究多采用定量化权重计算方法,主要分为经验权重如专家打分法、层次分析法和统计权重如相关关系法、灰色关联分析法、主成分分析法、内梅罗指数法[10- 13],但很少结合养分含量状况对其不同坡向肥力进行研究,并分析其肥力的限制因子。

元素间的比值即生态化学计量比通常用于研究养分循环、养分利用效率及限制性元素等方面[14]。碳、氮、磷、钾是植物体结构和生长发育所必需的元素[15],在生态系统的物质循环和元素平衡中发挥重要的作用[16],其主要来源于土壤,土壤中的养分状况显著影响植被的生长。王玲玲[17]对华北落叶松研究表明,其土壤中的C∶P、N∶P值远低于我国土壤相应的平均值,华北落叶松的生长主要受氮限制。刘兴诏等[18]对鼎湖山南亚热带森林初、中、后3个演替阶段植物与土壤中N、P的化学计量特征研究,发现其植物叶片和土壤中的N∶P均随着演替过程同步增加。不同坡向养分存在差异,其化学计量比亦可能同步存在差异,朱秋莲等[19]对黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征研究,发现阴坡养分及其化学计量比均高于阳坡。因此,有必要对不同坡向土壤养分元素的化学计量比进行研究,以明确不同坡向养分循环机制。

急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)是松科(Pinaceae)冷杉属(AbiesL.)长苞冷杉(AbiesgeorgeiOrr)的变种,主要分布在藏东南、滇西北、川西南的海拔为2500—4500 m的高山地带,是色季拉山植被垂直带谱中的重要组成部分,在水土保持、水源涵养、维持区域生态平衡等方面具有重要作用[20]。但该种群有减少的趋势,并面临种群灭绝的危机,故已被列入中国物种红色名录,处于易危状态[21]。目前,色季拉山急尖长苞冷杉的相关研究主要集中在植被方面的研究,如群落结构、物种多样性、死亡木及林隙更新[22- 24]等,林下土壤的研究主要集中在有机碳的分布、土壤呼吸以及大量养分方面的研究[25- 27],而鲜有对其不同坡向、不同土壤层次尤其是深层次土壤的养分元素、限制性元素及土壤肥力状况研究。

本研究通过对色季拉山不同坡向急尖长苞冷杉林的土壤养分进行测定,采用化学计量比、内梅罗指数并结合全国第二次土壤普查分级标准研究其养分及肥力特征,旨在阐明不同坡向土壤养分及肥力状况,探究其养分循环机制,明确其限制性元素,以期为急尖长苞冷杉林的经营管理和生态保护提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于西藏林芝市林芝县境内的色季拉山,属念青唐古拉山向南延伸的余脉,其地理位置94°28′—51′E,29°21′—50′N,该区属于湿润山地暖温带和半湿润山地温带气候,干湿季分明。年平均气温-0.73℃,最高月(7月)平均气温9.23℃,最低月(1月)平均气温-13.98℃。年均降水量1134 mm,6—9月为雨季,占全年降水的80%左右,年均相对湿度78.8%,全年日照时数为1151 h[28]。土壤为山地棕壤。

2 研究方法

2.1 土壤样品的采集与测定

在色季拉山急尖长苞冷杉天然纯林选择2个样点(阳坡和阴坡),每个样点设置3个30 m×30 m的固定标准样地,每个样地挖2个1 m深的土壤剖面,共12个土壤剖面(阴坡、阳坡各6个),按照陆地生态系统土壤观测规范取0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—100 cm 5个土层的土壤样品。同时开展样地调查,观察并记录样地内林分特征、立地条件和土壤剖面状况,具体详见表1。

将土样带回实验室,置于通风清洁的室内自然风干,待样品风干后,拣去动植物残体(如根、茎、叶等)以及石块,用木棍将其研细,使之全部通过1 mm孔径的尼龙筛。土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾的测定参照有关行业标准[29]。

表1 不同坡向样点基本信息

2.2 土壤肥力评价方法

2.2.1土壤养分的丰瘠评价

结合全国第二次土壤普查分级标准(表2)对色季拉山不同坡向急尖长苞冷杉林的土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾等指标进行了丰瘠程度的评价[30]。

2.2.2内梅罗指数法

采用修正的内梅罗指数法对色季拉山不同坡向急尖长苞冷杉林的土壤肥力进行综合研究。由于各指标的单位不统一,为消除量纲和单位的影响,我们根据表2及色季拉山急尖长苞冷杉林的土壤养分状况,我们划定了内梅罗评定方法中土壤各属性分级标准(表3),并参照表3对其标准化,公式如下[13,31]：

表2 土壤养分含量分级标准

SOC∶有机质,Organic matter; TN∶全氮,Total nitrogen; AN∶碱解氮,Available nitrogen; TP:全磷,Total phosphorus; AP:速效磷,Available phosphorus; TK:全钾,Total potassium; 速效钾Available potassium

(1)

(2)

(3)

当ci>xp时,Fi=3

(4)

(5)

表3 内梅罗评定方法中土壤各属性分级标准

土壤综合肥力指数F分级标准(表4)。

表4 土壤肥力等级标准

3 结果与分析

3.1 土壤化学性质的统计学特征及丰瘠程度评价

由表5可知,急尖长苞冷杉林阳坡土壤的pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、有机碳均值分别为5.28、31.98 g/kg、1.01 g/kg、338.17 mg/kg、0.40 g/kg、22.47 mg/kg、1.46 g/kg、55.30 mg/kg、18.55 g/kg,变异系数依次为8.19%、62.73%、59.08%、58.17%、23.20%、37.03%、42.34%、61.52%、62.73%；阴坡土壤的pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、有机碳均值分别为5.18、57.19 g/kg、2.17 g/kg、723.47 mg/kg、0.45 g/kg、22.86 mg/kg、0.56 g/kg、247.83 mg/kg、33.17 g/kg,变异系数依次为15.13%、82.40%、60.77%、60.76%、58.16%、85.96%、70.12%、62.44%、82.40%。除土壤pH和全钾外,各养分含量均表现为阴坡>阳坡,其中,阴坡土壤碱解氮含量为阳坡的2倍,速效钾含量为阳坡的4倍。阴坡各指标的变异系数均>阳坡,其中全磷、全钾和速效磷分别高出阳坡24.96%、27.78%和48.93%。不同坡向的变异系数均介于10%—100%之间,属于中等变异。

结合表2及表5可知,阳坡和阴坡的全磷均处于“较缺”水平,全钾均处于“极缺”水平。碱解氮均处于“丰富”水平,速效磷均处于“较丰富”水平。有机质均处于“较丰富”水平,其中阴坡的含量更高,属于“丰富”水平。阳坡的全氮和速效钾均处于“中等”水平,而阴坡的全氮和速效钾处于“丰富”水平。

表5 色季拉山急尖长苞冷杉林不同坡向土壤养分描述性统计特征

3.2 不同坡向土壤养分的分布特征

由图1可知,阳坡和阴坡pH值均随土壤深度的增加而增加,范围分别是4.65—5.64和4.35—5.70,阳坡0—10 cm、10—20 cm土层和其他土层间差异显著(P<0.05),20—100 cm之间的各土层差异均不显著(P>0.05),阴坡0—10 cm土层和除10—20 cm外的各土层之间差异显著(P<0.05)。阴坡土壤pH<阳坡,各土层不同坡向之间无显著性差异。

由图1可知,阳坡和阴坡有机质均随土壤深度的增加而降低,范围分别是11.94—56.85 g/kg和12.34—121.33 g/kg,阳坡0—10 cm、10—20 cm与其他土层间差异显著(P<0.05),阴坡0—10 cm、10—20 cm土层与40—60 cm、60—100 cm土层差异显著(P<0.05),其他土层之间差异不显著(P>0.05)。阴坡土壤有机质含量>阳坡,其含量在0—10 cm、10—20 cm土层显著高于阳坡。

由图1可知,阳坡和阴坡全氮、碱解氮均随土壤深度的增加而降低,范围分别是0.61—1.55 g/kg和0.83—3.99g/kg、203.00—516.33 mg/kg和276.39—1327.97 mg/kg,全氮、碱解氮在阳坡0—10 cm土层与40—60 cm、60—100 cm土层差异显著(P<0.05),在阴坡0—10 cm土层与10—20 cm、60—100 cm土层之间差异显著(P<0.05),其他土层之间差异不显著(P>0.05)。阴坡土壤全氮含量在0—10 cm、10—20 cm土层显著高于阳坡,碱解氮含量在除20—40 cm土层外,其他土层均显著高于阳坡。

图1 不同坡向土壤养分垂直特征Fig.1 Vertical characteristics of soil nutrients in different aspect不同小写字母表示同一坡向各土层之间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示同一土层不同坡向之间差异显著

由图1可知,阳坡全磷含量随土层的加深呈先降低后增加再降低后又增加的波动趋势,范围是0.35—0.43 g/kg,速效磷含量随土层的增加先降低后升高至60 cm又下降,范围是17.28—27.10 mg/kg；阴坡全磷含量随土层的增加先升高后降低最后又升高,范围是0.40—0.51 g/kg,速效磷含量随土壤深度的增加先降低后增加,范围是12.63—43.10 mg/kg,除阴坡速效磷10—20 cm土层与60—100 cm土层外,阳坡阴坡其他指标在各土层之间差异均不显著(P>0.05)。除20—40 cm土层外,阴坡土壤全磷含量>阳坡,60—100 cm土层除外,阴坡土壤速效磷含量<阳坡,全磷、速效磷在各土层不同坡向间差异均不显著(P>0.05)。

由图1可知,阳坡全钾含量随土层的增加呈先降低后增加再降低后又增加的波动趋势,范围是1.17—1.73 g/kg,速效钾含量随土层的增加先降低后升高,范围是40.33—68.67 mg/kg；阴坡全钾含量随土层的增加先升高后降低,范围是0.47—0.82 g/kg,速效钾含量随土层的增加呈先降低后增加再降低,范围是180.67—348.00 mg/kg,阳坡和阴坡土壤全钾、速效钾含量在各土层间差异均不显著(P>0.05)。除20—40 cm土层外,阴坡土壤全钾含量显著低于阳坡；60—100 cm土层除外,阴坡土壤速效钾含量显著高于阳坡。

3.3 化学计量特征

图2表明,阳坡土壤C∶N的范围是11.38—25.65,均值是20.66,随土壤深度的增加先减小后增加,最后又降低,阴坡土壤C∶N的范围是8.61—20.28,均值是14.46,随土壤深度的增加先增加后降低,除阴坡10—20 cm土层与60—100 cm土层外,C∶N在阳坡和阴坡其他土层间差异均不显著(P>0.05)。阴坡各土层C∶N均无显著性<阳坡。

图2 垂直剖面化学计量特征分析Fig.2 Analysis of vertical section stoichiometry

图2表明,阳坡土壤C∶P和N∶P的范围分别是18.41—80.72和1.62—3.73,均值分别是47.21和2.61,随土壤深度的增加而呈递减趋势,阴坡土壤C∶P和N∶P的范围分别是24.98—149.67和3.03—9.06,均值分别是101.64和6.15,随土壤深度的增加先减小后增加,最后又降低,阳坡N∶P 在各土层间均无显著性差异,阳坡土壤C∶P和阴坡土壤C∶P、N∶P在 0—10 cm、10—20 cm土层和40—60 cm、60—100 cm土层差异显著(P<0.05)。阴坡0—10 cm土层中土壤N∶P显著高于阳坡。

图2表明,阳坡土壤C∶K和N∶K的范围分别是4.73—29.22和0.38—1.41,均值分别是15.70和0.85,随土壤深度的增加而呈递减趋势,阴坡土壤C∶K和N∶K的范围分别是35.17—216.83和3.28—12.04,均值分别是103.32和6.88,随土壤深度的增加先减小后增加,最后又降低,除阴坡土壤N∶K在各土层间无显著性差异外,阳坡土壤C∶K和阴坡土壤C∶K、N∶K总体表现为0—10 cm土层与60—100 cm土层显著差异。阴坡0—10 cm土层中土壤C∶K和0—10 cm、20—40 cm、60—100 cm土层中土壤N∶K显著高于阳坡。

图2表明,阳坡土壤P∶K的范围是0.24—0.39,均值是0.31,随土壤深度的增加而呈递减趋势,阴坡土壤P∶K的范围是0.68—2.63,均值是1.59,随土壤深度的增加先增加后减小,最后又增加,不同坡向各土层间均表现为无显著差异。阴坡0—10 cm土层中土壤P∶K显著高于阳坡。

3.4 肥力分析

由表6可知,急尖长苞冷杉林阳坡的综合土壤肥力指数(1.32)<阴坡(1.44),结合表4可知,急尖长苞冷杉林的肥力状况均属于“中”级别。阳坡、阴坡各指标肥力大小顺序分别为：碱解氮>有机质>速效磷>全氮>全磷>pH>速效钾>全钾；碱解氮=有机质=全氮=速效钾>全磷>速效磷>pH>全钾。阳坡、阴坡分肥力指数均表现为碱解氮最大(=3)、全钾最小(<1),全钾为其限制性指标。除土壤全钾、pH外,阳坡其他指标肥力大小均<阴坡。

表6 内梅罗肥力指数分析

4 讨论

4.1 不同坡向土壤养分差异

多数研究表明[8,32- 33],阴坡土壤养分高于阳坡,这主要是因为不同坡向土壤微环境的异质性所致。坡向影响地表吸收太阳辐射的量和强度,使不同坡向温度、湿度具有差异性,进而使土壤微生物、酶活性影响养分的转化吸收[34]。阴坡地表接收太阳辐射少,土壤温度低、蒸发量小、湿度大,昼夜温差小,有机质分解较慢,积累较多。土壤中有机质含量显著影响氮含量,当可利用性碳源相对充足时,氮固定潜能较高,全氮含量增加；反之,全氮含量降低[35]。并且寒冷的环境更有利于氮的积累[36- 37],本研究中土壤有机质、全氮含量均为阳坡<阴坡,但与吴昊[38]和袁勇等[39]的研究结果不同,这可能是气候类型、植被类型差异大所致,亦有可能为本次实验重复较少,误差较大所致,需要进一步研究。急尖长苞冷杉土壤有机质、全氮平均含量<岷江冷杉[40],全氮、全磷含量>天山雪岭云杉[41],可能与研究区的环境差异大、树种不一及树种生长特性有关。同时有机质在分解过程中会产生中间产物单宁、有机酸,致使土壤酸性增强[42]。潮湿的环境能够增加H+数量,使得土壤酸性增强。本研究中阴坡土壤枯落层厚度显著高于阳坡(表1),为有机质的分解提供了大量来源,阴坡土壤pH<阳坡,这与袁勇等[39]的研究结果相同。杨晓霞等[43]研究表明,高海拔地区由于低温缺氧,土壤中碳含量较高,土壤主要受氮、磷限制。本研究土壤有机质、全氮含量处于“较丰富”水平或“丰富”水平,阴坡土壤全磷含量虽高于阳坡,但仍处于“较缺”水平,表明土壤受磷限制。土壤全钾含量则表现为阳坡>阴坡,可能是土壤有机质对钾的“稀释效应”[44]所致。且全钾处于“极缺”水平,表明全钾也是土壤的限制性因子。各养分含量随土层的增加而递减,表层含量高于深层,差异显著(P<0.05),与曹丽花等[45]的研究结果一致,可能是地表植被及枯落物丰富,微生物的分解转化效率高,致使养分元素在土壤表面富集；另一方面可能是地下植被、生物等的吸收利用,使养分逐渐向下迁移[46- 47]。

土壤中速效养分的含量体现了土壤供给的能力。色季拉山急尖长苞冷杉林阴坡土壤碱解氮、速效磷、速效钾养分均高于阳坡,除速效磷外,碱解氮、速效钾均随土壤深度加深而递减,且表层(0—10 cm)与底层(60—100 cm)差异显著(P<0.05)。

4.2 不同坡向土壤养分化学计量比的指示作用

土壤C∶N是土壤质量的敏感指标, 影响土壤中有机碳和氮的循环[48]。总体上,色季拉山急尖长苞冷杉林不同坡向土壤C∶N随土层的加深而减小,这与王绍强等[48]的结果相似,其均值高于鲍勇等[49]对马尾松林土壤中C∶N的研究结果,阳坡在40—60 cm土层、阴坡在10—20 cm土层表现出的不同(增加),可能与地形有关。阳坡土壤C∶N(20.66)>阴坡(14.46)>中国陆地土壤水平(10—12)[50],主要是土壤有机碳的含量较高。

色季拉山急尖长苞冷杉林阳坡土壤C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K均随土层的加深而减小,阴坡的各种化学计量比随土层变化的规律不太一致,但不同土层均表现出一致的结果(阴坡>阳坡),这主要是阴坡坡度较大(表1),各土层养分元素含量变异较大。磷钾被认为是高山地区影响植物分布及限制初级生产力的重要因素[51]。土壤C∶P是指示土壤磷素矿化能力的重要指标[52]。阳坡和阴坡土壤C∶P分别是47.21和101.64,其中阴坡C∶P远高于中国陆地土壤的平均值(61),结合较低的P含量,表明TP是急尖长苞冷杉林阴坡的限制因子。土壤N∶P是N饱和的诊断指标,可确定养分限制的阈值[53]。阳坡和阴坡土壤N∶P分别是2.61和6.15,其中阴坡N∶P远高于中国陆地土壤的平均值(5.2)。阴坡的C∶K、N∶K、P∶K均>阳坡,而阴坡钾的含量<阳坡<5 g/kg(极缺状态的最大值)。结合全国第二次土壤普查标准,色季拉山急尖长苞冷杉林的第一限制因子是钾,第二限制因子是磷。

本研究化学计量比中土壤C∶N为阳坡>阴坡,其他均表现为阳坡<阴坡,与王彦龙等[54]关于坡向对长江源区土壤养分中C∶P、N∶P的影响一致,与朱秋莲对黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征研究中C∶P、C∶K、N∶P、N∶K一致,但高于朱秋莲等[19]的研究结果这可能与研究区气候类型、植被类型有关。

4.3 不同坡向土壤肥力

土壤肥力是反映养分效应及森林系统生产力的综合指标,与土壤养分因子密切相关[55]。内梅罗指数法既反映了生态学中限制植物生长最小因子定律[13],又综合考虑了各指标,从各养分的分肥力指数大小可看出,全磷指数较小,是其养分限制因子。阴坡土壤肥力指数高于阳坡,与陈国平等[56]对八仙山不同立地土壤肥力研究一致,体现了养分与肥力的紧密关系。

5 结论

急尖长苞冷杉林不同坡向土壤养分状况及肥力特征具有差异性,总体表现为除土壤pH和全钾外,其他养分指标均表现为阴坡高于阳坡；阳坡土壤全钾、阴坡土壤速效磷除外,不同坡向其他养分指标为表层高于深层；阴坡土壤肥力指数均高于阳坡,均处于“中等”级别(阳坡1.32<阴坡1.44),表明坡向对养分的循环转化是有影响的。土壤全磷、全钾处于“较缺”或“极缺”水平,结合化学计量比,全钾、全磷分别为其第一、第二限制因子。

致谢：西藏农牧学院高原生态研究所李照青、薛敬丽参与野外采样及室内处理工作,特此致谢。