哀牢山中山湿性常绿阔叶林土壤养分的时间及空间变化规律*

陈浩，巩合德，鲁志云，王高升

(1.西南林业大学地理与生态旅游学院，云南 昆明 650224;2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051;3.中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站，云南 景东 676209;4.云南省林业和草原科学院,云南 昆明 650201)

土壤是森林生态系统存在的物质基础，因此，森林生态系统的生长质量取决于森林土壤的养分含量水平。森林土壤的养分含量水平受气候、地形、植被、成土母质、土壤类型、土层深度、土壤微生物、酶活性、有机质含量等环境因素和人为因素的综合影响，是多种因素综合协同作用的结果[1-2]。土壤有机质、氮、磷和钾是土壤养分的最主要组成部分，是森林生态系统健康生长所需的大量营养元素，通过对森林生态系统土壤主要养分含量进行持续测量与分析，可以对森林的生长状况和生态环境质量的变化进行实时监测，从而为制定科学合理的森林保护对策提供理论依据。

中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站，位于哀牢山国家级自然保护区北段山顶部，隶属于云南省普洱市景东县，海拔2 450 m。山体顶部有我国连续分布面积最大、保存最完整的原生亚热带中山湿性常绿阔叶林，该站长期对该地区不同森林类型土壤养分的年际变化、年内变化和垂直变化进行定位监测，积累大量的连续观测监测数据。目前，大多数对森林土壤养分的研究主要集中于空间分布上和季节性变化上，对于年际变化尤其是10 a以上的年际变化的研究报道很少，哀牢山中山湿性常绿阔叶林10 a以上土壤养分变化方面的研究则未见报道。本文以哀牢山森林生态站长期定位观测的研究数据为材料，对不同土层、不同年份，以及年内不同月份之间的土壤有机碳、氮、磷和钾等大量元素进行研究，为后期哀牢山自然保护区内森林培育提供数据和理论支持。

1 研究地区及研究方法

1.1 研究地区自然概况

研究样地位于云南省普洱市景东县太忠镇杜鹃湖畔(原名徐家坝水库)的哀牢山国家级自然保护区北段山顶部，是中国科学院哀牢山森林生态系统研究站的长期固定样地，也是中国生态系统研究网络(CERN)、国家野外科学观测研究站(CNERN)和中国科学院西南知识创新基地的长期固定样地。哀牢山站(24°32′N、101°01′E，海拔2 450 m)，处于西南季风气候区，年平均温度11.0 ℃，最冷月(1月)平均气温5.0 ℃，最热月(7月)平均气温15.3 ℃，≥10 ℃的有效积温为3 420 ℃，平均霜期190 d。年平均降水量1 931.1 mm，干、雨季节分明，雨季为5—10月，占全年降水的85%，干季为11—4月，占全年降水的15%。年平均相对湿度为83%。年平均日照时数1 239 h。整体气候特征为冬季漫长(11—3月)，无夏季，春季和秋季相连(4—10月)，凉、湿特征明显[3-8]。

哀牢山杜鹃湖畔生长着我国面积最大的以云南特有植物种为优势种群的原生亚热带中山湿性常绿阔叶林，乔、灌、草林相齐全，乔木层主要为壳斗科(Fagaceae)的木果石栎(Lithocarpusxylocarpus)、腾冲栲(Castanopsiswattii)、景东石栎(L.chintungensis)，茶科(Theaceae)的滇木荷(Schimanoronhae)、舟柄茶(Hartiasinensis)，樟科(Lauraceae)的绿叶润楠(Machilusviridis)和木兰科(Magnoliaceae)的红花木莲(Manglietiainsignis)等；灌木层主要优势种为箭竹(Sinarundinarianitida)；草本层主要优势种为细梗苔草(Carexteinogyna)、滇西瘤足蕨(Plagiogyriacommunis)；此外，林中分布有较多藤本植物，多为木质大藤本；树冠附生有大量的苔藓和蕨类植物；树杈内和树干上部堆积有丰富的林冠腐殖质[4,9-10]。

林下土壤为山地棕壤或黄棕壤，主要成土母质为古生代板岩、微晶片岩等，地表有覆盖厚度为5～10 cm的凋落物，其下是8～18 cm的腐殖质层，0～30 cm土层有机质含量为5%～9%，全氮含量在0.3%以上，土壤偏酸性(pH为4.2)[4]。

1.2 采样方法

本研究中的数据来源于中国科学院西双版纳热带植物园哀牢山亚热带森林生态系统研究站2005—2015年土壤长期定位观测数据，采样方法参照中国生态系统研究网络[11]，在对哀牢山中山湿性常绿阔叶林，分别采集0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm剖面土壤样品，进行土壤养分含量测定。

1.3 样品分析

用全自动碳氮分析仪(K370 BUCHI Auto Kjeldahi Unit，瑞士)测定有机质(LY/T 1237—1999)和全氮(LY/T 1228—1999)；用碱解扩散法测定速效氮(碱解氮)(LY/T 1229—1999)；用HNO3-HClO4消解，HCl溶解，ICP-AES测定全磷(LY/T 1270—1999)；用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提，钼锑抗比色法测定有效磷(LY/T1233—1999)；采用NaOH熔融-火焰光度法测定全钾，采用中性CH3COONH4(pH=7.0)浸提，ICP-AES测定速效钾(LY/T 1236—1999，iCAP6300型 ICP-AES，Thermo Fisher美国)。

1.4 数据处理

用Excel和SPSS 21.0软件进行数据分析及处理。

2 结果与分析

2.1 土壤养分的垂直变化

从表1和图1分析数据可知，不同土层的土壤有机质含量差异极显著(P<0.001)，表层土(0～10 cm)有机质最高，高达223.99 g/kg，10～20 cm土层有机质含量较表层土有机质含量下降了50%，只有116.8 g/kg，随着土层深度的增加，土壤有机质含量逐渐降低，且波动的幅度逐渐变小，60～100 cm 土层有机质含量只有31.47 g/kg。

表1 土壤有机质、氮、磷和钾显著性分析

不同土层全氮、全磷、全钾差异极显著(P<0.001)，全氮与有机质含量的变化趋势相似，都随着土层深度的增加而逐步下降，且波动的幅度也逐步变窄。全磷的含量在0～40 cm土层逐渐减少，在 40～60 cm土层最小，仅为0.56 g/kg，60～100 cm土层则有所上升。全钾含量则表现出与有机质、全氮和全磷不同的变化趋势，在0～40 cm土层逐渐增加，在40～60 cm土层达到最大，为12.82 g/kg，60～100 cm土层则呈明显下降趋势。

2.2 土壤养分的年际变化

由表1和图2可以看出，与2005年相比，2015年0～10 cm土壤有机质差异极显著(P<0.001)、全氮差异极显著(P<0.001)、全磷差异显著(P<0.05)和全钾差异不显著(P>0.05)。各营养元素均随着时间的推移含量有所下降，其中土壤全磷下降幅度最大为23.45%，有机质下降幅度最小为8.76%，全氮和全钾的下降幅度分别为15.40%和14.30%。

2.3 土壤养分年内变化

由表1、图3可知，通过相关性分析0～20 cm土层土壤养分在生长季中数据变化都呈现正态分布，土壤养分有机质、全氮、全磷和全钾之间均有密切的相关关系；通过分析0～20 cm土层土壤有机质与全氮差异极显著(P<0.001)、全磷和全钾差异显著(P<0.05)。

如图4可知，腐殖质层及0～20 cm表层土壤有机质年内变化趋势基本一致，冬春两季有机质含量积累，3—8月随着温度增加，植物生理活动加快，土壤有机质含量消耗较多，故含量较低。腐殖质层及0～20 cm表层土壤全氮含量变化各异，其中腐殖质层的全氮含量全年都在增加，而0～20 cm表层土壤的全氮含量5—8月处于降低的趋势，到9月后再逐渐增加。有效磷、速效钾含量在0～20 cm表层的全年变化波动较小，腐殖质层有效磷、速效钾在冬春两季降低、夏秋两季增加。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 哀牢山亚热带中山湿性常绿阔叶林土壤养分的垂直变化规律

已有的研究结果表明，森林土壤养分含量垂直变化差异显著[12-16]，一般情况下，随着土层深度的增加，土壤有机质、全氮、全磷等养分含量下降趋势明显[17-22]；而土壤全钾的变动性相对较小[23-25]。本研究表明，土壤有机质和全氮含量随着土壤深度的增加下降趋势明显；土壤全磷下降趋势不明显，在0～60 cm土层呈缓慢下降趋势，60～100 cm土层则有所上升；土壤全钾则表现出与土壤有机质、全氮和全磷截然不同的变化规律，在0～60 cm土层呈逐渐上升趋势，60～100 cm土层则有所下降，土壤全钾的变化规律与王燕等[26]的研究结果一致。

3.1.2 土壤养分的年际变化规律

大多数对森林土壤养分的研究主要集中于空间分布上和季节性变化上，对于年际变化尤其是10 a以上的年际变化的研究报道很少。本研究通过对2005—2015年的土壤养分监测研究显示，与2005年相比，2015年哀牢山亚热带中山湿性常绿阔叶林0～10 cm土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量都有一定程度的下降，其中土壤全磷下降幅度最大(23.45%)，有机质下降幅度最小(8.76%)，全氮和全钾的下降幅度分别为15.40%和14.30%。从数据上看，从2005年到2015年，土壤养分含量是有较大幅度下降的，但哀牢山中山湿性常绿阔叶林处于自然保护区内，受人为扰动很小，土壤养分含量不应出现较大幅度的下降，究其原因，应是土壤空间异质性和不同取样人员操作差异等原因所致。

3.1.3 土壤养分生长季变化规律

本次研究表明，0～20 cm土层有机质和全氮在森林春夏生长旺季3—8月份呈下降趋势，在8月份降到最低，8—11月份随着秋冬季凋落物的增加而逐渐增加，这与夏汉平等[27]的研究结果一致。土壤有效磷则表现出与有机质和全氮截然相反的变化趋势，在冬春干旱期(12月—翌年6月)，有效磷含量是逐渐增加的，但随着降雨量的逐渐增大，地表径流增加会使土壤中有效磷流失，森林中林木生长对土壤有效磷的消耗快速增加，导致有效磷含量在7—11月份快速下降，这与薛敬意等[28]研究结果相似。土壤速效钾则没有表现出明显的规律性，全年基本维持在较平稳状态，仅在雨热同期的8月份其含量相对低一点。

3.2 结论

哀牢山中山湿性常绿阔叶林在0～100 cm不同土层中有机质、全氮、全磷、全钾差异极显著(P<0.001)，有机质、全氮、全磷随着亦随着土层深度的增加而减少，且波动的幅度逐渐变小；土壤全钾则出现先上升再下降的趋势。2005年和2015年0～10 cm土壤有机质差异极显著(P<0.001)、全氮差异极显著(P<0.001)、全磷差异显著(P<0.05)和全钾差异不显著(P>0.05)，土壤中各营养元素均随着时间的推移含量有所下降。腐殖质层及0～20 cm表层土壤的有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈现“生长季消耗、非生长季积累”的规律。