北热带亚高山土壤肥力垂直分异特征——以红河蝴蝶谷为例

张 燕，王 平，谭小爱，杨镇文，尹正吉

(1. 云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500； 2. 蝴蝶谷景区管委会，云南 红河 661509；3. 云南省测绘工程院，云南 昆明 650033)

土壤不仅是森林生态系统的重要组成部分，更是土壤肥力的重要储存器。土壤肥力能综合反映土壤各方面的性质，常见的评价指标主要有土壤养分、物理及化学性质等综合指标[1]，土壤肥力是维持森林和生态系统净初级生产力的关键，对森林生态系统稳定和农业可持续发展具有重要影响[2]，同时其对气候变化和人为干扰也十分敏感[3]，肥力下降会降低土壤有机碳存量，导致特殊生境消失以及生物多样性减少等[4-5]。因此，了解不同气候条件下土壤肥力空间分异特征及影响因素对土壤可持续利用及生态系统资源管理等具有重要意义。目前对土壤肥力的研究主要集中在城市绿地系统、农田系统及不同林分影响等方面，如周伟等研究了长春城市森林绿地土壤肥力，结果表明区内土壤肥力处于中等水平，松土、沤肥、增施有机肥等是提升城市植被生态服务功能的重要措施[6]。冯嘉仪等分析了华南地区5种典型林分类型的土壤肥力，结果表明阔叶混交林可更好地积蓄土壤肥力[7]。刘永贤等分析了广西典型土壤不同林分的土壤肥力，结果表明不同林分的土壤肥力具有差异性[8]。目前土壤肥力的评价方法主要有层次分析法、相关性分析法、主成分分析法、灰色关联分析法、修正内梅罗指数法等，但前者常存在主观性强、对土壤肥力变化的灵敏度较低等缺陷，而修正内罗梅指数法虽主要用于土壤污染和水体质量的评价研究，但由于其主要考虑的是指标最小值对土壤肥力的限制性，同时消除了极大值的影响，所以该方法在土壤综合肥力评价研究中得到广泛应用[9]。但目前基于修正内罗梅指数对热带典型土地利用类型下的土壤综合肥力评价研究较少，空间分异特征研究主要集中在水平方向方面[10]，缺乏海拔梯度上的分异特征研究。

本研究中通过评估滇南蝴蝶谷地区各个海拔梯度(105～3 012 m)上单项土壤肥力和土壤综合肥力，确定该地区各层土壤单项肥力变异特征、土壤综合肥力随海拔梯度的变化特征，为进一步认识北热带山地森林土壤肥力空间分异及生态环境管护、保育、农业生产等提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于云南省红河州金平县马鞍底乡和勐桥乡的卡房村，地理坐标为22°35′40″～22°52′5″N，103°24′51″～103°38′48″E，为哀牢山脉南段中山、亚高山山地，地层岩石以下元古界哀牢山群、瑶山群片岩、片麻岩、混合岩和印支—燕山期花岗岩为主，地势西南高，东北低，地处低纬北热带山原型湿润季风气候区，从红河河谷(105 m)到最高峰五台山(3 012 m)，年均温由23℃降低到7℃，年日照时数722～1 698 h，年降水量1 450～3 850 mm，5—10月为雨季，降水量占全年的70%～85%，11月至次年4月为干季，降雨量占全年降水量的15%～30%。区内河流均属红河水系，从北至南依次为红河一级支流新桥河、小者兰河、龙脖河。土壤垂直变化明显，基带土壤为砖红壤带(海拔105～600 m)，之上依次发育赤红壤带(海拔600～1 200 m)、红壤带(海拔1 200～1 500 m)、黄壤带(海拔1 500～1 800 m)、黄棕壤带(海拔1 800～2 500 m)、棕壤带(海拔2 500～3 012 m)。地带性植被为亚热带湿性常绿阔叶林，主要分布在海拔1 400～2 000 m区域，主要优势树种为壳斗科青冈(Cyclobalanopsisspp.)、石栎(Lithocarpusspp.)等，向下为山地雨林、季雨林，主要优势树种为番龙眼(Pometiatomentosa)、千果榄仁(Terminaliamyriocarpa)、木竹子(Garciniamultiflora)等，向上为山地苔藓矮林，主要优势树种为润楠(Machiluspingii)、木莲(Manglietiafordiana)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置及样品采集

2015年7—8月和2016年9月，在研究区东北坡自五台山顶向下至红河河谷设置1条垂直样带，以高差100 m为间距布设样地，在100 m的间距内随机选取5个点，按照0～20 cm、20～40 cm分层采样，再将5个点同层土样均匀混合，采用四分法按对角线取500 g装入土袋，共采集垂直样带的土壤混合样58袋(图1)。

2.2 样品分析

将采集的土样带回实验室，按照《陆地生态系统土壤观测规范》[11]要求对土壤样品进行风干，制备为直径2、1、0.25 mm待测样品。土壤含水量采用烘干法测定；土壤机械组成采用比重计法测定；土壤pH采用电位法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量—外加热法测定；全氮含量采用半微量开氏法测定；全磷含量采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定；速效磷含量采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定；全钾含量采用NaOH熔融—火焰光度法测定；速效钾含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定；水解氮含量采用碱解扩散法[12]测定。

2.3 数据分析

2.3.1单项土壤肥力指标变异系数

单项土壤肥力指标变异系数(Cv)计算公式为：

(1)

式中：SD为单项土壤肥力指标标准差；M为单项土壤肥力指标平均值。

变异系数Cv表示空间变异程度，Cv<0.1时属于弱变异，0.11时属于强变异[13]。

2.3.2土壤综合肥力评价

按隶属度函数对土壤质地、pH、有机质、全磷、速效磷、碱解氮、代换性盐基总量进行标准化处理，消除各参数间的量纲差别[13]。通过非量化参数(卡庆斯基制)分肥力系数确定为中壤土、重壤土(Pi=3)；轻(砂)壤土、轻(砂)粘土(Pi=2)；砂土、粘土(Pi=1)[13]。采用修正内梅罗公式计算土壤综合肥力系数(P)[14-15]，公式为：

(2)

式中：Pimid表示土壤各属性分肥力系数的平均值；Pimin为各分肥力系数中最小值；n为参评的土壤属性个数。

根据计算出的综合肥力系数进行土壤肥力的综合评价：当P>2.7时，土壤很肥沃；当1.8

3 结果与分析

3.1 不同土层森林单项土壤肥力指标变异特征

不同土层森林单项土壤肥力指标统计结果见表1。

如表1所示，各土层土壤肥力指标的变异系数在0.11～0.86范围，均属于中等变异，其中，亚表层的pH变异系数最低，接近弱变异；亚表层的有机质和全氮的变异系数最高，接近强变异，其原因可能是林分、微生物环境的不同，这与吕世丽[16]的研究成果大致相同。0～10 cm和10～20 cm土层的土壤含水量、pH、碱解氮、全磷、速效磷、全钾的变异差别较小，有机质、全氮和速效钾与其他指标相比，变异差异较明显。从有机质来看，研究区有机质变异系数分别为0.62和0.86，虽然均属于中等变异，但变异明显小于亚表层。表层和亚表层土壤有机质含量平均值分别为76.37 g/kg、57.87 g/kg，均大于秦岭南坡的有机质含量[17]，表层有机质含量平均值明显高于亚表层，与高黎贡山、秦岭等区域一致，说明枯落物和根系的分解造成有机质在表层聚集，随着土层厚度的增加，植物根系逐渐减少，土壤有机质含量逐渐降低。从全氮来看，其变异系数分别是 0.69和0.86，研究区表层和亚表层全氮含量平均值分别为2.48 g/kg和1.95 g/kg，除少数样点外，不同海拔高度上各样点土壤全氮含量随土层厚度增加逐渐减少，主要是由于表层土壤上覆盖有枯枝落叶层，利于土壤氮素的累积，随着土层深度增加，土壤中枯枝落叶和动植物残体减少，土壤全氮含量随之减少。此外，由于有机质对全氮含量具有重要影响[18]，因此其含量分布与有机质大体一致。从速效钾来看，其变异系数分别为0.4和0.59，差异为0.19。表层和亚表层土壤速效钾含量平均值分别为119.17 g/kg和78.12 g/kg，山地土壤中的钾素主要来源于母质以及有机质分解后返还，表层有机质含量丰富，其分解后产生的钾素大量留在表层，因而表层的速效钾含量远大于亚表层，这与小五台山[19]、牛背梁[16]等地的研究结果一致。以上分析表明，土壤有机质深刻影响着氮、钾等元素的循环，更是在土壤肥力中扮演着重要作用。

表1 蝴蝶谷森林单项土壤肥力统计Tab.1 Statistics of individual fertility of forest soil in Butterfly Valley

3.2 垂直方向上不同土类土壤综合肥力特征

研究区表层、亚表层土壤综合肥力系数随海拔变化情况如表2所示。

整体来看，研究区表层和亚表层土壤综合肥力系数随着海拔的升高均呈增大趋势，其中表层土壤综合肥力系数可在海拔100～1 500 m、1 500～2 300 m和2 300～3 012 m海拔段内进行分析。海拔100～1 500 m的表层土壤综合肥力系数，除在海拔900～1 000 m增大到1.31，在海拔1 000～1 100 m又减小到1.11外，其余海拔段基本在1.2±0.05波动，说明在这一区域内海拔梯度对土壤综合肥力系数的影响较小；在海拔1 500～2 200 m区域，随着海拔的升高，表层土壤综合肥力系数从海拔1 500～1 600 m时的1.16增大到海拔2 200～2 300 m时的1.53，每100米垂直递增0.05； 在海拔2 300～2 700 m区域，土壤综合肥力系数基本保持在约1.30，在海拔2 700 m以上区域其又增大到约1.50。1 500～3 012 m海拔段与表层土壤综合肥力系数的变化关系可用函数表示：y=0.017 9x+0.952 2(N=15，R2=0.454 7)。亚表层土壤综合肥力系数在100～1 500 m、1 500～2 000 m和2 000～3 012 m海拔段的变化趋势差异仍较大。在海拔100～1 500 m区域，亚表层土壤综合肥力系数随海拔升高呈波动下降趋势，二者变化关系可用函数表示：y=-0.004 8x+1.202(N=14，R2=0.124 4)。海拔超过1 500 m后，随海拔的升高，亚表层土壤综合肥力系数从海拔1 500～1 600 m的1.08增大到海拔2 000～2 100 m的1.64，每100米垂直递增0.09。海拔2 100 m以上区域亚表层土壤综合肥力系数基本在1.32±0.07波动。

表2 蝴蝶谷土壤综合肥力系数随海拔梯度变化统计Tab.2 Variation of soil comprehensive fertility coefficient with altitude gradient in Butterfly Valley

从土壤剖面方面看，在海拔100～1 400 m区域，表层和亚表层土壤综合肥力系数十分相近，二者综合肥力系数的总和仅相差0.3。海拔1 400～1 800 m区域，表层土壤综合肥力系数大于亚表层，海拔1 800～2 100 m区域为表层土壤综合肥力小于亚表层，海拔>2 100 m区域表层土壤综合肥力均大于亚表层。成土母质、地形和生产活动等不同的生态环境一直显著影响着土壤肥力特性[20]，表层和亚表层土壤综合肥力系数随海拔的升高呈线性增加趋势，与党坤良等[17]研究不一致，主要原因是人为干扰程度及发育土壤、生长植被的状况不同，红河蝴蝶谷低海拔地区，土壤多为砖红壤、赤红壤和红壤，有机质含量低，中海拔地区土壤以黄壤、黄棕壤、棕壤为主，有机质含量高[15]，因而高海拔地区的土壤肥力系数高于低海拔地区。

4 结论

1)研究区不同土层单项土壤肥力指标的变异系数在0.11～0.86之间，均属于中等变异，其中，亚表层的pH变异系数最低，有机质和全氮的变异系数最高，有机质、速效钾、全氮在不同土层变异差异明显。

2)研究区表层土壤综合肥力系数在1.11～1.54之间，平均为1.27，亚表层土壤综合肥力系数在1.07～1.64之间，平均为1.24，表层和亚表层土壤的综合肥力随着海拔的升高均呈增大趋势。