森林与环境学报2015,35(4):310—316 第35卷第4期 2015年1O月 Journal of Forest and Environment DOI:10.13324/j.cnki.jfcf.2015.04.004 武夷山自然保护区不同海拔土壤磷素的分布规律 刘爱琴 ,严加亮 。,侯晓龙 ,蔡丽平 。,邹显花 ,苏漳文 (1.福建农林大学林学院,福建福州350002;2.国家林业局杉木工程技术研究中心,福建福州350002; 3.山东临沂第三中学,山东临沂276000) 摘要:为探讨不同海拔高度土壤磷素的异质性分布规律,以武夷山自然保护区不同海拔土壤为研究对象,通过对不同海拔 和层次土壤不同形态磷素的分析测定,研究土壤磷素的异质性分布规律。结果表明,武夷山自然保护区不同海拔高度土壤 磷素呈明显的空间异质性分布。土壤全磷、有效磷、无机磷和有机磷的含量均随海拔增加呈逐渐增加趋势;不同海拔土壤 无机磷含量均表现为O-P>Fe—P>A1.P>Ca—P,有机磷含量表现为中等活性有机磷>中稳性有机磷>高稳性有机磷>活性 有机磷;随土层深度的增加,土壤不同形态磷素含量均呈逐渐减少趋势,0—20 em土层不同形态磷素含量均显著大于其它 土层(P<0.05),>20—40 em与>40—60 em土层不同形态磷素差异不显著(P<0.05)。 关键词:武夷山;海拔;异质性;磷形态;垂直分布 中图分类号:¥812.29 文献标识码:A 文章编号:2096—0018(2015)04—0310—07 Heterogeneity distribution of soil phosphorus in Wuyishan Nature Reserve LIU Aiqin 一,YAN Jialiang ,HOU Xiaolong ,CAI Liping ,ZOU Xianhua ,SU Zhangwen , (1.College of Forestry,Fujian Agriculture and Foresty Unirversity,Fuzhou,Fujian 350002,China; 2.Chinese fir Engineering Research Centre of State Forestyr Administration,Fuzhou,Fujian 350002,China; 3.Third Middle School of Linyi,Linyi,Shandong 276000,China) Abstract:In order tO determine the heterogeneity distribution of soil phosphorus,the different forms of soil phosphorus were analyzed in different altitude soil of Wuyishan Nature Reserve.The results showed that total phosphorus,available phosphorus, inorganic phosphorus and organic phosphoms content increased with the altitude.Soil inorganic phosphorus was in the sequence of O—P>Fe-P>A1一P>Ca—P in different altitude soil.Soil organic phosphorus was in the sequence of medium activity organic phosphorus>medium stability organic phosphorus>high stability organic phosphorus>activity organic phosphorus.The different orfm phosphorus content of soil decreased with soft depth.The different form phosphorus content of soil in 0—2O cm layer was significantly higher than those in>2O一40 cm and>40—60 cm layer.The difference of soil phosphorus content between>20— 40 em and>40—60 em layer was not significant. Key words:Wuyishan;altitude;heterogeneity;phosphorus form;vertical distribution 磷是植物生长发育的必需营养元素,土壤磷素不足是限制植物生长的重要因素¨j。土壤磷素是在土 壤五大成土因素共同作用下形成的,不同形态磷素含量及分布与成土母质、地形、质地、气候、植被等成土 因素密切相关L2】,而土壤中不同形态磷素的空间分布反过来又会影响该区域植被的生长和发育,进而影 响整个森林生态系统的结构与功能 ],因此研究土壤磷素的空间分布规律对于维持森林生态系统的稳定 性具有重要现实意义。 众多学者对土壤磷素分布规律进行了大量研究,并取得了一些研究成果。周慧平等 J研究巢湖流域 土壤全磷的空间变异中发现,巢湖流域土壤全磷具有明显空间异质性,并分析了影响磷空间异质性的因 素;赵军等_5 研究了农田耕层土壤氮、磷、钾的空间分异特征;盛建东等 研究了农田土壤速效养分空问 变异特征;林德喜等 ]、颜晓等 ]、周全来等 研究了施磷后农田土壤磷素的形态特征。但目前有关土壤 磷素空间分布方面的研究多集中在农田生态系统,而对森林生态系统土壤磷素的空间分布相对较少。 武夷山自然保护区是世界上同纬度带保存最完整、现存面积最大的中亚热带森林生态系统,具有不同 收稿日期:2015—08—14 修回日期:2015—09—20 基金项目:国家自然科学基金海峡联合基金项目(U1405211);国家自然科学基金项目(31370619)。 作者简介:刘爱琴(1966一),女,研究员,从事森林土壤研究。E—mail:0laq@126.con。 第4期 刘爱琴等:武夷山自然保护区不同海拔土壤磷素的分布规律 ・311・ 的生态系统类型,其中黄岗山海拔2 158 m,被称为华东第一峰,是研究森林生态系统养分空间异质性分布 的理想场所。随海拔高度的升高,水热条件呈现明显垂直变化规律,而且植物组成、群落结构、土壤类型也 表现为明显的垂直分布特征 。目前已有一些有关武夷山自然保护区土壤理化性质、微生物数量、细 ,但对土壤养分的异质性分布研究较少涉及。鉴于此,以 根生物量、活性碳、土壤呼吸等方面的研究 武夷山自然保护区不同海拔的土壤为研究对象,通过对不同海拔和层次土壤不同形态磷素的分析测定,研 究土壤不同形态磷素的异质性分布规律,为揭示武夷山森林生态系统土壤养分空间分布规律和维持生态 系统功能提供科学依据。 1试验地概况 武夷山自然保护区地处北纬27。33 一27。54 ,东经117。27 一117。51 ,平均海拔1 000—1 100 m,主峰 黄岗山海拔2 158 m,是中国大陆东南部最高峰;武夷山上部母岩为火山岩,下部为花岗岩。该区属中亚热 带季风气候,年平均降水量1 600—2 200 mm,年平均气温l3—19℃,年平均相对湿度70%一85%;随海拔 升高,降水逐渐增加,气温下降,土壤垂直地带性分布明显,从山麓到山顶土壤类型分别为山地红壤、山地 黄红壤、山地黄壤、山地草甸土,植被类型分别为常绿阔叶林、常绿针阔叶混交林、灌丛和草甸植物_l “J。 2研究方法 2.1样地设置 根据武夷山自然保护区内森林土壤的垂直分布情况,每隔200 ITI左右海拔梯度设置标准地,每个海拔 梯度设2个10 m×10 m标准地,标准地基本情况如表1所示。 表1不同海拔标准地概况 Table 1 Basic situation of the sample plot 2.2土样采集 2011年4月,在对标准地内进行植被调查基础上,采用对角线布点法在每个标准地内挖取3个土壤 剖面,共60个土壤剖面,每个剖面按0—20 ClTI、>20—40 cm、>40—60 cm土层分别采集土样,带回室内 风干过筛后,进行土壤各种形态磷素含量测定。 2.3测定方法 土壤全磷测定采用碱熔一钼锑抗比色法口 ,有效磷测定采用氟化铵一盐酸浸提法 ,无机磷测定采 用CHANG et al 2 的分级体系进行分级,分别测定A1一P、Fe.P、O—P、Ca.P含量;土壤有机磷采用 BOWMAN et al 的方法进行分组,分别测定活性有机磷、中等活性有机磷、中稳性有机磷、高稳性有机磷 的含量。 2.4数据统计及分析方法 采用EXCEL 2003和SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析。 3结果与分析 3.1武夷山自然保护区土壤全磷的空间分布 从表2可以看出,随着海拔升高,不同土层全磷含量均呈逐渐增加趋势,表现出明显的垂直分布规律。 ・312・ 森林与环境学报 第35卷 800 m以下海拔土壤全磷含量均较低,显著小于其它海拔(P<0.05);在1 000—1 500 m海拔范围内不同 海拔梯度0—20 cm土层全磷含量之间无显著差异;在1 800—2 158 m范围内不同海拔梯度之间差异增 大;>20—40 cm土层全磷含量在800 m海拔以上时,随着海拔升高而增加的趋势变缓,相邻海拔梯度之 间无显著差异,间隔一个海拔梯度之间的差异达显著水平;>40—60 em土层全磷含量在海拔大于800 m 时随着海拔高度的升高而增加的趋势更小,相邻海拔梯度之间的差异未达显著水平,但与间隔2个海拔梯 度之间的差异达显著水平(P<0.05)。 表2不同海拔土壤全磷含量 Table 2 Total phosphorus content of soil in diferent altitudes ”表中同一行不同大写字母和同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。 不同土层全磷含量随土层增加呈递减趋势,其中0—20 cm土层全磷含量与>20—40 cm土层的差异 在海拔634、1 423、1 698、2 004、2 158 m处未达显著水平,在其余海拔均达显著水平(P<0.05);除在海拔 2 004 m处和1 423 m以下>20—40 cm与>40—60 cm土层全磷含量之间差异未达显著水平外,其余各 海拔均达显著水平(P<0.05)。 3.2武夷山自然保护区土壤有效磷的空间分布 从表3可以看出,随海拔升高,土壤有效磷含量呈增加趋势。0—20 enl土层有效磷含量呈梯状增加 趋势,在相邻海拔梯度范围内土壤有效磷含量差异多未达显著水平;>20—40 em、>40—60 cm土层有效 磷含量随海拔升高的变化规律不明显,在海拔1 698 m以下和1 879—2 158 m范围内不同海拔梯度之间 的有效磷含量差异均不显著(P<0.05)。相同海拔高度不同土层有效磷含量呈明显垂直分布,表现为随 土层加深而逐渐降低趋势。其中0—20 cnl土层有效磷含量在多数海拔梯度范围内均显著高于 >20—40 cm土层。>20—40 cm与>40—60 cm土层有效磷含量在不同海拔范围内的差异多未达显著水 平(P<0.05)。 表3不同海拔土壤有效磷含量 Table 3 Available phosphorus content of soil in different altitudes 表中同一行不同大写字母和同--N不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。 第4期 刘爱琴等:武夷山自然保护区不同海拔土壤磷素的分布规律 .313. 3.3武夷山自然保护区土壤无机磷的空间分布 根据CHANG et al 的分级法,土壤无机磷的形态可分为磷酸钙盐(Ca—P)、磷酸铁盐(Fe.P)、磷酸铝 盐(A1一P)和闭蓄态磷(O-P)4大类,不同形态的无机磷含量可表征土壤磷的有效性程度。由表4可见,武 夷山不同海拔土壤无机磷含量表现为随海拔升高而逐渐增加的趋势。在海拔1 200 m以下不同海拔土壤 无机磷含量间差异显著(P<0.05)。相同海拔高度不同土层无机磷含量均表现为随土层加深而逐渐降低 的趋势,除海拔634 m外,相同海拔高度不同土层之间无机磷含量差异均达显著水平(P<0.05)。 表4不同海拔土壤无机磷含量” Table 4 Inorganic phosphorus content of soil in different altitudes ”表中同一行不同大写字母和同一列不同小写字母表示差异显著(P<O.05)。 不同海拔各形态土壤无机磷分布如图1、图2所示。不同土层各形态的无机磷含量均表现为随海拔 增加而逐渐增大趋势。不同海拔土壤无机磷含量均表现为O.P>Fe—P>A1.P>Ca.P;相同海拔不同土层不 同形态无机磷含量均随土层的增加而呈下降趋势,但不同形态无机磷随土层加深而下降的幅度不同,表现 为Ca-P>A1-P>O-P>Fe—P,其中以土壤Ca—P的减少幅度最大,所有海拔梯度土壤不同土层之间的差异均 达显著水平(P<0.05);除海拔1 879 m的>20—40 cm与>40—60 cm之间的土壤A1一P差异不显著外,其 他海拔不同土层之间差异均达显著水平;土壤O—P含量在多数海拔梯度下均达显著水平;在各海拔梯度 范围内0—20 cm土层Fe-P含量与其它层次之间的差异均达显著水平,而>20—40 cm与>40—60 cm土 层之间的差异多不显著(P<0.05)。 b0 3O 曰 bD 20 10 钿  ̄ .。 C0 磁abc C窿bcd。 磁窿c d 1 026 1 259 1 423 1 554 1 698 1 879 2004 王 Bf 2158 634 819 海拔/m (a)不同海拔土壤A1一P的含量 : : 634 819 1 026 1 259 1 423 1 554 1 698 1 879 a I - Cj - Bg Bg 2 OO4 2158 海拔/m (b)不同海拔土壤Ca.P的含量 注:不同海拔小写字母不同和不同土层大写字母不同表示差异显著(P<O.05)。 图1不同海拔土壤Al-P、Ca-P含量 Figure 1 A1--P and Ca—P content of soil in different altitudes ・314・ 森林与环境学报 第35卷 曲. 60 40 I 王 柚 日 20 0 : 634 819 1 026 1 259 。 1 423 1 554 。 1 698 1 879 2004 2158 海拔/m (a)不同海拔土壤Fe・P的含量 枷 300 200 100 0 0 .: Ce d C deBde f fBefAefl ,_g _ B| hlA gI 壬 ^上 I_A ‘h 壬 ,u _634 819 1 026 1 259 1 423 1 554 1 698 1 879 2004 2158 海拔/m (b)不同海拔土壤0一P的含量 注:不同海拔小写字母不同和不同土层大写字母不同表示差异显著(P<0.05)。 图2不同海拔土壤Fe.P、o-P含量 Figure 2 Fe-・P and O・P content of soil in different altitudes 3.4武夷山自然保护区土壤有机磷的空间分布 根据BOWMAN et al 的方法土壤有机磷可分为活性有机磷、中等活性有机磷、中稳性有机磷和高稳 性有机磷4种形态。由表5可见,随海拔升高,不同土层有机磷含量逐渐增加,其中O一20 cm土层增加幅 度较大,不同海拔梯度之间土壤有机磷含量差异均达显著水平。>20—40 cm、>40—60 cm土层有机磷含 量在较低海拔634—1 026 m范围内相邻海拔梯度之问的差异均达显著水平(P<0.05),在海拔1 259 m以 上,土壤有机磷含量随海拔增加的幅度变小,相邻海拔梯度之间土壤有机磷含量差异不显著(P<0.05)。 表5不同海拔土壤有机磷含量” Table 5 Organic phosphorus content of soil in different altitudes ”表中同一行不同大写字母和同一列不同小写字母表示差异显著(P<O.05)。 相同海拔高度不同土层有机磷含量表现为随土层深度的增加而逐渐降低的趋势,除海拔634 in和 1 423 m外,在相同海拔高度不同土层之间有机磷含量差异均达显著水平(P<0.05)。 不同海拔各形态土壤有机磷分布如图3所示,不同土层土壤各形态有机磷含量均随着海拔升高呈逐 渐增加趋势,表现出明显的垂直分布规律。不同海拔高度土壤有机磷均表现为中等活性有机磷>中稳性 有机磷>高稳性有机磷>活性有机磷。相同海拔不同土层各形态有机磷含量表现为随土层深度增加而逐 渐降低的趋势,其中0—20 cm土层各形态有机磷变幅最大,不同海拔0—20 cm土层各形态有机磷含量与 >20—40 cm土层之间的差异多达显著水平(P<0.05)。相同海拔土壤有机磷的剖面分布,以中稳性有机 第4期 刘爱琴等:武夷山自然保护区不同海拔土壤磷素的分布规律 ・315・ 磷变幅最大,不同海拔高度各土层之间的差异多达显著水平(P<0.05)。活性有机磷在634—1 259 nl海拔 范围内垂直变化幅度较小,>20—40 cm与>40—60 cm土层之间的差异不显著;在海拔1 423 in以上的 一 _翻.暑Ⅲ一 一 . 一 ,‘l l \删姐j鲤幂怔掣烬 \删如毒鲤1辟 掣蜒 导 垂直变化幅度增大,不同海拔范围内各土层之间的差异均达显著水平。中等活性有机磷除在 加:。加5 0 ∞∞∞∞O 1 423—1 698 in海拔范围内变幅较小,在低海拔和高海拔梯度>20—40 cm与>40—60 cm土层之间的差 异均达显著水平。高稳性有机磷除在海拔634 in、1 879—2 004 m外其余海拔不同土层之间变幅较大,差 异均达显著水平(P<0.05)。 L—I  ̄: Cd Ce Cf eC暗f I Bg 2004 2158 634 819 1 026 1 259 1 423 1 554 I 698 1 879 海拔/m (a)不同海拔土壤活性有机磷的含量 潞BCBd634 819 1 026 1 259 瞎Be BeAeAe BrAef 1 423 1 554 1 698 1 879 2 004 二_i Bg 2158 海拔/m (b)不同海拔土壤中等活性有机磷的含量 100  ̄ C】 篷-重 一e 80 0 C hBg Bh 禹 634 819 1 026 1 259 1 423 1 554 1 698 1 879 2004 2158 海拔/m (C)不同海拔土壤中稳性有机磷的含量 30 : 壁 o 如 Be d 819 1 026 1 259 。 Cd C。 deBde 1 423 1 554 1 698 If Af _ Ac 蠢 AgAf 置 1 879 2004 2158 JJ § B】 源一惺 0 634 海拔/m (d)不同海拔土壤商稳性有机磷的含量 图3不同海拔各形态土壤有机磷含量 Figure 3 Organic phosphorus content with different forms of soil in different altitudes 4结论 武夷山自然保护区不同海拔梯度土壤磷含量具有明显的垂直分布规律,土壤全磷、有效磷、无机磷总 量、有机磷总量、A1一P、Fe-P、O-P、Ca-P、高稳性有机磷、中稳性有机磷、中活性有机磷和活性有机磷均表现 为随海拔增加而逐渐增加的趋势,不同海拔梯度各形态磷素含量之间的差异多达显著水平。不同海拔梯 度土壤无机磷含量均表现为O—P>Fe—P>A1一P>Ca-P,有机磷均表现为中等活性有机磷>中稳性有机磷> ・316・ 森林与环境学报 第35卷 高稳性有机磷>活性有机磷。 随土层深度的增加,不同形态土壤磷素含量呈逐渐递减趋势,0—20 cm土层与>20—40 cm、 >40—60 cm土层不同形态磷素含量差异多达显著水平,>20—40 cm与>40—60 cm土层之间不同形态 磷素含量多差异不显著。 由于土壤是在五大成土因素共同作用下形成的,海拔高度不同,水热条件差异影响着植被生长等成土 因素的变化,导致土壤养分具有明显的垂直分布规律。由于武夷山自然保护区引起土壤磷素含量变化的 因素较多,对于其土壤磷素空间异质性分布的内在机制还有待于进一步深入。 参考文献 [1]袁可能.植物营养元素的土壤化学[M].北京:科学出版社,1983:110—163. 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