袁颖丹，李 志，张文元，牛德奎，郭晓敏

（江西农业大学 a.林学院；b. 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045）

武功山山地草甸不同海拔土壤氮素分布及其与土壤物理性质的关系

袁颖丹a，李 志a，张文元a，牛德奎b，郭晓敏a

（江西农业大学 a.林学院；b. 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045）

以江西省武功山山地草甸为研究对象，分析不同海拔高度（1 600～1 900 m）和不同土壤深度（0～20 cm和20～40 cm）条件下，土壤全氮、碱解氮、有机质和pH的分布，以及土壤理化性质的相关性。研究结果表明：（1）武功山山地草甸土壤氮素含量呈“W”型分布趋势，全氮含量、碱解氮和有机质含量的变异范围分别为1.81～9.34 g/kg、100.88～592.37 mg/kg和48.89～200.01 g/kg；土壤全氮、碱解氮和有机质三者之间呈极显著相关性；（2）武功山山地草甸在0～20 cm的上层土中对全氮、碱解氮和有机质均有一定影响，且上层土壤中的氮素和有机质水平均优于下层；（3）在高海拔（1 900 m）和低海拔（1 600 m）处，人为干扰较大，导致土壤容重减少，总孔隙度增大，质量含水量减少；（4）各理化性质之间：土壤总孔隙度与碱解氮、密度呈极显著正相关；总孔隙度与全氮、质量含水量呈显著正相关。研究揭示了武功山山地草甸土壤氮素分布格局和土壤理化性质之间的相关性，同时也为退化草甸恢复治理提供理论参考和科学依据。

山地草甸；土壤全氮；碱解氮；土壤物理性质

氮素是陆地生态系统一种重要的营养元素和环境元素，其循环过程对植物生产和生态环境变化产生重要影响[1-2]。氮素也是植物生长发育的必需营养元素[3]，植物氮素的主要来源为土壤中的氮素，土壤中氮素含量的多少主要取决于有机质的积累和分解，土壤氮素的检测通常会选择全氮(TN)和碱解氮(AN)。土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中各种动植物残体，新鲜生物体及其分解和合成的各种有机物质[4]。学者对典型喀斯特峰丛洼地坡而土壤养分空间变异性研究发现有机碳、全氮等养分的空间分布表现出随着海拔高度增加而增大的特征[5]。青藏高原高寒草甸土壤全氮、全磷含量随着土层加深降低明显[6]。色季拉山酸性棕壤土氮素具有较高的空间异质性，植被对土壤氮素具有表聚作用，在0～10 cm和10～20 cm两个层次上土壤氮素含量表现为0～10 cm ＞ 10～20 cm[1]。武夷山自然保护区土壤不同形态氮素在不同海拔梯度下呈现随着土层加深而降低的趋势[7]。壤理化性质是影响土壤生态系统和植物生长的重要因素，是反映土壤肥力水平的一个重要方面，土壤理化性质的调查有助于判断土壤的肥力状况，持久地维持和提高土壤肥力是稳定生态系统可持续发展的重要因素，对提高生态系统内部生产力具有决定性的影响[8-10]。

江西省武功山是中国南方地区最大的连续型亚热带山地草甸分布区，近年来随着旅游事业的迅猛发展和人类活动的加剧，使脆弱的山地草甸受到严重的干扰，造成了一定程度的生态破坏[11]。长期以来，许多学者对武功山山地草甸生态系统磷素[12]、土壤活性有机碳[13]和土壤微生物生物量碳[14]等方面进行了研究，但对不同海拔梯度的氮素及其不同的物理性质研究甚少，因此，本文以武功山七个不同海拔的山地草甸土壤为研究对象，其目的是探讨山地草甸土壤氮素变化特征及物理性质的相关关系，特别是土壤不同形态的氮素随海拔高度的变化规律，以揭示山地草甸退化过程中的植被土壤特点、草地生产力和生态系统功能之间的关系等，为合理管理武功山山地草甸提供依据，同时积累了武功山山地草甸土壤碳氮循环及土壤呼吸的资料，以期为研究武功山山地草甸生态系统对气候变化的响应提供基础研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江西武功山位于罗霄山脉北段，为赣江水系和湘江水系的分水岭（114°10′～ 114°17′E，27°25′～27°35′N），属于低纬度亚热带季风气候，气候温和，四季分明，年平均气温14～16℃，夏季最高温度为23℃，年均日照时间在1 580～1 700 h之间，年平均蒸发量1 360～1 700 mm，年平均湿度70%～80%，年均降水量为1 350～1 570 mm。武功山岩石主要由花岗岩、片麻岩构成；主峰白鹤峰（金顶）海拔1 918.3 m。土壤是山地草甸土，由于枯枝落叶丰富以及积水、低温等因素，有机物腐烂分解缓慢，土层浅薄，色泽黝黑，干后成块。在我国华东植被区划中具有重要地位，山体垂直，海拔较高，且山势陡峻，导致气候、土壤、植被的垂直地带性分异明显，具典型的山地草甸植被类型。在天然草地上，主要有禾本科的野古草Arundinella anomala、芒类Miscanthussinensis、茅根Perotis indica等，还有少量蓼科Polygonaceae、蔷薇科Rosaceae、唇形科Labiatae和十字花科Cruciferae植物[15]。

1.2 试验设计和样品采集

2013年10月下旬于武功山上进行试验样地设置与样品采集。在武功山金顶风景区，海拔1 600 m～1 900 m之间，每隔50 m为一个海拔梯度，共7个梯度（1 600，1 650，1 700，1 750，1 800，1 850，1 900）。每个梯度选取人为干扰较小、坡向一致、植物生长一致的植被区域，随机设置3个10 m×10 m的样地，以作为对比不同海拔间土壤特征的试验样地。每个样方内采用沿对角线5点采样，每个采样点的土壤包括两层，深度依次为上层（0～20 cm）和下层（20～40 cm）的土样，去除土壤中的植物根系和砂砾，带回实验室，然后风干、磨碎、过筛、保存，供土壤养分的测定使用[16]。物理性质的测定采用环刀取样法，在每个样方内，沿对角线设三次重复，分别在0 cm和20 cm深度的土壤剖面打入环刀，取出后在两端立即加盖，以免水分蒸发。带回实验室，以供物理性质的测定使用。

1.3 测定方法

土壤全氮采用FOSS8400全自动凯氏定氮仪测定；

土壤碱解氮采用碱解蒸馏法测定；

土壤有机质采用重铬酸钾—浓硫酸消煮法测定；

土壤质量含水量采用烘干法测定；

土壤密度采用比重瓶法测定；

土壤容重和总孔隙度均采用环刀法测定。

1.4 数据处理

应用Microsoft Of fice 2013和SPSS21.0进行数据统计分析，用SigmaPlot12.5进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同海拔不同土层对土壤氮素含量的影响

武功山山地草甸土壤全氮含量和碱解氮含量的变异范围分别为1.81～9.34 g/kg和100.88～592.37 mg/kg。方差分析结果显示，土壤TN和AN均在海拔1 750 m时达到最大值，以此为分界，低海拔（1 600 m～1 700 m）与高海拔（1 800 m～1 900 m）均呈现递减趋势。在海拔1 800 m与1 850 m处，土壤TN上下层出现显著差异，其余差异均不显著。不同海拔高度对上层土壤TN具有一定影响（F6，14=2.182，P=0.107），而对下层土壤影响并不显著。在土壤AN中，不同海拔高度对下层土壤具有一定影响（F6，14=2.127，P=0.115），对上层土壤的作用就更显著（F6，14=2.339，P=0.089）。

图1 不同海拔高度及不同土层土壤氮素的含量Fig. 1 The content of nitrogen in soil at different altitudes and different soil layers

在土壤上下层氮素含量中，土壤上层含量均比下层含量高，这可能是因为在土壤垂直面上植物根系对氮素吸收的影响，武功山山地草甸中的草本植物根系多集中在表层土，故而吸收氮素大都集中在上层土壤中。总体而言，土壤氮素含量几乎成一致的分布趋势，即“W”型分布，这与王恩武（2013）等针对不同山体不同海拔的养分指标分布特征相近[17]。

2.2 不同海拔不同土层对土壤有机质和pH值的影响

武功山山地草甸土壤有机质含量（OM）和pH值的变异范围分别为48.89～200.01 g/kg和4.14～5.16。由图2可知，土壤OM在海拔1 750 m时达到最高值，整体趋势呈“W”型分布。在海拔1 850 m时，OM对上下土层影响极显著（F1,4=34.162，P=0.004）。在其他海拔高度的土壤上下层中均没有显著影响。不同海拔高度对OM上层具有一定影响（F6，14=2.1021，P=0.131），对下层土没有影响。由pH值的变异范围可知，武功山山地草甸土壤整体呈弱酸性，不同海拔高度对土壤上层pH有一定影响（F6，14=1.358，P=0.297），对下层土壤没有影响。这一分布规律与OM几乎一致。

2.3 不同海拔不同土层对土壤物理性质的影响

武功山山地草甸土壤密度（D）、容重（BD）、质量含水量(MC)和总孔隙度(TP)的变异范围分 别 为 1.67 ～ 4.20 g/cm3、0.66～ 1.79 g/cm3、133.66～847.03 g/kg、42.13～84.37%。方差分析结果显示，D在不同海拔高度和不同土层间均未出现显著影响。由图3 可知，在海拔1 800 m时，BD和TP对上下土层具有显著影响，其余海拔均不显著。不同海拔的BD对上层土壤具有一定影响（F6,14=2.085，P=0.121），对下层土壤没有影响。在海拔1 750 m时，MC对上下土层具有显著影响，其余海拔均不显著。不同海拔对上层MC具有一定影响（F6，14=2.233，P=0.101），对下层土壤同样没有影响。不同海拔高度对下层TP具有显著影响（F6，14=2.745，P=0.056），对上层土壤反而没有影响，此结果正好与BD和MC相反。

图2 不同海拔高度土壤有机质和pH值变化Fig. 2 Changes of soil organic matter and pH value at different altitudes

图3 不同海拔高度土壤物理性质的变化Fig. 3 Changes of soil physical properties at different altitudes

2.4 不同海拔与不同土层之间理化性质相关性分析

由表1 可知，海拔与MC呈极显著正相关；土层与BD呈显著正相关；TN与土层、AN、BD呈显著负相关；pH与海拔、MC呈显著正相关；pH与OM呈显著负相关；TP与AN、D呈极显著正相关；TP与TN、MC呈显著正相关；土壤TN、AN与OM三者之间彼此呈极显著正相关。

表1 不同海拔高度与不同土层之间理化性质的相关性†Table 1 Correlation between the physical and chemical properties of different soil layers at different altitudes

3 结 论

海拔是山地重要的地形因子之一，海拔的不同会引起气候特征、林分类型、土壤类型的改变，进而导致土壤理化性质的差异。本研究得出以下结论：

（1）武功山山地草甸不同海拔对全氮、碱解氮和有机质含量均有一定影响，在海拔1 750 m时，均呈现最高值，这可能是因为海拔1 750 m并非游人集中区，人为干扰较小，武功山也有其自身的特殊性，在草甸分布的最高点（1 600 m）和最低点（1 900 m)，是游人的集中汇集区域，游人多在此驻足，或在此搭帐篷住宿，可能带来大量外部物质，因此养分含量多。而中海拔地区养分含量较高的原因，一方面可能是随着海拔升高，有机质分解减缓，有利于养分积累；另一方面，中海拔区域作为高海拔地区在降雨作用下的水土流失缓存区，水分条件更好，养分积累因而也更多。

（2）武功山山地草甸在0～20 cm的上层土中对全氮、碱解氮和有机质均有一定影响，且上层土壤中的氮素和有机质水平均优于下层，这种养分的表聚性可能是由于草甸植被为一年生植物，本身生长周期较短，植物凋零和枯草腐败后，会向表层土壤直接增添大量的养分，而对于下层土则具有延缓性，因而土壤表层养分含量高于下层土壤。

（3）土壤容重的大小表征了土壤的紧实程度，武功山山地草甸在游客较为集中的区域土壤容重的减少，土壤孔隙度增加，说明随游客践踏作用的增加，使得渗透阻力加大。在游客密集区，土壤质量含水量明显减少，人为干扰造成了土壤水分的减少。土壤中的各种理化以及生物反应过程中，水是重要的电子传递介质和催化剂，水分含量的减少必然会导致土壤结构的改变以及养分循环异常。因此，土壤容重的增大以及含水量的减少表明了土壤正在退化。

4 讨 论

近年来，对山地不同海拔高度的理化性质研究有很多。武夷山土壤不同形态氮素含量在不同海拔梯度间差异显著（P＜0.05），说明海拔对土壤不同形态氮素含量影响作用明显[18]。贺兰山西坡土壤全氮含量随海拔的降低而逐渐降低，在典型草原中沿土壤垂直剖面依次降低[19]。在秦岭火池塘林区的不同采样深度下，随着土壤深度增加，除土壤pH值逐渐升高外，有机质、全氮、有效磷和有效钾的含量逐渐降低，其他指标无明显变化规律[20]。以上研究的结论与本文的研究结果基本上相一致。

本文选取武功山山地草甸人为干扰较小的区域进行研究，作为国家4A级风景区及国家地质公园所在地，独特的山地草甸景观吸引着大批游人前来游览，因而人类活动将对部分区域的草甸生态系统产生很大程度的干扰，但是并未对不同干扰程度进行采样分析，山地草甸土壤有机质、全磷、全氮、含水量与土壤特征、植被特征以和人类的干扰程度密切相关，随着地上植被的不断退化演替，土壤性质、结构与养分退化可能使土壤贫瘠化越来越严重[21]。未来可以从不同干扰程度对武功山山地草甸的理化性质的影响进行研究。

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Soil nitrogen distribution and its correlation with soil physical properties in different altitude in mountain meadow of Wugong mountain

YUAN Ying-dana, LI Zhia, ZHANG Wen-yuana, NIU De-kuib, GUO Xiao-mina
(a. College of Forestry, Jiangxi Agricultural University;b. College of Land and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, Jiangxi, China)

Nitrogen is a necessary nutrient elements for plant growth and development,mountain meadow of Wugong Mountain in Jiangxi province as the research object,analyzing different altitude (1 600-1 900 m) and different soil depth (0-20 cm and 20-40 cm)conditions, soil total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen, organic matter and pH worth distribution, as well as the correlation of soil physical and chemical properties. The results show that: (1) mountain meadow of Wugong Mountain soil nitrogen content showed a trend of “W” type distribution and total nitrogen content, alkali-hydrolyzale nitrogen and organic matter content range of variation were 1.81 9.34 g/kg, 100.88 to 592.37 mg/kg and 48.89 to 200.01 g/kg; Soil total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen and organic matter were extremely signi ficant correlation between the three; (2) mountain meadow of Wugong Mountain in 0-20 cm in upper soil total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen and organic matter all have certain in fluence, and the upper level of nitrogen and organic matter in the soil were better than the lower layer; (3) at high altitude (1900 m) and low altitude (1600 m), human disturbance is larger, decrease soil bulk density, total porosity increased, the quality of water content decrease; (4) between the physical and chemical properties, soil total porosity and alkali-hydrolyzale nitrogen were very signi ficant positive correlation, density; total porosity and the total nitrogen and water content was signi ficantly positively related to quality. Research reveals mountain meadow of Wugong Mountain soil nitrogen distribution pattern and the correlation between soil physical and chemical properties, as well as degradation of meadow restoration to provide theoretical references and scienti fic basis.

mountain meadow; soil total nitrogen; alkali-hydrolyzale nitrogen; the soil physical properties

S714.5

A

1673-923X(2016)10-0108-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.019

2015-06-08

国际植物营养研究所项目（IPNI-JX29）；国家科技支撑计划课题基金资助项目（2012BAC11B06）；国家自然科学基金项目（31360177）；江西省研究生创新专项资助项目（YC2013-B029）

袁颖丹，硕士研究生

郭晓敏，教授，博士；E-mail：gxmjxau@163.com

袁颖丹，李 志，张文元，等. 武功山山地草甸不同海拔土壤氮素分布及其与土壤物理性质的关系[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(10): 108-113.

[本文编校：吴 彬]