不同干扰程度对山地草甸土壤有机质及酸度的影响

李 志， 袁颖丹， 张学玲， 盛可银， 牛德奎， 张文元， 龚 霞， 郭晓敏

(1.江西农业大学林学院，江西南昌 330045； 2.南京林业大学林学院，江苏南京 210037)

在土壤当中含有碳的有机物质被称为土壤有机质，如动物或植物的残体，也包括微生物体以及被微生物分解、合成的所有有机物质，土壤的肥力、生态环境的保护，以及可持续发展等各个方面都受到土壤有机质的作用和影响[1-3]。土壤酸碱度同样对土壤有机质周转有着十分重要的影响[4-5]，是土壤肥力和生产力的限制因子之一，而土壤酸化也是土壤退化的重要表现形式[6]。在土壤酸度研究中，一般包含活性酸和潜性酸，土壤活性酸用pH值表示，土壤潜性酸通常用交换性酸度或者水解性酸度来表示[7-9]。土壤pH值影响着土壤演化过程中的化学反应或过程，尤其对氧化还原、溶解沉淀以及配合反应起支配作用[10]。地球上的三大碳库为草地、森林、大海，而在陆地生态系统中草地的面积最大[11]，具有很大的碳储存能力，是重要的可更新自然资源，所以如何保护并改良现有草地系统，使其能够保持健康、稳定的状态，是实现人类社会与生态经济可持续发展的重要基础。

武功山的地理位置是在江西省西部地区，其山脉走向及位置对于我国华东地区的植被区划具有重要意义，是划分亚热带范围内东部湿润区域常绿阔叶林的中部亚地带以及北部亚地带天然的分界线[12-13]。山地草甸在山岳型旅游景点的要素构成中是难得的景观类型，自2004年以来，武功山景区的游客己达45万人次；自2008年以来，每年一届的武功山国际帐篷节也吸引了越来越多来自全国各地的游客登山、探险和宿营，随着旅游规模的扩大和游客游程范围的延伸，对包括山地草甸在内的多种植被和特殊景观的负面影响也日趋增大，游客的任意践踏以及废弃物的排放，均在很大程度上造成草甸群落组成和生产力的退化，山地草甸逐渐破碎化现象日渐明显[13-14]。针对这些问题，笔者所在的研究团队已经开展了部分科研工作，袁颖丹等针对不同海拔高度土壤的含氮量与物理性质之间的关系进行分析，结果表明土壤的总孔隙度与碱解氮含量、全氮含量呈显著正相关[15]。袁知洋等的研究结果表明，草甸区内不同植被群落的土壤有机质含量与微生物量碳含量以及易氧化态碳的含量呈显著正相关，而不同干扰程度对碱解氮的影响不显著[16-17]。邓邦良等的研究表明，在不同海拔梯度上，土层深度对有机质含量影响显著[18]。但是针对不同退化程度酸度与有机质含量，尤其是交换性酸与活性酸及有机质含量关系的研究还尚未开展。因此，本试验主要基于山地草甸生态系统对外界干扰所呈现的敏感性以及脆弱性等特征，通过对不同干扰程度下山地草甸土壤不同土层深度所含有机质及酸度进行分析，探究其差异程度及分布规律，研究结果可为建立科学的南方地区山地草甸生态脆弱度评价体系提供理论参考，也可为合理开展退化山地草甸生态修复工作提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

武功山分布于罗霄山脉北部，吉安、宜春和萍乡3个地级市行政区划的接壤区域(27°25′～27°35′ N，114°10′～114°17′ E)，是湘江水系及赣江水系的分水岭，绵延大约120 km，总面积约970 km2，年平均气温为14～16 ℃，夏季的最高温为 23 ℃，年均日照时长为1 580～1 700 h，年均蒸发量为 1 360～1 700 mm，年均湿度值为70%～80%，年均降水量为1 350～1 570 mm，武功山山体岩石类型主要为花岗岩和片麻岩，主峰白鹤峰(金顶)海拔1 918.3 m[19]。武功山草甸分布区的土壤主要是亚热带山地草甸土，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。武功山山体垂直，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，在江西省境内，除武功山外，其他山体(庐山、井冈山等)均不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(Arundinellaanomala)、芒类(Miscanthussinensis)、茅根(Perotisindica)等，还有少量蓼科(Polygonaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、唇形科(Labiatae)和十字花科(Cruciferae)植物[20-21]。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 2013年10月下旬，到达武功山主体景区(金顶风景区)进行试验样地设置及样品采集。因为人们的大量踩踏行为，致使草甸分布区出现大面积的植被覆盖度下降的现象。本研究参照国家质检总局2004年颁布的《天然草地退化、沙化盐渍化的分级指标》国家标准(GB 19377—2003)[22]和孙小弟等对退化草地分级标准的研究结果[23-24]，选择武功山主峰(金顶)周围(海拔1 880～1 913 m)为研究区，依据因人为干扰所造成的植被覆盖度相对百分数的减少率(%)，设置无干扰(contrast check，缩写为CK，0～10%)、轻度干扰(slight disturbance，SLD，11%～20%)、中度干扰(medium disturbance，MD，21%～30%)、重度干扰(severe disturbance，SD，>30%)等4种处理，每种处理设置3个10 m×10 m的重复样地，作为研究不同干扰程度下山地草甸土壤酸度及有机质含量差异的采样区域。

1.2.2 样品采集与测定方法 运用5点采样法在样地内分上(0～20 cm)、下(20～40 cm)层进行取样，将每一个样地内相同土层的土样混合均匀，在采样现场运用四分法获取约500 g土壤样品装入样品保鲜袋，把样品及时带回实验室，并晾置在土壤样品架上面，经过自然风干之后，仔细拣去样品当中的动植物残体以及石块等杂质，把样品研磨、粉碎，通过 2 mm 筛孔进行待测样品制备。土壤活性酸pH值、交换性酸(AA)含量、有机质(OM)含量等指标在中国农业科学院中-加合作土壤植物测试实验室采用高效土壤养分系统研究法测定，该研究方法是美国佛罗里达国际农化服务中心(Agro Services International Inc.，简称ASI)的Hunter博士在总结了前人土壤测试工作的基础上，吸收了美国北卡罗莱那州立大学的Waugh、Gate和Nelson的研究结果提出的评价土壤养分状况的实验室化学分析方法，在中-加钾肥农学项目实施中引进中国，并在中国农业科学院建立了中-加合作土壤植物测试实验室[25]。

1.2.3 数据处理 使用Microsoft Office 2016对初始数据进行编排整理，运用SPSS 21.0进行单因素方差分析及检验，用SigmaPlot12.5进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 武功山金顶风景区山地草甸土壤酸度及有机质总体特征

土壤学中常根据土壤的pH值，将土壤的酸碱性分为若干级，根据土壤酸度理论[26]，武功山主峰景区草甸土壤pH值总体呈强酸性，波动范围为4.05～4.83，平均值为4.56。交换性酸(AA)含量的范围为1.71～4.97 cmol/L，平均含量 3.36 cmol/L。结合第二次全国土壤普查的土壤养分含量分级指标，武功山草甸土壤有机质(OM)含量较丰富，达到二级水平，范围为1.8%～3.4%，平均含量为2.63%。变异系数(CV)主要是说明指标参数变异的程度，通常情况下，CV<0.1为弱变异性，CV在0.1～1.0之间被认为是中等程度的变异，如果CV>1.0，则为强变异性[27]。由表1可知，武功山山地草甸土壤酸度计有机质的变异性总体上不强烈，其中，土壤活性酶pH值呈弱变异性，而AA含量和OM含量都是中度变异。

2.2 不同干扰程度对土壤酸度及有机质的影响

2.2.1 不同干扰程度及不同土层深度的土壤pH值 土壤的pH值影响着土壤中养分存在的状态、转化及其有效性，是土壤质量的重要指标，植被生长也有其比较适宜的pH值范围，如果超出这一范围，则植被生长也将会受到一定影响[26]。从图1可以看出，上、下层土壤pH值均受人为干扰的影响，随着干扰程度加重，土壤pH值降低，活性酸度增强，在重度干扰水平下与其他水平呈现显著差异，轻度、中度干扰和无干扰草甸土壤pH值差异不显著，不同土层间的pH值无显著差异。

表1 武功山草甸土壤酸度及有机质

2.2.2 不同干扰程度及土层深度对土壤交换性酸的影响 在土壤胶体的表面所吸附的交换性氢离子和铝离子总量是土壤交换性酸，一般被认为是土壤的潜在酸，可以和溶液中的氢离子(活性酸)保持动态的平衡，作为土壤酸度容量的指标之一，土壤的交换性酸决定着土壤的活性酸[6]。从图2可以看出，不同干扰程度对山地草甸交换性酸有一定的影响，但是显著性不强。总体来看，随着人为干扰程度增强，土壤中的交换性酸含量呈降低趋势，与pH值的分布规律相近。在轻度干扰水平的土壤交换性酸含量比中度干扰水平相对稍低，可能是山地草甸土壤交换性酸含量对干扰响应较为敏感，但是，随着干扰增加，可能人们会带来一定的外来物质，对交换性酸的含量有所影响。不同土层土壤交换性酸的含量，上层土壤总体高于下层，土壤在轻度干扰水平上、下土层土壤交换性酸含量差异显著，其他干扰水平下，不同土层间土壤交换性酸含量差异不显著。

2.2.3 不同干扰程度及土层深度对土壤有机质含量的影响 土壤有机质含量是评价土壤肥力的一项重要指标，一般情况下，土壤有机质只占土壤质量的1%～5%，但对土壤的保肥供肥性、土壤结构的形成和稳定性、土壤物理化学过程及重金属与农药等污染物的降解等生态过程起十分重要的作用[3，28]。从图3可以看出，山地草甸土壤有机质含量在重度和轻度干扰水平的上层土壤之间差异显著，而不同干扰水平下层土壤有机质含量差异不显著。不同土层深度土壤有机质含量在轻度干扰水平差异显著，该结果与土壤交换性酸的差异特征较为一致，其他干扰水平下不同深度土壤有机质含量差异不显著。

2.3 土壤有机质与土壤酸度关系分析

武功山山地草甸土壤酸度、有机质的相关性分析见表2，结果表明：土壤pH值与土壤交换性酸呈正相关，而与有机质含量呈负相关，土壤交换性酸则与有机质含量呈极显著正相关，二者的相关模型为y=0.343x+1.477(r2=0.444)。

表2 土壤酸度、有机质的相关性分析

注：“*”表示显著相关(P<0.05)，“**”表示极显著相关(P<0.01)。

3 讨论

本研究认为，人为干扰会进一步增强土壤酸性，造成植被覆盖度下降，在干扰初期导致土壤有机质含量降低，但是在后期随着干扰强度增加，可能是带来了较多的外界物质，使土壤有机质含量有所增加。戴万宏等利用中国第二次土壤普查的实测土壤数据，研究了全国及不同地区地带性土壤表层有机质含量与土壤酸碱度的关系，认为中国地带性土壤表层有机质含量有明显随pH值升高而降低的趋势，二者间呈显著负相关[1]，与本研究结论相似。江慧华等对武夷山地区的土壤有机质、全氮等养分指标研究，发现0～20 cm的表层土壤有机质含量比下层土壤要高，并且在旅游区土壤有机质含量有回升的趋势[29]，也与本研究的结论相似。在一些研究中，土壤酸碱度与有机质之间的关系存在一些不确定的情况，有学者认为出现关系不明确的原因不完全是由土壤pH值所造成的，其他方面如土壤有机质周转的影响因子(土壤的质地、环境气候及土壤微生物数量、种群结构等)也是可能致使出现这种差别的重要原因[30]。在武功山草甸分布区，因为干扰造成植被退化，覆盖度降低，势必会造成土壤侵蚀加剧，如何能够利用土壤酸度与有机质的特性，来改善区域环境，保持好南方地区这一最大的“云间草原”则是需要进一步深入探讨的内容。

4 结论

武功山金顶风景区山地草甸土壤为强酸性或极强酸性土壤，随着干扰程度的增加，上、下层土壤活性酸度逐步增强；交换性酸含量呈现与活性酸相似的分布趋势；土壤有机质的含量较为丰富，上层土壤的有机质含量要高于下层。重度干扰水平与其他干扰水平上、下层土壤活性酸含量具有显著差异，不同干扰水平之间土壤交换性酸含量的影响不显著，重度和轻度干扰水平上层土壤有机质含量有显著差异，下层土壤有机质含量影响不显著。不同土层深度土壤pH值无显著差异，在轻度干扰水平上不同土层土壤交换性酸和有机质含量差异显著(P<0.05)。土壤活性酸与有机质含量具有负相关关系；而土壤交换性酸则与有机质含量具有极显著正相关关系，二者之间的线性方程为y=0.343x+1.477(r2=0.444)。

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