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Tropical Geography >

2023 , Vol. 43 >Issue 1: 144 - 154

DOI: https://doi.org/10.13284/j.cnki.rddl.003618

The Effects of Altitude and Land Use on Organic Matter and Integrated Fertility of Soils in the Northern Tropics Mountain

  • Ping Wang , 1 ,
  • Honglian Hua 1 ,
  • Zhiqiang Ding , 2 ,
  • Xiaoya Yu 3 ,
  • Xiao'ai Tan 1 ,
  • Yuhui Li 1
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  • 1. Department of Geography, Yunnan Normal University, Kunming 651500, China
  • 2. School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
  • 3. School of Tourism and Resource Environment, Qiannan Normal University for Nationalities, Duyun 558000, China

Received date: 2021-11-22

  Revised date: 2022-04-04

  Online published: 2023-02-03

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Highlights

This study was conducted to gain insight into the distribution characteristics of Soil Organic Matter (SOM) and Soil Integrated Fertility (SIF) in various mountain soil zones and several typical land use types (secondary forest, banana plantation, and rubber plantation) on different altitude gradients in the northern tropics and the Butterfly Valley area in Jinping County, Yunnan Province, China. The surface (0-20 cm) and subsurface (20-40 cm) layers are distinguished. SOM, pH, total N, total P, total K, and available N, P, and K were measured. The SIF was evaluated using the modified Nemorow index method, and the key limiting factors were analyzed. First, the results show that the SOM content ranges from 21.91 to 120.67 g/kg for the surface layer and 16.38 to 101.88 g/kg for the subsurface layer, with the mean SOM of the surface layer (75.32 g/kg) greater than that of the subsurface layer (51.57 g/kg, P > 0.05). In terms of SIF, that of the surface layer was 1.15-1.59 and that of the subsurface layer was 0.94-1.44, with the mean SIF of the surface layer (1.35) greater than that of the subsurface layer (1.16). This shows that there is a significant positive correlation between the altitude gradient and SOM as well as SIF. Ranking of SOM and SIF for the surface layer (P < 0.05). Second, the SOM for the surface layer of the secondary forest, banana plantation, and rubber plantation were 26.61, 13.48, and 11.91 g/kg, respectively, while the SOM for the subsurface layer of these three typical land use types are 19.28, 9.61, and 8.91 g/kg, respectively. With regard to SIF, they were 1.48, 1.33, and 1.21 for the surface layer, and 1.17, 1.10, and 0.94, respectively. Notably, both in the surface and subsurface layers, the SOM and SIF were largest in the secondary forest, followed by the banana plantation, and then the rubber plantation. The SOM of the secondary forest was significantly greater than that of the banana and rubber plantations (P < 0.05), whereas there was no significant difference among the SIF of these three land use types. Finally, as the altitude increased, the factors limiting the SIF change from available N and available P to available P and available K, and the effect of pH gradually strengthened. The factors that maintain and limit the SIF of different land use types at low altitudes are generally consistent with natural soils at the same altitude. Therefore, in the process of future mountain development and utilization, it is important for low-altitude areas to supply nitrogen and phosphate to the soil. In medium- and high-altitude areas, supplementation with phosphate and potash is useful, and a suitable pH helps the soil release nutrients and promotes plant uptake and utilization.

Cite this article

Ping Wang , Honglian Hua , Zhiqiang Ding , Xiaoya Yu , Xiao'ai Tan , Yuhui Li . The Effects of Altitude and Land Use on Organic Matter and Integrated Fertility of Soils in the Northern Tropics Mountain[J]. Tropical Geography, 2023 , 43(1) : 144 -154 . DOI: 10.13284/j.cnki.rddl.003618

土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）形成于微生物对枯落物的部分分解转化（Castellano et al., 2015），其分解和吸存不仅对土壤结构、持水性以及土壤和植物群落之间的养分循环、生产力、生态系统功能和生物多样性维持产生深远影响（Lavallee et al., 2020），还能通过调节大气CO2而成为全球碳循环的重要环节（Cotrufo et al., 2019）。土壤综合肥力（Soil Integrated Fertility, SIF）作为土壤质量的基础性指标之一，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有重要影响，同时SIF对气候变化和人为干扰十分敏感（Borrelli et al., 2017），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降低等（裴小龙 等，2020；Mutuku et al., 2021）。因此，了解不同气候条件背景下SOM和SIF空间分异特征及影响因素对准确分析未来气候变暖条件下森林生态系统对全球碳循环的贡献、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SOM的研究主要集中在其来源与分解动力学（Schmidt et al., 2011；汪景宽 等，2019；Lavallee et al., 2020）、空间预测（Sothe et al., 2022）、管理实践（Chow, 2021）、分子组成结构（Dmitry et al., 2020）等方面，对不同尺度和生态系统类型上的研究揭示了气候、地形、植被覆盖类型等对SOM空间分异特征的影响（Fang et al., 2012;Kunkel et al., 2011），其中海拔和土地利用类型作为环境因素分异的基础条件和人类活动干扰的直接表现，对SOM有着深刻的影响。虽然相关学者对不同区域SOM与海拔的关系进行了大量研究，但是其相互作用仍具有高度不确定性，如新疆天山托木尔峰（马国飞 等，2017）和云南哈巴雪山（苏骅 等，2020）SOM随海拔高度增加而增大，湘东大围山（田宇 等，2021）SOM随海拔升高呈现先降低后升高的趋势，陇南白龙江流域SOM随海拔升高而降低（焦润安 等，2018）。同样，相关研究也显示了海拔对SIF的影响以及由于自然地理环境和研究区域的不同而产生高度不确定的结果（Harpole et al., 2011; Mihoc et al., 2016；焦润安 等，2018）。热带和亚热带森林生态系统因具有活跃生化循环过程和较高生产力而在全球气候变化中扮演着重要角色，云南作为中国土壤有机碳储量最高的地区之一，水平方向上以热带和亚热带气候为主，但同时复杂地形结构造成土壤有机质的高度空间变异性，虽然早期已有关于该区域土壤有机碳空间分布的研究（Duan et al., 2014; Zhang et al., 2021），但较少关注SOM和SIF在海拔梯度上的变化，该问题的研究有助于提高对区域SOM和SIF垂直空间分异特征的认识，从而为进一步确定该区域土壤碳平衡和森林生产力提供数据支撑。
在热带地区，原始森林向农业用地和种植园转换已成为影响土壤质量的重要干扰形式，在缺乏相关保护措施的前提下将林地转换为农业用地或园地往往会导致土壤理化性质的退化，同时还会造成土壤有机质和综合肥力的显著下降（Van Straaten et al., 2015）。目前对该地区的研究主要集中在由森林向草地或农业用地转换后土壤有机碳的变化（Don et al., 2011; Fujisaki et al., 2015）。香蕉和橡胶作为湿润热带种植园中的主要树种，是该区域原始森林被砍伐的重要驱动力，但很少有研究关注原生林砍伐后形成的次生林与橡胶林、香蕉园在土壤有机质和综合肥力方面的差异，同时目前尚未获得有关热带地区森林转换后土壤质量变化方向、幅度和速度的准确信息（Chen et al., 2017; Sierra et al., 2018），这有可能阻碍热带地区土地利用变化背景下土壤有机碳动态的准确评估。
就SIF的评价方法而言，目前主要有层次分析法、相关关系法、主成分分析法、灰色关联分析法（谢瑾 等，2012），但这些研究方法存在主观性强、对SIF变化的灵敏度较低等缺陷。修正内罗梅指数法主要用于土壤污染和水体质量的评价研究，由于其考虑的是指标最小值对SIF的限制性，同时消除了极大值的影响，所以该方法在SIF评价研究中得到广泛应用（尤誉杰 等，2018），特别是针对地形条件多变、土地利用结构复杂、SIF空间分异较大的区域，评价结果具有更高的准确性。但目前基于修正内罗梅指数对热带典型土地利用类型SIF评价研究较少，空间分异性研究也集中在水平方向上，缺乏海拔梯度上的分异特征及与SOM相关性的研究（简尊吉 等，2021）。
与大部分北热带山地相似，蝴蝶谷地区山体下部由于土地开垦、森林砍伐、过度放牧、薪柴樵采、林下采集/种植以及旅游开发等人类活动的强烈干扰，由20世纪50年代以原生林地为主，演变为目前次生林、香蕉园和橡胶林交错分布的混农林用地结构。基于上述分析，本研究通过评估蝴蝶谷地区海拔梯度上各山地土壤带（砖红壤带、赤红壤带、红壤带、黄壤带、黄棕壤带和棕壤带）和典型土地利用类型（香蕉园、橡胶林、次生林）的SOM和SIF，确定不同海拔梯度和典型土地利用类型对北热带山地SOM和SIF的影响，研究结果可为未来全球气候变暖背景下北热带森林土壤碳循环与人类活动耦合响应评估和山区土地资源高效利用提供参考依据和数据支撑。

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境内，地理位置处于22°35′40″—22°52′05″N，103°24′51″—103°38′48″ E，为哀牢山脉南段中山、亚高山地区，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。区内地势西南高，东北低，由最低点龙脖河汇口（105 m）到最高峰五台山（3 012 m），年均温由23℃降低到7℃。该区地处低纬北热带山原型季风气候区，年日照时数722~1 698 h，年降水量1 450~3 850 mm（河谷至山顶），5—10月为雨季，降水量占全年的70%~85%，每年的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（图1）。
图1 研究区及采样点空间位置

Fig.1 Location of study area and spatial location of sampling points

2 材料与方法

2.1　山地土壤带划分及采样

以《中国土壤分类系统》（全国土壤普查办公室，1993）、《云南土壤》（王文富，1996）为依据，结合实地考察结果，发现研究区基带为砖红壤带（105~600 m），之上到五台山顶部依次发育有赤红壤带（600~1 200 m）、红壤带（1 200~1 500 m）、黄壤带（1 500~1 900 m）、黄棕壤带（1 900~2 500 m）、棕壤带（2 500~3 012 m）。需要特别说明的是各山地土壤带之间并无严格的海拔界线，而是在空间结构表现出东北—西南向圈层式、逐层递变的特点。各山地土壤带基本情况如表1所示。
表1 研究区山地土壤带样地基本情况

Table 1 Background environmental profile of each mountain soil zone in the study area

山地

土壤带

气候带

（海拔高度/m）

平均

坡度/（°）

郁闭

度/%

 乔木层 植被类型及主要乔木树种
平均树高/m 平均胸径/cm

砖红

壤带

河谷北热带

（105~600）

 17.2 78 18.9 27.8 雨林、季雨林；云南龙脑香（Dipterocarpus retusus=D.tonkinensis）， 毛坡垒（Hopa- jianshu=H.mollissims）、隐翼（Crypteyonia paniculata）等

赤红

壤带

山地南亚热带

（600~1 200）

 20.9 87 15.6 23.4 山地雨林；番龙眼（Pomeita tomentosa）、千果榄仁 （Terminalia myriocarpa）、木竹子（Garcinia multiflora）
红壤带

山地中亚热带

（1 200~1 500）

 27.8 82 13.8 16.3 季风常绿阔叶林；蒙自蕈树（Aptinhia yunnanensis）、 肉托果（Semecarpus reticulata）
黄壤带

山地北亚热带

（1 500~1 900）

 35.5 89 14.9 20.8

中山湿性常绿阔叶林；金平石栎（Lithocarpus echinophorus

var.bidoupensis）、疏齿栲（Castanopsis remotidenticulata）、

小叶木莲（Manglietia duclouxii）等

黄棕

壤带

山地南温带

（1 900~2 500）

 25.6 82 12.7 19.1

山地苔藓常绿阔叶林；团叶青冈（Cylobalanopsis sp.）、

黑壳楠（Lindera megaphylla）、水青树（Tetracentron sinense）、

云南莲蕊茶（Camellia tsai）、大八角（Illicium majus）等

棕壤带

山地中温带

（2 500~3 012）

 23.3 92 11.2 15.3

山地苔藓矮林；陷脉冬青（Ilex delavayi Franch.）、厚叶杜鹃

（Rhododendron pachyphyllum Fang）、美丽马醉木 [Pieris

formosa （Wall.） D. Don] 等

基于山地土壤带划分结果，于2015年7—8月和2016年9月，在每个山地土壤带内按100 m间距采样，具体以“S”型采样法选取5个点，基于表层（0~20 cm）、亚表层（20~40 cm）分层采样，再将5个点的同层土样均匀混合，采用四分法按对角线取500 g装入土袋，采集混合样58袋（表层、亚表层各29袋）。在砖红壤带内设置1条水平土壤样带，选取典型的2块香蕉园、3块橡胶林和1块次生林地，橡胶和香蕉种植均超过30年，在每块样地设置30 m×30 m的样方，每个样方内按“S”型选取5个点，按表层、亚表层将5个点的同层土样均匀混合，采用四分法按对角线取500 g土壤装袋，之后在2022年2月按相同的方法在附近地区又补充采集了2块次生林和1块香蕉园的土样，所以前后共采集水平样带混合土样18袋（表层、亚表层各9袋）。

2.2　样品分析

土壤混合样带回实验室后对其进行风干，制备为2、1和0.25 mm待测样品。土壤含水量采用烘干法测定；土壤pH采用水浸提电极电位法测定（水土比为 2.5∶1）；SOM采用重铬酸钾-外加热法测定；全氮采用半微量开氏法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；速效磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定（鲍士旦，2003）。

2.3　土壤综合肥力评价

首先按隶属度函数对pH、SOM、全磷、速效磷、碱解氮、代换性盐基总量进行标准化处理，消除各参数之间的量纲差别。标准化处理方法如下（周伟 等，2017）：
当 X i ≤ X i m i n时， P i = X i / X i m i n
当 X i m i n < X i ≤ X i m i d时， P i = 1 + ( X i - X i m i n ) / ( X i m i d - X i m i n )
当 X i m i d ≤ X i ≤ X i m a x时， P i = 2 + ( X i - X i m i d ) / ( X i m a x - X i m i d )
当 X i m a x ≤ X i时， P i = 3
式中： P i为分肥力系数，亦为各土壤理化性质对SIF的贡献率； X i为第i种属性的测定值， X i m i d、 X i m i n、 X i m a x为分级指标（表2）。
表2 内梅罗评定方法中土壤各属性分级标准

Table 2 Grading criterion for various soil properties in the Nemorow grading method

土壤属性 内梅罗分级指标
X i m i n X i m i d X i m a x
有机质SOM 10 30 40
全磷TP 0.4 0.8 1
碱解氮AN 60 120 180
速效钾AK 50 100 200
pH（≤7） 4.5 5.5 6.5
全氮TN 0.75 1.5 2
全钾TK 5 20 25
速效磷AP 5 20 40
pH（＞7） 9 8 7
依据得到的土壤各属性分肥力系数，采用修正内梅罗公式计算综合肥力系数，公式为（周伟 等，2017）：
S I F = n - 1 n P i m i d 2 + P i m i n 2 2
式中：SIF为土壤综合肥力系数； P i m i d为土壤各属性分肥力系数的平均值，该系数也是各土壤属性对SIF的贡献率； P i m i n为各分肥力系数中最小值；n为参评的土壤属性个数。根据计算所得的综合肥力系数给出SIF的综合评价：SIF>2.7，表示土壤很肥沃；1.8＜SIF＜2.7，表示土壤肥沃；0.9＜SIF＜1.8，表示土壤肥力一般；SIF<0.9，表示土壤贫瘠（周伟 等，2017）。

2.4　数据处理

数据在Microsoft Excel 2013处理后，基于SPSS 18.0对不同海拔土壤指标进行统计分析。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）检验不同山地土壤带SOM和SIF之间的差异显著性以及海拔和土层深度（Duncan法，α=0.05），采用Pearson相关系数和线性回归分析分析海拔与SOM、SIF之间的相关性，采用SPSS中的系统聚类进行聚类分析。

3 实验结果

3.1　土壤有机质分异特征

研究区表层SOM质量分数为21.91~120.67 g/kg，棕壤带最高，砖红壤带最低，砖红壤带仅为棕壤带的18.16%（图2-a）。各山地土壤带中，从砖红壤带、赤红壤带到红壤带，SOM虽然在逐渐增大，但无显著性差异（P＞0.05），而三者与黄棕壤带和棕壤带SOM有显著差异（P＜0.05），砖红壤带与黄壤带亦有显著性差异（P＜0.05）。研究区表层SOM质量分数随着海拔高度的增加呈线性增加趋势，二者关系可用 y = 20.408 x + 3.892   2（N=6, R 2=0.980 7）表示。亚表层SOM质量分数16.38~101.88 g/kg，黄棕壤带SOM值最高，赤红壤带最低，后者仅为前者的16.08%。随着海拔增高，亚表层SOM质量分数逐渐增大，二者关系可用 y = 3.865   8 x 2 - 8.967   1 x + 24.321（N=6, R 2=0.893 8）表示，但砖红壤带、赤红壤带、红壤带和黄壤带的SOM无显著差异（P＞0.05），而与更高海拔的黄壤带、棕壤带SOM有显著差异（P＜0.05）。从剖面来看，研究区表层、亚表层SOM质量分数平均为75.32、51.57 g/kg（P＞0.05），黄壤带表层、亚表层差值最大，达48.56 g/kg。此外，除赤红壤带和黄壤带表层、亚表层SOM有显著差异（P＜0.05）外，其余山地土壤带不同层次均无显著性差异。从双因素方差分析结果来看，海拔梯度和土壤深度对研究区SOM均有显著影响（P＜0.05），但二者交互作用的影响不显著（P＞0.05）。
图2 研究区SOM在海拔梯度（a）和典型土地利用类型（b）上的变化特征

注：图中不同小写字母表示同一山地土壤带不同土层深度的SOM存在显著差异，不同大写字母表示不同山地土壤带相同土层深度的SOM存在显著差异（P＜0.05）

Fig.2 Variation characteristics of SOM in altitude gradient and typical land use types in the study area

低海拔水平样地SOM质量分数差异较大（图2-b）。3种典型土地利用类型表层SOM质量分数表现为：次生林（26.61 g/kg）>香蕉园（13.48 g/kg）>橡胶林（11.91 g/kg）；相较次生林，香蕉园和橡胶林表层SOM分别减少了49.34%和55.24%。亚表层表现为橡胶林（8.91 g/kg）<香蕉园（9.61 g/kg）<次生林（19.28 g/kg），相较次生林，香蕉园和橡胶林亚表层SOM分别减少了50.16%和53.78%。在土壤剖面上，亚表层SOM均小于表层，3种典型土地利用类型SOM 减少量排序为次生林（7.33 g/kg）>香蕉园（3.87 g/kg）>橡胶林（3.00 g/kg）；相较于表层，对应减少量百分比分别为27.55%、28.71%和25.19%。

3.2　土壤综合肥力分异特征

研究区表层、亚表层SIF随海拔高度变化情况如图3-a所示。各山地土壤带表层SIF为1.15~1.59，土壤肥力值一般，各土壤肥力值排序为棕壤带＞黄棕壤带＞黄壤带＞红壤带＞赤红壤带＞砖红壤带，砖红壤带显著低于其他几个山地土壤带（P＜0.05），整体表现为随着海拔升高土壤肥力逐渐增强的特征，二者关系可用函数 y = 0.083   5 x + 1.054   9（N=6，R 2=0.963）表示。亚表层SIF为0.94~1.44，土壤肥力值一般，随着海拔的升高，土壤肥力逐渐增强，黄壤带、黄棕壤带和棕壤带显著高于砖红壤带、赤红壤带和红壤带，海拔和土壤肥力的关系可用函数 y = 0.117   7 x + 0.749   9（N=6，R 2=0.928 1）表示。在不同土层深度上，表层、亚表层SIF平均值分别为1.35和1.16（P＜0.01），除黄棕壤带不同深度SIF差异不显著外（P＞0.05），其余SIF均有显著性差异（P＜0.05）。双因素方差分析结果显示，无论是海拔梯度、土层深度以及二者的交互作用，对研究区SIF均有显著影响（P＜0.05）。
图3 研究区SIF在海拔梯度（a）和典型土地利用类型（b）上的变化特征

注：图中不同小写字母表示同一山地土壤带不同土层深度的SIF存在显著差异，不同大写字母表示不同山地土壤带相同土层深度的SIF存在显著差异（P＜0.05）。

Fig. 3 Variation characteristics of SIF in altitude gradient and typical land use types in the study area

在典型土地利用类型上（图3-b），橡胶林、香蕉园和次生林表层SIF分别为1.21、1.33、1.48，亚表层分别为0.94、1.10、1.17，表层、亚表层SIF均为次生林＞香蕉园＞橡胶林（P＞0.05），表层SIF大于亚表层，但仅在次生林有显著差异。与次生林相比，香蕉园和橡胶林表层SIF降低了10.19%和18.26%，亚表层降低了6.27%和20.01%。无论是土地利用类型、土层深度以及二者的交互作用，对SIF均无显著影响（P＞0.05）。

3.3　土壤理化性质对综合肥力的贡献

限制和维持SIF的因素在海拔梯度上具有显著差异（P＜0.05），而在不同土层深度上的差异不显著（P＞0.05），按各因子对山地土壤带SIF的贡献率，在SPSS中按系统聚类法进行聚类分析，无论是表层还是亚表层，均可分为3组，第一组仅有砖红壤带，第二组为赤红壤带和红壤带，第三组包括黄壤带、黄棕壤带和棕壤带，各组内限制和维持SIF的因素具有相似性，而组间具有显著差异（P＜0.05）（图4-a、b）。具体来看，低海拔砖红壤带中对表层SIF贡献最大的是全磷，其次是全钾、速效钾和pH，而对亚表层贡献较大的是全磷，其次是全钾以及pH，而限制表层、亚表层的因素均为碱解氮和速效磷。对第二组表层贡献率较大的因素是SOM、全磷和全钾，而对亚表层贡献率较大的为全磷和全钾，限制表层、亚表层SIF的因素相似，包括pH、总氮、碱解氮和速效磷。对第三组表层、亚表层SIF贡献较大的因素均为SOM、全氮、全磷、全钾、碱解氮，限制因素主要是速效磷、pH和速效钾。
图4 各山地土壤带及典型土地利用类型下土壤理化性质分肥力系数特征

注：pH为土壤酸碱度；SOM为土壤有机质；TN为土壤全氮；AN为土壤碱解氮；TP为土壤全磷；AP为土壤速效磷；TK为土壤全钾；AK为土壤速效钾；a）和b）中土壤带名称之后的的字母F、S和T分别为系统聚类结果中的第一组、第二组和第三组；柱状图标注的不同小写字母表示土壤理化性质对同一山地土壤带不同土层深度SIF的贡献存在显著差异，不同大写字母表示土壤理化性质对不同山地土壤带相同土层深度SIF的贡献存在显著差异（P＜0.05）。

Fig.4 Contribution of soil physical and chemical properties to vertical soil zones and land use types of SIF

不同土地利用类型SIF的限制和维持因素具有差异性（P＞0.05）（图4-c、d）。其中对橡胶林表层、亚表层SIF贡献最大的因素均为全磷，而限制因素均为碱解氮和速效磷。对香蕉园表层、亚表层SIF贡献较大的是全磷和全钾，pH和全氮对表层的贡献较大，而对亚表层的贡献较小，速效钾与之相反，表层、亚表层的限制因素主要为碱解氮。维持次生林表层、亚表层SIF的因素主要是全磷和全钾，另外全氮对表层的影响较大，而速效钾对亚表层的影响较大，表层的限制因素为碱解氮、速效磷和SOM，亚表层主要为碱解氮和速效磷。总体来看，无论是橡胶林、香蕉园还是次生林，维持和限制SIF的因素与同海拔段内自然土壤的情况基本一致。

4 讨论

4.1　海拔对SOM和SIF的影响

研究区表层、亚表层SOM随海拔梯度而增加反映了在降水增加、空气湿度增大、人类活动干扰减弱背景下枯落物不断增多，腐殖质累积作用不断加强，使得SOM质量分数增多。表层和亚表层SOM随海拔梯度的变化情况与新疆天山托木尔峰（马国飞 等，2017）和云南哈巴雪山（苏骅 等，2020）等地的情况一致，其内在机制可能是海拔升高导致温度降低，进而减少土壤表面CO2通量和不稳定有机质，使得有机质不断累积增多（Zhang et al., 2021）。而表层有机质质量分数平均值高于亚表层与高黎贡山（和丽萍 等，2015）研究结果一致，说明枯落物和根系的分解造成有机质在表层聚集，随着土体厚度的增加，植物根系逐渐减少，使得SOM质量分数逐渐降低。
成土母质、地形和生产活动等不同生态环境因子显著影响SIF特性，因而研究区不同海拔高度SIF差异较大，这与赵明珠等（2019）的研究结果一致。表层和亚表层SIF随海拔的增加呈线性增加的趋势，不同于党坤良等（2006）的研究结果，主要原因是人为干扰程度及发育的土壤、生长的植被状况不同，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，加之热量水平高，降雨丰沛，人畜活动频繁，土地利用强度较高，表层SOM流失严重，而中高海拔地区，土壤以黄棕壤、棕壤为主，有机质含量高（陈彦清 等， 2016），同时由于人为干扰较弱，森林植被保存较原始，土壤侵蚀处于中等至较弱水平，因而高海拔SIF高于低海拔地区。

4.2　土地利用对SOM和SIF的影响

低海拔水平样地表层SOM以次生林最大，香蕉园次之，橡胶林最小的特征与文志等（2019）的研究结果一致。区内橡胶林亚表层SOM低于柬埔寨地区（31.35 g/kg）（Toriyama et al., 2022）、纳板河流域（34.8 g/kg）（谢瑾 等，2012）和西双版纳地区（15.35 g/kg）（Chen et al., 2017）等地，香蕉园亚表层SOM接近海南乐东的9.32 g/kg，低于澄迈的17.34 g/kg（陈明智 等， 2007）和广西北海、钦州（13.90~39.2 g/kg）（魏守兴 等， 2012）等地。通过野外观测，人为干扰较弱的次生林，林下有1~2 cm的枯落物积累，有利于腐殖质的形成，使得表层SOM质量分数较高，而土地利用强度增加可能是导致香蕉园和橡胶林SOM下降的主要原因（姜赛平 等，2019），虽然人为翻耕不利于枯落物的留存分解，但也促进表层和亚表层SOM的交换，使得香蕉园和橡胶林表层、亚表层SOM质量分数的差值较小（见图4-a）。同时，次生林灌木层和草本层覆盖度较高，而香蕉园和橡胶林林下空旷，林下结构的差异导致香蕉园和橡胶林土壤微生物多样性、土壤水分和温度均较次生林低，而较低的温度和土壤水分不利于枯落物的分解和SOM的形成（Schmidt et al., 2011; Sierra et al., 2018）。
通过对比SIF在次生林、橡胶林和香蕉园的变化规律，其从次生林到香蕉园、橡胶林地逐渐减小的趋势与谢瑾等（2012）的研究结果一致，而次生林SIF明显高于香蕉园和橡胶林的特征与冼干标等（2007）的研究结果一致。次生林在群落结构、物种组成、生物多样性、枯落物量、分解速率等方面均明显优于人类活动干扰强烈的香蕉园和橡胶林，即次生林养分归还的物质来源和转换、积蓄条件较好，说明次生林乃至原生林保护利用更有利于SIF的提升与积蓄。

4.3　土壤理化性质对SIF的贡献

认识各土壤理化性质对SIF的贡献可为未来加强林地土壤改良和质量提升提供关键支撑。限制和维持不同土地利用类型SIF的因素与同海拔段内自然土壤之间具有相似性，说明人类对土地的改造利用应该结合自然土壤特性因地制宜，未来应该增加翻耕、施用有机肥等措施，防止土壤板结，改善土壤结构，提升土壤保水透气功能，增加石灰和碱性肥料的施用，以调节土壤pH，改善SIF。随着海拔高度的升高，SIF的限制因素由碱解氮和速效磷转变为速效磷和速效钾，说明氮素随海拔梯度的增加而增加，磷元素则相对稳定，钾元素逐渐减少。
氮、磷、钾是SIF的重要支撑，其中土壤氮主要受控于凋落物累积和分解，随着有机质含量升高，氮素含量也在增加（纪文婧 等，2016）。在研究区内，随海拔升高，SOM逐渐增加（见图2-a），所以氮素对低海拔土壤带SIF的限制要高于高海拔段。虽然相关研究揭示了土壤磷元素与SOM的正相关关系（宋雄儒 等，2015），但是土壤磷元素多来源于岩石风化，其丰富程度多受地层岩石等地质背景控制，因此磷元素在土壤中的分布也具有迁移缓慢、空间分布较稳定等特点（马国飞 等，2017），这也解释了虽然研究区SOM随海拔高度而增加，但磷元素对SIF的限制强度基本稳定的现象。同时研究区不同海拔段全磷含量对SIF的贡献值始终较高，而速效磷的限制强烈，说明全磷与速效磷之间无显著相关性，这与宋雄儒等（2015）的研究一致。土壤速效钾随海拔增高而减小的趋势与任启文（2020）、罗钰颖（2020）等研究一致，速效钾具有较强的水溶性，受研究区降水随海拔梯度逐渐增强的影响，中高海拔段土壤带中速效钾流失严重，所以其对各山地土壤带SIF的限制随海拔升高而加强。
除氮磷钾外，pH随海拔升高而对SIF的贡献逐渐降低，说明pH随海拔升高而降低。pH对氮磷钾元素在SOM中的释放以及植物对其吸收利用等生物地球化学循环具有重要作用。如土壤中磷的溶解和吸附等化学形态转变过程受pH约束，pH升高可以增强土壤中磷的有效性（宋雄儒 等，2015）；pH还会影响土壤层对SOM的螯合或吸附（Camino et al., 2014），或是通过影响微生物活性来影响SOM矿化等（Ratpukdi et al., 2010）。土壤pH的减小也反应了各种盐基离子侵蚀流失、土壤腐殖质积累转换和硝化作用等随海拔梯度逐渐增强，所以适宜的pH有助于SIF的维持和提升。

5 结论

通过对蝴蝶谷地区6个山地土壤带和低海拔3个典型土地利用类型土壤有机质和综合肥力特征的分析、评价，结果表明，海拔升高带来气温、降水和人类活动强度的梯度差异，导致森林生态系统中生物过程和水文过程发生改变，进而影响了凋落物的生物地球化学循环，北热带山地土壤带SOM、SIF表现出随海拔升高而增大的特点，即SOM、SIF均为棕壤带＞黄棕壤带＞黄壤带＞红壤带＞赤红壤带＞砖红壤带。在典型土地利用类型下，表层和亚表层SOM、SIF均为次生林＞香蕉园＞橡胶林，除次生林SOM显著高于香蕉园和橡胶林外，其余均无显著差异。按土壤理化性质对各山地土壤带SIF维持和限制的特征，可划分为3个类型，其中砖红壤带以速效氮、速效磷限制为主，赤红壤带和红壤带以速效氮、速效磷和pH限制为主，黄壤带、黄棕壤带和棕壤带以速效磷、速效钾和pH限制为主，而维持和限制低海拔不同土地利用类型SIF的因素与同海拔段内自然土壤基本一致。未来山地开发利用过程中低海拔区域应该注重补充氮肥和磷肥，中高海拔区域则应该注重补充磷肥和钾肥，同时调节适宜的pH更有助于土壤养分的释放和植物吸收利用。

王 平：提出研究思路，设计研究方案，野外调查采样，实验和数据分析，论文初稿撰写；

华红莲：项目获取，设计实验方案，论文审阅和修改；

丁智强：提出研究思路，设计实验方案，野外调查采样，论文审阅和修改；

俞小押：野外调查采样，实验数据分析；

谭小爱：野外调查，实验分析，数据整理；

李玉辉：论文审阅与修改。

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