清遠(yuǎn)市針葉林土壤氮含量研究*

張亞男 丁曉綱 魏 丹 張志輝程長福 李瑩瑩 康 劍，3

（1. 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2. 清遠(yuǎn)市龍坪林場(chǎng)，廣東 清遠(yuǎn) 513400；3. 中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

氮是生物體的基本組成元素，是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素，土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的氮庫[1]。研究表明，人類活動(dòng)和自然環(huán)境改變是導(dǎo)致土壤氮時(shí)空變化的主要因素，土壤碳氮比和氮磷比變化主要受氮肥使用量的影響，土壤氮含量隨氣候條件變化以及地表植被輸入吸收的不同而在時(shí)間尺度上發(fā)生變化[2]。

植物群落組成、生產(chǎn)力和凋落物通過改變土壤氮源，間接影響土壤全氮含量。不同類型植被土壤全氮含量存在很大的差異，且植被類型對(duì)土壤全氮含量的貢獻(xiàn)率為0.88%。凋落物數(shù)量和質(zhì)量與土壤微生物類型的耦合作用影響土壤呼吸和礦化，從而影響土壤全氮儲(chǔ)量。另外，凋落物的覆蓋可使土壤免受雨水沖刷，減少養(yǎng)分淋溶，有效改善土壤生境，使氮循環(huán)可持續(xù)[3-6]。

清遠(yuǎn)市位于廣東的中北部、北江中游、南嶺山脈南側(cè)與珠江三角洲的結(jié)合帶上，森林覆蓋率69.31%，森林面積2 076.7 萬畝，森林蓄積量8 533 萬m3，生物資源豐富，有中國南方珍稀動(dòng)植物的物種基因庫和粵北生態(tài)屏障之稱[7-8]。本研究以清遠(yuǎn)市針葉林土壤為研究對(duì)象，在區(qū)域尺度上研究其土壤氮含量分布狀況，對(duì)于今后評(píng)估土壤養(yǎng)分含量狀況、精準(zhǔn)施肥、合理規(guī)劃利用林地資源、制定森林經(jīng)營規(guī)劃提供參考[9-10]。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研 究 區(qū) 系 廣 東 省 清 遠(yuǎn) 市（111°55′～113°55′E,23°31′～25°12′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫20.7 ℃，最低氣溫為1 月份，最高氣溫為7月份，年平均日照1 662.2 h，年平均降雨量1 900 mm，每年無霜期平均為314.4 d。研究區(qū)地勢(shì)自西北向東南傾斜，以山地、丘陵為主，平原分布于北江兩岸的南部地區(qū)[7-8]。

1.2 樣品采集及測(cè)定

根據(jù)研究區(qū)植被、地形和氣候特征等狀況，采用專題樣點(diǎn)布設(shè)與空間隨機(jī)樣點(diǎn)布設(shè)相結(jié)合的方法布設(shè)樣點(diǎn)，共布設(shè)樣點(diǎn)134 個(gè)，樣點(diǎn)均分布在針葉林林分內(nèi)（研究區(qū)樣點(diǎn)分布情況見圖1）。各樣點(diǎn)均選擇有代表性地段挖掘3 個(gè)土壤剖面（各剖面間距大于10 m），剖面長1.2～1.5 m，寬0.8～1 m，深1 m。每個(gè)剖面均從上至下依次采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 的土層樣品，每個(gè)樣點(diǎn)共采樣4 層/個(gè)×3 個(gè)（剖面）=12 份，分裝并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)常溫下風(fēng)干，揀出雜物，磨碎并充分混合，過100 目尼龍篩后用于檢測(cè)土壤樣品中的全氮含量[11-12]。采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量[13]。

圖1 清遠(yuǎn)市針葉林樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of coniferous forest sampling points in Qingyuan city

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel、SPSS 和ArcGIS10.7 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采樣點(diǎn)坐標(biāo)信息及氮含量數(shù)據(jù)整理于Excel 中進(jìn)行，在ArcGIS 軟件中加載廣東省矢量化地圖，對(duì)坐標(biāo)信息進(jìn)行添加，生成土壤剖面取樣點(diǎn)分布圖（圖1）。利用SPSS 進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，得出相關(guān)指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等，并與全國第二次土壤普查對(duì)于土壤肥力的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）進(jìn)行比較[14]；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，樣點(diǎn)數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，可采用空間插值法分析，利用ArcGIS 的地統(tǒng)計(jì)模塊中的普通Kriging 空間插值方法繪制土壤全氮空間插值圖[15-16]。

表1 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]Tab. 1 Soil nutrient grading standards

2 結(jié)果與分析

2.1 針葉林土壤全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)

清遠(yuǎn)市針葉林土壤全氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，由表可知，各土層由上至下全氮含量平均值逐漸降低，說明該區(qū)域土壤全氮含量在垂直剖面上呈現(xiàn)隨深度增加而不斷降低的趨勢(shì)；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土層土壤全氮變異系數(shù)屬于中等程度變異，60～80 cm 土層土壤全氮離散程度最高，最易受到極端值的影響。經(jīng)與土壤肥力的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土層土壤全氮處于Ⅲ級(jí)水平，60～80 cm 土層土壤全氮處于Ⅴ級(jí)水平。

表2 針葉林全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Descriptive statistics of total nitrogen content in coniferous forests

2.2 針葉林土壤全氮含量分布特征

利用普通Kriging 空間插值法繪制的清遠(yuǎn)市針葉林土壤各土層全氮空間插值圖見圖2。由圖可知，清遠(yuǎn)市針葉林土壤同一土層不同區(qū)域全氮含量不同，中部針葉林土壤全氮含量最高，西北部和東南部針葉林土壤全氮含量較低，整體上土壤全氮含量自西北至東南呈先增加后減少的趨勢(shì)。不同土層全氮含量不同，西北部、中部、東南部土層土壤全氮含量均隨深度加深而減少。研究區(qū)內(nèi)土層全氮含量最高區(qū)域?yàn)?～20 cm 中部區(qū)域土層，處于1 198.12～2 683.33 mg·kg-1之間。

圖2 針葉林土壤全氮分布Fig.2 Distribution of soil total nitrogen in coniferous forest

3 結(jié)論與討論

本研究主要采用普通Kriging 空間插值法研究清遠(yuǎn)市針葉林土壤全氮含量的分布狀況，結(jié)果顯示：清遠(yuǎn)市針葉林土壤同一土層不同區(qū)域全氮含量不同，中部針葉林土壤全氮含量最高，西北部和東南部針葉林土壤全氮含量相對(duì)較低；不同土層全氮含量不同，隨著土層厚度的增加，全氮含量不斷減??；各土層全氮含量平均值分別為：1 276.74 mg·kg-1（0～20 cm）、1 161.16 mg·kg-1（20～40 cm）、1 126.45 mg · kg-1（40～60 cm）、555.00 mg·kg-1（60～80 cm），0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土層土壤全氮處于Ⅲ級(jí)高水平狀態(tài)，60～80 cm 土層土壤全氮處于Ⅴ級(jí)低水平狀態(tài)。

土壤中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是可以被植物直接吸收利用的氮素，其中硝態(tài)氮為氧化態(tài)的氮源，既容易被植物吸收利用，也容易向土壤深處移動(dòng)；銨態(tài)氮為還原態(tài)的氮源，移動(dòng)性相對(duì)較差，容易被土壤吸附固定[17]。本研究中，不同土層全氮含量不同，隨著土層厚度的增加，全氮含量不斷減小，與上述結(jié)論相似，還原態(tài)的氮大多被固定在土壤表層，氧化態(tài)的氮除留在表層外，逐漸向深層土壤轉(zhuǎn)移。

在不考慮植被類型的條件下，土壤理化性質(zhì)與海拔等環(huán)境因素相關(guān)，任啟文等[18]研究認(rèn)為土壤全氮與海拔呈正相關(guān)關(guān)系，海拔影響土壤微生物能量獲取，微生物的分解作用進(jìn)而影響全氮含量[19]。本研究得出，清遠(yuǎn)市針葉林同一土層不同區(qū)域全氮含量存在差異，表明全氮含量與海拔等地形因子可能存在一定關(guān)系，由于本研究未與海拔等地形因素進(jìn)行相關(guān)性分析，在今后的研究中將增加地形等因素與全氮等土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析。

植被的種類、數(shù)量及分布格局決定了凋落物的種類、產(chǎn)量，導(dǎo)致土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的變化并引起土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性[20]。本研究所涉及的均為針葉林,林分內(nèi)樹種組成、年齡及數(shù)量等也可能導(dǎo)致土壤全氮含量在空間上的差異，因此，需要對(duì)研究區(qū)內(nèi)的土壤樣點(diǎn)進(jìn)行長期定位觀測(cè)。