基于空間插值的連州市森林土壤氮素含量分析*

張志輝 程長(zhǎng)福 康 劍 丁曉綱

（1.廣東省清遠(yuǎn)市龍坪林場(chǎng)，廣東 連州513438；2.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；3.中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

氮元素作為森林土壤的結(jié)構(gòu)性元素，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的作用[1-3]。森林土壤氮素主要來(lái)自于大氣氮沉降[4]、動(dòng)植物殘?bào)w分解等[5]。氮元素是植物進(jìn)行光合作用的必要元素，同時(shí)，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要元素之一[6-8]。研究顯示，氮素循環(huán)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要的影響作用[9]。氮素可以協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)因素與環(huán)境條件，保證植物與土壤之間養(yǎng)分循環(huán)以及能量流動(dòng)的順利進(jìn)行，對(duì)維持地球生態(tài)平衡、維護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要作用[10]。氮素是土壤肥力的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要依據(jù)[11]。因此，充分了解區(qū)域森林氮素含量的空間格局，對(duì)于高效開展森林培育、發(fā)揮森林土壤最大價(jià)值具有重要意義。

本研究對(duì)連州市全域尺度的森林土壤樣品進(jìn)行分層采集，通過測(cè)定土壤氮素含量，基于空間分析的方法，對(duì)連州市森林土壤氮素含量進(jìn)行分析研究。本研究旨在分析揭示連州市土壤氮素的空間分布格局。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

連州市位于廣東省西北部，小北江的上游。東南毗鄰陽(yáng)山縣，西南連接連南縣，西北與湖南省藍(lán)山、江華縣相連，北與湖南省臨武縣交界，東北臨湖南省宜章縣境。其地理坐標(biāo)為112°47’～112°07’E， 24°37’～ 25°12’N。主峰天堂嶺，海拔1 712 m。全市地貌類型以山地為主，氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫19.4℃，無(wú)霜期306 d，平均年總降雨量1 603 mm。全市有11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人口53 萬(wàn)，林地面積19.13 萬(wàn)hm2（不含龍坪林場(chǎng)1.1 萬(wàn)hm2），森林覆蓋率68.21%，活立木蓄積量1 195.95 萬(wàn)m3[12]。

圖1 連州市林地土壤采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in Lianzhou city

1.2 樣品采集及氮素含量的測(cè)定

根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，連州市共采集182 個(gè)樣點(diǎn)，使得樣點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在不同地形、地貌、水文、植被狀況的區(qū)域，且對(duì)于土壤信息狀況有一定的代表性。選擇樣點(diǎn)內(nèi)挖剖面，每隔20 cm 分層取樣，共取3 層分別為0～20 cm（I-F-1）、20～40 cm（I-F-2）、40～60 cm（I-F-3）。將分層采樣的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過篩后以便后續(xù)分析。然后采用凱氏法測(cè)定土壤樣品全氮含量[13-14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過Excel 對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用R 進(jìn)行數(shù)據(jù)分層差異分析。本研究運(yùn)用Arc-GIS 10.3 軟件對(duì)土壤氮元素進(jìn)行空間克里格插值（Kriging），進(jìn)而分析連州市林地土壤氮素含量的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林土壤分層氮素含量分析

調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表1），連州市森林土壤 中I-F-1 層 氮 素 含 量 為330.64～2 503.00 mg/kg，平 均 值 為1 033.36.05±361.41 mg/kg；I-F-2層的氮素含量為357.30～2 270.80 mg/kg，平均值為957.53±324.29 mg/kg；I-F-3 的 氮 素 含 量 為291.08～2 219.20 mg/kg，平均值為918.92±297.24 mg/kg。整體來(lái)看，隨著土層的加深，土壤氮素含量依次減少。

表1 連州市森林土壤各層氮素統(tǒng)計(jì)值 mg/kgTable 1 Statistical values of nitrogen in forest soil layers in Lianzhou city

2.2 不同土層土壤氮素含量差異

結(jié)果顯示（圖2），I-F-1 層與I-F-2、I-F-3 層之間氮素含量有著顯著差異，但是I-F-2、I-F-3 層之間沒有顯著差異。結(jié)果表明，隨著土層的加深，氮素含量顯著降低，相對(duì)于表層氮素，其它土層有顯著的下降。

圖2 連州市森林土壤不同土層氮素含量差異Fig. 2 Difference of nitrogen content in different soil layers of forest in Lianzhou city

2.3 土壤氮素各層含量空間分布特征

結(jié)果顯示（圖3），連州市森林表層土氮素含量空間差異顯著，市域內(nèi)大部分區(qū)域呈現(xiàn)中等水平，集中分布于799.24～1 146.45 mg/kg。僅在連州東南部出現(xiàn)高值區(qū)域。I-F-2 層土氮素含量空間差異顯著，市域內(nèi)整體呈現(xiàn)中等水平，其中，中部表現(xiàn)出明顯的低值區(qū)域，在東南部區(qū)域出現(xiàn)小面積高值區(qū)域。氮素含量在I-F-3 土壤中仍存在空間差異。與前兩層不同的是，該層土壤氮素高值區(qū)域分布在東南、西北兩個(gè)區(qū)域。但整體而言，氮素含量較前兩層明顯降低。中部、南部表現(xiàn)出明顯的低值區(qū)域。

圖3 連州市森林土壤氮素空間分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of nitrogen in the soil layer in Lianzhou city

總體而言，連州市大部分區(qū)域的森林土壤氮素處于中等水平。僅在東南部出現(xiàn)高值區(qū)域，中南部出現(xiàn)低值區(qū)域。高值區(qū)域可能是因?yàn)檫B州市東南部是龍坪林場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)區(qū)域，森林會(huì)產(chǎn)生大量的凋落物進(jìn)入土壤[19]。而低值區(qū)域可能主要是因?yàn)橹心喜繀^(qū)域是連州市的主要城市發(fā)展區(qū)域，因此氮素含量偏低。盡管不同土層有差異，但總體分布格局一致。

綜上所述，連州市森林土壤氮素含量在空間上存在明顯差異，隨著土層的加深，土壤氮素含量降低，第二、三層與表層氮素含量有顯著差異。東南部的氮素含量較高，中南部地區(qū)含量較低。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果顯示，連州市土壤氮素在在不同尺度上存在明顯的空間差異。隨著土層的加深，氮素含量降低，然而，I-F-2 與I-F-3 層之間氮素含量沒有顯著差異。這一結(jié)果表明，隨著土層的加深，氮素含量不斷趨于穩(wěn)定[15]。本研究結(jié)果與其它地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果一致[16]。表層氮素含量較高，主要是因?yàn)樯值蚵湮锏拇罅枯斎?，增加了土壤氮素的輸入量[17]。另一個(gè)重要因素可能是長(zhǎng)期的氮沉降，大氣氮沉降能夠有效增加土壤氮素含量[18]。