莽山林区不同森林土壤氮、磷含量的研究

何介南，谢寄托

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

莽山林区不同森林土壤氮、磷含量的研究

何介南，谢寄托

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

随着对森林土壤养分研究的逐渐深入以及森林养分对植被恢复、森林抚育中起的重要作用，人们开始发现不同森林类型下的森林土壤氮、磷这些主要养分元素分布具有很大差异性。文章主要通过采用野外定位监测与室内实验相结合的方法，对湖南莽山自然保护区不同林型土壤中的全氮、全磷和速效磷的垂直分布规律进行分析比较研究。结果显示：莽山7种不同林型土壤全氮平均含量大小的顺序为山顶矮林＞高山矮林＞竹林＞杉木林＞针叶林＞常绿阔叶林＞常绿针阔混交林。在土壤剖面垂直分布方面，除高山矮林外，其他林型下都是剖面表层含量最高，并随着剖面加深逐渐降低，呈现表层富集性。7种林型中高山矮林的全磷含量最高，而常绿针阔混交林最低。全磷的土壤剖面垂直分布差异明显，而有效磷的垂直变化较为平缓，且各个林型的有效磷含量差别较小。这主要和土壤母质、表层凋落物、海拔等因素有关。该研究结果对提高施肥效率、制定森林抚育对策有着重要的意义。

森林土壤；氮素；磷素；莽山

随着人类社会的发展进步，对环境变化和植被发展的关注度也不断提高。森林植被对维系整个地球的生态平衡有着非常重要的作用，土壤是森林植被物质循环、合成、交汇以及生命活动最为活跃的承载区，是其发展的基础[1]，国外对森林土壤养分的研究重视较早，研究可追溯到十八世纪末，并早已明确森林土壤是维持林木健康生长的基质，其肥力特征影响并控制着林木的健康状态（Fisher et al.，2000），十九世纪初期，欧洲形成以李比希为代表的农业化学和以法罗为代表的农业地质学俩种不同学派。这俩种学派的产生对土壤肥力的研究产生深远影响，且他们都是对土壤肥力递减理论的忠实拥趸。但按照前苏联科学家的看法，土壤中植物生长的全部生命过程，都是生物小循环和地质大循环矛盾斗争的过程。这一观点认为植物生长在土壤的整个生命过程中，对土壤肥力的发展，主要起提升作用。虽然欧洲学者在土壤肥力发展规律的研究上存在分歧，但是其研究的核心内容始终是如何掌握土壤养分分布和提高土壤肥力的问题。我国对土壤理化性质及其肥力的研究开始于19世纪初，首先是从土壤酸碱性入手，再到土壤腐植质组成变化，证明由森林凋落物为主的土壤腐植质是土壤肥力的基础物质，且是土壤有机质的主体，发现其中氮、磷等元素对土壤肥力的形成有重要作用，胡敏酸的比例能够影响土壤结构[2]。森林植被又反过来影响着森林土壤的肥力状况，氮、磷是土壤养分中影响森林生长发育的重要限制性因素，所以研究不同森林植被下土壤氮、磷元素的发展变化对了解森林生长与土壤之间的关系、森林培育、恢复与土壤改良等都具有重要意义[3-5]。本研究通过对莽山国家森林公园7种不同森林类型的土壤氮、磷含量状况进行分析研究，为莽山国家森林公园的森林保护和造林更新以及与可持续利用提供经营提供一定的理论依据。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究地概况

莽山国有林区位于湖南省郴州市宜章县南部，南岭山脉的中段，为骑田岭的支脉，属东经 112°43′119″～113°0′10″，北 纬 24°52′0″～25°31′2″，总面积 284 平方公里[7]，气候属中亚热带季风湿润气候，植被繁茂，树种复杂，气温，降水的垂直变化明显，作为湖南省东南部与广东省北部的自然地理分界线以及珠江水系和长江水系的分水岭，我国的中亚热带和南亚热带也在此过渡[8]。莽山的主要的成土母质为泥盆纪砂岩、页岩；由于中生代燕山运动侵入大片花岗岩，导致正常斑状花岗岩分布相对较广，正长石含量较多。土壤形成具有红壤化的典型特征，富含铁铝，山体土层分层较明显。土壤主要有以下类型：海拔500～600 m以下为山地红壤，600～1 200 m为山地黄壤；1 200～1 700 m为山地黄棕壤，1 200～1 900 m为高山草甸土,土层较浅薄[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地的选择

按田大伦生态系统土壤定位研究方法在 4 种不同海拔高度、（即＜1 000 m、1 000 m～1 300 m、1 300 m～1 600 m、1 600 m～1 902 m）、土壤类型以及典型植被类型内设置标准地并通过GPS定位，样地设定的大小为20 m×33.3 m，共计15个标准样地[10]。样地概况见图1和表1。

图1 莽山野外调查样点分布图Fig. 1 Spatical distribution of sampling site on Mangshan

1.2.2 土壤样品的采集

根据典型性和代表性原则，且为了保证土壤调查的代表性,又不破坏监测样地的完整性，在每个样地内沿对角线设置3个土壤样方并挖掘土壤剖面，采用环刀取样和采集混合样，每个取样点按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm的深度取样，每层打取2个环刀，取样1 kg以上土，重复3次，用于分析其理化性质。将样品用自封袋带回实验室，经过分拣剔出根及其它枯落物，将一半新鲜土样于0～4℃保存，用于土壤氨态氮、硝态氮及亚硝氮的测定；另一半土样用木棒碾碎，自然风干，过土壤筛（100目）筛取土样，进行土壤有机碳、全氮等的测定[11-14]。

1.2.3 土壤样品测定

采用凯氏定氮法测定土壤全氮[16]。测定土壤全磷采用氢氧化钠熔融法。土壤有效磷用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定[16]。

2 数据处理

通过以上方法进行实验并得出实验数据，进行分类记录，并运用Excel软件进行数据处理，然后通过SPSS 13.0软件对处理后的数据进行相关性分析。

表1 样地概况Table 1 General information of test plots

3 结果和分析

3.1 不同林型土壤全氮含量比较分析

氮素是土壤肥力的重要决定因素，是蛋白质、多种酶、叶绿素等的重要成分[17]。在植物生长发育，以及生命活动中占有重要地位，更决定了植物品质，被称为植物的生命元素[18]。根据表1可知莽山森林保护区的主要林型主要包括：常绿落叶阔叶林、常绿针阔混交林、杉木林、针叶林、竹林、高山矮林、山顶苔藓矮林这七种类型。将这七种不同森林类型不同土层深度土壤按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm的方式分4层，对其全氮含量进行测定，取4层的平均值，结果见表2。

表2 不同森林类型土壤全氮含量Table 2 Comparison of total nitrogen content in different forest types

所调查的7种森林类型土壤全氮平均含量大小的顺序为山顶矮林＞高山矮林＞竹林＞杉木林＞针叶林＞常绿阔叶林＞常绿针阔混交林,全氮平均含量在1.102～4.455 g·kg-1之间，其中含量最高的为山顶苔藓矮林，是常绿针阔混交林的近4倍，海拔和湿度是重要原因。莽山林区随着海拔的上升，导致气温不断降低，湿度逐渐增大，地表阴冷潮湿，苔藓丛生，微生物活动变弱，且受到人为活动干扰较小，有利于土壤养分的腐殖化和养分积累。竹林对土壤肥力的要求要高于一般树种，土壤中氮素对竹林的长势和产量成极显著正相关，这间接导致竹林的全氮含量较高[19]。常绿针阔混交林全氮含量相对最低，但与常绿阔叶林差别不大，这与人工采伐或经历山火后，马尾松等树种入侵形成林型过渡带有一定关系[20]。

图2 不同森林土壤类型在不同土壤剖面全氮分布Fig. 2 Comparison of total nitrogen content in different forest types

图2为7种不同森林类型不同土壤层次全氮含量，由图可见，这7种林型的土壤剖面上的全氮分布的最大值都出现在表层，即具有表层富集的特性，且这7种林型随着土层自上而下的加深，全氮分布出现递减。除了因为表层土壤与大气直接接触，大气中的有机氮被表层土壤直接吸收之外，土壤中氮素主要输入来自于表层凋落物的有机质分解。在土壤表层，枯枝落叶层的有机质分解作用最为强烈，然后通过下渗水作用在土体中的淋溶、淀积。植物根系主要分布在0～20 cm层也是导致森林土壤氮素垂直分布规律十分明显的一个重要原因。在高山矮林当中，土壤剖面40～60 cm层全氮含量有逐渐走高的趋势，这说明该林型下母质层的氮元素含量丰富，且植被根系在这一层不发达，氮素消耗量较小。

3.2 不同林型土壤层次有效磷含量

植物的生长，离不开磷的营养生理功能，植物体内的三大代谢，也离不开磷的参与，且具有不可再生性[21-23]。植物根系的生长以及植物品质的决定，都与磷息息相关，因此磷是植物生长的主要影响因子之一。土壤全磷的含量反映了土壤供给磷的潜在能力，而土壤有效磷植物可以直接吸收，是土壤肥力状况的重要指标，对实际应用有最直接的指导意义[24]。土壤中磷素主要来自土壤母质、表层有机质积累以及土壤的淋溶作用。同样将莽山林区7种不同森林类型土壤按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm的方式分4层，对其全磷、有效磷含量进行测定，取4层的平均值，结果见表3。

表3 不同森林类型土壤全磷、有效磷含量Table 3 Comparison of total phosphor and available phosphor content in different soil depth of different forest types

从表3中7种森林类型全磷和有效磷含量的平均值来看，7种森林类型土壤中全磷含量相对差异较大，含量范围在187.384～381.604 mg·kg-1之间，最大值出现在高山矮林，与含量最小的常绿针阔混交林差别将近2倍，这是因为该林型所在区域海拔较高，植被稠密，终年阴凉潮湿，枯枝落叶层和有机层深厚，且由于蚯蚓等生物活动密集，土粒间孔隙较大[8]，淋溶作用强，利于磷素富集。常绿针阔混交林和针叶林的全磷含量相差不大，这主要是因为2种林型的分布区域海拔比较接近，且都在黄壤与黄棕壤的过渡地带，土壤间隙结构、母质构造以及pH值都比较相同[25-26]。只是森林类型的不同决定了表层凋落物的不同，这也使得全磷含量有细微差别。不同森林类型的速效磷含量在0.392 6～12.992 0 mg·kg-1之间，差异相对全磷来说更为明显。山顶苔藓矮林的有效磷含量非常高，这是由于该林型处于整个林区最高海拔，气温较低且多雾，强大的风力和较大的坡度使得侵蚀作用剧烈，故土层较薄，这种环境下微生物活动较弱，有利于土壤表层有机质积累，从而导致有效磷含量很高。

各种森林类型的不同土壤层次全磷和有效磷含量见图2，由图我们可以看出7种森林类型的全磷含量在0～20 cm、20～40 cm这2个层次的表现趋于一致，虽然幅度有所不同但是都是由上往下逐渐降低。在这2个层次当中全磷降幅最大的为高山矮林，但结合40～60 cm层，高山矮林与杉木林的全磷在40～60 cm土层呈现出自上而下逐渐上升趋势，这2种林型的全磷表现为底层富集型。这反映出该区域母质层土壤不受耕作影响以及植物吸收作用较弱，并且该区域的土壤母质层对磷素有一定聚集作用。7种林型的有效磷含量除竹林之外，其他在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm呈现出自上而下逐渐下降的趋势，即为表层富集型。其中针叶林有效磷含量最低，且在整个土壤剖面的变化趋势最为平缓，这表明针叶林的生长需要消耗大量有效磷，且针叶林下土壤的供肥、续肥能力相对较差。这除了有土壤母质和土壤发育程度的因素外，主要还与土壤淋溶作用和树木枯枝落叶物的归还量有关，针叶林的植物种类中的有机物质含量和灰分元素的组成要低于其他林型，这直接决定了针叶林枯枝落叶层的质量以及分解速度。

3.3 不同海拔森林土壤氮磷比变化

土壤氮磷比是研究生态系统营养结构变化、生物多样性和地球化学循环的重要依据，对森林发育的健康状况有关键作用[27]。氮磷比随海拔的变化而产生的差异性对该海拔下的林型分布产生直接影响。根据莽山DEM数字高程模型和土壤氮磷比空间分布图，对不同海拔梯度下的土壤氮磷比进行分析，结果见表4。结果表明在四个土壤层次中土壤氮磷比的平均值和极差值等指标均随海拔的升高而逐渐减小，说明随着海拔的升高土壤氮磷比的变化比较平稳，但主要呈下降趋势。从变异系数来看，根据海拔的变化，表中层土壤的氮磷比呈现中等变异强度，随着海拔升高和土壤层次的加深，在高海拔的1 600～1 902 m的区间内，60～100 cm土层的变异系数仅为0.07，变异性最弱，这是由该区间内土壤质地浅薄、水热条件以及植被分布等因素造成的。

图3 不同森林土壤类型在不同土壤剖面全磷和有效磷分布Fig. 3 Total phosphor and available phosphor content in different soil depth of different forest types

表4 莽山不同海拔梯度下的土壤氮磷比Table 4 Soil N/P ratios on Mangshan under different altitude and soil layers

4 结 论

通过对湖南莽山林区内7种不同林型森林土壤的氮、磷含量进行测定，初步了解了该区域不同森林土壤剖面全氮、速效磷和全磷的垂直变化特点，在此基础上进一步探讨了氮磷比相对海拔变化的规律。

（1）土壤全氮平均含量大小的顺序为山顶矮林＞高山矮林＞竹林＞杉木林＞针叶林＞常绿阔叶林＞常绿针阔混交林。就水平分布来看，土壤全氮表现为除高山矮林下土壤中间层出现含氮量相对增高外，其他林型下都是剖面表层含量最高，并随着剖面加深逐渐降低，呈现表层富集性。

（2）7种林型下土壤全磷含量差异较大，且在土壤剖面变化较为明显，除高山矮林和杉木林为底层富集型外，其他林型全磷含量都随着土壤剖面由上向下而降低，但降低幅度差异明显，其中常绿针阔混交林的变化趋势最为平稳。各个林型的有效磷含量差别较小，除竹林有效磷含量虽土层加深有所上升外，其他都是由上往下逐渐下降，表现出表层富集性。

（3）莽山林区随着海拔升高，气温逐渐降低，湿冷多雾，坡度陡峭令风力的侵蚀作用更为强烈，土壤发育程度低，使得植被覆盖较稀少，在这些因素的共同影响下，随着海拔的升高，土壤氮磷比呈现出降低趋势，土层越深变异性逐渐减弱。

值得注意的是，莽山林区的自然植被属于亚热带常绿阔叶林，且是亚热带与热带植物交错的过渡区域，因为人为因素的影响，有多片火烧迹地，破坏后的荒山，随着禾草等新生植被的繁殖，对该区域土壤养分分布以及运移规律有一定影响。本次研究是单次取样，研究周期较短，树种分布较复杂，并且大都是只针对单一土壤类型的研究，氮、磷等养分在土壤的运移是一个长期的自然行为，受植被类型、地表凋落物、海拔、坡度以及其他因素的影响很大，因此根据不同林型对其土壤进行长期定位的野外采样、试验对于研究南方森林土壤中氮、磷元素的垂直运移规律、提高施肥效率、制定森林抚育对策有着重要的意义。

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Research on nitrogen and phosphorus content in soil of different forest types in Mangshan

HE Jie-nan, XIE Jie-tuo

(Central South University of Forest and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Considering the important role soil nutrients plays in vegetation restoration and forest tending, a deepening study was done to show that in different type of forest, distribution of some key nutrients like nitrogen and phosphorus have great differences. This article is mainly about some researches focus on the vertical distribution of total nitrogen、total phosphorus and available phosphorus in different type of forest soil, relevant data come from a combination method that includes field monitor in Mangshan nature reserve and some laboratory experiments. Results of these researches showed that the order of average total nitrogen content in 7 types of forest soil in Mangshan nature reserve is that Top coppice ＞ Alpine coppice＞ Bamboo ＞ Chinese fir＞ Coniferous forest＞ Evergreen broadleaf forest＞Evergreen conifer. For soil profile vertical distribution aspect, expect for alpine coppice, in all other types of forest, total nitrogen reducing when it goes deepening and showing surface enrichment. As it for total phosphorus, alpine coppice has the highest content and evergreen conifer shows the lowest content. The soil profile vertical distribution of total phosphorus has great differences but the soil profile vertical distribution variation and content variation of available phosphorus in different types of forest are more gentle, it mainly relevant to parent soil material、surface litter、altitude and so on. These results in this article have great significance to fertilizer efficiency improvement、development of forest tending countermeasures.

forest soil; nitrogen; phosphorus; Mangshan

S714.5

A

1673-923X(2015)10-0083-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.10.015

2014-02-10

国家林业公益性项目（201104008）：典型森林土壤碳储量分布格局及变化规律研究

何介南，博士，副教授，硕士研究生导师；E-mail：hjnhn@126.com

何介南，谢寄托. 莽山林区不同森林土壤氮、磷含量的研究[J].中南林业科技大学学报，2015, 35(10)： 83-88.

[本文编校：吴 彬]