江西官山不同海拔常绿阔叶林土壤活性氮组分特征

杨起帆，熊 勇，余泽平，刘 骏，刘小玉，习 丹

（1.福建农林大学 a.林学院；b.森林生态稳定同位素研究中心，福建 福州 350002；2.江西官山国家级自然保护区管理局，江西 宜春 336000；3.江西农业大学 林学院，江西 南昌 330045）

氮通常是植物生长和发育的限制性营养元素，土壤氮含量的变化直接或间接影响植物吸收氮的可利用性，影响森林生态系统的生产力和稳定性[1]。活性氮是土壤氮库中最活跃的组分，主要包括无机氮、可溶性有机氮和微生物生物量氮等[2-3]，其含量变化很大程度上反映了土壤氮的转化和供应能力。铵态氮和硝态氮作为无机氮的主要形态，是植物和微生物直接吸收利用的主要氮源[4]。可溶性有机氮占总氮的比重小[5]，但能够直接或经微生物作用形成无机氮后被植物根系吸收[6]，增加土壤氮的可利用性。微生物生物量氮能调控土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮的形成与转化[2]，对土壤氮的迁移、转化及有效性方面有重要意义[7]。森林土壤是陆地生态系统中重要的氮库，在维持全球氮循环过程中有重要作用[1]。不同氮组分含量的动态变化能直观体现土壤氮的可利用状态[8]。因此，研究森林土壤活性氮组分特征，有助于深入了解森林生态系统氮有效性和氮循环的动态变化。

海拔作为自然地形因子，通过引起水热条件、植被分布及土壤性质等变化影响土壤氮的有效性[9]。目前关于海拔梯度对森林土壤活性氮的影响还存在争议。比如，随着海拔的升高，研究发现鼎湖山森林凋落物层而非矿质层土壤微生物生物量氮含量显著下降[10]，戴云山黄山松Pinus taiwanensis林土壤无机氮和微生物生物量氮含量均显著下降，而可溶性有机氮含量呈先下降后升高的趋势[11]，而大秃顶子山森林土壤微生物生物量氮含量呈现先增加后下降的趋势[12]。另外，任启文等[13]研究发现海拔显著增加河北小五台山典型植被类型土壤碱解氮含量。不过，目前多数研究侧重于海拔高度上不同植被类型土壤活性氮的比较研究，而忽视了单一植被类型下土壤活性氮在海拔梯度上的变化研究。不同植被类型的凋落物产量、树种根系分布及分泌物种类等因海拔变化而出现不同，影响土壤微生物生物量和酶活性[11]，进而影响土壤氮转化和有效性。研究表明，阔叶林与针叶林在树种的生长方式、凋落物产量、土壤微环境及氮转化过程上均存在差异[14]。由此可见，海拔变化对土壤活性氮的影响机制很可能会因植被类型的差异而变得更加复杂化。因此，开展单一植被类型（如天然常绿阔叶林）土壤活性氮含量及其组分沿海拔的分布格局及其驱动机制研究，更能准确地反映海拔梯度对土壤活性氮组分的影响，这对当前全球变化背景下森林生态系统氮有效性与氮转化过程具有重要意义。

常绿阔叶林是亚热带地区的地带性植被，其分布与组成对调节区域气候和全球氮循环等方面具有重要作用[15]。江西官山国家级自然保护区位于赣西北九岭山脉西段，因其独特的地理地貌特征和气候条件，保存着大面积连片的天然常绿阔叶林并呈海拔垂直分布[16]。目前该保护区天然常绿阔叶林的研究主要集中在生物多样性[16-18]方面，而对土壤活性氮含量及组分则未见研究报道。因此，本研究以江西官山国家级自然保护区常绿阔叶林为研究对象，采集海拔400、600、800、1 000、1 200 m 处土壤样品，分析0～40 cm 土层土壤全氮、铵态氮、硝态氮、可溶性有机氮和微生物生物量氮含量的分布特征，探究海拔变化对常绿阔叶林土壤氮有效性的影响，以期为该保护区常绿阔叶林生态系统可持续性健康发展和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江西官山国家级自然保护区位于赣西北九岭山脉西段宜丰铜鼓县境内，地处28°32′～28°38′N，114°30′～114°43′E。该保护区气候温暖湿润，属中亚热带温暖湿润区季风气候，年均气温16.2℃，1月最低温度为-7.3℃，7月最高温度为36.8℃，无霜期270 d，雾日143 d[19]，年降水量1 950～2 100 mm[17]。保护区内森林覆盖率高，常绿阔叶林为地带性顶极植被。随着海拔的不同分布着红壤、山地黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地灌丛草甸土5 种类型，其中红壤是地带性土壤类型[19]。

1.2 土壤样品的采集

2019年5月，在常绿阔叶林垂直分布的范围（海拔200～1 250 m）内，以大约每200 m 作为采样间隔，设置5 个海拔梯度（表1）。在每个海拔高度上，随机布设坡向基本一致的3 个5 m×10 m 样方。在每个样方内，用不锈钢土钻（直径3.5 cm，长50 cm）分层采集0～10、10～20和20～40 cm 土壤样品，每层采5 管后混合成1个样品，装入无菌自封袋，带回实验室。挑去土壤中肉眼可见的根系、石砾和动植物残体，然后过2 mm 筛，分成两部分。一部分用于土壤含水量、无机氮、可溶性有机氮、微生物生物量碳氮含量的测定；另一部分自然风干，研磨、过筛，用于土壤全氮、有机碳、pH 值的测定。

表1 不同海拔样地的基本情况Table 1 Basic situation of sample sites at different altitudes

1.3 样品的测定

土壤全氮和有机碳含量采用Elementar 元素分析仪（Vario isotope cube，德国）测定。土壤含水量采用烘干恒质量法测定[20]。土壤pH 值采用土水比1∶2.5 浸提，浸提液静置30 min，玻璃电极pH 计（雷磁PHS25，中国）测定。土壤铵态氮和硝态氮采用2 mol‧L-1KCl 溶液浸提（1∶4,w/v）、过滤，滤液直接上间断性化学分析仪（SmartChem 2000，意大利）测定，可溶性有机氮采用过硫酸钾氧化-分光光度法测定[20]。土壤微生物生物量碳氮含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提、过滤，滤液经稀释后上TOC 分析仪（MultiN/C3100，德国）测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 16.0 软件进行数据处理和统计分析。采用单因素方差（One-Way ANOVA,LSD 法进行多重比较）分析海拔梯度间和土壤层次间全氮和活性氮的差异显著性（P＜0.05）。采用Pearson 相关法分析土壤氮组分与理化指标的相关性。绘图由Origin 8.5 软件完成。图和表中数据以平均值±标准误差表示。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮和有机碳含量

土壤全氮和有机碳含量在海拔1 000 m 处显著高于其他海拔，分别是其他海拔的1.57～2.76和1.44～3.08 倍（图1）。海拔600 m 处0～10 cm 土壤全氮含量比海拔400 m 和800 m 低了1.44和1.62 倍，而海拔800 m 处0～20 cm 土壤有机碳含量则比海拔400、600 和1 200 m 分别高了1.47～1.61、1.83～1.94 和1.37～1.91 倍，差异均达显著水平（P＜0.05）（图1）。各海拔下土壤全氮和有机碳含量均随土层深度的增加而下降，在海拔1 000 m 处降幅达到了63.7%和65.1%。

图1 不同海拔下土壤全氮和有机碳含量Fig.1 Soil total nitrogen and total organic carbon contents along altitude gradient

2.2 土壤铵态氮和硝态氮含量

由图2可知，各海拔不同层次土壤铵态氮与硝态氮比均大于1，铵态氮是主要的无机氮组分。在0～10 cm 土层中，土壤铵态氮含量在海拔400 m处最高，比海拔800 m 和1 200 m 明显高了2.60和3.51 倍（P＜0.05），土壤硝态氮含量则在海拔600 m 处最高，显著高于其他海拔，且在海拔1 200 m 处土壤硝态氮含量是海拔1 000 m 的4.09倍（P＜0.05）（图2）。在10～20 cm 土层中，土壤铵态氮和硝态氮含量在海拔400 m 处最高，除海拔400 m 土壤铵态氮与海拔1 000 m 差异不显著外，明显高于其他海拔；而在20～40 cm 土层，海拔600 m 具有最高的土壤铵态氮和硝态氮含量，是 其 他 海 拔 的1.86～1.91 倍 和2.28～3.57 倍（P＜0.05，图2）。各海拔下土壤铵态氮和硝态氮含量在土层间具有不同的差异特征。总体而言，海拔变化会影响土壤无机氮含量在不同土层中的分布。

图2 不同海拔下土壤铵态氮和硝态氮含量及其比值Fig.2 Soil ammonium and nitrate nitrogen contents and their ratios along altitude gradient

2.3 土壤可溶性有机氮含量

由图3A 可知，不同深度土壤可溶性有机氮含量具有不同的海拔分布特征。随着海拔的升高，0～20 cm 土壤可溶性有机氮含量先逐渐增加，在海拔1 000 m 处达到峰值（30.6±3.0 mg·kg-1），随后在海拔1 200 m 处急速下降（39.3%），而20～40 cm 土壤可溶性有机氮含量呈增加的趋势，尤其在海拔1 000～1 200 m 与海拔400～600 m 之间差异显著（P＜0.05）。海拔400 m 和1 000 m 处土壤可溶性有机氮含量在0～10 cm 土层均显著高于10～40 cm 土层，其他海拔下土壤可溶性有机氮含量在不同土层间无显著差异（图3A）。

2.4 土壤微生物生物量氮含量

海拔1 000 m 具有最高的土壤微生物生物量氮含量，与海拔800 m 差异不显著，但明显比海拔400、600 和1 200 m 分别高了1.51～2.15 倍、1.83～2.36 倍 和1.46～1.64 倍（P＜0.05，图3）。海拔600 m 处10～20 cm 土壤微生物生物量氮含量明显低于海拔800 m（P＜0.05）。各海拔高度下土壤微生物生物量氮含量沿土层分布趋势与土壤全氮含量的相似。土壤微生物生物量氮在海拔400 和1 000 m 均呈现3 个土层差异梯度，而在海拔600 和1 200 m 处仅出现2 个差异梯度（图3）。

图3 不同海拔下土壤可溶性有机氮和微生物生物量氮含量Fig.3 Soil soluble organic nitrogen and microbial biomass nitrogen contents along altitude gradient

2.5 土壤活性氮组分占全氮的比例

由图4可知，土壤总活性氮占全氮的比例为7.0%～9.4%。在0～10 cm 土层中，土壤活性氮占全氮的比例在海拔1 000 m处显著高于海拔400 m和1 200 m（P＜0.05），而在10～20 cm 土层中，则是海拔1 200 m 显著高于海拔1 000 m。在20～40 cm 土层中，随着海拔的上升，土壤活性氮组分所占比例出现逐渐增加的趋势。土壤微生物生物量氮和可溶性有机氮所占比例显著高于无机氮（铵态氮和硝态氮），说明活性有机氮是土壤中主要的活性氮库。

图4 不同海拔下土壤活性氮占全氮比例Fig.4 The ratio of soil active nitrogen to total nitrogen at different altitudes

2.6 土壤氮组分与理化因子的关系

由表2可知，土壤全氮与微生物生物量氮显著正相关，均与铵态氮、可溶性有机氮呈极显著正相关。海拔与可溶性有机氮呈极显著正相关，与铵态氮呈显著负相关，而与全氮、硝态氮及微生物生物量氮相关性不显著。土壤pH 值与全氮呈显著负相关，土壤湿度、有机碳及微生物生物量碳均与全氮、可溶性有机氮和微生物生物量氮呈显著正相关，土壤铵态氮与有机碳、微生物生物量碳均呈显著正相关。

表2 土壤氮组分与理化因子的相关性†Table 2 Pearson correlation analyses between soil nitrogen fractions and soil physicochemical factors

3 讨 论

3.1 不同海拔下土壤全氮的变化

本研究表明，海拔与土壤全氮有显著影响，这与前人的研究结果相吻合[21-22]。海拔升高引起温度下降，影响微生物对凋落物及土壤有机质的分解过程[23]，最终对土壤氮的累积产生影响。不过，本研究中土壤全氮随海拔的升高出现先增加后下降的趋势，与在其他森林研究中观察到的趋势不一致，如随着海拔的升高，土壤全氮含量显著增加[21-22]、降低[11]、或先降低后增加[24]。出现这种变化趋势不同的可能原因在于：1）本研究中虽然每个海拔高度上森林优势树种不同，但所选林分都属于常绿阔叶林，而其他研究则是不同类型的森林、针阔混交林或纯针叶林，不同林分土壤微生物的分解强度存在差异[25]，影响到土壤氮的积累进程[2]。2）本研究中1 000 m 海拔土壤含水量（37.2%～42.4%）显著高于其他海拔（24.4%～34.9%），而土壤含水量与土壤微生物的分解活性密切相关，在一定范围内，土壤含水量越高，地被凋落物及根系分泌物被微生物分解转化形成的有机质越多[26]，从而增加了海拔1 000 m 处土壤碳氮量。本研究也发现海拔1 000 m 处具有最高的土壤总有机碳含量，而且土壤全氮与土壤含水量、总有机碳存在显著正相关，表明土壤含水量是影响土壤氮累积出现海拔分异的重要因子。3）低海拔温度较高，微生物活跃，土壤有机质分解较快[27]，高的凋落物输入量会进一步促进有机质的分解[28-29]。本研究尽管缺少凋落物产量数据，但在野外样地中能明显观察到低海拔（400～600 m）森林地上凋落物较多，而高海拔尤其是海拔1 200 m处森林地上凋落物几乎没有，加上该海拔温度更低，使得海拔1 000～1 200 m 之间土壤全氮含量显著下降，因此温度和凋落物输入量的不同也是引起不同海拔土壤氮累积出现差异的原因之一。此外，本研究还发现所有海拔高度下表层土壤全氮和有机碳含量均高于深层土壤，这与张荣等[21]在四川周公山柳杉人工林Cryptomeria fortunei土壤上的研究结果相一致。表层土壤水热条件较好，微生物较活跃，有利于地上凋落物及地下根系残体的分解，增加有机碳氮在表层聚集。林木根系的周转和降解是下层土壤有机质形成的重要来源[30]。随着土壤深度的增加，土壤含氧量下降，参与分解有机质的微生物数量和活性降低[22,31]，因而引起全氮和总有机碳含量在不同土层间出现差异。由于本研究仅仅探讨了40 cm 以上土壤全氮含量的分布，目前的研究结果并不能很好地揭示土壤氮储量对海拔的响应，因此后续需要从土壤剖面角度开展常绿阔叶林土壤全氮对海拔响应的动态变化研究。

3.2 不同海拔下土壤无机氮的变化

一般而言，无机氮是土壤中有效氮的主要形态。本研究中，铵态氮占土壤总无机氮的76.9%，是常绿阔叶林土壤有效氮的主要存在形式，这与前人的研究结果相一致[32-33]。相比于硝态氮，铵态氮容易被固持在土壤中，不易随降雨流失[11]。海拔变化会引起温度和水分的改变，而温度和水分是影响土壤矿质氮库及氮矿化速率的重要因素[34]，从而影响土壤氮的有效性。Melillo 等[35]在温带森林和赵盼盼等[11]在亚热带地区黄山松林研究中发现海拔升高显著降低土壤硝态氮含量，而对土壤铵态氮含量无影响。但本研究发现，随着海拔的升高，土壤铵态氮和硝态氮含量及所占活性氮组分比例整体呈现下降的趋势，而且铵态氮与海拔存在显著负相关，说明海拔对土壤铵态氮的影响明显要大于硝态氮，海拔变化造成的环境因子差异显著影响到本研究区域常绿阔叶林土壤有效氮的含量，使低海拔地区土壤可利用性氮丰富。可能是由于本研究中低海拔（400～600 m）温度较高（15℃以上）而土壤含水量较低（27.7%），有利于促进土壤矿化和硝化作用[36]，增加土壤中氮的有效性，而高海拔温度低，抑制了执行矿化和硝化作用的微生物活性，而且该海拔土壤含水量相对较高（34.8%），有可能会促进反硝化性微生物活性[37]，增加气态氮损失量，从而降低土壤氮有效性。此外，本研究区高海拔山体坡度比低海拔更大，而山体坡度越陡，降雨对土壤冲刷的影响更大，土壤有效养分更易随降雨流失[38]，因而坡度的不同有可能也是解释本研究区低海拔比高海拔具有更高的土壤氮有效性的因子之一。本研究还发现总有机碳和微生物生物量碳氮与土壤铵态氮存在显著相关，这就说明本研究区域中土壤氮的有效性很有可能受有机碳输入和微生物活性的影响较大。有研究表明，土壤温度、含水量及微生物数量和活性存在季节差异[37]，而这些又是影响土壤氮转化及其有效性的重要因素，因此未来应加强本研究区域内不同海拔高度上常绿阔叶林土壤有效氮的季节动态变化研究，尤其要重点关注深层土壤氮的变化，这将对保育天然常绿阔叶林土壤养分有效性具有重要意义。

3.3 不同海拔下可溶性有机氮的变化

可溶性有机氮作为土壤中最活跃的有机氮库，其含量变化可以反映土壤中氮素的供应能力[6,39]。本研究中土壤可溶性有机氮含量及占活性氮比例在表层显著高于深层，表明表层土壤供氮能力较高，这与前人的研究结果一致[40]。凋落物的分解产物、微生物和根系分泌物及大气氮沉降是可溶性有机氮的主要来源[41]，与深层土壤相比，表层土壤能接受更多的可溶性有机氮输入，增加其土壤内部氮素含量，引起表层土壤（0～20 cm）在海拔梯度上的变化幅度（41.7%）明显高于深层土壤（7.1%）。本研究发现海拔1 000 m 处土壤可溶性有机氮含量显著高于其他海拔，而其他海拔高度间差异不显著，表明海拔在一定程度上会影响到土壤中氮素的供应能力。海拔变化并非单纯地对某一因子产生影响，而会同时引起多种环境因子发生变化[23]。土壤类型、温度、含水量及凋落物分解速率等变化对可溶性有机氮含量及其在土壤中的分解和转化行为产生影响[42]。本研究中相关分析结果表明，土壤可溶性有机氮含量受土壤含水量、微生物生物量碳和有机质共同作用的影响。一般而言，在有机质丰富的土壤中，土壤湿度越大，微生物分解可溶性有机氮的能力也越强[43]。在本研究中，海拔1 000 m 处土壤有机质和含水量虽然都是最高的，但是土壤温度明显低于海拔400～600 m 处的，低温会抑制微生物活性，削弱土壤水分的影响，因而使得可溶性有机氮在海拔1 000 m 土壤中出现累积。另外，可溶性有机氮由不同化学形态的有机含氮化合物组成，包括酸解铵态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮、酸解未知态氮和非酸解氮，这些氮组分具有不同的生态功能，直接或间接影响到土壤供氮行为和氮有效性[39]。海拔变化是否会对这些有机氮组分产生影响，目前的研究结果并不能回答这一点，因而今后需要在有机氮组分的量化、分布及其对土壤氮转化的影响等方面进行深入研究，对于揭示常绿阔叶林生态系统可溶性有机氮的迁移和转化特性及其与氮素损失等过程间的影响机理具有重要的理论和实践意义。

3.4 不同海拔下土壤微生物生物量氮的变化

微生物生物量氮是土壤中重要的活性氮库，是衡量土壤肥力和健康状况的生物指标[7]。本研究中土壤微生物生物量氮为66.8～348.4 mg·kg-1，高于亚热带其他区域常绿阔叶林[7,10]和针叶林[11]土壤微生物生物量氮的研究结果，且其所占活性氮比例也高于其他氮组分，表明本研究区常绿阔叶林土壤肥力较好。随着海拔的升高，土壤微生物生物量氮含量呈先增加后下降的趋势，总体与土壤全氮和可溶性有机氮含量相似，说明这三者在一定程度上存在相互转化与调节。相关分析结果也可以反映出这一点。不过，本研究中土壤微生物生物量氮随海拔变化特征与其他学者的研究结果不同[7,10]。例如，王国兵等[7]在武夷山不同植被类型的研究中发现，海拔升高显著增加土壤微生物生物量氮；柳杨等[10]对鼎湖山常绿阔叶林的研究表明，海拔升高显著降低凋落物层土壤微生物生物量氮，而对矿质层土壤微生物生物量氮无影响。这反映出亚热带不同地区因具有不同的山地小气候环境，其土壤性质、优势树种组成、林分郁闭度及立地质量等方面均会出现差异。有研究表明，树种的不同显著影响到土壤微生物生物量氮[44]。本研究中，海拔梯度上常绿阔叶林优势树种组成明显不同于鼎湖山常绿阔叶林中的优势树种[10]。但相关分析结果发现，土壤微生物生物量氮与海拔之间无显著相关性，说明土壤微生物生物量氮对海拔的响应有可能受树种差异的影响而表现不明显。不过，本研究并没有测定不同树种的根际土壤微生物生物量，这在一定程度上给土壤活性氮的海拔分异的解释带来很大不确定性。因此，下一步需要重点开展非根际与根际土壤氮循环对海拔响应的差异机制研究。多数研究表明，森林土壤微生物生物量氮的空间变化受土壤有机质、温度及水分等因素的调控[7,10-11]。徐建峰等[44]的研究结果表明，微生物生物量碳氮与土壤水分、有机碳、全氮存在显著正相关。而本研究也发现了相似的研究结果，说明土壤水分、微生物生物量碳和有机质对土壤微生物生物量氮的海拔分布影响密切。另外，温度的变化也可能是影响土壤微生物生物量氮沿海拔梯度变异的重要因子。在未来全球气候变暖背景下，温度升高将有可能促进高海拔土壤氮矿化和分解速率，增加土壤氮的有效性，尤其在坡度大的地方，氮素损失加大，不利于土壤氮的固持。因此，在今后的研究中，了解高海拔地区森林土壤氮转化过程，尤其是硝化和反硝化作用的动态变化，将为气候变化背景下探究森林生态系统氮库的积累和转化机制提供数据支撑。

4 结 论

海拔变化对江西官山常绿阔叶林土壤全氮及其活性氮组分产生影响。海拔的增加影响土壤活性氮组分占全氮的比例，且显著降低了土壤铵态氮和硝态氮含量。随着海拔的升高，土壤全氮、微生物生物量氮和可溶性有机氮含量表现出先增加后降低的趋势，海拔1 000 m 土壤具有较高的氮素供应潜力。土壤总有机碳、水分含量和微生物生物量碳与土壤氮组分呈显著相关，说明土壤水分、有机质和微生物生物量碳是影响土壤氮有效性出现海拔变异的重要因素。由于本研究是一次性采样，未考虑季节、年际等动态变化，所以还不足以深入反映常绿阔叶林土壤活性氮特征。在未来全球变化背景下，需要重点关注高海拔常绿阔叶林不同深度土壤氮素迁移、转化及其有效性的动态变化，这对保育常绿阔叶林生态系统养分有效性和生态功能具有重要意义。