清远市针叶林土壤氮含量研究*

张亚男 丁晓纲 魏 丹 张志辉程长福 李莹莹 康 剑，3

（1. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2. 清远市龙坪林场，广东 清远 513400；3. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

氮是生物体的基本组成元素，是植物生长发育所必需的大量营养元素，土壤是森林生态系统重要的氮库[1]。研究表明，人类活动和自然环境改变是导致土壤氮时空变化的主要因素，土壤碳氮比和氮磷比变化主要受氮肥使用量的影响，土壤氮含量随气候条件变化以及地表植被输入吸收的不同而在时间尺度上发生变化[2]。

植物群落组成、生产力和凋落物通过改变土壤氮源，间接影响土壤全氮含量。不同类型植被土壤全氮含量存在很大的差异，且植被类型对土壤全氮含量的贡献率为0.88%。凋落物数量和质量与土壤微生物类型的耦合作用影响土壤呼吸和矿化，从而影响土壤全氮储量。另外，凋落物的覆盖可使土壤免受雨水冲刷，减少养分淋溶，有效改善土壤生境，使氮循环可持续[3-6]。

清远市位于广东的中北部、北江中游、南岭山脉南侧与珠江三角洲的结合带上，森林覆盖率69.31%，森林面积2 076.7 万亩，森林蓄积量8 533 万m3，生物资源丰富，有中国南方珍稀动植物的物种基因库和粤北生态屏障之称[7-8]。本研究以清远市针叶林土壤为研究对象，在区域尺度上研究其土壤氮含量分布状况，对于今后评估土壤养分含量状况、精准施肥、合理规划利用林地资源、制定森林经营规划提供参考[9-10]。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研 究 区 系 广 东 省 清 远 市（111°55′～113°55′E,23°31′～25°12′N），属亚热带季风气候区，年平均气温20.7 ℃，最低气温为1 月份，最高气温为7月份，年平均日照1 662.2 h，年平均降雨量1 900 mm，每年无霜期平均为314.4 d。研究区地势自西北向东南倾斜，以山地、丘陵为主，平原分布于北江两岸的南部地区[7-8]。

1.2 样品采集及测定

根据研究区植被、地形和气候特征等状况，采用专题样点布设与空间随机样点布设相结合的方法布设样点，共布设样点134 个，样点均分布在针叶林林分内（研究区样点分布情况见图1）。各样点均选择有代表性地段挖掘3 个土壤剖面（各剖面间距大于10 m），剖面长1.2～1.5 m，宽0.8～1 m，深1 m。每个剖面均从上至下依次采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 的土层样品，每个样点共采样4 层/个×3 个（剖面）=12 份，分装并及时带回实验室，在室内常温下风干，拣出杂物，磨碎并充分混合，过100 目尼龙筛后用于检测土壤样品中的全氮含量[11-12]。采用凯氏定氮法测定全氮含量[13]。

图1 清远市针叶林样点分布Fig.1 Distribution of coniferous forest sampling points in Qingyuan city

1.3 数据分析

采用Excel、SPSS 和ArcGIS10.7 软件对数据进行整理和分析，采样点坐标信息及氮含量数据整理于Excel 中进行，在ArcGIS 软件中加载广东省矢量化地图，对坐标信息进行添加，生成土壤剖面取样点分布图（图1）。利用SPSS 进行描述性统计分析，得出相关指标的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数等，并与全国第二次土壤普查对于土壤肥力的划分标准（表1）进行比较[14]；对数据进行对数转换，样点数据均符合正态分布，可采用空间插值法分析，利用ArcGIS 的地统计模块中的普通Kriging 空间插值方法绘制土壤全氮空间插值图[15-16]。

表1 土壤养分分级标准[14]Tab. 1 Soil nutrient grading standards

2 结果与分析

2.1 针叶林土壤全氮含量描述性统计

清远市针叶林土壤全氮含量的描述性统计结果见表2，由表可知，各土层由上至下全氮含量平均值逐渐降低，说明该区域土壤全氮含量在垂直剖面上呈现随深度增加而不断降低的趋势；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土层土壤全氮变异系数属于中等程度变异，60～80 cm 土层土壤全氮离散程度最高，最易受到极端值的影响。经与土壤肥力的划分标准对比，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土层土壤全氮处于Ⅲ级水平，60～80 cm 土层土壤全氮处于Ⅴ级水平。

表2 针叶林全氮含量描述性统计Tab. 2 Descriptive statistics of total nitrogen content in coniferous forests

2.2 针叶林土壤全氮含量分布特征

利用普通Kriging 空间插值法绘制的清远市针叶林土壤各土层全氮空间插值图见图2。由图可知，清远市针叶林土壤同一土层不同区域全氮含量不同，中部针叶林土壤全氮含量最高，西北部和东南部针叶林土壤全氮含量较低，整体上土壤全氮含量自西北至东南呈先增加后减少的趋势。不同土层全氮含量不同，西北部、中部、东南部土层土壤全氮含量均随深度加深而减少。研究区内土层全氮含量最高区域为0～20 cm 中部区域土层，处于1 198.12～2 683.33 mg·kg-1之间。

图2 针叶林土壤全氮分布Fig.2 Distribution of soil total nitrogen in coniferous forest

3 结论与讨论

本研究主要采用普通Kriging 空间插值法研究清远市针叶林土壤全氮含量的分布状况，结果显示：清远市针叶林土壤同一土层不同区域全氮含量不同，中部针叶林土壤全氮含量最高，西北部和东南部针叶林土壤全氮含量相对较低；不同土层全氮含量不同，随着土层厚度的增加，全氮含量不断减小；各土层全氮含量平均值分别为：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 土层土壤全氮处于Ⅲ级高水平状态，60～80 cm 土层土壤全氮处于Ⅴ级低水平状态。

土壤中的硝态氮和铵态氮是可以被植物直接吸收利用的氮素，其中硝态氮为氧化态的氮源，既容易被植物吸收利用，也容易向土壤深处移动；铵态氮为还原态的氮源，移动性相对较差，容易被土壤吸附固定[17]。本研究中，不同土层全氮含量不同，随着土层厚度的增加，全氮含量不断减小，与上述结论相似，还原态的氮大多被固定在土壤表层，氧化态的氮除留在表层外，逐渐向深层土壤转移。

在不考虑植被类型的条件下，土壤理化性质与海拔等环境因素相关，任启文等[18]研究认为土壤全氮与海拔呈正相关关系，海拔影响土壤微生物能量获取，微生物的分解作用进而影响全氮含量[19]。本研究得出，清远市针叶林同一土层不同区域全氮含量存在差异，表明全氮含量与海拔等地形因子可能存在一定关系，由于本研究未与海拔等地形因素进行相关性分析，在今后的研究中将增加地形等因素与全氮等土壤养分的相关性分析。

植被的种类、数量及分布格局决定了凋落物的种类、产量，导致土壤生物化学转化环节的变化并引起土壤养分空间异质性[20]。本研究所涉及的均为针叶林,林分内树种组成、年龄及数量等也可能导致土壤全氮含量在空间上的差异，因此，需要对研究区内的土壤样点进行长期定位观测。