梅州市林地土壤氮储量及空间分布特征*

朱航勇 汪久连 赵志明 邓智文 邓泽伟 张中瑞

（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）

氮是植物生长必须的养分元素之一，生态系统生产力的高低直接受到氮的有效性水平影响[1]。森林是陆地生态系统的重要组成部分，森林植被和土壤的氮储量超过陆地生态系统总氮储量的50%[2-3]。森林土壤是森林生态系统中最大的氮库，其氮储量约占森林氮库的90%以上[4-5]。土壤氮储量作为衡量森林土壤质量的重要指标[6]，其贮量和动态变化对森林生产力形成、全球气候变化以及氮平衡具有重要意义[7]。相关研究表明，不同地貌类型（平原[8]、高原[9]、流域[10]、丘陵[11]、湿地[12]等）、气候变化[13]以及土地利用方式[14-16]等因素均会影响土壤氮素分配，在不同尺度下土壤氮素的空间异质性较大。在小尺度范围，气候、地形、植被等要素大致相同，在很大程度上提高了森林土壤氮储量的估算精度。因此，开展区域尺度的森林土壤氮储量研究对于大尺度范围内的森林土壤氮具有重要意义。

本研究以梅州市林地土壤为研究对象，比较研究了不同区（县）森林土壤全氮含量和氮密度，估算了各区（县）的森林土壤氮储量，并分析了梅州市森林生态系统土壤氮密度和氮储量的区域分配特征、空间变异规律。通过揭示区域尺度上的氮素分布规律，有助于森林经营者更准确了解森林氮储量的动态变化，进而制定科学合理的氮素管理措施。

1 研究区概况

广东省梅州市位于115°18′至116°56′E，23°23′至24°56′N 之间，地处闽、粤、赣三省交界，东部与福建省龙岩市和漳州市接壤，南部与潮州市、揭阳市、汕尾市毗邻，西部与河源市接壤，北部与江西省赣州市相连[17]。梅州属亚热带季风气候区，是南亚热带和中亚热带气候区的过渡地带。梅州市各县（区、市）年平均气温为20.7～21.5 ℃，气温年变化为1 月最低，7 月最高。梅州市地处低纬度地区，年平均降雨量在1 400～1 850 mm，雨水丰盈且集中。梅州地处五岭山脉以南，地势北高南低，主要由武夷山脉、莲花山脉、凤凰山脉等三列山脉组成。梅州地处赤红壤地带，多为花岗岩、砂页岩风化而形成的赤红壤和黄壤[18]，土壤普遍呈酸性。全市行政面积15 864.51 km2，林地面积118.91 万hm2，森林覆盖率74.5%，森林蓄积量6687.71 万m3。

2 研究方法

2.1 样地设置

2019 年7 月在梅州市开展林地土壤调查，基于森林资源二类调查数据，通过无人机航拍测绘技术及高分辨率DEM 衍生数据提取，使用空间分层随机布点与专题布点相结合的方法进行样点布设，将布设样点的地理坐标定位到森林的小班，合计1 098 个调查样点，如图1 所示。

图1 研究区样点分布Fig.1 Distribution of sample sites in the study area

2.2 样点调查与样品采集

根据布设样点的地理坐标，使用GPS 找到样点所在区域，在误差允许范围内（距离样点坐标半径100 m 内）选择代表性区域，采用土壤剖面法挖掘3 个土壤剖面，坡面长1.2～1.5 m，宽1.0 m 左右，深度达1.0 m，分5 层（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm）取样，3个剖面各层土壤均匀混合成一个样品，将样品密封保存，带回实验室后及时风干、研磨过筛后用凯氏定氮法[19]测定土壤全氮含量。用环刀法[20]测定各层土壤容重。

2.3 土壤氮密度和氮储量计算

土壤氮密度是指单位面积一定深度的土层中全氮储量，是衡量土壤全氮含量水平的一项重要指标[21]。土壤氮密度和土壤氮储量计算公式如下[6, 21-22]：

式中，Si为第i层土壤氮密度，kg/m2；ρi为第i层土壤容重，g/cm3；Ni为第i层土壤全氮含量，g/kg；Di为第i层土层厚度，cm；0.1 为单位转换系数；A为林分面积，hm2；SN为0～100 cm土壤总氮密度，kg/m2；TN为土壤碳储量，t。

2.4 数据处理

利 用Microsoft Excel 2019 和SPSS 25.0 软 件对数据进行统计，根据全国第二次土壤普查规定的土壤养分分级标准[23]对梅州市林地土壤全氮含量进行评价。采用单因素方差分析法（One-way ANOVA）分析不同区（县）土壤全氮、氮密度及氮储量的差异性，应用LSD 法进行多重比较。应用克里金插值法[16,24]分析不同土层土壤全氮含量的空间分布特征，并利用ArcGIS 10.7 软件生成土壤全氮含量的空间分布图。

3 结果与分析

3.1 梅州市林地土壤全氮含量

梅州市各区（县）森林土壤全氮含量状况如表1 所示。由表可知，全市全氮含量平均值为0.78 g/kg，各区（县）全氮含量的平均值由大到小依次为蕉岭县、平远县、梅江区、兴宁市、丰顺县、大埔县、梅县区、五华县，全市全氮含量的平均值对应的土壤肥力等级为Ⅳ级；各区（县）中蕉岭县的土壤肥力高，为Ⅲ级，梅江区、平远县、大埔县、丰顺县和兴宁市的土壤肥力中等，为Ⅳ级，梅县区和五华县的土壤肥力低，为Ⅴ级。

表1 梅州市林地土壤全氮含量Tab.1 Soil total nitrogen content of forest land in Meizhou city

梅州市全氮含量的最大值为2.71 g/kg，各区（县）全氮含量的最大值的范围在1.76～2.71 g/kg之间，由大到小依次为大埔县、梅县区、平远县、兴宁市、丰顺县、梅江区、五华县、蕉岭县，全市全氮含量的最大值对应的土壤肥力等级为Ⅰ级，土壤肥力极高；除蕉岭县外其余区（县）的全氮含量的最大值对应的土壤肥力等级均为Ⅰ级，土壤肥力极高，蕉岭县为Ⅱ级，土壤肥力很高。

梅州市全氮含量的最小值为0.09 g/kg，各区（县）全氮含量的最小值的范围在0.09～0.52 g/kg之间，由大到小依次为蕉岭县、梅江区、兴宁市、梅县区、五华县、平远县、丰顺县、大埔县，全市全氮含量的最小值对应的土壤肥力等级为Ⅵ级，土壤肥力很低；各区（县）的全氮含量的最小值对应的土壤肥力等级均为Ⅵ级，土壤肥力很低。

梅州市全氮的变异系数为54.81%，各区（县）变异系数在24%～70%之间，属于中等变异程度，其中蕉岭县土壤全氮含量变化幅度最小，变异系数为24.61%，大埔县的变化幅度最大，变异系数为68.86%，其他地区的变异系数在40%～57%之间。

3.2 梅州市林地土壤氮密度及氮储量

梅州市林地土壤氮密度及氮储量状况如表2所示。梅州市土壤平均氮密度约为11.13 kg/m2，各区（县）土壤氮密度大小在8.75～14.92 kg/m2的范围。梅江区、平远县、蕉岭县、丰顺县和兴宁市的土壤氮密度高于全市平均水平，梅县区、大埔县和五华县的土壤氮密度低于全市水平。不同区（县）间土壤氮密度差异显著，土壤氮密度最高的区（县）是蕉岭县，土壤氮密度最低的区（县）是五华县。梅州市各区（县）林地土壤氮密度大小依次为蕉岭县＞平远县＞梅江区＞兴宁市＞丰顺县＞大埔县＞梅县区＞五华县。

表2 梅州市林地土壤氮密度及氮储量Tab.2 Soil nitrogen density and nitrogen storage on forest land in Meizhou city

梅州市林地土壤总氮储量约为1 311.24 万t，丰顺县、大埔县、五华县和梅县区的土壤氮储量相对较高，分别为246.94 万t、215.55 万t、195.76 万t 和185.06 万t，占 全 市 氮 储 量 的64.31%；蕉岭县、梅江区的土壤氮储量相对较低，分别占全市氮储量的8.36%、4.01%。梅州市各区（县）林地土壤氮储量依次为丰顺县＞大埔县＞五华县＞梅县区＞兴宁市＞平远县＞蕉岭县＞梅江区。

3.3 梅州市林地土壤全氮含量空间分布特征

梅州市不同土层土壤全氮含量的空间分布如图2 所示。梅州市林地土壤全氮含量总体呈现东高西低的分布格局，且随着土壤深度（0～100 cm）的增加逐渐降低。L1 层（0～20 cm），梅州全境全氮含量主要呈东低西高趋势。东部大部分地区全氮含量在3.0～5.8 g/kg 之间，西部大部分地区全氮含量在1.5～3.0 g/kg 之间。L2 层（20～40 cm），梅州全境全氮含量主要呈东高西低趋势。东部大部分地区全氮含量在6.70～8.2 g/kg 之间，西部大部分地区全氮含量在4.0～6.7 g/kg 之间。L3 层（40～60 cm），梅州全境全氮含量主要呈东高西低趋势。东部大部分地区全氮含量在5.70～8.2 g/kg之间，西部大部分地区全氮含量在4.0～5.7 g/kg 之间。L4 层（60～80 cm），梅州全境全氮含量主要呈均匀分布，一半地区全氮含量在5.5～7.9 g/kg 之间，另一半地区全氮含量在3.0～5.5 g/kg 之间。L5层（80～100 cm），梅州全境全氮含量整体偏高。大部分地区全氮含量在4.2～6.9 g/kg 之间。

图2 梅州市林地土壤全氮含量空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil nitrogen storage on forest land in Meizhou city

4 结论与讨论

本研究通过对梅州市开展大规模林地土壤样点调查，结果表明梅州市林地土壤全氮含量平均值为0.78 g/kg，各区（县）土壤全氮含量在0.61～1.04 g/kg 范围，土壤肥力等级为Ⅲ～Ⅴ级，土壤肥力中等，表现为蕉岭县＞平远县＞梅江区＞兴宁市＞丰顺县＞大埔县＞梅县区＞五华县。梅州市全氮的变异系数为54.81%，各区（县）变异系数在24%～70%之间，属于中等变异程度。总体上，梅州市林地土壤全氮含量表现为东高西低的分布格局，且随着土壤深度的增加逐渐降低。研究表明，土壤全氮含量与高程有着正相关关系[25-27]，高程等地形因素通过改变地表水的流向和土壤侵蚀的方式影响土壤氮分配格局[28]。本研究区属典型的南方丘陵区，地形起伏较大，降雨量充沛，地貌类型复杂，形成了现有的土壤全氮含量空间分布状况。

本研究中，梅州市土壤平均氮密度约为11.13 kg/m2，远高于全国1m 深度的土壤氮密度平均值（0.84 kg/m2）[29]和徐丽等[1]研究的中国森林生态系统土壤氮密度平均值（13.59 t/hm2），这是因为研究区位于南方红壤区，森林覆盖率达74.5%以上，森林植被以亚热带的常绿阔叶林、常绿针叶林为主，相较于国家尺度，研究区的地形地貌、植被类型以及气候变化比较单一，土壤全氮的空间异质性相对较小，使得土壤氮密度反而偏高。

梅州市林地土壤总氮储量约为1 311.24 万t，各区（县）林地土壤氮储量约为52.53～246.94 万t，表现为所在区（县）的林地面积越高，土壤氮储量越高，依次为丰顺县＞大埔县＞五华县＞梅县区＞兴宁市＞平远县＞蕉岭县＞梅江区。本文研究了区域性的土壤全氮含量以及其空间分布特征，对于该区域内地形、气候、植被、土地利用方式等诸多因素对森林生态系统氮储量及氮分配的影响需进一步研究，这有助于揭示区域性森林氮分配策略及其对环境变化的响应和适应，进而为森林管理者提高林地质量提供决策依据。