东江中下游流域森林土壤氮含量空间分布特征*

张 耕 孙冬晓 康 剑,2 谢振东曲 仡 丁晓纲

(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.中国科学院华南植物园，广东广州 510650）

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，森林土壤在维系全球生态平衡等方面发挥着重要作用[1]。土壤全氮是森林土壤的结构性和养分元素，不仅可以为植物的生长发育提供营养，也可以协调养分和环境条件，保证土壤和植物之间养分循环和能量流动的顺利进行[2]，森林土壤中的全氮与其他养分促进协调，共同为森林植物的生长提供营养成分与基础理化条件，对土壤物理化学性质有重要影响，在土壤保肥能力、促进植物生长、提高林业生产等方面有重要影响[3-5]。

分析东江中下游流域土壤全氮空间分布状况，揭示土壤全氮含量水平及垂直方向上的空间分布特征，可为东江中下游流域林区合理施肥、精准提高质量、宏观经营决策、可持续利用森林与环境资源等提供理论依据[6-7]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于东江中下游流域，属亚热带季风湿润气候区，气候温和，光照时间长，年均温20.4℃，地势东北高、西南低。属亚热带季风湿润气候区，气候温和，光照时间长，年均温20.4 °C左右。降雨量充足，年平均降水量为1 500～2 400 mm，西南多、东北少，干湿季明显。地表出露地层主要为花岗岩、砂页岩和紫红色砂岩及其上发育的数十至数百米的红色风化壳。成土母质以花岗岩和砂页岩为主，土壤类型主要是地带性土壤，包括赤红壤、山地红壤和山地黄壤[8-9]。流域内植被属于亚热带季风常绿阔叶林和南亚热带草被以及人工营造的针叶林，常年青绿。河岸带植物物种多样性丰富，植被以禾本科、菊科、蝶形花科、莎草科为主[10]。

1.2 土壤样点布设、样品采集与化验

1.2.1 样点布设 2021 年7 月，采用抽样网格随机布点法设置东江中下游土壤采样点，在林地土壤调查区域内生成抽样网格，并进行无人机踏查及各调查专题点的高分辨率DEM 衍生数据提取，确定土壤样点布设位置及调查线路，集合林地信息从中进一步筛选出混交林地采样点，总共布设土壤采样点192 个，其中专题布点104 个，随机布点88 个，分布于惠州市惠城区、博罗县、惠东县、龙门县，如图1。

图1 东江中下游流域森林土壤样点布设Fig. 1 Layout of forest soil samples in middle and lower reaches of Dongjiang River basin

1.2.2 样品采集与化验 土壤样品采集时间为2021 年7—9 月，按照《中华人民共和国林业行业标准》（LY/T 2250-2014）森林土壤调查技术规程[11]，采样时通过手持GPS 定位到达预设样点区域，对照现场情况与采样点布设要求信息，包括植被类型、坡位、坡向、坡度等，在误差允许范围内（通常为预设采样点半径100 m 范围内）选择土壤发育条件稳定，没有经过挖沟、整修等人为扰动的区域设置土壤剖面，每个样点在设置3个重复剖面，各剖面水平间距不小于10 m，取每个剖面0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm深度土壤样品约500 g，共取土壤样品15 份，保存于封口袋中。采用凯氏法测定土壤样品全氮含量[12-13]。

1.3 分析方法

使用Excel 2010 与SPSS 19 对东江中下游流域森林土壤全氮含量进行描述性统计，绘制4 个土壤层之间全氮含量的差异性分析箱线图，分析个土壤层之间全氮含量的数据离散程度。运用ArcGIS 10.3，制作4 个土壤层全氮含量的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 不同森林土壤层全氮含量描述性统计

东江中下游流域森林土壤分为4 个土壤层，由表层至深层依次为D1、D2、D3、D4 层，不同土壤层全氮含量的描述性统计如表1 所示。4 个土壤层全氮含量的平均值、最小值和中位数由表层至深层均依次降低，其中平均值在D1 至D4 层分 别 为876.28 mg/kg、630.05 mg/kg、563.48 mg/kg 和518.81 g/kg。标准误差和标准差由D1 至D4层逐渐降低，其中D1 至D4 层标准误差依次为23.88 mg/kg、18.00 mg/kg、17.50 mg/kg 和16.76 mg/kg，D1 至D4 层标准差依次为330.92 mg/kg、249.46 mg/kg、242.45 mg/kg 和232.23 mg/kg， 表明由表层至深层土壤全氮含量变化趋于稳定。D1至D4 层的峰度值和偏度值显示，4 个土壤层均呈现偏正态分布，其中D1 土壤层的偏度和峰度值最低，分别为1.03 和1.27。

表1 东江中下游流域森林土壤全氮含量描述性统计Table 1 Descriptive statistical table of forest soil total nitrogen content in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.2 不同森林土壤层全氮含量对比分析

东江中下游流域森林土壤4 个土壤层全氮含量箱线图如图2 所示。箱线图显示，除D3 与D4土壤层之间的土壤氮含量无显著差异外，其余各土壤层之间均相互存在显著差异（P＜0.05）。其中D1 与D2、D3、D4 土壤层，D2 与D4 土壤层之间的差异性相对大，D2 与D3 土壤层之间的差异性相对小。全氮含量的平均水平在D1 土壤层达到最高，D2、D3、D4 土壤层逐渐降低。离散程度显示，D1 土壤层的离散程度高于D2、D3 和D4 土壤层，表明D1 土壤层的空间变异性高于其他3 个土壤层，随土壤层深度的增加，离散程度逐渐减小，空间变异性逐渐减弱。

图2 东江中下游流域森林土壤全氮含量箱线图Fig. 2 Box line diagram of soil total nitrogen content in forest soil in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.3 各森林土壤层全氮含量空间分布特征

东江中下游流域森林土壤4 个土壤层全氮含量空间分布如图3 所示，从水平方向上看，4 个土壤层全氮含量的空间分布由西北向东南呈现先降低后增加再降低的条带分布变化。从垂直方向上看，D1 至D4 层全氮含量整体上呈现出逐渐降低的变化趋势。

图3 东江中下游流域不同土壤层森林土壤全氮含量空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil total nitrogen content in forests of different soil layers in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

3 结论与讨论

3.1 东江中下游流域D1 至D4 层全氮含量为322.04～482.77 mg/kg、252.38～1 479.6 mg/kg、244.64～1600.00 g/kg 和190.46～1 496.8 mg/kg 之间。平均值分别为876.28 mg/kg、630.05 mg/kg、563.48 mg/kg 和518.81 g/kg。4 个森林土壤层全氮含量的平均值、最小值和中位数由表层至深层均呈现逐渐降低的变化趋势。标准误差和标准差表明由表层至深层土壤全氮含量变化趋于稳定。

3.2 除D3 与D4 土壤层之间的氮含量无显著差异外，其余各土壤层之间均相互存在显著差异（P＜0.05）。表层土壤全氮含量的平均水平及离散程度高于其他土壤层，且随土壤层深度的增加，全氮含量逐渐降低，离散程度逐渐减小，空间变异性逐渐减弱。

3.3 东江中下游流域森林土壤4 个土壤层（D1、D2、D3 和D4）全氮含量水平方向上的分布呈现由西北向东南呈现先降低后增加再降低的条带分布变化趋势。垂直方向上，D1～D4 土壤层全氮含量整体上呈现出逐渐降低的变化趋势。与邓小军[14]对亚热带广西山地红壤区域的研究结果一致。主要是由于枯枝落叶和土壤动物、微生物主要处于土壤表层，同时表层土壤通气、湿热条件优于深层土壤，使得全氮在表层积累含量高[15]。