广东省清远市针阔混交林地土壤氮元素含量空间分布特征*

邹祖有 康 剑 李莹莹 余 斐朱航勇 苏 艳 丁晓纲

（1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.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；3.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

森林是人类赖以生存的重要资源，它不仅能涵养水源、调节气候和保持水土，而且还有净化空气，吸收二氧化碳产生氧气等的作用。而森林土壤是森林生态系统的物质基础，植物积累的各种营养成分不仅要从大气中摄取，大部分还要依赖森林土壤源源不断地供给，才能使植物顺利地进行各种生命活动。森林土壤养分则是指植物生长发育所必须从土壤中吸收的营养元素，它提供了植物生长发育所必需的营养和水分，是森林土壤肥力的主要组成部分[1-2]，是土壤物理、化学和生物性质的综合反映，也是植物生长所需营养元素的重要来源[3]。土壤养分的高低对土壤肥力及土壤质量有着决定性的影响，直接影响森林生长，是评估林业发展和土地健康可持续利用的重要标准[4]。

氮元素作为森林土壤的结构性元素，对植物的生长发育有着重要的作用[5-6]，是植物整个发育过程中从土壤中吸收量最大的矿质元素，其主要来源于植物残体的归还量及生物固氮， 少部分来自于大气沉降[7]。除了可以为植物的生长发育提供营养，还可以协调营养因素与环境条件，保证植物与土壤之间养分循环以及能量流动的顺利进行[8]，对维持地球生态平衡、维护生态环境具有重要作用。土壤供氮能力既可以作为评价土壤肥力的重要指标，又是估算氮肥用量的重要依据[9]。

针阔混交林是我国南亚热带地区主要森林类型之一，是南亚热带针叶林向常绿阔叶林演替的过渡性类型。随着人们对森林资源与生态环境认识上的飞跃，逐渐意识到改变以往营造人工林以针叶纯林为主，向营造针阔混交林转变，可以优化森林资源结构和促进人工林树种的多样化，模拟自然状况。因此，研究针阔混交林，对发展生态林业，走高效协调的林业可持续发展之路，实现林业整体最优效益，开展区域性的高效森林经营管理具有重要意义。目前，对清远市同类型的研究较少，且主要针对于常绿阔叶林，对于针阔混交林的研究较匮乏。本文通过研究清远市范围内的针阔混交林地土壤氮元素含量状况及分布特征，为针阔混交林的可持续经营和森林土壤养分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

清 远 市 位 于 北 纬23°26′56″～25°11′40″、东经111°55′17″～113°55′34″ 之 间， 陆 域 面 积1.9万km2，约占全省陆域面积的10.6%，是广东省陆域面积最大的地级市。亚热带季风气候，年均气温18.9～22.0 ℃，雨量充沛，年均降水量1 631.4～2 149.3 mm。地形地势西北高东南低，以山地、平原为主。境内江河纵横，河网密布，绝大部分河流属珠江流域北江水系和西江水系，少部分流域属长江水系或湘江水系。境内土壤类型多种，有黄壤、红壤、赤红壤、红色石灰石、黑色石灰土、碱性紫色土、酸性紫色土、水稻土等。境内含有自然保护地151 个，其中自然保护区27个、森林公园87 个、湿地公园14 个、地质公园2 个等。清远市下辖清城区、清新区2 个市辖区，英德市、连州市2 个县级市，以及佛冈县、阳山县、连南瑶族自治县、连山壮族瑶族自治县4 个县[10]。

1.2 土壤样品采集及分析

2021 年7—9 月，根据研究区植被、地形、气候特征等状况，确定基本样本量（n=129），样点的布设在随机布点和林分布点的基础上结合专题布点的方法，综合考虑样地的代表性、重复性、实地可达性以及地形地势。严格避开一些特殊区域(如山脚、山沟、山脊、化肥堆、梯田、路边、房屋、墓地边等)，使得样点随机均匀分布在不同地形、地貌、水文、植被类型[11-12]。选择样点内具有代表性的区域挖掘3 个土壤剖面，各剖面水平距离大于10 m。各剖面每隔20 cm 分层取样，将各层样品混合均匀后作为该剖面的样品。采集后的土壤样品妥善保存，并及时带回实验室，风干、过筛后以便后续分析。研究区内累积采集129个样点（图1）。对林地土壤样品进行氮元素的检分析时，采用半微量凯氏法测定，依据林业行业标准进行[13]。主要步骤为：消煮、蒸馏、滴定。

图1 清远市林地土壤采样点分布Figure 1 Distribution map of forest land soil sampling points in Qingyuan city

1.3 数据分析

通过Excel 对土壤养分含量进行描述性统计，包括均值、标准差、变异系数等。将本次测定的土壤氮元素含量与全国土壤氮背景值相比，分析丰缺程度。依据全国第二次土壤普查推荐的土壤养分分级标准(表1)，对各个研究区范围内的氮元素含量进行等级划分。运用ArcGIS 10.3 软件对土壤氮元素进行空间克里格插值（Kriging），进而分析清远市针阔混交林地土壤氮元素空间分布特征。

表1 全国第二次土壤普查氮含量等级划分标准Table 1 Classification standard for nitrogen content of the second national soil survey

2 结果与分析

2.1 清远市针阔混交林地土壤氮元素各层含量统计分析

调查统计结果表明（表2），氮元素含量在D3的变异较大，在D2 的含量变异程度最小。与全国土壤氮元素背景值(0.64 g /kg)相比[16-17]，清远市针阔混交林研究区范围内D1 土壤层中有85 个样品氮元素含量比全国土壤氮元素背景值高，占比83.33%；D2 土壤层中有86 个样品氮元素含量比全国土壤氮元素背景值高，占比84.31%；D3 土壤层中有83 个样品氮元素含量比全国土壤氮元素背景值高，占比81.37%；D4 土壤层中有86 个样品氮元素含量比全国土壤氮元素背景值高，占比84.31%。

2.2 清远市针阔混交林地土壤氮元素各层含量等级划分

清远市针阔混交林地土壤氮元素各层含量等级以Ⅲ级为主(表3），所占样点总数数分别为136，其次含量等级依次分别为Ⅳ级、Ⅱ级、Ⅴ级、Ⅰ级、Ⅵ级，样点数分别为73、68、66、38、29。另外从表2、3 中可以看出清远市针阔混交林地土壤氮元素各层含量相对平衡，没有太大的浮动，大部分位于Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级的水平。结合均值来看，清远市针阔混交林地各层土壤氮元素含量的平均值分别为1.31 g/kg、1.20 g/kg、1.13 g/kg、1.16 g/kg，各层土壤氮元素含量都处于Ⅲ级标准水平。

表2 清远市针阔混交林地各层土壤氮元素统计值 g·kg-1 Table 2 Statistical values of soil nitrogen in each layer of coniferous and broad-leaved mixed woodland in Qingyuan city

表3 清远市针阔混交林地土壤样品氮元素含量等级数量Table 3 Quantity table of nitrogen content grades of soil samples in the coniferous and broad-leaved mixed forest land of Qingyuan city

2.3 清远市针阔混交林地土壤氮元素各层含量空间分布特征

样点数据经过对数转换后，符合正态分布(图2）。因此，可采用空间插值法。根据林地土壤养分氮元素的调查结果，运用空间插值进行空间格局分析，结果显示如图3。

图2 D1、D2、D3、D4 各土壤层TN 的正态P-P 图Fig. 2 Normal P-P Diagram of TN in each soil layer D1, D2, D3 and D4

结果显示（图3），清远市针阔混交林地土壤TN 含量在水平空间分布上有较大的差异，高值区域主要分布在清远市针阔混交林地的中部、东部，还有部分零散区域。北部、东南部区域的TN 含量最低，整个清远市针阔混交林地土壤TN 含量呈中部高往四周逐渐降低的分布特征。

图3 清远市针阔混交林地土壤D1～D4 各土壤层TN 含量空间分布Fig. 3 Spatial distribution of TN content in soil D4 layer of coniferous and broad leaved mixed forest land in Qingyuan city

3 讨论与结论

土壤氮在一定程度上受地表上的植物凋落物影响，森林中的植物从土壤中吸收利用氮元素，而它们掉落在地上的枯枝落叶经过长期的生化分解作用，转化为土壤表腐殖层的有机质，有机质又在一定的水热条件下继续分解得到氮素会回馈给土壤，土壤和植物之间也就形成了一条氮素生化循环过程。在植物生长所必需的营养元素中，氮素是植物生长和产量形成的首要因素。土壤TN含量是反映土壤肥力高低的重要指标[18]。研究区土壤氮含量整体处于中等偏上水平，说明清远市针阔混交林地土壤氮含量较为丰富，短期内对氮的需求量较低。

土壤氮元素含量在垂直空间上的分布格局结果表明，氮元素含量呈现在D1 土壤层最高，可能是因为表层土壤通常结构疏松、透气性好，生物代谢活动旺盛[19]，有利于土壤养分的转化和积累，故土壤表层TN 含量较高[20]。在D1～D3 土壤层随着土壤深度的增加，氮元素含量呈现先逐渐下降，后D4 土壤层有略微的上升趋势。这与邓小军[21]对亚热带广西山地红壤区域的研究结果不一致，但郭鑫炜[22]的研究结果显示在樟子松Pinus sylvestris、杨树纯林中，随土壤深度(0～50 cm)的增加，TN 含量逐渐下降；在油松林中随土壤深度(0～50 cm)的增加，TN 含量先下降后增加，因此清远市针阔混交林地土壤TN 含量随土壤深度的变化趋势可能与树种和森林植被类型等因素相关。

土壤TN 水平空间格局分析结果表明，局部区域内土壤元素含量具有显著的差异性。这种空间差异除受森林类型影响外，还与地形、气候、土壤类型有密切关系[23]。研究分析林地土壤氮元素含量的空间分布特征，确定研究区内森林土壤氮元素含量级别，可以有效地指导林区合理施肥和改造退化林地[24]。