森林土壤有機碳含量與不同形態(tài)氮含量的相關(guān)性

張 景，蔣新革 ，何介南，吳立潮，鄧艷林，鐘 杰 ，肖毅峰

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2.廣西國有三門江林場，廣西 柳州 545006）

森林土壤有機碳含量與不同形態(tài)氮含量的相關(guān)性

張 景1，蔣新革2，何介南1，吳立潮1，鄧艷林1，鐘 杰1，肖毅峰1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2.廣西國有三門江林場，廣西 柳州 545006）

為闡明土壤有機碳含量與土壤氮的關(guān)系，以莽山國家森林公園內(nèi)典型植被類型土壤為研究對象，采用野外定位監(jiān)測與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法，分析比較了土壤有機碳與不同形態(tài)氮含量之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示：莽山國家森林公園森林土壤有機碳、全氮含量隨土壤深度增加而減?。话钡?、硝氮含量呈現(xiàn)出0～20 cm＞20～40 cm＞60～100 cm＞40～60 cm，亞硝氮含量呈現(xiàn)出20～40 cm＞40～60 cm＞60～100 cm＞0～20 cm；相關(guān)分析表明有機碳含量與亞硝氮含量相關(guān)關(guān)系不顯著，有機碳含量與氨氮含量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，有機碳含量與土壤層次呈極顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機碳含量與硝氮含量和全氮含量均呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。該研究結(jié)果對于指導(dǎo)林木的配方施肥、保障森林資源的可持續(xù)發(fā)展以及充實森林土壤碳匯功能的研究有重要意義。

土壤有機碳；氨氮；硝氮；亞硝氮；全氮；相關(guān)性

土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，森林土壤中的碳占全球土壤有機碳的73%[1]，近年來對土壤有機碳的研究備受人們關(guān)注，已成為全球氣候變化研究的三大熱點之一[2-8]。氮素是作物生長所必需的大量營養(yǎng)元素之一，也是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，土壤中氮素的豐缺及供給狀況不僅影響農(nóng)作物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)，也影響著環(huán)境[9]。在人工生態(tài)系統(tǒng)中，即使大量施用氮肥，作物中所積累的氮也有約50%來自土壤，有些達(dá)70%以上。與土壤物理、化學(xué)、生化作用相關(guān)密切的是銨態(tài)氮與硝態(tài)氮，一般來講，銨態(tài)氮因受到范德華力或庫倫力的作用不易流失；而硝態(tài)氮是銨態(tài)氮在氧氣充足條件下經(jīng)微生物硝化后形成的，易于流失；亞硝態(tài)氮是硝化作用的中間產(chǎn)物，一般短時期內(nèi)在土壤中可能有少量亞硝態(tài)氮存在，但在通氣良好的情況下很快轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。如果氮肥使用過量,就可能會導(dǎo)致硝態(tài)氮在土壤剖面積累、增加地表水和地下水中的氮素含量,導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和地下水污染等；同時硝化與反硝化過程也涉及到主要溫室氣體氧化氮的排放[9]。但耕地及林地土壤不同于農(nóng)田土壤，其測土配方施肥技術(shù)比農(nóng)田要困難很多，所以土壤無機氮的測定（特別是硝態(tài)N）對指導(dǎo)配方施肥等有重要意義[10]。

關(guān)于碳氮含量的研究多集中于碳氮的時空變化規(guī)律，并多以碳氮比作為一個整體，其認(rèn)為一段時間內(nèi)土壤碳、氮含量可能會各自變化，所以研究碳氮比值將會更有意義[11-15]。關(guān)于不同形態(tài)的氮與有機碳含量之間的相關(guān)研究涉及得很少，本研究通過對莽山國家森林公園森林土壤不同形態(tài)氮及土壤有機碳含量的測定，研究了土壤碳、氮及其關(guān)系，為莽山國家森林公園的管理與可持續(xù)利用提供一定的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)莽山國家森林公園是1958年我國首批建立的森林保護區(qū)之一，地處湖南省宜章縣境內(nèi)，其東、南、西三面分別與廣東的乳陽、陽山、連縣接界[16]，總面積2萬hm2，是湖南省最大的國家森林公園之一,森林覆蓋率92.8%。有保護完好的原始次生林2 000 hm2，以“植物王國”和“中國第二西雙版納”著稱[17]。莽山地理位置是東經(jīng) 112°43′19″～ 113°0′10″，北緯 24°52′0″～25°3′12″，莽山氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫17.2 ℃，年降水量1 710.4～2 555.6 mm。莽山土壤成分復(fù)雜，土層一般較薄，按不同海拔高度有砂巖、花崗巖、粘土壤、山地黃棕壤及山地草甸土等，適合多種類型植被生長，區(qū)內(nèi)植被種類占湖南省植物種類的82%以上(Hutchinson系統(tǒng))[16]。

2 分析方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

按土壤定位研究方法[18]，在4種不同海拔高度（即＜1 000、1 000～1 300、1 300～1 600、1 600～1 902 m）典型植被類型內(nèi)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，樣地設(shè)定的大小為20 m×33.3 m，共15個標(biāo)準(zhǔn)樣地,樣地具體情況見表1。

表1 樣地概況Table 1 General information of test plots

2.2 樣品采集

在每個樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置3個土壤樣方并挖掘土壤剖面，每個剖面按0～20、20～40、40～60、60～100 cm分層采土，每層重復(fù)3次。將樣品帶回實驗室，揀出根及其它枯落物，將一半新鮮土樣于0～4℃保存，用于土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮及亞硝氮的測定；另一半土樣自然風(fēng)干，用0.25、0.154 mm直徑的土壤篩篩取土樣，進(jìn)行土壤有機碳、全氮等的測定[13]。

2.3 土壤樣品測定

土壤有機碳（SOC）含量用重鉻酸鉀氧化－分光光度法測定[19]；全氮（TN）處理用濃硫酸消煮法[20]，此消煮法測得的全氮不包括硝氮、亞硝氮，測定采用間斷化學(xué)分析儀（Smsrt Chem 200）；硝態(tài)氮(NO3--N)、氨態(tài)氮(NH4+-N )的處理分別采用2% CaSO4、2 mol/L KCl 浸提法，測定也均采用間斷化學(xué)分析儀。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 13.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤層次有機碳、氨氮、硝氮、亞硝氮及全氮含量分布

3.1.1 不同土壤層次有機碳含量

通過實驗測定，得到不同土壤層次有機碳含量（見圖1）。

圖1 不同土壤層次有機碳含量Fig. 1 Carbon contents in different soil layers

由圖1可以看出，土壤有機碳含量隨土層深度的增加基本呈降低趨勢，這與大多數(shù)人的研究結(jié)果是一樣的[21]。林分凋落物及植被根系分布使進(jìn)入土壤表層的有機碳增多,導(dǎo)致表土有機碳含量顯著高于其他土層[22]。相思坑樣地20～40 cm土層的有機碳含量高出了0～20 cm層，原因可能在于此樣地的表層土壤人為干涉得太多，造成表層有機碳含量的減少。

3.1.2 不同土壤層次氨氮含量

不同土壤層次氨氮含量的結(jié)果分析見圖2。從圖2可以看出，土壤氨氮含量隨土層深度變化趨勢無明顯規(guī)律性，具體表現(xiàn)為3種變化，即呈緩慢上升、先下降后上升和先上升后下降的趨勢。樣地紙浮和坪坑老大門，氨氮含量最高值出現(xiàn)在20～40 cm層，而其它樣地的最高值均出現(xiàn)在0～20 cm層；氨氮含量次高值基本出現(xiàn)在60～100 cm。在森林土壤中有效氮通常以氨氮為主，植物吸收的氮來源主要是氨氮，而且氨氮會通過硝化過程轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，氨氮也可被吸附于土壤膠體的交換面上[23]，所以植物吸收、硝化過程以及吸附于土壤膠體表面，可能就是氨氮含量20～40 cm＞0～20 cm，60～100 cm＞40～60 cm的原因。

圖2 不同土壤層次氨氮含量Fig. 2 Ammonia nitrogen contents in different soil layers

3.1.3 不同土壤層次硝氮含量

不同土壤層次硝氮含量見圖3。圖3中大部分樣地的硝氮含量在5～15 mg/kg的范圍內(nèi)，且隨土層深度的增加呈緩慢下降的趨勢。猛坑石頂?shù)南醯刻貏e高，達(dá)到了42.421 6 mg/kg，這與其草甸土的土壤類型、腐殖質(zhì)層厚及土層薄等有關(guān)；坪坑老大門、哨所和漂流公司硝氮含量20～40 cm層均高于0～20 cm層，且漂流公司的最高值出現(xiàn)在60～100 cm層，這些可能是因為硝態(tài)氮被淋失[23]導(dǎo)致的。

圖3 不同土壤層次硝氮含量Fig. 3 Nitrate nitrogen contents in different soil layers

3.1.4 不同土壤層次亞硝氮含量

不同樣地亞硝氮含量隨土壤層次的變化情況見圖4。圖4中土壤各層次亞硝氮含量的均值分別為0.049 0、0.103 3、0.078 4、0.066 8 mg/kg（見表2），含量極低，這從研究區(qū)內(nèi)植被生長情況也可以看出，因為亞硝氮有毒，對植物生長不利[23]；土壤各層次亞硝氮含量最低值均為負(fù)值，應(yīng)該是其含量太低，導(dǎo)致間斷化學(xué)分析儀測定時出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。

圖4 不同土壤層次亞硝氮含量Fig. 4 Nitrite nitrogen contents in different soil layers

表2 不同土壤層次5變量的描述性指標(biāo)Table 2 Descriptive indicators of five variables in different soil layers

3.1.5 不同土壤層次全氮含量

不同樣地全氮含量隨土層深度增加的變化趨勢見圖5。由圖5可以看出全氮含量與有機碳含量一樣基本都是隨土層深度的增加而降低的。

圖5 不同土壤層次全氮含量Fig. 5 Total nitrogen contents in different soil layers

3.2 土壤有機碳含量與氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及全氮含量的相關(guān)分析

表2分別描述了所有樣地0～20、20～40、40～60以及60～100 cm各土層有機碳含量、氨氮含量、硝氮含量、亞硝氮含量與全氮含量的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

從5變量的均值來看，基本遵循隨土層深度的增加，其相應(yīng)含量逐漸降低的趨勢：有機碳含量與全氮含量的高低順序為0～20 cm＞20～40 cm＞40～60 cm＞60～100 cm；氨氮含量與硝氮含量是0～20 cm＞20～40 cm＞60～100 cm＞40～60 cm ；亞硝氮含量的排列順序是20～40 cm＞40～60 cm＞60～100 cm＞0～20 cm。

同一層次不同形態(tài)的氮含量高低順序為全氮＞硝氮＞氨氮＞亞硝氮，且全氮含量比另外3種氮含量平均要高出3個數(shù)量級，硝氮與氨氮含量要比亞硝氮含量高出大約2個數(shù)量級。

由表3可以看出有機碳含量與亞硝氮含量的相關(guān)關(guān)系不顯著，亞硝氮含量一是缺乏規(guī)律性，或者說其規(guī)律性與有機碳含量的規(guī)律性差異最大；二是其含量極低，這也許就是有機碳含量與亞硝氮含量的相關(guān)關(guān)系不顯著的原因所在。有機碳含量與土壤層次和全氮含量呈極顯著相關(guān)性，也與表2中的結(jié)果相一致，與前人的研究結(jié)果也吻合[24]。另外因為相關(guān)系數(shù)|-0.784|＜0.96，所以有機碳含量與全氮含量的相關(guān)性更加大于有機碳含量與土壤層次的相關(guān)性。所以與有機碳含量的相關(guān)性從大到小排列順序為全氮含量＞土壤層次＞硝氮含量＞氨氮含量＞亞硝氮含量。

表3 有機碳含量與所有其他變量的相關(guān)分析?Table 3 Correlation among organic carbon and all other variables

4 結(jié) 論

在比較有機碳含量與土壤層次、氨氮含量、硝氮含量、亞硝氮含量與全氮含量的相關(guān)分析中，其相關(guān)性從大到小排列順序為全氮含量＞土壤層次＞硝氮含量＞氨氮含量＞亞硝氮含量；4種不同形態(tài)氮與有機碳含量的相關(guān)性規(guī)律表明，在不具備對土壤進(jìn)行經(jīng)常性測試的條件下，通過有機質(zhì)來推薦施肥量在測土配方施肥中有著重要意義[10]，既能保證作物有足夠的氮肥供應(yīng)，又能避免因肥料過量造成浪費以致污染環(huán)境。這有利于農(nóng)林業(yè)上作物的管理工作，使作物向著更加健康的方向發(fā)展，使陸地生態(tài)系統(tǒng)更好地發(fā)揮碳匯功能。

不同樣地有機碳含量、氨氮含量、硝氮含量、亞硝氮含量與全氮含量隨土壤層次變化時，對于好多樣地出現(xiàn)的不規(guī)律變化，目前還無法解釋清楚，可能與樣地海拔、坡度、坡位、土壤類型、土壤質(zhì)地、腐殖質(zhì)層厚度、枯落物厚度、植被類型以及優(yōu)勢樹種組成等有關(guān)，還需進(jìn)一步的論證確定。

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Relationship between forest soil organic carbon content and nitrogen content with different forms

ZHANG Jing1, JIANG Xin-ge2, HE Jie-nan1, WU Li-chao1, DENG Yan-lin1, ZHONG Jie1, XIAO Yi-feng1
(1. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Sanmenjiang state-owned Forest Farm of Guangxi, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

In order to explore the relationship between soil organic carbon content and soil nitrogen, by combining methods of fi eld location monitoring and indoor experiment, the relationship between forest soil organic carbon content and the contents of nitrogen in different forms were analyzed in typical vegetation types of Mangshan National Forest Park. The results show that with the increase of soil depth, the organic carbon content and total nitrogen content decreased; the contents of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in different soils layers ordered by magnitude: 0～20 cm ＞ 20～40 cm ＞ 60～100 cm ＞ 40～60 cm; the nitrite nitrogen contents in different soils layers ranked from high to low: 20～40 cm ＞ 40～60 cm ＞ 60～100 cm ＞ 0～20 cm. The correlation analyses indicate that the organic carbon content do not have signif i cant correlation with the nitrite nitrogen content; there existed a signif i cant linear positive correlation between organic carbon content and ammonia nitrogen content; there were a extremely signif i cantly linear negative correlation between organic carbon content and soil layers; the organic carbon content have a signif i cantly linear positive correlation with nitrate nitrogen content and total nitrogen content, respectively. The fi ndings provide some base information for evaluating the formulation of trees fertilization, for ensuring the forest resources sustainable development and strengthening the study of forest soil carbon function．

soil organic carbon; ammonia nitrogen; nitrate nitrogen; nitrite nitrogen; total nitrogen; correlation

S718.5

A

1673-923X(2013)07-0114-05

2012-11-30

國家林業(yè)公益性項目(201104008)：典型森林土壤碳儲量分布格局及變化規(guī)律研究

張 景（1987-），女，河北保定人，碩士研究生，主要從事森林土壤研究；E-mail: peseverence@yahoo.cn

吳立潮（1963-），男，湖北廣水人，教授，博士，主要從事森林土壤、森木施肥與營養(yǎng)、水土保持與荒漠化防治等方面的研究；E-mail:wulichao@sina.com

[本文編校：謝榮秀]