西江下游典型流域森林土壤全氮元素的空間分布研究*

王 洋 何超銀 齊 也 江 瑤,2康 劍,2 張中瑞

（1. 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2. 中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

土壤質(zhì)量是指土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的土壤肥力質(zhì)量，容納、吸收、凈化污染物的土壤環(huán)境質(zhì)量，以及維護(hù)保障人類和動(dòng)植物健康的土壤健康質(zhì)量的總和[1]。森林土壤是森林植被的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量的高低直接影響森林的生長(zhǎng)發(fā)育。土壤養(yǎng)分（氮、磷、鉀、有機(jī)碳等）作為最基礎(chǔ)的土壤屬性，代表了土壤的肥力狀況，決定了土壤為森林提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力，土壤的養(yǎng)分循環(huán)也有助于維持良好的森林生態(tài)環(huán)境[2]。氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)主要的限制元素，影響植物光合作用和初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程[3]，植物根系吸收土壤氮素，合成為氨基酸，從而構(gòu)成蛋白質(zhì)分子，組成植物有機(jī)體，故此土壤氮素含量的高低可以評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[4]。

普通克里金插值法是通過(guò)一組具有z 值的分散點(diǎn)生成估計(jì)表明的高級(jí)地統(tǒng)計(jì)過(guò)程，是挖掘土壤元素空間分布特征和分布規(guī)律的有效的“以點(diǎn)帶面”的方法[5]。本文以西江下游典型流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于普通克里金空間插值法，預(yù)測(cè)分析區(qū)域內(nèi)全氮在水平和垂直方向的分布特征，以期了解西江下游流域土壤質(zhì)量狀況，為今后該區(qū)域生態(tài)修復(fù)措施的實(shí)施、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于西江下游區(qū)域，主要分布在江門市。江門市位于珠江三角洲的西部，坐標(biāo)為東經(jīng)111°59′～113°15′，北 緯21°27′～22°51′，屬 亞 熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬短夏長(zhǎng)，氣候宜人，雨量豐沛，光照充足。無(wú)霜期在360 天以上，全年無(wú)雪。地貌特征為北低西高，以低山丘陵為主，丘陵面積占土地總面積46.8%。

1.2 土壤樣點(diǎn)布設(shè)

采用專題布點(diǎn)和空間隨機(jī)布點(diǎn)相結(jié)合的方式，依據(jù)土壤屬性空間分布預(yù)測(cè)模型質(zhì)量要求，在土壤調(diào)查區(qū)域內(nèi)生成抽樣網(wǎng)格，并進(jìn)行無(wú)人機(jī)踏查及各調(diào)查專題點(diǎn)的高分辨率DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，確定土壤樣點(diǎn)布設(shè)位置及調(diào)查線路[6]，共布設(shè)121個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。

圖1 西江下游流域森林土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig. 1 Layout of forest soil samples in lower Xijiang River Basin

1.3 土壤樣品采集

將布設(shè)樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)定位到林相圖上的地籍小班，借助GPS 找到樣點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)樣點(diǎn)布設(shè)要求信息，如地籍號(hào)、植被類型、坡位、坡向、坡度、坐標(biāo)點(diǎn)等，在誤差允許范圍內(nèi)（所在小班距離樣點(diǎn)坐標(biāo)半徑100 m 內(nèi)）選擇土壤發(fā)育條件穩(wěn)定，沒(méi)有經(jīng)過(guò)挖溝、整修等人為擾動(dòng)的地方，確定剖面點(diǎn)位置，進(jìn)行調(diào)查。

在每個(gè)樣點(diǎn)挖掘3 個(gè)土壤剖面（長(zhǎng)1.2～1.5 m，寬0.8～1.0 m，高1.0～1.2 m），分5 層 取 樣，由上至下依次為0～20 cm（D1）、20～40 cm（D2）、40～60 cm（D3）、60～80 cm（D4）、80～100 cm（D5），每層均勻采集土壤（不少于500 g），裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定土壤全氮含量。土壤全氮含量采用凱氏法[7]。

1.4 研究方法與數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和匯總，應(yīng)用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。用普通克里金空間插值法對(duì)研究區(qū)域的全氮含量分布情況進(jìn)行空間預(yù)測(cè)，用ArcGIS 10.7 對(duì)空間分布圖預(yù)測(cè)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林土壤層全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)

西江下游典型流域森林土壤分為5 個(gè)土壤層，由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4、D5層，不同土壤層全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)如表1 所示。5 個(gè)土壤層全氮的平均值和中位數(shù)由表層至深層均依次降低，其中平均值在D1～D5 土壤層分別為802.31 mg/kg、670.82 mg/kg、654.07 mg/kg、606.94 mg/kg 和588.40 mg/kg。全氮含量的最小值，在D4 土壤層為214.71 mg/kg，D1～D4 土壤層含量逐漸減少，D4～D5 層呈上升趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差最大值出現(xiàn)在D1 層，隨著土壤深度的增加無(wú)明顯趨勢(shì)。D1～D5 土壤層的峰度值和偏度值顯示，5 個(gè)土壤層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布，其中D1 土壤層的偏度和峰度值最低，分別為0.79 和0.46。

表1 西江下游典型流域森林土壤全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistical table of forest soil total nitrogen content in lower Xijiang River Basin

2.2 不同森林土壤層全氮含量對(duì)比分析

如圖所示，土壤全氮含量的平均水平在D1 層最高，隨著土層深度的增加，全氮含量逐漸降低。不同層次土壤之間全氮含量的差異性不盡相同。其中，D1 與其他層次土壤均呈現(xiàn)顯著差異性；D2與D3 層土壤差異不顯著，與D4～D5 層土壤差異性顯著；D3～D5 層土壤之間差異不顯著。

2.3 森林土壤全氮含量空間分布特征

如圖3 所示，西江下游流域D1-D5 層土壤全氮含量分別位于2 51.18～1 625.80 mg/kg、245.67～1 371.24mg/kg、229.16～1 735.88 mg/kg、214.71～1 343.72 mg/kg、229.85～1 639.56 mg/kg 的范圍內(nèi)。從水平分布情況來(lái)看，5 個(gè)土層全氮含量均呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)，其中D1 層土壤全氮含量南北差異明顯高于其他土層，D3 層土壤全氮含量水平分布的差異性最小。從垂直分布情況來(lái)看，D1 層土壤全氮含量顯著高于其他層，隨著土層加深，全氮含量下降，到D3 層降至最低，隨后D4層全氮含量較D3 層明顯增加，D5 層全氮含量較D4 層又略有下降。整體來(lái)講，土壤全氮含量在水平方向基本呈南高北低的趨勢(shì)，在垂直方向上基本呈先下降后上升趨勢(shì)。

圖2 西江下游流域森林土壤全氮含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of soil total nitrogen content in lower Xijiang River Basin

圖3 西江下游流域不同土壤層森林土壤全氮含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil total nitrogen content in forests of different soil layers of lower Xijiang River Basin

3 結(jié)論與討論

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)121 個(gè)樣點(diǎn)的全氮含量進(jìn)行常規(guī)計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示土壤全氮含量的變化范圍為214.71～1 735.88 mg/kg，土壤全氮均值為664.51 mg/kg。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8]，研究區(qū)域的土壤全氮為Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在后續(xù)的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，要注意施肥還養(yǎng)，加強(qiáng)土壤全氮肥效的補(bǔ)充，促進(jìn)林木的生長(zhǎng)。

不同層次土壤之間全氮含量的差異性結(jié)果顯示：D1 與其他層次土壤均呈現(xiàn)顯著差異性，D2與D4、D5 層土壤差異性顯著，其余土層間差異性不顯著。這可能是由于下層土壤基本性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以全氮含量差異性不顯著[9]。

根據(jù)預(yù)測(cè)分布圖顯示，水平來(lái)看，研究區(qū)域中土壤全氮分布整體呈南部高、北部低的趨勢(shì)。從垂直分布來(lái)看，D1 層的土壤全氮含量最高，這與前人研究結(jié)果一致[10-12]，這可能是因?yàn)橹饕诒韺油寥朗┓?，肥料在表層土壤中積累的較多。但與各層全氮均值變化趨勢(shì)不同的是，全氮含量預(yù)測(cè)圖中各層土壤并未隨著土層的加深呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，而是在D2 層處于最低水平，隨后在D3、D4 層呈上升趨勢(shì)，在D5 層全氮含量又略有下降。猜測(cè)由于土壤氮容易淋溶到水體中，在滲漏水的作用下由土壤上部向下部遷移，導(dǎo)致D2～D4 層土壤全氮含量呈上升趨勢(shì)，需要對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析驗(yàn)證。