梅州市林地土壤氮儲量及空間分布特征*

朱航勇 汪久連 趙志明 鄧智文 鄧澤偉 張中瑞

（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）

氮是植物生長必須的養(yǎng)分元素之一，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的高低直接受到氮的有效性水平影響[1]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林植被和土壤的氮儲量超過陸地生態(tài)系統(tǒng)總氮儲量的50%[2-3]。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的氮庫，其氮儲量約占森林氮庫的90%以上[4-5]。土壤氮儲量作為衡量森林土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[6]，其貯量和動(dòng)態(tài)變化對森林生產(chǎn)力形成、全球氣候變化以及氮平衡具有重要意義[7]。相關(guān)研究表明，不同地貌類型（平原[8]、高原[9]、流域[10]、丘陵[11]、濕地[12]等）、氣候變化[13]以及土地利用方式[14-16]等因素均會影響土壤氮素分配，在不同尺度下土壤氮素的空間異質(zhì)性較大。在小尺度范圍，氣候、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儲量的估算精度。因此，開展區(qū)域尺度的森林土壤氮儲量研究對于大尺度范圍內(nèi)的森林土壤氮具有重要意義。

本研究以梅州市林地土壤為研究對象，比較研究了不同區(qū)（縣）森林土壤全氮含量和氮密度，估算了各區(qū)（縣）的森林土壤氮儲量，并分析了梅州市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮密度和氮儲量的區(qū)域分配特征、空間變異規(guī)律。通過揭示區(qū)域尺度上的氮素分布規(guī)律，有助于森林經(jīng)營者更準(zhǔn)確了解森林氮儲量的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而制定科學(xué)合理的氮素管理措施。

1 研究區(qū)概況

廣東省梅州市位于115°18′至116°56′E，23°23′至24°56′N 之間，地處閩、粵、贛三省交界，東部與福建省龍巖市和漳州市接壤，南部與潮州市、揭陽市、汕尾市毗鄰，西部與河源市接壤，北部與江西省贛州市相連[17]。梅州屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是南亞熱帶和中亞熱帶氣候區(qū)的過渡地帶。梅州市各縣（區(qū)、市）年平均氣溫為20.7～21.5 ℃，氣溫年變化為1 月最低，7 月最高。梅州市地處低緯度地區(qū)，年平均降雨量在1 400～1 850 mm，雨水豐盈且集中。梅州地處五嶺山脈以南，地勢北高南低，主要由武夷山脈、蓮花山脈、鳳凰山脈等三列山脈組成。梅州地處赤紅壤地帶，多為花崗巖、砂頁巖風(fēng)化而形成的赤紅壤和黃壤[18]，土壤普遍呈酸性。全市行政面積15 864.51 km2，林地面積118.91 萬hm2，森林覆蓋率74.5%，森林蓄積量6687.71 萬m3。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2019 年7 月在梅州市開展林地土壤調(diào)查，基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，通過無人機(jī)航拍測繪技術(shù)及高分辨率DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，使用空間分層隨機(jī)布點(diǎn)與專題布點(diǎn)相結(jié)合的方法進(jìn)行樣點(diǎn)布設(shè)，將布設(shè)樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)定位到森林的小班，合計(jì)1 098 個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sample sites in the study area

2.2 樣點(diǎn)調(diào)查與樣品采集

根據(jù)布設(shè)樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，使用GPS 找到樣點(diǎn)所在區(qū)域，在誤差允許范圍內(nèi)（距離樣點(diǎn)坐標(biāo)半徑100 m 內(nèi)）選擇代表性區(qū)域，采用土壤剖面法挖掘3 個(gè)土壤剖面，坡面長1.2～1.5 m，寬1.0 m 左右，深度達(dá)1.0 m，分5 層（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm）取樣，3個(gè)剖面各層土壤均勻混合成一個(gè)樣品，將樣品密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后及時(shí)風(fēng)干、研磨過篩后用凱氏定氮法[19]測定土壤全氮含量。用環(huán)刀法[20]測定各層土壤容重。

2.3 土壤氮密度和氮儲量計(jì)算

土壤氮密度是指單位面積一定深度的土層中全氮儲量，是衡量土壤全氮含量水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)[21]。土壤氮密度和土壤氮儲量計(jì)算公式如下[6, 21-22]：

式中，Si為第i層土壤氮密度，kg/m2；ρi為第i層土壤容重，g/cm3；Ni為第i層土壤全氮含量，g/kg；Di為第i層土層厚度，cm；0.1 為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；A為林分面積，hm2；SN為0～100 cm土壤總氮密度，kg/m2；TN為土壤碳儲量，t。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利 用Microsoft Excel 2019 和SPSS 25.0 軟 件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)全國第二次土壤普查規(guī)定的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[23]對梅州市林地土壤全氮含量進(jìn)行評價(jià)。采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）分析不同區(qū)（縣）土壤全氮、氮密度及氮儲量的差異性，應(yīng)用LSD 法進(jìn)行多重比較。應(yīng)用克里金插值法[16,24]分析不同土層土壤全氮含量的空間分布特征，并利用ArcGIS 10.7 軟件生成土壤全氮含量的空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 梅州市林地土壤全氮含量

梅州市各區(qū)（縣）森林土壤全氮含量狀況如表1 所示。由表可知，全市全氮含量平均值為0.78 g/kg，各區(qū)（縣）全氮含量的平均值由大到小依次為蕉嶺縣、平遠(yuǎn)縣、梅江區(qū)、興寧市、豐順縣、大埔縣、梅縣區(qū)、五華縣，全市全氮含量的平均值對應(yīng)的土壤肥力等級為Ⅳ級；各區(qū)（縣）中蕉嶺縣的土壤肥力高，為Ⅲ級，梅江區(qū)、平遠(yuǎn)縣、大埔縣、豐順縣和興寧市的土壤肥力中等，為Ⅳ級，梅縣區(qū)和五華縣的土壤肥力低，為Ⅴ級。

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為2.71 g/kg，各區(qū)（縣）全氮含量的最大值的范圍在1.76～2.71 g/kg之間，由大到小依次為大埔縣、梅縣區(qū)、平遠(yuǎn)縣、興寧市、豐順縣、梅江區(qū)、五華縣、蕉嶺縣，全市全氮含量的最大值對應(yīng)的土壤肥力等級為Ⅰ級，土壤肥力極高；除蕉嶺縣外其余區(qū)（縣）的全氮含量的最大值對應(yīng)的土壤肥力等級均為Ⅰ級，土壤肥力極高，蕉嶺縣為Ⅱ級，土壤肥力很高。

梅州市全氮含量的最小值為0.09 g/kg，各區(qū)（縣）全氮含量的最小值的范圍在0.09～0.52 g/kg之間，由大到小依次為蕉嶺縣、梅江區(qū)、興寧市、梅縣區(qū)、五華縣、平遠(yuǎn)縣、豐順縣、大埔縣，全市全氮含量的最小值對應(yīng)的土壤肥力等級為Ⅵ級，土壤肥力很低；各區(qū)（縣）的全氮含量的最小值對應(yīng)的土壤肥力等級均為Ⅵ級，土壤肥力很低。

梅州市全氮的變異系數(shù)為54.81%，各區(qū)（縣）變異系數(shù)在24%～70%之間，屬于中等變異程度，其中蕉嶺縣土壤全氮含量變化幅度最小，變異系數(shù)為24.61%，大埔縣的變化幅度最大，變異系數(shù)為68.86%，其他地區(qū)的變異系數(shù)在40%～57%之間。

3.2 梅州市林地土壤氮密度及氮儲量

梅州市林地土壤氮密度及氮儲量狀況如表2所示。梅州市土壤平均氮密度約為11.13 kg/m2，各區(qū)（縣）土壤氮密度大小在8.75～14.92 kg/m2的范圍。梅江區(qū)、平遠(yuǎn)縣、蕉嶺縣、豐順縣和興寧市的土壤氮密度高于全市平均水平，梅縣區(qū)、大埔縣和五華縣的土壤氮密度低于全市水平。不同區(qū)（縣）間土壤氮密度差異顯著，土壤氮密度最高的區(qū)（縣）是蕉嶺縣，土壤氮密度最低的區(qū)（縣）是五華縣。梅州市各區(qū)（縣）林地土壤氮密度大小依次為蕉嶺縣＞平遠(yuǎn)縣＞梅江區(qū)＞興寧市＞豐順縣＞大埔縣＞梅縣區(qū)＞五華縣。

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

梅州市林地土壤總氮儲量約為1 311.24 萬t，豐順縣、大埔縣、五華縣和梅縣區(qū)的土壤氮儲量相對較高，分別為246.94 萬t、215.55 萬t、195.76 萬t 和185.06 萬t，占 全 市 氮 儲 量 的64.31%；蕉嶺縣、梅江區(qū)的土壤氮儲量相對較低，分別占全市氮儲量的8.36%、4.01%。梅州市各區(qū)（縣）林地土壤氮儲量依次為豐順縣＞大埔縣＞五華縣＞梅縣區(qū)＞興寧市＞平遠(yuǎn)縣＞蕉嶺縣＞梅江區(qū)。

3.3 梅州市林地土壤全氮含量空間分布特征

梅州市不同土層土壤全氮含量的空間分布如圖2 所示。梅州市林地土壤全氮含量總體呈現(xiàn)東高西低的分布格局，且隨著土壤深度（0～100 cm）的增加逐漸降低。L1 層（0～20 cm），梅州全境全氮含量主要呈東低西高趨勢。東部大部分地區(qū)全氮含量在3.0～5.8 g/kg 之間，西部大部分地區(qū)全氮含量在1.5～3.0 g/kg 之間。L2 層（20～40 cm），梅州全境全氮含量主要呈東高西低趨勢。東部大部分地區(qū)全氮含量在6.70～8.2 g/kg 之間，西部大部分地區(qū)全氮含量在4.0～6.7 g/kg 之間。L3 層（40～60 cm），梅州全境全氮含量主要呈東高西低趨勢。東部大部分地區(qū)全氮含量在5.70～8.2 g/kg之間，西部大部分地區(qū)全氮含量在4.0～5.7 g/kg 之間。L4 層（60～80 cm），梅州全境全氮含量主要呈均勻分布，一半地區(qū)全氮含量在5.5～7.9 g/kg 之間，另一半地區(qū)全氮含量在3.0～5.5 g/kg 之間。L5層（80～100 cm），梅州全境全氮含量整體偏高。大部分地區(qū)全氮含量在4.2～6.9 g/kg 之間。

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

4 結(jié)論與討論

本研究通過對梅州市開展大規(guī)模林地土壤樣點(diǎn)調(diào)查，結(jié)果表明梅州市林地土壤全氮含量平均值為0.78 g/kg，各區(qū)（縣）土壤全氮含量在0.61～1.04 g/kg 范圍，土壤肥力等級為Ⅲ～Ⅴ級，土壤肥力中等，表現(xiàn)為蕉嶺縣＞平遠(yuǎn)縣＞梅江區(qū)＞興寧市＞豐順縣＞大埔縣＞梅縣區(qū)＞五華縣。梅州市全氮的變異系數(shù)為54.81%，各區(qū)（縣）變異系數(shù)在24%～70%之間，屬于中等變異程度?？傮w上，梅州市林地土壤全氮含量表現(xiàn)為東高西低的分布格局，且隨著土壤深度的增加逐漸降低。研究表明，土壤全氮含量與高程有著正相關(guān)關(guān)系[25-27]，高程等地形因素通過改變地表水的流向和土壤侵蝕的方式影響土壤氮分配格局[28]。本研究區(qū)屬典型的南方丘陵區(qū)，地形起伏較大，降雨量充沛，地貌類型復(fù)雜，形成了現(xiàn)有的土壤全氮含量空間分布狀況。

本研究中，梅州市土壤平均氮密度約為11.13 kg/m2，遠(yuǎn)高于全國1m 深度的土壤氮密度平均值（0.84 kg/m2）[29]和徐麗等[1]研究的中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮密度平均值（13.59 t/hm2），這是因?yàn)檠芯繀^(qū)位于南方紅壤區(qū)，森林覆蓋率達(dá)74.5%以上，森林植被以亞熱帶的常綠闊葉林、常綠針葉林為主，相較于國家尺度，研究區(qū)的地形地貌、植被類型以及氣候變化比較單一，土壤全氮的空間異質(zhì)性相對較小，使得土壤氮密度反而偏高。

梅州市林地土壤總氮儲量約為1 311.24 萬t，各區(qū)（縣）林地土壤氮儲量約為52.53～246.94 萬t，表現(xiàn)為所在區(qū)（縣）的林地面積越高，土壤氮儲量越高，依次為豐順縣＞大埔縣＞五華縣＞梅縣區(qū)＞興寧市＞平遠(yuǎn)縣＞蕉嶺縣＞梅江區(qū)。本文研究了區(qū)域性的土壤全氮含量以及其空間分布特征，對于該區(qū)域內(nèi)地形、氣候、植被、土地利用方式等諸多因素對森林生態(tài)系統(tǒng)氮儲量及氮分配的影響需進(jìn)一步研究，這有助于揭示區(qū)域性森林氮分配策略及其對環(huán)境變化的響應(yīng)和適應(yīng)，進(jìn)而為森林管理者提高林地質(zhì)量提供決策依據(jù)。