北江流域森林土壤氮空間分布特征研究*

鄧澤偉 康 劍,2 孫冬曉 鄧景月張 耕 李瑩瑩 丁曉綱

(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.中國科學(xué)院華南植物園，廣東廣州 510650）

森林土壤資源是發(fā)展林業(yè)生產(chǎn)的重要影響因素，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和改善人們生活條件都具有重大貢獻(xiàn)[1-2]。在我國對土壤氮的研究非常重視，在熱帶森林、農(nóng)田土壤等方面也相應(yīng)開展了一些研究[3]。森林土壤全氮是森林生態(tài)系統(tǒng)中能夠直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植物根系吸收的礦質(zhì)營養(yǎng)成分，是森林土壤肥力的重要組成部分，是衡量森林土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[4-5]，氮的含量從一定程度上可以反映土壤水質(zhì)富營養(yǎng)化程度[6-7]，為森林土壤發(fā)展提供一個良好的方向。

北江流域土壤一直作為全國重要研究對象[8]，通過對北江流域土壤進(jìn)行取樣分析，解剖北江流域土壤氮元素空間分布狀況，揭示土壤氮含量水平及垂直方向上得空間分布特征，可為植物單個個體提高碳素同化能力、增加生長抗抑制、為根系發(fā)育提供良好的環(huán)境，同時也可為北江流域林區(qū)合理施肥、降低污染、提高森林立地質(zhì)量、可持續(xù)利用森林與環(huán)境發(fā)展資源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北江是珠江第二大水系，發(fā)源于江西省信豐縣石碣大茅坑，從北到南依次流經(jīng)韶關(guān)、清遠(yuǎn)、佛山，在三水思賢滘與西江溝通后，注入珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)。北江水系幾乎全部在廣東境內(nèi)，河長573 km，流域面積在思賢滘以上為52 068 km2，占珠江流域面積的10.3%[9]。北江流域地處亞熱帶、中亞熱帶，光熱資源充足，氣候溫和，雨量充沛，十分有利于各種農(nóng)作物生長，自然資源豐富，農(nóng)林資源潛力大[10]。大氣環(huán)流隨季節(jié)變化，夏季盛吹東南風(fēng)和偏南風(fēng)，冬季常為北風(fēng)和偏北風(fēng)。四季的主要特點(diǎn)：春季陰雨，雨日較多；夏季高溫濕熱，水氣含量大，暴雨集中；秋季常有熱雷和臺風(fēng)雨；冬季低溫，雨量稀少[11]。北江流域中上游地區(qū)位于廣東省北部，地勢起伏較大，低山丘陵多，土地資源較為豐富，水熱條件優(yōu)厚，使得中上游地區(qū)農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)[12]。相反，北江流域下游地區(qū)位于珠三角北部，優(yōu)越的地理位置和優(yōu)惠的政策使得下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。主要土壤是紅壤、赤紅壤、黃紅壤及黃壤，占總面積的70%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè) 本次研究采取隨機(jī)布點(diǎn)與專題布點(diǎn)相結(jié)合的方法，在北江流域總共布設(shè)土壤采樣點(diǎn)174 個，如圖1 所示，分布于清遠(yuǎn)市英德市、清城區(qū)、清新區(qū)、佛岡縣和韶關(guān)市。專題布點(diǎn)使土壤樣點(diǎn)能夠代表研究區(qū)不同地形地貌、水文、植被條件下的土壤狀況，隨機(jī)布點(diǎn)是在專題需求的基礎(chǔ)上，使得布設(shè)樣點(diǎn)在研究區(qū)域均勻分布[13-15]。韶關(guān)市調(diào)查時間為2020 年7—9 月，清遠(yuǎn)市為2021 年7—9 月。

圖1 北江流域森林土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig. 1 Layout diagram of forest soil sample points in Beijiang River Basin

1.2.2 土壤樣品采集 在布設(shè)點(diǎn)附近選取土壤發(fā)育條件好且符合專題布點(diǎn)信息的位置進(jìn)行取樣（距離布設(shè)點(diǎn)不超過30 m），取樣時盡量規(guī)避一些高風(fēng)險區(qū)域（如石漠化、沙漠、無樹荒地、路邊、河流等）。樣點(diǎn)剖面要求為挖掘3 個寬60 cm深1 m 的土壤剖面，用剖面刀自上而下進(jìn)行修整，露出從地面向下挖掘至母質(zhì)層所裸露出來的一段垂直界面。將土壤剖面分為4 層，包括D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），由下至上分層取樣，每個樣品500 g 左右，做好剖面記錄。采集好的土壤樣品帶回妥善帶回實(shí)驗(yàn)室保存，放置于通風(fēng)、陰涼的地方攤開[16-18]。對林地土壤樣品進(jìn)行氮元素的檢分析時，采用半微量凱氏法測定，依據(jù)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[19]。主要步驟為：消煮、蒸餾、滴定。

1.3 分析方法

通過Excel 2010 對土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計，包括均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差等。本研究運(yùn)用ArcGIS 10.3 軟件對土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間克里格插值，進(jìn)而分析北江流域土壤氮含量的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林土壤層氮含量描述性統(tǒng)計

北江流域森林土壤分為4 個土壤層，由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4 層，不同土壤層氮含量描述性統(tǒng)計如表1 所示。4 個土壤層氮含量的平均值、中位數(shù)和最小值由表層至深層均依次降低，氮含量在D2 土壤層達(dá)到最大值。標(biāo)準(zhǔn)誤差值和標(biāo)準(zhǔn)差值均在D2 層達(dá)到最大和D4 層最小，其中D1 和D2 土壤層的標(biāo)準(zhǔn)誤差值和標(biāo)準(zhǔn)差值相近，整體來看，氮含量由表層至深層的空間變異性逐漸減小。D1-D4 土壤層的峰度值和偏度值顯示，4 個土壤層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布，其中D1 土壤層的偏度和峰度值最低。

表1 北江流域森林土壤氮含量描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistical table of forest soil nitrogen content in Beijiang River Basin

2.2 不同森林土壤層氮含量對比分析

北江流域森林土壤4 個土壤層氮含量箱線圖如圖2 所示。箱線圖顯示，D1-D4 各土壤層之間氮含量均存在顯著差異，其中D1 與D2、D3、D4土壤層，D2 與D3、D4 土壤層之間的差異性高于D3 與D4 土壤層。氮含量的平均水平在D1 土壤層達(dá)到最高，D2、D3、D4 土壤層逐漸降低。離散程度與平均水平的變化趨勢一致，隨土壤層的加深，離散程度逐漸降低，空間變異性逐漸降低。由上可知，各土壤層之間氮含量均存在顯著性差異，表層土壤氮含量的平均水平及離散程度高于其他土壤層，且隨土壤層深度的增加，氮含量逐漸降低，離散程度逐漸減小，空間變異性逐漸減弱。

圖2 北江流域森林土壤氮含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of soil nitrogen content in forest soil in BeiJiang River Basin

2.3 各森林土壤層氮含量空間分布特征

北江流域森林土壤4 個土壤層氮含量空間分布如圖3 所示，D1、D2、D3 和D4 土壤層氮含量分別主要分布于236.9～2468.6 g/kg、205.94～3044.8 g/kg、156.06～2451.4 g/kg 和70.92～2537.4 g/kg 之間。從水平方向上看，4 個土壤層氮含量的空間分布整體上均呈現(xiàn)西部高東部低的變化趨勢，其中D2 土壤層在流域的東西兩側(cè)土壤氮含量差異大于其他土壤層，存在明顯的空間分布差異。從垂直方向上看，D1～D4 土壤層氮含量整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢；在北江流域東側(cè)，D1 比D2、D3、D4 土壤層氮含量明顯增加；在北江流域的西側(cè)，D1～D4 土壤層氮含量存在明顯減少。

圖3 北江流域不同土壤層森林土壤氮含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil nitrogen content in forests of different soil layers in Beijiang River Basin

3 結(jié)論與討論

土壤氮元素含量在森林植被、結(jié)構(gòu)狀況、水分、溫度、酸堿度等外部因素的影響下會存在上下波動的現(xiàn)象[20]，植物生長獲取氮元素的方式主要通過從土壤中吸收或分解枯枝落葉兩種方式，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)通過各種生物或化學(xué)反應(yīng)又產(chǎn)生氮元素至土壤，從而說明氮含量是會產(chǎn)生變化的，即不同時期存在一定的差異性。

通過對不同森林土壤層氮含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計、對比分析和空間作圖，結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的一致性。隨著土壤深度加深，4 個土壤層氮含量的平均值、最小值和中位數(shù)由表層至深層均依次降低以及離散程度逐漸減低，D1 與D2 土壤層的標(biāo)準(zhǔn)誤差值和標(biāo)準(zhǔn)差相近，說明二者氮含量的空間變異性減少。其中氮含量隨土壤層深度增加而逐漸降低，這與李昌珍[21]的研究結(jié)果是以檸條和荒草作為研究對象得出隨著土壤深度增加，氮含量減少的結(jié)果相吻合；同時周唯[22]以溫度對土壤氮影響展開研究，得出隨著土壤深度加深、氮含量減少的結(jié)論。

這種空間分布差異與森林植被結(jié)構(gòu)、溫度、季節(jié)氣候等密切相關(guān)[23]。分析研究林地土壤氮元素含量的空間分布特征，有利于提高林地立地質(zhì)量、土地利用率。