廣東省清遠市針闊混交林地土壤氮元素含量空間分布特征*

鄒祖有 康 劍 李瑩瑩 余 斐朱航勇 蘇 艷 丁曉綱

（1.華南農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2.廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520；3.中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650）

森林是人類賴以生存的重要資源，它不僅能涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候和保持水土，而且還有凈化空氣，吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣等的作用。而森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎，植物積累的各種營養(yǎng)成分不僅要從大氣中攝取，大部分還要依賴森林土壤源源不斷地供給，才能使植物順利地進行各種生命活動。森林土壤養(yǎng)分則是指植物生長發(fā)育所必須從土壤中吸收的營養(yǎng)元素，它提供了植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)和水分，是森林土壤肥力的主要組成部分[1-2]，是土壤物理、化學和生物性質(zhì)的綜合反映，也是植物生長所需營養(yǎng)元素的重要來源[3]。土壤養(yǎng)分的高低對土壤肥力及土壤質(zhì)量有著決定性的影響，直接影響森林生長，是評估林業(yè)發(fā)展和土地健康可持續(xù)利用的重要標準[4]。

氮元素作為森林土壤的結(jié)構(gòu)性元素，對植物的生長發(fā)育有著重要的作用[5-6]，是植物整個發(fā)育過程中從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素，其主要來源于植物殘體的歸還量及生物固氮， 少部分來自于大氣沉降[7]。除了可以為植物的生長發(fā)育提供營養(yǎng)，還可以協(xié)調(diào)營養(yǎng)因素與環(huán)境條件，保證植物與土壤之間養(yǎng)分循環(huán)以及能量流動的順利進行[8]，對維持地球生態(tài)平衡、維護生態(tài)環(huán)境具有重要作用。土壤供氮能力既可以作為評價土壤肥力的重要指標，又是估算氮肥用量的重要依據(jù)[9]。

針闊混交林是我國南亞熱帶地區(qū)主要森林類型之一，是南亞熱帶針葉林向常綠闊葉林演替的過渡性類型。隨著人們對森林資源與生態(tài)環(huán)境認識上的飛躍，逐漸意識到改變以往營造人工林以針葉純林為主，向營造針闊混交林轉(zhuǎn)變，可以優(yōu)化森林資源結(jié)構(gòu)和促進人工林樹種的多樣化，模擬自然狀況。因此，研究針闊混交林，對發(fā)展生態(tài)林業(yè)，走高效協(xié)調(diào)的林業(yè)可持續(xù)發(fā)展之路，實現(xiàn)林業(yè)整體最優(yōu)效益，開展區(qū)域性的高效森林經(jīng)營管理具有重要意義。目前，對清遠市同類型的研究較少，且主要針對于常綠闊葉林，對于針闊混交林的研究較匱乏。本文通過研究清遠市范圍內(nèi)的針闊混交林地土壤氮元素含量狀況及分布特征，為針闊混交林的可持續(xù)經(jīng)營和森林土壤養(yǎng)分管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

清 遠 市 位 于 北 緯23°26′56″～25°11′40″、東經(jīng)111°55′17″～113°55′34″ 之 間， 陸 域 面 積1.9萬km2，約占全省陸域面積的10.6%，是廣東省陸域面積最大的地級市。亞熱帶季風氣候，年均氣溫18.9～22.0 ℃，雨量充沛，年均降水量1 631.4～2 149.3 mm。地形地勢西北高東南低，以山地、平原為主。境內(nèi)江河縱橫，河網(wǎng)密布，絕大部分河流屬珠江流域北江水系和西江水系，少部分流域?qū)匍L江水系或湘江水系。境內(nèi)土壤類型多種，有黃壤、紅壤、赤紅壤、紅色石灰石、黑色石灰土、堿性紫色土、酸性紫色土、水稻土等。境內(nèi)含有自然保護地151 個，其中自然保護區(qū)27個、森林公園87 個、濕地公園14 個、地質(zhì)公園2 個等。清遠市下轄清城區(qū)、清新區(qū)2 個市轄區(qū)，英德市、連州市2 個縣級市，以及佛岡縣、陽山縣、連南瑤族自治縣、連山壯族瑤族自治縣4 個縣[10]。

1.2 土壤樣品采集及分析

2021 年7—9 月，根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，確定基本樣本量（n=129），樣點的布設在隨機布點和林分布點的基礎上結(jié)合專題布點的方法，綜合考慮樣地的代表性、重復性、實地可達性以及地形地勢。嚴格避開一些特殊區(qū)域(如山腳、山溝、山脊、化肥堆、梯田、路邊、房屋、墓地邊等)，使得樣點隨機均勻分布在不同地形、地貌、水文、植被類型[11-12]。選擇樣點內(nèi)具有代表性的區(qū)域挖掘3 個土壤剖面，各剖面水平距離大于10 m。各剖面每隔20 cm 分層取樣，將各層樣品混合均勻后作為該剖面的樣品。采集后的土壤樣品妥善保存，并及時帶回實驗室，風干、過篩后以便后續(xù)分析。研究區(qū)內(nèi)累積采集129個樣點（圖1）。對林地土壤樣品進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)標準進行[13]。主要步驟為：消煮、蒸餾、滴定。

圖1 清遠市林地土壤采樣點分布Figure 1 Distribution map of forest land soil sampling points in Qingyuan city

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過Excel 對土壤養(yǎng)分含量進行描述性統(tǒng)計，包括均值、標準差、變異系數(shù)等。將本次測定的土壤氮元素含量與全國土壤氮背景值相比，分析豐缺程度。依據(jù)全國第二次土壤普查推薦的土壤養(yǎng)分分級標準(表1)，對各個研究區(qū)范圍內(nèi)的氮元素含量進行等級劃分。運用ArcGIS 10.3 軟件對土壤氮元素進行空間克里格插值（Kriging），進而分析清遠市針闊混交林地土壤氮元素空間分布特征。

表1 全國第二次土壤普查氮含量等級劃分標準Table 1 Classification standard for nitrogen content of the second national soil survey

2 結(jié)果與分析

2.1 清遠市針闊混交林地土壤氮元素各層含量統(tǒng)計分析

調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明（表2），氮元素含量在D3的變異較大，在D2 的含量變異程度最小。與全國土壤氮元素背景值(0.64 g /kg)相比[16-17]，清遠市針闊混交林研究區(qū)范圍內(nèi)D1 土壤層中有85 個樣品氮元素含量比全國土壤氮元素背景值高，占比83.33%；D2 土壤層中有86 個樣品氮元素含量比全國土壤氮元素背景值高，占比84.31%；D3 土壤層中有83 個樣品氮元素含量比全國土壤氮元素背景值高，占比81.37%；D4 土壤層中有86 個樣品氮元素含量比全國土壤氮元素背景值高，占比84.31%。

2.2 清遠市針闊混交林地土壤氮元素各層含量等級劃分

清遠市針闊混交林地土壤氮元素各層含量等級以Ⅲ級為主(表3），所占樣點總數(shù)數(shù)分別為136，其次含量等級依次分別為Ⅳ級、Ⅱ級、Ⅴ級、Ⅰ級、Ⅵ級，樣點數(shù)分別為73、68、66、38、29。另外從表2、3 中可以看出清遠市針闊混交林地土壤氮元素各層含量相對平衡，沒有太大的浮動，大部分位于Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級的水平。結(jié)合均值來看，清遠市針闊混交林地各層土壤氮元素含量的平均值分別為1.31 g/kg、1.20 g/kg、1.13 g/kg、1.16 g/kg，各層土壤氮元素含量都處于Ⅲ級標準水平。

表2 清遠市針闊混交林地各層土壤氮元素統(tǒng)計值 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 清遠市針闊混交林地土壤樣品氮元素含量等級數(shù)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 清遠市針闊混交林地土壤氮元素各層含量空間分布特征

樣點數(shù)據(jù)經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后，符合正態(tài)分布(圖2）。因此，可采用空間插值法。根據(jù)林地土壤養(yǎng)分氮元素的調(diào)查結(jié)果，運用空間插值進行空間格局分析，結(jié)果顯示如圖3。

圖2 D1、D2、D3、D4 各土壤層TN 的正態(tài)P-P 圖Fig. 2 Normal P-P Diagram of TN in each soil layer D1, D2, D3 and D4

結(jié)果顯示（圖3），清遠市針闊混交林地土壤TN 含量在水平空間分布上有較大的差異，高值區(qū)域主要分布在清遠市針闊混交林地的中部、東部，還有部分零散區(qū)域。北部、東南部區(qū)域的TN 含量最低，整個清遠市針闊混交林地土壤TN 含量呈中部高往四周逐漸降低的分布特征。

圖3 清遠市針闊混交林地土壤D1～D4 各土壤層TN 含量空間分布Fig. 3 Spatial distribution of TN content in soil D4 layer of coniferous and broad leaved mixed forest land in Qingyuan city

3 討論與結(jié)論

土壤氮在一定程度上受地表上的植物凋落物影響，森林中的植物從土壤中吸收利用氮元素，而它們掉落在地上的枯枝落葉經(jīng)過長期的生化分解作用，轉(zhuǎn)化為土壤表腐殖層的有機質(zhì)，有機質(zhì)又在一定的水熱條件下繼續(xù)分解得到氮素會回饋給土壤，土壤和植物之間也就形成了一條氮素生化循環(huán)過程。在植物生長所必需的營養(yǎng)元素中，氮素是植物生長和產(chǎn)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標[18]。研究區(qū)土壤氮含量整體處于中等偏上水平，說明清遠市針闊混交林地土壤氮含量較為豐富，短期內(nèi)對氮的需求量較低。

土壤氮元素含量在垂直空間上的分布格局結(jié)果表明，氮元素含量呈現(xiàn)在D1 土壤層最高，可能是因為表層土壤通常結(jié)構(gòu)疏松、透氣性好，生物代謝活動旺盛[19]，有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和積累，故土壤表層TN 含量較高[20]。在D1～D3 土壤層隨著土壤深度的增加，氮元素含量呈現(xiàn)先逐漸下降，后D4 土壤層有略微的上升趨勢。這與鄧小軍[21]對亞熱帶廣西山地紅壤區(qū)域的研究結(jié)果不一致，但郭鑫煒[22]的研究結(jié)果顯示在樟子松Pinus sylvestris、楊樹純林中，隨土壤深度(0～50 cm)的增加，TN 含量逐漸下降；在油松林中隨土壤深度(0～50 cm)的增加，TN 含量先下降后增加，因此清遠市針闊混交林地土壤TN 含量隨土壤深度的變化趨勢可能與樹種和森林植被類型等因素相關。

土壤TN 水平空間格局分析結(jié)果表明，局部區(qū)域內(nèi)土壤元素含量具有顯著的差異性。這種空間差異除受森林類型影響外，還與地形、氣候、土壤類型有密切關系[23]。研究分析林地土壤氮元素含量的空間分布特征，確定研究區(qū)內(nèi)森林土壤氮元素含量級別，可以有效地指導林區(qū)合理施肥和改造退化林地[24]。