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(zhǎng)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(chǔ)量超過(guò)陸地生態(tài)系統(tǒng)總氮儲(chǔ)量的50%[2-3]。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的氮庫(kù)，其氮儲(chǔ)量約占森林氮庫(kù)的90%以上[4-5]。土壤氮儲(chǔ)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(duì)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(huì)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(chǔ)量的估算精度。因此，開(kāi)展區(qū)域尺度的森林土壤氮儲(chǔ)量研究對(duì)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(duì)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(chǔ)量，并分析了梅州市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮密度和氮儲(chǔ)量的區(qū)域分配特征、空間變異規(guī)律。通過(guò)揭示區(qū)域尺度上的氮素分布規(guī)律，有助于森林經(jīng)營(yíng)者更準(zhǔn)確了解森林氮儲(chǔ)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(yáng)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(guò)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(shì)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(yè)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(wàn)hm2，森林覆蓋率74.5%，森林蓄積量6687.71 萬(wàn)m3。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2019 年7 月在梅州市開(kāi)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(guò)無(wú)人機(jī)航拍測(cè)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(zhǎng)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(guò)篩后用凱氏定氮法[19]測(cè)定土壤全氮含量。用環(huán)刀法[20]測(cè)定各層土壤容重。

2.3 土壤氮密度和氮儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)量，t。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利 用Microsoft Excel 2019 和SPSS 25.0 軟 件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查規(guī)定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23]對(duì)梅州市林地土壤全氮含量進(jìn)行評(píng)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(chǔ)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(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)為Ⅳ級(jí)；各區(qū)（縣）中蕉嶺縣的土壤肥力高，為Ⅲ級(jí)，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(jí)，梅縣區(qū)和五華縣的土壤肥力低，為Ⅴ級(jí)。

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(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)為Ⅰ級(jí)，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(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，土壤肥力極高，蕉嶺縣為Ⅱ級(jí)，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(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)為Ⅵ級(jí)，土壤肥力很低；各區(qū)（縣）的全氮含量的最小值對(duì)應(yīng)的土壤肥力等級(jí)均為Ⅵ級(jí)，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(chǔ)量

梅州市林地土壤氮密度及氮儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)量約為1 311.24 萬(wàn)t，豐順縣、大埔縣、五華縣和梅縣區(qū)的土壤氮儲(chǔ)量相對(duì)較高，分別為246.94 萬(wàn)t、215.55 萬(wàn)t、195.76 萬(wàn)t 和185.06 萬(wàn)t，占 全 市 氮 儲(chǔ) 量 的64.31%；蕉嶺縣、梅江區(qū)的土壤氮儲(chǔ)量相對(duì)較低，分別占全市氮儲(chǔ)量的8.36%、4.01%。梅州市各區(qū)（縣）林地土壤氮儲(chǔ)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(shì)。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(shì)。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(shì)。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(guò)對(duì)梅州市開(kāi)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(jí)為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，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(guò)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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)較小，使得土壤氮密度反而偏高。

梅州市林地土壤總氮儲(chǔ)量約為1 311.24 萬(wàn)t，各區(qū)（縣）林地土壤氮儲(chǔ)量約為52.53～246.94 萬(wàn)t，表現(xiàn)為所在區(qū)（縣）的林地面積越高，土壤氮儲(chǔ)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(duì)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(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)氮儲(chǔ)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(duì)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)。