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(guó)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(guó)對(duì)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(kāi)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)化程度[6-7]，為森林土壤發(fā)展提供一個(gè)良好的方向。

北江流域土壤一直作為全國(guó)重要研究對(duì)象[8]，通過(guò)對(duì)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(gè)個(gè)體提高碳素同化能力、增加生長(zhǎng)抗抑制、為根系發(fā)育提供良好的環(huán)境，同時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(tái)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(shì)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(zhuān)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(gè)，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(zhuān)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(zhuān)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(shí)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(zhuān)題布點(diǎn)信息的位置進(jìn)行取樣（距離布設(shè)點(diǎn)不超過(guò)30 m），取樣時(shí)盡量規(guī)避一些高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域（如石漠化、沙漠、無(wú)樹(shù)荒地、路邊、河流等）。樣點(diǎn)剖面要求為挖掘3 個(gè)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(lái)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(gè)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(kāi)[16-18]。對(duì)林地土壤樣品進(jìn)行氮元素的檢分析時(shí)，采用半微量凱氏法測(cè)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(guò)Excel 2010 對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，包括均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差等。本研究運(yùn)用ArcGIS 10.3 軟件對(duì)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(jì)

北江流域森林土壤分為4 個(gè)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(jì)如表1 所示。4 個(gè)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(lái)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(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。

表1 北江流域森林土壤氮含量描述性統(tǒng)計(jì)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(duì)比分析

北江流域森林土壤4 個(gè)土壤層氮含量箱線(xiàn)圖如圖2 所示。箱線(xiàn)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(shì)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(xiàn)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(gè)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(gè)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(shì)，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(shì)；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(huì)存在上下波動(dòng)的現(xiàn)象[20]，植物生長(zhǎng)獲取氮元素的方式主要通過(guò)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(guò)各種生物或化學(xué)反應(yīng)又產(chǎn)生氮元素至土壤，從而說(shuō)明氮含量是會(huì)產(chǎn)生變化的，即不同時(shí)期存在一定的差異性。

通過(guò)對(duì)不同森林土壤層氮含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、對(duì)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(gè)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(shuō)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(duì)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(shí)周唯[22]以溫度對(duì)土壤氮影響展開(kāi)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。