华北山地 6种天然次生林土壤氮素的空间异质性特征

杨秀清,韩有志

(山西农业大学林学院,030801,山西太谷)

华北山地 6种天然次生林土壤氮素的空间异质性特征

杨秀清,韩有志†

(山西农业大学林学院,030801,山西太谷)

利用地统计学理论和方法研究华北山地次生林区 6种天然次生林土壤氮素的空间异质性特征。结果表明：1)次生阔叶林土壤总氮质量分数相对较高(3100～4 500mg/kg),而针叶林相对较低(900～1 300mg/kg),各森林类型土壤中有效N质量分数均高于有效-N,形成以-N占优势的氮营养生境;2)针阔混交林中,土壤全氮的变异强度最大,变异的空间相关性较差(随机性变异占总变异的 42.7%),针叶林中,全氮空间变异强度相对较弱,但以自相关变异为主(结构方差比为 72.2%～81.0%),呈现弱的斑块分布特征;3)阔叶林中,-N具有很强的空间自相关变异,-N异质性程度相对较弱,针叶林中,-N变异强度较小,而-N空间变异却相对明显;4)不同森林类型对土壤全氮及各有效氮形态的空间异质性特征有影响;5)植被种类、植被组成、植被多样性等因素的差异及由此导致的树种空间分布格局是影响总氮量及氮矿化,进而导致氮素不同形态在林分间甚至林分内不同空间样点间异质性形成的重要原因。

森林;群落类型;土壤氮素;空间异质性

森林土壤是森林生态系统特有的组成结构,森林土壤资源的异质性特征是森林种群动态、群落结构与稳定、森林生态系统元素循环和能量流动等发生的基础[1]。土壤资源的异质性格局可反映环境异质性对生物在景观上异质性分布的制约作用[2]。森林土壤中的氮素,尤其是有效氮素,作为可供植物吸收和有效利用的重要氮素形态,在数量和形态上的变化也即异质性的产生,对植物群落的生物量形成、物种组成和群落演替会产生显著的影响[3-4]。对土壤氮素异质性的定量研究是在 20世纪 80年代,随着对土壤资源空间异质性由定性转入定量研究[5],国内外学者开始利用地统计学的方法来研究土壤养分的空间变异规律。目前,在群落尺度上国内外对土壤养分的空间分布研究较多[6-13],并取得了显著的成效,但这些研究成果主要集中于大尺度或单一森林类型及耕地。在小尺度上进行多森林类型间的土壤氮素异质性对比研究,有助于更详细地了解土壤氮素营养生境异质性的变化特征及其与森林植物分布格局的关系,对发现森林演替动态中潜在的生态学规律性和为森林生态系统经营和退化森林生态系统恢复重建提供理论依据具有重要意义。

笔者选择华北地区 6种典型的山地次生林为研究对象,通过样地调查和空间取样,利用地统计学中的变异函数分析方法,对比分析其林下土壤氮素小尺度上的空间变异及异质性分布特征,旨在为华北地区森林土壤养分循环研究和森林生态系统经营及功能的维护提供理论依据。

1 研究地概况

研究地设在山西省关帝山庞泉沟国家级自然保护区 (E 111°22′～ 111°33′,N 37°45′～ 37°55′)内,该林区为华北山地典型天然次生林分布区,属暖温带大陆性季风气候区,年平均气温 4.3℃,1月平均温度 -10.2℃,7月平均温度 17.5℃。年平均降水量822.6mm,年平均蒸发量 1 268mm,属典型山地气候[14]。土壤为山地棕壤,平均土层厚度 70～80 cm,腐殖质层厚度 10 cm。

长期的植被—环境相互作用使该地区有着较为丰富的植物资源,形成了较为完整的温带亚高山森林生态系统。主要分布有以油松(Pinus tabulaeformis)为优势树种的暖温性常绿针叶林、以华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)为优势树种的寒温性落叶针叶林、以云杉(包括青杄(Picea wilsonii)和白杄(Piceameyeri))为优势树种的寒温性常绿针叶林、以山杨 (Populus davidiana)、白桦 (Betula platyphylla)为优势树种的山地阔叶林及以辽东栎(Quercus liaotungensis)为优势树种的暖温性落叶阔叶林。植被分布为华北山地天然次生林群落类型的典型代表。

2 研究方法

2.1 样地设置

分别在油松林、华北落叶松林、云杉林、辽东栎林、杨桦林及云杉、杨、桦混交林 6种典型森林类型中设置样地各 1块,各样地概况见表 1。每个样地面积为 50m×50m,设定样界后,依据地统计学理论及空间格局分析中小支撑、多样点的取样设计原则布设样方[6,15]。首先将面积为 50m×50m的样地等距离划分为 100个 5m×5m的样方,然后沿样地对角线选设2个 5m×5m的样方,再按照 1m×1m的间隔距离,分别设立 25个小样方。由此每个样地共布设 148个网格样方,然后在每个样方左下角布设一个土壤取样点,对每个取样点进行编号,并记录样点的空间坐标值。

2.2 空间取样及测定

2008年 7月对样地植被进行全面调查后,在每个样地所布设的不同尺度(最小距离 1m,最大距离70.71m)的取样点用土壤钻取样。先除去各样点处表层枯枝落叶,然后用直径为 7 cm的土壤钻钻取 15 cm深的土芯,随即装入封口塑料袋内低温保存备用。为减少其他环境因子的影响,所有样地的土壤取样工作都选择无雨或雨后至少 3～4 d的晴天同时完成[16]。土壤全氮采用全自动开氏定氮法进行测定;土壤铵态氮采用 2mol/L KCL浸提—靛酚蓝比色法进行测定;土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法进行测定;土壤有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法进行测定[17]。

表1 各样地概况Tab.1 General character of sample-plots

2.3 数据分析方法

应用经典统计分析中平均值和变异系数,评价土壤氮素的平均状况和总变异程度。运用地统计分析中的变异函数分析方法计算土壤氮素含量的变异函数值。变异函数的计算公式[15]如下：

式中：γ(h)为变异函数;Z(xi)和 Z(xi+h)分别为区域化随机变量 Z在空间位置 xi和 xi+h上的取值;N(h)为取样间隔等于h时的样本对总数。依据变异函数计算结果,拟合理论模型,然后依据模型参数,即基台值(Sill,C0+C)、块金值(Nugget,C0)、结构方差比(Structural variance ratio,C/(C0+C))和变程(Range,A)定量分析土壤氮素的空间异质性特征。其中：基台值可用来衡量空间异质性程度;块金值可估计小于抽样尺度的随机变异和测量误差;结构方差比则可用来衡量空间自相关因素对变量总变异的影响程度;变程可估计空间自相关特性的尺度。通过变异函数模型参数,可比较不同森林类型土壤氮素空间分布的异质性特征。

3 结果与分析

3.1 土壤全氮、有效氮平均状况及总体变异

描述统计分析结果(表 2)表明,针叶林(油松林、华北落叶松林和云杉林)中,土壤全氮平均质量分数相对较低(分别为 1 300、1 000、900mg/kg),样地不同空间样点间全氮质量分数差异很大(样点极值可反映),变异系数在 29.82% ～64.73%之间。有效氮平均质量分数也相对较低(分别为 15.71、22.96、10.83mg/kg),样点间变动较大,变异系数为30.63%～51.64%。

阔叶林(辽东栎林和杨桦林)中,土壤全氮平均质量分数相对较高(分别为 3 100和 4 500mg/kg),不同样点空间变异系数分别为 35.72%和 33.50%。有效氮平均质量分数也相对较高(分别为 40.47和64.08mg/kg),样点间相差也较大,变异系数分别为32.31%和 34.53%。

针阔混交林(云杉、杨、桦混交林)中,土壤全氮平均质量分数仅次于杨、桦阔叶林,有效氮平均质量分数小于阔叶林而大于针叶林(远大于油松林和云杉林,近于华北落叶松林)。全氮和有效氮质量分数样点间差异均较大,变异系数分别达 47.84%和87.98%。

综合以上分析可得出,华北山地次生林,无论是针叶林、阔叶林,还是针阔混交林,样地不同样点间土壤全氮及有效氮均表现出一定程度的空间变异。进一步对全氮(y)和有效氮(x)作土壤样品的回归相关分析,二者回归方程为

y=0.0586+0.015x,R=0.838

说明研究区土壤有效氮的变异与全氮有关,其83.8%的变异可由土壤全氮变异所引起,且不同森林类型土壤全氮、有效氮质量分数均表现为阔叶林中的明显高于针叶林中的。

3.2 土壤全氮、有效氮变异强度及空间结构特征

变异函数分析结果(表 2)表明：各样地土壤全氮的理论变异函数与实验变异函数拟合效果较好,决定系数在 0.713～0.826之间;有效氮的变异函数理论模型除云杉、杨、桦混交林外,其余各样地拟合结果很好,决定系数在 0.727～0.892之间。说明依据这些理论模型可较好地评价 6种森林类型研究样地水平上土壤全氮、有效氮的空间结构特征。

表 2 各样地土壤氮素质量分数描述统计结果和变异函数理论参数Tab.2 Descriptive statistics and parameters of sem ivariogrammodels of soil nitrogen amount in different plots

理论模型参数块金值、基台值和变程用来衡量土壤氮素的空间变异强度。基台值越小,变程越大,空间异质性程度则越低,土壤氮素空间分布越趋于均匀化;空间结构方差比则反映了土壤氮素的空间异质性组成和空间相关性。由表 2可看出,土壤氮素的这些异质性特征在不同森林类型间表现有差异：针叶林中,土壤全氮的变异强度较小,其异质性组成以结构性因素为主(所占比例分别为 81.0%,72.2%,72.4%),随机因素所占比例较小(分别为19.0%,27.8%,27.6%);阔叶林中,土壤全氮的变异强度相对增大,变异的空间自相关性很强(分别为 83.9%,82.3%);针阔混交林中,土壤全氮的变异强度最大,但其异质性组成中自相关变异的比例较低,随机变异所占的比例相对增加(为 42.7%)。土壤全氮异质性强度的全部排序为云杉林 ＜油松林 ＜华北落叶松林 ＜杨桦林 ＜辽东栎林 ＜云杉、杨、桦混交林。土壤有效氮除云杉、杨、桦混交林理论模型拟合差,空间结构特征不明显而未作比较外,其在各林分土壤中变异强度大小依次为辽东栎林 ＞油松林 ＞华北落叶松林 ＞杨桦林 ＞云杉林,其空间异质性组成表现为云杉、杨、桦混交林中以随机变异为主,杨桦阔叶林中自相关变异相对增加,但随机变异仍占较大比例(49.9%),其他针叶或阔叶纯林中,结构因素在其异质性形成中起着决定性作用(74.4%～91.5%)。

综合以上分析可得出,土壤全氮在针阔混交林中变异强度最大,但变异的空间相关性较差,而在阔叶或针叶纯林中变异强度有所下降,但变异的空间相关性较好。有效氮变异强度随林分类型未呈现明显规律,但空间相关性明显表现出与全氮接近一致的规律,即针阔混交林中最弱,阔叶混交林中较弱,针叶或阔叶纯林中变异的空间自相关性最强。

变程表示属性因子空间自相关范围的大小,当林分土壤氮素观察值之间距离大于该值时,说明它们之间是相互独立的,若小于该值时,则说明它们之间存在一定的空间相关性。本次研究样地从小尺度研究的角度衡量,土壤有效氮与全氮空间自相关范围还是存在一定差异的,说明有效氮和全氮的生态过程在不完全相同的尺度上起作用,表明土壤有效氮的变异除与全氮有关外,还受其他因素的影响。而且,对照辽东栎林、杨桦阔叶林和云杉、杨、桦混交林,混交林中全氮质量分数较高,仅次于杨桦阔叶林而明显高于辽东栎林,但有效氮质量分数却明显低于这 2林分,更进一步表明土壤有效氮不仅与全氮含量有关,还可能受氮转化过程(包括氮矿化量、矿化速率等)的影响。

3.3 土壤有效氮不同形态的空间异质性特征

进一步对土壤有效氮不同形态的空间异质性特征进行分析。从不同形态有效氮的平均分布状况(表 3)来看,各森林类型土壤中-N质量分数都远高于-N,形成以-N占绝对优势的氮营养生境。不同森林类型土壤的有效氮素分布差异较大,尤其是-N在阔叶林(辽东栎林和杨桦林)中的质量分数极显著高于针叶林(油松林、华北落叶松林、云杉林)(P＜0.01),且针叶林中华北落叶松林和油松林-N质量分数都极显著高于云杉林,华北落叶松林-N质量分数显著高于油松林(P＜0.05)。

表 3 各样地土壤不同形态有效氮质量分数的描述统计和半方差分析结果Tab.3 Descriptive statistics and parameters of semivariogrammodels of available nitrogen in different plots

从有效氮素分布的样点极值和变异系数分析(表 3)来看,研究地土壤氮营养生境在小尺度上存在空间总变异。各样地土壤不同空间样点间不同形态有效氮质量分数变动都较大,6种森林类型土壤有效铵态氮的变异系数在 31.00% ～100.01%之间,有效硝态氮的变异系数在 63.36%～109.48%之间。

对各样地土壤有效铵态氮和硝态氮分布状况进行空间异质性的变异函数分析,结果(表 3和图 1)表明,除云杉、杨、桦混交林土壤氮素指标半方差值随间隔距离的变化所进行的理论模型拟合不显著外,其余各样地都能通过模型拟合较好地反映不同形态有效氮素的空间异质性特征(R2在 0.75以上)。基台值和变程分析比较可知,-N在土壤中变异程度大小依次为辽东栎林 ＞油松林 ＞杨桦阔叶林 ＞华北落叶松林 ＞云杉林,-N变异程度大小依次为华北落叶松林 ＞云杉林 ＞油松林 ＞杨桦阔叶林 ＞辽东栎林。结构方差比分析结果表明,云杉、杨、桦混交林各有效氮素形态的空间异质性由随机因素引起,辽东栎林-N和杨桦林-N呈中等强度的空间自相关变异,其余样地中结构性因素在其土壤氮素形态的空间异质性形成中占有较大比例。

图 1 -N和 -N的变异函数图Fig.1 Semivariograms for-N and-N

以上分析表明,不同森林类型间有效氮不同形态的空间异质性程度及异质性组成存在差异。对照辽东栎林、华北落叶松林和云杉林,在辽东栎林中,-N变异强度最大,并呈现很强的空间自相关变异(结构方差比为 92.3%),-N变异强度最小,呈现中等强度的自相关变异(结构方差比为50.1%);而在华北落叶松和云杉林中-N变异强度均较小,-N变异强度却相对较大,且-N和-N均表现为很强的空间结构性变异。-N和-N这 2种氮形态在不同样地所表现的异质性特征上的差异跟所研究的森林类型有关,不同森林类型中,树种种类、树种组成及生物多样性等的差异及由此导致的树种空间分布格局的形成均可能影响到林下土壤的氮转化(包括氨化作用、硝化作用),从而成为氮素不同形态在林分间甚至林分内不同空间样点间异质性形成的重要原因。

4 讨论

1)土壤氮素空间异质性的影响因素。研究土壤氮素供应情况,常以分析土壤全氮量和有效氮量为主。其中全氮是衡量土壤氮素的基础肥力指标,而有效氮作为可利用性氮与植物生长密切相关。由于大部分森林生态系统氮素缺乏,且森林中氮的利用效率又明显低于农业系统,特别是北温带森林中,土壤可利用性氮成为限制林木生产的最重要因子[18];因此,研究全氮和有效氮在土壤中分布的空间异质性对森林植被的产生及格局的形成具有重要意义。许多研究表明：土壤氮素空间异质性的产生受多个环境因子的影响[19]。无机态有效氮在土壤中的分布受全氮异质性的影响,而土壤全氮的变异可由土壤有机质变异所引起[20-21]。从本研究中土壤全氮和有效氮的回归分析结果看,土壤有效氮与土壤全氮的变异有很大关联性(R=0.838)。进一步对样地土壤有机质和全氮进行相关分析可知,土壤全氮质量分数与土壤有机质质量分数呈很大关联性(R=0.781)。天然土壤有机质的输入量主要依赖于有机残体归还量的多少及有机残体的腐殖化系数,而氮素的输入量则主要依赖于植物残体的归还量及生物固氮量。在天然次生林中,森林植被的种类、数量及自然植被的分布格局决定了森林凋落物的种类、产量及最终归还于土壤的异质性分布情况,从而影响了土壤氮素等养分的异质性分布状况。同时,植被的种类、数量及自然植被的分布格局的变化也会影响到空间环境资源的变化,导致土壤生物化学转化环节的变化,并引起土壤养分空间异质性的存在。

2)不同森林类型对土壤氮素空间异质性特征的影响。在生态系统中,环境的异质性与生物及生态学过程密切相关[2]。土壤资源的异质性特征可导致森林空间分布异质性及格局的产生[9],而树木的有无、树木的种类和群落的结构也在很大程度上影响和改变土壤资源的异质性特征。天然次生林中土壤氮素分布的异质性及格局的形成和森林类型有关。所研究的 6种不同类型的次生林样地中,树种种类、树种组成和空间结构的变化及由此导致的空间环境资源的变化、凋落物返还及土壤生物化学转化环节的变化可能是引起土壤养分空间异质性特征差异的主要原因[22]。

本次研究结果表明：针叶林中,土壤全氮的变异强度较小,其异质性组成以结构变异为主,随机因素引起的变异较小;阔叶林中,全氮的变异强度相对增大,变异的空间自相关性很强;针阔混交林中,全氮的变异强度最大,但其自相关变异比例较小,随机变异所占的比例相对增加。植被通过凋落物的质与量和非生物环境等方式会影响生态系统内土壤养分资源的循环和分布[22]。混交林复杂的植物成分决定了林地返还凋落物成分较丰富且在空间分配上较复杂,成为影响氮素转化并引起土壤氮素空间异质性程度较高的主要原因。相比之下,纯林由于林分结构较简单,相应的环境变化较小,凋落物成分及含量在空间分配上也较简单,引起氮素分布的异质性程度相对较小;但树种组成及多样性越复杂,变异的随机性因素越大,所以,混交林中氮素变异的空间自相关性较纯林相对要小。

有效氮的变异特征与全氮接近,但二者自相关尺度不完全吻合,且-N和-N在不同森林类型中表现出不同的变异特征。阔叶林中,-N变异强度大,并呈现很强的空间自相关变异,-N变异强度小,呈现中等强度的自相关变异;针叶林中,-N变异强度小,-N变异强度却相对较大,且-N和-N均表现出很强的空间结构性变异。这说明不同的森林类型不仅通过影响总氮量,而且通过影响氮的矿化过程来影响有效氮不同形态的异质性特征。有些研究[23-24]也认为,植被类型是氮矿化量和矿化速率的主要控制因素。由于不同森林类型中物种组成和群落结构及在其影响下所产生的林下微生境(包括枯落物、微生物种类、有效地面辐射等)差异很大,造成了氮转化量和转化速度在土壤中均匀分布程度的不同,导致了生态系统土壤中氮素形态异质性和格局特征的差异。本研究选择的植被类型同时也代表了不同的森林演替阶段,阔叶林代表了华北山地次生林演替早期阶段的植被类型,而针叶林和针阔叶混交林则代表了该地区次生林演替中后期阶段的植被类型。有研究[18]表明,硝化作用在演替后期阶段相对早期阶段要大,故阔叶林中虽-N变异强度较大,但-N差异相对较小,而在针叶林中,-N的变异表现明显,并呈很强的空间自相关性。

由于引起土壤氮矿化的空间因素除植被类型外还有很多,如地形(不同地形部位的土壤具有不同的水分状况也影响着土壤氮的矿化)、土壤质地、土壤坡位方向、海拔等[25],而且除空间变化外,时间变化,如不同的森林演替阶段、树种不同的生长发育年龄阶段甚至是不同的树木生长季节,也都会影响到森林土壤的氮矿化[18]。这些因素都可能导致土壤氮素空间异质性的产生及空间格局的存在;因此,要全面深入地研究温带亚高山森林生态系统土壤氮营养生境的时空异质性特征及其影响因素,还需要进行长期的定位研究。

5 结论

1)不同森林类型的华北山地次生林,林分土壤氮素质量分数水平存在很大差异。阔叶林土壤总氮质量分数为 3 100～4500mg/kg,而针叶林总氮质量分数仅为 900～1 300mg/kg;从有效氮素形态看,各森林类型土壤中-N质量分数均高于-N,形成以-N占优势的氮营养生境。

2)不同森林类型间土壤氮素异质性特征差异明显。针阔混交林中,土壤氮素表现出强烈的空间异质性特征,且以随机性变异为主,而针叶林土壤氮素空间异质性程度相对较弱;但以自相关变异为主,呈现弱的斑块分布特征。

3)不同森林类型,其有效氮素形态的异质性特征有很大差异。阔叶林中,-N表现出很强的空间自相关变异,-N异质性程度相对较弱,针叶林中,-N的空间变异相对明显。

4)不同森林类型对土壤全氮及各有效氮形态的空间异质性特征有影响。植被种类、植被组成及多样性等差异及由此导致的树种空间分布格局是影响总氮量及氮矿化,进而导致氮素不同形态在林分间甚至林分内不同空间样点间异质性形成的重要原因。

6 参考文献

[1]Levin S A.The p roblem of pattern and scale in ecology.Ecology,1992,73：1943-1967

[2]陈玉福,董鸣.生态学系统的空间异质性.生态学报,2003,23(2)：346-352

[3]Barbara L B,Mark RW,Allison A.Patterns in nutrient availability and plant diversity of temperate North American wetlands.Ecology,1999,7：2151-2169

[4]mzalM,Adams W A.Heterogeneity of soilmineral nitrogen in pasture grazed by cattle.Journal of Soil Science,1992,56：1160-1165

[5]Webster R.Quantitative spatial analysis of soil in field.Advance in Soil Science,1985,3：1-70

[6]孙志虎,王庆成.水曲柳人工林土壤养分的空间异质性研究.水土保持学报,2007,21(2)：81-84

[7]司建华,冯起,鱼腾飞,等.额济纳绿洲土壤养分的空间异质性.生态学杂志,2009,28(12)：2600-2606

[8]Baer SG,Collins SL,Blair JM,et al.Soil heterogeneity effects on tall grass prairie community heterogeneity：An app lication of ecological theory to restoration ecology.Restoration Ecology,2005,13(2)：413-424

[9]Wijesinghe D K,John E A,HutchingsM J.Does pattern of soil resource heterogeneity determine plant community structure?An experimental investigation.Journal of Ecology,2005,93(1)：99-112

[10]王庆成,程云环.土壤养分空间异质性与植物根系的觅食反应.应用生态学报,2004,15(6)：1063-1068

[11]刘建,何维明.东灵山油松林和辽东栎林下土壤资源和光资源的空间特征.生态学报,2005,25(11)：2954-2960

[12]王彩绒,吕家珑,胡正义,等.太湖流域典型蔬菜地土壤氮及 pH空间变异特征.水土保持学报,2005,19(3)：17-20

[13]彭凌云,甘海华,吴靖宇.江门市新会区耕地土壤有效性Si,Ca,Mg的空间变异特征.水土保持学报,2005,19(2)：80-83

[14]杨秀清,韩有志,李乐,等.华北山地典型天然次生林土壤氮素空间异质性对落叶松幼苗更新的影响.生态学报,2009,29(9)：4656-4664

[15]王政权.地统计学及在生态学中的应用.北京：科学出版社,1999

[16]谷加存,王政权,韩有志.采伐干扰对帽儿山天然次生林土壤表层水分空间异质性的影响.生态学报,2005,25(8)：2001-2009

[17]崔晓阳.森林土壤现代试验分析技术.哈尔滨：东北林业大学出版社,1998

[18]苏波,韩光国,渠春梅,等.森林土壤氮素可利用性的影响因素研究综述.生态学杂志,2002,21(2)：40-46

[19]熊汉锋,王运华.梁子湖湿地土壤养分的空间异质性.植物营养与肥料学报,2005,11(5)：584-589

[20]陈伟,杨国锋,赵云,等.金佛山地区不同生境下土壤有机质与全氮含量及其相关性.草业科学,2009,26(6)：25-28

[21]雷能忠,蒋锦刚,黄大鹏.杭埠河流域土壤全氮和有机质的空间变异特征.厦门大学学报：自然科学版,2008,47(2)：300-304

[22]胡忠良,潘根兴,李恋卿,等.贵州喀斯特山区不同植被下土壤 C、N、P含量和空间异质性.生态学报,2009,29(8)：4187-4195

[23]Knoepp J D.Rates of nitrogenmineralization across an elevation and vegetation gradient in the southern Appalachians.Plant soil,1998,204(2)：235-241

[24]王光军,田大伦,朱凡,等.湖南省 4种森林群落土壤氮的矿化作用.生态学报,2009,29(3)：1608-1615

[25]刘杏认,董云社,齐玉春.温带典型草地土壤净氮矿化作用研究.环境科学,2007,28(3)：633-639

Spatial heterogeneity of soilnitrogen in six natural secondary forests inm ountainous region of Northern China

Yang Xiuqing,Han Youzhi
(College of Forestry,Shanxi Agricultural University,030801,Taigu,Shanxi,China)

Understanding distribution of soil nitrogen at the natural secondary forest stands is important for studying the ecological processesof forestand forest ecosystem function.In order to study the spatial variation of soilnitrogen in natural secondary forest inmountainous region of Northern China,six sample p lots(50m×50m)of different forests types were selected,and geostatistic semivariogram analysismethod was used to quantified the spatial distribution of soil nitrogen in these sample plots.Results showed that：1)the amountof total nitrogen in the secondary broad-leaved standswas higher(3 100-4 500mg/kg),but that in the conifer standswas relatively lower(900-1300mg/kg);all types of forest soils with amuch lower-N amountwere typically dominated by-N;2)thespatialheterogeneity characteristics of soil nitrogen were significantly different in forest types.Total nitrogen had large intensity of variance and weak spatial auto-correlativity(the variance caused by random factors to total variance ratio was 42.7%)in broad-leaved and coniferousmixed forest,but relatively smaller intensity and strongly auto-correlated variance(accounted for 72.2%-81.0%of total variance)in conifer stands,total nitrogen amount appeared as a patch distribution in conifer stands;3)the heterogeneity characteristics of available nitrogen formsmainly appeared as follows：-N was strongly autocorrelated but-N was ofa weak variance degree in the broad-leaved stands.However,there was a relatively apparent spatial variance about-N in the conifer stands;4)there was an effect of forest types on spatial heterogeneity characteristics of total and availab le nitrogen;5)the difference of vegetation kinds,composition,diversity and spatial distribution patternsof tree species caused by them as shown above have been the important causes of affecting total nitrogen amount,nitrogenmineralization and further leading to variance of nitrogen forms among stands or different spatial sampling site inner every stand.

forest;community type;soil nitrogen;spatial heterogeneity

2010-09-26

2010-11-26

国家自然科学基金资助项目“华北山地次生林土壤氮营养生境异质性及主要更新树种的响应机制”(30972349);高等学校博士学科点专项科研基金项目“华北山地次生林土壤氮营养生境的空间异质性研究”(20091403110005)

杨秀清(1976—),女,博士研究生,讲师。主要研究方向：森林资源培育与森林生态学。E-mail：xiuqingy2002@126.com

†责任作者简介：韩有志(1961—),男,博士,教授。主要研究方向：森林资源培育与森林生态学。E-mail：hanyouzhi@sxau.edu.cn

(责任编辑：宋如华)