不同森林覆盖下长沙土壤氮的垂直变化及氮储量

肖 英，任 希

(中南林业科技大学 旅游学院，湖南 长沙 410004)

不同森林覆盖下长沙土壤氮的垂直变化及氮储量

肖 英，任 希

(中南林业科技大学 旅游学院，湖南 长沙 410004)

对不同森林覆盖下的长沙森林土壤氮的垂直变化规律及氮储量进行了研究，结果表明，长沙不同森林覆盖下，0～60 cm深度的土壤氮的总趋势为随着深度的增加而递减。4种森林类型的土壤氮储量存在较大差异，0～60 cm土层的氮储量的排列顺序为：枫香＞樟树＞马尾松＞杉木，针叶林土壤氮主要集中于前0～30 cm土层，占针叶林总平均氮储量的65.4%，而阔叶林则表现较为平均，0～30 cm氮储量只占总平均氮储量的39.18%。

土壤氮；垂直变化；氮储量；长沙

氮是植物生长不可或缺的元素，植物体内许多重要有机化合物的组成都需要有氮元素的参与。土壤固氮能力直接影响着植物的生长。因此，研究土壤碳[1-5]氮储量成为全球变化科学的一个重点和热点。

国内外目前有关土壤中氮矿化和硝化作用研究较多[6-10,12]，在土壤氮储量方面也有一些研究。但这些主要是针对各种土壤类型的氮储量进行的研究，如张春娜等[1]对中国森林0～20 cm土壤表层的平均氮密度和氮库储量的研究。李明锐、沙丽清等[9]对西双版纳六种常用土地利用方式的土壤氮储量的研究。赵哈林等[3]对科尔沁沙质化草地生态系统氮储量的研究表明，土壤的粗化和贫瘠化最终导致了植物和凋落物中氮储量的明显下降。王启基等[4]通过青海省高山草甸轻度退化草地和重度退化草地土壤氮浓度及储量的动态研究。张春华等[5]、李双来等[11]、陈安磊等[13]对农业用地土壤氮的研究。孙志高等[14]对三江平原不同水分带上小叶樟湿地氮的垂直分布特征的研究。张鹏等[15]研究祁连山自然垂直带阴阳坡表层土壤全氮分布与海拔、地形，植被和土壤特性的关系，表明阴坡土壤的全氮含量显著高于阳坡。

陆地生态系统的氮主要以有机的形式存在，人类各种对生态系统的干扰都会影响到氮的固定。氮的流失不仅会导致植物生长不利，同时可以加剧水体污染。陆地生态系统到底是氮汇还是氮源取决于土壤氮库的变化。森林用为陆地生态系统的主体，其土壤氮的空间分布反映了土壤养分的供给状况及其对森林植被的可利用水平，其土壤氮库的变化，直接影响着全球氮着固氮功能，研究森林土壤氮分布特征，了解森林土壤氮的吸收与利用，对于合理利用森林，提高森林的生态功能有重要作用。目前，对不同森林覆盖下的土壤氮储量的研究很少。本文基于对长沙森林生态系统的土壤实测数据、估算了长沙四种森林生态系统的土壤氮储量及其垂直分布。为评估长沙森林土壤固定有机氮的能力提供有价值的参考数据。

1 研究区概况

本实验的研究区为湖南省国家森林公园，位于长沙市南郊的天际岭，核心区面积约4 356 hm2，地 理 位 置 为 东 经 113°02′～ 01′， 北 纬 28°06′，海拔46～114 m，坡度为5°～25°。年平均气温17.2℃，1月最冷，平均4.7℃，极端最低温度-11.3℃；7月最热，平均气温29.4℃，极端最高气温40.6℃；无霜期为270～300 d，年均日照时数1 677.1 h；雨量充沛，年平均降雨量1 422 mm，属典型的亚热带湿润季风气候。其地层主要由第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾组成，属典型红壤丘陵区，园内植被以人工次生林为主，植物种类达2 200余种，小生境众多。本研究的研究对象为天际岭国家森林公园内树龄相同或相近的杉木、马尾松、樟树和枫香4种类型森林群落的土壤。

2 研究方法

2.1 样品的采集与处理

在研究区确定4个典型森林类型，每个森林类型设置三块样地，每个样地采集3个土壤剖面，按0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm和45～60 cm共4个层次进行采集。土壤容重采用环刀法，土壤全氮采用凯氏法[16]。

2.2 土壤氮密度及储量计算

土壤剖面第i层土壤的氮平均密度ρni（kg·m-3）=相应层次土壤容重dvi(g/cm3)×氮储量Ni（g/kg）×10，土壤剖面第i层土壤的氮库储量Tni（kg·m-2）=相应层次氮密度ρni×土壤厚度hi/100， 单位面积一定剖面浓度j到n层土壤氮库总储量Tn(kg·m-2)为j到n层储量之和。即：

2.3 数值计算与分析

数据分析采用Excel 2003软件进行。

3 结果与分析

3.1 不同森林种植下的土壤全氮与土壤容重

从表1可以看出，4种森林中，土壤全氮最高的为樟树，最低为杉木。土壤全氮在不同森林类型下随着深度的增加而递减，但递减的幅度大小不同，马尾松与樟树在15～30 cm时和30～45 cm时比0～15 cm还略有上升，枫香与杉木则呈一个明显下降的趋势。说明森林土壤的氮素主要集中于空气直接接触的表层。同时，通过对4种森林全氮的对比可以发现，以马尾松和杉木为代表的针叶林森林土壤全氮含量比以樟树和枫香为代表的阔叶林的全氮含量要小。

表1 不同森林覆盖下土壤全N†Table 1 Total soil nitrogen of different forest cover g/kg

图1是4种森林类型土壤在不同层次的容重，从图1中可以看出，除马尾松外，其他3种森林中土壤容重都表现出随土层深度增加而增加的趋势，其中杉木的土壤容重在15～30 cm和30～45 cm有一个升高降低的过程，但在45～60 cm时又升高趋势。马尾松的土壤容重随土层深度的增加而不断下降。各种森林土壤的容重在不同层次并无明显变化，平均值在1.50～1.58之间。土壤容重在各个森林之中的变化也不明显。将土壤容重与土壤全氮比较，可以看出，就不同森林类型来说，总的趋势上土壤容重表现为随着土层增加而增加的趋势，而土壤全氮则随着土层的递增而不断减少。说明土壤容重与土壤全氮之间存在一定的负相关关系。但在不同森林类型中，并不具备这种负相关性。4种森林中，土壤平均容重排序为枫香（1.58 g/cm3）＞杉木（1.54 g/cm3）＞马尾松（1.51 g/cm3）＞樟树（1.50 g/cm3），4个土层的平均全N排序则为樟树（0.85 g/kg）＞枫香（0.83 g/kg）＞马尾松（0.65 g/kg）＞杉木（0.42 g/kg）。

3.2 不同森林覆盖下土壤氮密度

图1 不同森林覆盖下的土壤容重Fig. 1 Soil bulk density covered by different forests

图2 不同森林下的土壤氮密度Fig.2 Soil nitrogen density in different forest types

总体上，长沙不同森林生态系统下的土壤氮密度相差较为悬殊，在2.99～17.21之间（见图2）。就具体表现而言，樟树和枫香的土壤氮密度表现较为平均，樟树在4个土壤层次的氮密度上下浮动最大为1.23 kg·m-3，枫香虽在15～30、30～45 cm时有一个较大幅度的变化，但总体表现较为一致。这可能是与测量数据出现的误差有关。各层之间相差最为悬殊的是杉木，其最高层的氮密度为最低层的4.5倍。4种森林的土壤氮密度总的表现趋势依然为下随土层深度增加而递减。为了将森林土壤含氮量的相关因素可能受到的影响，将土壤氮密度与土壤容重和土壤含水率相比较，发现土壤氮密度与土壤含水率与土壤容重没有显著的相关性。说明土壤容重与土壤含水率不是森林土壤氮密度大小的主要影响因素。土壤氮密度的大小决定于森林植被对大气中的有机氮的固定能力。

3.3 不同森林覆盖土壤氮储量的垂直分布特征

从表2可以看出，各种森林覆盖下的土壤剖面的氮储量总体呈现下降的趋势。究其原因，首先0～15 cm的土壤表层的植被凋落物带有一定的氮元素；另外，土壤0～15 cm的土壤表层直接接触大气，可以吸收固定大气中的有机氮。说明植被固氮主要是通过表层土壤固定大气中的氮。4种森林中，0～15 cm土壤氮储量最多的是枫香，马尾松和杉木都是表层的0～15 cm土壤氮储量较为丰富，而随深度增加不断下降的趋势。在0～60 cm深度，总氮储量的排列顺序为：枫香（7.82 t/hm2）＞樟树（7.63 t/hm2）＞马尾松（5.81 t/hm2）＞杉木（3.87 t/hm2）。针叶林的土壤氮储量明显要小于阔叶林。整个森林覆盖下土壤氮储量呈不断下降的趋势。4种森林类型的土壤平均总氮储量为0～15 cm(2.0 t/hm2)，15～30 cm(1.64 t/hm2)，30～ 45 cm(1.41 t/hm2)，45～ 60 cm(1.23 t/hm2)。4种森林类型中土壤氮储量在土壤各层中变化最为显著的是杉木，随着土壤深度的增加，从表层的2.02下降到底层的0.45，变化最不明显的是樟树，在各个层次的氮储量表现得较为平均。其次是马尾松，除了在15～30 cm时突然增加外，总趋势是呈下降的。为此，对各森林类型的土壤氮储量在土层中的分配比例进行比较，结果见图3。

表2 不同森林类型的土壤氮储量†Table 2 Soil nitrogen storage of different forest types t/hm2

图3 不同森林中各土壤层次氮储量的分配比较Fig.3 Comparison of nitrogen storage distribution in various soil layer of different forests

从图3可以看出，在各土层的分配比例上，森林土壤氮储量随土层深度增加而递减。排列顺序依次为31.79%、26.06%、22.44%和19.71%。同时，针叶林与阔叶林在总氮储量的土层分配比例上不一致，针叶林土壤氮主要集中于前0～30 cm土层，占针叶林总平均储量的65.4%，而阔叶林则表现较为平均，0～30 cm氮储量只占总平均氮储量的53.34%。

4 结 论

长沙4种森林覆盖下土壤剖面的统计计算，不同森林在0～60 cm深度的土壤氮储量排序为枫香（7.82 t/hm2）＞樟树（7.63 t/hm2）＞马尾松（5.81 t/hm2）＞杉木（3.87 t/hm2）。在森林土壤氮储量的垂直分布特征上，长沙森林土壤氮储量随着土层深度的增加而递减。森林土壤氮密度为枫香13.95 kg/m3，樟树12.72 kg/m3，马尾松9.68 kg/m3，杉木6.44 kg/m3。在土壤固氮能力上，以枫香和樟树为代表的阔叶林要高于以马尾松和杉木为代表的针叶林。

森林土壤氮储量测定的数据准确性受森林郁闭度、林象条件、林被类型、土壤容重及土壤变异以及研究区域、研究样品的采集等各种因素的影响。本文所测算的长沙森林平均氮含量为0.69 g/kg，平均土壤容重为1.53 g/cm3，与张春娜等[1]对中国森林土壤氮储量的估算的红壤平均氮含量（为1.07 g/kg，最大值为6.05，最小值为0.30），平均容重（1.25 g/cm3）差异不是很明显，但张春娜等研究的植被为亚热带常绿阔叶林，两者所获取的样品植被类型有一定差异。要检验所获得的数据的精确性，必须依靠更多森林土壤剖面数据的获取，以及更加广泛和更加准确的土壤调查结果。

[1] 张春娜,延晓冬,杨剑虹.中国森林土壤氮储量估算[J].西南农业大学学报.2004,26(5):572-575.

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[4] 王启基,李世雄,王文颖,等.江河源区高山嵩草草甸植物和土壤碳氮储量对覆被变化的响应[J].生态学报,2008,28(3):885-894.

[5] 张春华,王宗明,任春颖.松嫩平原玉米带土壤碳氮储量的空间特征[J].应用生态学报,2010,21(3):631-639.

[6] 王光军,田大伦,闫文德.去除和添加凋落物对杉木人工林土壤氮矿化的影响[J].中南林业科技大学学报,2009,29(3):6-10.

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Vertical variation and storage of soil total nitrogen under different forest cover

XIAO Ying, REN Xi
(School of tourism, Central south University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The vertical variation of soil nitrogen under different forest cover and nitrogen storage were studied in Changsha. The results show that under the different forest cover, the general trend of soil nitrogen were decreasing as the depth increaseed in 0～60 cm; the soil N storages among four forest types were quite different, soil nitrogen storage ordered from high to low: Liquidambar formosana Hance＞Cuminghamia lanceolata Hook＞ Cinnamomum camphora＞ Pinus massoniana Lamb; the coniferous forest soil nitrogen was mainly concentrated in the first 0～30 cm soil layer, accounting for 65.4% of the needles average nitrogen storage, while the soil nitrogen storage in broad-leaved forest manifested more evenly, in the 0～30 cm soil layer, the nitrogen storage occupied 39.18% of the total average nitrogen storage.

soil nitrogen; vertical variation; nitrogen storage; Changsha

S718.5

A

1673-923X(2013)06-0104-04

2012-10-16

国家公益林项目（201204512）；湖南省科技厅项目（2011zk3081）

肖 英（1978-），女，湖南益阳人，讲师，博士，从事森林生态、森林游憩研究

[本文编校：欧阳钦]