森林土壤有机碳含量与不同形态氮含量的相关性

张 景，蒋新革 ，何介南，吴立潮，邓艳林，钟 杰 ，肖毅峰

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.广西国有三门江林场，广西 柳州 545006）

森林土壤有机碳含量与不同形态氮含量的相关性

张 景1，蒋新革2，何介南1，吴立潮1，邓艳林1，钟 杰1，肖毅峰1

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.广西国有三门江林场，广西 柳州 545006）

为阐明土壤有机碳含量与土壤氮的关系，以莽山国家森林公园内典型植被类型土壤为研究对象，采用野外定位监测与室内实验相结合的方法，分析比较了土壤有机碳与不同形态氮含量之间的相关关系。结果显示：莽山国家森林公园森林土壤有机碳、全氮含量随土壤深度增加而减小；氨氮含量、硝氮含量呈现出0～20 cm＞20～40 cm＞60～100 cm＞40～60 cm，亚硝氮含量呈现出20～40 cm＞40～60 cm＞60～100 cm＞0～20 cm；相关分析表明有机碳含量与亚硝氮含量相关关系不显著，有机碳含量与氨氮含量呈显著线性正相关关系，有机碳含量与土壤层次呈极显著的线性负相关关系，有机碳含量与硝氮含量和全氮含量均呈极显著的线性正相关关系。该研究结果对于指导林木的配方施肥、保障森林资源的可持续发展以及充实森林土壤碳汇功能的研究有重要意义。

土壤有机碳；氨氮；硝氮；亚硝氮；全氮；相关性

土壤有机碳是陆地生态系统中最大的碳库，森林土壤中的碳占全球土壤有机碳的73%[1]，近年来对土壤有机碳的研究备受人们关注，已成为全球气候变化研究的三大热点之一[2-8]。氮素是作物生长所必需的大量营养元素之一，也是土壤养分的重要组成部分，土壤中氮素的丰缺及供给状况不仅影响农作物的生长、产量和品质，也影响着环境[9]。在人工生态系统中，即使大量施用氮肥，作物中所积累的氮也有约50%来自土壤，有些达70%以上。与土壤物理、化学、生化作用相关密切的是铵态氮与硝态氮，一般来讲，铵态氮因受到范德华力或库伦力的作用不易流失；而硝态氮是铵态氮在氧气充足条件下经微生物硝化后形成的，易于流失；亚硝态氮是硝化作用的中间产物，一般短时期内在土壤中可能有少量亚硝态氮存在，但在通气良好的情况下很快转化为硝态氮。如果氮肥使用过量,就可能会导致硝态氮在土壤剖面积累、增加地表水和地下水中的氮素含量,导致水体富营养化和地下水污染等；同时硝化与反硝化过程也涉及到主要温室气体氧化氮的排放[9]。但耕地及林地土壤不同于农田土壤，其测土配方施肥技术比农田要困难很多，所以土壤无机氮的测定（特别是硝态N）对指导配方施肥等有重要意义[10]。

关于碳氮含量的研究多集中于碳氮的时空变化规律，并多以碳氮比作为一个整体，其认为一段时间内土壤碳、氮含量可能会各自变化，所以研究碳氮比值将会更有意义[11-15]。关于不同形态的氮与有机碳含量之间的相关研究涉及得很少，本研究通过对莽山国家森林公园森林土壤不同形态氮及土壤有机碳含量的测定，研究了土壤碳、氮及其关系，为莽山国家森林公园的管理与可持续利用提供一定的决策依据。

1 研究区概况

研究区莽山国家森林公园是1958年我国首批建立的森林保护区之一，地处湖南省宜章县境内，其东、南、西三面分别与广东的乳阳、阳山、连县接界[16]，总面积2万hm2，是湖南省最大的国家森林公园之一,森林覆盖率92.8%。有保护完好的原始次生林2 000 hm2，以“植物王国”和“中国第二西双版纳”著称[17]。莽山地理位置是东经 112°43′19″～ 113°0′10″，北纬 24°52′0″～25°3′12″，莽山气候属中亚热带季风湿润气候，年平均气温17.2 ℃，年降水量1 710.4～2 555.6 mm。莽山土壤成分复杂，土层一般较薄，按不同海拔高度有砂岩、花岗岩、粘土壤、山地黄棕壤及山地草甸土等，适合多种类型植被生长，区内植被种类占湖南省植物种类的82%以上(Hutchinson系统)[16]。

2 分析方法和数据处理

2.1 标准地设置

按土壤定位研究方法[18]，在4种不同海拔高度（即＜1 000、1 000～1 300、1 300～1 600、1 600～1 902 m）典型植被类型内设置标准地，样地设定的大小为20 m×33.3 m，共15个标准样地,样地具体情况见表1。

表1 样地概况Table 1 General information of test plots

2.2 样品采集

在每个样地内沿对角线设置3个土壤样方并挖掘土壤剖面，每个剖面按0～20、20～40、40～60、60～100 cm分层采土，每层重复3次。将样品带回实验室，拣出根及其它枯落物，将一半新鲜土样于0～4℃保存，用于土壤氨态氮、硝态氮及亚硝氮的测定；另一半土样自然风干，用0.25、0.154 mm直径的土壤筛筛取土样，进行土壤有机碳、全氮等的测定[13]。

2.3 土壤样品测定

土壤有机碳（SOC）含量用重铬酸钾氧化－分光光度法测定[19]；全氮（TN）处理用浓硫酸消煮法[20]，此消煮法测得的全氮不包括硝氮、亚硝氮，测定采用间断化学分析仪（Smsrt Chem 200）；硝态氮(NO3--N)、氨态氮(NH4+-N )的处理分别采用2% CaSO4、2 mol/L KCl 浸提法，测定也均采用间断化学分析仪。

2.4 数据处理

运用EXCEL进行数据处理，运用SPSS 13.0进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同土壤层次有机碳、氨氮、硝氮、亚硝氮及全氮含量分布

3.1.1 不同土壤层次有机碳含量

通过实验测定，得到不同土壤层次有机碳含量（见图1）。

图1 不同土壤层次有机碳含量Fig. 1 Carbon contents in different soil layers

由图1可以看出，土壤有机碳含量随土层深度的增加基本呈降低趋势，这与大多数人的研究结果是一样的[21]。林分凋落物及植被根系分布使进入土壤表层的有机碳增多,导致表土有机碳含量显著高于其他土层[22]。相思坑样地20～40 cm土层的有机碳含量高出了0～20 cm层，原因可能在于此样地的表层土壤人为干涉得太多，造成表层有机碳含量的减少。

3.1.2 不同土壤层次氨氮含量

不同土壤层次氨氮含量的结果分析见图2。从图2可以看出，土壤氨氮含量随土层深度变化趋势无明显规律性，具体表现为3种变化，即呈缓慢上升、先下降后上升和先上升后下降的趋势。样地纸浮和坪坑老大门，氨氮含量最高值出现在20～40 cm层，而其它样地的最高值均出现在0～20 cm层；氨氮含量次高值基本出现在60～100 cm。在森林土壤中有效氮通常以氨氮为主，植物吸收的氮来源主要是氨氮，而且氨氮会通过硝化过程转化为硝态氮，氨氮也可被吸附于土壤胶体的交换面上[23]，所以植物吸收、硝化过程以及吸附于土壤胶体表面，可能就是氨氮含量20～40 cm＞0～20 cm，60～100 cm＞40～60 cm的原因。

图2 不同土壤层次氨氮含量Fig. 2 Ammonia nitrogen contents in different soil layers

3.1.3 不同土壤层次硝氮含量

不同土壤层次硝氮含量见图3。图3中大部分样地的硝氮含量在5～15 mg/kg的范围内，且随土层深度的增加呈缓慢下降的趋势。猛坑石顶的硝氮含量特别高，达到了42.421 6 mg/kg，这与其草甸土的土壤类型、腐殖质层厚及土层薄等有关；坪坑老大门、哨所和漂流公司硝氮含量20～40 cm层均高于0～20 cm层，且漂流公司的最高值出现在60～100 cm层，这些可能是因为硝态氮被淋失[23]导致的。

图3 不同土壤层次硝氮含量Fig. 3 Nitrate nitrogen contents in different soil layers

3.1.4 不同土壤层次亚硝氮含量

不同样地亚硝氮含量随土壤层次的变化情况见图4。图4中土壤各层次亚硝氮含量的均值分别为0.049 0、0.103 3、0.078 4、0.066 8 mg/kg（见表2），含量极低，这从研究区内植被生长情况也可以看出，因为亚硝氮有毒，对植物生长不利[23]；土壤各层次亚硝氮含量最低值均为负值，应该是其含量太低，导致间断化学分析仪测定时出现系统误差。

图4 不同土壤层次亚硝氮含量Fig. 4 Nitrite nitrogen contents in different soil layers

表2 不同土壤层次5变量的描述性指标Table 2 Descriptive indicators of five variables in different soil layers

3.1.5 不同土壤层次全氮含量

不同样地全氮含量随土层深度增加的变化趋势见图5。由图5可以看出全氮含量与有机碳含量一样基本都是随土层深度的增加而降低的。

图5 不同土壤层次全氮含量Fig. 5 Total nitrogen contents in different soil layers

3.2 土壤有机碳含量与氨氮、硝态氮、亚硝态氮及全氮含量的相关分析

表2分别描述了所有样地0～20、20～40、40～60以及60～100 cm各土层有机碳含量、氨氮含量、硝氮含量、亚硝氮含量与全氮含量的最小值、最大值、平均值和标准差。

从5变量的均值来看，基本遵循随土层深度的增加，其相应含量逐渐降低的趋势：有机碳含量与全氮含量的高低顺序为0～20 cm＞20～40 cm＞40～60 cm＞60～100 cm；氨氮含量与硝氮含量是0～20 cm＞20～40 cm＞60～100 cm＞40～60 cm ；亚硝氮含量的排列顺序是20～40 cm＞40～60 cm＞60～100 cm＞0～20 cm。

同一层次不同形态的氮含量高低顺序为全氮＞硝氮＞氨氮＞亚硝氮，且全氮含量比另外3种氮含量平均要高出3个数量级，硝氮与氨氮含量要比亚硝氮含量高出大约2个数量级。

由表3可以看出有机碳含量与亚硝氮含量的相关关系不显著，亚硝氮含量一是缺乏规律性，或者说其规律性与有机碳含量的规律性差异最大；二是其含量极低，这也许就是有机碳含量与亚硝氮含量的相关关系不显著的原因所在。有机碳含量与土壤层次和全氮含量呈极显著相关性，也与表2中的结果相一致，与前人的研究结果也吻合[24]。另外因为相关系数|-0.784|＜0.96，所以有机碳含量与全氮含量的相关性更加大于有机碳含量与土壤层次的相关性。所以与有机碳含量的相关性从大到小排列顺序为全氮含量＞土壤层次＞硝氮含量＞氨氮含量＞亚硝氮含量。

表3 有机碳含量与所有其他变量的相关分析†Table 3 Correlation among organic carbon and all other variables

4 结 论

在比较有机碳含量与土壤层次、氨氮含量、硝氮含量、亚硝氮含量与全氮含量的相关分析中，其相关性从大到小排列顺序为全氮含量＞土壤层次＞硝氮含量＞氨氮含量＞亚硝氮含量；4种不同形态氮与有机碳含量的相关性规律表明，在不具备对土壤进行经常性测试的条件下，通过有机质来推荐施肥量在测土配方施肥中有着重要意义[10]，既能保证作物有足够的氮肥供应，又能避免因肥料过量造成浪费以致污染环境。这有利于农林业上作物的管理工作，使作物向着更加健康的方向发展，使陆地生态系统更好地发挥碳汇功能。

不同样地有机碳含量、氨氮含量、硝氮含量、亚硝氮含量与全氮含量随土壤层次变化时，对于好多样地出现的不规律变化，目前还无法解释清楚，可能与样地海拔、坡度、坡位、土壤类型、土壤质地、腐殖质层厚度、枯落物厚度、植被类型以及优势树种组成等有关，还需进一步的论证确定。

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Relationship between forest soil organic carbon content and nitrogen content with different forms

ZHANG Jing1, JIANG Xin-ge2, HE Jie-nan1, WU Li-chao1, DENG Yan-lin1, ZHONG Jie1, XIAO Yi-feng1
(1. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Sanmenjiang state-owned Forest Farm of Guangxi, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

In order to explore the relationship between soil organic carbon content and soil nitrogen, by combining methods of fi eld location monitoring and indoor experiment, the relationship between forest soil organic carbon content and the contents of nitrogen in different forms were analyzed in typical vegetation types of Mangshan National Forest Park. The results show that with the increase of soil depth, the organic carbon content and total nitrogen content decreased; the contents of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in different soils layers ordered by magnitude: 0～20 cm ＞ 20～40 cm ＞ 60～100 cm ＞ 40～60 cm; the nitrite nitrogen contents in different soils layers ranked from high to low: 20～40 cm ＞ 40～60 cm ＞ 60～100 cm ＞ 0～20 cm. The correlation analyses indicate that the organic carbon content do not have signif i cant correlation with the nitrite nitrogen content; there existed a signif i cant linear positive correlation between organic carbon content and ammonia nitrogen content; there were a extremely signif i cantly linear negative correlation between organic carbon content and soil layers; the organic carbon content have a signif i cantly linear positive correlation with nitrate nitrogen content and total nitrogen content, respectively. The fi ndings provide some base information for evaluating the formulation of trees fertilization, for ensuring the forest resources sustainable development and strengthening the study of forest soil carbon function．

soil organic carbon; ammonia nitrogen; nitrate nitrogen; nitrite nitrogen; total nitrogen; correlation

S718.5

A

1673-923X(2013)07-0114-05

2012-11-30

国家林业公益性项目(201104008)：典型森林土壤碳储量分布格局及变化规律研究

张 景（1987-），女，河北保定人，硕士研究生，主要从事森林土壤研究；E-mail: peseverence@yahoo.cn

吴立潮（1963-），男，湖北广水人，教授，博士，主要从事森林土壤、森木施肥与营养、水土保持与荒漠化防治等方面的研究；E-mail:wulichao@sina.com

[本文编校：谢荣秀]