阔叶红松林土壤氮素的空间分布

刘巍巍，莫 雷，隋 波，纪鹏飞，张 鹏

(1.吉林省林业调查规划院，吉林 长春 130022;2.集安市林业局，吉林 通化 134200;3.北华大学，吉林 吉林132013)

在陆地生态系统氮循环中，土壤中的氮储量约是植物体中氮储量的3 倍;在森林生态系统中，土壤中的氮储量占整个生态系统氮储量的90%～95%［1］，所以，研究土壤中氮储量对整个生态系统有着重要的作用。作为陆地氮库的主体，土壤氮库的微小变化，都会导致生态系统的循环发生紊乱。东北地区的阔叶红松林在生态系统中占有重要地位，所以，研究阔叶红松林地内土壤中氮素的空间分布及影响因素对生态系统以及整个林分的生长都具有重要的意义。

1 试验材料和方法

1.1 供试土样

在蛟河阔叶红松林固定大样地(600 m×520 m)内，根据阔叶红松林的立地条件，采用地统计学的方法，共设置195 个小样方，每个小样方的面积为(40 m×40 m);在每个样方内设置3 个样点。野外用GPS 定位，找到样点的具体位置，样点位置如图1 所示。在每一个样点中心的1 m2范围内设置3 个采集点，每个采集点按A 层(0 ～10 cm)、B 层(10 ～30 cm)、C 层(30 cm 以下)(有些特殊地形没有下层土壤，如小河、岩石等)分别采集土样［2～3］，然后将每个样点的同一层土样均匀混合，作为一个样本，共采集土壤样本1 350 个。采集土壤样本的同时根据样点的坐标对土壤样本进行标号。

土样处理:采集回的土壤样本要立即处理，具体方法:把土样平铺于干净的纸上风干，风干后粉碎并通过1 mm(18 号筛)的土壤筛。装袋后贴好标签。

图1 土壤取样示意图Fig.1 The sketch map of soil sample

1.2 试验步骤

1.2.1 土壤有效氮测定步骤

①称取通过1 mm 筛孔的风干土样1.00 g，均匀地平铺于扩散皿外室，在外室内加1 g 锌－硫酸亚铁还原剂平铺土样上。同时做2 个试剂空白试验。

②加3 mL 20 g·L－1硼酸－指示剂溶液于扩散皿内室。

③在扩散皿外室边缘上方涂碱性胶液，盖好毛玻璃并旋转，使毛玻璃与皿边缘完全黏合。然后慢慢转开毛玻璃的一边，使扩散皿的一边露出一条狭缝，在此缺口加入10.0 mL8 mol·L－1氢氧化钠溶液于皿的外室，立即把毛玻璃盖严。

④水平地轻轻转动扩散皿，使溶液与土样充分混合，然后小心地用橡皮筋2 根交叉成十字形固定毛玻璃。然后置于恒温箱中，在40℃条件下保温24 h。

⑤用0.01 mol·L－1盐酸标准溶液滴定内室的硼酸，颜色由蓝变紫红，即达终点。滴定时应用细玻璃棒搅动内室溶液，不宜摇动扩散皿，以免溢出;接近终点时可用玻璃棒蘸取滴定管尖端的少量标准酸溶液，以防滴过终点。

⑥数据处理:。

WN=(V－V0)×c×14/(m1×K2)×100

式中:WN——水解性氮含量，mg·kg－1;

V——滴定待测液用去盐酸标准溶液体积，mL;

V0——滴定试剂空白试验用去盐酸标准溶液体积，mL;

c——盐酸标准溶液的浓度，mol·L－1;

K2——由风干土样换算成烘干土样的水分换算系数;

m1——风干土样质量，g;

14——氮 原 子 的 摩 尔 质 量，mg·m mol－1。

⑦允许误差(见表1)

表1 有效氮允许误差Tab.1 The allowable error of available nitrogen

①称取通过风干土样1.50 g，同时测定土壤水分换算系数(K1)。

②消煮:将土样小心送入凯氏烧瓶底部，加混合加速剂，摇匀，然后加10 mL 浓硫酸，瓶口放一小漏斗，在通风柜中用调温电炉加热消煮，控制瓶内硫酸蒸汽回流的高度约在瓶颈上部的三分之一处。并经常振动凯氏瓶，勿使烧干，直至消煮液和土粒全部变为灰白稍带绿色(约需15 min)后，再继续消煮1 h，全部消煮时间约85～90 min。消煮完毕后，取下凯氏瓶，冷却，以待滴定。同时做2 个试剂空白试验。

③滴定:将消煮好的土壤试样用凯氏定氮仪滴定，获得滴定数值。

④数据处理:

WN=(V－V0)×c×0.014/(m1×K2)×100

式中:WN——全氮含量，mg·kg－1;

V——滴定待测液用去盐酸标准溶液体积，mL;

V0——滴定试剂空白试验用去盐酸标准溶液体积，mL;

c——盐酸标准溶液的浓度，mol·L－1;

网架结构一般是以大致相同的格子或尺寸较小的单元(重复)组成的空间网格结构，通常将平板型的空间网格结构称为网架，将曲面型的空间网格结构简称为网壳。网架结构是一种空间网格结构体系，所有杆件均按照空间受力体系工作，传力途径简洁，具有重量轻、刚度大、整体性好、抗震性能强等优点。

K2——由风干土样换算成烘干土样的水分换算系数;

m1——风干土样质量，g;

0.014——氮原子的摩尔质量，g·m mol－1。

⑤允许误差(见表2)

表2 全氮允许误差Tab.2 The allowable error of full nitrogen

2 试验结果与分析

2.1 土壤有效氮统计学分析

对有效氮测定结果进行统计分析，结果见表3。

表3 表层土壤有效氮含量描述性统计Tab.3 The descriptive statistics of available nitrogen content of surface soil

从表3 中可以看出，蛟河阔叶红松林土壤中有效氮的平均含量为0.95±0.45 g·L－1，A层土壤有效氮的平均含量为1.19±0.45 g·L－1，B 层土壤有效氮的平均含量为0.87±0.43 g·L－1，C 层土壤有效氮的平均含量为0.67±0.28 g·L－1;变异系数分别为0.469、0.374、0.481、0.424，表明有效氮含量相对于其均值离散程度较高。

根据试验数据，做土壤有效氮含量分布曲线，结果见图2 ～图4。

图2 A 层土壤有效氮含量变化曲线Fig.2 The variation curve of available nitrogen content of A layer soil

图3 B 层土壤有效氮含量变化曲线Fig.3 The variation curve of available nitrogen content of B layer soil

图4 C 层土壤有效氮含量变化曲线Fig.4 The variation curve of available nitrogen content of C layer soil

从图2 ～图4 中可以看出，阔叶红松林有效氮的空间分布在水平方向上波动较大，呈现非正态分布，但在垂直方向上，有效氮的含量逐层递减，A 层土壤有效氮含量明显高于其他土层的有效氮含量，B 层土壤有效氮含量略低于A 层土壤，且A 层土壤和B 层土壤有效氮含量始终保持在一个较高的水平，而C 层土壤有效氮含量明显下降。三层土壤有效氮含量的变化幅度不大，且变化趋势基本一致。

2.2 土壤全氮统计学分析

对土壤全氮含量值进行统计分析，结果见表4。

表4 土壤全氮含量描述性统计Tab.4 The descriptive statistics of total nitrogen content of soil

从表4 中可以看出，蛟河阔叶红松林土壤中全氮的平均含量为(0.97±0.449)g·L－1，A层土壤全氮的平均含量为1.31±0.391 g·L－1，B 层土壤全氮的平均含量为0.87±0.345 g·L－1，C 层土壤全氮的平均含量为0.58±0.253 g·L－1;变异系数分别为0.463、0.298、0.397、0.437，表明全氮含量相对于其均值离散程度较高。

根据试验数据，做土壤全氮空间分布曲线，结果见图5 ～图7。

图5 A 层土壤全氮含量变化曲线Fig.5 The variation curve of total nitrogen content of A layer soil

图6 B 层土壤全氮含量变化曲线Fig.6 The variation curve of total nitrogen content of B layer soil

图7 C 层土壤全氮含量变化曲线Fig.7 The variation curve of total nitrogen content of C layer soil

从图5 ～图7 中可以看出，红松阔叶林土壤全氮的空间分布在水平方向上波动较大，呈非正态分布，但在垂直方向上，土壤全氮的含量逐层递减，A 层土壤有效氮含量明显高于其他土层的全氮含量，B 层土壤全氮含量略低于A层土壤，且A 层土壤和B 层土壤全氮含量始终保持在一个较高的水平，而C 层土壤全氮含量明显下降。

3 结论与讨论

采用地统计学的方法分析了蛟河红松阔叶林土壤氮素的空间分布特征，并利用克里格差值绘制了土壤有效氮和全氮的空间分布图，结果表明:有效氮的平均含量为0.95±0.45 g·L－1，A 层土壤有效氮的平均含量为1.19±0.45 g·L－1，B 层土壤有效氮的平均含量为0.87±0.43 g·L－1，C 层土壤有效氮的平均含量为0.67±0.28 g·L－1，变异系数分别为0.469、0.374、0.481、0.424;全氮的平均含量为0.97±0.449 g·L－1，A 层土壤全氮的平均含量为1.31±0.391g·L－1，B 层土壤全氮的平均含量为0.87±0.345g·L－1，C 层土壤全氮的平均含量为0.58±0.253 g·L－1;变异系数分别为0.463、0.298、0.397、0.437。土壤中有效氮和全氮的含量，在水平方向上波动较大，呈非正态分布;在垂直方向上逐层递减，A 层＞B 层＞C 层。

蛟河红松阔叶林土壤有效氮含量总体上较为丰富，在垂直方向上，有效氮的含量逐层递减，A 层土壤有效氮含量明显高于其他土层的有效氮含量，B 层土壤有效氮含量略低于A 层土壤，而C 层土壤有效氮含量明显下降。产生这种现象的原因可能是由于有效氮在土壤中的移动性比较小、过多的氮主要留存在表层土壤造成的。A 层土样、B 层土样、C 层土样有效氮的含量变化幅度不大，且变化趋势基本一致。其原因是有效氮空间变异则主要受结构性因素影响，而且随机因素对其含量空间变异的影响较大。土壤有效氮含量总体上呈小团块状分布。各层土壤有效氮的空间分布均表现为西部、南部较高，东部和北部较低，其余较高值呈零星块状分布的格局，这与研究区的地形变化规律一致。

蛟河阔叶红松林全氮含量没有土壤有效氮分布平均，而是含量较高，A 层土壤与C 层土壤相差并不大，其原因可能是由于蛟河阔叶红松林地内植被种类繁多、各种植物对不同土层的氮素吸收程度不同所造成的。与有效氮相比较，土壤全氮受当地气候及环境影响较大，虽然整体相差不大，但是局部差异明显，即分布格局变化较大。

［1］张春娜，延晓冬，杨剑虹.中国陆地土壤氮库储量估算［D］.重庆:西南农业大学，2004.

［2］李瑛云，宋森，张艳波，等. 阔叶红松林物种多样性变化对土壤性质的影响［J］. 森林工程，2013，30(4):24－29，52.

［3］刘文利，罗广军.不同林型土壤理化性质的差异研究［J］.吉林林业科技，2006，35(1):26－28，34.

［4］梁素钰，刘铁男，李琳，等. 小兴安岭红松土壤微生物群落结构综合评价模型［J］. 森林工程，2014，30(4):42－45.

［5］张元林.吉林省中西部农田防护林土壤特征的研究［J］.吉林林业科技，2006，35(4):15－18.