北江流域森林土壤氮空间分布特征研究*

邓泽伟 康 剑,2 孙冬晓 邓景月张 耕 李莹莹 丁晓纲

(1.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2.中国科学院华南植物园，广东广州 510650）

森林土壤资源是发展林业生产的重要影响因素，保护生态环境和改善人们生活条件都具有重大贡献[1-2]。在我国对土壤氮的研究非常重视，在热带森林、农田土壤等方面也相应开展了一些研究[3]。森林土壤全氮是森林生态系统中能够直接或经转化后被植物根系吸收的矿质营养成分，是森林土壤肥力的重要组成部分，是衡量森林土壤质量的重要指标[4-5]，氮的含量从一定程度上可以反映土壤水质富营养化程度[6-7]，为森林土壤发展提供一个良好的方向。

北江流域土壤一直作为全国重要研究对象[8]，通过对北江流域土壤进行取样分析，解剖北江流域土壤氮元素空间分布状况，揭示土壤氮含量水平及垂直方向上得空间分布特征，可为植物单个个体提高碳素同化能力、增加生长抗抑制、为根系发育提供良好的环境，同时也可为北江流域林区合理施肥、降低污染、提高森林立地质量、可持续利用森林与环境发展资源。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北江是珠江第二大水系，发源于江西省信丰县石碣大茅坑，从北到南依次流经韶关、清远、佛山，在三水思贤滘与西江沟通后，注入珠江三角洲网河区。北江水系几乎全部在广东境内，河长573 km，流域面积在思贤滘以上为52 068 km2，占珠江流域面积的10.3%[9]。北江流域地处亚热带、中亚热带，光热资源充足，气候温和，雨量充沛，十分有利于各种农作物生长，自然资源丰富，农林资源潜力大[10]。大气环流随季节变化，夏季盛吹东南风和偏南风，冬季常为北风和偏北风。四季的主要特点：春季阴雨，雨日较多；夏季高温湿热，水气含量大，暴雨集中；秋季常有热雷和台风雨；冬季低温，雨量稀少[11]。北江流域中上游地区位于广东省北部，地势起伏较大，低山丘陵多，土地资源较为丰富，水热条件优厚，使得中上游地区农业比较发达[12]。相反，北江流域下游地区位于珠三角北部，优越的地理位置和优惠的政策使得下游地区经济快速发展。主要土壤是红壤、赤红壤、黄红壤及黄壤，占总面积的70%。

1.2 研究方法

1.2.1 样点布设 本次研究采取随机布点与专题布点相结合的方法，在北江流域总共布设土壤采样点174 个，如图1 所示，分布于清远市英德市、清城区、清新区、佛冈县和韶关市。专题布点使土壤样点能够代表研究区不同地形地貌、水文、植被条件下的土壤状况，随机布点是在专题需求的基础上，使得布设样点在研究区域均匀分布[13-15]。韶关市调查时间为2020 年7—9 月，清远市为2021 年7—9 月。

图1 北江流域森林土壤样点布设Fig. 1 Layout diagram of forest soil sample points in Beijiang River Basin

1.2.2 土壤样品采集 在布设点附近选取土壤发育条件好且符合专题布点信息的位置进行取样（距离布设点不超过30 m），取样时尽量规避一些高风险区域（如石漠化、沙漠、无树荒地、路边、河流等）。样点剖面要求为挖掘3 个宽60 cm深1 m 的土壤剖面，用剖面刀自上而下进行修整，露出从地面向下挖掘至母质层所裸露出来的一段垂直界面。将土壤剖面分为4 层，包括D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），由下至上分层取样，每个样品500 g 左右，做好剖面记录。采集好的土壤样品带回妥善带回实验室保存，放置于通风、阴凉的地方摊开[16-18]。对林地土壤样品进行氮元素的检分析时，采用半微量凯氏法测定，依据林业行业标准进行[19]。主要步骤为：消煮、蒸馏、滴定。

1.3 分析方法

通过Excel 2010 对土壤养分含量进行描述性统计，包括均值、极值、标准差等。本研究运用ArcGIS 10.3 软件对土壤养分进行空间克里格插值，进而分析北江流域土壤氮含量的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 不同森林土壤层氮含量描述性统计

北江流域森林土壤分为4 个土壤层，由表层至深层依次为D1、D2、D3、D4 层，不同土壤层氮含量描述性统计如表1 所示。4 个土壤层氮含量的平均值、中位数和最小值由表层至深层均依次降低，氮含量在D2 土壤层达到最大值。标准误差值和标准差值均在D2 层达到最大和D4 层最小，其中D1 和D2 土壤层的标准误差值和标准差值相近，整体来看，氮含量由表层至深层的空间变异性逐渐减小。D1-D4 土壤层的峰度值和偏度值显示，4 个土壤层均呈现偏正态分布，其中D1 土壤层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统计Table 1 Descriptive statistical table of forest soil nitrogen content in Beijiang River Basin

2.2 不同森林土壤层氮含量对比分析

北江流域森林土壤4 个土壤层氮含量箱线图如图2 所示。箱线图显示，D1-D4 各土壤层之间氮含量均存在显著差异，其中D1 与D2、D3、D4土壤层，D2 与D3、D4 土壤层之间的差异性高于D3 与D4 土壤层。氮含量的平均水平在D1 土壤层达到最高，D2、D3、D4 土壤层逐渐降低。离散程度与平均水平的变化趋势一致，随土壤层的加深，离散程度逐渐降低，空间变异性逐渐降低。由上可知，各土壤层之间氮含量均存在显著性差异，表层土壤氮含量的平均水平及离散程度高于其他土壤层，且随土壤层深度的增加，氮含量逐渐降低，离散程度逐渐减小，空间变异性逐渐减弱。

图2 北江流域森林土壤氮含量箱线图Fig. 2 Box line diagram of soil nitrogen content in forest soil in BeiJiang River Basin

2.3 各森林土壤层氮含量空间分布特征

北江流域森林土壤4 个土壤层氮含量空间分布如图3 所示，D1、D2、D3 和D4 土壤层氮含量分别主要分布于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 之间。从水平方向上看，4 个土壤层氮含量的空间分布整体上均呈现西部高东部低的变化趋势，其中D2 土壤层在流域的东西两侧土壤氮含量差异大于其他土壤层，存在明显的空间分布差异。从垂直方向上看，D1～D4 土壤层氮含量整体上呈现出逐渐降低的变化趋势；在北江流域东侧，D1 比D2、D3、D4 土壤层氮含量明显增加；在北江流域的西侧，D1～D4 土壤层氮含量存在明显减少。

图3 北江流域不同土壤层森林土壤氮含量空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil nitrogen content in forests of different soil layers in Beijiang River Basin

3 结论与讨论

土壤氮元素含量在森林植被、结构状况、水分、温度、酸碱度等外部因素的影响下会存在上下波动的现象[20]，植物生长获取氮元素的方式主要通过从土壤中吸收或分解枯枝落叶两种方式，进而转化为土壤有机质，有机质通过各种生物或化学反应又产生氮元素至土壤，从而说明氮含量是会产生变化的，即不同时期存在一定的差异性。

通过对不同森林土壤层氮含量进行描述性统计、对比分析和空间作图，结果呈现出明显的一致性。随着土壤深度加深，4 个土壤层氮含量的平均值、最小值和中位数由表层至深层均依次降低以及离散程度逐渐减低，D1 与D2 土壤层的标准误差值和标准差相近，说明二者氮含量的空间变异性减少。其中氮含量随土壤层深度增加而逐渐降低，这与李昌珍[21]的研究结果是以柠条和荒草作为研究对象得出随着土壤深度增加，氮含量减少的结果相吻合；同时周唯[22]以温度对土壤氮影响展开研究，得出随着土壤深度加深、氮含量减少的结论。

这种空间分布差异与森林植被结构、温度、季节气候等密切相关[23]。分析研究林地土壤氮元素含量的空间分布特征，有利于提高林地立地质量、土地利用率。