基于空间插值的连州市森林土壤氮素含量分析*

张志辉 程长福 康 剑 丁晓纲

（1.广东省清远市龙坪林场，广东 连州513438；2.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；3.中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

氮元素作为森林土壤的结构性元素，对植物的生长发育有着重要的作用[1-3]。森林土壤氮素主要来自于大气氮沉降[4]、动植物残体分解等[5]。氮元素是植物进行光合作用的必要元素，同时，是生态系统物质循环的重要元素之一[6-8]。研究显示，氮素循环对生态系统碳循环具有重要的影响作用[9]。氮素可以协调营养因素与环境条件，保证植物与土壤之间养分循环以及能量流动的顺利进行，对维持地球生态平衡、维护生态环境具有重要作用[10]。氮素是土壤肥力的重要指标，是评价土壤肥力的重要依据[11]。因此，充分了解区域森林氮素含量的空间格局，对于高效开展森林培育、发挥森林土壤最大价值具有重要意义。

本研究对连州市全域尺度的森林土壤样品进行分层采集，通过测定土壤氮素含量，基于空间分析的方法，对连州市森林土壤氮素含量进行分析研究。本研究旨在分析揭示连州市土壤氮素的空间分布格局。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

连州市位于广东省西北部，小北江的上游。东南毗邻阳山县，西南连接连南县，西北与湖南省蓝山、江华县相连，北与湖南省临武县交界，东北临湖南省宜章县境。其地理坐标为112°47’～112°07’E， 24°37’～ 25°12’N。主峰天堂岭，海拔1 712 m。全市地貌类型以山地为主，气候属于中亚热带季风气候，年平均气温19.4℃，无霜期306 d，平均年总降雨量1 603 mm。全市有11个乡镇，人口53 万，林地面积19.13 万hm2（不含龙坪林场1.1 万hm2），森林覆盖率68.21%，活立木蓄积量1 195.95 万m3[12]。

图1 连州市林地土壤采样点分布Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in Lianzhou city

1.2 样品采集及氮素含量的测定

根据研究区植被、地形、气候特征等状况，连州市共采集182 个样点，使得样点随机均匀分布在不同地形、地貌、水文、植被状况的区域，且对于土壤信息状况有一定的代表性。选择样点内挖剖面，每隔20 cm 分层取样，共取3 层分别为0～20 cm（I-F-1）、20～40 cm（I-F-2）、40～60 cm（I-F-3）。将分层采样的土壤带回实验室，风干、过筛后以便后续分析。然后采用凯氏法测定土壤样品全氮含量[13-14]。

1.3 数据分析

通过Excel 对土壤养分含量进行描述性统计，运用R 进行数据分层差异分析。本研究运用Arc-GIS 10.3 软件对土壤氮元素进行空间克里格插值（Kriging），进而分析连州市林地土壤氮素含量的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 森林土壤分层氮素含量分析

调查统计结果表明（表1），连州市森林土壤 中I-F-1 层 氮 素 含 量 为330.64～2 503.00 mg/kg，平 均 值 为1 033.36.05±361.41 mg/kg；I-F-2层的氮素含量为357.30～2 270.80 mg/kg，平均值为957.53±324.29 mg/kg；I-F-3 的 氮 素 含 量 为291.08～2 219.20 mg/kg，平均值为918.92±297.24 mg/kg。整体来看，随着土层的加深，土壤氮素含量依次减少。

表1 连州市森林土壤各层氮素统计值 mg/kgTable 1 Statistical values of nitrogen in forest soil layers in Lianzhou city

2.2 不同土层土壤氮素含量差异

结果显示（图2），I-F-1 层与I-F-2、I-F-3 层之间氮素含量有着显著差异，但是I-F-2、I-F-3 层之间没有显著差异。结果表明，随着土层的加深，氮素含量显著降低，相对于表层氮素，其它土层有显著的下降。

图2 连州市森林土壤不同土层氮素含量差异Fig. 2 Difference of nitrogen content in different soil layers of forest in Lianzhou city

2.3 土壤氮素各层含量空间分布特征

结果显示（图3），连州市森林表层土氮素含量空间差异显著，市域内大部分区域呈现中等水平，集中分布于799.24～1 146.45 mg/kg。仅在连州东南部出现高值区域。I-F-2 层土氮素含量空间差异显著，市域内整体呈现中等水平，其中，中部表现出明显的低值区域，在东南部区域出现小面积高值区域。氮素含量在I-F-3 土壤中仍存在空间差异。与前两层不同的是，该层土壤氮素高值区域分布在东南、西北两个区域。但整体而言，氮素含量较前两层明显降低。中部、南部表现出明显的低值区域。

图3 连州市森林土壤氮素空间分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of nitrogen in the soil layer in Lianzhou city

总体而言，连州市大部分区域的森林土壤氮素处于中等水平。仅在东南部出现高值区域，中南部出现低值区域。高值区域可能是因为连州市东南部是龙坪林场的经营区域，森林会产生大量的凋落物进入土壤[19]。而低值区域可能主要是因为中南部区域是连州市的主要城市发展区域，因此氮素含量偏低。尽管不同土层有差异，但总体分布格局一致。

综上所述，连州市森林土壤氮素含量在空间上存在明显差异，随着土层的加深，土壤氮素含量降低，第二、三层与表层氮素含量有显著差异。东南部的氮素含量较高，中南部地区含量较低。

3 讨论与结论

研究结果显示，连州市土壤氮素在在不同尺度上存在明显的空间差异。随着土层的加深，氮素含量降低，然而，I-F-2 与I-F-3 层之间氮素含量没有显著差异。这一结果表明，随着土层的加深，氮素含量不断趋于稳定[15]。本研究结果与其它地区的相关研究结果一致[16]。表层氮素含量较高，主要是因为森林凋落物的大量输入，增加了土壤氮素的输入量[17]。另一个重要因素可能是长期的氮沉降，大气氮沉降能够有效增加土壤氮素含量[18]。