東江中下游流域森林土壤氮含量空間分布特征*

張 耕 孫冬曉 康 劍,2 謝振東曲 仡 丁曉綱

(1.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2.中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東廣州 510650）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林土壤在維系全球生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用[1]。土壤全氮是森林土壤的結(jié)構(gòu)性和養(yǎng)分元素，不僅可以為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)，也可以協(xié)調(diào)養(yǎng)分和環(huán)境條件，保證土壤和植物之間養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)的順利進(jìn)行[2]，森林土壤中的全氮與其他養(yǎng)分促進(jìn)協(xié)調(diào)，共同為森林植物的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)成分與基礎(chǔ)理化條件，對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)有重要影響，在土壤保肥能力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高林業(yè)生產(chǎn)等方面有重要影響[3-5]。

分析東江中下游流域土壤全氮空間分布狀況，揭示土壤全氮含量水平及垂直方向上的空間分布特征，可為東江中下游流域林區(qū)合理施肥、精準(zhǔn)提高質(zhì)量、宏觀經(jīng)營(yíng)決策、可持續(xù)利用森林與環(huán)境資源等提供理論依據(jù)[6-7]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東江中下游流域，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和，光照時(shí)間長(zhǎng)，年均溫20.4℃，地勢(shì)東北高、西南低。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和，光照時(shí)間長(zhǎng)，年均溫20.4 °C左右。降雨量充足，年平均降水量為1 500～2 400 mm，西南多、東北少，干濕季明顯。地表出露地層主要為花崗巖、砂頁(yè)巖和紫紅色砂巖及其上發(fā)育的數(shù)十至數(shù)百米的紅色風(fēng)化殼。成土母質(zhì)以花崗巖和砂頁(yè)巖為主，土壤類型主要是地帶性土壤，包括赤紅壤、山地紅壤和山地黃壤[8-9]。流域內(nèi)植被屬于亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林和南亞熱帶草被以及人工營(yíng)造的針葉林，常年青綠。河岸帶植物物種多樣性豐富，植被以禾本科、菊科、蝶形花科、莎草科為主[10]。

1.2 土壤樣點(diǎn)布設(shè)、樣品采集與化驗(yàn)

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè) 2021 年7 月，采用抽樣網(wǎng)格隨機(jī)布點(diǎn)法設(shè)置東江中下游土壤采樣點(diǎn)，在林地土壤調(diào)查區(qū)域內(nèi)生成抽樣網(wǎng)格，并進(jìn)行無(wú)人機(jī)踏查及各調(diào)查專題點(diǎn)的高分辨率DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，確定土壤樣點(diǎn)布設(shè)位置及調(diào)查線路，集合林地信息從中進(jìn)一步篩選出混交林地采樣點(diǎn)，總共布設(shè)土壤采樣點(diǎn)192 個(gè)，其中專題布點(diǎn)104 個(gè)，隨機(jī)布點(diǎn)88 個(gè)，分布于惠州市惠城區(qū)、博羅縣、惠東縣、龍門縣，如圖1。

圖1 東江中下游流域森林土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig. 1 Layout of forest soil samples in middle and lower reaches of Dongjiang River basin

1.2.2 樣品采集與化驗(yàn) 土壤樣品采集時(shí)間為2021 年7—9 月，按照《中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（LY/T 2250-2014）森林土壤調(diào)查技術(shù)規(guī)程[11]，采樣時(shí)通過手持GPS 定位到達(dá)預(yù)設(shè)樣點(diǎn)區(qū)域，對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)情況與采樣點(diǎn)布設(shè)要求信息，包括植被類型、坡位、坡向、坡度等，在誤差允許范圍內(nèi)（通常為預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)半徑100 m 范圍內(nèi)）選擇土壤發(fā)育條件穩(wěn)定，沒有經(jīng)過挖溝、整修等人為擾動(dòng)的區(qū)域設(shè)置土壤剖面，每個(gè)樣點(diǎn)在設(shè)置3個(gè)重復(fù)剖面，各剖面水平間距不小于10 m，取每個(gè)剖面0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm深度土壤樣品約500 g，共取土壤樣品15 份，保存于封口袋中。采用凱氏法測(cè)定土壤樣品全氮含量[12-13]。

1.3 分析方法

使用Excel 2010 與SPSS 19 對(duì)東江中下游流域森林土壤全氮含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，繪制4 個(gè)土壤層之間全氮含量的差異性分析箱線圖，分析個(gè)土壤層之間全氮含量的數(shù)據(jù)離散程度。運(yùn)用ArcGIS 10.3，制作4 個(gè)土壤層全氮含量的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林土壤層全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)

東江中下游流域森林土壤分為4 個(gè)土壤層，由表層至深層依次為D1、D2、D3、D4 層，不同土壤層全氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)如表1 所示。4 個(gè)土壤層全氮含量的平均值、最小值和中位數(shù)由表層至深層均依次降低，其中平均值在D1 至D4 層分 別 為876.28 mg/kg、630.05 mg/kg、563.48 mg/kg 和518.81 g/kg。標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差由D1 至D4層逐漸降低，其中D1 至D4 層標(biāo)準(zhǔn)誤差依次為23.88 mg/kg、18.00 mg/kg、17.50 mg/kg 和16.76 mg/kg，D1 至D4 層標(biāo)準(zhǔn)差依次為330.92 mg/kg、249.46 mg/kg、242.45 mg/kg 和232.23 mg/kg， 表明由表層至深層土壤全氮含量變化趨于穩(wěn)定。D1至D4 層的峰度值和偏度值顯示，4 個(gè)土壤層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布，其中D1 土壤層的偏度和峰度值最低，分別為1.03 和1.27。

表1 東江中下游流域森林土壤全氮含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistical table of forest soil total nitrogen content in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.2 不同森林土壤層全氮含量對(duì)比分析

東江中下游流域森林土壤4 個(gè)土壤層全氮含量箱線圖如圖2 所示。箱線圖顯示，除D3 與D4土壤層之間的土壤氮含量無(wú)顯著差異外，其余各土壤層之間均相互存在顯著差異（P＜0.05）。其中D1 與D2、D3、D4 土壤層，D2 與D4 土壤層之間的差異性相對(duì)大，D2 與D3 土壤層之間的差異性相對(duì)小。全氮含量的平均水平在D1 土壤層達(dá)到最高，D2、D3、D4 土壤層逐漸降低。離散程度顯示，D1 土壤層的離散程度高于D2、D3 和D4 土壤層，表明D1 土壤層的空間變異性高于其他3 個(gè)土壤層，隨土壤層深度的增加，離散程度逐漸減小，空間變異性逐漸減弱。

圖2 東江中下游流域森林土壤全氮含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of soil total nitrogen content in forest soil in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

2.3 各森林土壤層全氮含量空間分布特征

東江中下游流域森林土壤4 個(gè)土壤層全氮含量空間分布如圖3 所示，從水平方向上看，4 個(gè)土壤層全氮含量的空間分布由西北向東南呈現(xiàn)先降低后增加再降低的條帶分布變化。從垂直方向上看，D1 至D4 層全氮含量整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢(shì)。

圖3 東江中下游流域不同土壤層森林土壤全氮含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil total nitrogen content in forests of different soil layers in middle and lower reaches of Dongjiang River Basin

3 結(jié)論與討論

3.1 東江中下游流域D1 至D4 層全氮含量為322.04～482.77 mg/kg、252.38～1 479.6 mg/kg、244.64～1600.00 g/kg 和190.46～1 496.8 mg/kg 之間。平均值分別為876.28 mg/kg、630.05 mg/kg、563.48 mg/kg 和518.81 g/kg。4 個(gè)森林土壤層全氮含量的平均值、最小值和中位數(shù)由表層至深層均呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差表明由表層至深層土壤全氮含量變化趨于穩(wěn)定。

3.2 除D3 與D4 土壤層之間的氮含量無(wú)顯著差異外，其余各土壤層之間均相互存在顯著差異（P＜0.05）。表層土壤全氮含量的平均水平及離散程度高于其他土壤層，且隨土壤層深度的增加，全氮含量逐漸降低，離散程度逐漸減小，空間變異性逐漸減弱。

3.3 東江中下游流域森林土壤4 個(gè)土壤層（D1、D2、D3 和D4）全氮含量水平方向上的分布呈現(xiàn)由西北向東南呈現(xiàn)先降低后增加再降低的條帶分布變化趨勢(shì)。垂直方向上，D1～D4 土壤層全氮含量整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢(shì)。與鄧小軍[14]對(duì)亞熱帶廣西山地紅壤區(qū)域的研究結(jié)果一致。主要是由于枯枝落葉和土壤動(dòng)物、微生物主要處于土壤表層，同時(shí)表層土壤通氣、濕熱條件優(yōu)于深層土壤，使得全氮在表層積累含量高[15]。