鄭姍姍 王子敏 吳鵬飛 蔡麗平 馬祥慶

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

武夷山土壤氮素垂直分異規(guī)律研究

鄭姍姍1,2王子敏1,2吳鵬飛1,2蔡麗平1,2馬祥慶1,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

為探討武夷山自然保護(hù)區(qū)土壤氮素的垂直分異規(guī)律，在武夷山自然保護(hù)區(qū)不同海拔的林分內(nèi)設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)不同海拔和土層土壤全氮、水解性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，分析土壤不同氮素的垂直分異規(guī)律。結(jié)果表明，武夷山自然保護(hù)區(qū)0～20 cm土層土壤全氮、水解性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量總體上隨海拔高度的升高呈增加趨勢(shì)，而20～40 cm及40～60 cm土層不同形態(tài)氮素含量隨著海拔高度的變化呈現(xiàn)一定的波動(dòng)；在土壤剖面垂直分布上，土壤全氮、水解性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，土層深度對(duì)土壤不同氮素含量的影響達(dá)顯著水平，但土壤全氮含量在不同土層間的差異規(guī)律不明顯。

土壤氮素；海拔；土層深度；垂直分異;武夷山

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，在土壤中表現(xiàn)出存在形態(tài)多樣、移動(dòng)性強(qiáng)、損失率高等特點(diǎn)，是土壤中最易耗竭的營(yíng)養(yǎng)元素[1]。氮素缺乏會(huì)限制植物的正常生長(zhǎng)，進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及生物地球化學(xué)循環(huán)[2-3]。土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性調(diào)控著植物群落的組成、植被分布和生物量格局[4]，土壤氮素作為森林生態(tài)系統(tǒng)中植物和微生物最直接的氮庫(kù)來(lái)源，其空間異質(zhì)性往往會(huì)影響到該區(qū)域植被的分異和物種豐富度。因此，研究土壤氮素的空間變異性對(duì)了解森林生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用[5-6]。

武夷山自然保護(hù)區(qū)擁有世界上同緯度帶中現(xiàn)存面積最大、保存最完整的中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)，是具有全球意義的生物多樣性保護(hù)關(guān)鍵地區(qū)[7]。保護(hù)區(qū)內(nèi)相對(duì)高差大，有豐富的動(dòng)植物資源，隨著海拔高度的變化，水熱條件呈現(xiàn)明顯的垂直變化趨勢(shì)，使得林分在分布上具有明顯的垂直地帶性，包括了我國(guó)中亞熱帶地區(qū)所有的植被類(lèi)型，從低海拔向高海拔處依次分布著常綠闊葉林、針闊葉混交林、針葉林和山頂草甸等植被，具有中亞熱帶地區(qū)植被的典型性、多樣性和系統(tǒng)性[8]。保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型垂直分布明顯，主要有紅壤、黃紅壤、黃壤、山地草甸土，其垂直分異在我國(guó)中亞熱帶山地中具有一定代表性。因此，武夷山自然保護(hù)區(qū)是研究南方森林土壤養(yǎng)分垂直分異規(guī)律的理想場(chǎng)所。

長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)武夷山土壤理化性質(zhì)[9]、土壤酶活性[10]、土壤生物學(xué)[11-12]等展開(kāi)了許多研究，取得了一些研究成果，但目前對(duì)武夷山土壤不同形態(tài)氮素的研究不是很多，特別是對(duì)武夷山不同海拔梯度土壤不同形態(tài)氮素的分異規(guī)律研究較少。為進(jìn)一步探討土壤養(yǎng)分特性與海拔之間的關(guān)系，特別是土壤不同形態(tài)氮素隨海拔高度的變化規(guī)律，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)武夷山不同海拔梯度不同土壤層次中不同形態(tài)氮素的測(cè)定，分析武夷山垂直帶土壤不同形態(tài)氮素的分異規(guī)律，進(jìn)而探究海拔高度對(duì)土壤不同形態(tài)氮素的影響，為進(jìn)一步研究森林土壤氮素的空間異質(zhì)性和闡明海拔影響森林生態(tài)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

武夷山自然保護(hù)區(qū)地處閩贛邊界，位于北緯27.33°～27.54°，東經(jīng)117.27°～117.51°，面積約570 km2，平均海拔 1 200 m，主峰黃崗山海拔 2 158 m，最低處僅300 m，相對(duì)高差達(dá) 1 858 m。境內(nèi)海拔 1 800 m以上的山峰有34座，形成天然屏障，冬季可阻擋、削弱北方冷空氣的入侵，夏季可抬升、截留東南海洋季風(fēng)，形成中亞熱帶溫暖濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候，具有氣溫低、降水量多、濕度大、霧日長(zhǎng)和垂直變化顯著等特點(diǎn)。年平均降水量 2 000 mm，年平均氣溫為19 ℃，年平均霧日100 d以上，年平均相對(duì)濕度在70%～85%[13-14]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2011年4月，在武夷山自然保護(hù)區(qū)不同海拔高度范圍內(nèi)，每隔200 m左右設(shè)置1個(gè)海拔梯度，共設(shè)10個(gè)，每個(gè)海拔梯度林分內(nèi)設(shè)置2個(gè)10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)地(表1)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地沿其一條對(duì)角線挖取3個(gè)剖面，共計(jì)60個(gè)，每個(gè)剖面按照0～20、20～40 cm和40～60 cm采集土壤樣品。采回的新鮮土樣，先挑去石塊、根莖及各種新生體和侵入體，用四分法把土壤分成2份，其中的一份土樣裝入自封袋內(nèi)，并貯存在4 ℃的冰箱中，用于硝態(tài)氮的測(cè)定；另一份土樣放于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，風(fēng)干后的土樣研磨過(guò)篩，供全氮、水解性氮、銨態(tài)氮的測(cè)定。

表1 不同海拔梯度標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.2 測(cè)定方法

土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤水解性氮采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定，土壤銨態(tài)氮采用氧化鎂浸提-擴(kuò)散法測(cè)定，土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測(cè)定[15]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件分析，對(duì)不同海拔高度和不同土層的土壤全氮、水解性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮進(jìn)行多重比較(LSD法)，分析其差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同海拔土壤全氮垂直分異規(guī)律

從表2可知，隨著海拔的升高， 0～20 cm土層土壤全氮含量呈增加趨勢(shì)，20～40 cm及40～60 cm土層全氮含量隨海拔的升高呈現(xiàn)一定波動(dòng)，但與0～20 cm土層全氮含量變化規(guī)律一致，總體上呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，土壤全氮含量的垂直分異規(guī)律明顯，差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

土壤全氮含量在不同海拔梯度下均呈現(xiàn)出隨著土層深度的加深而逐漸減少的趨勢(shì)，表現(xiàn)出0～20 cm >20～40 cm >40～60 cm的規(guī)律。表層土壤全氮含量明顯高于其他土層，其垂直分異規(guī)律明顯，但不同海拔梯度下20～40 cm與40～60 cm土層全氮含量差異均不顯著，這可能與不同海拔林分枯枝落葉在土壤表層覆蓋分解有關(guān)。

表2 不同海拔和土層深度土壤全氮含量比較

注：同行不同大寫(xiě)字母表示不同土壤層次間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)， 同列不同小寫(xiě)字母表示不同海拔高度間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

3.2 不同海拔土壤水解性氮垂直分異規(guī)律

從表3可知，0～20 cm土層土壤水解性氮含量隨著海拔的升高而升高，20～40 cm及40～60 cm土層土壤水解性氮含量呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，但與0～20 cm土層水解性氮含量變化規(guī)律一致，總體上呈逐漸增加的趨勢(shì)，其垂直分異規(guī)律明顯，不同海拔高度土壤水解性氮差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

不同海拔梯度下土壤水解性氮隨采樣深度的增加呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm的規(guī)律，垂直分異規(guī)律明顯，且不同土層間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。表層土壤水解性氮含量明顯高于下層土壤，可能與表層土壤有機(jī)質(zhì)受淋溶作用、易分解形成有效氮有關(guān)。

表3 不同海拔和土層深度土壤水解性氮含量比較

注：同行不同大寫(xiě)字母表示不同土壤層次間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)， 同列不同小寫(xiě)字母表示不同海拔高度間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

3.3 不同海拔土壤無(wú)機(jī)氮垂直分異規(guī)律

3.3.1土壤銨態(tài)氮的垂直分異規(guī)律 從表4可看出，隨著海拔的變化，不同土層土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，但總體上呈隨著海拔的升高而增加的趨勢(shì)，不同土層銨態(tài)氮含量在 2 158 m處達(dá)到最高值，不同海拔間土壤銨態(tài)氮差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

土壤銨態(tài)氮含量在不同海拔梯度下隨著土層深度的增加呈逐漸減少的趨勢(shì)，不同海拔梯度下表層土壤銨態(tài)氮均高于下層，土壤深度對(duì)銨態(tài)氮含量具有顯著影響。

表4 不同海拔和土層深度土壤銨態(tài)氮含量比較

注：同行不同大寫(xiě)字母表示不同土壤層次間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)， 同列不同小寫(xiě)字母表示不同海拔高度間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

3.3.2土壤硝態(tài)氮的垂直分異規(guī)律 從表5可知，0～20 cm及20～40 cm土層土壤硝態(tài)氮隨海拔的升高逐漸增加，在海拔634 m處硝態(tài)氮含量最低，在海拔 2 158 m處達(dá)到最高，不同海拔間硝態(tài)氮含量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。40～60 cm土層土壤硝態(tài)氮隨海拔的升高存在一定波動(dòng)，在海拔634 m處硝態(tài)氮含量最低，在海拔 2 004 m處達(dá)到最高，但總體上仍與0～20、20～40 cm土層硝態(tài)氮含量變化規(guī)律一致。

不同海拔梯度下土壤硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，表現(xiàn)為0～20 cm >20～40 cm>40～60 cm的規(guī)律，其垂直規(guī)律明顯，且不同土層間硝態(tài)氮含量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)?？梢?jiàn)，土壤深度對(duì)硝態(tài)氮含量具有顯著的影響。

表5 不同海拔和土層深度土壤硝態(tài)氮含量比較

注：同行不同大寫(xiě)字母表示不同土壤層次間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)， 同列不同小寫(xiě)字母表示不同海拔高度間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

4 結(jié)論與討論

海拔是山地重要的地形因子之一，海拔的不同會(huì)引起氣候特征、林分類(lèi)型、土壤類(lèi)型的改變，進(jìn)而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的差異[16]。本研究表明，土壤不同形態(tài)氮素含量在不同海拔梯度間差異顯著(P<0.05)，說(shuō)明海拔對(duì)土壤不同形態(tài)氮素含量影響作用明顯，這與張巧明等[17]、郭永龍等[18]的研究結(jié)果相類(lèi)似。這主要是由于土壤受不同森林類(lèi)型及環(huán)境因子的影響所致。武夷山自然保護(hù)區(qū)地處中亞熱帶，由于地勢(shì)高低起伏懸殊，氣候的垂直變化很明顯，隨著海拔高度的變化，水熱條件也呈現(xiàn)明顯的垂直變化趨勢(shì)，從而使林分結(jié)構(gòu)具有明顯的垂直地帶性，進(jìn)而形成了不同的森林微環(huán)境，間接地引發(fā)了土壤微生物等的變化[19]，不同森林微環(huán)境因植被、土壤溫度、水分等指標(biāo)的不同，對(duì)土壤中氮素的利用及循環(huán)周轉(zhuǎn)不同，從而導(dǎo)致了不同海拔梯度土壤氮素含量的差異顯著。在這些因素的綜合影響下，土壤養(yǎng)分的存在形式和分解釋放受到影響，最終導(dǎo)致不同海拔土壤氮素的差異。

在自然生態(tài)系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)所需的大部分氮是由植物凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解所提供[20]。凋落物的分解是森林土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源[21]，不同林分類(lèi)型凋落物的化學(xué)組成及分解速度有較大差異，武夷山自然保護(hù)區(qū)地處中亞熱帶，水熱條件優(yōu)越，土壤分化強(qiáng)烈，林分分布具有明顯的垂直地帶性，不同林分因樹(shù)種組成不同，凋落物的分解速度及化學(xué)組成不同，對(duì)土壤中養(yǎng)分的利用及循環(huán)周轉(zhuǎn)相異，使得不同林分土壤養(yǎng)分含量差異顯著。有研究表明[22-23]，在森林土壤垂直剖面上表土層土壤氮素含量高于下層，本研究結(jié)果證明了這一點(diǎn)。武夷山自然保護(hù)區(qū)土壤不同形態(tài)氮素在不同海拔梯度下呈現(xiàn)隨著土層加深而降低的趨勢(shì)，這是由于林分枯枝落葉主要覆蓋在土壤表層，凋落物在雨水淋溶作用下快速分解，養(yǎng)分迅速歸還給土壤，從而使凋落物層直接接觸的土壤表層接受的養(yǎng)分歸還量多于下層，造成養(yǎng)分在土壤表層聚集，導(dǎo)致土壤表層氮素較高[24]。同時(shí)，風(fēng)化、大氣沉降、淋溶、生物循環(huán)等也會(huì)影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素的垂直分布。風(fēng)化溶解和大氣沉降也會(huì)影響?zhàn)B分向土層的輸入方向，淋溶使得養(yǎng)分向下遷移，隨著土層深度的增加養(yǎng)分濃度也增加；生物循環(huán)與淋溶作用相反，其總體上使養(yǎng)分向上移動(dòng)[25]。生物循環(huán)通過(guò)植物吸收把土壤深層的養(yǎng)分運(yùn)移到地上部分，并可通過(guò)枯枝落葉的再循環(huán)使部分養(yǎng)分歸還到地表，礦化后補(bǔ)充土壤中礦質(zhì)成分的損失，因此生物循環(huán)使養(yǎng)分在表層中富集并隨剖面深度而降低[26]。

由于引起土壤氮素垂直異質(zhì)性的因素很多，這些因素都有可能導(dǎo)致土壤中氮素的垂直異質(zhì)性的產(chǎn)生，因此要全面了解武夷山自然保護(hù)區(qū)森林土壤氮素的垂直異質(zhì)性規(guī)律，還需要進(jìn)一步的定位研究。建議在以后的研究中要對(duì)該區(qū)域不同海拔的土壤進(jìn)行長(zhǎng)期定位調(diào)查，并結(jié)合當(dāng)?shù)厣种脖活?lèi)型開(kāi)展綜合研究，掌握土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化，最終揭示亞熱帶天然林土壤氮素的垂直遷移規(guī)律。

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(責(zé)任編輯 張 坤)

Study on Vertical Distribution of Soil Nitrogen in Wuyishan Nature Reserve

ZHENG Shan-shan1,2， WANG Zi-min1,2， WU Peng-fei1,2，CAI Li-ping1,2，MA Xiang-qing1,2

(1.College of Forestry , Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou Fujian 350002,China；2.State Forestry Administration Engineering Research Center of Chinese Fir，F(xiàn)uzhou Fujian 350002,China)

In order to determine the vertical differentiation rules of soil nitrogen in Wuyi Mountain Nature Reserve, the standards plot at different altitudes in Wuyi Mountain Nature Reserve were chosen and the total nitrogen, hydrolysis nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen of soil at different elevations and soil layer were analyzed. The results showed that, the contents of total nitrogen, hydrolysis nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen in the layer of 0-20 cm were gradually increasing with altitude; however, there were some fluctuations changes with altitude in the layer of 20-40 cm and 40-60 cm. In the vertical distribution of soil profile, the contents of total nitrogen, hydrolysis nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen decreased gradually with the soil depth, the different forms nitrogen were significantly affected by the soil depth, however, the difference of total nitrogen among soil layers was not significant.

soil nitrogen; altitude; soil depth; vertical distribution;Wuyishan

2014-03-24

國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研項(xiàng)目(201304303)資助；福建省科技廳重大專(zhuān)項(xiàng)(2012NZ0001-1)資助；福建農(nóng)林大學(xué)部級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)資助。

馬祥慶(1966—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：森林培育。Email:lxymxq@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.004

S714.5

：A

：2095-1914(2014)05-0020-05

第1作者：鄭姍姍(1989—)，女，碩士生。研究方向：恢復(fù)生態(tài)。Email:fjfzz33@163.com。