土壤有机质和氮素是土壤肥力的重要物质基础,对土壤生产力和土地可持续利用具有重要意义。以江西庐山5种典型森林土壤为研究对象,对5种不同森林土壤SOC、N贮量及垂直分布格局进行分析。结果表明,5种森林土壤全N含量和贮量同SOC分布格局一致,以0~10 cm最大,表现为随土层深度增加逐渐减小;表层土壤明显高于深层土壤,且不同土层的差异显著性不同;5种森林土壤C/N差异性极显著,其中落叶阔叶林地土壤C/N高于其它4种林地。 Soil organic matter and nitrogen are important material of soil fertility. They also have important significance and function for soil productivity and sustainable utilization of land. Taking 5 kinds of typical forest soils in Lushan Mountain as research objects, we analyze the content and storage of the 5 kinds of typical forest soil through setting up the sample land and calculating the content of SOC and N from different kinds of forest soil. The results show that the distribution of the content of N in the forest soil is in accordance with SOC. The maximum measurement emerges from 0 to 10 cm soil and the record declines with the increase of the soil layer depth. SOC in the surface soil is apparently higher than deep soil. The difference is significant after comparing the stock of soil SOC from different kinds of soil. Moreover, the C/N of 5 kinds of typical forest soil expresses significant difference. The C/N of deciduous broad-leaf forest soil is higher than the other 4 kinds of forest.
张 茜,于法展*,张忠启,李 玲,雷良媛,张少坤,陈 俊
江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州
收稿日期:2017年1月16日;录用日期:2017年2月1日;发布日期:2017年2月4日
土壤有机质和氮素是土壤肥力的重要物质基础,对土壤生产力和土地可持续利用具有重要意义。以江西庐山5种典型森林土壤为研究对象,对5种不同森林土壤SOC、N贮量及垂直分布格局进行分析。结果表明,5种森林土壤全N含量和贮量同SOC分布格局一致,以0~10 cm最大,表现为随土层深度增加逐渐减小;表层土壤明显高于深层土壤,且不同土层的差异显著性不同;5种森林土壤C/N差异性极显著,其中落叶阔叶林地土壤C/N高于其它4种林地。
关键词 :森林土壤,碳氮贮量,碳氮比,分布格局
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土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)和氮(Total Nitrogen, TN)的含量和分布直接关系到生态系统的生产力和规模,进而影响到温室气体的组成与含量,温室气体对全球气候变化的影响又反作用于土壤SOC和N的转化与迁移 [
庐山位于江西省北部,距九江市约13 km,东及东南临鄱阳湖,北濒长江,地理坐标29˚28'N~30˚53'N,115˚50'E~116˚10'E,总面积30,493 hm2,海拔跨度为40~1474 m,主峰大汉阳峰海拔1474 m。该地区地处亚热带东部季风区域,具有鲜明的季风气候特征;且面江临湖,山高谷深,与周围平原地区相比较,具有鲜明的山地气候特征。年平均温度11.4℃,1月均温−0.3℃,7月均温22.5℃,极端低温−16.8℃,极端高温32.8℃,年平均降水量1929.2 mm。降雨集中于4~7月,约占全年降水量的70%,年均相对湿度80%。庐山系块垒式山地,在新构造运动的影响下,仍在继续抬升,地层较复杂。该区计有维管束植物2400种,其中国家重点保护的珍贵、稀有、濒危植物44科57属93种(包括引种部分),被子植物有150科800属1900多种,主要科属为壳斗科5属23种、樟科23种,山茶科19种、木兰科12种。该地区森林植被在海拔700 m以下主要为常绿阔叶林带,海拔700~1000 m之间为常绿–落叶阔叶混交林带,海拔1000 m以上为落叶阔叶林带。其中常绿阔叶林带由于人类活动的干扰、破坏比较严重,仅存小片分布,从灌草丛中首先恢复起来的是马尾松(Pinus massoniana)林,在山麓中分布很广;落叶阔叶林带破坏比较严重,在海拔800 m以上主要为黄山松(Pinus taiwanensis Hayata)林。山上植被相对保存完好,对水源的涵养、径流的调节有一定作用。该地区土壤从山麓到山顶依次分布着红壤和黄壤、山地黄壤、山地黄棕壤和山地棕壤。
2014年8~9月在庐山典型森林植被下设置6块测试样地(表1和图1),分别代表该区内不同的森林植被类型和土壤类型,调查其上的主要植物种类及地形因子(坡向、坡度、坡形等);每块样地设置3个重复,样地面积根据森林类型而定,阔叶林取为40 m × 50 m,针叶林取为20 m × 25 m,各样地的土壤剖面选在靠近测试样地的位置(样方为1 m × 1 m),这样既保证土壤调查的代表性,又不破坏样地的完整性。每块样地内按对角线随机布点挖取一个土壤剖面,调查其相应的土壤特性,并按由下向上的顺序分层取环刀土样和采集混合样(按0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm分层重复采样3次混均),带回实验室分析。
图1. 庐山6块标准测试样地分布示意图
采样地点 | 森林类型 | 主要层优势植物 | 坡向坡度/˚ | 海拔/m | 土壤类型 |
---|---|---|---|---|---|
白鹿洞 | 马尾松林 | 马尾松 | NW15~25 | 250 | 红壤 |
观音桥 | 常绿阔叶林 | 苦槠、大叶拷树 | E15~20 | 500 | 黄壤 |
黄龙寺 | 常绿–落叶阔叶混交林 | 青岗栎、化香 | SW30~40 | 900 | 山地黄壤 |
铁船峰 | 落叶阔叶林 | 茅栗、短柄枹 | NE25~30 | 1000 | 山地黄棕壤 |
含鄱口 | 玉山竹林 | 玉山毛竹 | SW35~40 | 1100 | 山地黄棕壤 |
五老峰 | 黄山松林 | 黄山松 | NW20~25 | 1250 | 山地棕壤 |
表1. 庐山6块标准测试样地的基本概况
将土样置于阴凉处自然风干,去除枯枝落叶、石子等杂物后研磨粉碎,过100目(<0.1 mm)筛备用,测定 > 2 mm的砾石含量。环刀法测定土壤容重;105˚C ± 2˚C烘干法测定土壤含水率;土壤SOC采用浓硫酸–重铬酸钾容量法——稀释热法–硫酸亚铁滴定法测定,土壤全N采用半微量凯氏法测定。具体测定方法参照《土壤农业化学分析方法》 [
式中SOCD为土壤SOC贮量(t∙hm−2),SND为土壤全N贮量(t∙hm−2),n为土壤剖面分割的层数,SOCi、TNi、Bi、Hi和Gi,分别为第i层土壤SOC含量(g∙kg−1)、全N(g∙kg−1)、土壤容重(g∙cm−3)、土层厚度(cm)和砾石含量(%)。对庐山不同森林土壤以及不同土层的SOC和N含量、贮量采用SPSS软件比较其差异,检验不同森林土壤SOC、N含量和贮量的相关性。
反映土壤物理性质的指标有很多,庐山森林土壤所涉及的物理指标主要有土壤容重、总孔隙度和自然含水率。土壤容重反映了土壤的疏松状况与通气性,该值的大小可以说明土壤涵蓄水分以及供应树木生长所需水分的能力,容重值越小,说明土壤越疏松。而土壤孔隙状况则直接影响着土壤的通透性及根系穿插的难易程度,对土壤中水、肥、气、热以及生物活性等发挥着不同的功能 [
森林植被类型 | 土层(cm) | 容重(g∙cm−3) | 总孔隙度(%) | 自然含水率(%) |
---|---|---|---|---|
常绿–落叶 阔叶混交林 | 0~10 | 0.45 ± 0.06 | 65.86 ± 2.32 | 12.31 ± 2.83 |
10~20 | 0.93 ± 0.12 | 56.76 ± 4.05 | 10.07 ± 2.13 | |
20~30 | 1.22 ± 0.14 | 52.23 ± 4.61 | 9.74 ± 1.53 | |
针叶林 | 0~10 | 0.51 ± 0.22 | 62.65 ± 7.88 | 10.89 ± 2.35 |
10~20 | 0.89 ± 0.15 | 57.96 ± 5.43 | 11.01 ± 1.32 | |
20~30 | 1.14 ± 0.17 | 54.57 ± 5.62 | 10.99 ± 0.84 | |
落叶阔叶林 | 0~10 | 0.39 ± 0.17 | 69.02 ± 6.91 | 18.81 ± 4.67 |
10~20 | 0.78 ± 0.12 | 59.18 ± 4.32 | 18.30 ± 4.24 | |
20~30 | 1.03 ± 0.14 | 56.77 ± 3.78 | 17.76 ± 2.08 | |
常绿阔叶林 | 0~10 | 0.49 ± 0.17 | 63.62 ± 6.04 | 14.17 ± 3.72 |
10~20 | 0.73 ± 0.07 | 60.46 ± 3.11 | 14.42 ± 4.46 | |
20~30 | 1.07 ± 0.04 | 55.43 ± 2.43 | 14.67 ± 4.34 | |
玉山竹林 | 0~10 | 0.61 ± 0.23 | 61.21 ± 4.37 | 9.87 ± 3.78 |
10~20 | 0.92 ± 0.16 | 56.97 ± 3.98 | 10.32 ± 4.01 | |
20~30 | 1.17 ± 0.18 | 53.99 ± 4.04 | 10.24 ± 3.97 |
表2. 庐山不同森林土壤物理性质
从表2可知,各森林植被类型下土壤容重的差异性不明显,但是随土层深度而增加的幅度较明显,不同森林土壤容重平均值排序为玉山竹林(0.90 g∙cm−3) > 常绿–落叶阔叶混交林(0.87 g∙cm−3) > 针叶林(0.85 g∙cm−3) > 常绿阔叶林(0.76 g∙cm−3) > 落叶阔叶林(0.73 g∙cm−3)。这说明落叶阔叶林下土壤较疏松、通气性能好,具有较高的水源涵养和水土保持功能。0~30 cm土壤平均自然含水率的排序为落叶阔叶林(18.29%) > 常绿阔叶林(14.42%) > 针叶林(10.96%) > 常绿–落叶阔叶混交林(10.71%) > 玉山竹林(10.14%),即落叶阔叶林下土壤自然含水率明显高于其他森林植被类型。0~30 cm不同森林土壤总孔隙度平均值大小排序为落叶阔叶林(61.66%) > 常绿阔叶林(59.83%) > 针叶林(58.39%) > 常绿–落叶阔叶混交林(58.28%) > 玉山竹林(57.39%)。通过SPSS软件对不同土层的测试样地土壤分析结果显示,不同森林植被类型下土壤容重随土层深度的变化达到显著水平,而土壤孔隙度随土层深度的变化也达到显著水平。即不同森林植被类型下土壤均表现出土壤容重随土层深度增加而逐渐增大,土壤孔隙度随土层深度增加而逐渐减小的规律。
不同森林土壤各土层SOC含量及垂直分布由图2可知:不同森林土壤各土层SOC含量变化较大,随土层深度增加而逐渐降低,这是由于森林枯落物腐解以及林木根系、动植物残体及土壤微生物对土壤SOC作用的结果所致。庐山不同森林土壤表层(0~10 cm) SOC较高,且高于平均值 [
图2. 不同森林土壤各土层SOC含量及垂直分布
不同森林土壤各土层N含量及垂直分布由图3可知,不同森林土壤各土层N含量与SOC分布趋势一致,随土层深度增加而逐渐减小。原因是森林地表枯落物层较厚,随时间的推移,由表层逐渐向下分解、转化、累积,最终形成上层的腐殖质均大于下层,上层的N含量也都大于下层。另外,不同森林土壤N含量有一定差异,其中落叶阔叶林地土壤N含量最高,其它4种林分N含量差异不太明显。这主要是由于落叶阔叶林地枯落物量大,分解速度较快,归还土壤的养分含量最多。
根据土壤SOC和N含量、土壤容重以及土层厚度,用公式(1)、(2)分别计算不同森林土壤各土层SOC和N贮量。不同森林土壤各土层SOC贮量及垂直分布由图4可知:在0~30 cm土层,针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿–落叶阔叶混交林和玉山竹林地土壤SOC贮量总值分别为64.31、68.04、58.86、55.37、54.04 t∙hm−2,针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿–落叶阔叶混交林和玉山竹林地土壤SOC贮量在0~10 cm土层分别占0~30 cm土层总量的40.63%、48.15%、45.50%、32.62%、32.25%。另外,5种森林土壤0~10 cm土层SOC贮量差异显著,其他两个土层的差异不明显。
不同森林土壤各土层N贮量及垂直分布由图5可知:不同森林土壤0~10 cm土层N贮量最大,其中落叶阔叶林地土壤N贮量最高(3.09 t∙hm−2),玉山竹林地土壤N贮量最低(1.73 t∙hm−2)。由于落叶阔叶林地枯落物含量高,所含土壤养分量较多,而玉山竹林地地表凋落物分解程度较低。同一森林土壤各土层间N贮量比较可知,落叶阔叶林地土壤N贮量差异明显,针叶林、常绿阔叶林、常绿–落叶阔叶混交林和玉山竹林差异不太明显。同一土层,不同森林土壤N贮量在0~10 cm土层差异显著明显,在10~20 cm土层差异比较明显,在20~30 cm土层差异不太明显。
图3. 不同森林土壤各土层SOC和N贮量及垂直分布格局
图4. 不同森林土壤各土层SOC贮量及垂直分布
土壤碳氮比(C/N)是衡量土壤C、N营养平衡状况的一个重要指标,它可以暗示土壤生物分解过程中C、N转化作用之间的一种密切关系,土壤N含量水平在一定程度上影响土壤SOC含量 [
由表3可知:5种森林土壤C/N差异性极显著,其中落叶阔叶林地土壤C/N高于其它4种林地,这说明落叶阔叶林地土壤微生物的分解能力较强,林地肥力较好。同时,5种森林土壤SOC、全N含量及C/N间的关系表明,土壤SOC含量与土壤N含量存在极显著相关,进而说明土壤中N主要以有机N的形式存在于土壤SOC中。
1) 5种森林土壤0~30 cm平均自然含水率的排序为落叶阔叶林 > 常绿阔叶林 > 针叶林 > 常绿–落叶阔叶混交林 > 玉山竹林;土壤容重平均值排序为玉山竹林 > 常绿–落叶阔叶混交林 > 针叶林 > 常绿阔叶林 > 落叶阔叶林,而土壤孔隙度则相反。不同森林土壤容重随土层深度增加而逐渐增大,土壤孔隙度随土层深度增加而逐渐减小。
2) 5种森林土壤对SOC与N含量影响极显著,不同土层的影响也极显著,两者交互作用显著。同一森林土壤不同土层SOC含量及贮量均以0~10 cm最大,随土壤深度增加而逐渐递减,表明土壤SOC主要集中分布在土壤表层。其森林土壤表层(0~10 cm)SOC较高,且高于平均值,其表层土壤SOC明显高于深层土壤,但不同土层SOC差异显著性不同。
图5. 不同森林土壤各土层N贮量及垂直分布
项目 | 针叶林 | 落叶阔叶林 | 常绿阔叶林 | 常绿–落叶阔叶混交林 | 玉山竹林 | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SOC | TN | C/N | SOC | TN | C/N | SOC | TN | C/N | SOC | TN | C/N | SOC | TN | C/N | |
SOC | 1.000 | - | - | 1.000 | - | - | 1.000 | - | - | 1.000 | - | - | 1.000 | - | - |
TN | 0.926** | 1.000 | - | 0.941** | 1.000 | - | 0.785** | 1.000 | - | 0.565** | 1.000 | - | 0.513** | 1.000 | - |
C/N | 0.897** | 0.703** | 1.000 | 0.695** | 0.384* | 1.000 | 0.157 | 0.003 | 1.000 | 0.707** | 0.034 | 1.000 | 0.278* | 0.013 | 1.000 |
表3. 不同森林土壤SOC、TN含量及其C/N之间的相关性
注:*相关性显著,**相关性极其显著。
3) 5种森林土壤全N含量及贮量同SOC分布格局一致,表现为随土层深度增加而逐渐减小。5种森林土壤0~10 cm SOC贮量差异显著,其他两个土层的差异不明显;N贮量0~10 cm最大,其中落叶阔叶林地N贮量最高,而且N贮量差异显著明显,在10~20 cm土层差异比较明显,在20~30 cm土层差异不太明显。另外,5种森林土壤C/N差异性极显著,其中落叶阔叶林地土壤C/N高于其它4种林地,主要与落叶阔叶林地枯落物量大且容易分解,归还土壤的养分含量高,即落叶阔叶林地土壤N含量及贮量最高有关。
江苏省大学生创新训练项目(编号:201510320082Y);国家自然科学资助项目(41201213)。
张 茜,于法展,张忠启,李 玲,雷良媛,张少坤,陈 俊. 庐山典型性森林土壤SOC、N贮量及垂直分布格局 Soil Organic Carbon and Nitrogen Stock and Vertical Distribution Pattern of Typical Forest in Lushan[J]. 自然科学, 2017, 05(01): 1-8. http://dx.doi.org/10.12677/OJNS.2017.51001