郑姗姗 王子敏 吴鹏飞 蔡丽平 马祥庆

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002)

武夷山土壤氮素垂直分异规律研究

郑姗姗1,2王子敏1,2吴鹏飞1,2蔡丽平1,2马祥庆1,2

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002)

为探讨武夷山自然保护区土壤氮素的垂直分异规律，在武夷山自然保护区不同海拔的林分内设立标准地，对不同海拔和土层土壤全氮、水解性氮、铵态氮、硝态氮等指标进行测定，分析土壤不同氮素的垂直分异规律。结果表明，武夷山自然保护区0～20 cm土层土壤全氮、水解性氮、铵态氮、硝态氮含量总体上随海拔高度的升高呈增加趋势，而20～40 cm及40～60 cm土层不同形态氮素含量随着海拔高度的变化呈现一定的波动；在土壤剖面垂直分布上，土壤全氮、水解性氮、铵态氮、硝态氮含量随着土层深度的增加呈下降趋势，土层深度对土壤不同氮素含量的影响达显著水平，但土壤全氮含量在不同土层间的差异规律不明显。

土壤氮素；海拔；土层深度；垂直分异;武夷山

氮素是植物生长发育所需的大量营养元素之一，在土壤中表现出存在形态多样、移动性强、损失率高等特点，是土壤中最易耗竭的营养元素[1]。氮素缺乏会限制植物的正常生长，进而影响森林生态系统的生产力及生物地球化学循环[2-3]。土壤养分的空间异质性调控着植物群落的组成、植被分布和生物量格局[4]，土壤氮素作为森林生态系统中植物和微生物最直接的氮库来源，其空间异质性往往会影响到该区域植被的分异和物种丰富度。因此，研究土壤氮素的空间变异性对了解森林生态系统的群落结构和功能具有重要作用[5-6]。

武夷山自然保护区拥有世界上同纬度带中现存面积最大、保存最完整的中亚热带森林生态系统，是具有全球意义的生物多样性保护关键地区[7]。保护区内相对高差大，有丰富的动植物资源，随着海拔高度的变化，水热条件呈现明显的垂直变化趋势，使得林分在分布上具有明显的垂直地带性，包括了我国中亚热带地区所有的植被类型，从低海拔向高海拔处依次分布着常绿阔叶林、针阔叶混交林、针叶林和山顶草甸等植被，具有中亚热带地区植被的典型性、多样性和系统性[8]。保护区内土壤类型垂直分布明显，主要有红壤、黄红壤、黄壤、山地草甸土，其垂直分异在我国中亚热带山地中具有一定代表性。因此，武夷山自然保护区是研究南方森林土壤养分垂直分异规律的理想场所。

长期以来，许多学者对武夷山土壤理化性质[9]、土壤酶活性[10]、土壤生物学[11-12]等展开了许多研究，取得了一些研究成果，但目前对武夷山土壤不同形态氮素的研究不是很多，特别是对武夷山不同海拔梯度土壤不同形态氮素的分异规律研究较少。为进一步探讨土壤养分特性与海拔之间的关系，特别是土壤不同形态氮素随海拔高度的变化规律，本试验通过对武夷山不同海拔梯度不同土壤层次中不同形态氮素的测定，分析武夷山垂直带土壤不同形态氮素的分异规律，进而探究海拔高度对土壤不同形态氮素的影响，为进一步研究森林土壤氮素的空间异质性和阐明海拔影响森林生态结构提供科学依据。

1 试验地概况

武夷山自然保护区地处闽赣边界，位于北纬27.33°～27.54°，东经117.27°～117.51°，面积约570 km2，平均海拔 1 200 m，主峰黄岗山海拔 2 158 m，最低处仅300 m，相对高差达 1 858 m。境内海拔 1 800 m以上的山峰有34座，形成天然屏障，冬季可阻挡、削弱北方冷空气的入侵，夏季可抬升、截留东南海洋季风，形成中亚热带温暖湿润的季风气候，具有气温低、降水量多、湿度大、雾日长和垂直变化显著等特点。年平均降水量 2 000 mm，年平均气温为19 ℃，年平均雾日100 d以上，年平均相对湿度在70%～85%[13-14]。

2 研究方法

2.1 试验设计

2011年4月，在武夷山自然保护区不同海拔高度范围内，每隔200 m左右设置1个海拔梯度，共设10个，每个海拔梯度林分内设置2个10 m×10 m的标准地(表1)，每个标准地沿其一条对角线挖取3个剖面，共计60个，每个剖面按照0～20、20～40 cm和40～60 cm采集土壤样品。采回的新鲜土样，先挑去石块、根茎及各种新生体和侵入体，用四分法把土壤分成2份，其中的一份土样装入自封袋内，并贮存在4 ℃的冰箱中，用于硝态氮的测定；另一份土样放于室内阴凉通风处自然风干，风干后的土样研磨过筛，供全氮、水解性氮、铵态氮的测定。

表1 不同海拔梯度标准地概况

2.2 测定方法

土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤水解性氮采用碱解-扩散法测定，土壤铵态氮采用氧化镁浸提-扩散法测定，土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定[15]。

2.3 数据统计方法

采用SPSS 16.0统计软件分析，对不同海拔高度和不同土层的土壤全氮、水解性氮、铵态氮、硝态氮进行多重比较(LSD法)，分析其差异显著性。

3 结果与分析

3.1 不同海拔土壤全氮垂直分异规律

从表2可知，随着海拔的升高， 0～20 cm土层土壤全氮含量呈增加趋势，20～40 cm及40～60 cm土层全氮含量随海拔的升高呈现一定波动，但与0～20 cm土层全氮含量变化规律一致，总体上呈现逐渐增加的趋势，土壤全氮含量的垂直分异规律明显，差异达显著水平(P<0.05)。

土壤全氮含量在不同海拔梯度下均呈现出随着土层深度的加深而逐渐减少的趋势，表现出0～20 cm >20～40 cm >40～60 cm的规律。表层土壤全氮含量明显高于其他土层，其垂直分异规律明显，但不同海拔梯度下20～40 cm与40～60 cm土层全氮含量差异均不显著，这可能与不同海拔林分枯枝落叶在土壤表层覆盖分解有关。

表2 不同海拔和土层深度土壤全氮含量比较

注：同行不同大写字母表示不同土壤层次间差异达显著水平(P<0.05)， 同列不同小写字母表示不同海拔高度间差异达显著水平(P<0.05)。

3.2 不同海拔土壤水解性氮垂直分异规律

从表3可知，0～20 cm土层土壤水解性氮含量随着海拔的升高而升高，20～40 cm及40～60 cm土层土壤水解性氮含量呈现一定的波动，但与0～20 cm土层水解性氮含量变化规律一致，总体上呈逐渐增加的趋势，其垂直分异规律明显，不同海拔高度土壤水解性氮差异达显著水平(P<0.05)。

不同海拔梯度下土壤水解性氮随采样深度的增加呈现逐渐减少的趋势，表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm的规律，垂直分异规律明显，且不同土层间的差异达显著水平(P<0.05)。表层土壤水解性氮含量明显高于下层土壤，可能与表层土壤有机质受淋溶作用、易分解形成有效氮有关。

表3 不同海拔和土层深度土壤水解性氮含量比较

注：同行不同大写字母表示不同土壤层次间差异达显著水平(P<0.05)， 同列不同小写字母表示不同海拔高度间差异达显著水平(P<0.05)。

3.3 不同海拔土壤无机氮垂直分异规律

3.3.1土壤铵态氮的垂直分异规律 从表4可看出，随着海拔的变化，不同土层土壤铵态氮含量呈现一定的波动，但总体上呈随着海拔的升高而增加的趋势，不同土层铵态氮含量在 2 158 m处达到最高值，不同海拔间土壤铵态氮差异达显著水平(P<0.05)。

土壤铵态氮含量在不同海拔梯度下随着土层深度的增加呈逐渐减少的趋势，不同海拔梯度下表层土壤铵态氮均高于下层，土壤深度对铵态氮含量具有显著影响。

表4 不同海拔和土层深度土壤铵态氮含量比较

注：同行不同大写字母表示不同土壤层次间差异达显著水平(P<0.05)， 同列不同小写字母表示不同海拔高度间差异达显著水平(P<0.05)。

3.3.2土壤硝态氮的垂直分异规律 从表5可知，0～20 cm及20～40 cm土层土壤硝态氮随海拔的升高逐渐增加，在海拔634 m处硝态氮含量最低，在海拔 2 158 m处达到最高，不同海拔间硝态氮含量差异达显著水平(P<0.05)。40～60 cm土层土壤硝态氮随海拔的升高存在一定波动，在海拔634 m处硝态氮含量最低，在海拔 2 004 m处达到最高，但总体上仍与0～20、20～40 cm土层硝态氮含量变化规律一致。

不同海拔梯度下土壤硝态氮含量随着土层深度的增加呈现减少趋势，表现为0～20 cm >20～40 cm>40～60 cm的规律，其垂直规律明显，且不同土层间硝态氮含量差异达显著水平(P<0.05)。可见，土壤深度对硝态氮含量具有显著的影响。

表5 不同海拔和土层深度土壤硝态氮含量比较

注：同行不同大写字母表示不同土壤层次间差异达显著水平(P<0.05)， 同列不同小写字母表示不同海拔高度间差异达显著水平(P<0.05)。

4 结论与讨论

海拔是山地重要的地形因子之一，海拔的不同会引起气候特征、林分类型、土壤类型的改变，进而导致土壤理化性质的差异[16]。本研究表明，土壤不同形态氮素含量在不同海拔梯度间差异显著(P<0.05)，说明海拔对土壤不同形态氮素含量影响作用明显，这与张巧明等[17]、郭永龙等[18]的研究结果相类似。这主要是由于土壤受不同森林类型及环境因子的影响所致。武夷山自然保护区地处中亚热带，由于地势高低起伏悬殊，气候的垂直变化很明显，随着海拔高度的变化，水热条件也呈现明显的垂直变化趋势，从而使林分结构具有明显的垂直地带性，进而形成了不同的森林微环境，间接地引发了土壤微生物等的变化[19]，不同森林微环境因植被、土壤温度、水分等指标的不同，对土壤中氮素的利用及循环周转不同，从而导致了不同海拔梯度土壤氮素含量的差异显著。在这些因素的综合影响下，土壤养分的存在形式和分解释放受到影响，最终导致不同海拔土壤氮素的差异。

在自然生态系统中植物生长所需的大部分氮是由植物凋落物和土壤有机质分解所提供[20]。凋落物的分解是森林土壤养分的重要来源[21]，不同林分类型凋落物的化学组成及分解速度有较大差异，武夷山自然保护区地处中亚热带，水热条件优越，土壤分化强烈，林分分布具有明显的垂直地带性，不同林分因树种组成不同，凋落物的分解速度及化学组成不同，对土壤中养分的利用及循环周转相异，使得不同林分土壤养分含量差异显著。有研究表明[22-23]，在森林土壤垂直剖面上表土层土壤氮素含量高于下层，本研究结果证明了这一点。武夷山自然保护区土壤不同形态氮素在不同海拔梯度下呈现随着土层加深而降低的趋势，这是由于林分枯枝落叶主要覆盖在土壤表层，凋落物在雨水淋溶作用下快速分解，养分迅速归还给土壤，从而使凋落物层直接接触的土壤表层接受的养分归还量多于下层，造成养分在土壤表层聚集，导致土壤表层氮素较高[24]。同时，风化、大气沉降、淋溶、生物循环等也会影响土壤营养元素的垂直分布。风化溶解和大气沉降也会影响养分向土层的输入方向，淋溶使得养分向下迁移，随着土层深度的增加养分浓度也增加；生物循环与淋溶作用相反，其总体上使养分向上移动[25]。生物循环通过植物吸收把土壤深层的养分运移到地上部分，并可通过枯枝落叶的再循环使部分养分归还到地表，矿化后补充土壤中矿质成分的损失，因此生物循环使养分在表层中富集并随剖面深度而降低[26]。

由于引起土壤氮素垂直异质性的因素很多，这些因素都有可能导致土壤中氮素的垂直异质性的产生，因此要全面了解武夷山自然保护区森林土壤氮素的垂直异质性规律，还需要进一步的定位研究。建议在以后的研究中要对该区域不同海拔的土壤进行长期定位调查，并结合当地森林植被类型开展综合研究，掌握土壤养分的动态变化，最终揭示亚热带天然林土壤氮素的垂直迁移规律。

[1] Lambers H，Chapin S F，Pons T．Plant Physiological Ecology[M]．New York: Springer Verlag，1998：234-236．

[2] 赵晶，田红灯，闫文德，等．森林生态系统土壤氮素矿化影响因子分析及其研究趋势[J]．中南林业科技大学学报，2012，32(11)：110-114．

[3] Reich P B，Hobbie S E，Lee T，et al．Nitrogen limitation constrains sustainability of ecosystem response to CO2[J]．Nature，2006，440(7086) : 922-925．

[4] Kleb H R，Wilson S D．Vegetation effects on soil resource heterogeneity in prairie and forest[J]．The American Naturalist，1997，150：283-298．

[5] Schlesinger W H，Reynolds J F，Cunningham G L，et al．Biological feedbacks in global desertification[J]．Science，1990，247(4946)：1043-1048．

[6] Tilman D．Constraints and tradeoffs: toward a predictive theory of competition and succession[J]．Oikos，1990，58: 3-15．

[7] 何东进，洪伟，胡海清，等．武夷山风景区森林景观土壤物理性质异质性及其分形特征[J]．林业科学，2005，41(5)：175-179．

[8] 兰思仁．武夷山国家级自然保护区植物物种多样性研究[J]．林业科学，2003，39(1)：36-43．

[9] 李灵，张玉，孔丽娜，等．武夷山风景区不同林地类型土壤水分物理性质及土壤水库特性[J]．水土保持通报，2011，31(3)：60-65．

[10] 金裕华，汪家社，李黎光，等．武夷山不同海拔典型植被带土壤酶活性特征[J]．生态学杂志，2011，30(9)：1955-1961．

[11] 苏德森，陈涵贞，徐辉，等．武夷山常绿阔叶林土壤微生物量氮的动态变化[J]．福建农业学报，2012，27(5)：539-543．

[12] 王国兵，金裕华，王丰，等．武夷山不同海拔植被带土壤微生物量磷的时空变异[J]．南京林业大学学报：自然科学版，2011，35(6)：44-48．

[13] 张万儒．森林土壤生态管理[M]．北京：中国科学技术出版社，1994：78-80．

[14] 刘维丽，马红亮．凋落物中次生代谢物对森林土壤可溶性氮的影响[J]．土壤，2010，42(4)：564-568．

[15] 国家林业局．中华人民共和国林业行业标准 [M]．北京：中国标准出版社，1999：75-86．

[16] Tang C Q．Forest vegetation as related to climate and soil conditions at varying altitudes on humid subtropical mountain，Mount Emei，Sichuan，China[J]．Ecological Research，2006，21：174-180．

[17] 张巧明，王得祥，龚明贵，等．秦岭火地塘林区不同海拔森林土壤理化性质[J]．水土保持学报， 2011，25(5)：69-73．

[18] 郭永龙，刘友兆，王利环．华北山区不同海拔台地不同土地利用方式下土壤肥力及脱盐趋势[J]．水土保持学报，2012，26(6)：131-134．

[19] 王燕，刘苑秋，曾炳生，等．江西大岗山常绿阔叶林土壤养分特征研究[J]．江西农业大学学报，2010，32(1)：96-100．

[20] Chapin F S III，Matson P A，Mooney H A．Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology[M]．New York：Springer Verlag， 2002：198-200．

[21] 薛敬意，唐建维，沙丽清．西双版纳望天树林土壤养分含量及其季节变化[J]．植物生态学报，2003，27(3)：373-379．

[22] 张兴锐，许中旗，纪晓林，等．燕山北部山地典型植物群落土壤有机碳贮量及其分布特征[J]．水土保持学报，2010，24(1) ：186-190，196．

[23] Luizao R C C，Luizao F J，Paiva R Q，et al．Variation of carbon and nitrogen cycling processes along a topographic gradient in a central Amazonian forest[J]．Global Change Biology，2004，10(5)：592 -600．

[24] 张灿强，张彪，杨艳刚，等．太湖上游西苕溪近岸森林土壤氮磷养分差异特征[J]．水土保持学报，2011，25(5)：53-58．

[25] 姜勇，郝伟，张玉革，等．潮棕壤不同利用方式营养元素随剖面深度的变化特征[J]．水土保持学报，2006，20(3)：93-122．

[26] Jobbage E G，Jackson R B．The distribution of soil nutrients with depth: Global patterns and the imprint of plants[J]． Biogeo-chemistry，2001，53(1)：51-77．

(责任编辑 张 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，Fuzhou 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

国家林业局林业公益性行业科研项目(201304303)资助；福建省科技厅重大专项(2012NZ0001-1)资助；福建农林大学部级创新平台资助。

马祥庆(1966—)，男，博士，教授，博士生导师。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：郑姗姗(1989—)，女，硕士生。研究方向：恢复生态。Email:fjfzz33@163.com。