貴陽市4種森林類型土壤氮礦化的研究

田紅燈，田大倫,2，閆文德,2，羅趙慧,2，徐露燕,2

貴陽市4種森林類型土壤氮礦化的研究

田紅燈1，田大倫1,2，閆文德1,2，羅趙慧1,2，徐露燕1,2

（1.中南林業科技大學，湖南 長沙410004；2.南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙410004）

2011年11月，采用樹脂芯原位測定法，對貴陽市4種不同森林類型（馬尾松林、楊樹林、樟樹林、刺槐和梓木林）土壤氮礦化進行了研究，系統分析了不同森林類型土壤氮素礦化水平。結果表明：4種森林類型土壤銨態氮和硝態氮含量均隨管筒培養時間延長而遞增，硝態氮含量大于銨態氮含量；幾種森林類型管筒內土壤銨態氮和硝態氮含量增加量、氮素礦化量差異較大，大小排序均為樟樹林＞馬尾松林＞楊樹林＞刺槐和梓木林；銨態氮和硝態氮增加量分別為 11.65、8.79、7.18、6.33 mg·kg-1，29.29、21.27 、19.55、12.86 mg·kg-1；不同林型樹脂吸附中硝態氮含量差別較大，造成平均氮凈礦化量差異較大，順序是刺槐和梓木林＞楊樹林＞馬尾松林＞樟樹林，分別為 71.47、37.42、35.02、26.75 mg·kg-1，平均氮凈礦化速率分別是 2.38、1.33、1.24、0.89 mg·kg-1d-1。

土壤氮礦化；凈氮礦化速率；馬尾松林；楊樹林；樟樹；刺槐和梓木林

氮素是土壤營養元素最重要的組分之一。研究證明，氮元素的有效性是森林生產力的主要限制因子之一。在森林生態系統中，土壤中氮素含量一般較高，但通常情況下其難以滿足植物生長的需要。這主要是因為土壤中99%以上的氮素是以有機氮的形式存在的，植物無法直接吸收和利用，必須經過氮素的礦化過程將有機氮轉化成銨態氮（N-N）和硝態氮（NO3--N）形式的有效氮[1]。植物從發育初期到成熟都需要有效氮的供給，而且氮的礦化作用是森林生態系統中氮循環的重要組分之一[2-4]，因此，研究土壤中氮素的轉化過程有助于改進提高氮素可利用性的技術措施，對于了解森林生態系統生產力、營養循環以及森林的經營管理有重要的實踐意義[5]。

在我國，森林土壤氮素礦化過程的相關研究起步較晚，朱兆良等人從20世紀90年代主要對農田生態系統進行研究。近些年來對森林生態系統、草地和濕地等自然、半自然生態系統中土壤氮素的轉化和循環有一些研究報道[6-8]。在鼎湖山馬尾松林[9]、長白山紅松林和云冷杉林[10]、東北林業大學冒兒山實驗林場[11]及西雙版納熱帶雨林[12]也有相關氮素礦化過程的研究，但對中國西南喀斯特地區城市森林土壤氮礦化的研究鮮見報道。本研究在典型喀斯特地區貴陽市，選取了幾種最常見的森林類型，采用樹脂芯方法野外原位培養測定氮礦化速率，旨在揭示該地區森林土壤氮礦化特征，了解幾種森林土壤供氮能力，為人工林的經營提供科學依據。

1 研究地概況

研究地設在貴州省貴陽市。貴陽市地處黔中山原丘陵中部，長江與珠江分水嶺地帶，地處E106°07′～ 107°17′，N26°11′～ 26°55′之間。地貌屬于以山地、丘陵為主的盆地地區，相對高差為100～200 m。氣候條件屬于亞熱帶季風濕潤溫和型氣候區，海拔較高，緯度較低，具有較明顯的高原性季風氣候特點。年相對濕度78%左右，年平均氣溫15.3 ℃，最熱的7月平均氣溫24 ℃，極端最高氣溫35. 1℃，最冷的1月平均氣溫4. 9℃，極端最低氣溫-7.3 ℃，全年無霜期270 d左右。年平均日照時數為1 148.3 h，平均年降水量1 129.5 mm，4～9月的降水量占全年的78.5%。主要地貌類型以低山丘陵為主，坡度以10°～25°為多。土壤以酸性黃壤為主，與石灰巖、白云巖、砂巖、頁巖等交錯分布。地帶性植物為常綠闊葉林。

2 研究方法

2.1 野外原位培養法

野外原位培養法是運用樹脂芯方法半定位研究。首先確定定位點，采樣前將選點地表凋落物去除，然后將直徑為4 cm、長度為15 cm的管狀PVC材質(聚氯乙烯)塑料桶垂直壓進土壤中。為了防止地表徑流進入管筒，管筒上端要高出地表1 cm。每支管筒要密封頂端用來防止落葉等雜物進入管筒。操作時，同時打進2支PVC管筒，將其中一支取出，將土樣取出裝進自封袋帶回實驗室，測試項目主要是土壤含水率、硝態氮以及銨態氮的初始值。另一支PVC管筒的操作為：將PVC管筒取出，盡量不要破壞管中土壤的結構，用工具刀去除管筒底部約2 cm厚的土壤。在管筒底部先放入1張圓形濾紙，然后放入陰離子交換樹脂袋，再放入1張圓形濾紙，最后在管筒底部放入中間有一小孔的PVC塑料墊板。墊板被放置在樹脂袋下部以避免PVC管下方土壤溶液中的硝態氮被樹脂交換吸附，同時板上的小孔也能保證管中土壤溶液的及時排出。然后將該管筒按原方向放入原位置進行野外原位培養。由于土壤礦質化作用受溫度影響較大,因此本研究的野外培養期間隔時間為1個月。培養期結束后，將管筒拔出土面帶回實驗室。

2.2 樣地設置

在選定的4種森林類型（馬尾松林、楊樹林、樟樹林、刺槐和梓木林）內分別設置20 m×20 m的樣地,在各樣地中，由坡下至坡上按S形均勻選取3小區(每個小區為20 cm×20 cm) ，在每個小區內設置3個管筒。

于2011年11月5日將管筒全部設置于選定的4種林型的樣地內，同時在各個小樣方附近取一管筒土樣作為11月份的初試土壤，該土壤的測定結果也是本研究的土壤基礎值。接下來的每個月，即分別于12月5 日、1月5 日、2月5 日在4種森林類型樣地內每個小區各取出一支管筒，用來測定土壤氮礦化的基本情況。

2.3 實驗室分析和計算方法

2.3.1 實驗室分析

土壤銨態氮的測定采用2 mol/L KCL浸提蒸餾法。土壤硝態氮的測定采用酚二磺酸比色法(GB7850-87)。為了防止不確定因素引起硝態氮的散失，故測定過程中采用新鮮土。

2.3.2 數據分析

土壤凈氮礦化量=培養后的礦質氮(銨態氮+硝態氮+淋溶硝態氮)－培養前的無機氮(銨態氮+硝態氮)；

土壤凈氮礦化速率= [培養后的礦質氮(銨態氮+硝態氮) +淋溶硝態氮－培養前的無機氮(銨態氮+硝態氮)] /培養時間；

土壤凈氨化速率=(培養后的銨態氮－培養前的銨態氮)/培養時間；

土壤凈硝化速率= (培養后的硝態氮+淋溶硝態氮－培養前的硝態氮)/培養時間。

3 結果與分析

3.1 不同森林類型管筒內土壤銨態氮與硝態氮的季節動態

銨態氮包括銨和氨，在土壤溶液中銨離子與氨之間存在著動態平衡。分子態氨存在于土壤氣相、液相和固相中，氣相和液相中的氨是游離態的，固相中的氨以物理或化學吸附形式保持在固相表面。離子態銨包括水溶態、交換態和粘土礦物固定態三種形態，水溶態銨含量很低，交換態和固定態銨的含量較高。銨態氮是土壤中各種氮形態在一定條件下動態平衡的結果， 它能較好地反映出近期內土壤氮素供應狀況。由于土壤中各種氮素形態之間的轉變及其含量受到溫度、濕度、植物吸收情況影響，同時植物對氮素的吸收利用在整個生長季的各個時期也是不一樣的，所以必須對氮素營養情況進行動態分析。

表1 不同林型管筒內土壤銨態氮、硝態氮季節動態Table 1 Seasonal dynamics of NH4+-N and NO3--N in four forest soil tubes

由表1可以看出，在選定的幾種森林類型中，管筒中土壤銨態氮的含量是隨著培養期的延長而遞增的，到培養末期即2月4號達到最大值。培養前，初始土樣的銨態氮測定中，銨態氮楊樹林最小，樟樹林、刺槐和梓木林居中，馬尾松林最大。隨著培養時間的延長，馬尾松林銨態氮的增長速度減慢，樟樹林銨態氮增長速度加快，在整個培養期(11月4 日至2月4日) 內銨態氮含量增加順序為樟樹林＞馬尾松林＞楊樹林＞刺槐和梓木林。不同森林類型土壤銨態氮增加量分別為11.65、8.79、7.18、6.33 mg·kg-1。通過計算檢驗得出，銨態氮含量在每兩個森林類型之間的差異達到顯著水平（P≤0.05），在不同的培養期間，以12月4日至1月4日之間銨態氮增加量最大，并與其它各培養期內銨態氮增加量的差異達到顯著水平（P≤0.05）。

硝化作用是指土壤中的銨態氮是經過微生物的作用轉變成硝態氮(NO3--N) 的過程。但是硝態氮一般難以被土壤吸收，淋洗過程中損失較多，而植物易將其吸收利用，所以導致各種森林類型中的硝態氮含量均小于管筒內土壤中硝態氮含量。培養期間，管筒內土壤中硝態氮的含量也隨培養期的延遲而遞增(見表1) ，但增加的幅度大于銨態氮，說明硝化作用大于氨化作用。不同森林類型硝態氮含量變化以11 月4 日至12 月4 日期間增加量最大，12 月4 日至1月4日期間增加量次之，1月4日至2月4日期間增加量最小。管筒內土壤硝態氮含量在培養末期即2月4日達到最大值，這也是積累作用產生的結果。在培養期內，管筒內土壤硝態氮含量各森林類型大小排序為樟樹林＞馬尾松林＞楊樹林＞刺槐和梓木林，分別為29.29、21.27、19.55、12.86 mg·kg-1。經檢驗，管筒內土壤硝態氮含量在每兩森林類型之間以及在培養期每兩個月期間內差異都達到顯著性（P≤0.05）。

3. 2 不同森林類型土壤氨化、硝化作用結果的季節動態

表2是根據表1得出的各月份不同森林類型土壤礦化作用產生的銨態氮及硝態氮量。結果表明：不同森林類型之間是有差異的，馬尾松林、樟樹林、刺槐和梓木林的氨化量在11月4號至12月4號達到最大值，楊樹林在1月4號至2月4號達到最大值；馬尾松林、楊樹林、樟樹林的硝化量在11月4號至12月4號達到最大值，刺槐和梓木林的硝化量在1月4號至2月4號達到最大值。這說明，培養期間的第1個月和第3個月礦化作用較為強烈，中間一個月由于處于貴陽地區的最冷月，土壤礦化作用受到低溫的影響而降低強度。

表2 不同森林類型土壤氨化、硝化作用結果季節動態Table 2 Seasonal dynamics of ammonification and nitrification in four forests

3.3 不同森林類型氮礦化速率、氨化速率和硝化速率

表3～6為幾種森林類型氮礦代速率、氨化速率和硝化速率。從表3～6可以得出，幾種森林類型平均氮凈礦化量的順序是刺槐和梓木林＞楊樹林＞馬尾松林＞樟樹林，分別是71.47、37.42、35.02、26.75 mg·kg-1，平均氮礦化速率分別是 2.38、1.33、1.24、0.89 mg·kg-1d-1。在各培養期內，幾種森林類型礦化速率都是11月4號至12月4日最大，1月4號至2月4日次之，12月4日至1月4日最低，這也說明了氮素礦化與溫度呈正相關。

表3 馬尾松林氮礦化速率、氨化速率和硝化速率Table 3 N mineralization rate, NH4+-N and NO3--N mineralization rate of Masson pine forests

表4 楊樹林氮礦化速率、氨化速率和硝化速率Table 4 N mineralization rate, NH4+-N and NO3--N mineralization rate of Poplar forests

表5 樟樹林氮礦化速率、氨化速率和硝化速率Table 5 N mineralization rate, NH4+-N and NO3--N mineralization rate of Camphor forests

表6 刺槐和梓木林氮礦化速率、氨化速率和硝化速率Table 6 N mineralization rate, NH4+-N and NO3--N mineralization rate of Robinia and Manchurian forest

綜上所述，不同森林類型土壤的氮素礦化水平(礦化量、礦化速率) 表現出刺槐和梓木混交林以及楊樹林、馬尾松相對較高，樟樹林較低。出現這種現象的原因是混交林及成熟森林土壤中有機質的分解速率、微生物及細菌數量等條件優于處于幼年階段的樟樹林。

4 結論和討論

培養期內，幾種森林類型土壤銨態氮和硝態氮含量均隨培養期的延長而增加，有機氮的不斷礦化以及有機質分解逐月遞增，培養末期即2月4號達到最大值。不同森林類型土壤管筒內銨態氮含量順序為樟樹林＞馬尾松林＞楊樹林＞刺槐和梓木林，銨態氮增加量分別為11.65、8.79、7.18、6.33 mg·kg-1；管筒內土壤硝態氮含量各森林類型大小排序為樟樹林＞馬尾松林＞楊樹林＞刺槐和梓木林，分別為29.29、21.27、19.55、12.86 mg·kg-1。

幾種森林類型平均氮凈礦化量的順序是刺槐和梓木林＞楊樹林＞馬尾松林＞樟樹林，分別是71.47、37.42、35.02、26.75 mg·kg-1，平均氮礦化速率分別是 2.38、1.33、1.24、0.89 mg·kg-1d-1。在各培養期內，土壤氮素礦化量在各潛伏期間差異均顯著，幾種森林類型礦化速率都是11月4日至12月4日最大，1月4日至2月4日次之，12月4日至1月4日最低。

不同森林類型對氮礦化速率影響不同[13]。李貴才等[14]在哀牢山森林生態系統氮素礦化研究中認為，不同生態系統的植被類型、微生物種類差異會導致其礦化量和礦化速率的不同。本研究表明，不同森林類型土壤的氮素礦化水平(礦化量、礦化速率) 表現出刺槐和梓木混交林以及楊樹林、馬尾松相對較高，樟樹林較低。出現這種現象的原因是混交林及成熟森林土壤中有機質的分解速率、微生物及細菌數量等條件優于處于幼年階段的樟樹林。樟樹為幼林群落，林下植被較少以及郁閉度較小，太陽輻射可以直達林內地表，導致土壤溫度高于其它幾種森林類型，土壤濕度隨之減小，由于溫濕度影響存在交互作用，這種作用并與礦化速率呈正相關。

森林土壤氮素礦化的影響因子很多，如土壤肥力、基質、溫濕度和土壤微生物群落等[15]。Yoshiyuki等[15]的研究認為：凋落物的氮素含量與氮礦化速率呈顯著關系。本研究中，由于1月份是貴陽地區一年中的最冷月，氮礦化量及速率明顯降低，這很可能是低溫對氮礦化造成影響所導致的。

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Study of soil nitrogen mineralization in different forests in Guiyang city

TIAN Hong-deng1, TIAN Da-lun1,2, YAN Wen-de1,2, LUO Zhao-hui1,2, XU LU-yan1,2
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

Soil nitrogen mineralization of four forest types (Pinus massoniana, Poplar, Cinnamomum camphora, Robinia hispida and Catalpa kaempferi were evaluated by using resin core in situ testing in Dec. 2011, and the mineralization levels under field conditions were determined. The results show that the content of N- N was much higher than that of NN, and both of them prolonged with the increase of tube culture time. The increments of N– N, N-N and the quantity of nitrogen mineralization and the nitrogen mineralization ratio for different forest soils tubes had obvious differences. they ordered from big to small as follows: Camphor,Masson pine, Poplar, Robinia and Manchurian. The increments of N-N were 11.65, 8.79, 7.18, 6.33 mg·kg-1in four forest types,and that of N-N were 46. 0, 29.29, 21.27, 19.55, 12.86 mg·kg-1. The N-N contents of four forest types with resin adsorption had bigger differences that led bigger differences of average net nitrogen mineralization, they ranked by magnitude as foloows: Robinia and Manchurian Catalpa, Poplar, Masson pine, Camphor, and the mean net nitrogen mineralization rate for four forest types were 2.38,1.33,1.24,0.89 mg·kg-1d-1respectively.

soil nitrogen mineralization; net nitrogen mineralization velocity; Pinus massoniana forest; Poplar forest; Cinnamomum camphora forest; Robinia hispida and Catalpa kaempferi forest

S714.8

A

1673-923X(2012)11-0100-05

2012-10-10

國家林業公益性行業科研專項（200904031）

田紅燈（1989- ），男，河南項城人，碩士研究生，主要從事森林生態學研究工作

田大倫（1939-），女，湖南長沙人，教授，博士生導師，主要從事森林生態學教學研究工作

[本文編校：謝榮秀]