全 文 ：第 30卷　第 3期　 　中 南 林 业 科 技 大 学 学 报　 　Vo l.30　No.3
　2010 年 3 月 Journal of Central South University of Forestry &Technology 　M ar.2010
樟树与马尾松群落净土壤氮矿化速率的比较
段　伟1 ,闫文德1 , 2 ,王光军1 , 2 ,朱　凡1 , 2 ,梁小翠1 , 2 ,李树战1 , 2
(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院 ,湖南 长沙 410004;
2.南方林业生态应用技术国家工程实验室 ,湖南 长沙 410004)
摘　要:　2009 年 7 月至 8 月 ,在湖南省植物园用树脂芯原位测定法 , 比较了樟树和马尾松群落土壤中无机氮
含量及氮矿化速率。结果表明:培养前 2 种群落土壤中无机氮差异显著(P<0.05), 呈现马尾松>樟树的规律 ,
其中 NH +4 -N 分别占群落土壤无机氮的 98.2%和 93.69%, 是无机氮的主要存在形式;经过 14 、28 和 42 d的培
养 , 樟树和马尾松群落土壤中 NH +4-N和 NO-3 -N 含量均发生显著的变化(P <0.01), NH +4-N 的含量均呈现出
先下降后上升的规律 , NO -3-N含量则表现出不同的规律 , 樟树群落为上升 , 马尾松群落为先下降后上升;樟树
群落净氮矿化量为-(33.82±3.48)、-(16.81±5.90)和(29.14±4.41)mg · kg-1 , 马尾松群落为-(59.93±
3.48)、-33.17 和-13.11 mg · kg-1 。
关键词:　生态学;樟树;马尾松;树脂芯法;氮矿化
中图分类号:　S714.2 文献标志码:　A 文章编号:　1673-923X(2010)03-0012-06
Comparison of net nitrogen mineralization in soils of Cinnamomum
camphora and Pinus massoniana communities
DUAN Wei1 , YAN Wen-de1 , 2 , WANG Guang-jun1 , 2 , ZHU Fan1 ,2 , LIANG Xiao-cui1 ,2 , LI Shu-zhan1 , 2
(1.School of Life Science and Technolog y , Central South University of Forestry and Technology ,
Chang sha 410004 , Hunan , China;2.National Engineering Lab for Applied Technology
of Fo restry &Ecolo gy in South China , Chang sha 410004 , Hunan , China)
Abstract:Nitrog en mineraliza tion was measured by using the re sin-co re technique from July to August , 2009.It
compared soil ino rg anic nitr og en contents and nit rog en mineralization r ates w as compa red between Cinnamomum
camphora and Pinus massoniana communities in the Botanical Ga rdens in H unan P rovince.Results show tha t there
w as mo re soil ino rg anic nitrog en in Pinus massoniana than Cinnamomum camphora communities before incubation ,
and the difference w as significant(P <0.05).The ammonia nitro gen was the major form o f inorg anic nitro gen ,
w hich accounted fo r 98.2% and 93.69% o f so il inor ganic nitro gen of Cinnamomum cam phora and Pinus massoni-
ana communities;Af te r 14 day s , 28 day s and 42 day s incubation , significant diffe rence was found betw een soil am-
monia nitr ogen and nitrate nitr ogen content of Cinnamomum camphora and Pinus massoniana communities(P <
0.01);The soil ammonia nitr ogen content fir stly show ed a decrea se and then an incr ease in bo th of Cinnamomum
camphora and Pinus massoniana communities.The nitr ate nitro gen content of C.cam phora kept risiing trend and
that of P.massoniana firstly decreased then incr ea sed;The net nitro gen mineraliza tion contents o f C.camphora
comm unities w ere -(33.82±3.48) -(16.81±5.90)and(29.14 ±4.41)m g· kg-1 , and that of P.masso-
niana com munitie s w ere -(59.93±3.48), -33.17 and -13.11 m g· kg -1 .
Key words:ecolo gy;Cinnamomum camphora;Pinus massoniana;resin-cor e technique;nitrog en mine raliza tion
　　收稿日期:2009-09-10
　　基金项目:国家林业公益性行业科研专项经费项目(200804030);湖南省杰出青年基金项目(07 JJ10 04);国家林业局“ 948”项目
(2007 -4-19 , 2008-4-36);国家自然科学基金(30571487);湖南省科技厅项目(2009TP4067-1 、2009TP4067-2);中南林业科技大
学青年科学研究基金(2008003A)
　　作者简介:段　伟(1975-),男 ,河南禹州人 ,硕士研究生 ,主要从事森林生态学研究
　　通讯作者:闫文德(1968-),男 ,甘肃武威人 ,教授 ,博士 ,主要从事生态学的教学与科研工作
DOI :10.14067/j.cnki .1673-923x.2010.03.019
　　森林生态系统土壤中无机氮常常是土壤中最
主要的限制性养分 ,其含量高低直接影响着森林生
态系统的生产力[ 1] 。土壤无机氮主要以铵态氮
(NH+4 -N)和硝态氮(NO-3 -N)的形式存在 ,是植物
从土壤中吸收氮素的主要形态[ 2] 。氮素矿化是在
微生物的作用下将有机氮转化为无机氮的过程;固
持是将无机氮转化为微生物或植物组织中的有机
氮[ 1 , 3-4] 。在自然界中 ,这两个过程是同时进行的 。
土壤氮素矿化作为氮循环的重要过程之一 ,越来越
受到环境学家和土壤学家的关注。土壤氮素的有
效性与氮的固定 、硝化反硝化过程 、植物养分吸收
过程以及微生物活动等有紧密的联系[ 5-6] 。研究森
林土壤中 NH+4 -N 、NO -3 -N 的动态和氮矿化速率及
其影响因素对于了解森林生态系统的生产力 、营养
循环和氮素的循环与转化具有重要的意义[ 1 , 7] 。
近年来 ,国内外学者对土壤 NH +4 -N 和 NO -3 -N
的状况以及微生物的矿化作用给予了高度重视 ,在
不同因素对土壤氮矿化的影响[ 8] 、森林土壤氮矿化
速率及其影响因素[ 9] 、水热因素对土壤氮矿化影
响[ 10-1 1] 和植物对土壤氮矿化的影响[ 10] 等方面开展
了大量的研究工作。我国在热带森林 、温带草原和
农田土壤等方面也开展了一些相应研究 [ 1 , 12-15] 。
但对亚热带森林群落的土壤氮矿化研究还不多见。
樟树 Cinnamomum camphora 和马尾松 P inus
massoniana 是亚热带最常见的森林群落 ,具有代表
性 。本试验在天际岭植物园内对 2种森林群落土
壤的有效氮含量 、氮矿化量及其速率进行比较 ,旨
在揭示 2种森林类型氮素矿化特征 ,为森林生态系
统的保护与管理工作提供科学依据。
1　材料与方法
1.1　实验地概况
试验地位于湖南省森林植物园(113°02′～
113°03′E ,28°06′～ 28°07′N)。当地属典型的亚
热带湿润季风气候 , 年均气温 17.2 ℃, 1月最冷 ,
平均 4.7 ℃,极端最低温度-11.3 ℃;7月最热 ,平
均气温 29.4 ℃,极端最高气温 40.6 ℃;全年无霜
期 270 ～ 300 d ,年均日照时数1 677.1 h ;雨量充沛 ,
年均降水量 1 422 mm 。地层主要是第四纪更新世
的冲积性网纹红土和砂砾 ,属典型红壤丘陵区。
研究样地海拔 50 ～ 100 m ,坡度为 12°～ 21°;樟
树和马尾松均为 21年生的人工林 ,2种群落基本情
况见表 1 。林下植被有喜树 Camptotheca acum i-
nate 、毛叶木姜子 Litsea mol li s 、青桐 Firmiana
simp lex 、油茶 Camell ia olei f era 、紫金牛 Ardisia
japonica 、枸骨 I lex cornuta 、盐肤木 Rhus chinen-
sis 、山苍子 Litsea cubeba 、满树星 I lex aculcolata 、
杜荆 Vitex agnus-castus 、大青 Clerodendron cyrto-
phy l lum 、黄檀 Dalbergia balansae 、乌桕 Sapium
sebi f erum 、野柿 Diosp yros lotus 、华山矾 S ymplo-
cos chinensis 、白栎 Quercus f abri 、栀子 Gardenia
jasminoides 、小叶女贞 Ligustrum quihoui 、淡竹叶
Lophatherum graci le 、鸡矢藤 Paederia scandens 、
芒萁 Dicranopteris ampla 、鳞 毛蕨 Dryop teris
chinensis 、狗脊蕨 Woodward ia prol i f era 、铁线蕨
Adiantum capi l lus-veneris 、井栏边草 Pteris mul-
t i f ida 、山麦冬 Radi x Liriopes 、苔草 Carex tris-
tachya 、一枝黄花 Sol idago canadensis 、蛇葡萄
Ampelopsis sinica 等 。
表 1　樟树和马尾松群落的基本情况
Table 1　Basic situation of Cinnamomum camphora and Pinus massoniana communities
森林类型 年龄/ a 每公顷株数 胸径/ cm 树高/m 枝下高/m 郁闭度
樟树 Cinnamomum camphora 21 1 219 10.42(2.36) 11.3(2.7) 6.4(2.1) 0.9
马尾松 Pinus massoniana 21 878 11.21 (2.71) 11.1(3.3) 7.8(2.6) 0.8
　　 括号内的数值为 SE。
13第 30卷　　　　 　中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
1.2　研究方法
1.2.1　试验方法
采用树脂芯方法[ 7] 原位测定土壤的无机氮 、
净氮矿化速率和净硝化速率 。2009 年 7 月初 ,
在森林植物园的樟树和马尾松群落中 ,各设立 6 块
3 m×4 m 的固定样方 ,共 12 块样地 。树脂芯方法
的实验装置包括:PVC 管(内径 4.0 cm ,高 15 cm)、
装有 5 g 阴离子交换树脂(氯型 ,强碱性 ,上海汇脂
树脂厂 717#树脂)的尼龙网袋(70目)、用于吸附淋
溶的 NO-3 -N2张滤纸和中部有小孔的石膏塞(厚度
约 0.4 cm)。在每一点采样时 ,先去除地表凋落物 ,
用 4支相邻的 PVC管 ,同时打入地下 0 ～ 15 cm 土
层 ,将其中的一支取出 ,装入自封袋带回实验室 ,其
测定结果作为土壤含水率 、铵态氮和硝态氮的初始
值 。将另外 3 支 PVC 管取出 ,尽量不破坏土壤的
原状结构 ,用平口螺丝刀去除底部约 2 cm 厚的土
壤 。在腾出的空间中 ,首先放入 1张滤纸 ,避免树
脂袋和土壤直接接触 ,然后放置阴离子交换树脂
袋 ,再放置 1张滤纸 ,最后放置石膏垫 ,石膏塞被放
置在树脂袋下部以避免 PVC管下方土壤溶液中的
NO -3 -N 被树脂交换吸附 ,同时石膏塞上的孔也能
确保土壤溶液的及时排出[ 16-17] 。然后将装有药品
的一头向下 ,小心地把 PVC 管放入原处进行野外
培养[ 17] 。共放置 48个 PVC 管。
试验于2009年7月4日开始 ,7月18日取回1支 ,8
月1日取回 1支 ,8月 15日取回1支 ,共培养 42 d。试
验期间用 Em-50(ECH 2O LOGGER , Decagon , USA)
连接 5ET 测定各样点土壤 5 、15 、25和 35 cm 深度的
土壤温度 、湿度(体积含水量)和电导率。
1.2.2　测试项目与方法
NH +4 -N 用2 mo l·L-1NaCl溶液浸提 ,浸提液
用纳氏试剂比色法;NO -3 -N 用酚二磺酸比色法 ,用
7220型分光光度计测定;阴离子交换树脂吸附淋溶
的 NO -3 -N用 1.5 mol·L-1的硫酸提取 ,用酚二磺
酸比色法测定 NO -3 -N 含量[ 18] 。野外实验前对树
脂吸附 NO -3 -N能力的测定结果表明该树脂能够吸
附 95 %的 NO -3 -N 。
1.2.3　数值计算与分析
C氮 =C1 +C0 -C2 ;
R=(C1 +C0 -C2)/ t;
C氨 =C3 -C4 ;
C硝 =C5 +C0 -C6 。
式中:C氮 为土壤净氮矿化量;C1 为培养后的无机
氮量(NH+4 -N +NO -3 -N);C0 为淋溶量(NO-3 -N);
C2 为培养前的无机氮量(NH+4 -N + NO -3 -N);R
为土壤净氮矿化速率;t为培养时间;C氨 为土壤净
氨化量;C3 为培养后的铵态氮量(NH +4 -N);C4 为
培养前的铵态氮量(NH+4 -N);C硝 为土壤净硝化
量;C5 为培养后的硝态氮量(NO-3 -N);C6 为培养
前的硝态氮量(NO -3 -N)。
数据统计分析用 SPSS13.0软件 ,采用单因子方
差分析 ,进行不同培养时间净氮矿化量和净氮矿化
速率的比较 ,用 Duncan多重比较对研究对象之间的
差异进一步检验 ,用 Sigmaplo t 10.0软件作图。
2　结果与分析
2.1　土壤温度 、湿度和养分含量
试验样地土壤的水热特征气象因素对氮矿化的
影响很大。本次研究正处于湖南雨热同期的 7 、8月
份 ,试验样地的土壤温度和湿度是一年中最高的时
期。用 EM-50 连接 ET-5 传感器 , 测定试验样地
的 5 cm 地下土壤温度和湿度的日变化(见图 1)。
试验期间总降水量为 122.7 mm ,林内 8:00平均气温
为27.51 ℃,地下5 cm土壤平均温度 26.63 ℃,最高与
最低5 cm土壤温度相差 7.8 ℃,湿度变化幅度 5%。
图 1　实验期间土壤温度和湿度的变化
Fig.1　The changes of soil temperature and moisture in 5
cm depth at July to August 2009
2.2　土壤养分状况比较
从表 2中可以看出 ,2种群落之间土壤 pH 值和
14 段　伟 , 等:樟树与马尾松群落净土壤氮矿化速率的比较　 　第 3 期
土壤密度的差异不显著(P >0.05),樟树土壤中的有
机质和全氮含量均大于马尾松 ,且差异显著(P <
0.05)。年凋落物归还量为马尾松>樟树 ,样地间差
异显著(P<0.05)。2种群落培养前土壤中无机氮差
异显著(P<0.05),均以 NH+4 -N含量为主(见图 2),
分别为 52.18 和 75.06 mg ·kg-1 ,呈现马尾松>樟
树;NO-3 -N分别为 1.00 和 5.23 mg ·kg-1 ,呈现马
尾松>樟树。2 种群落土壤中的 NH+4 -N 含量均比
NO-3 -N 高 , NH+4 -N 分别占群落土壤无机氮的
98.2%和 93.69%,是无机氮的主要存在形式。这可
能是由于试验开始时 ,樟树和马尾松群落才有过降
雨 ,7月 4日取的土样中无机氮浓度较高可能与降雨
有关。这种趋势与莫江明等[ 3] 、杨小红等[ 19] 和王光
军等[ 20]的研究结果基本一致。
表 2　樟树和马尾松群落土壤的理化特性和凋落物量
Table 2　Soil physical and chemical properties and litter productions in Cinnamomum camphora and
Pinus massoniana communities
森林类型 全 C/(mg · g -1)
全 N
/(mg· g -1) 碳氮比 pH 值
土壤密度
/(g· cm-3)
凋落物
/(g·m-2a -1)
樟树 Cinnamomum camphora 12.45(1.01)a 1.17(0.18)a 10.64 a 4.11(0.18)a 1.50(0.11)a 1003.44(120.90)a
马尾松 Pinus massoniana 9.89(1.21)b 0.94(0.31)b 10.52 a 4.12(0.14)a 1.52(0.19)a 1 157.5(145.1)b
　　 括号内的数值为标准误差;同列内含有相同字母表示差异不显著(P<0.05)。
2.3　培养前后土壤中 NH+4 -N 、NO -3 -N和无机
氮含量的变化
　　经过 14 、28 和 42 d的培养 ,樟树和马尾松群
落土壤中 NH +4 -N 和 NO -3 -N 含量均发生显著的
变化 。2 种群落培养后土壤 NH +4 -N 的含量均呈
现出先下降后上升的规律(见图 3), 樟树群落土
壤 中 NH +4 -N 的 含量 分别 为 16.74 ±3.48 、
32.08 ±2.56 和 68.74 ±8.61 mg · kg -1 ,马尾
松群落土壤中 NH +4 -N 的含量分别为 15.79 ±
0.50 、43.32 ±5.85和 58.43 ±0.95 mg ·kg-1 。
2 种群落经过 3 个培养期后土壤 NO -3 -N 含量则
表现出不同的规律 ,樟树群落为一直上升 , 3 个
培养期后 NO -3 -N 含量分别为 2.61 ±0.34 、4.28
±0.78和 13.57 ±3.44 mg ·kg-1 ,马尾松群落
为先下降 , 后上升 ,分别为 4.57 ±1.53 、3.79 ±
1.77和 8.75 ±3.28 mg · kg -1 。樟树和马尾松
群落土壤中的氮素有效性和维持植物可利用氮
素的能力有显著差异 ,而这种氮素矿化速率的差
异 ,主要与森林类型的生产力有很强的相关关
系 ,地上部分的生产力强烈依赖于土壤的年氮素
矿化量[ 2] ,物种构成及在其影响下所产生的林下
微生境和人为干扰活动是造成这种差异的主要
原因 。
图 2 樟树和马尾松群落土壤中 NH+4-N 和NO-3-N含量
　　Fig.2 Contents of ammonium nitrogen and nitrate
nitrogen in soils of Cinnamomumcamphora
and Pinusmassoniana communities
15第 30卷　　　　 　中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
图 3 樟树和马尾松群落土壤中培养前后的 NH+4-N、NO-3-N和氮矿化含量(n =12)
Fig.3　Contents of ammonium nitrogen , nitrate nitrogen and N mineralization in soils of C.camphora and
P.massoniana communities
2.4　净氮矿化量和矿化速率比较
净氮矿化量和矿化速率反映了土壤中无机氮的
净变化 。樟树和马尾松森林群落土壤中净氮矿化量
以及矿化速率均表现出极显著的差异(P <0.01)。
从表 3可以看出 ,经过14 、28和42 d培养后 ,在樟树
群落土壤中 , 净氮矿化量为 -(33.82 ±3.48)、
-(16.81 ±5.90)和(29.14 ±4.41)mg ·kg-1 ,
而马尾松群落土壤中 ,净氮矿化量为-(59.93 ±
3.48)、-33.17 和 -13.11 mg · kg-1 。樟树和
马尾松群落土壤净氮矿化量和矿化速率为负值 ,说
明这 2个群落土壤的无机氮向有机氮转化 ,净铵化
量出现负值。负值表示培养后的值低于初始值 ,铵
态氮转化为了硝态氮或发生了土壤的 N 固持 ,系统
净消耗无机氮。在 7 、8月份土壤温度越高 ,越能促
进硝化作用 ,硝态氮能在土壤中积累。培养前期 ,
由于降雨 ,土壤湿度的变化幅度小 ,使土壤透气性
差 ,导致某些厌氧微生物和反硝化细菌生长活跃 ,
部分无机氮以气体形式散失[ 21-22] ,由反硝化作用
引起的氮损失可能是导致净氮矿化速率出现负值
的主要原因。培养到 28 d 和 42 d时 ,土壤湿度降
低 ,透气性变好 ,有利于好氧微生物和硝化细菌生
长 ,土壤的净氮矿化速率越高[ 7] 。
表 3　樟树和马尾松群落的土壤净氮矿化量和矿化速率
Table 3　Net N mineralization, nitrif ication , ammonif ication amount and rates in soils of Cinnamomum camphora and
Pinus massoniana communities
森林类型 培养时间/ d 净氮矿化量/(mg· kg -1)
净铵化量
/(mg· kg -1)
净硝化量
/(mg· kg -1)
净氮矿化速率
/(m g· kg -1d-1)
净铵化速率
/(mg· k g -1d-1)
净硝化速率
/(mg· kg -1 d-1)
樟树
14
28
42
-33.82a
(3.48)
-16.81c
(5.90)
29.14e
(4.41)
-35.43a
(3.68)
-20.09c
(5.51)
16.56e
(3.71)
1.61a
(0.32)
3.28c
(0.61)
12.58e
(3.29)
-2.42a
(0.24)
1.22c
(0.22)
3.28e
(0.43)
-2.53a
(0.26)
1.10 c
(0.21)
2.62e
(0.57)
0.11a
(0.02)
0.23c
(0.04)
0.66e
(0.39)
马尾松
14
28
42
-59.93b
(6.48)
-33.17d
(4.24)
-13.11f
(2.69)
-59.27b
(7.22)
-31.73d
(4.56)
-16.63f
(3.16)
-0.66b
(0.97)
-1.44d
(0.47)
3.52f
(1.14)
-4.28b
(1.06)
1.91d
(0.68)
1.43f
(0.44)
-4.23b
(0.91)
1.96d
(0.63)
1.07f
(0.68)
-0.04b
(0.21)
-0.06d
(0.08)
0.25f
(0.11)
　　 括号内的数值为标准误;同列内含有相同字母表示差异不显著(P<0.01)。
16 段　伟 , 等:樟树与马尾松群落净土壤氮矿化速率的比较　 　第 3 期
3　结　论
(1)培养前 2种群落土壤中无机氮差异显著
(P<0.05),呈现马尾松>樟树的规律 。2种群落
土壤中的 NH +4 -N 含量均比 NO-3 -N 高 ,分别占群
落土壤无机氮的 98.2 %和 93.69 %,是无机氮的
主要存在形式 。
(2)经过 14 、28和 42 d的培养 ,樟树和马尾松
群落土壤中净氮矿化量以及矿化速率均表现出极
显著的差异(P <0.01)。在樟树群落土壤中 ,净氮
矿化量为-(33.82 ±3.48)、-(16.81 ±5.90)和
(29.14 ±4.41)mg ·kg -1 ,马尾松群落土壤中 ,净
氮矿化量为-(59.93 ±3.48)、-33.17 和-13.11
mg ·kg-1 。
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[本文编校:谢荣秀]
17第 30卷　　　　 　中 南 林 业 科 技 大 学 学 报