全 文 ：第 30 卷　第 4 期 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Vol.30　No.4
　2010 年 4 月 Journal of Central South University of Forestry &Technology Apr.2010
长沙市樟树林生态系统大气降水 、植物 、土壤间
N 含量的动态特征
张铸三1 , 2 ,方　晰1 , 2
(1.中南林业科技大学生态研究室 , 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:　对长沙市樟树人工林生态系统的大气降水 、主要树种叶片和土壤中的 N 含量进行定位观测 , 探讨大气
氮湿沉降对城市森林生态系统各分室 N 含量的影响。结果表明:大气降水中 NH4 +-N 含量具有明显的月动态特
征 , 3 、4 和 11 月份较高 , 其中 3 月份为全年最高值 ,达 6.7 mg· L-1 , 8 月份为全年最低值 , 仅为 2.7 mg · L-1 , 大
气降水中 NO 3 --N 含量月变化相对平稳 , 3、8、10 和 11 月份含量均高于 1.2 mg· L-1 , 11 月份为全年最高值 , 高达
1.9 mg· L-1 , 7月份为全年最低值 ,仅为 0.4 mg · L -1 。樟树 、红叶树 、木莲叶片全 N 含量的平均值呈现出明显
的月动态变化特征 , 4 月份为全年最高值 , 达 17.48 g · kg -1 , 10 月份为全年最低值 ,仅为 10.78 g· kg -1 。土壤层
(0～ 15 cm)全 N 、速效 N 含量的月动态变化趋势基本一致 , 3 、8 、9 和 10 月份含量较高 , 并同时在 10 月份达到全年
最高值 ,但全 N 和速效 N 最低值出现在不同月份 , 分别为 6月和 4 月。大气降水 NH 4+-N 和 NO3 --N 含量与植
物全 N 、土壤全 N 和速效 N 含量存在一定的相关性 ,其中大气降水 NH4 +-N 、NO 3 --N 含量与植物全 N 含量相关
系数分别为 0.414 3 、0.531 3 ,表明大气降水 NH4 +-N、NO 3 --N 含量对植物叶片全 N 含量有明显的影响。
关键词:生态学;樟树林生态系统;大气降水;林木叶片;土壤;N 含量
中图分类号:S792.23 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2010)04-0015-06
收稿日期:2009-12-14
基金项目:科技部公益性研究项目(2007415);国家野外科学观测研究站项目(20060515 、20070822)和国家林业局软科学项目(2007R23)
作者简介:张铸三(1984-),男 ,湖南长沙人 ,硕士研究生 ,主要从事环境生态学研究
通讯作者:方　晰(1968-),女 ,广西邕宁人 ,教授 , 博士 , 主要从事生态学教学和生态系统定位研究;E-mai l:f angxizhang@sina.com
Dynamic characteristics of nitrogen content among precipitation ,
plant and soil in Changsha Camphor forest ecosystem
ZHANG Zhu-san1 ,2 , FANG Xi1 , 2
(1.Research Section of Ecolog y , Centra l South Univer sity o f Fo rest and Techno lo gy , Chang sha 410004 ,
H unan , China;2.State Key Labo rato ry o f Eco lo gical Applied Technology in Fo rest A rea o f South China ,
Chang sha 410004 , Hunan , China)
Abstract:Eff ects of nitr ogen content in atmospheric deposition on nitr ogen con tent in urban for est ecosystem has
been discussed by locating observed nitrogen con tent of a tmospher ic pr ecipitation , leaves of chief species and soil
in Changsha Camphor forest ecosystem.The results show that NH4 +-N content in pre cipitation had an obvious
char acter istics of monthly dynamics , a higher NH 4+-N content appears in March , Apr il and Novembe r , and it
re ached the top value at 6.7 mg· L-1 in March.By contr ast , it re ached the lowest content at 2.7 mg· L -1 in
August , monthly changes of NO3 --N in precipita tion was more stable , content in March , August , Oc tober
were all above 1.2 mg· L -1 .The highest content appeared in November which r eached up to 1.9 mg· L -1 ,
while the lowest content was 0.4 mg· L-1 in April.The aver age leaf total nitr ogen content of Cinnamomun
camphora , Helicia cochinchinensis and Manglietia spp which appear ed in April , while it r eached its lowest 10.78
g· kg-1 in July.The monthly dynam ic tr ends of total nitr ogen presented an obvious monthly dynam ic change.
The highest content was up to 17.48 g· kg-1 content and the ava ilable nitr ogen content in soil remained essen-
tially the same.Total nitrogen content and ava ilable nitrogen content in soil laye r (0 ～ 15 cm)r ea ched the ir
highe r level in March , August , Septembe r and October re ached the highest level.In June , total nitrogen content
pr esented the lowest content , while ava ilable nitrogen appea rs in Apr il.NH4 +-N content and NO3--N con-
te nt in precipita tion ar e cor r ela tive with total nitr ogen content in plants , total nitr ogen content and ava ilable ni-
trogen content in soil layer in some degree.The related coef ficients of the NH4 +-N content and the NO3 --N content
in precipitation with total nitrogen content in plants were 0.4143 and 0.5313 respectively , which showed that the
NH4+-N content and the NO3 --N content had an obviously influence on total nitr ogen content in plants.
Key words:ecology;Camphor for est e cosystem;a tmospher ic pr ecipitation;le aves;soil;nitr ogen content
　　氮是组成生物体蛋白质和核酸的主要成分 ,氮
素循环及其有效性直接关系到生物有机体蛋白质
与核酸的合成 , 乃至整个生物体的生长发育。为
此 , 有效氮常作为森林生态系统的一个限制因
子[ 1-4] 。但是随着人口增长 、化石燃料消费的增加
以及人类对工业化肥的依赖日益增加 ,将导致氮的
输入持续增加[ 5] 。20世纪 90年代初期人类创造的
活性氮已达到为 156 Tg N ,预计到 2050 年将增加
到 270 Tg N ,大气中 NO x 和 NH3 的排放总量也将
由 1860年的23 Tg N 增加到 189 Tg N [ 6] 。氮沉降
改变了陆地生态系统的生产力和生物量积累[ 7] ,由
于人类活动的影响 ,全球大气氮沉降已明显增加 ,
过量的氮进入森林生态系统中后(氮饱和),对系统
的影响是多方面的 ,包括导致营养失调 、森林对胁
迫敏感性的增加 、加剧温室效应 、加速土壤酸化 、影
响物种多样性等严重后果 。自 1985 年 Nihlgard首
次提出氮沉降对森林生态系统的危害以来 ,欧美一
些国家高度重视由于氮沉降引起的一系列环境问
题 ,成为当今酸降沉研究领域的一个热点问题 ,并
且逐步形成了相应研究网络[ 8] 。研究表明如果受
长期氮沉降增加的影响(达到氮饱和),不但不能增
加其碳汇 ,而且还会给森林和环境带来严重的危
害[ 9] 。因此 ,研究陆地生态系统氮超负荷的问题已
引起了众多学者的关注[ 10] 。我国为世界上第三大
氮沉降区 ,国内有关于森林生态系统功能与过程对
氮沉降响应的研究报道不断涌现 。本研究以长沙
市中南林业科技大学生态站内樟树林生态系统为
对象 ,进行定位观测大气降水 、植物 、土壤系统中 N
季节动态变化规律 ,并分析城市森林生态中不同分
室间 N 含量的相关性 ,旨在揭示大气氮沉降对城市
森林植物 —土壤养分的影响以及环境与城市森林
之间的相互作用 。
1　研究地概况
研究区位于长沙市中南林业科技大学生态站
城市森林生态观测站内 ,地处东经 112°48′, 北纬
28°03′,属典型亚热带季风性气候 ,气候温和 ,降水
充沛 ,雨热同期 ,四季分明;春末夏初多雨 ,夏末秋
季多旱 ,春温多变 ,夏秋多晴 ,严冬期短 ,暑热期长;
年平均气温 17.2 ℃,最高气温 40.6 ℃,最低气温
-12 ℃,年平均降雨量 1 400 mm ,无霜期为 270 ～
300 d ,日照时数年均 1 677.1 h;地层主要为第四纪
更新世的冲积性网纹红土和砂砾 ,属典型红壤丘陵
区。其地带性植被为常绿阔叶林 ,主要树种为由壳
斗科 Fagaceae 、樟科 Lauraceae 、山茶科 Theaceae、
冬青科 Aquifoliaceae等的属种组成 ,壳斗科为组成
群落的优势种。
研究地海拔高度 100 m ,坡度 5°～ 15°。林分为
49年生樟树人工林 ,平均树高 19 m , 平均胸径
23.1 cm ,郁闭度 0.8;混生有山矾 Symplocos cauda-
ta 、红叶树 Cotinus coggygria 、拓树 Cudrania tricus-
pidata 、莽草 Iuicium lanceolatum 、木莲 Mangliet ia
fordiana 等树种 ,林下灌木主要有大青 Clerodendron
cyrtophy llum 、野鸦椿 Euscaphis japonica 等 ,草本有
淡竹叶 Lophantherum gracile 、鸡矢藤 Paederia scan-
dens和商陆 Phytolacca acinosa 等。
2　研究方法
2.1　样品采集
从 2009年 3月 ～ 2009年 11月期间 ,在实验林
地内定位进行连续采集大气降水 、林木叶片 、土壤
样品 。大气降水由安装在林地外 APS 型自动雨水
16 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报　　　　 　第 30 卷
收集器测定降雨量和采集雨水 ,每月降雨后立即采
集水样 2 000 mL ,盛于清洁的塑料瓶中 ,及时送实
验室分析和储存冰箱内备用 ,同时记录降雨量和有
关气象数据 。在实验林地内选择有代表树种:樟
树 、红叶树 、莽草和木莲各 3株 ,每月定时按东 、南 、
西 、北 4 个方向的上 、中 、下部位分别采集林木叶
片 ,每种树种每月采集 3个样品 ,取平均值作为该
树种在该月份的测定值进行统计分析。土壤与植
物采集同步进行 ,根据林地的地形 、地势等特点 ,选
取 4个采样点 ,按 0 ～ 15 、15 ～ 30 、30 ～ 45 cm 分层
采集 ,每个点重复采集 2个样品 ,取平均值作为该
月份的测定值进行统计分析。
2.2　样品化学分析
水样中的 NH +4 -N 、NO -3 -N 含量的测定:在实
验室内用 0.4 μm 的滤膜过滤 ,采用蒸馏比色法 721
型分光光度计测定。
植物 、土壤样品处理:将植物样品置于 105 ℃
的烘箱杀青15 min ,然后将烘箱的温度调至 80℃恒
温下烘干至恒重 、粉碎 、过 60目储存于样品瓶中备
用。土壤样品经室内风干 ,研磨 ,过筛 100目 ,装入
聚乙烯密封袋贮存备用。植物 、土壤样品中 N含量
的测定:采用 H 2SO 4-H2O 2 消煮 ,制备待测液 ,采用
半微量凯氏定氮法测定。
3　结果与分析
3.1　大气降水中 NH +4 -N 、NO -3 -N 含量的
季节变化
　　大气降雨是外界各物质进入森林生态系统的
主要途径 ,根据 2009年3月至2009年 10月连续观
测的资料 ,统计出 2009年全年降雨量及其分布(见
图 1)。2009 年 3 月至 2009 年 10 月底降水量为
993.6 mm ,且主要分布在 3月至 7 月期间 ,此期间
的降水量占全年降水量的 87%, 4 月 18日 ～ 4月
20日 、5月 15日 ～ 5 月 20日期间降水量分别为 89
mm 、76 mm , 6 月 28 ～ 7 月 2 日期间降水量为 51
mm , 7月 2 日全天 24小时降水量高达 59 mm 。8
月之后降水量仅为 125 mm ,占全年降水量的11%。
大气氮湿沉降的主要成分是 NH4 +-N 、NO 3 --
N以及少量的可溶性有机氮。从图 2 可以看出 ,大
气降水中 NH 4 +-N 含量存在明显动态变化规律 。3
图 1　降水量的月变化
Fig.1　Monthly variation of precipitation
月份 NH 4 +-N 含量为 6.7 mg ·L-1 ,为全年的最大
值 ,随后 NH 4 +-N 含量逐渐降低 , 6 、7 月份降低到
4.2 mg ·L-1以下 , 8月份 NH 4 +-N 含量为全年最
低值 ,仅为 2.7 mg · L-1 ,之后又逐渐上升 , 9月份
NH 4
+-N 含量为 3 mg ·L -1左右 ,在 11 月份上升
到了 5.1 mg · L-1 。而 NO3 --N 含量月变化相对
平稳 ,3 月份 NO 3 --N 含量为 1.2 mg ·L -1 ,随后
NO3
--N 含量逐渐降低 , 7 月份 NO 3 --N 含量为全
年最低值 ,仅为 0.4 mg ·L -1 ,8月份NO 3 --N 含量
又有所上升 ,为 0.7 mg ·L-1 ,随后 9月份又降低至
0.5 mg ·L -1 , 10月份至 11 月份 NO 3 --N 含量升
高到至 1.9 mg ·L-1 ,为全年的最大值 。
大气降水以 3 、4 、11月份 NH 4 +-N 含量较高
(>5 mg ·L-1), 3 ～ 4月份由于天气回暖 ,土壤温
度上升 ,湿度增大 ,从而有效地促进氮矿化作用 ,尤
其是土壤中氨态氮的挥发作用 ,所以大气降水中
NH 4 +-N 含量高 。5 ～ 8月份降水较集中 ,大气降水
引起的稀释作用明显 ,所以这段时期 NH 4 +-N含量
低。11月份 NH4 +-N 含量较高是由于冬季含氮气
体长时间在大气中累计 ,降水量较少的结果[ 11] 。大
气降水中 NO 3 --N含量较稳定(<1.9 mg ·L -1),
由于空气中 NO 3 --N 主要来自石油和生物体的燃
烧及雷击过程等 ,所以季节变化存在一定差异性和
空间性[ 12] 。研究表明大气降水中 NH4 +-N 、NO 3 --
N含量 ,一定程度上受季节降雨变化和土壤氨挥发
作用的影响 ,与国内外的诸多研究极其相似[ 13-16] 。
3.2　林木叶片中全 N 含量的季节动态
氮沉降是森林生态系统氮素的重要输入途径
之一 ,除少量能被植物地上部分直接吸收外 ,大部
分进入土层 ,进而被根系所吸收 。氮沉降在一定地
区和一定范围内能促进树木的生长 ,Chalupa 等[ 17]
研究表明 ,在欧洲的中部 、西部和北部大气氮沉降
增加引起树木直径 、树高 、材积的增加 。Kurz 和
17第 4 期　 　张铸三 ,等:长沙市樟树林生态系统大气降水 、植物 、土壤间 N 含量的动态特征
图 2　大气降水中 NH 4+-N 、NO3 --N 含量月动态
Fig.2 　Monthly changes of NH4+-N and NO3 --N
content in precipitation
Binkley等也指出 ,生长在欧洲和北美洲的森林 ,现
在的生长速度一般都比上世纪初期要快 ,大气中氮
的增加至少是其中的部分原因[ 18] 。研究表明氮沉
降对植物光合作用影响主要是通过改变叶片中和
光合作用有关酶的浓度和活性 。在一定范围内 ,氮
沉降增加引起 Rubisco 的浓度和活性及叶绿素含量
增加 ,从而光合速效增加[ 19] 。
如图 3所示 ,樟树 、红叶树 、莽草和木莲叶片中
全 N含量月动态变化趋势大体一致 ,呈现明显季节
动态变化 ,总体趋势均表现为:3月份 N 含量较低 ,
4月份有明显上升的趋势 ,且达到全年最高值 ,平均
为 17.48 g ·kg-1 ,5 ～ 10月 ,植物叶片全 N 含量逐
渐降低 , 10 月份为全年最低 值 , 仅为 10.78
g ·kg -1 。11 月份之后 ,又有所上升 , 均值上升为
12.97 g ·kg-1 。4种不同树种叶片中全 N 含量以
木莲叶片含量最高 ,其次为樟树 ,再次为红叶树 ,最
小为莽草 。
植物以 4 、5 、11月份全 N 含量较高 , 4 ～ 5月植
物处于生长初期 ,由于环境条件优势明显且在这时
期大气降水中 N 含量偏高 ,植物生长吸收了土壤和
大气降水中的营养元素 ,所以植物叶片内全 N含量
较高 。6 ～ 10月植物处于生长旺盛时期 ,由于日照
条件好和温度适宜 ,进一步促进了植物生长 ,植物
中的营养元素逐渐被释放且在这时期大气降水中
N含量较低 ,所以植物叶片全 N 含量低。11月份
植物进入生长末期 ,对营养元素需求减少且大气降
水中 N 含量较高 ,所以全 N 含量偏高 。
3.3　林地土壤中全 N 、速效 N 含量的季节变化
土壤中 N是植物生长必要的营养元素 ,也是评
价土壤质量和土地生产力的重要指标。森林土壤
图 3　不同月份植物全 N 含量的变化
Fig.3 　Monthly variation of total N concentration
from plant
中的 N素输入主要包括凋落物归还 、生物固氮 、氮
沉降和人为施肥等。
如图 4所示 ,土壤层(0 ～ 15 cm)和土壤层(15
～ 30 cm)全 N 含量月动态变化趋势基本一致 ,呈现
出明显的季节动态变化 ,土壤层(0 ～ 15 cm)总体趋
势表现为:3 月份全 N 含量较高 , 为 1.036
g ·kg -1 ;随后 4月到 6月全 N 含量逐渐下降 , 6月
份全 N 含量为全年最低值 ,仅为 0.681 g ·kg-1 ;7
月到 10月 ,土壤全 N 含量又有所上升 ,10月底全
N含量升高到 1.172 g ·kg-1 ,为全年最大值。
图 4　不同月份不同层次土壤全 N 含量的变化
Fig.4 　Monthly variation of total N concentration
from soil of different layers
如图 5所示 ,土壤的速效 N 含量也呈现季节动
态变化 ,土壤层(0 ～ 15 cm)和土壤层(15 ～ 30 cm)
速效氮 N含量的变换趋势基本一致。土壤层(0 ～
15 cm),总体趋势表现为 , 3月速效 N 含量较高 ,为
44.197 g ·kg-1 ;随后速效 N 含量明显降低 , 4月份
土壤速效 N 含量为全年最低值 , 仅 21.762
g ·kg -1 ;5 月到 10 月速效 N 含量逐渐升高至
50.84 g ·kg-1 ,为全年最大值 。土壤(30 ～ 45 cm)
由于各种原因 , 其动态变化不是很明显。研究期
18 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报　　　　 　第 30 卷
间 ,N 含量的动态变化和凋落叶元素动态变化之间
的关系比较复杂 ,可能受到各种凋落物分解过程中
元素释放的复杂性[ 20] 。
图 5　不同月份不同层次土壤速效 N 含量的变化
Fig.5　Monthly variation of available N concentra-
tion from soil of different layers
土壤全 N 含量季节动态明显 ,土壤层(0 ～ 15
cm)3 、9 、10月份全 N 含量较高。3 月由于天气回
暖 ,土壤温度上升 ,湿度增大 ,从而有效地促进氮矿
化作用 ,在这时期大气降水中 N 含量达到全年最高
值 ,且土壤中营养元素含量受植物生长影响弱 ,所
以土壤中全 N 含量较高。4 月由于正处于植物生
长的初期 ,植物体对营养物质的需求增大且吸收营
养元素能力增强 ,所以土壤中全 N 含量低 ,6 ～ 7月
土壤全 N含量降低至全年最低 ,这可能与这时期大
气降水中 N 含量低和植物生长对营养物质需求进
一步增加有关。9 ～ 10 月由于植物进入生长中后
期 ,生长开始减缓 ,对营养元素的需求减少 ,土壤中
部分营养元素相对累积 ,所以全 N含量较高。
土壤中速效 N 与全 N 含量动态变化趋势基本
一致 ,土壤层(0 ～ 15 cm)3 、9 、10 月份速效 N 含量
较高。由于速效 N 是铵态氮和硝态氮的总和 ,这两
种无机态氮 ,都是能够被植物直接吸收利用的氮
素 ,所以速效 N 含量的变化与植物生长关系密切。
3月份处于植物生长初期 ,9 、10 月份处于植物生长
末期 ,受植物吸收作用影响 ,两个时期植物生长活
动弱 ,从土壤中吸收的养分较少 ,所以这段时期土
壤中速效 N 含量较高 。
4　大气降水 N 含量与林木叶片全 N 、
土壤 N 含量的相关性分析
由表 1可见 ,大气降水中NH4 +-N 和NO 3 --N 含量
对植物全 N 、土壤全 N 和速效 N 含量有明显的影
响 ,其中大气降水中 NH4 +-N 含量与城市森林生态
系统各分室相关系数由高至低排序为:植物全 N
(0.414 3)>土壤速效 N(0.386 1)>土壤全 N
(0.300 5),大气降水中 NO 3 --N 含量与与城市森
林生态系统各分室相关系数由高至低排序为:植物
全 N(0.531 3)>土壤全 N(0.525 8)>土壤速效 N
(0.389 3)。表明大气降水 NH 4 +-N和 NO3 --N 含
量对植物全 N含量的影响最明显。
表 1　大气降水 、植物和土壤间 N 含量相关性
Table 1　Correlation degree of element N between
precipitation , plant and soil
氮沉降的成分 植物全 N 土壤全 N 土壤速效 N
大气降水 NH4 +-N 0.414 3 0.300 5 0.3861
大气降水 NO 3--N 0.531 3 0.525 8 0.389 3
5　结　论
长沙市樟树林生态系统内 , 2009年 3月至 2009
年10月降水量为993.6 mm ,且主要分布在 3月至 7
月期间 ,此期间的降水量占全年降水量的87%。
大气降水中 NH4 +-N 含量存在明显动态变化
规律 ,降水量较大且比较集中的月份 , NH 4 +-N 含
量低 ,降水量较小且分散的月份 ,NH4 +-N 含量高 ,
大气降水中 NO3 --N 含量较稳定。
林木生长季中 ,叶片全 N 含量高 ,土壤全 N 和
速效 N 含量低;非生长季林木叶片全 N 含量低 ,土
壤全 N 和速效 N 含量高。大气降水与植物 、土壤
之间的 N含量变化存在一定的相关性 ,其中大气降
水 NH 4 +-N 、NO 3 --N含量对林木叶片全 N 含量影
响较大。
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[本文编校:吴　彬]
简　讯
中南林业科技大学组团参加中国林学会
木材科学分会第四次全国代表大会
2010年 4月 26-28日 ,中国林学会木材科学分会第四次全国代表大会暨第十二次学术研讨
会在福建农林大学召开。来自美国 、日本 、韩国 、法国等 6个国家和地区以及国内 20个省 、自治区
和直辖市的高等院校 、科研院所 、企业等单位的 300多名代表参加了大会。我校应本次大会的邀
请 ,派出由 34名教师和研究生组成的代表团参加会议 。
会议选举产生了新一届中国林学会木材科学分会理事会组织机构。我校有 12人当选为理
事 ,其中 ,我校“芙蓉学者计划”特聘教授吕建雄研究员 、刘元教授分别当选为中国林学会木材科学
分会常务副理事长和副理事长 ,吴义强教授 、韩健教授当选为常务理事。本次会议共收到学术论
文 180篇 ,其中我校木材科学与技术学科教师和研究生提交学术论文 20篇 ,有 12 篇学术论文在
大会上进行了宣读。通过此次大会 ,我校参会代表与国内外专家学者进行了广泛而深入的学术交
流 ,展示了近年来我校在木材科学领域研究的最新进展 ,提升了我校在国内外木材研究学界的知
名度和影响力。
20 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报　　　　 　第 30 卷