全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林业科学研究　2009, 22 (1) : 69～74
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2009) 0120069206
城乡梯度森林土壤原易位 N矿化
余明泉 1, 2 , 杜天真 1 , 陈伏生 33
(1. 江西农业大学园林与艺术学院 ,江西 南昌　330045; 2. 江西科技师范学院生物系 ,江西 南昌　330038;
3. 南昌大学生命科学学院 ,江西 南昌　330031)
摘要 :以位于南昌市城乡生态界面的湿地松 (Pinus elliottii)人工林为研究对象 ,开展城区、郊区、乡村 3个不同梯度土壤 N
原位、易位培养试验。结果表明 :培养土壤来源对土壤的氨化、硝化速率影响差异极显著 (P < 0. 001) ,对净矿化速率影响
差异显著 (P <0. 05) ;氨化速率表现为乡村土壤来源 (0. 11 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) >郊区土壤来源 ( - 0. 92 mg·kg- 1 ·30
d - 1 ) >城区土壤来源 ( - 2. 02 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) ;硝化速率表现为乡村土壤来源 (0. 44 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )较低 ,城区
(3. 18 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )和郊区土壤来源 (3. 35 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )较高 ;净矿化速率表现为乡村土壤来源 (0. 54 mg·
kg- 1 ·30 d - 1 ) <城区土壤来源 (1. 16 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) <郊区土壤来源 (2. 43 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )。培养位置对氨化速
率影响差异不显著 (P >0. 05) ,对硝化速率、净矿化速率影响差异极显著 (P < 0. 001) ;硝化速率和净矿化速率均表现为乡
村 (0. 68 mg·kg- 1 ·30 d - 1和 - 0. 29 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )和郊区 (1. 78 mg·kg- 1 ·30 d - 1和 1. 06 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )较低 ,
城区 (4. 51 mg·kg- 1 ·30 d - 1和 3. 36 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )较高。总体来看 ,土壤 N的矿化过程既与土壤理化特性有关 ,又
明显受到城市化的影响。
关键词 : N矿化 ;易位培养 ;城乡梯度 ;森林土壤 ;南昌市
中图分类号 : S714　　　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2008202220
基金项目 : 国家自然基金项目 (30600473)
作者简介 : 余明泉 (1968—) ,男 ,江西南昌人 ,博士生 ,主要从事森林土壤氮素转化的研究.3 通信作者 : E2mail: chenfush@hotmail. com
So il N itrogen M inera liza tion of in situ and Exchange2loca tion Incuba tion
in Forest a long an Urban2to2Rura l Grad ien t
YU M ing2quan1, 2 , DU Tian2zhen1 , CHEN Fu2sheng3
(1. College of Landscape A rchitectural and A rt, J iangxi Agricultural University, Nanchang　330045, J iangxi, China;
2. Department of B iology, J iangxi Science & Technology Normal University, Nanchang　330038, J iangxi, China;
3. College of L ife Sciences, Nanchang University, Nanchang　330031, J iangxi, China)
Abstract: Soil nitrogen m ineralization of in situ and exchange2location incubation was studied in P inus elliottii.
p lantations along a 30 km urban2suburban2rural transect in Nanchang City. The results showed that the effects of
incubation soil source on the rates of ammonification, nitrification and net m ineralization were significant at the
levels of P < 0. 001 and P < 0. 05, respectively. The ammonification rate for different incubation soil sources showed
an increase tendency with further away from the urban, they were - 2. 02 mg·kg- 1 ·30 d - 1 , - 0. 92 mg·kg- 1
·30 d - 1 , and 0. 11 mg·kg- 1 ·30 d - 1 respectively in urban, suburban and rural soils. However, the rate of
nitrification in rural source soil (0. 44 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) showed much lower than that in suburban source soil
(3. 18 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) and urban source soil (3. 35 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ). The net m ineralization rate showed
contrary tendency, 0. 54 mg·kg- 1 ·30 d - 1 , 1. 16 mg·kg- 1 ·30d - 1 , 2. 43 mg·kg- 1 ·30 d - 1 showed in
urban, suburban, rural soil. The effects of soil incubation location on the rates of nitrification and net m ineralization
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
was significant at the level of P < 0. 001, while the effect on ammonification rate was no significant ( P < 0. 05).
Both of the rates of nitrification and netm ineralization for different soil incubation locations showed the lower rates in
rural source soil (0. 68 mg·kg- 1 ·30 d - 1 and - 0. 29 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) and suburban source soil (1. 78 mg·
kg- 1 ·30 d - 1 and 1. 06 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) , but the rates are much higher in urban source soil (4. 51 mg·kg- 1
·30 d - 1 and 3. 36 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ). In conclusion, soil nitrogen m ineralization p rocess was influenced by soil
characteristics as well as urbanization p rocess.
Key words: nitrogen m ineralization; exchange2location incubation; urban2rural gradient; forest soil; Nanchang City
　　在许多森林生态系统中 ,土壤有效 N通常是限制
林木生长的主要因子 [ 1 ]。土壤中 N的矿化过程是有
机 N转化为植物可吸收有效 N形式的重要途径 [ 2 - 3 ] ,
N矿化速率往往决定了土壤中用于植物生长的 N可
利用性 [ 4 ]。矿化速率除受到土壤物理、化学和生物学
特性 [ 5 ]、外界环境条件 [ 6 ]等的影响外 ,还明显受到人
类干扰 ,如城市化 [ 7 ]、放牧 [ 8 ]等过程的影响。
近几十年来 ,由于人类活动的加剧 ,城市化改变
了城市森林的水热状况 ,使得温度、湿度等生态因子
在城区 -郊区 -乡村的生态界面上形成了相应的递
增或递减梯度 [ 9 - 10 ] ,对城市森林植被、土壤、生物多
样性、景观产生极大的影响 [ 11 ] ,同时也影响着城市
森林土壤的 N矿化过程 [ 7 ] ,从而改变了城市森林生
态系统的 N循环及其养分平衡。尽管近年来城市森
林研究正逐渐成为生态学研究的热点之一 [ 12 - 14 ] ,但
生态系统物质循环作为城市森林研究的重要内容并
没有得到足够重视 [ 15 ] ,而养分循环是城市森林生态
系统中关键的生态过程 ,土壤有效 N影响城市森林
中植物的生长、发育及其生态系统服务功能的发
挥 [ 16 ]。国外 ,自 20世纪 90年代初就有一些研究者
开始关注城市化对森林生态系统结构和功能影响的
研究 [ 17 - 18 ] ,相继报道了城乡梯度中森林土壤 N 矿
化、硝化速率的变化规律 [ 19 - 21 ] ,而在我国尚未有这
方面的研究报道。因此 ,开展研究我国城市化对森
林土壤 N转化的影响具有十分重要的意义。
本研究以南昌市“城区 - 郊区 - 乡村 ”森林生
态系统样带为研究对象 ,通过对森林土壤 N矿化的
原位和易位培养 ,探寻在城乡梯度生态界面中森林
生态系统土壤 N转化的规律 ,提高城市化对自然生
态系统影响的认识 ,为科学经营和管理城市森林提
供科学依据。
1　材料与方法
1. 1　研究区概况
南昌市位于 115°27′～116°35′E, 28°09′～29°
11′N ,气候湿润温和 ,属中亚热带季风区 ,雨量充
沛 ,四季分明 ,春秋短 ,夏季长 ,年平均气温 17. 5 ℃,
年降水量 1 600 ～1 800 mm,年平均相对湿度为
77% ,年日照时间 1 900. 5 h,年平均风速 2. 5 m ·
s
- 1
,年无霜期 291 d。境内多为黄红壤土 ,城区降水
pH值范围 3. 65～7. 20,平均为 4. 34[ 22 ]。
1. 2　样地的选取
试验区位于从南昌市中心沿 105国道一直向北
30 km的范围 ,样带从人民公园始向北延伸经过郊
区的环球公园到达新建县溪霞乡 ,城区、郊区、乡村
的生态特征清晰 ,相关的生态指标差异也比较明显。
样带土壤均为红壤 ,土壤质地基本一致。分别在
人民公园 (城区 )、环球公园 (郊区 )、溪霞乡的溪霞森
林公园 (乡村 )各选取人工湿地松 ( Pinus elliottii En2
gelm. )林典型样地 1块作为城乡梯度生态研究界面 ,
树龄均在 15 a左右 ,取样的样地均没有明显的干扰迹
象 ,坡度、坡向较一致 ,样地基本理化性质见表 1。
表 1　样带土壤基本情况 (0～15 cm)
土壤特性 城区 郊区 乡村
pH值 5. 94 (0. 74) a 4. 16 (0. 04) b 4. 48 (0. 06) b
土壤密度 / (g·cm - 3 ) 1. 07 (0. 06) a 1. 13 (0. 05) a 1. 04 (0. 04) a
全 C / (g·kg - 1 ) 14. 00 (2. 19) a 22. 75 (1. 75) b 12. 52 (0. 54) a
全 N / (g·kg - 1 ) 0. 90 (0. 10) a 1. 65 (0. 11) b 1. 02 (0. 09) a
全 P / (g·kg - 1 ) 0. 80 (0. 22) a 0. 38 (0. 11) ab 0. 15 (0. 11) b
C /N比 15. 29 (0. 87) a 13. 92 (1. 07) a 12. 48 (1. 01) a
N /P比 1. 34 (0. 26) a 4. 58 (0. 64) b 7. 02 (0. 88) b
铵态 N / (mg·kg - 1 ) 4. 33 (0. 22) a 2. 88 (0. 05) b 4. 31 (0. 20) a
硝态 N / (mg·kg - 1 ) 7. 40 (0. 47) a 3. 01 (0. 71) b 0. 16 (0. 04) c
矿质 N / (mg·kg - 1 ) 11. 73 (0. 64) a 5. 89 (0. 73) b 4. 47 (0. 20) b
　　注 :括号内数字为标准误 , 铵态 N和硝态 N含量是培养前初始含量 ,
同一行中有相同字母为差异不显著 ,否则为差异显著 (P <0. 05)。
1. 3　试验设计和测定方法
原易位培养试验在 2007年生长旺季开展 ,采用顶
盖埋管法 , 2007年 6月 19日分别在城区、郊区、乡村生
态界面上的典型样地中选取 4个 10 m ×10 m的样方 ,
在每个样方内将 4个长为 15 cm、内径为 4. 0 cm的 PVC
管全部垂直打入土内 (每个生态界面分别为 16个 , 3个
界面共计 48个 ) ,其中 1个原封不动的留下做原位培
养 , 2个带土的 PVC管取出 ,分别转移至其它生态界面
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第 1期 余明泉等 :城乡梯度森林土壤原易位 N矿化
的样方内 ,并放入相对应的位置 ,进行换位培养 [23 - 24 ] ,
还有 1个立即带回实验室分析 ,测定其铵态 N和硝态
N的含量作为培养前初始值。所有原位和易位的土样
均培养 30 d。于 2007年 7月 19日将所有装有土样的
PVC管全部取出 ,测定培养后的铵态 N和硝态 N含量。
铵态 N用靛酚兰比色法测定 ,硝态 N含量用镀铜镉还
原 -重氮偶合比色法测定。同时 ,在每个样方中用土
钻取 0～15 cm层混合土样 ,每个生态界面为 4个混合
样 , 3个生态界面共计 12个混合样 ,用 1∶2水溶液 , pH
计测定土壤 pH值、用油浴 -高铬酸钾容量法测定有机
C、用半开氏消煮法测定全 N、用浓硫酸 -高氯酸催化
消煮 ,钼锑抗比色法测定全 P[25 ]。用环刀法测定每个
样方 0～15 cm层土壤密度。
1. 4　数据处理与分析
氨化速率 = (土壤培养 30 d后的铵态 N ) - (土
壤培养前初始的铵态 N) ;硝化速率 = (土壤培养 30
d后的硝态 N) - (土壤培养前初始的硝态 N ) ;土壤
N净矿化速率 = (土壤培养 30 d后的铵态 N +硝态
N) - (土壤培养前初始铵态 N +硝态 N ) [ 26 ]。
所有数据采用统计软件 SPSS for W indows 11. 0
中单因素方差分析和多因素方差分析 ;显著和极显
著分别在 P = 0. 05和 P = 0. 001水平。
2　结果与分析
2. 1　土壤基本理化特性
土壤的理化性质是影响土壤 N 矿化的重要因
素。在所选取的样带中 ,城区的土壤 pH值比郊区、
乡村的高 ,但均为酸性土壤 ;易位培养前各样地铵态
N初始值为城区、乡村较高 ,郊区较低 ,硝态 N则为
城区 >郊区 >乡村 ,矿质 N为城区较高 ,郊区和乡村
较低 ;郊区土壤的有机 C、全 N含量比城区和乡村的
高 ,其它因子差异不明显 (表 1)。
2. 2　氨化速率
原位培养试验结果表明 :城区、郊区、乡村的土壤
原位培养的氨化速率为乡村和郊区较高 ,城区较低 ,反
映出离城区越远 ,氨化速率越高的变化趋势 (表 2)。
易位培养试验结果表明 :同一培养土壤来源在不
同的培养位置培养的氨化速率差异不显著 (P > 0. 05)
(图 1A)。说明城区 -郊区 -乡村生态界面的环境因
子的变化不足以影响湿地松人工林土壤氨化速率。
原易位培养试验结果结合来看 :培养土壤来源对氨化
速率影响差异极显著 (P < 0. 001) ,具体为乡村土样来
源 >郊区土样来源 >城区土样来源 ;土壤培养位置、
培养土壤来源与土壤培养位置的交互作用对土壤氨
化速率的影响差异均不显著 ( P > 0. 05) (表 3、表 4)。
2. 3　硝化速率
原位培养试验结果表明 :城区、郊区、乡村的土
壤原位培养的硝化速率为城区 >郊区 >乡村 ,反映
出离城区越近硝化速率越高的趋势 (表 2)。
易位培养试验结果表明 :城区培养土壤来源易位
到郊区、乡村后表现为郊区 (3. 42 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )
>乡村 ( - 0. 50 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) ;郊区培养土壤来
源易位到城区、乡村后表现为城区 (5. 98 mg·kg- 1 ·30
d - 1 ) >乡村 (2. 39 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) ;乡村培养土壤
来源易位到城区、郊区后表现为城区 (0. 93 mg·kg- 1 ·
30 d - 1 ) >郊区 (0. 23 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) ,反映出离城
区越近硝化速率越高的趋势 (图 1B)。
原易位培养试验结果结合来看 :培养土壤来源和
土壤培养位置对硝化速率的影响差异均达到极显著
(P < 0. 001) ,培养土壤来源为城区和郊区较高 ,乡村
较低 ,土壤培养位置为城区较高 ,郊区和乡村较低。
培养土壤来源和土壤培养位置的交互作用对硝化速
率的影响差异也极显著 ( P < 0. 001) (表 3、表 4)。
2. 4　净矿化速率
原位培养试验结果表明 :城区、郊区、乡村的土
壤原位培养的矿化速率表现出城区 ≥郊区 ≥乡村 ,
反映出离城区越近矿化速率越高的趋势 (表 2)。
易位培养试验结果表明 :城区培养土壤易位到
郊区、乡村后表现为郊区 (4. 59 mg·kg- 1 ·30 d - 1 )
>乡村 ( - 2. 36 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) ;郊区培养土壤
易位到城区、乡村后表现为城区 ( 4. 75 mg·kg- 1 ·
30 d - 1 ) >乡村 (1. 31 mg·kg- 1 ·30 d - 1 ) ;乡村培养
土壤易位到城区、郊区后差异不显著 (图 1C)。
原易位培养试验结果结合来看 :培养土壤来源
对净矿化速率影响差异显著 ( P < 0. 05) ,具体为郊
区 ≥城区 ≥乡村 ;土壤培养位置对矿化速率的影响
差异为极显著 ( P < 0. 001) ,具体为城区较高 ,郊区
和乡村较低 ;培养土壤来源与土壤培养位置的交互
作用对净矿化速率的 影响差异也显著 ( P < 0. 05)
(表 3、表 4)。
表 2　原位培养的土壤氨化、硝化和净矿化速率平均值
地点
氨化速率 硝化速率 净矿化速率
(mg·kg - 1 ·30 d - 1 )
城区 - 2. 04 (0. 15) a 6. 63 (0. 96) a 4. 59 (1. 01) a
郊区 - 0. 46 (0. 46) b 1. 68 (1. 27) b 1. 23 (1. 53) ab
乡村 0. 05 (0. 46) b 0. 15 (0. 13) b 0. 20 (0. 33) b
　　注 :括号内数字为标准误 , 同一列中有相同字母为差异不显著 ,
否则为差异显著 ( P < 0. 05)。
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
图 1　同一培养土壤来源不同土壤培养位置的氨化、硝化和净矿化速率
(图 1A:氨化速率 ;图 1B:硝化速率 ;图 1C:净矿化速率 ,
同一生态界面中有相同字母为差异不显著 ,否则为差异显著 ( P < 0. 05)。)
表 3　培养土壤来源和土壤培养位置对土壤 N氨化、硝化、净矿化速率影响的方差分析
影响因素 自由度
氨化速率
F P
硝化速率
F P
净矿化速率
F P
培养土壤来源 2. 00 43. 12 0. 000 16. 72 0. 000 4. 15 0. 027
土壤培养位置 2. 00 1. 86 0. 175 24. 35 0. 000 15. 30 0. 000
培养土壤来源 ×土壤培养位置 4. 00 0. 97 0. 438 6. 81 0. 000 4. 54 0. 006
表 4　不同培养土壤来源和土壤培养位置 N素氨化、硝化和净矿化速率的平均值
影响因素 不同生态界面 氨化速率 / (mg·kg - 1 ·30 d - 1 ) 硝化速率 / (mg·kg - 1 ·30 d - 1 ) 净矿化速率 / (mg·kg - 1 ·30 d - 1 )
培养土壤来源 城区培养位置 - 1. 16 (0. 25) a 4. 51 (0. 88) a 3. 36 (0. 74) a
郊区培养位置 - 0. 72 (0. 36) a 1. 78 (0. 75) b 1. 06 (0. 50) b
乡村培养位置 - 0. 97 (0. 29) a 0. 68 (0. 42) b - 0. 29 (0. 52) b
土壤培养位置 城区土壤来源 - 2. 02 (0. 11) a 3. 18 (0. 94) a 1. 16 (0. 94) ab
郊区土壤来源 - 0. 92 (0. 18) b 3. 35 (0. 77) a 2. 43 (0. 78) b
乡村土壤来源 0. 11 (0. 20) c 0. 44 (0. 14) b 0. 54 (0. 19) a
　　注 :括号内数字为标准误 , 同一列中有相同字母为差异不显著 ,否则为差异显著 ( P < 0. 05)。
3　讨论
目前陆地生态系统 N转化的研究方法有很多 ,
易位培养是以空间换时间的试验方式之一 ,近年来
有研究者采用空间转移方法将不同海拔的土壤相互
交换位置培养 ,以培养 CO2 倍增引起的全球变暖对
土壤 N转化的影响 [ 27 ] , Hart[ 28 ]把高海拔土壤转移到
低海拔进行 13个月的培养后 ,发现土壤的净矿化和
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第 1期 余明泉等 :城乡梯度森林土壤原易位 N矿化
硝化比原位培养增加了 80% ,表明不同空间位置的
土壤 N矿化格局可能因不同的水热条件而不同 [ 29 ]。
本试验通过森林土壤在城区 -郊区 - 乡村梯度上原
易位培养后发现硝化和净矿化速率均表现为离城区
越远越低的变化趋势 ,这与 Hart等 [ 28 ]的研究在试验
设计上是基本一致的。可见 ,用原易位培养的方法
在城乡梯度生态界面上剖析城市化对城市森林土壤
的 N转化是可行的和有意义的。
城市森林土壤 N转化过程十分复杂 ,通常受气
候条件 (主要是温度、湿度 )、凋落物化学组成、土壤
pH值等多种因子控制 [ 30 - 31 ]。已有的研究证明 ,土
壤硝化和净矿化速率在一定的条件下与温度、湿度、
N沉降、pH值呈正相关 [ 32 - 33 ]。本研究通过不同培
养土壤来源相同培养位置的对比发现 ,氨化过程表
现为离城区越远的土壤来源具有越高的速率 ,而硝
化速率和净矿化速率反之。其主要原因可能是城区
土壤来源的 pH值比乡村的高 (表 1) ,进而有利于增
强其硝化过程 [ 33 - 34 ]。另一方面 ,通过相同培养土壤
来源不同土壤培养位置的对比发现 ,土壤培养位置
对氨化速率的影响差异不显著 ,而硝化和净矿化速
率则表现为离城区越近的培养位置其速率越高。其
原因可认为由于城市化影响了城市的外部环境 ,使
得城区、郊区、乡村三者之间的外部环境因子产生差
异 [ 10 ] ,从而影响了土壤 N的矿化过程 [ 20 ]。说明土
壤矿化过程已明显受到外界环境条件变化的影响。
此外 ,通过城区 - 郊区 - 乡村梯度原位培养实验结
果也发现 ,氨化速率表现为离城区越远越高的变化
趋势 ,而硝化和净矿化速率反之 ,这进一步补充说明
了城市化对土壤 N矿化的影响。
铵态 N和硝态 N是植物从土壤中吸收 N素的
主要形态 ,但也最易通过淋溶或挥发从林地中流
失 [ 35 ] ,两者比较 ,硝态 N较铵态 N更易于从林地中
流失 ,这是由于硝态 N带负电 ,易于从土壤尤其是阴
离子交换能力差的土壤淋溶流失 [ 36 ]。硝态 N同样
通过反硝化作用变为易于挥发的气体而损失 ,变成
温室气体的一部分 [ 37 ]。城区森林相对于乡村处于
高温、潮湿等环境条件 ,而且受到人为干扰也多 (踩
踏、凋落物的收集等 ) ,对硝态 N的保护更为不利。
然而 ,已有的研究结果显示城区森林土壤硝态 N含
量占优势 ,且城区森林土壤的硝态 N含量比乡村的
高 [ 7, 38 ]。因此 ,在城市森林的管理中要特别注意土
壤的养分管理 ,采取一定的措施 ,如尽可能地不收集
枯枝落叶 [ 39 ] ,保持森林的原生态 ,以防止养分的
流失。
从以上分析可知 ,由于人为干扰的影响 ,使城区
-郊区 -乡村形成了一个相应的环境梯度 ,从而影
响城市森林土壤的 N矿化过程 ,影响城市森林的养
分循环。通过城市森林土壤的原易位培养发现 ,无
论是培养土壤来源 ,还是土壤培养位置 ,均表现为离
城区越近 ,硝化和净矿化速率越高的变化趋势。因
此 ,在城市森林的养分管理中要特别注意土壤硝态
N的监测 ,防止养分的流失 ,及其所引起的环境问
题。最后 ,应该指出本试验还存在一些不完善的地
方 ,长期定位开展相关研究将有促于更好地剖析城
市化对自然生态系统的影响。
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