氮是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素^{[1, 2]}. 但土壤中无机态氮含量较少，以有机氮形式存在的氮素占85%以上^[3]. 一般认为，有机氮需要矿化为无机氮，才能供植物吸收利用^[4]. 目前已有证据表明植物可直接利用部分有机氮组分，土壤氮素转化以及植物吸收氮素对于微生物矿化作用的依赖性需要重新认识^{[5, 6, 7, 8]}. 土壤有机氮作为氮素转化的重要中间产物，直接关系到氮素的再利用效率和环境运移强度^[9]，其中可溶性有机氮(soluble organic nitrogen，SON)虽仅占土壤有机氮库的一小部分，但代表了土壤及水体中的溶解氮的主体部分^[10]，因而是其中最活跃的组分之一^[11]. 因此土壤有机氮尤其是可溶性有机氮，已经成为土壤学、 植物营养学、 环境生态学等诸多领域的研究热点.

Bremner^[12]于1965年提出了土壤酸解性有机氮的概念及测定方法，受到国内外学者的普遍认同^{[13, 14, 15]}，并作为表征土壤氮素指标之一. 此后国内学者陆续开展了大量植物利用土壤有机氮组分的研究^{[8, 14]}，对于耕作土壤的研究较多，如在施加肥料后的酸解性有机氮组分变化特征等^{[15, 16]}. 而对森林土壤酸解性有机氮的含量及分布特征的研究较少，鲜见森林土壤的垂直分布特征研究的报道. 本研究选择亚热带常绿阔叶林地区不同海拔高度的典型森林土壤剖面，分析有机氮组分含量及其分布特征，探讨其受海拔和土壤理化性质影响的垂直分布规律，以期为进一步揭示森林生态系统中土壤氮素组成和循环过程提供科学依据.

大围山国家森林公园地处湘东幕阜山-罗霄山接壤地带的大围山支脉，位于湖南省浏阳市的东北部，总面积达5053 hm². 气候属中亚热带季风湿润气候，年平均气温11-16℃，1月平均温度-4-2.5℃，7月平均温度20-28℃，年平均降雨量1200-2000 mm. 成土母岩主体是燕山期花岗岩侵入体，土壤土层深厚，质地较轻，为壤土或黏壤土. 植被为典型的亚热带典型常绿阔叶林地带，原生植被多被破坏，现存的主要为原始次生林和人工林. 由于海拔高低相差大，植被垂直变化明显，海拔500 m以下为常绿阔叶林，500-1000 m为常绿落叶阔叶混交林，1000-1400 m为落叶阔叶林，1400 m以上为草灌群落^[17].

2013年10月，于大围山自然保护区选取几种典型森林植被类型土壤作为研究对象，沿不同海拔高度按照土壤调查规范采集土壤剖面样品. 观察土体各层次土壤结构与发育特征，并按每10 cm采集1个土壤样品1-2 kg，3个环刀样品. 剖面构型分别为DWS001： A-B-C (0-40-100 cm)； 剖面DWS002： A-B1-B2 (0-50-100 cm)； 剖面DWS003： A-B1-B2 (0-35-100 cm). 样地基本情况见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 取样地概况 Table 1 Basic situation of the survey sample plots 剖面编号 海拔/m 土壤发生类型 植被类型 地理位置 DWS001 1402 山地花岗岩黄棕壤 落叶阔叶林 28°25′ 15.9″ N,114°06′52.5″ E DWS002 1002 山地花岗岩黄壤 落叶阔叶林 28°25′ 58.9″ N,114°05′06.2″ E DWS003 800 山地花岗岩黄红壤 杉木人工林 28°25′ 03.6″ N,114°03′47.1″ E

表 1 取样地概况 Table 1 Basic situation of the survey sample plots

土壤样品带回实验室，经自然风干1-2周后，剔除根块和碎石研磨过20目筛，再四分法均匀取样研磨过100目筛，分别装入磨口瓶保存待测. 土壤理化性质见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 土壤剖面构型层次理化性质 1) Table 2 Physical and chemical properties in each soil genetic horizon 剖面编号 层次 质地类型 pH 黏粒 (<2 μm)/% 砂粒 (>50 μm)/% 容重 /g ·cm-3 毛管孔隙度 /% DWS001 A 砂壤土 4.66 14.33 56.65 1.05 52.52 B 砂壤土 4.70 12.02 62.34 1.32 48.68 DWS002 A 黏壤土 4.75 31.49 32.56 1.18 48.62 B1 黏壤土 4.80 33.05 32.32 1.40 42.35 DWS003 A 黏壤土 4.50 34.39 32.69 1.11 41.75 B1 砂质黏壤土 4.62 25.31 54.88 1.52 38.63 1)各数值是按土壤剖面构型层次取得的平均值

表 2 土壤剖面构型层次理化性质 1) Table 2 Physical and chemical properties in each soil genetic horizon

土壤酸解性有机氮经6 mol ·L^-1 HCl浸提24 h获得酸解液，采用Bremner法^[12]测得酸解性氨基酸态氮、 酸氨态氮、 氨基糖氮和未知态氮等有机氮形态； 土壤全氮和全磷采用凯氏定氮法消解，间断化学分析仪(Easychem plus，意大利SYSTEA)测定，测定波长均为660 nm； 有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定； 土壤容重、 毛管孔隙度采用环刀法测定； pH值使用酸度计(pHS-3C，上海雷磁)测定，土水比1 ∶2.5； 土壤机械组成采用比重计法，测定土壤各粒径颗粒所占比(黏粒＜2 μm； 粉粒2-50 μm； 砂粒>50 μm)，并确定样地的土壤质地.

可溶性有机氮，通过测定土壤可溶性总氮(TSN)及无机氮(TIN)的含量由差减法获得^[18]，超纯水浸提，土水比1 ∶5，20℃水浴振荡0.5 h； 可溶性总氮与土壤全氮的测定方法相同； NH⁺₄-N采用水杨酸-硝普钠显色法，间断化学分析仪测定(波长660 nm)； NO^-₃-N和NO^-₂-N的总量采用氯化钒还原，Griess试剂显色法，间断化学分析仪测定(波长540 nm)； 总游离氨基酸总量(TFAA)采用茚三酮比色法，紫外分光光度计(UV-2450，日本岛津)测定(波长570 nm).

图 2

Fig. 2

图 2 土壤无机氮含量的垂直分布 Fig. 2 Vertical distribution of soil inorganic nitrogen content

土壤全氮含量表现出与海拔高度显著相关的特征，海拔较高的土壤全氮也越高. 不同样点剖面土壤全氮平均值大小依次为: DWS001，(1.10±0.39) g ·kg^-1； DWS002，(1.05±0.50) g ·kg^-1； DWS003，(0.84±0.44) g ·kg^-1. 土壤全氮的垂直分布特征见图 1. 从中可以看出，随着剖面深度的增加，土壤全氮含量逐渐降低.

图 1

Fig. 1

图 1 土壤全氮含量的垂直分布 Fig. 1 Vertical distribution of soil total nitrogen content

不同样点剖面土壤无机氮含量平均值大小分别为，土壤NH⁺₄-N含量： DWS001，(9.53±1.77) mg ·kg^-1； DWS002，(7.27±1.27) mg ·kg^-1； DWS003，(11.98±4.00) mg ·kg^-1. 土壤NO^-₃-N和NO^-₂-N的总量： DWS001，(17.86±7.99) mg ·kg^-1； DWS002，(10.08±1.14) mg ·kg^-1； DWS003，(13.53±3.35) mg ·kg^-1. 土壤无机氮的垂直分布特征见图 2. 随着剖面深度的增加，土壤无机氮含量同样表现出逐渐降低的趋势. 海拔较高的阔叶林DWS001剖面以及受人为干扰较大的杉木人工林DWS003剖面土壤中，无机氮含量相对较高.

以上数据结果表明，土壤有机氮占全氮的百分比表现出随着土壤剖面深度的增加而下降趋势. 其平均值所占比分别为： DWS001，97.44%±0.52%； DWS002，98.09%±0.62%； DWS003，96.23%±1.86%. 典型森林土壤，土壤有机氮占全氮近93.22%-99.33%，平均97.39%±1.17%.

土壤酸解性有机氮在剖面中变化范围较大，剖面DWS001表层土壤最高可达1137.09 mg ·kg^-1，底层最低仅为471.29 mg ·kg^-1. 剖面均值为： DWS001： (699.84±222.58) mg ·kg^-1； DWS002： (620.57±194.36) mg ·kg^-1； DWS003： (492.40±174.85) mg ·kg^-1，表现出随海拔高度而增加的特征. 随着剖面深度的增加，土壤酸解有机氮逐渐降低(图 3). 土壤酸解有机氮与剖面深度的负相关关系达到极显著水平： DWS001： y=1.11e^-0.09x，r=0.95； DWS002： y=0.92e^-0.08x，r=0.90； DWS003剖面： y=0.87e^-0.11x，r=0.98.

图 3

Fig. 3

图 3 土壤酸解有机氮含量的垂直分布 Fig. 3 Vertical distribution of soil acid hydrolysable nitrogen content

土壤酸解性有机氮占全氮的百分比，表现出随着土壤剖面深度的增加而降低趋势. 剖面深度0-60 cm，其平均值大小依次为： DWS001，63.69%±2.88%； DWS002，58.54%±7.52%； DWS003，54.56%±6.26%； 剖面深度在60-100 cm，依次为： DWS003，83.26%±9.01%； DWS002，67.78%±2.61%； DWS001，64.88%±9.09%. 典型森林土壤，酸解有机氮占全氮约46.62%-95.86%，平均64.38%±10.68%.

土壤酸解性有机氮组分结果见表 3. 从中可见，酸解有机氮组分中，酸解氨态氮含量较高，达315.46-438.52 mg ·kg^-1. 且表现为： DWS001>DWS002>DWS003； 酸解氨基糖氮平均含量为(66.30±29.04) mg ·kg^-1，低海拔DWS003剖面中的平均含量较高； 而酸解氨基酸氮含量差异较小，平均为 (72.21±25.50) mg ·kg^-1； 酸解未知态氮含量DWS001>DWS002>DWS003，表现出随海拔高度的降低而显著下降，全剖面(0-100 cm)平均含量(74.35±47.86) mg ·kg^-1.

酸解有机氮组分随剖面深度的含量变化趋势见图 4. 从中可知，随着剖面深度的增加，酸解氨态氮、 酸解氨基酸氮、 酸解未知态氮均表现出下降趋势，而酸解氨基糖氮变化不明显.

表 3(Table 3)

表 3 土壤酸解性有机氮组分1)/mg ·kg-1 Table 3 Content of each component of acid hydrolysable organic nitrogen/mg ·kg-1 剖面编号 酸解氨态氮 酸解氨基糖氮 酸解氨基酸氮 变化范围 均值 变化范围 均值 变化范围 均值 DWS001 711.22-265.89 438.52±137.36 aA 99.12-29.26 68.56±24.04 bB 137.92-43.92 83.65±29.60 aB DWS002 866.92-294.65 420.26±168.23 aA 119.84-28.16 58.34±26.56 bB 111.13-31.41 65.05±22.17 aB DWS003 474.27-163.35 315.46±119.85 aA 102.60-51.93 89.74±15.59 aB 92.95-18.93 50.21±26.94 aB 1)“±”表示标准偏差，大写字母不同表示同行内差异显著(P＜0.01，n=10)，小写字母不同表示同列内差异显著(P＜0.01，n=10)

表 3 土壤酸解性有机氮组分 1)/mg ·kg-1 Table 3 Content of each component of acid hydrolysable organic nitrogen/mg ·kg-1

图 4

Fig. 4

图 4 土壤酸解性有机氮组分含量的垂直分布 Fig. 4 Content of each component of acid hydrolysable organic nitrogen varies with layers 01、 02、 03分别表示DWS001、 DWS002、 DWS003

此外，酸解有机氮组分所占比相对稳定，酸解氨态氮为64.39%±5.16%，酸解氨基酸氮10.71%±2.28%，酸解氨基糖氮13.39%±7.37%. 而酸解未知态氮所占百分比有所差异，平均所占比表现为： DWS001 (14.78%±4.56%)>DWS002 (12.67%±3.13%)>DWS003(6.65%±3.25%).

土壤可溶性有机氮含量较低，变化范围在9.92-23.45 mg ·kg^-1，平均含量分别为，DWS001： (21.73±4.35) mg ·kg^-1； DWS002： (9.92±3.07) mg ·kg^-1； DWS003： (23.45±5.24) mg ·kg^-1. 土壤可溶性有机氮含量随土壤深度的垂直变化特征，如图 5所示. 从中可以看出，可溶性有机氮同样表现出随剖面深度而降低的趋势. 海拔较高的阔叶林DWS001剖面以及受人为干扰较大的杉木人工林DWS003剖面土壤中，可溶性有机氮含量相对较高.

可溶性有机氮中低分子量的游离氨基酸是可被微生物和植物直接吸收利用的氮素部分，因而具有重要意义. 表 4列出了土壤中总游离氨基酸态氮含量及占可溶性有机氮的比例. 由表可见，总游离氨基酸态氮含量变化范围为： 1.62-12.02 mg ·kg^-1，占可溶性有机氮的比例平均为27.36%±9.95%.

表 5列出了土壤有机氮组分与土壤理化指标间的相关系数. 从表可见，酸解性有机氮、 可溶性有机氮与土壤全氮、 可溶性总氮、 土壤无机氮之间均达到显著的正相关关系(P<0.05，n=60)，酸解性有机氮、 可溶性有机氮与土壤容重、 毛管孔隙度、 有机碳和全磷具有极显著的正相关关系 (P＜0.01，n=60).

表 4(Table 4)

表 4 各剖面土壤总游离氨基酸氮含量 1) Table 4 Content of soil extracts of free amino acids nitrogen in each profile 样地编号 变化范围/mg ·kg-1 均值/mg ·kg-1 平均所占比/% DWS001 3.42-8.74 5.16±1.85 a 23.40±4.54 a DWS002 1.62-4.41 2.88±1.00 b 32.27±14.96 a DWS003 4.37-12.02 6.29±2.28 a 26.91±6.84 a 1)“±”表示标准偏差，字母不同表示同列内差异显著(P＜0.01，n=10)

表 4 各剖面土壤总游离氨基酸氮含量 1) Table 4 Content of soil extracts of free amino acids nitrogen in each profile

表 5(Table 5)

表 5 土壤有机氮组分与土壤理化指标间的相关系数 1) Table 5 Correlation coefficient (r) between soil organic nitrogen and physical-chemical indicators 酸解有机氮 酸解氨态氮 酸解氨基糖氮 酸解氨基酸氮 酸解未知态氮 可溶性有机氮 游离氨基酸氮 pH -0.062 -0.030 -0.495** -0.078 0.134 -0.761** -0.719** 容重 -0.845** -0.782** -0.226 -0.831** -0.645** -0.488** -0.547** 毛管孔隙度 0.681** 0.629** -0.086 0.650 0.680** 0.132 -0.019 黏粒 -0.190 -0.106 0.071 -0.254 -0.388 -0.242 -0.035 粉粒 0.435* 0.445* -0.209 0.435* 0.368* -0.152 -0.053 砂粒 -0.055 -0.118 0.041 -0.010 0.113 0.236 0.048 有机碳 0.917** 0.940** 0.318 0.684** 0.515** 0.407* 0.488** 全磷 -0.699** -0.706** 0.053 -0.610** -0.532** -0.067 -0.176 全氮 0.957** 0.968** 0.24 0.760** 0.604** 0.320 0.392* 可溶性总氮 0.411* 0.308 0.357 0.485** 0.363* 0.930** 0.861** 氨氮 0.294 0.232 0.463** 0.364* 0.099 0.797** 0.863** 硝态-亚硝态氮 0.484** 0.373* 0.050 0.573** 0.592** 0.538** 0.593** 1)*表示相关系数达到显著水平(0.05)，**表示相关系数达到极显著水平(0.01)

表 5 土壤有机氮组分与土壤理化指标间的相关系数 1) Table 5 Correlation coefficient (r) between soil organic nitrogen and physical-chemical indicators

图 5

Fig. 5

图 5 土壤可溶性有机氮含量的垂直分布 Fig. 5 Vertical distribution of soil soluble organic nitrogen content

土壤有机氮在很多生态系统中的循环并没有被很好地理解^[19]. 在没有人为干扰时，当土壤不能提供足量的无机氮时，氮的矿化速率不能够满足植物利用，有机氮组分可作为植物主要的氮素来源，是植物可吸收的一个主要的氮形式. 有机氮是森林土壤中氮素的主要形态，同时也是土壤溶液和水体中氮淋溶流失的主体部分^{[11, 20]}，Perakis等^[21]研究指出南美的森林流域13个地区，即使是未受人类干扰的100 条河流中，分析的水样中有机氮平均占可溶性氮的近80%； 郝卓等^[22]发现次降雨对南方红壤区流域氮流失贡献巨大，可溶性总氮占全氮比的流失负荷57.7%. 与此可见，可溶性氮的环境重要影响. 植物凋落物是土壤有机氮最主要来源^[8]. 在有机物质的分解过程中，释放出大量有机氮组分如氨基氮、 氨基酸氮、 氨基糖氮等^[23]. 土壤有机氮组分流失，不仅带走了大量森林土壤养分，而且也干扰和破坏生态系统功能. 有关研究应当进一步加强对氮素流失破坏的环境生态学效应进行评价，深入了解各生态系统间物质循环利用的相互关系.

本研究获得典型森林生态系统土壤中，土壤有机氮占全氮近93.22%-99.33%，平均97.39%±1.17%. 土壤酸解性有机氮是土壤可矿化氮的主要来源^[24]. 研究结果表明，酸解有机氮占全氮46.62%-95.86%，平均64.38%±10.68%，该组分有机氮随土壤剖面深度的增加整体逐渐下降，与多数研究结果一致^{[25, 26]}. 各酸解有机氮组分含量及特征有所差异，平均含量及其所占酸解性有机氮的百分比表现为： 酸解氨态氮[(391.41±148.79) mg ·kg^-1，64.39%±5.16%]>酸解氨基糖氮[(72.21±25.50) mg ·kg^-1，13.39%±7.37%]>酸解氨基酸氮[(66.30±29.04)mg ·kg^-1，10.71%±2.28%]≈酸解未知态氮[(74.35±47.86) mg ·kg^-1，11.32%±5.11%]. 并且，各酸解性有机氮组分各土层深度中所占比例相对稳定，与有关研究的结论类似^{[27, 28]}.

有关森林生态系统可溶性有机氮含量特征及迁移转化的研究，多集中于温带和寒温带^{[21, 29]}，国内开展得较少. 本研究得到，可溶性有机氮含量约9.92-23.45 mg ·kg^-1，游离氨基酸氮1.62-12.02 mg ·kg^-1，与Chen等^{[30, 31]}学者的研究一致. 可溶性有机氮在土壤中的含量虽然相对较低，但具有强大的有效性，随土壤溶液淋溶迁移迅速，在土壤氮素循环转化过程中扮演着重要角色^[32]. 海拔高度不仅引起有机氮在迁移流动过程中的地带性分布，还影响着气候、 植被组成及土壤性质等，进一步影响着森林土壤有机氮组分的组成特征以及新旧组分的演替. 各有机氮组分随海拔特有的迁移性变化与组成成分和性质有关，各组分的分布规律有待深入研究和讨论.

通过分析土壤有机氮组分与土壤理化指标间的相关性，表明土壤物理性质及物质组成对有机氮组分的影响显著. 有机氮组分与全氮、 有机碳和全磷均表现出了极显著的相关性，明确了C、 N、 P作为土壤有机物质的基本组成元素，彼此之间的密切相关性. 同时，与无机氮间的显著相关性，也显示出无机和有机氮之间时刻不分的转化关系. 可溶性有机氮与土壤pH值的极显著负相关性，表明pH显著影响可溶于土壤水中的有机氮组分含量. 这一效应提示，酸性物质的干湿沉降引起土壤酸度过高将会不断破坏土壤的环境生态平衡，引起森林生态系统土壤营养严重流失，造成雾霾、 水体富营养化、 赤潮等诸多环境问题，而危害人类和动植物正常的生命活动. 由于土壤有机氮强的迁移性，其将深刻影响森林生态系统氮循环过程，并在陆地生态系统氮循环过程中扮演相当重要的角色.

典型亚热带森林土壤中有机氮是土壤氮素的主要形式，平均占全氮比近97.39%±1.17%，酸解性有机氮占全氮比约64.38%±10.68%. 随土壤剖面深度的增加，土壤全氮、 酸解性有机氮、 可溶性有机氮均呈下降趋势，高海拔土壤全氮、 酸解性有机氮、 可溶性有机氮含量较高. 土壤可溶性有机氮含量较低，约9.92-23.45 mg ·kg^-1，游离氨基酸氮占可溶性有机氮比约27.36%±9.95%. 土壤有机氮与pH、 容重、 全氮、 可溶性总氮、 无机氮、 以及有机碳、 全磷均具有显著的相关关系.