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user: 4. 结果分析与讨论 4.1. TN、TC、TS含量变化特征及其影响因素 土壤剖面是一个不断演化和发育的自然实体，其特征是在一定地形和时间条件下，由气候和生物共同对母质作用的结果。同一土壤剖面发生层是由性质和形态相同的土层重叠在一起构成的，在其土壤成土过程中物质淋溶、淀积、迁移和转化基本类似 [ 6 ]。而不同的发生层由于距地表距离等条件差异，土壤理化性质具有显著的区别。如图2所示，庐山土壤TN含量变化范围为0.03%~0.48%，TC含量变化范围为0.13%~7.00%，TS含量变化范围为0.02%~0.13%；TC含量变化幅度远高于TN与TS的变化幅度，可知TC含量变化受周围环境因素影响较大。土壤表层腐殖质层的最高TN含量为0.48%，最低值为0.13%；最高TC含量为7.00%，最低值为1.11%；最高TS含量为0.07%，最低值为0.02%。中间层淋溶层，最高TN、TC、TS含量分别为0.32%、4.33%与0.13%，最低值分别为0.08%、0.54%、0.02%。底部淀积层最高TN含量为0.20%，TC为1.98%，TS含量为0.12%，最低TN、TC、TS含量依次为0.03%、0.13%和0.02%。采样点土壤剖面各层TC与TN含量的最大值与最小值皆随深度增加而减小，且最大值都出现在海拔最高的DYS采样点，最低值一般都是海拔最低的BLD采样点。 图2. 庐山各采样点土壤N、C、S元素含量(每一采样点条柱从左向右依次代表腐殖质层、淋溶层、淀积层) 从图3中可以看出，采样点土壤各剖面发生层TN、TC含量大致是随着海拔的上升而增加，该结果与杨益等 [ 20 ] 、向成华等 [ 21 ] 、周志文等 [ 22 ] 的研究结果一致。土壤TC主要来源于土壤有机碳(包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质)与无机碳(包括土壤中CO 2 、碳酸盐等含碳的无机物)。土壤有机碳含量的变化由进入土壤的植物残体量及其在土壤微生物作用下分解损失二者之间平衡所决定 [ 23 ] ，而这两者之间平衡与否又受到气候、植被、土壤理化特性以及人类活动等诸多因素的影响 [ 24 ]。无机碳方面，在排水条件良好的情况下，土壤无机碳绝大部分来源于固相的碳酸盐；而土壤中的碳酸盐主要包括岩生性碳酸盐和发生性碳酸盐，前者指来源于成土母质或母岩，未经风化成土作用而保存下来的碳酸盐，这要求成土母质或母岩为主要分布在我国北部以及西北部干旱地区的石灰性母质，后者指在风化成土过程中形成的碳酸盐，多发生在相对干旱的草原或者草灌植被土壤，且年均降水量小于800 mm。同时，样品中若含有大量碳酸盐，则往样品中滴加稀盐酸会产生大量气泡；但在实际操作过程中，并未出现这一现象，说明庐山土壤中的无机碳含量较少，即有机碳中的碳元素是TC的主要来源，TC值变化主要取决于有机碳含量的改变，后文论述中也将TC值近似作有机碳含量处理 [ 25 ] [ 26 ]。本文所选取的6个采样点受人类活动干扰较少，土壤表层积累有大量的植物枯枝落叶，这有利于表层土壤有机碳的累积。尽管随土层深度的增加分解者的活动逐渐减弱，使得植物枯枝落叶在土壤中的位置越深，其分解也越慢，同时土层深处的养分含量降低也限制了有机碳的分解，但这些因素的影响远不及土壤表层植物枯枝落叶有机碳大量输入对土壤TC含量的影响。在有机碳含量变化的影响下，各采样点土壤剖面发生层TC含量随着深度的增加而趋于减少。气温对土壤有机碳含量的影响主要体现在两个方面：一是影响植物的生长，改变植物残体向土壤的归还量；二是影响有机碳分解的速率，改变土壤中有机碳的释放量 [ 27 ] [ 28 ]。海拔升高，气温下降，会制约土壤中微生物对有机碳的分解与转化，导致有机碳不断积累；同时，庐山植被带随着海拔的升高，由常绿林逐渐过渡到落叶林，落叶林的地表枯枝落叶累积量较常绿林更大，所以各采样点土壤剖面不同发生层TC值随着海拔的升高而逐渐增加 [ 24 ]。 土壤氮素的输入量主要取决于植物残体的归还量及生物固氮 [ 29 ]。生物固氮即土壤微生物分解有机质形成腐殖质，使得土壤有机质含量增加的过程中将大气中的氮元素固定到土壤中，导致土壤中氮元素含量增加，因此土壤TN含量主要由土壤中的有机质含量与土壤微生物活动所决定。采样点上部腐殖质层TN值高主要是因为土壤表层覆盖有大量枯枝落叶，微生物分解有机质累积大量腐殖质的同时使氮元素含量增加；土壤深度愈深，有机物愈少，腐殖质含量减少，TN含量下降 [ 30 ]。海拔低，温度偏高，土壤微生物活性大，土壤有机氮更易矿化被植物体吸收，含量下降；海拔升高，温度降低，微生物活动减弱，有机物的分解速度变缓，土壤有机氮的矿化速率下降，使土壤中氮积累量变高；另外，与土壤TC含量升高的原因相同，植被由常绿林变为落叶林，也是TN含量随海拔增加而上升的一个因素。 图3. 庐山各采样点土壤不同发生层N、C、S元素含量(从左向右依次代表腐殖质层、淋溶层、淀积层) 土壤中的TS含量与土壤有机质含量密切相关，并且土壤中大部分的硫以有机形态存在，无机硫则因为易于被植物体吸收而较难在土壤中积累，因此土壤TS含量及其变化幅度主要取决于有机硫含量的波动 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]。各采样点土壤TS含量约为500 mg/kg，与李男等 [ 34 ] 的研究结果接近；多数采样点不同剖面土壤TS含量表层低于深层，造成这种现象的原因主要有两个，一是因为土壤深度越深，植物根系越少，对硫元素的吸收越少，二是土温会随着深度的增加而减少，温度降低，土壤有机质矿化速率减慢，使得土壤中有机硫含量相对增加，TS含量随之增加 [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]。而TS含量变化幅度呈现随土壤深度增加而变小的变化规律。一般来说，土壤深度增加，土壤中有机质含量受外界干扰的程度降低，总体变化幅度减小，间接导致土壤中有机硫含量波动变弱，TS含量变化也随之减弱。 需要说明的是，6个采样点各发生层TN、TC、TS的最低含量值基本皆出现在非海拔最低点LL采样点处，主要是因为该采样点坡度较大，且年均降水量大，土壤N、C、S元素易被降水淋失，难以积累。RZF采样点处剖面分层不明显，土壤质地均一且较为松散，尽管不同发生层TN、TC、TS含量也符合随土壤深度的增加而变小的规律，但变化幅度小于其他5处采样点。DTC与DYS采样点腐殖质层TN、TC值高，其中DYS采样点比RZF采样点海拔仅高40 m，但其腐殖质层TC值约为RZF点的2.4倍，DTC腐殖质层TC值也要大于海拔更高的RZF点；这是因为土壤TN、TC值除受海拔影响外，还可能与这两处的植被类型有关。这两处的植被类型为黄山松，属于针叶林；而宋彦彦等 [ 35 ] 认为，针叶林凋落的叶片密集覆盖于土壤表面，容易形成空气不流通的环境，更有利于有机碳的积累，因此导致DTC和DYS采样点腐殖质层TC和TN值相对较高。 4.2. C/N、C/S值变化特征 作为一个多相、多界面的复杂系统，土壤碳氮的变化涉及到植被类型、气候变化、土壤理化性状、凋落物分解和土壤呼吸等众多相互联系和相互影响的生物化学过程。因此，在生态系统的物质循环研究中，经常将土壤碳氮作为重要的参考指标。相关研究认为，土壤有机碳与全氮之间具有较为显著的正相关性 [ 36 ]。土壤C/N值一般可以衡量土壤氮素矿化的能力，低C/N值指示氮的高矿化率。在土壤微生物生长和繁殖过程中，碳元素提供其所需要的能量，氮元素则是微生物构成身体的一部分。研究显示，土壤微生物碳分解过程中，碳氮比值约在25~30之间，因此土壤C/N值在25~30之间比较适宜 [ 37 ] ，既不会产生碳元素的过量，又不会导致氮元素的缺乏。总体看来，各采样点土壤C/N值均不超过15，远小于适宜值，也普遍低于全国生态系统的平均值13，表明庐山土壤氮素过剩，超出微生物生长所需的氮元素就会释放到土壤和枯枝落叶层中，使得庐山土壤有机质腐殖质化程度较高，有利于土壤微生物的分解与有机氮的矿化 [ 38 ]。从图4中可以看出，各采样点土壤不同发生层的C/N值大体上都自腐殖质层到淋溶层再到淀积层依次减小，且海拔增高，C/N值会有所增大。造成这种现象的原因，主要是温度的变化导致土壤微生物活性的改变，以及土壤表层枯枝落叶层对土壤中有机碳含量的影响。DTC与DYS采样点C/N值高，可能是因为这两处采样点有机碳含量高，因此C/N值偏高。 图4. 庐山各采样点土壤不同发生层C/N值 在森林土壤生态系统硫的生物化学循环过程中，C/S值也有着重要的指示作用。研究表明，土壤C/S值决定了土壤硫转化的方向，当C/S值大于400时，土壤硫固定作用增强；当C/S值小于200时，土壤中有机硫进行矿化作用；当C/S值介于200到400之间时，土壤中的硫酸根离子既不从有机硫中释放，也不用来合成有机硫 [ 39 ]。图5显示，庐山各采样点森林土壤的C/S值均小于200，说明庐山森林土壤现阶段有机硫矿化作用较强；且土壤表层的C/S值一般都高于底层，高海拔地区C/S值高于低海拔地区，说明底层土壤与高海拔地区土壤中有机硫矿化度分别大于表层土壤、低海拔地区土壤。同时，底层土壤C/S值变化幅度小于表层，推断可能是由于土壤中硫的生物化学循环过程受外界环境因子的影响较少。 图5. 庐山各采样点土壤不同发生层C/S值