哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮儲(chǔ)量及其時(shí)空變化特征

張立，崔玉軍，劉國棟，李瑛，孫振偉

（黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江哈爾濱 150036）

哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮儲(chǔ)量及其時(shí)空變化特征

張立，崔玉軍，劉國棟，李瑛，孫振偉

（黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江哈爾濱 150036）

依據(jù)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查成果，按照中國地質(zhì)調(diào)查局下發(fā)的《全國土壤碳儲(chǔ)量及各類元素（氧化物）儲(chǔ)量實(shí)測計(jì)算暫行要求》，以表層土壤樣品分析單元（4 km2）為計(jì)算單位，對哈爾濱-綏化地區(qū)表層土壤（0～20 cm）氮儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算.研究了不同生態(tài)系統(tǒng)和不同土壤類型土壤氮儲(chǔ)量、氮密度的差異，研究了20年來土壤氮儲(chǔ)量的變化特征及成因.結(jié)果表明研究區(qū)土壤氮儲(chǔ)量略微增加，這主要是由于濕地生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)對土壤的固氮效果顯著造成的.

氮儲(chǔ)量；土壤；固氮作用；哈爾濱-綏化

0 引言

氮是土壤肥力的主要營養(yǎng)元素，也是植物需求量最大的元素，對植物生命活動(dòng)以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)均有極其重要的作用.陸地生態(tài)系統(tǒng)是“氮源”還是“氮匯”，主要取決于土壤氮庫的變化.因此，研究土壤氮儲(chǔ)量成為全球變化科學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)［1］.土壤氮庫的微小變化就可能導(dǎo)致大氣中N2O濃度發(fā)生較大變化，從而影響全球氣候變化［2］.本文以黑龍江省哈爾濱-綏化地區(qū)表層土壤為研究對象，以多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲得的土壤氮分析數(shù)據(jù)為依據(jù)，以1980年代第二次土壤普查資料為參照，分析研究哈爾濱-綏化地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)、不同土壤類型氮儲(chǔ)量及其變化特征.

1 區(qū)域概況

1.1 地理概況

哈爾濱-綏化地區(qū)位于黑龍江省松嫩平原東南部，小興安嶺西麓.地理坐標(biāo)126°00′～128°15′E，45°40′～47°25′N，面積約30 700 km2（圖1）.研究區(qū)北部和東部主要為丘陵和小興安嶺山地，其他地區(qū)主要為平原區(qū).地勢總體呈東北高西南低的特征，東北部一般海拔在350～450 m.主要水系有松花江、海倫河、通肯河、諾敏河、歐根河和木蘭達(dá)河，均屬于松花江水系.

1.2 地質(zhì)概況

研究區(qū)新生界地層廣泛發(fā)育，主要有古近系達(dá)連河組，中更新統(tǒng)上荒山及下荒山組，上更新統(tǒng)哈爾濱組及顧?quán)l(xiāng)屯組，全新統(tǒng)高、低河漫灘堆積層；古生界地層出露泥盆系黑龍宮組，二疊系土門嶺組及二疊系上統(tǒng)—三疊系下統(tǒng)五道嶺組；中生界地層出露侏羅系中統(tǒng)太安屯組，白堊系下統(tǒng)板子房組、寧遠(yuǎn)村組、建興組、淘淇河組及白堊系上統(tǒng)姚家組、嫩江組、明水組.出露泥盆系黑龍宮組，二疊系土門嶺組及二疊系上統(tǒng)—三疊系下統(tǒng)五道嶺組；中生界地層出露侏羅系中統(tǒng)太安屯組，白堊系下統(tǒng)板子房組、寧遠(yuǎn)村組、建興組、淘淇河組及白堊系上統(tǒng)姚家組、嫩江組、明水組.

圖1 哈爾濱－綏化地區(qū)交通位置圖Fig.1 Location map of Harbin-Suihua area

2 樣品采集分析與資料收集

本次研究樣品的采集是依據(jù)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范工作要求，采樣密度為每1 km2采集1件土壤樣品，采樣深度為0～20 cm.土壤樣品按照4 km2組合1件分析樣品，共分析54項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo).樣品分析質(zhì)量控制采用國家一級土壤地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW以及外部監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn).為了更直觀地反映從1980年代到現(xiàn)在哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮儲(chǔ)量的變化特征，本次研究收集了哈爾濱-綏化地區(qū)第二次土壤普查分析的土壤氮含量數(shù)據(jù)資料.究收集了哈爾濱-綏化地區(qū)第二次土壤普查分析的土壤氮含量數(shù)據(jù)資料.

3 土壤氮儲(chǔ)量的計(jì)算方法

按照中國地質(zhì)調(diào)查局下發(fā)的《全國土壤碳儲(chǔ)量及各類元素（氧化物）儲(chǔ)量實(shí)測計(jì)算暫行要求》，采用指數(shù)模型，對研究區(qū)進(jìn)行表層土壤氮儲(chǔ)量實(shí)測計(jì)算.以表層土壤樣品分析單元（4 km2）為計(jì)算單位，計(jì)算單位表層土壤氮含量，求出單位土壤層平均全含量［3］.

表層（0～20 cm）單位土壤氮量計(jì)算公式：

單位土壤氮量（USEAN,0-20cm）＝N表×D×4×104×ρ表

式中N表為表層土壤氮含量值（%）；D為表層土壤采樣深度，本次采樣深度以20 cm計(jì)算；4為單位土壤面積（km2）；104為單位土壤面積換算系數(shù)；ρ表為表層土壤容重（t/m3）.土壤容重資料以《黑龍江土壤》為依據(jù)［4］.

4 氮儲(chǔ)量及其變化特征

4.1 不同生態(tài)系統(tǒng)氮儲(chǔ)量

從研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)表層土壤氮儲(chǔ)量估算結(jié)果（表1）看，土壤氮主要儲(chǔ)存在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，這主要與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占全區(qū)面積比例最大（達(dá)到86.42%）有很大的關(guān)系.森林生態(tài)系統(tǒng)面積只占全區(qū)的9.95%，而土壤氮儲(chǔ)量卻占全區(qū)氮儲(chǔ)量的12.62%.各生態(tài)系統(tǒng)土壤氮儲(chǔ)量由高到低依次為：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)→森林生態(tài)系統(tǒng)→草原生態(tài)系統(tǒng)→濕地生態(tài)系統(tǒng)→湖泊生態(tài)系統(tǒng)→城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng).各生態(tài)系統(tǒng)土壤單位面積氮儲(chǔ)量由高到低排序依次為：濕地生態(tài)系統(tǒng)→森林生態(tài)系統(tǒng)→農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)→草原生態(tài)系統(tǒng)→城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)→湖泊生態(tài)系統(tǒng).其中濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤單位面積氮儲(chǔ)量最高，是全區(qū)平均值的1.73倍.

表1 表層土壤不同時(shí)代各生態(tài)系統(tǒng)氮儲(chǔ)量估算對比表Table 1 Nitrogen storage in surface soil of each ecosystem in different times

4.2不同土壤類型氮儲(chǔ)量

按照研究區(qū)劃分的7種不同土壤類型，對表層土壤氮的儲(chǔ)量進(jìn)行了估算（表2）.結(jié)果表明，黑土和草甸土的氮儲(chǔ)量最高.土壤氮總儲(chǔ)量由高到低依次為：黑土→草甸土→黑鈣土→暗棕壤→白漿土→水稻土→沼澤土.受研究區(qū)各土壤類型面積大小的影響，黑土和草甸土共占研究區(qū)土壤77.22%的氮儲(chǔ)量，水稻土和沼澤土僅占研究區(qū)土壤2.84%的氮儲(chǔ)量.土壤氮儲(chǔ)量按單位面積儲(chǔ)量比較，由高到低依次為：暗棕壤→沼澤土→水稻土→白漿土→草甸土→黑土→黑鈣土.其中暗棕壤和沼澤土的單位面積氮儲(chǔ)量較高，分別超過全區(qū)土壤單位面積氮儲(chǔ)量平均值的29.55%和17.56%，這與兩種土壤類型所處的生態(tài)環(huán)境及植被覆蓋率有直接關(guān)系.黑土、黑鈣土單位面積土壤氮儲(chǔ)量較低.

4.3 土壤氮儲(chǔ)量時(shí)空變化特征

利用第二次土壤普查數(shù)據(jù)資料，編制了研究區(qū)1980年代土壤氮含量分級圖（圖2）.與當(dāng)前土壤氮含量分級圖（圖3）進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)土壤氮含量大于2000×10-6（一級）的面積有所減少，氮含量在1500×10-6～2000×10-6（二級）的面積大幅度增加，土壤氮含量1000×10-6～1500×10-6（三級）的面積略有增加，土壤氮含量在750×10-6～1000×10-6（四級）的面積明顯減少.

第二次土壤普查時(shí)，研究區(qū)土壤（0～20 cm）全氮總量為0.138×108t，單位面積全氮平均含量為449 t/km2.在各生態(tài)系統(tǒng)中，濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤單位面積全氮含量最高，平均含量為484 t/km2，其次是草原生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng).按不同土壤類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水稻土的單位面積全氮含量最高，其次是草甸土.

圖2 研究區(qū)1980年代土壤氮含量分級圖Fig.2 Grading of soil nitrogen contents in study area in 1980s

當(dāng)前該地區(qū)表層土壤中全氮總量為0.143×108t，單位面積全氮平均儲(chǔ)量為467 t/km2.濕地生態(tài)系統(tǒng)單位面積全氮儲(chǔ)量最高，達(dá)到819 t/km2，其次是森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和湖泊生態(tài)系統(tǒng).按不同土壤類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，暗棕壤的單位面積全氮儲(chǔ)量最高，其次是沼澤土和水稻土.

根據(jù)不同時(shí)期土壤氮儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果，采用減法運(yùn)算得到研究區(qū)土壤氮密度的增加和減少情況，即過去20年來哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮元素收支平衡圖（圖4）.圖中綠色區(qū)域表示從1980年代到目前20年來土壤氮儲(chǔ)量增加地區(qū)；紅色區(qū)域表示20年來土壤氮儲(chǔ)量減少地區(qū).研究區(qū)土壤氮密度變化的平均值為16.46 t/km2，即總體上20年來哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮儲(chǔ)量是增加的.從圖4可以明顯地看出土壤氮儲(chǔ)量增加的地區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和東部的慶安、鐵力、綏棱等地區(qū)，氮儲(chǔ)量減少的地區(qū)主要分布在研究區(qū)中部的望奎縣和南部的松花江流域地區(qū).這是由于研究區(qū)北部和東部主要地貌類型為丘陵和山地，森林和植被的覆蓋率較高，在溫帶夏季溫暖濕潤的氣候條件下，在針闊混交林內(nèi)，灌木和草本植物生長繁茂，每年有大量的凋落物覆蓋于地表，從而使腐殖質(zhì)強(qiáng)烈累積所致［5］.

表2 表層土壤不同時(shí)代各土壤類型氮儲(chǔ)量估算對比表Table 2 Nitrogen storage in surface soil of different soil types in different times

圖3 研究區(qū)當(dāng)前土壤氮含量分級圖Fig.3 Grading of soil nitrogen contents in study area at present

5 結(jié)論

通過對哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮儲(chǔ)量及其變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：濕地生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)的單位面積土壤氮儲(chǔ)量最高.比較20年來土壤氮密度的變化，總體上氮密度有所上升，大部分平原區(qū)土壤氮密度不同程度的減小，而占研究區(qū)面積比例較小的濕地沼澤區(qū)和山區(qū)林地土壤氮密度增大非常明顯.說明濕地生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的土壤固氮潛力［6］.

圖4 哈爾濱-綏化地區(qū)土壤氮元素收支平衡圖Fig.4 Balance of soil nitrogen in Harbin-Suihua region

［1］張春華，王宗明，任春穎，等.松嫩平原玉米帶土壤碳氮儲(chǔ)量的空間特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21（3）:631—639.

［2］張春娜.中國陸地土壤氮庫研究［D］.重慶：西南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

［3］奚小環(huán)，張建新，廖啟林，等.多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查與土壤碳儲(chǔ)量問題——以江蘇、湖南、四川、吉林、內(nèi)蒙古為例［J］.第四紀(jì)研究, 2008,28（1）:58—67.

［4］黑龍江省土地管理局，黑龍江省土壤普查辦公室.黑龍江土壤［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社,1992.

［5］楊忠芳，夏學(xué)齊，余濤，等.內(nèi)蒙古中北部土壤碳庫構(gòu)成及其影響因素［J］.地學(xué)前緣,2011,18（6）:1—10.

［6］鄭亞平，鄭永美，孫奎香.不同營養(yǎng)元素對共生固氮潛力影響的研究進(jìn)展［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27（5）:49—52.

SOIL NITROGEN STORAGE AND ITS VARIATION IN SPACE AND TIME IN HARBIN-SUIHUA AREA

ZHANG Li,CUI Yu-jun,LIU Guo-dong,LI Ying,SUN Zhen-wei
（Heilongjiang Institute of Geological Exploration and Research,Harbin,150036,China）

Based on the multi-objective regional geochemical survey,the nitrogen reserves in surface soil（0-20 cm）in Harbin-Suihua area are calculated,with comparison of soil nitrogen density between different ecosystems and different soil types.The variation characteristics of soil nitrogen storage in the last 20 years are studied.The result shows a slightly increase of soil nitrogen storage during this period,which is caused by the remarkable effects of wetland and forest ecosystem onsoilnitrogenfixation.

nitrogen storage;soil;soil nitrogen fixation;Harbin-Suihua area

1671-1947（2014）02-0188-04

S153. 6；S151

A

2013－05－ 27；

2013-06-06.編輯：張哲．

中國地質(zhì)調(diào)查局“全國土壤現(xiàn)狀調(diào)查及污染防治專項(xiàng)”項(xiàng)目（編號GZTR20080103）資助.

張立（1981—），男，碩士，工程師，從事生態(tài)地球化學(xué)研究工作，通信地質(zhì)黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)新鄉(xiāng)里街9號，E-mail//13936424975@163.com