福建某濱海湖泊周邊土壤氮元素空間分布研究*

姜雨微，栗夢繁，陳前火，甘暉

（福建師范大學環(huán)境科學與工程學院，福建 福州 350007）

1 引言

1.1 水體中氮元素的存在形態(tài)及來源

研究顯示，在水中氮元素多以溶解的氮氣、三氮及有機氮等形式存在，沉積物中的氮元素則以無機態(tài)和有機態(tài)2種形式存在[1]。國內(nèi)學者對太湖水體研究后發(fā)現(xiàn)，河水、湖水中的氮元素主要以NH4+存在，這些 NH4+來自于人類排放的污廢水和動物排泄物[2]。井水等地下水中的氮元素多以硝酸鹽形式存在，且地下水中的硝酸鹽的含量一直不斷增長[3]。地下水對于農(nóng)村居民來說至關重要[4]。對阿根廷某省農(nóng)村井水采樣測量后發(fā)現(xiàn)，36%的井水中硝酸鹽含量高于安全飲用水的要求[5]。Lichtenberg等[6]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)氮素化肥的使用對地下水硝酸鹽污染影響巨大，因此，在以灌溉農(nóng)田為主且排水良好的地區(qū)，地下水硝酸鹽含量較高[7]。Rivers等[8]利用15N對英國某地氮污染來源進行追蹤，發(fā)現(xiàn)水中溶解的硝酸鹽大部分來自于土壤有機氮；Spalding等[9]同樣使用15N對朝鮮半島地下水氮污染來源進行研究，發(fā)現(xiàn)果園施用的氮肥是引起污染的主要原因。進一步研究發(fā)現(xiàn)，動物糞便和人類產(chǎn)生的生活垃圾、生活污水以及工業(yè)廢水等因素都會引起水中硝酸鹽過多[10]。沉積物中的氮元素主要來自于水生生物，水中尸體堆積、大氣沉降、地表徑流等過程積累的污染物能為深層水中生物提供食物和能量，這些生物在代謝過程中會釋放出氮元素，聚集在沉積物中[11]。

1.2 湖泊周邊土壤中氮元素的研究

1.2.1 土壤中氮元素存在形態(tài)及轉(zhuǎn)換

土壤中的氮元素對微生物存活、落葉分解和養(yǎng)分積累有著重要影響[12]?？紤]到土壤是開放系統(tǒng)，溫度、水分以及凋零物的不同都會影響土壤中氮元素的轉(zhuǎn)化，因此土壤中的氮元素具有不同形態(tài)[13]。氮在土壤中的一般以有機態(tài)與無機態(tài)2種形式存在，且以有機態(tài)為主[14]。有機態(tài)氮只有轉(zhuǎn)化為無機態(tài)才能被植物吸收[15]。氮元素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程主要包括有機質(zhì)的礦化作用、硝化作用、反硝化作用[16]。

1.2.2 土壤氮積累的影響因素

氮元素在土壤中的積累主要受到降雨量、有機質(zhì)、土地利用類型的影響。白瑩等[17]通過對沙潁河周邊進行研究，發(fā)現(xiàn)表層土壤氮積累隨多年平均降雨量的增加而減少，深層土壤氮積累隨平均降雨量的增加而上升。王簾里等[18]研究發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)含量會對土壤中的微生物產(chǎn)生影響，進而影響土壤的氮轉(zhuǎn)化。彭佩欽等[19]對洞庭湖區(qū)幾處土壤取樣研究發(fā)現(xiàn)，土地的使用方式存在差異，針對不同的用途會有相應的農(nóng)業(yè)管理措施，因此土壤肥料的用量與作物殘體數(shù)量也會存在差異。此外，不同的耕作方式和水分管理也會造成土壤養(yǎng)分的差異。

1.2.3 土壤氮素淋失的危害

土壤氮素淋失是指土壤含有的氮元素跟隨水流，滲至作物根系以下，造成氮素流失[20]。氮淋失是導致地下水氮含量過高的重要途徑[21]，引起地下水污染[22]。黃永剛等[23]研究發(fā)現(xiàn)，降雨及灌水量對氮素淋失的發(fā)生有重大影響，氮素淋溶的損失量隨著降雨與灌水量的增大而增大。

1.3 湖泊富營養(yǎng)化研究

1.3.1 湖泊富營養(yǎng)化成因

湖泊富營養(yǎng)化比例從20世紀80年代初的40%到90年代初的60%，至90年代末期已達80%[24]。一般來說，富營養(yǎng)化是由人類活動引起的“人為富營養(yǎng)化”[25]。大量研究表明，氮、磷元素的積累是引起富營養(yǎng)化的主要原因[26]。湖泊氮的富集主要有點源匯入、非點源匯入與地下水匯入以及底泥營養(yǎng)鹽的釋放等[27，28]。

1.3.2 湖泊周邊土壤與湖泊富營養(yǎng)化

湖泊生態(tài)系統(tǒng)可以從降水、移動的沉積物及人類活動等一系列途徑獲取氮元素，因此湖泊周邊的各種污染也會對湖泊的富營養(yǎng)化造成影響[27，29，30]。

1.4 氮污染的危害及治理

氮污染會引起水體富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化水體質(zhì)量會不斷下降，產(chǎn)生細菌和藻毒素，危及飲用水安全，使水質(zhì)型缺水問題變得嚴重。飲用硝酸鹽含量高的水還會危及人身健康，引起甲狀腺肥大[31]，使癌癥的得病率上升[32]。土壤中氮含量過高，會破壞土壤結構，加速土壤酸化，影響土壤微生物活性，改變土壤的理化性質(zhì)，降低土壤保肥能力，陷入追施化肥的惡性循環(huán)中[33]。

治理氮污染，可以從生態(tài)修復的角度出發(fā)，利用生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，將生態(tài)系統(tǒng)向好的方向引導，使生態(tài)系統(tǒng)恢復健康，達到平衡，取得最佳治理效果[34]。目前國家也推出了一系列措施，首先是控制施肥；其次是推動肥料高效使用；第三是加強戰(zhàn)略管理以實現(xiàn)可持續(xù)供應[35]。

2 材料與方法

2.1 檢測方法與主要儀器

土壤的總氮含量測定，依據(jù)HJ 717—2014《土壤質(zhì)量全氮的測定凱氏法》。

土壤pH值測定，采用NY/T 1121.2—2006《土壤檢測第2部分：土壤pH的測定》。

陽離子交換量測定，采用LY/T 1243—1999《森林土壤 陽離子交換量的測定》。

2.2 采樣點確定及采樣

采樣過程遵守HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》，本次實驗取40個采樣點位，采樣點位基本覆蓋研究區(qū)域。

采用網(wǎng)格布點法將研究區(qū)分為40個面積相等的區(qū)域，在每個采樣單元內(nèi)采用“對角線法”進行采樣，設置5個分點，各分點取土壤樣品1 kg，將采集樣品混合均勻后用四分法棄去多余土壤，保存1 kg作為待測樣品，編號，保存。每個采樣點均使用GPS定位儀定位，記錄每個采樣點的經(jīng)緯度。

2.3 實驗過程

2.3.1 試樣的制備

將樣品放至風干盤，鋪2～3 cm厚，去除雜質(zhì)。將土樣用研磨棒磨碎，自然風干30 d。將風干后的土壤混勻，用四分法取2份，1份保留，1份研磨過土壤篩后存于樣品瓶。

2.3.2 干物質(zhì)含量的測定

取過2 mm土壤篩后樣品，測干物質(zhì)含量。

2.3.3 分析步驟

分析步驟依據(jù)HJ 717—2014《土壤質(zhì)量全氮的測定凱氏法》第8部分進行操作。

2.4 評價標準與評價方法

氮元素含量空間分布分析采用克里金插值法，該方法比傳統(tǒng)的方法更加科學合理[36]。

3 結果與分析

3.1 土壤pH與陽離子交換量CEC分析

將該區(qū)域?qū)嶒炈鶞y數(shù)據(jù)整理分析，作土壤理化性質(zhì)統(tǒng)計分析表，由表1可知，研究區(qū)域土壤pH最小值為6.22，最大值為7.27，平均值為6.78，標準差為0.25。對照表2土壤酸堿性質(zhì)對應pH值范圍[37]發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域土壤pH值在6.5～7.5之間的樣本數(shù)占90%，可知研究區(qū)大部分為中性土壤，小部分為酸性土壤。變異系數(shù)（CV）用來對不同變量的變異程度進行估算[38]。計算可得，土壤pH變異系數(shù)為3.7%，屬于弱變異性，說明該地pH變化范圍和離散程度小，作土壤pH頻率直方圖（圖1），可以看出研究區(qū)域內(nèi)pH值集中在6.50～6.80區(qū)間內(nèi)。土壤陽離子交換量（CEC）是土壤對營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)量大小保有能力的標志[39]，為農(nóng)業(yè)施肥量的多少提供了重要依據(jù)。由表1可知，陽離子交換量最小值為5.9 mmol/kg，最大值為25.4 mmol/kg，平均值為10.6 mmol/kg，標準差為0.42，變異系數(shù)為39.6%，屬于中等變異性，說明研究區(qū)域陽離子交換能力的變化范圍和離散程度都屬于中等水平，作陽離子交換量頻率直方圖（圖2），由圖可知，陽離子交換量分布集中在5.0～17.5 mmol/kg。

表1 土壤理化性質(zhì)

表2 土壤酸堿性質(zhì)對應pH值范圍

圖1 pH頻率直方圖

圖2 陽離子交換量頻率直方圖

3.2 研究區(qū)域周邊氮元素空間分布特征

氮元素含量的空間分布如圖2，土壤全氮含量呈斑塊狀分布，氮元素由西北到東南逐漸增加，在東南方向含量最高，但是高含量區(qū)域所占區(qū)域較小，北部區(qū)域氮元素含量在188 mg/kg以下，且以56～105 mg/kg以下居多，而南部氮元素含量則在331 mg/kg以上，有些區(qū)域甚至達到999 mg/kg。對照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[40]，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域絕大部分的氮含量處于六級標準，小部分處于五級或四級標準。

表3 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準

圖3 研究區(qū)域土壤氮元素含量克里金插圖

3.3 研究區(qū)域周邊氮元素含量統(tǒng)計分析

研究區(qū)域土壤氮含量的描述性統(tǒng)計見表4。由表4可見，該地區(qū)氮含量分布范圍為55.8～999 mg/kg，其最大值與最小值之間相差極大，極差達943.2 mg/kg，平均值為255.9 mg/kg，處于土壤養(yǎng)分六級水平。該區(qū)域土壤全氮含量變異系數(shù)為78.5%，在中等變異性中屬于較高水平，說明氮含量變化范圍與離散程度較大，受人為影響大。作圖4所示的氮元素含量頻率直方圖，從圖4可以看出，氮元素含量集中0～400 mg/kg之間。該區(qū)土壤類型為沙質(zhì)土壤，此類土壤質(zhì)地疏松，雖易于耕種，但土壤顆粒間間隙較大，因此儲存的水分易于從間隙中流失，保水能力較差[41]，因此對氮元素的保存能力較差，導致氮元素含量貧乏。

表4 研究區(qū)域土壤氮含量分析統(tǒng)計結果

圖4 氮元素含量頻率直方圖

3.4 研究區(qū)域周邊氮元素相關性分析

將實驗測得的氮元素含量與陽離子交換量、pH進行相關性分析，結果如表5所示，通過表格，可以看出，整個研究區(qū)域內(nèi)氮元素含量與pH相關系數(shù)r為-0.225，呈負相關；氮元素含量與陽離子交換量的相關系數(shù)r為0.480，在0.01水平（雙側(cè)）上顯著正相關，說明該研究區(qū)內(nèi)氮元素含量會隨著陽離子交換量的增加而增加。

表5 研究地區(qū)氮元素含量與pH、陽離子交換量之間的相關性

4 結論

第一，研究區(qū)域土壤90%屬于中性土壤，小部分為酸性土壤，土壤pH變異系數(shù)為3.7%，屬于弱變異性，pH主要分布在6.5至6.8之間。陽離子交換量變異系數(shù)為39.6%，屬于中等變異性，其含量主要集中在5.0～17.5 mmol/kg。

第二，研究區(qū)域氮含量分布呈西北至東南方向遞增，在東南方向含量最高，但高含量區(qū)域占比較少。對照全國第二次土壤養(yǎng)分分級標準，發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域處于六級標準。

第三，研究區(qū)內(nèi)氮元素含量值域分布范圍較廣，介于55.8 mg/kg至999 mg/kg之間，其含量分布主要集中在0至400 mg/kg之間。計算變異系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，氮元素含量變異系數(shù)為78.5%，屬于中等變異性。

第四，將研究區(qū)域內(nèi)氮元素含量與pH和陽離子交換量作相關性分析，結果顯示，氮元素含量與pH的相關系數(shù)r為-0.225，呈負相關；氮元素含量與陽離子交換量的相關系數(shù)r為0.480，在0.01水平上顯著正相關。