章丘區(qū)刁鎮(zhèn)和辛寨鎮(zhèn)表層土壤全氮與堿解氮特征及影響因素

劉華峰，張素榮，代杰瑞，王增輝，任文凱

（1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，濟南250014；2.山東省土地質(zhì)量地球化學與污染防治工程技術(shù)研究中心，濟南250014；3.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

土地質(zhì)量地球化學調(diào)查是一項全新的地質(zhì)工作，主要依據(jù)影響土地質(zhì)量的營養(yǎng)有益元素、有毒有害元素及化合物、有機污染物、理化性質(zhì)等地球化學指標，及其對土地基本功能的影響程度而進行的土地質(zhì)量地球化學等級評定[1]。近年來，全國各地不同程度地開展了土地質(zhì)量地球化學調(diào)查[2-7]，取得豐碩成果。本文基于中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心的“京津冀魯土地質(zhì)量地球化學調(diào)查”二級項目子項目，通過系統(tǒng)采樣與分析，研究地塊尺度下表層土壤中元素地球化學特征，探索元素在土壤中主要受控或影響因素，重點對土壤肥力因子進行分析研究。氮是土壤中三大主要養(yǎng)分之一，是土壤肥力的重要影響因素[8]。堿解氮是土壤氮的主要組成形式，它包括無機態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡單、能為作物直接吸收利用的有機態(tài)氮，可供作物近期吸收利用，能反映土壤近期的供氮水平[9]。研究土壤中全氮及堿解氮地球化學特征及影響因素，對土地管理和農(nóng)業(yè)施肥有重要的科學指導意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為濟南市章丘區(qū)的刁鎮(zhèn)和辛寨鎮(zhèn)，地質(zhì)背景以第四系沉積物為主，地貌類型以平原為主，東南部為低山丘陵，土地利用類型多樣，其中耕地以水澆地為主。氣候?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L區(qū)的大陸性氣候，四季分明，雨熱同季（圖1）。

2 研究方法

依據(jù)規(guī)范要求[1]，本次研究的土壤樣品以土地利用現(xiàn)狀圖中地塊為采樣單元，兼考慮網(wǎng)格，采集0～20 cm表層土壤樣品，每件樣品由周圍20 m范圍內(nèi)5個子樣等份組合而成。共采集表層土壤673件，采樣密度為6點/km2。土壤樣品在自然條件下陰干，測試全量指標的樣品過10 目（2 mm）尼龍篩，過篩后將樣品混勻，按四分法，稱取100 g為一件樣品；測試有效態(tài)的新鮮土壤樣品，采樣后不加工直接在5天內(nèi)送至湖北省地質(zhì)實驗測試中心。

圖1 研究區(qū)交通位置示意圖Fig.1 Traffic location map of study area

按照《地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范》（DZ/T 0130-2006），土壤全氮測定方法采用容量法（VOL），稱取1.00克試樣，試樣經(jīng)硫酸、重鉻酸鉀消解，加氫氧化鈉蒸餾，用凱氏定氮儀測定全氮含量。堿解氮測定采用容量法，稱風干土樣（通過2 mm篩）2.0 g平鋪于螺紋絲扣密封類型的塑料擴散皿外室，吸取3 mL 20 g/L 硼酸-指示劑溶液（pH=4.5）于擴散皿內(nèi)室，向外室加10.0 mL 1.8 mol/L氫氧化鈉溶液于擴散皿外室，輕搖晃動后迅速旋緊蓋子，于40℃保溫箱內(nèi)恒溫24小時，用0.01 mol/L HCl標準溶液滴定內(nèi)室硼酸中的氨，計算堿解氮含量。

全氮準確度△lgC均值為0.01，最大值為0.07；精密度λ均值為0.02，最大值為0.15；堿解氮外檢樣品60件，合格率100%。測試數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)專家驗收合格。

本文采用Microsoft Excel 2007對樣品測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，相關(guān)性分析采用SPSS 19軟件，地球化學圖制作采用Mapgis6.7軟件，插值方法為反距離權(quán)重法；地球化學等級圖制作采用土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價數(shù)據(jù)管理與維護（應用）子系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 全氮和堿解氮地球化學特征

3.1.1 土壤全氮和堿解氮含量及空間分布特征

研究區(qū)表層土壤全氮和堿解氮地球化學參數(shù)值見表1。表層土壤全氮含量范圍為24～400 mg/kg，均值126 mg/kg，變異系數(shù)為33%；土壤堿解氮含量范圍為23.86～741.95 mg/kg，均值126.29 mg/kg，變異系數(shù)為52%。全氮和堿解氮含量變異系數(shù)高于30%，為中度變異。全氮含量在空間上分布表現(xiàn)為呈塊狀區(qū)域高低相間分布狀況（圖2），在辛寨鎮(zhèn)南、刁鎮(zhèn)東北及東南部含量較高。堿解氮含量在空間上分布表現(xiàn)較為零散，均以較小塊狀區(qū)域高低相間分布狀態(tài)，這一現(xiàn)象與影響氮向堿解氮轉(zhuǎn)化的土壤環(huán)境差異有關(guān)。利用反復剔除3倍標準離差后求平均值的方法計算土壤全氮背景值，結(jié)果顯示，與濟南市和山東省相比[10-11]，研究區(qū)表層土壤全氮含量背景值較高，揭示出研究區(qū)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，土壤全氮有明顯的外源進入。

表1 研究區(qū)表層土壤全氮和堿解氮地球化學參數(shù)值（mg/kg）Tab.1 Geochemical parameters of total nitrogen and alkali-hydrolyzed nitrogen in surface soil of study area

圖2 研究區(qū)土壤全氮與堿解氮地球化學圖Fig.2 Geochemical map of soil total nitrogen and alkaline-hydrolyzed nitrogen in the study area

3.1.2 不同土地利用方式下全氮與堿解氮特征

對研究區(qū)8種土地利用類型下表層土壤全氮和堿解氮含量參數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。全氮含量平均值高低順序為草地＞水域及水利設(shè)施用地＞耕地＞園地＞住宅用地＞工礦倉儲用地＞林地＞其他用地，堿解氮含量均值高低順序為園地＞草地＞耕地＞水域及水利設(shè)施用地＞工礦倉儲用地＞住宅用地＞其他土地＞林地。

表2 不同土地利用類型全氮與堿解氮地球化學參數(shù)Tab.2 Geochemical parameters of total nitrogen and alkali-hydrolyzed nitrogen for different land use types

不同土地利用類型下土壤全氮與堿解氮含量存在的差異，不僅反映了氮的輸入途徑差異，同時又揭示了不同土壤環(huán)境對土壤中氮轉(zhuǎn)化堿解氮差異。草地的表層土壤具有較高的全氮和堿解氮含量，與其長期凋落物在表層土壤形成大量腐殖質(zhì)有機物有關(guān)[12]；園地通過葉施和根施有機肥增加養(yǎng)分從而提高經(jīng)濟作物產(chǎn)量；耕地受人類活動影響，一方面保證了氮的充足輸入，同時適量的水分和頻繁的犁作翻耕使得氮更有效的向堿解氮轉(zhuǎn)換。住宅用地、工礦倉儲用地和林地等一方面氮輸入較低，其次是土壤板結(jié)、含水率低等土壤環(huán)境，不利于堿解氮轉(zhuǎn)化。

3.2 土壤全氮和堿解氮地球化學等級

根據(jù)土壤全氮和堿解氮等級劃分標準[1]，評價研究區(qū)土壤全氮和有效氮地球化學等級，結(jié)果見表3、圖3。

評價結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤全氮地球化學等級以中等為主，占全區(qū)總面積的78.06%，豐富及較豐富等級地塊主要分布在研究區(qū)中部道口-劉官村，缺乏和較缺乏等級地塊則分布在研究區(qū)東部和東南部。堿解氮以較豐富和中等等級為主，二者占全區(qū)總面積的72.24%，缺乏和較缺乏等級地塊主要分布在東部廢棄魚塘及東南部丘陵地區(qū)。

土壤全氮和堿解氮地球化學等級分布存在局部同步現(xiàn)象，也存在區(qū)域差異性（圖3）。在研究區(qū)中部較豐富等級和全區(qū)較缺乏、缺乏等級地塊空間分布一致，這一現(xiàn)象表明區(qū)域土壤堿解氮含量受全氮制約。同時在研究區(qū)中北部和中南部全氮中等等級區(qū)域土壤堿解氮較為豐富，表明該區(qū)域土壤條件有利于氮向堿解氮轉(zhuǎn)化。

3.3 影響土壤全氮和堿解氮含量的因素分析

3.3.1 土壤全氮與堿解氮相互關(guān)系

土壤全氮與堿解氮含量相關(guān)性較為顯著（圖4），表明土壤中堿解氮明顯受全氮含量制約。已有研究表明土壤堿解氮主要集中在土壤表層, 其濃度受施氮量的影響較大[13-14]。

3.3.2 土壤有機質(zhì)對全氮和堿解氮含量影響

土壤有機質(zhì)與全氮和堿解氮含量散點圖如圖5所示。土壤有機質(zhì)與全氮、有機質(zhì)與堿解氮均存在顯著線性相關(guān)關(guān)系，但后者顯著性明顯弱于前者，這是因為土壤有機質(zhì)也包含氮的一部分，有機質(zhì)與全氮相關(guān)性強于堿解氮，二者關(guān)系更為密切，而堿解氮形成過程受土壤環(huán)境條件影響[15-16]。

表3 研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分元素評價等級所占比例表Tab.3 Evaluation criteria and ratio of nutrient elements in surface soil of evaluation area

圖3 研究區(qū)土壤全氮與堿解氮地球化學等級圖Fig.3 Geochemical grade of total nitrogen and alkali-hydrolyzed nitrogen in soils in the study area

圖4 研究區(qū)土壤全氮與堿解氮含量散點圖Fig.4 Scattered plots of total and alkali-hydrolyzed nitrogen contents in soils in the study area

3.3.3 土壤pH對全氮和堿解氮含量的影響

分析研究區(qū)土壤pH、全氮和堿解氮數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)土壤pH與全氮、堿解氮含量線性關(guān)系較為復雜（圖6）。當pH＞7.28時，土壤pH與全氮或堿解氮含量具有顯著相關(guān)性，這表明弱堿性和堿性土壤環(huán)境條件，有利于全氮向堿解氮轉(zhuǎn)化。

關(guān)于土壤pH與全氮和堿解氮之間關(guān)系研究，國內(nèi)專家學者得出結(jié)論各有差異。宋文峰[17]等對瀘州煙區(qū)、陳朝陽[18]對南平市耕層土壤pH與土壤養(yǎng)分的關(guān)系研究認為pH與土壤堿解氮含量相關(guān)關(guān)系不顯著，梁頒捷[19]等對福建煙區(qū)的土壤研究認為pH與土壤堿解氮含量呈極顯著負相關(guān)，林毅［20］等三明煙區(qū)土壤研究認為pH與土壤堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)，這些研究結(jié)論與本研究結(jié)果不一致。表明土壤pH與全氮和堿解氮含量關(guān)系較為復雜，可能還與其他土壤環(huán)境參數(shù)有關(guān)，有待更進一步探討。

3.3.4 氮利用率影響因素分析

圖5 研究區(qū)土壤有機質(zhì)與全氮、有機質(zhì)與堿解氮含量散點圖Fig.5 Scattered plots of organic matter and total nitrogen, organic matter and alkalihydrolyzed nitrogen in soil in the study area

圖6 研究區(qū)土壤pH與全氮含量、土壤pH與堿解氮含量散點圖Fig.6 Scattered plots of pH and total nitrogen content, pH and alkali-hydrolyzed nitrogen content in soil in the study area

堿解氮是植物能夠直接利用的有效氮，土壤氮利用率以土壤堿解氮/全氮比值來表示。研究區(qū)土壤氮利用率和土壤有機質(zhì)、土壤pH相關(guān)性較差（圖7），這是由于氮在土壤中的轉(zhuǎn)化、遷移與土壤的有機質(zhì)和pH無關(guān)，可能受到光照、溫度、氣候、降水等諸多環(huán)境因素的影響。

有研究表明，當土壤有機質(zhì)C/N 小于15/1 時，有機質(zhì)礦化初期可提供足夠的堿解氮，植物從有機質(zhì)礦化過程中獲得堿解氮供應的可能性增加。C/N越低，越有利于土壤堿解氮的形成[21]。經(jīng)計算統(tǒng)計研究區(qū)土壤有機質(zhì)C/N比在4.65～15.68之間，表明土壤理化性質(zhì)條件有利于土壤堿解氮形成，供氮能力較好。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)表層土壤全氮含量介于240～4 000 mg/kg、堿解氮含量介于23.86～741.95 mg/kg; 土壤全氮含量均值高于濟南市和山東省土壤背景值；土壤全氮與堿解氮含量在空間上具有局部同步和區(qū)域差異性特征。

圖7 研究區(qū)土壤氮利用率與有機質(zhì)含量和pH散點圖Fig.7 Scattered plots of soil nitrogen utilization efficiency with organic matter and pH in the study area

（2）不同土地利用類型土壤全氮與堿解氮含量存在差異性。全氮含量均值高低順序為草地＞水域及水利設(shè)施用地＞耕地＞園地＞住宅用地＞工礦倉儲用地＞林地＞其他用地，堿解氮含量均值高低順序為園地＞草地＞耕地＞水域及水利設(shè)施用地＞工礦倉儲用地＞住宅用地＞其他土地＞林地。全氮與堿解氮含量分布空間差異應與土地利用類型和人為活動有關(guān)。

（3）研究區(qū)土壤全氮地球化學等級以中等為主，占全區(qū)總面積的78.06%，堿解氮以較豐富和中等等級為主，占全區(qū)總面積的72.24%，土壤全氮和堿解氮地球化學等級在空間上分布既具有同步性又具有差異性。

（4）土壤堿解氮含量明顯受土壤全氮含量控制，二者與土壤有機質(zhì)含量具有顯著相關(guān)性；當土壤pH大于7.28時，它們和土壤pH具有顯著相關(guān)性。土壤氮利用率與土壤有機質(zhì)和pH相關(guān)性較差，其影響因素還需要進一步探討。研究區(qū)土壤C/N介于4.65～15.68之間，利于土壤堿解氮生成。