吉林省黑土與鹽堿土中氮形態(tài)及含量預(yù)測(cè)方法

何珊，趙玉巖，李兵，來雅文，時(shí)艷香，湯肖丹

吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

1 黑土氮元素存在態(tài)

表1 黑土理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of black soil

表2 黑土和含量Table 2 Contents of in black soil

圖1 不同氮形態(tài)轉(zhuǎn)化過程[14--15]Fig.1 Transformation process of different nitrogen forms

2 鹽堿土氮元素存在態(tài)

通過對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)整理得出的吉林省鹽堿土理化性特征，如表3所示。鹽堿土的pH值為8.95±1.12，有機(jī)質(zhì)含量為(17.38±5.97)g·kg-1，CEC為(14.51±3.20)cmol·kg-1，容重為(1.38±0.14)g·cm-3，堿解氮含量為(105.11±49.03)mg·kg-1，含鹽量為0.20%±0.06%。pH值和容重變異系數(shù)較小，分別為0.13和0.10。

表3 鹽堿土理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties of saline-alkali soil

表4 鹽堿土和含量Table 4 Contents of in saline-alkali soil

3 分析與討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

圖2 黑土和鹽堿土pH值對(duì)比圖Fig.2 Comparison of pH value between black soil and saline-alkali soil

圖3 黑土和鹽堿土pH值頻率分布折線圖Fig.3 Frequency distribution line chart of pH value between black soil and saline-alkali soil

由圖2、3可知，鹽堿土pH明顯高于黑土。吉林省黑土偏酸性，pH值范圍5.5～7.5，以弱酸性為主，頻率約54%；鹽堿土偏堿性，堿性、強(qiáng)堿性頻率均約25%。很多植物在極強(qiáng)堿性和極強(qiáng)酸性的條件下都難以存活，吉林省有部分鹽堿土pH值達(dá)到極強(qiáng)堿性，這些土壤目前不可用于耕作。根據(jù)農(nóng)作物生長的pH值條件，東北三省最主要的作物大米、大豆、玉米、甜菜等，其pH值都在弱酸性到弱堿性之間，大蒜、番茄、黃瓜等也都在酸性到中性的范圍內(nèi)。由此，黑土pH值條件更適宜多種農(nóng)作物種植。

土壤養(yǎng)分在很大程度上是由有機(jī)質(zhì)提供的，有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ)，可以促進(jìn)作物生長發(fā)育,改善土壤物理性質(zhì)，使其松軟不結(jié)塊，也能給微生物提供所需的能量和養(yǎng)分，利于微生物活動(dòng)。圖4、5表明，黑土有機(jī)質(zhì)含量范圍為(14～33)g·kg-1，鹽堿土有機(jī)質(zhì)含量范圍為(7～26)g·kg-1，黑土有機(jī)質(zhì)含量整體比鹽堿土的高一個(gè)等級(jí)。黑土和鹽堿土有機(jī)質(zhì)含量峰值相差較大，黑土有機(jī)質(zhì)含量大都為三級(jí)等級(jí)，頻率約62%，并有二級(jí)分布；鹽堿土的四級(jí)居多，占55%，最高含量也只在三級(jí)的范圍內(nèi)。

圖4 黑土和鹽堿土有機(jī)質(zhì)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of organic matter between black soil and saline-alkali soil

圖5 黑土和鹽堿土有機(jī)質(zhì)頻率分布折線圖Fig.5 Frequency distribution line chart of organic matter between black soil and saline-alkali soil

圖6、7表明，黑土堿解氮豐度很高，幾乎均為Ⅰ(極高)、Ⅱ(高)級(jí)，共約占95%；鹽堿土堿解氮在每個(gè)級(jí)別都存在一定比例。堿解氮是土壤有效養(yǎng)分之一，常被用作評(píng)價(jià)氮素有效性的依據(jù)。由此，黑土氮素有效性比鹽堿土的高出很多，且鹽堿土部分樣品堿解氮含量低于45 mg·kg-1，說明這部分鹽堿土氮素有效性極低。

圖6 黑土和鹽堿土堿解氮對(duì)比圖Fig.6 Comparison of available nitrogen between black soil and saline-alkali soil

圖7 黑土和鹽堿土堿解氮頻率分布折線圖Fig.7 Frequency distribution line chart of available nitrogen between black soil and saline-alkali soil

圖8 黑土和鹽堿土硝態(tài)氮含量對(duì)比圖Fig.8 Comparison of nitrate nitrogen content between black soil and saline-alkali soil

圖9 黑土和鹽堿土銨態(tài)氮含量對(duì)比Fig.9 Comparison of ammonium nitrogen content between black soil and saline-alkali soil

在土壤氮形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，礦化、硝化和反硝化作用是主要的轉(zhuǎn)化途徑，其是水熱條件、微生物特性和土壤碳氮含量等因素綜合作用的結(jié)果[26]。土壤理化性質(zhì)及環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)化過程的影響為：①pH值主要影響的是硝化和反硝化作用，低pH值會(huì)限制硝化微生物生長，7～8.5的pH值范圍是反硝化作用的最適酸度。由此，輕度鹽堿土較黑土的pH值更適宜反硝化作用。②有機(jī)質(zhì)C/N比越高，越不易礦化；含量越高，硝化和反硝化活性越高。黑土有機(jī)質(zhì)的高含量導(dǎo)致其硝化、反硝化活性強(qiáng)于鹽堿土。③溫度和濕度可通過影響微生物活性進(jìn)而控制礦化、硝化和反硝化作用。通常，最適于微生物活動(dòng)的土壤濕度約為土壤最大持水量的60%～80%；在0～35℃范圍內(nèi)，隨溫度的升高，微生物活動(dòng)明顯增強(qiáng)。氮素礦化的最優(yōu)溫度為20℃～25℃，最優(yōu)持水量為30 kPa；硝化作用最合適的溫度為30℃，60%田間持水量時(shí)作用最強(qiáng)烈；反硝化作用隨溫度的升高而增強(qiáng)，土壤處于嫌氣環(huán)境時(shí)反硝化作用最強(qiáng)[27]。④長期施肥能顯著提高初級(jí)礦化--同化周轉(zhuǎn)速率，刺激自養(yǎng)硝化作用，并提高反硝化作用速率[28]。

3.2 回歸預(yù)測(cè)

表5 土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)Table 5 Soil properties data

預(yù)測(cè)方程如方程(1)、(2)所示：

Y=-9.0094-0.6879X1+0.2512X2-7.6767X3-0.0092X4+0.0586X5+0.0140X6+0.5627X7

(1)

式中:X1為pH值；X2為有機(jī)質(zhì)，g·kg-1；X3為全氮，g·kg-1；X4為堿解氮，mg·kg-1；X5為速效磷，mg·kg-1；X6為速效鉀，mg·kg-1；X7為CEC，cmol·kg-1；Y為硝態(tài)氮，mg·kg-1

Z=13.0725-0.8387X1+0.0638X2+4.4790X3-0.0063X4+0.0079X5-0.0169X6-0.3098X7

(2)

式中：X1～X7與上同；Z為銨態(tài)氮，mg·kg-1。

表6 變量間的相關(guān)性Table 6 Relevance of variable

圖偏最小二乘回歸預(yù)測(cè)圖Fig.10 Prediction chart of by partial least squares regression

圖偏最小二乘回歸預(yù)測(cè)圖Fig.11 Prediction chart of by partial least squares regression

4 結(jié)論