哈爾濱-綏化地區土壤氮儲量及其時空變化特征

張立，崔玉軍，劉國棟，李瑛，孫振偉

（黑龍江省地質調查研究總院，黑龍江哈爾濱 150036）

哈爾濱-綏化地區土壤氮儲量及其時空變化特征

張立，崔玉軍，劉國棟，李瑛，孫振偉

（黑龍江省地質調查研究總院，黑龍江哈爾濱 150036）

依據多目標區域地球化學調查成果，按照中國地質調查局下發的《全國土壤碳儲量及各類元素（氧化物）儲量實測計算暫行要求》，以表層土壤樣品分析單元（4 km2）為計算單位，對哈爾濱-綏化地區表層土壤（0～20 cm）氮儲量進行計算.研究了不同生態系統和不同土壤類型土壤氮儲量、氮密度的差異，研究了20年來土壤氮儲量的變化特征及成因.結果表明研究區土壤氮儲量略微增加，這主要是由于濕地生態系統和森林生態系統對土壤的固氮效果顯著造成的.

氮儲量；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元素，也是植物需求量最大的元素，對植物生命活動以及作物產量和品質均有極其重要的作用.陸地生態系統是“氮源”還是“氮匯”，主要取決于土壤氮庫的變化.因此，研究土壤氮儲量成為全球變化科學的一個重點和熱點［1］.土壤氮庫的微小變化就可能導致大氣中N2O濃度發生較大變化，從而影響全球氣候變化［2］.本文以黑龍江省哈爾濱-綏化地區表層土壤為研究對象，以多目標區域地球化學調查獲得的土壤氮分析數據為依據，以1980年代第二次土壤普查資料為參照，分析研究哈爾濱-綏化地區不同生態系統、不同土壤類型氮儲量及其變化特征.

1 區域概況

1.1 地理概況

哈爾濱-綏化地區位于黑龍江省松嫩平原東南部，小興安嶺西麓.地理坐標126°00′～128°15′E，45°40′～47°25′N，面積約30 700 km2（圖1）.研究區北部和東部主要為丘陵和小興安嶺山地，其他地區主要為平原區.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、歐根河和木蘭達河，均屬于松花江水系.

1.2 地質概況

研究區新生界地層廣泛發育，主要有古近系達連河組，中更新統上荒山及下荒山組，上更新統哈爾濱組及顧鄉屯組，全新統高、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—三疊系下統五道嶺組；中生界地層出露侏羅系中統太安屯組，白堊系下統板子房組、寧遠村組、建興組、淘淇河組及白堊系上統姚家組、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—三疊系下統五道嶺組；中生界地層出露侏羅系中統太安屯組，白堊系下統板子房組、寧遠村組、建興組、淘淇河組及白堊系上統姚家組、嫩江組、明水組.

圖1 哈爾濱－綏化地區交通位置圖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多目標地球化學調查規范工作要求，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項地球化學指標.樣品分析質量控制采用國家一級土壤地球化學標準物質GBW以及外部監控標準.為了更直觀地反映從1980年代到現在哈爾濱-綏化地區土壤氮儲量的變化特征，本次研究收集了哈爾濱-綏化地區第二次土壤普查分析的土壤氮含量數據資料.究收集了哈爾濱-綏化地區第二次土壤普查分析的土壤氮含量數據資料.

3 土壤氮儲量的計算方法

按照中國地質調查局下發的《全國土壤碳儲量及各類元素（氧化物）儲量實測計算暫行要求》，采用指數模型，對研究區進行表層土壤氮儲量實測計算.以表層土壤樣品分析單元（4 km2）為計算單位，計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計算；4為單位土壤面積（km2）；104為單位土壤面積換算系數；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［4］.

4 氮儲量及其變化特征

4.1 不同生態系統氮儲量

從研究區各生態系統表層土壤氮儲量估算結果（表1）看，土壤氮主要儲存在農田生態系統中，這主要與農田生態系統占全區面積比例最大（達到86.42%）有很大的關系.森林生態系統面積只占全區的9.95%，而土壤氮儲量卻占全區氮儲量的12.62%.各生態系統土壤氮儲量由高到低依次為：農田生態系統→森林生態系統→草原生態系統→濕地生態系統→湖泊生態系統→城鎮生態系統.各生態系統土壤單位面積氮儲量由高到低排序依次為：濕地生態系統→森林生態系統→農田生態系統→草原生態系統→城鎮生態系統→湖泊生態系統.其中濕地生態系統土壤單位面積氮儲量最高，是全區平均值的1.73倍.

表1 表層土壤不同時代各生態系統氮儲量估算對比表Table 1 Nitrogen storage in surface soil of each ecosystem in different times

4.2不同土壤類型氮儲量

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

4.3 土壤氮儲量時空變化特征

利用第二次土壤普查數據資料，編制了研究區1980年代土壤氮含量分級圖（圖2）.與當前土壤氮含量分級圖（圖3）進行對比研究，發現土壤氮含量大于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，研究區土壤（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.在各生態系統中，濕地生態系統土壤單位面積全氮含量最高，平均含量為484 t/km2，其次是草原生態系統、森林生態系統、農田生態系統、湖泊生態系統和城鎮生態系統.按不同土壤類型進行統計，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1980年代土壤氮含量分級圖Fig.2 Grading of soil nitrogen contents in study area in 1980s

當前該地區表層土壤中全氮總量為0.143×108t，單位面積全氮平均儲量為467 t/km2.濕地生態系統單位面積全氮儲量最高，達到819 t/km2，其次是森林生態系統、農田生態系統、草原生態系統、城鎮生態系統和湖泊生態系統.按不同土壤類型進行統計，暗棕壤的單位面積全氮儲量最高，其次是沼澤土和水稻土.

根據不同時期土壤氮儲量的計算結果，采用減法運算得到研究區土壤氮密度的增加和減少情況，即過去20年來哈爾濱-綏化地區土壤氮元素收支平衡圖（圖4）.圖中綠色區域表示從1980年代到目前20年來土壤氮儲量增加地區；紅色區域表示20年來土壤氮儲量減少地區.研究區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-綏化地區土壤氮儲量是增加的.從圖4可以明顯地看出土壤氮儲量增加的地區主要分布在研究區北部和東部的慶安、鐵力、綏棱等地區，氮儲量減少的地區主要分布在研究區中部的望奎縣和南部的松花江流域地區.這是由于研究區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，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，從而使腐殖質強烈累積所致［5］.

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

圖3 研究區當前土壤氮含量分級圖Fig.3 Grading of soil nitrogen contents in study area at present

5 結論

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

圖4 哈爾濱-綏化地區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量的空間特征［J］.應用生態學報,2010,21（3）:631—639.

［2］張春娜.中國陸地土壤氮庫研究［D］.重慶：西南農業大學博士學位論文,2004.

［3］奚小環，張建新，廖啟林，等.多目標區域地球化學調查與土壤碳儲量問題——以江蘇、湖南、四川、吉林、內蒙古為例［J］.第四紀研究, 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：農業出版社,1992.

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

［6］鄭亞平，鄭永美，孫奎香.不同營養元素對共生固氮潛力影響的研究進展［J］.中國農學通報,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．

中國地質調查局“全國土壤現狀調查及污染防治專項”項目（編號GZTR20080103）資助.

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