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和有機態2種形式存在[1]。國內學者對太湖水體研究后發現，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]。地下水對于農村居民來說至關重要[4]。對阿根廷某省農村井水采樣測量后發現，36%的井水中硝酸鹽含量高于安全飲用水的要求[5]。Lichtenberg等[6]研究發現，農業氮素化肥的使用對地下水硝酸鹽污染影響巨大，因此，在以灌溉農田為主且排水良好的地區，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，發現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，發現果園施用的氮肥是引起污染的主要原因。進一步研究發現，動物糞便和人類產生的生活垃圾、生活污水以及工業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及轉換

土壤中的氮元素對微生物存活、落葉分解和養分積累有著重要影響[12]。考慮到土壤是開放系統，溫度、水分以及凋零物的不同都會影響土壤中氮元素的轉化，因此土壤中的氮元素具有不同形態[13]。氮在土壤中的一般以有機態與無機態2種形式存在，且以有機態為主[14]。有機態氮只有轉化為無機態才能被植物吸收[15]。氮元素在土壤中的轉化過程主要包括有機質的礦化作用、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、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，發現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]研究發現，有機質含量會對土壤中的微生物產生影響，進而影響土壤的氮轉化。彭佩欽等[19]對洞庭湖區幾處土壤取樣研究發現，土地的使用方式存在差異，針對不同的用途會有相應的農業管理措施，因此土壤肥料的用量與作物殘體數量也會存在差異。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]研究發現，降雨及灌水量對氮素淋失的發生有重大影響，氮素淋溶的損失量隨著降雨與灌水量的增大而增大。

1.3 湖泊富營養化研究

1.3.1 湖泊富營養化成因

湖泊富營養化比例從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，富營養化是由人類活動引起的“人為富營養化”[25]。大量研究表明，氮、磷元素的積累是引起富營養化的主要原因[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鹽的釋放等[27，28]。

1.3.2 湖泊周邊土壤與湖泊富營養化

湖泊生態系統可以從降水、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化，富營養化水體質量會不斷下降，產生細菌和藻毒素，危及飲用水安全，使水質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，降低土壤保肥能力，陷入追施化肥的惡性循環中[33]。

治理氮污染，可以從生態修復的角度出發，利用生態系統內部循環，將生態系統向好的方向引導，使生態系統恢復健康，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；第三是加強戰略管理以實現可持續供應[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HJ 717—2014《土壤質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《土壤環境監測技術規范》，本次實驗取40個采樣點位，采樣點位基本覆蓋研究區域。

采用網格布點法將研究區分為40個面積相等的區域，在每個采樣單元內采用“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。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 干物質含量的測定

取過2 mm土壤篩后樣品，測干物質含量。

2.3.3 分析步驟

分析步驟依據HJ 717—2014《土壤質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

將該區域實驗所測數據整理分析，作土壤理化性質統計分析表，由表1可知，研究區域土壤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土壤酸堿性質對應pH值范圍[37]發現，該區域土壤pH值在6.5～7.5之間的樣本數占90%，可知研究區大部分為中性土壤，小部分為酸性土壤。變異系數（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），可以看出研究區域內pH值集中在6.50～6.80區間內。土壤陽離子交換量（CEC）是土壤對營養物質數量大小保有能力的標志[39]，為農業施肥量的多少提供了重要依據。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，變異系數為39.6%，屬于中等變異性，說明研究區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

表2 土壤酸堿性質對應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，但是高含量區域所占區域較小，北部區域氮元素含量在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，有些區域甚至達到999 mg/kg。對照全國第二次土壤普查養分分級標準[40]，發現研究區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分分級標準

圖3 研究區域土壤氮元素含量克里金插圖

3.3 研究區域周邊氮元素含量統計分析

研究區域土壤氮含量的描述性統計見表4。由表4可見，該地區氮含量分布范圍為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，處于土壤養分六級水平。該區域土壤全氮含量變異系數為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。該區土壤類型為沙質土壤，此類土壤質地疏松，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 研究區域土壤氮含量分析統計結果

圖4 氮元素含量頻率直方圖

3.4 研究區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，整個研究區域內氮元素含量與pH相關系數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r為0.480，在0.01水平（雙側）上顯著正相關，說明該研究區內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，但高含量區域占比較少。對照全國第二次土壤養分分級標準，發現大部分區域處于六級標準。

第三，研究區內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。計算變異系數后發現，氮元素含量變異系數為78.5%，屬于中等變異性。

第四，將研究區域內氮元素含量與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r為0.480，在0.01水平上顯著正相關。