福建某滨海湖泊周边土壤氮元素空间分布研究*

姜雨微，栗梦繁，陈前火，甘晖

（福建师范大学环境科学与工程学院，福建 福州 350007）

1 引言

1.1 水体中氮元素的存在形态及来源

研究显示，在水中氮元素多以溶解的氮气、三氮及有机氮等形式存在，沉积物中的氮元素则以无机态和有机态2种形式存在[1]。国内学者对太湖水体研究后发现，河水、湖水中的氮元素主要以NH4+存在，这些 NH4+来自于人类排放的污废水和动物排泄物[2]。井水等地下水中的氮元素多以硝酸盐形式存在，且地下水中的硝酸盐的含量一直不断增长[3]。地下水对于农村居民来说至关重要[4]。对阿根廷某省农村井水采样测量后发现，36%的井水中硝酸盐含量高于安全饮用水的要求[5]。Lichtenberg等[6]研究发现，农业氮素化肥的使用对地下水硝酸盐污染影响巨大，因此，在以灌溉农田为主且排水良好的地区，地下水硝酸盐含量较高[7]。Rivers等[8]利用15N对英国某地氮污染来源进行追踪，发现水中溶解的硝酸盐大部分来自于土壤有机氮；Spalding等[9]同样使用15N对朝鲜半岛地下水氮污染来源进行研究，发现果园施用的氮肥是引起污染的主要原因。进一步研究发现，动物粪便和人类产生的生活垃圾、生活污水以及工业废水等因素都会引起水中硝酸盐过多[10]。沉积物中的氮元素主要来自于水生生物，水中尸体堆积、大气沉降、地表径流等过程积累的污染物能为深层水中生物提供食物和能量，这些生物在代谢过程中会释放出氮元素，聚集在沉积物中[11]。

1.2 湖泊周边土壤中氮元素的研究

1.2.1 土壤中氮元素存在形态及转换

土壤中的氮元素对微生物存活、落叶分解和养分积累有着重要影响[12]。考虑到土壤是开放系统，温度、水分以及凋零物的不同都会影响土壤中氮元素的转化，因此土壤中的氮元素具有不同形态[13]。氮在土壤中的一般以有机态与无机态2种形式存在，且以有机态为主[14]。有机态氮只有转化为无机态才能被植物吸收[15]。氮元素在土壤中的转化过程主要包括有机质的矿化作用、硝化作用、反硝化作用[16]。

1.2.2 土壤氮积累的影响因素

氮元素在土壤中的积累主要受到降雨量、有机质、土地利用类型的影响。白莹等[17]通过对沙颍河周边进行研究，发现表层土壤氮积累随多年平均降雨量的增加而减少，深层土壤氮积累随平均降雨量的增加而上升。王帘里等[18]研究发现，有机质含量会对土壤中的微生物产生影响，进而影响土壤的氮转化。彭佩钦等[19]对洞庭湖区几处土壤取样研究发现，土地的使用方式存在差异，针对不同的用途会有相应的农业管理措施，因此土壤肥料的用量与作物残体数量也会存在差异。此外，不同的耕作方式和水分管理也会造成土壤养分的差异。

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随水流，渗至作物根系以下，造成氮素流失[20]。氮淋失是导致地下水氮含量过高的重要途径[21]，引起地下水污染[22]。黄永刚等[23]研究发现，降雨及灌水量对氮素淋失的发生有重大影响，氮素淋溶的损失量随着降雨与灌水量的增大而增大。

1.3 湖泊富营养化研究

1.3.1 湖泊富营养化成因

湖泊富营养化比例从20世纪80年代初的40%到90年代初的60%，至90年代末期已达80%[24]。一般来说，富营养化是由人类活动引起的“人为富营养化”[25]。大量研究表明，氮、磷元素的积累是引起富营养化的主要原因[26]。湖泊氮的富集主要有点源汇入、非点源汇入与地下水汇入以及底泥营养盐的释放等[27，28]。

1.3.2 湖泊周边土壤与湖泊富营养化

湖泊生态系统可以从降水、移动的沉积物及人类活动等一系列途径获取氮元素，因此湖泊周边的各种污染也会对湖泊的富营养化造成影响[27，29，30]。

1.4 氮污染的危害及治理

氮污染会引起水体富营养化，富营养化水体质量会不断下降，产生细菌和藻毒素，危及饮用水安全，使水质型缺水问题变得严重。饮用硝酸盐含量高的水还会危及人身健康，引起甲状腺肥大[31]，使癌症的得病率上升[32]。土壤中氮含量过高，会破坏土壤结构，加速土壤酸化，影响土壤微生物活性，改变土壤的理化性质，降低土壤保肥能力，陷入追施化肥的恶性循环中[33]。

治理氮污染，可以从生态修复的角度出发，利用生态系统内部循环，将生态系统向好的方向引导，使生态系统恢复健康，达到平衡，取得最佳治理效果[34]。目前国家也推出了一系列措施，首先是控制施肥；其次是推动肥料高效使用；第三是加强战略管理以实现可持续供应[35]。

2 材料与方法

2.1 检测方法与主要仪器

土壤的总氮含量测定，依据HJ 717—2014《土壤质量全氮的测定凯氏法》。

土壤pH值测定，采用NY/T 1121.2—2006《土壤检测第2部分：土壤pH的测定》。

阳离子交换量测定，采用LY/T 1243—1999《森林土壤 阳离子交换量的测定》。

2.2 采样点确定及采样

采样过程遵守HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》，本次实验取40个采样点位，采样点位基本覆盖研究区域。

采用网格布点法将研究区分为40个面积相等的区域，在每个采样单元内采用“对角线法”进行采样，设置5个分点，各分点取土壤样品1 kg，将采集样品混合均匀后用四分法弃去多余土壤，保存1 kg作为待测样品，编号，保存。每个采样点均使用GPS定位仪定位，记录每个采样点的经纬度。

2.3 实验过程

2.3.1 试样的制备

将样品放至风干盘，铺2～3 cm厚，去除杂质。将土样用研磨棒磨碎，自然风干30 d。将风干后的土壤混匀，用四分法取2份，1份保留，1份研磨过土壤筛后存于样品瓶。

2.3.2 干物质含量的测定

取过2 mm土壤筛后样品，测干物质含量。

2.3.3 分析步骤

分析步骤依据HJ 717—2014《土壤质量全氮的测定凯氏法》第8部分进行操作。

2.4 评价标准与评价方法

氮元素含量空间分布分析采用克里金插值法，该方法比传统的方法更加科学合理[36]。

3 结果与分析

3.1 土壤pH与阳离子交换量CEC分析

将该区域实验所测数据整理分析，作土壤理化性质统计分析表，由表1可知，研究区域土壤pH最小值为6.22，最大值为7.27，平均值为6.78，标准差为0.25。对照表2土壤酸碱性质对应pH值范围[37]发现，该区域土壤pH值在6.5～7.5之间的样本数占90%，可知研究区大部分为中性土壤，小部分为酸性土壤。变异系数（CV）用来对不同变量的变异程度进行估算[38]。计算可得，土壤pH变异系数为3.7%，属于弱变异性，说明该地pH变化范围和离散程度小，作土壤pH频率直方图（图1），可以看出研究区域内pH值集中在6.50～6.80区间内。土壤阳离子交换量（CEC）是土壤对营养物质数量大小保有能力的标志[39]，为农业施肥量的多少提供了重要依据。由表1可知，阳离子交换量最小值为5.9 mmol/kg，最大值为25.4 mmol/kg，平均值为10.6 mmol/kg，标准差为0.42，变异系数为39.6%，属于中等变异性，说明研究区域阳离子交换能力的变化范围和离散程度都属于中等水平，作阳离子交换量频率直方图（图2），由图可知，阳离子交换量分布集中在5.0～17.5 mmol/kg。

表1 土壤理化性质

表2 土壤酸碱性质对应pH值范围

图1 pH频率直方图

图2 阳离子交换量频率直方图

3.2 研究区域周边氮元素空间分布特征

氮元素含量的空间分布如图2，土壤全氮含量呈斑块状分布，氮元素由西北到东南逐渐增加，在东南方向含量最高，但是高含量区域所占区域较小，北部区域氮元素含量在188 mg/kg以下，且以56～105 mg/kg以下居多，而南部氮元素含量则在331 mg/kg以上，有些区域甚至达到999 mg/kg。对照全国第二次土壤普查养分分级标准[40]，发现研究区域绝大部分的氮含量处于六级标准，小部分处于五级或四级标准。

表3 全国第二次土壤普查养分分级标准

图3 研究区域土壤氮元素含量克里金插图

3.3 研究区域周边氮元素含量统计分析

研究区域土壤氮含量的描述性统计见表4。由表4可见，该地区氮含量分布范围为55.8～999 mg/kg，其最大值与最小值之间相差极大，极差达943.2 mg/kg，平均值为255.9 mg/kg，处于土壤养分六级水平。该区域土壤全氮含量变异系数为78.5%，在中等变异性中属于较高水平，说明氮含量变化范围与离散程度较大，受人为影响大。作图4所示的氮元素含量频率直方图，从图4可以看出，氮元素含量集中0～400 mg/kg之间。该区土壤类型为沙质土壤，此类土壤质地疏松，虽易于耕种，但土壤颗粒间间隙较大，因此储存的水分易于从间隙中流失，保水能力较差[41]，因此对氮元素的保存能力较差，导致氮元素含量贫乏。

表4 研究区域土壤氮含量分析统计结果

图4 氮元素含量频率直方图

3.4 研究区域周边氮元素相关性分析

将实验测得的氮元素含量与阳离子交换量、pH进行相关性分析，结果如表5所示，通过表格，可以看出，整个研究区域内氮元素含量与pH相关系数r为-0.225，呈负相关；氮元素含量与阳离子交换量的相关系数r为0.480，在0.01水平（双侧）上显著正相关，说明该研究区内氮元素含量会随着阳离子交换量的增加而增加。

表5 研究地区氮元素含量与pH、阳离子交换量之间的相关性

4 结论

第一，研究区域土壤90%属于中性土壤，小部分为酸性土壤，土壤pH变异系数为3.7%，属于弱变异性，pH主要分布在6.5至6.8之间。阳离子交换量变异系数为39.6%，属于中等变异性，其含量主要集中在5.0～17.5 mmol/kg。

第二，研究区域氮含量分布呈西北至东南方向递增，在东南方向含量最高，但高含量区域占比较少。对照全国第二次土壤养分分级标准，发现大部分区域处于六级标准。

第三，研究区内氮元素含量值域分布范围较广，介于55.8 mg/kg至999 mg/kg之间，其含量分布主要集中在0至400 mg/kg之间。计算变异系数后发现，氮元素含量变异系数为78.5%，属于中等变异性。

第四，将研究区域内氮元素含量与pH和阳离子交换量作相关性分析，结果显示，氮元素含量与pH的相关系数r为-0.225，呈负相关；氮元素含量与阳离子交换量的相关系数r为0.480，在0.01水平上显著正相关。