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(jì)南250014；2.山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)與污染防治工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南250014；3.中國(guó)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(xué)調(diào)查是一項(xiàng)全新的地質(zhì)工作，主要依據(jù)影響土地質(zhì)量的營(yíng)養(yǎng)有益元素、有毒有害元素及化合物、有機(jī)污染物、理化性質(zhì)等地球化學(xué)指標(biāo)，及其對(duì)土地基本功能的影響程度而進(jìn)行的土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)評(píng)定[1]。近年來(lái)，全國(guó)各地不同程度地開(kāi)展了土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查[2-7]，取得豐碩成果。本文基于中國(guó)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(xué)調(diào)查”二級(jí)項(xiàng)目子項(xiàng)目，通過(guò)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(xué)特征，探索元素在土壤中主要受控或影響因素，重點(diǎn)對(duì)土壤肥力因子進(jìn)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(wú)機(jī)態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能為作物直接吸收利用的有機(jī)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(xué)特征及影響因素，對(duì)土地管理和農(nóng)業(yè)施肥有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為濟(jì)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(lèi)型以平原為主，東南部為低山丘陵，土地利用類(lèi)型多樣，其中耕地以水澆地為主。氣候?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)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?chē)?0 m范圍內(nèi)5個(gè)子樣等份組合而成。共采集表層土壤673件，采樣密度為6點(diǎn)/km2。土壤樣品在自然條件下陰干，測(cè)試全量指標(biāo)的樣品過(guò)10 目（2 mm）尼龍篩，過(guò)篩后將樣品混勻，按四分法，稱(chēng)取100 g為一件樣品；測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范》（DZ/T 0130-2006），土壤全氮測(cè)定方法采用容量法（VOL），稱(chēng)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(cè)定全氮含量。堿解氮測(cè)定采用容量法，稱(chēng)風(fēng)干土樣（通過(guò)2 mm篩）2.0 g平鋪于螺紋絲扣密封類(lèi)型的塑料擴(kuò)散皿外室，吸取3 mL 20 g/L 硼酸-指示劑溶液（pH=4.5）于擴(kuò)散皿內(nèi)室，向外室加10.0 mL 1.8 mol/L氫氧化鈉溶液于擴(kuò)散皿外室，輕搖晃動(dòng)后迅速旋緊蓋子，于40℃保溫箱內(nèi)恒溫24小時(shí)，用0.01 mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定內(nèi)室硼酸中的氨，計(jì)算堿解氮含量。

全氮準(zhǔn)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(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)專(zhuān)家驗(yàn)收合格。

本文采用Microsoft Excel 2007對(duì)樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)性分析采用SPSS 19軟件，地球化學(xué)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(xué)等級(jí)圖制作采用土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)（應(yīng)用）子系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 全氮和堿解氮地球化學(xué)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(xué)參數(shù)值見(jiàn)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(fù)剔除3倍標(biāo)準(zhǔn)離差后求平均值的方法計(jì)算土壤全氮背景值，結(jié)果顯示，與濟(jì)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(jìn)入。

表1 研究區(qū)表層土壤全氮和堿解氮地球化學(xué)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(xué)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(duì)研究區(qū)8種土地利用類(lèi)型下表層土壤全氮和堿解氮含量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。全氮含量平均值高低順序?yàn)椴莸兀舅蚣八O(shè)施用地＞耕地＞園地＞住宅用地＞工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地＞林地＞其他用地，堿解氮含量均值高低順序?yàn)閳@地＞草地＞耕地＞水域及水利設(shè)施用地＞工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地＞住宅用地＞其他土地＞林地。

表2 不同土地利用類(lèi)型全氮與堿解氮地球化學(xué)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(lèi)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(shí)又揭示了不同土壤環(huán)境對(duì)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(zhǎng)期凋落物在表層土壤形成大量腐殖質(zhì)有機(jī)物有關(guān)[12]；園地通過(guò)葉施和根施有機(jī)肥增加養(yǎng)分從而提高經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量；耕地受人類(lèi)活動(dòng)影響，一方面保證了氮的充足輸入，同時(shí)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(cāng)儲(chǔ)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(xué)等級(jí)

根據(jù)土壤全氮和堿解氮等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[1]，評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤全氮和有效氮地球化學(xué)等級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表3、圖3。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤全氮地球化學(xué)等級(jí)以中等為主，占全區(qū)總面積的78.06%，豐富及較豐富等級(jí)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(jí)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(jí)為主，二者占全區(qū)總面積的72.24%，缺乏和較缺乏等級(jí)地塊主要分布在東部廢棄?mèng)~塘及東南部丘陵地區(qū)。

土壤全氮和堿解氮地球化學(xué)等級(jí)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(jí)和全區(qū)較缺乏、缺乏等級(jí)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(shí)在研究區(qū)中北部和中南部全氮中等等級(jí)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(jī)質(zhì)對(duì)全氮和堿解氮含量影響

土壤有機(jī)質(zhì)與全氮和堿解氮含量散點(diǎn)圖如圖5所示。土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、有機(jī)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?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)也包含氮的一部分，有機(jī)質(zhì)與全氮相關(guān)性強(qiáng)于堿解氮，二者關(guān)系更為密切，而堿解氮形成過(guò)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(píng)價(jià)等級(jí)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(xué)等級(jí)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(diǎn)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(duì)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(fù)雜（圖6）。當(dāng)pH＞7.28時(shí)，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(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者得出結(jié)論各有差異。宋文峰[17]等對(duì)瀘州煙區(qū)、陳朝陽(yáng)[18]對(duì)南平市耕層土壤pH與土壤養(yǎng)分的關(guān)系研究認(rèn)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(duì)福建煙區(qū)的土壤研究認(rèn)為pH與土壤堿解氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，林毅［20］等三明煙區(qū)土壤研究認(rèn)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(fù)雜，可能還與其他土壤環(huán)境參數(shù)有關(guān)，有待更進(jìn)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(jī)質(zhì)與全氮、有機(jī)質(zhì)與堿解氮含量散點(diǎn)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(diǎn)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(lái)表示。研究區(qū)土壤氮利用率和土壤有機(jī)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(jī)質(zhì)和pH無(wú)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(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)C/N 小于15/1 時(shí)，有機(jī)質(zhì)礦化初期可提供足夠的堿解氮，植物從有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程中獲得堿解氮供應(yīng)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(jì)算統(tǒng)計(jì)研究區(qū)土壤有機(jī)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(jì)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(jī)質(zhì)含量和pH散點(diǎn)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(lèi)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?yàn)椴莸兀舅蚣八O(shè)施用地＞耕地＞園地＞住宅用地＞工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地＞林地＞其他用地，堿解氮含量均值高低順序?yàn)閳@地＞草地＞耕地＞水域及水利設(shè)施用地＞工礦倉(cāng)儲(chǔ)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(yīng)與土地利用類(lèi)型和人為活動(dòng)有關(guān)。

（3）研究區(qū)土壤全氮地球化學(xué)等級(jí)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(jí)為主，占全區(qū)總面積的72.24%，土壤全氮和堿解氮地球化學(xué)等級(jí)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(jī)質(zhì)含量具有顯著相關(guān)性；當(dāng)土壤pH大于7.28時(shí)，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(jī)質(zhì)和pH相關(guān)性較差，其影響因素還需要進(jìn)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。