半干旱矿区土壤氮素分布特征及影响因素研究

半干旱矿区土壤氮素分布特征及影响因素研究

陈秀琴（通讯作者）杜国强刘英

中国矿业大学江苏徐州221008

摘要：选取陕西省大柳塔矿区为研究区域，运用ARCGIS克里格插值法分析土壤氮的分布特征和时空变化，并探讨土壤质地、深度、坡度以及化学性质对氮流失的影响。结果表明：大柳塔区土壤TN没有达到五级标准，氮素流失严重，土壤氮的空间异质性较大，均属于中等变异；表层土壤氮显著高于下层土壤，且坡上（耕作区）含量最高；TN和碱解氮与有机质呈显著的线性正相关，决定系数分别为0.92和0.82，与速效磷呈对数正相关。

关键词：土壤氮；不同质地；分布特征；影响因素

氮与生态系统的稳定发展密切相关，半干旱区及矿区生态系统敏感脆弱，土壤沙漠化、植被退化和生物多样性减少趋势较为严重，土壤氮含量流失严重。同时土壤氮素的流失会影响土壤肥力、造成水环境和大气污染等环境问题。特别对于西北半干旱地区，农田化肥使用量较大，氮素经地表径流、农田排水、地下渗漏等途径流失加重[1]，而且矿区开采引起的地表变形、坡度加大、侵蚀加重也加大了氮的淋溶。所以对于受开采干扰较大的半干旱矿区土壤氮的研究，对于揭示半干旱矿区土壤荒漠化、植被分布、生物多样性减少、生态系统演变趋势和氮循环等过程具有重要的研究价值。

本研究选择典型西北矿区-半干旱矿区作为研究对象，运用野外调查、采样、测试和室内实验、对比、分析相结合的方法，开展半干旱矿区土壤氮的研究。通过对不同质地、坡面和土层的氮素形态和含量的分布特征、时空变化以及发展规律进行分析和评估，探讨氮发展和变化机理；并通过土壤化学性质、地形条件对氮流失的影响研究，明确其主要影响因子，为今后矿区土壤氮素流失和水体富营养化治理提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

半干旱矿区（N39.1°~N39.4°，E111.2°~E110.5°）位于陕西省神木县城的西北处，神府东胜煤田中部，地处陕北黄土高原北缘与毛乌素沙漠过渡地带，属于典型的半干旱生态环境脆弱带。区内降水稀少、蒸发剧烈，多风沙暴雨，植被覆盖度低。而且矿区井工开采破坏了地表平衡，产生了大面积裂缝和不均匀塌陷，塌陷和裂缝增强了水分蒸发与地下渗漏，导致土壤氮素损失较大，土地退化加重、水土流失严重、地表径流加强、面源污染物增加、水体富营养化加剧等一系列环境问题。本文以典型半干旱区——神东矿区为研究对象，就矿区土壤氮含量现状、分布特征及影响因素展开研究，旨在为矿区土壤氮深入研究提供借鉴。

1.2试验方案

研究区位于半干旱矿区52304工作面上。试验依据开采沉陷水平移动变形理论，将地表分为WLS区、NLS区、YS区、ZX区四个区域[2]。采用格网式布设样点以提高土壤采样数据的克里格插值精度。各区间距均为70m，样点间距设计为20m左右，每个区域各设置6个采样点，共24个样点。为了减少对土壤性质和氮素含量测量误差，样点选择在坡度不大、植被覆盖度和土壤类型较为均质的地方。

实验分别于2015年11月与2016年5月进行采样和实验。采样前先去除表层土上植物的残体等杂质。为了提高精度，每个样点均取三个平行，并四分法选取混合样，装袋密封。使用取土器采集0-15cm、15-30cm、30-45cm土层土壤，四分法取混合样200g放入塑料袋密封，并进行编号，共24个土样，带回实验室用于土壤TN、碱解氮、有机质和速效磷的测定。

化学指标测定：委托南京土壤所测试，土壤样品各指标均采用国家标准方法进行分析测试。用重铬酸钾氧化-外加热法（GB7857-87）测定TN，扩散吸收法测定碱解氮，水合热重铬酸钾氧化-比色法测定有机质，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法（GB12297-90）测定速效磷。

数据采用SPSS19.0进行数据分析，EXCEL2010和ARCGIS10.2进行图形绘制。

2结果与讨论

2.1氮素的时空分布特征

分析比较2015年和2015年TN和碱解氮的含量变化差异，如图1所示。从图中可以看出土壤氮素在时间上差异不显著。TN表现为2015年高于2016年，在四个变形区上规律相同；2015年TN的空间变异性较，其中ZX区空间变异性最大。碱解氮平均含量2016年含量高于2015年。说明2016年主要是无机氮和不可溶的有机氮含量大量减少，导致2016年氮素含量低于2015年，2016年空间变异性较大。

对采样数据进行Kolmogorov-Smirnov正态分布检验，结果表明数据满足克里格插值条件，利用ARCGIS软件进行logisticNormolKinging克里格插值，来探讨整个区域氮素的空间分布状况。图2中，TN从东北到西南含量逐渐增加，呈现阶梯状，因此分布呈现一定的空间规律性，ZX2和ZX1样点的含量最低，西北方向含量最高。碱解氮在东北和正南方含量最低，在东南方向含量最高，在36.31~52.19mg/kg之间，这是由于在东南地带有耕田，有机肥使用量大，所以碱解氮含量显著高于其他区域。Reddy[3]等研究发现在干湿周期较短的时间内，有助于脱氮作用及有机物质的分解。半干旱矿区塌陷区域内受干湿周期变化影响，吸附在土壤颗粒中的氮素的释放增加。综合看来氮素分布呈现东北区域低于其他方位的含量；碱解氮在整个区域上的空间变异性小，含量分布较均匀。

2.2土壤性质对土壤氮素分布的影响研究

氮素在坡面上各样点分布状况如图3所示。分析发现不同坡位各形态氮素含量均存在差异，坡上各形态氮素相对较高于坡中和坡下，经方差分析差异不显著。坡上TN和碱解氮的含量最高，分别为0.43g/kg和37.8mg/kg；从标准偏差方面看出，TN和碱解氮在不同坡位存在着较大的空间变异性，碱解氮坡上的变异程度最大，而TN坡中的变异程度最大，所以区域内自身较大的空间变异可能致使氮素在坡位的含量在不同形态间的离散程度存在差异；也可能由于地裂缝，施肥和地表径流。经调查发现在黄土区坡面上方有部分耕地，多有机肥和无机氮肥的使用，所以使得坡上氮素的含量增多。

图3不同坡位土壤氮的均值分布图

对比土壤氮的垂向分布，如图4。土壤TN和碱解氮随深度的增加含量呈现降低的趋势，碱解氮含量减少显著。各形态的氮素在0-15cm、15-30cm和30-45cm土层存在差异。土壤表层氮素含量较下层高，进行均值间方差显著性分析得出差异较显著；这与表层有大量植被有关，也与土壤的理化性质有密切关系。该区域有耕地，所以表层氮素必定有氮肥的使用。从TN垂向分布图看来，各区域表层土壤中的含量显著高于下层土壤的含量。这主要是由于表层植物能够拦截地表径流，增加土壤对氮的吸附，因此表层土壤中的氮较下层土壤多。从碱解氮的分布图中看出，但是15-30cm土层ZX区碱解氮的含量最大34.91mg/kg，YS区的含量最少为22.05mg/kg。表现出不明显的土层递减规律。表层土壤中的微生物数量较多、活力较强，因此，表层土壤的有效性氮含量较高。淋溶到下层土壤的碱解氮又会被木本植物深入土层的根系所吸收，导致下层土壤中碱解氮含量较低于表层。

黄壤土和粉沙土两种不同质地的表层土壤TN和碱解氮的箱式图如图5所示。TN在粉沙土中的含量变化幅度大于黄壤土，且分布不均匀，在正态分布中属于右偏。碱解氮在壤土中的变化幅度大，平均含量均大于沙土的含量。由四分位距可知壤土中TN的变异程度相差不大，而碱解氮在沙土中的变化幅度大于壤土。轻质土壤的孔隙度较大淋失较为严重，所以可能是沙土中氮素含量较低的原因之一。总体看来，半干旱矿区两种不同质地的土壤氮素含量均比较集中，各形态氮素在壤土中的含量高于沙土。

分析土壤有机质和速效磷对土壤氮素的影响状况，其相关关系如图6所示。有机质与TN和碱解氮间存在着显著的线性正相关，决定系数分别为0.93和0.82。这与刘美英[4]的研究结果一致。速效磷和TN和碱解氮间呈对数正相关，拟合效果较好，经pearson相关性分析得出，其与TN和碱解氮的相关系数分别为0.63和0.53。

3结论

本研究通过运用野外调查采样、测试和室内实验、分析相结合的方法，对半干旱矿区不同质地土壤，运用克里格插值方法开展矿区土壤氮的时空分布特征调查，分析和评估其发展规律；并通过土壤质地、坡位、土层及其化学性质对氮流失的影响研究，探讨土壤氮流失、变化和发展机理得出以下结论：大柳塔区土壤TN没有达到五级标准，碱解氮的达到五级标准，矿区氮素流失严重，其空间异质性较大，属于中等变异；表层土壤氮含量显著高于下层土壤，且坡上（耕作区）含量最高；土壤有机质、速效磷与氮素分别呈现显著的线性正相关和对数正相关，其中有机质与TN、碱解氮的决定系数分别为0.92和0.82。

参考文献：

[1]许明祥.黄土丘陵区生态恢复过程中土壤质量演变及调控[D].陕西杨凌：中科院水土保持研究所，2003.

[2]郄晨龙，卞正富，杨德军，等.鄂尔多斯煤田高强度井工煤矿开采对土壤物理性质的扰动[J].煤炭学报，2015，（06）：1448-1456.

[3]Reddy，K.R.Patrick，W.H.Effectofalternateaerobicandanaerobicconditionsonredoxpotentialorganicmatterdecompositionandnitrogenlossinafloodedsoil[J].SoilBiolBiochem，1975（7）：87~94.

[3]李美英，高永，旺季，等.矿区复垦地土壤谈单含量不暗花特征[J].水土保持研究，2012：20（2）：94-101.

作者简介：

陈秀琴（1990－），女，甘肃张掖人，在读硕士，主要从事环境工程方面研究。

基金项目：江苏省普通高校专业学位研究生创新计划项目（SJZZ16-0281）