吉林省黑土與鹽堿土中氮形態及含量預測方法

何珊，趙玉巖，李兵，來雅文，時艷香，湯肖丹

吉林大學 地球探測科學與技術學院，長春 130026

0 引言

1 黑土氮元素存在態

表1 黑土理化性質Table 1 Physicochemical properties of black soil

表2 黑土和含量Table 2 Contents of in black soil

圖1 不同氮形態轉化過程[14--15]Fig.1 Transformation process of different nitrogen forms

2 鹽堿土氮元素存在態

通過對文獻數據整理得出的吉林省鹽堿土理化性特征，如表3所示。鹽堿土的pH值為8.95±1.12，有機質含量為(17.38±5.97)g·kg-1，CEC為(14.51±3.20)cmol·kg-1，容重為(1.38±0.14)g·cm-3，堿解氮含量為(105.11±49.03)mg·kg-1，含鹽量為0.20%±0.06%。pH值和容重變異系數較小，分別為0.13和0.10。

表3 鹽堿土理化性質Table 3 Physicochemical properties of saline-alkali soil

表4 鹽堿土和含量Table 4 Contents of in saline-alkali soil

3 分析與討論

3.1 數據分析

圖2 黑土和鹽堿土pH值對比圖Fig.2 Comparison of pH value between black soil and saline-alkali soil

圖3 黑土和鹽堿土pH值頻率分布折線圖Fig.3 Frequency distribution line chart of pH value between black soil and saline-alkali soil

由圖2、3可知，鹽堿土pH明顯高于黑土。吉林省黑土偏酸性，pH值范圍5.5～7.5，以弱酸性為主，頻率約54%；鹽堿土偏堿性，堿性、強堿性頻率均約25%。很多植物在極強堿性和極強酸性的條件下都難以存活，吉林省有部分鹽堿土pH值達到極強堿性，這些土壤目前不可用于耕作。根據農作物生長的pH值條件，東北三省最主要的作物大米、大豆、玉米、甜菜等，其pH值都在弱酸性到弱堿性之間，大蒜、番茄、黃瓜等也都在酸性到中性的范圍內。由此，黑土pH值條件更適宜多種農作物種植。

土壤養分在很大程度上是由有機質提供的，有機質是土壤肥力的基礎，可以促進作物生長發育,改善土壤物理性質，使其松軟不結塊，也能給微生物提供所需的能量和養分，利于微生物活動。圖4、5表明，黑土有機質含量范圍為(14～33)g·kg-1，鹽堿土有機質含量范圍為(7～26)g·kg-1，黑土有機質含量整體比鹽堿土的高一個等級。黑土和鹽堿土有機質含量峰值相差較大，黑土有機質含量大都為三級等級，頻率約62%，并有二級分布；鹽堿土的四級居多，占55%，最高含量也只在三級的范圍內。

圖4 黑土和鹽堿土有機質對比圖Fig.4 Comparison of organic matter between black soil and saline-alkali soil

圖5 黑土和鹽堿土有機質頻率分布折線圖Fig.5 Frequency distribution line chart of organic matter between black soil and saline-alkali soil

圖6、7表明，黑土堿解氮豐度很高，幾乎均為Ⅰ(極高)、Ⅱ(高)級，共約占95%；鹽堿土堿解氮在每個級別都存在一定比例。堿解氮是土壤有效養分之一，常被用作評價氮素有效性的依據。由此，黑土氮素有效性比鹽堿土的高出很多，且鹽堿土部分樣品堿解氮含量低于45 mg·kg-1，說明這部分鹽堿土氮素有效性極低。

圖6 黑土和鹽堿土堿解氮對比圖Fig.6 Comparison of available nitrogen between black soil and saline-alkali soil

圖7 黑土和鹽堿土堿解氮頻率分布折線圖Fig.7 Frequency distribution line chart of available nitrogen between black soil and saline-alkali soil

圖8 黑土和鹽堿土硝態氮含量對比圖Fig.8 Comparison of nitrate nitrogen content between black soil and saline-alkali soil

圖9 黑土和鹽堿土銨態氮含量對比Fig.9 Comparison of ammonium nitrogen content between black soil and saline-alkali soil

在土壤氮形態轉化過程中，礦化、硝化和反硝化作用是主要的轉化途徑，其是水熱條件、微生物特性和土壤碳氮含量等因素綜合作用的結果[26]。土壤理化性質及環境對轉化過程的影響為：①pH值主要影響的是硝化和反硝化作用，低pH值會限制硝化微生物生長，7～8.5的pH值范圍是反硝化作用的最適酸度。由此，輕度鹽堿土較黑土的pH值更適宜反硝化作用。②有機質C/N比越高，越不易礦化；含量越高，硝化和反硝化活性越高。黑土有機質的高含量導致其硝化、反硝化活性強于鹽堿土。③溫度和濕度可通過影響微生物活性進而控制礦化、硝化和反硝化作用。通常，最適于微生物活動的土壤濕度約為土壤最大持水量的60%～80%；在0～35℃范圍內，隨溫度的升高，微生物活動明顯增強。氮素礦化的最優溫度為20℃～25℃，最優持水量為30 kPa；硝化作用最合適的溫度為30℃，60%田間持水量時作用最強烈；反硝化作用隨溫度的升高而增強，土壤處于嫌氣環境時反硝化作用最強[27]。④長期施肥能顯著提高初級礦化--同化周轉速率，刺激自養硝化作用，并提高反硝化作用速率[28]。

3.2 回歸預測

表5 土壤性質數據Table 5 Soil properties data

預測方程如方程(1)、(2)所示：

Y=-9.0094-0.6879X1+0.2512X2-7.6767X3-0.0092X4+0.0586X5+0.0140X6+0.5627X7

(1)

式中:X1為pH值；X2為有機質，g·kg-1；X3為全氮，g·kg-1；X4為堿解氮，mg·kg-1；X5為速效磷，mg·kg-1；X6為速效鉀，mg·kg-1；X7為CEC，cmol·kg-1；Y為硝態氮，mg·kg-1

Z=13.0725-0.8387X1+0.0638X2+4.4790X3-0.0063X4+0.0079X5-0.0169X6-0.3098X7

(2)

式中：X1～X7與上同；Z為銨態氮，mg·kg-1。

表6 變量間的相關性Table 6 Relevance of variable

圖偏最小二乘回歸預測圖Fig.10 Prediction chart of by partial least squares regression

圖偏最小二乘回歸預測圖Fig.11 Prediction chart of by partial least squares regression

4 結論