安徽省全椒縣耕地中全氮的空間分布特征研究

肖永紅，殷玉忠，魏 路，張文濤

(1.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

氮素是植物生長必需的營養(yǎng)元素,充足的氮素供應(yīng)是作物獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要保證,合理施用氮肥是當(dāng)今作物生產(chǎn)中獲得較高產(chǎn)量的關(guān)鍵措施。過去幾百年,人類活動(dòng)向全球陸地氮循環(huán)中輸入了過量的氮,已引起全球氮超載及一系列環(huán)境問題[1-2]。因此,揭示土壤中全氮含量和分布特征,對(duì)土地資源合理利用、提高氮肥利用率、避免因盲目過量施氮肥造成的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染具有重要作用。

近年來,關(guān)于土壤氮素的分布特征、時(shí)空變異特征、影響因素、轉(zhuǎn)化、土壤氮素積累的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等,國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多研究[3-6]。文獻(xiàn)[7]研究了歐洲地區(qū)枯枝落葉層和礦質(zhì)土壤的全氮分布特征；文獻(xiàn)[8]認(rèn)為,土壤全氮主要受土壤類型和土層深度影響,受土地利用方式影響較??；文獻(xiàn)[9]以川中丘陵區(qū)的仁壽縣為研究對(duì)象,查明了土壤氮素的空間分布特征及其影響因素,認(rèn)為土地利用方式是土壤氮素空間變異的主控因素。

全椒縣的農(nóng)業(yè)資源豐富,是國家大型商品糧基地,是全國十大綠色農(nóng)業(yè)示范試點(diǎn)縣之一,還是南京無公害農(nóng)產(chǎn)品配送基地。本次以全椒縣石沛鎮(zhèn)、六鎮(zhèn)鎮(zhèn)、二郎口鎮(zhèn)的主要商品糧基地為研究對(duì)象,通過探討研究區(qū)全氮空間分布特征,為作物種植模式調(diào)整、土壤中全氮肥力等級(jí)評(píng)價(jià)、合理施肥提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省東部、滁州市南部,是全椒縣石沛鎮(zhèn)、六鎮(zhèn)鎮(zhèn)、二郎口鎮(zhèn)的主要商品糧基地,耕地面積約130km2；氣候溫和,交通便利；地形平坦,整體地勢自西北向東南傾斜；主要土壤類型為水稻土、黃棕壤、石灰土；主要成土母質(zhì)為河流沖積物成土母質(zhì)、晚更新世黃土成土母質(zhì)、紅色碎屑巖類成土母質(zhì)、碳酸鹽類成土母質(zhì)。

2 研究方法

(1) 樣品采集與測試。參考1∶5萬地形圖和土地利用圖斑圖,布設(shè)樣點(diǎn),借助北斗+GPS精準(zhǔn)定位,誤差均小于5m,滿足規(guī)范要求。共采集農(nóng)用地土壤樣品1 170件,采樣密度為4～9點(diǎn)/km2,采樣深度0～20cm,由2～3個(gè)子樣等量混合組成1件樣品；垂向剖面樣品采集點(diǎn)12處,采集樣品60件,采樣深度0～200cm。

土壤測試工作由安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所承擔(dān),采用國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。全氮測定采用凱氏氮容量法,堿解氮測定采用氫氧化鈉溶液浸提-容量法,pH值采用pH計(jì)測定,有機(jī)質(zhì)測定采用硫酸亞鐵銨容量法。各指標(biāo)的準(zhǔn)確度均小于規(guī)范設(shè)定的限值,準(zhǔn)確度合格率均達(dá)到100%。

(2)分析方法。采用SPSS進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、正態(tài)分布K-S檢驗(yàn)、相關(guān)性分析；采用三角剖分法繪制全氮含量地球化學(xué)分布圖,利用Geochem Studio軟件生成等值線圖。累頻分級(jí)為15級(jí)：0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%、100%。

3 結(jié)果與分析

(1) 耕地土壤中全氮背景值。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),全氮不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布；逐步剔除平均值加減三倍標(biāo)準(zhǔn)離差的離散數(shù)據(jù)后,全氮指標(biāo)仍不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布,故以剔除后數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值代表土壤背景值。

經(jīng)計(jì)算,耕地土壤中全氮背景值為1 068.0mg/kg,為全國土壤背景值(640mg/kg)的1.67倍(全國背景值來源于《中國東部地殼與巖石化學(xué)組分》)。

(2) 耕地土壤中全氮的分布特征及營養(yǎng)分級(jí)

①水平方向分布特征。土壤中全氮含量范圍為385～2 543mg/kg,算術(shù)平均值為1 079.74mg/kg,算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為344.41mg/kg,變異系數(shù)為0.319,分布較均勻。高值區(qū)主要分布在石沛鎮(zhèn)中部、六鎮(zhèn)鎮(zhèn)北部、二郎口鎮(zhèn)南部,低值區(qū)主要分布在六鎮(zhèn)鎮(zhèn)和二郎口鎮(zhèn)東部一帶(見圖1)。

圖1 土壤中全氮地球化學(xué)分布圖

不同土壤類型中, 石灰?guī)r土中全氮含量最高, 為1 209.0mg/kg, 明顯高于平均值； 研究區(qū)的主要土壤類型水稻土和黃棕壤, 全氮含量分別為1 077.1mg/kg、1 071.9mg/kg,與平均值相當(dāng)。

②垂直方向分布特征。垂直方向上,隨深度增加,土壤全氮含量逐漸減少,埋深超過110cm,全氮含量變化不大；土層0～20cm,全氮含量最高(見圖2)。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為,植物根系從土壤中吸收的氮主要?dú)w還到土壤表層,導(dǎo)致氮素積累在土壤表層；文獻(xiàn)[11]認(rèn)為,剖面上層土壤中有機(jī)質(zhì)含量豐富,其氮素含量也高,下層有機(jī)質(zhì)含量較低,其氮素含量也低。

③營養(yǎng)分級(jí)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(見表1),氮素是研究區(qū)耕地土壤中相對(duì)缺乏的一種養(yǎng)分。全氮等級(jí)為一等、二等、三等的樣品有609件,占所有樣品的52.05%；四等、五等樣品有561件,占所有樣品的47.95%,需要適當(dāng)補(bǔ)充氮肥。結(jié)合全氮地球化學(xué)圖,需要補(bǔ)充氮肥地區(qū)主要分布在大殷村、太平村、上陶村一帶、柴崗村南部、大季村中部等地(見圖1)。

全氮/(mg·kg-1)

圖2 土壤垂向剖面中全氮含量變化

指標(biāo)一等(豐富)二等(較豐富)三等(中等)四等(較缺乏)五等(缺乏) 全氮/(g·kg-1)>2>1.5～2>1～1.5>0.75～1≤0.75 比例/%1.7111.2039.1531.9715.98

注：全氮等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)來源于規(guī)范DZ/T 0295-2016

(3) 耕地土壤中堿解氮含量及營養(yǎng)分級(jí)

①堿解氮含量。堿解氮能反映土壤近期氮素的供應(yīng)情況。土壤中堿解氮含量范圍為21.9～263.1mg/kg,算術(shù)平均值為98.07mg/kg,算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為34.44mg/kg,變異系數(shù)為0.351,分布較均勻。

不同土壤類型中,黃棕壤中堿解氮最高,為101.54mg/kg,稍高于平均值；水稻土和石灰?guī)r土中全堿解氮分別為96.92mg/kg、96.61mg/kg,稍低于平均值。

②營養(yǎng)分級(jí)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(見表2),堿解氮等級(jí)為一等、二等、三等的樣品有666件,占所有樣品的56.92%；四等、五等的樣品有504件,占所有樣品的43.08%,需補(bǔ)充氮肥。

表2 土壤中堿解氮指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

注：堿解氮等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)來源于規(guī)范DZ/T 0295-2016

(4)相關(guān)性分析

影響土壤中氮素空間分布的因素較多,比如地形條件、土壤類型、成土母質(zhì)、土地利用方式、施肥情況等[12-13]。本次僅討論土壤中全氮含量、堿解氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH之間的相關(guān)性。

①耕地土壤中全氮含量相關(guān)性分析。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)淺層土壤中全氮含量與堿解氮含量、有機(jī)質(zhì)含量均顯著相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.745、0.942。

研究區(qū)淺層土壤中全氮含量(xTN)與堿解氮含量(yAN)線性相關(guān),且相關(guān)性較好(r=0.745),線性方程為：yAN=0.074 5xTN+17.604。通過土壤中的全氮含量,可以預(yù)測出堿解氮含量,對(duì)于土壤開發(fā)利用等具有重要的指導(dǎo)意義(見圖3)。

全氮/(mg·kg-1)圖3 土壤全氮與堿解氮含量相關(guān)性

淺層土壤中全氮含量與有機(jī)質(zhì)含量(yOM)線性相關(guān),且相關(guān)性較好(r=0.942),線性方程為：yOM=0.001 6xTN-0.173 6。通過土壤中全氮含量,可以算出有機(jī)質(zhì)的含量,且具有較高的可信度。文獻(xiàn)[14]研究表明,有機(jī)質(zhì)是影響土壤氮積累的主要因素(見圖4)。

全氮/(mg·kg-1)圖4 土壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性

②耕地土壤中堿解氮含量相關(guān)性分析。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)淺層土壤中堿解氮含量與有機(jī)質(zhì)含量、pH均顯著相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.769、-0.245。

研究區(qū)淺層土壤中堿解氮含量(xAN)與有機(jī)質(zhì)含量(yOM)線性相關(guān),且相關(guān)性較好(r=0.769),線性方程為：yOM=0.013 2xAN+0.277 8。通過土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,可估算出能直接被作物吸收利用的堿解氮的含量(見圖5)。

堿解氮/(mg·kg-1) 圖5 土壤堿解氮與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性

③耕地土壤中全氮含量、堿解氮含量、有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性分析。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),全氮含量、堿解氮含量、有機(jī)質(zhì)含量之間線性相關(guān),且相關(guān)性較好(r=0.942)。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)耕地土壤中全氮背景值為1 068.0mg/kg,為全國土壤背景值的1.67倍,明顯高于全國土壤背景值。

(2)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,全氮營養(yǎng)分級(jí)為四等和五等的樣品占47.95%,堿解氮營養(yǎng)分級(jí)為四等和五等的樣品占43.08%。說明氮素是研究區(qū)淺層土壤中比較缺乏的一種養(yǎng)分。

(3)通過繪制淺層土壤全氮含量地球化學(xué)分布圖,并結(jié)合全氮營養(yǎng)分級(jí),查明需要補(bǔ)充氮肥的地區(qū)主要分布在大殷村、太平村、上陶村一帶、柴崗村南部、大季村中部等地。

(4)垂直方向上,隨深度增加,全氮含量逐漸減少,埋深110cm后,全氮含量變化不大；土層0～20cm,全氮含量最高。

(5)通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)淺層土壤中全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)之間存在較好的線性關(guān)系。全氮含量(xTN)與堿解氮含量(yAN)之間的線性方程為：yAN=0.074 5xTN+17.604(r=0.745)；全氮含量與有機(jī)質(zhì)含量之間的線性方程為：yOM=0.001 6xTN-0.173 6(r=0.942)；堿解氮含量(xAN)與有機(jī)質(zhì)含量(yOM)之間的線性方程為：yOM=0.013 2xAN+0.277 8(r=0.769)。