保定東部平原區(qū)夏玉米田土壤氮磷時空分布規(guī)律

王 哲, 夏 輝, 袁 浩, 谷書杰

(河北農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設(shè)學院, 河北 保定 071000)

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，氮素和磷素等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機或無機污染物質(zhì)，通過農(nóng)田的地表徑流和農(nóng)田滲漏，造成的水環(huán)境的污染[1]。《第一次全國污染源普查公報》顯示，我國農(nóng)業(yè)源已成為污染源之首，是氮磷排放的主要來源，其排放量分別為270.46萬t，28.47萬t，分別占排放總量的57.2%，67.4%，其中種植業(yè)是主要部分[2-4]。許多農(nóng)民為追求高產(chǎn)大量施用化肥，不僅造成肥料的浪費，還加大氮磷淋失的風險，引發(fā)地下水硝酸鹽污染、水體富營養(yǎng)化等一系列負面環(huán)境問題[5-6]。有研究表明我國主要糧食作物的氮肥和磷肥的平均利用率分別為27.56%，11.6%[7]，氮磷施用量需在一定范圍內(nèi)才能促進植物對氮磷養(yǎng)分的吸收[8]。

2015年中央1號文件強調(diào)要“加強農(nóng)業(yè)生態(tài)治理”和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面源污染的防控。河北省作為我國的一個農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)面源污染問題一直存在，公開的數(shù)據(jù)顯示，2017年河北省農(nóng)用化肥使用量居于全國農(nóng)用化肥使用量的第3位。保定市是京津冀地區(qū)中心城市之一，隨著雄安新區(qū)的建立，保定市的戰(zhàn)略地位越來越重要，該區(qū)域的生態(tài)好壞將深刻影響雄安新區(qū)的未來。因此，本研究以保定東部平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)為研究對象，探索農(nóng)民傳統(tǒng)田間管理下夏玉米種植農(nóng)田2 m土層范圍內(nèi)土壤氮磷含量變化情況，分析該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染時空變化特征，以期為河北省中西部平原區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風險管控和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升提供科學依據(jù)，同時為該區(qū)域進一步提出合理施用化肥建議提供科學指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于保定東部淀西平原區(qū)，北緯38°19′—39°13′，東經(jīng)114°44′—116°15′，按流域劃分屬于白洋淀以西的淀西清南區(qū)，東起潴龍河西至京廣鐵路，北起南拒馬河南至沙河，主體位于河北省保定市東部，面積約為3 952 km2，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。多年平均氣溫13.4℃；年平均風速1.8 m/s；年平均降水量498.9 mm，降水集中在6—8月，7月最多；年平均蒸發(fā)量為1 430.5 mm。

1.1.2 試驗場概況 試驗場位于河北省保定市安新縣安州鎮(zhèn)白莊村(38°85′N，115°47′E)，地處保定東部淀西平原區(qū)，位于研究區(qū)內(nèi)，屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，多年平均氣溫為12.1℃，平均風速2.5 m/s，年平均降水529.5 mm，年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月份，占全年總降水量的67.9%以上。多年平均蒸發(fā)量1 773.4 mm。土壤類型為潮褐土，0—140 cm土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏土，140—200 cm為粉土。0—2 m土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗場土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

為了能夠更加全面了解保定東部平原區(qū)內(nèi)夏玉米種植期農(nóng)業(yè)面源污染情況，本研究分為兩部分，第一部分為定位試驗場取土測定試驗，在夏玉米生育期進行取土，研究土壤氮磷在垂直方向的分布特性，第二部分為研究區(qū)內(nèi)取土測定試驗，在夏玉米生育期進行取土，探索土壤氮磷在空間上的分布特性。兩部分試驗夏玉米播種、灌溉、施肥等田間管理均按農(nóng)民傳統(tǒng)習慣進行，夏玉米播種和收獲時間為2016年6月14日和10月1日，夏玉米生育期灌2次水，播種后灌蒙頭水70 mm，抽雄期配合施肥灌第二次水60 mm，均采用當?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)地面灌溉方式，夏玉米播種前底施復(fù)合肥，抽雄期追施復(fù)合肥，玉米季施用氮肥155.8 kg/hm2，磷肥62.3 kg/hm2，鉀肥62.3 kg/hm2。

1.3 試驗方法

1.3.1 研究區(qū)取土點及取土時間的選擇 研究區(qū)土壤樣品的采集應(yīng)能夠如實反映研究區(qū)土壤氮磷的分布情況及變化規(guī)律。因此，取土點的選擇主要考慮以下因素：(1) 具有代表性。包括其土壤質(zhì)地、種植作物及施肥方式等，農(nóng)民田間管理均按傳統(tǒng)習慣進行；(2) 分布均勻。盡可能將取土點較為均勻地分布在研究區(qū)域內(nèi)?；谝陨显瓌t，最終確定10個取土點，取土點分布在高陽縣、清苑區(qū)、蠡縣、望都縣、定州市、安國縣、雄縣、容城縣、徐水區(qū)和安新縣10個縣。研究區(qū)取土試驗取土點基本信息見表2。

由于土壤中氮磷含量受降雨、灌溉、施肥、作物吸收、揮發(fā)等因素影響，為使各取樣點的數(shù)據(jù)具有同步性，研究區(qū)內(nèi)土壤采集定在在2016年9月4—6日集中完成。取土時間的確定主要考慮以下因素：(1) 該時間段無降雨；(2) 9月正處于夏玉米生長期，這個時期一般不會進行灌溉；(3) 6—9月為研究區(qū)的主汛期，降雨較為集中，9月后降雨逐漸減少。經(jīng)過一個汛期后，土壤中的氮磷物質(zhì)隨著水分下滲將發(fā)生淋洗現(xiàn)象。因此，該時間段取土更加能夠反映出研究區(qū)面源污染物進入土壤甚至淺層地下水的過程。

表2 取土點基本信息

1.3.2 土壤樣品采集與處理 在試驗場夏玉米的拔節(jié)期(2016年7月3日)、小喇叭口期(2016年7月15日)、抽雄期(2016年7月31日)、開花期(2016年8月14日)、灌漿期(2016年9月10日)以及研究區(qū)夏玉米的灌漿期(2016年9月4日—6日)的10個取樣點進行土壤樣品采集。取樣方式為土鉆打孔取土，分層取樣，距地表1 m范圍每隔10 cm取樣1次，距地表1—2 m范圍每隔20 cm取樣1次，每次取土垂直方向上共取14次，取樣完畢立即密封并冷凍保存，帶回實驗室測定。對夏玉米種植、灌溉、施肥等田間活動進行監(jiān)測并記錄；試驗場設(shè)置小型氣象站記錄日降水量；土壤硝態(tài)氮測定采用紫外分光光度法；土壤銨態(tài)氮測定采用靛酚藍比色法；土壤有效磷測定采用鉬銻抗比色法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel與SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析；以緯度為x軸，經(jīng)度為y軸，土壤指標含量為z軸，利用Surfer軟件繪制等值線圖。由于取樣在垂直方向上間隔距離不一樣，在分析數(shù)據(jù)時采用加權(quán)平均值，文中平均值均指加權(quán)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律

表3為試驗場夏玉米種植期垂直方向上各土層土壤硝態(tài)氮含量狀況，由數(shù)據(jù)可看出夏玉米種植期土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加呈現(xiàn)先減小再增加最后減小的趨勢，大致呈“S”型變化，硝態(tài)氮含量在30 cm土層處出現(xiàn)波谷，最小值為2.66 mg/kg，出現(xiàn)在灌漿期，80 cm土層處出現(xiàn)波峰，最大值為40.25 mg/kg，出現(xiàn)在抽雄期，此土層夏玉米各生育期硝態(tài)氮含量均最大，同時該層含水量也最大，土壤孔隙小，土壤黏粒增加，吸附作用大，對硝態(tài)氮向深層土壤滲漏有一定阻礙作用，故儲存在該層的硝態(tài)氮較多，易形成累積，此外7月、8月份降雨充沛，遇較大降雨此土層硝態(tài)氮易隨水分向土壤深處遷移淋溶，增加了該區(qū)域地下水污染的風險。7月31日2 m內(nèi)土層的硝態(tài)氮含量基本都高于其他同等深度土壤硝態(tài)氮含量是因為7月29日施用復(fù)合肥且7月28日與30日降雨造成的，表層土壤硝態(tài)氮隨水分向土壤深處移動。80 cm之后土層硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加而逐漸減小，最后在2 m土層深度穩(wěn)定在5 mg/kg左右。夏玉米全生育期表土層硝態(tài)氮平均含量為12.15 mg/kg、心土層為24.82 mg/kg、底土層為7.73 mg/kg，底土層與表土層硝態(tài)氮含量相差4.42 mg/kg，兩層硝態(tài)氮含量較為接近，處于同一水平，但心土層硝態(tài)氮含量明顯大于其他兩層，將近表土層和底土層的兩倍多，因此，在夏玉米種植期間心土層硝態(tài)氮含量大，累積多，淋溶比例大。

表3 試驗場夏玉米種植期間各土層硝態(tài)氮含量狀況

圖1為研究區(qū)內(nèi)10個取樣點表土層、心土層和底土層空間上土壤硝態(tài)氮含量變化情況。在0—2 m土壤范圍內(nèi)，位于研究區(qū)中部的2號取樣點土壤硝態(tài)氮含量最高，平均含量為36.96 mg/kg，1號取樣點、8號取樣點、4號取樣點和3號取樣點土壤硝態(tài)氮含量較低，平均含量均小于5 mg/kg。由圖1可看出，研究區(qū)表土層硝態(tài)氮含量總體趨勢是東部低西部高，南部低北部高，且變化幅度較大，極差為39.28 mg/kg；心土層和底土層內(nèi)硝態(tài)氮含量在研究區(qū)中部2號取樣點均出現(xiàn)了局部高點，硝態(tài)氮污染風險大，遇較大灌水或降雨都將會導(dǎo)致硝態(tài)氮向深層土壤淋洗甚至進入地下水，底土層硝態(tài)氮含量從東到西逐漸增加。通過對10個取樣點各土層硝態(tài)氮含量進行統(tǒng)計分析可知，研究區(qū)內(nèi)距離地表60—70 cm處土壤硝態(tài)氮含量較為穩(wěn)定，距地表90 cm處土壤硝態(tài)氮含量變幅最大，0—2 m土壤中硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在距地表20 cm位置，到70 cm處降到最小值后再有所回升。

圖1 研究區(qū)夏玉米種植期土壤硝態(tài)氮含量變化情況

2.2 土壤銨態(tài)氮分布規(guī)律

表4為試驗場夏玉米種植期垂直方向上各土層土壤銨態(tài)氮含量狀況，夏玉米種植期土壤銨態(tài)氮變化與硝態(tài)氮不同，銨態(tài)氮不易隨水分運動并能夠被作物直接吸收利用，由數(shù)據(jù)可看出土壤銨態(tài)氮含量在垂直方向上變化不大，分布均勻，7月3日拔節(jié)期20 cm處銨態(tài)氮含量達到2.5 mg/kg，主要是由于冬小麥收獲夏玉米播種后，土壤波動較大，受施入底肥、灌水與土壤翻動等各方面的影響，表層土壤土質(zhì)疏松，蒸發(fā)量大，在田間，氨揮發(fā)隨風速和光照強度的增大而增多，因此，30 cm土層銨態(tài)氮含量就恢復(fù)了正常值，除20 cm土層外，其他土層銨態(tài)氮含量基本穩(wěn)定在0.6 mg/kg左右，7月31日20 cm土層處銨態(tài)氮含量高達3.6 mg/kg是由于7月29日小喇叭口期施用復(fù)合肥所造成的。夏玉米種植期表土層銨態(tài)氮平均含量為0.90 mg/kg、心土層為0.59 mg/kg、底土層為0.51 mg/kg，心土層銨態(tài)氮含量與表土層銨態(tài)氮含量相差0.31 mg/kg，降幅34.44%，底土層硝態(tài)氮含量與表土層硝態(tài)氮含量相差0.39 mg/kg，降幅43.33%。

圖2為研究區(qū)內(nèi)10個取樣點表土層、心土層和底土層空間上土壤銨態(tài)氮含量變化情況。在0—2 m土壤范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)1號取樣點土壤銨態(tài)氮含量最高，平均含量為3.47 mg/kg，6號取樣點、2號取樣點和5號取樣點土壤銨態(tài)氮含量較低，平均含量均小于1 mg/kg。由圖2可看出，研究區(qū)心土層與底土層銨態(tài)氮含量均呈現(xiàn)東部高西部低，南部高北部低的趨勢，兩者變化幅度較小，極差分別為2.85，2.40 mg/kg，而表土層銨態(tài)氮含量則呈波浪形，變化較為明顯，極差為3.40 mg/kg。

表4 試驗場夏玉米種植期間各土層銨態(tài)氮含量狀況

2.3 土壤有效磷分布規(guī)律

表5為試驗場夏玉米種植期垂直方向上各土層土壤有效磷含量狀況，由數(shù)據(jù)可看出夏玉米生育期土壤有效磷隨土層深度的增加先減小再增加最后減小，但與土壤硝態(tài)氮變化不同，土壤有效磷增加幅度較小。表土層有效磷含量降幅最大，同時20 cm土層出現(xiàn)夏玉米種植期間有效磷的最大值16.71 mg/kg，處于開花期。土壤有效磷含量在60 cm土層附近出現(xiàn)波動，主要由于此層腐殖質(zhì)含量較高，團粒結(jié)構(gòu)豐富，具有較高的保水保肥能力，富集了部分有效磷，有效磷含量出現(xiàn)短暫增高。夏玉米種植期表土層有效磷平均含量為7.02 mg/kg、心土層為3.44 mg/kg、底土層為2.52 mg/kg，心土層與底土層土壤有效磷含量變化幅度不大，土壤有效磷在20 cm土層保持較高水平，主要有兩點：一是與農(nóng)民田間管理采取的措施有關(guān)。農(nóng)民一般施肥僅僅局限在土壤表層，有效磷在土壤表層富集；二是有效磷本身性質(zhì)造成的。有效磷的移動性較小，在垂向上只能以水溶態(tài)的形式發(fā)生小范圍的遷移。140—200 cm土層有效磷含量變化不穩(wěn)定，主要由于試驗場潛水埋藏深度較淺，7月、8月份降雨充沛，地下水位上升，土壤與地下水之間存在物質(zhì)交換，深層土壤有效磷含量受潛水的影響較大。

圖2 研究區(qū)夏玉米種植期土壤銨態(tài)氮含量變化情況

表5 試驗場夏玉米種植期間各土層有效磷含量狀況

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，試驗場夏玉米種植期間表土層有效磷為4級，心土層有效磷為5級，底土層有效磷為6級；研究區(qū)夏玉米種植期間表土層有效磷為3級，心土層有效磷為5級，底土層有效磷為4級。圖3為研究區(qū)內(nèi)10個取樣點表土層、心土層和底土層空間上土壤有效磷含量變化情況。在0—2 m土壤范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)3號取樣點土壤有效磷含量最高，平均含量為17.90 mg/kg，研究區(qū)內(nèi)6號、8號和9號取樣點土壤有效磷含量較低，平均含量在5.0 mg/kg左右。由圖3可看出，表土層有效磷含量在整個研究區(qū)變化較為明顯，極差為32.66 mg/kg，由南到北表土層有效磷含量大致呈增大趨勢，表土層有效磷易隨水分遷移，形成地表徑流進入水體造成水體富營養(yǎng)化等，心土層有效磷呈東部高西部低，南部低北部高的趨勢，底土層有效磷呈東部高西部低，南部高北部低的趨勢，心土層和底土層有效磷含量變化幅度較小，極差分別為4.92，8.69 mg/kg。

圖3 研究區(qū)夏玉米種植期土壤有效磷含量變化情況

3 討 論

氮磷的淋失不僅直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染成為一個世界性的難題[9]。因灌溉不當或夏季集中降雨造成的土壤硝態(tài)氮淋失是我國華北平原氮損失的重要途徑之一[10]。本研究通過田間取土測定試驗，針對試驗場夏玉米全生育期農(nóng)田土壤氮磷的含量和分布規(guī)律進行了垂直方向上的研究分析，并對保定東部平原區(qū)夏玉米種植農(nóng)田土壤氮磷的含量及變化進行了空間上的探索。通過對比試驗場與研究區(qū)夏玉米灌漿期土壤氮磷在表土層、心土層及底土層的分布特性，以期獲得試驗場與研究區(qū)夏玉米灌漿期土壤氮磷含量及分布的關(guān)系，從而更全面地了解農(nóng)業(yè)面源污染狀況。研究表明，試驗場垂直方向上夏玉米灌漿期土壤硝態(tài)氮呈先增大后減小的趨勢，銨態(tài)氮及有效磷均呈減小的趨勢，而研究區(qū)垂直方向上土壤氮磷都呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在含量上夏玉米灌漿期研究區(qū)表土層、底土層比試驗場分別高8.65，3.77 mg/kg，但是研究區(qū)心土層硝態(tài)氮含量比試驗場低8.66 mg/kg，試驗場硝態(tài)氮在心土層累積多；研究區(qū)銨態(tài)氮含量比試驗場分別高1.15，0.70，1.12 mg/kg；研究區(qū)表土層、心土層及底土層有效磷含量比試驗場分別高14.04，0.18，2.86 mg/kg。綜上可知研究區(qū)土壤硝態(tài)氮含量除心土層以外，均比試驗場對應(yīng)土層含量高，研究區(qū)土壤銨態(tài)氮、有效磷含量除表土層有效磷含量以外，各土層含量較試驗場對應(yīng)土層含量變化幅度小，但是研究區(qū)內(nèi)土壤氮磷與試驗場內(nèi)變化規(guī)律不盡一致，主要是由于農(nóng)業(yè)面源污染具有多源性、隨機性、分散性、分布廣、間歇性和難以監(jiān)測性的特點[3]。饒靜等[11]從宏觀、中觀和微觀3個層面分析了我國農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生機制；丘雯文[12]、楊濱鍵[13]等的研究表明我國農(nóng)業(yè)面源污染具有明顯的空間差異，東部和中部地區(qū)的排放強度較高，西部和東北地區(qū)則相對較低，農(nóng)業(yè)面源污染排放總體差異表現(xiàn)為“下降—上升—下降”的波動變化趨勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模的不同也使農(nóng)業(yè)面源污染表現(xiàn)出明顯的地域差異性。針對農(nóng)業(yè)面源污染造成的污染，目前主要治理措施有源頭控制、遷移過程攔截、末端治理等[14-15]。土壤中氮磷的大量輸出是引起農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因，要防治農(nóng)業(yè)面源污染最關(guān)鍵的問題是對氮磷的來源加以控制，因此，在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)各土層的氮磷含量合理施肥將會減少農(nóng)業(yè)面源污染，對保護環(huán)境具有重要意義。但是農(nóng)業(yè)面源污染的機制、影響因素以及防治措施都不唯一，并且具有不確定性，對此還有待進一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 土壤硝態(tài)氮在垂直方向上隨土層深度的增加呈“S”型變化，心土層硝態(tài)氮累積多，淋溶比例大，降雨與灌溉將會導(dǎo)致此層硝態(tài)氮向深層淋洗?？臻g上研究區(qū)表土層硝態(tài)氮東部低西部高，南部低北部高，變化幅度較大，心土層和底土層硝態(tài)氮含量在研究區(qū)中部出現(xiàn)了局部高點，底土層硝態(tài)氮含量從東到西逐漸增加。

(2) 土壤銨態(tài)氮垂直方向上分布均勻，心土層和底土層銨態(tài)氮含量較為接近?？臻g上研究區(qū)心土層與底土層銨態(tài)氮均呈現(xiàn)東部高西部低，南部高北部低的趨勢，兩者變化幅度小，表土層銨態(tài)氮則呈波浪形，變化幅度較為明顯。

(3) 土壤有效磷在垂直方向上隨土層深度的增加先減小再增加最后減小，主要受施肥和地下水埋深的影響?？臻g上表土層有效磷在整個研究區(qū)變化較為明顯，由南到北表土層有效磷含量大致呈現(xiàn)增大的趨勢，心土層有效磷呈現(xiàn)東部高西部低，南部低北部高的趨勢，底土層有效磷呈現(xiàn)東部高西部低，南部高北部低的趨勢，心土層和底土層有效磷變化幅度較小。