農(nóng)田土壤氮磷含量時空差異分析

諶婕妤 楊思雨 胡愛玲 許峰 黃運新

摘要：農(nóng)田氮磷排放是農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源之一，其排放潛力可能受到諸多環(huán)境因素的影響。為了解農(nóng)田氮磷排放潛力的影響因素，選點湖北省武漢市新洲區(qū)西黃村，利用箱線圖和方差分析方法進行研究。結(jié)果表明，研究地點土壤氮含量的平均水平為0.974～1.297 g/kg，其中秋季水田含量相對較高，而夏季旱地含量相對較低。土壤磷含量平均水平為0.491～0.676 g/kg，其中夏季旱地近居民區(qū)含量相對較高，而秋季水田遠(yuǎn)居民區(qū)含量相對較低。氮含量在季節(jié)、水旱作之間存在顯著差異，而在居民區(qū)遠(yuǎn)近之間不存在顯著差異;磷含量在季節(jié)、水旱作和居民區(qū)遠(yuǎn)近之間均存在顯著差異。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;氮含量;磷含量;時空差異;面源污染

中圖分類號：S151.9?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）07-0068-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.015

農(nóng)業(yè)面源污染（Agricultural non-point sources pollution，ANPSP）是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及農(nóng)藥等其他有害物質(zhì)通過雨水沖刷、地表徑流以及農(nóng)田灌溉而造成的水環(huán)境污染[1]。相對于點源污染而言，ANPSP來源廣、遷移復(fù)雜，極難準(zhǔn)確測定和控制[2，3]，而農(nóng)田氮磷排放是ANPSP的主要來源[4]。農(nóng)田土壤氮磷流失可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，對地表水造成污染[4]。過量的氮還可能滲入地下，導(dǎo)致硝酸鹽濃度過高，對地下水造成污染[5]。土壤氮磷流失的監(jiān)測與控制是ANPSP防控的重要課題之一。

過度施肥是導(dǎo)致土壤氮磷流失的主因[5]。在中國，為了獲得高產(chǎn)和豐收，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在著過量使用化肥的現(xiàn)象[4，6-9]。過度施肥不但造成浪費，而且可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失調(diào)和板結(jié)，影響土壤的長期使用。更重要的是，過度施肥容易造成土壤養(yǎng)分流失，影響水體環(huán)境。

江漢平原位于湖北省中南部，是長江中下游平原的重要組成部分[10，11]。江漢平原具有氣候適宜、水源豐富等得天獨厚的條件，這些條件對發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分有利，因此江漢平原不僅是湖北省而且是全國重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地。但另一方面，江漢平原獨特的水源和水網(wǎng)條件又為ANPSP創(chuàng)造了便利。因此，江漢平原也是ANPSP的重災(zāi)區(qū)[12]。

近年來，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和土地集約化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥使用強度和使用方式都在發(fā)生變化。這些變化不可避免地對土壤和水體環(huán)境造成影響。通過土壤監(jiān)測了解實際變化情況對ANPSP防控具有現(xiàn)實意義。為此，本研究以位于江漢平原東部的武漢市新洲區(qū)為例，通過抽樣調(diào)查了解土壤氮磷含量水平，為進一步估算農(nóng)業(yè)面源污染狀況打下基礎(chǔ)。

1?材料與方法

1.1?土樣采集和指標(biāo)檢測

1.1.1?采樣地點與方法?采樣地點位于湖北省武漢市新洲區(qū)西黃村（圖1）。采樣在夏、秋兩季各進行1次，每次采樣17份，按照近居民區(qū)和遠(yuǎn)居民區(qū)分別采集，在近居民區(qū)和遠(yuǎn)居民區(qū)中再分別選取旱地和水田采樣。每份土樣1 000 g，采樣深度為0～10 cm。采集的土樣用密封袋密封，帶回實驗室進行總氮、總磷的測定。

1.1.2?指標(biāo)檢測?土壤采回后攤開風(fēng)干，剔除石塊和植物殘體，將其研磨后過60號篩（孔徑0.25 mm），取0.5～1.0 g（精確到0.001 g）土樣，放入150 mL開氏瓶中用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定總氮，再取1 g（精確到0.001 g）土樣置于50 mL三角瓶中，用硫酸-高氯酸消煮法測定總磷[13]。

1.2?數(shù)據(jù)分析

1.2.1?箱線圖?采用箱線圖分析了總氮、總磷2個指標(biāo)觀測值的變異情況。其中，箱線圖由箱和線組成，包括1個箱體和2條分別從箱體頂端向上和底端向下的垂直延長線（觸須）。箱體下邊界代表第一四分位數(shù)，上邊界代表第三四分位數(shù)，箱體內(nèi)部的線段代表中位數(shù)，箱體長度代表四分位距;觸須終點為觀測值的臨界點，代表最大或最小觀測值，臨界點之外為異常值。

1.2.2?方差分析?采用多因素方差分析分別對總氮和總磷2個指標(biāo)的空間、土壤類型和季節(jié)差異以及三者之間的交互影響進行了分析。多因素方差分析采用SPSS軟件進行。

2?結(jié)果與分析

2.1?氮含量

2.1.1?空間差異?由表1、圖2可知，近居民區(qū)和遠(yuǎn)居民區(qū)總氮水平存在差異，但兩類均沒有異常值，中位數(shù)分別為1.065、1.052 g/kg，均值分別為1.097、1.180 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.082、0.100 g/kg。表2方差分析結(jié)果顯示，近居民區(qū)和遠(yuǎn)居民區(qū)的總氮含量不存在顯著差異（P=0.65）。這表明居民生活污水或畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮源對周邊農(nóng)田土壤氮含量沒有顯著影響。

2.1.2?水田旱地差異?由表1、圖2可知，水田和旱地總氮水平存在差異，其中水田總氮沒有異常值，而旱地總氮存在3個異常值。旱地總氮存在異常值的原因可能是部分采樣點有過度施肥現(xiàn)象。水田和旱地總氮的中位數(shù)分別為1.244、0.912 g/kg，均值分別為1.244、0.974 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.088、0.076 g/kg。由表2可知，將異常值包含在內(nèi)的方差分析顯示，總氮在水田和旱地之間存在顯著差異（P=0.05），說明水田和旱地氮肥的施肥量和土壤殘留具有明顯差異。將異常值去掉后的方差分析顯示，總氮含量在水田和旱地之間差異更為顯著（P=0.00）。

2.1.3?季節(jié)差異?由表1、圖2可知，夏季和秋季總氮水平存在一定差異，兩類均沒有異常值，中位數(shù)分別為0.912、1.339 g/kg，均值分別為0.985、1.297 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.067、0.099 g/kg。表2方差分析結(jié)果顯示，總氮含量在夏季和秋季存在顯著差異（P=0.00），說明夏季和秋季氮肥的施肥量存在明顯差異。

2.1.4?交互作用?表2方差分析結(jié)果顯示，土壤總氮含量在空間類型和土地類型之間存在顯著的交互作用（P=0.01），但是在空間類型和季節(jié)之間、土地類型和季節(jié)之間交互作用不顯著。

2.2?磷含量

2.2.1?空間差異?由表3、圖3可知，近居民區(qū)和遠(yuǎn)居民區(qū)總磷的含量存在差異，但兩類均沒有異常值，中位數(shù)分別為0.619、0.435 g/kg，均值分別為0.656、0.507 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.055、0.040 g/kg。表4方差分析結(jié)果顯示，總磷含量在近居民區(qū)和遠(yuǎn)居民區(qū)之間存在顯著差異（P=0.00），表明居民生活污水或畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的磷源對周邊農(nóng)田磷含量有顯著影響。

2.2.2?水田旱地差異?由表3、圖3可知，水田和旱地總磷含量存在一定差異，但兩類均沒有異常值，中位數(shù)分別為0.490、0.606 g/kg，均值分別為0.516、0.676 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.033、0.068 g/kg。表4方差分析結(jié)果顯示，總磷含量在水田和旱地之間存在顯著差異（P=0.00）。

2.2.3?季節(jié)差異?由表3、圖3可知，夏季和秋季土壤總磷含量存在差異，其中夏季沒有異常值，而秋季總磷存在1個異常值。夏季和秋季總磷的中位數(shù)分別為0.644、0.431 g/kg，均值分別為0.663、0.491 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.047、0.045 g/kg。由表4可知，將異常值包含在內(nèi)的方差分析顯示，總磷在夏季和秋季之間存在顯著差異（P=0.01）;將異常值去掉后的方差分析顯示，總磷在夏季和秋季之間依然存在顯著差異（P=0.01）。

2.2.4?多因素顯著性結(jié)果?由表4方差分析結(jié)果可知，土壤總磷含量在空間類型和土地類型之間存在顯著的交互作用（P=0.03），但是在空間類型和季節(jié)之間、土地類型和季節(jié)之間交互作用都不顯著。

3?小結(jié)與討論

研究結(jié)果表明，研究地點土壤氮含量平均水平為0.974～1.297 g/kg，其中秋季水田含量相對較高，夏季旱地含量相對較低，氮含量在季節(jié)和水旱作之間存在顯著差異，而在居民區(qū)遠(yuǎn)近之間不存在顯著差異。研究地點土壤磷含量平均水平為0.491～0.676 g/kg，其中夏季旱地近居民區(qū)含量相對較高，而秋季水田遠(yuǎn)居民區(qū)含量相對較低;磷含量在季節(jié)、水旱作和居民區(qū)遠(yuǎn)近之間均存在顯著差異。

由于水田旱地的施肥頻率和強度通常不一樣，作物吸收能力也存在差異，所以氮磷含量在水旱作之間存在差異[14，15]。而影響氮磷含量在季節(jié)之間差異的因素除了施肥強度和作物吸收能力外，還有土壤養(yǎng)分流失的程度，由于不同季節(jié)降雨量不同，土壤氮磷流失在季節(jié)之間存在差異[14，16，17]，必然導(dǎo)致土壤氮磷含量之間的差異。

除了土地類型和季節(jié)因素外，離居民區(qū)的遠(yuǎn)近也有可能影響土壤氮磷含量，因為靠近居民區(qū)的農(nóng)田更有可能受到畜禽糞便和生活污水的影響。本研究結(jié)果顯示，離居民區(qū)遠(yuǎn)近對土壤磷含量影響顯著，對土壤氮含量影響不顯著。由于對畜禽糞便和生活污水中的污染物含量和進入農(nóng)田的機制并不清楚，尚無法解釋這一現(xiàn)象。后續(xù)有必要結(jié)合農(nóng)田灌溉水的氮磷含量分析加以研究，弄清具體原因[15，18]。

土壤氮磷流失是ANPSP的主要來源之一。有研究顯示農(nóng)田土壤氮磷排放有3/4來自土壤本底，1/4來自當(dāng)年施肥，當(dāng)年施肥的氮磷流失率分別為2.2%和0.6%[19]。因此，對ANPSP的影響更多來自多年施肥的累積效應(yīng)而不是當(dāng)年施肥[8]。本研究的結(jié)果有助于對這種累積效應(yīng)進行量化，計算輸出系數(shù)，為進一步估算研究區(qū)域的氮磷面源污染負(fù)荷奠定基礎(chǔ)[15，20]。

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