太滆运河流域不同用地方式下土壤pH值、有机质及氮磷含量特征分析

朱永青,崔云霞,李伟迪,徐 璐,夏梦茹,曹炜琦

(南京师范大学环境学院,江苏 南京 210023)

土壤养分含量及分布主要受自然过程和人类活动两大因素影响[1-3]。土地利用是人类干预土壤最重要、最直接的活动[4],合理的土地利用方式可有效地改善土壤结构,产生经济价值,而不合理的土地利用则会造成土壤板结、土壤侵蚀、生态破坏等问题[5]。因此,了解一个地区不同土地利用方式下的土壤养分状况可以为当地土壤养分管理、合理施肥、面源污染控制等提供科学依据。目前,国内外学者从不同尺度上研究了不同土地利用方式下土壤养分含量变化及分布特征。如SHARMA等[6]对印度喜马拉雅流域研究发现,森林转化为农林地、未开垦荒地等过程中土壤养分及微生物碳含量显著下降；FRANCAVIGLIA等[7]对地中海半干旱地区的研究发现,干草地、橡树牧场、半自然表层的土壤有机质(SOM)、全氮(TN)含量明显高于耕地葡萄园及免耕葡萄园,且各种土地利用方式下全氮与有机质含量均呈正相关关系；MAQUERE等[8]研究发现,土地开发利用使巴西南部热带高原牧草地及人工桉树林土壤表层有机碳含量增加15%～25%；陈春瑜等[9]对滇池流域的研究表明,高强度利用设施及废弃大棚土壤pH值和全氮、全磷(TP)、有机质含量明显异于人为扰动较小的台地及林地。胡尧等[10]、姚喜军等[11]、马群等[12]、高君亮等[13]、张晗等[14]分别对四川岷江流域、内蒙古伊金霍洛旗、山东寿光、阴山北麓、洞庭湖地区不同土地利用方式下农区土壤养分含量特征进行了研究,董悦等[15]对山西晋中土壤养分含量与土地利用类型、海拔之间的相关性进行了探究。总体来看,多数研究集中在大区划、大流域尺度上,针对长三角地区小流域不同土地利用方式下土壤养分含量及分布的研究较少。

太滆运河位于经济发达、人口稠密的太湖流域,是江苏省15条主要入太湖河流之一,总氮、总磷浓度常年达不到国家及地方考核标准,种植业中化肥、农药过量施用是造成该区域水环境质量不达标、水体富营养化的重要原因之一。为此,以典型农业污染区太滆运河小流域为对象,研究不同土地利用方式下土壤pH值及有机质、全氮、全磷养分含量变化特征,同时利用ArcGIS 10.3软件对整个流域4种土壤因子指标进行空间插值研究,以期为该小流域土地利用、施肥管理及水环境质量改善提供合理建议,保障当地经济社会的可持续发展。

1 研究区概况

太滆运河位于江苏省常州市武进区南部,起源于滆湖,流向为由西向东,横穿武进区前黄镇和雪堰镇,与漕桥河相交后汇入太湖,全长22.4 km[16]。研究区属长江下游冲积平原,地势平坦,河网密布,是典型的“江南水乡”,年均日照87 d左右,年平均气温为15 ℃,年降水量在1 000～1 100 mm之间。研究区处于太湖与滆湖之间,成土母质均来自湖泊静水沉积物,土壤类型以水稻土为主,零星分布潮土、黄棕壤土。研究区总面积为115.62 km2,涵盖前黄镇和雪堰镇27个行政村及1个圩区,2017年末户籍总人口约8.3万人,是常州市重要的粮食瓜果生产基地,农用地面积约占总面积的70%,主要农作物有水稻、小麦、油菜、葡萄和桃子等。

2 数据来源与研究方法

2.1 样品采集与测试

于2018年5月对太滆运河流域开展土壤样品采集工作,依据流域总体特征,从土地利用强度对流域的影响程度出发,将研究区土地利用类型分为水田(水稻、小麦、油菜等)、水浇地(大棚西瓜、蚕豆、韭菜等)、果园(葡萄、桃子、李子等)、林地(疏林地、苗圃)、空地5类,分类标准参考GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》[17]。采用网格布点法进行统一布点,其中太滆运河中游两侧为典型农业种植区域,实行加密布点,共布设土壤监测点位120个,水田、水浇地、果园、林地、空地样品数量分别为45、18、25、22、10个,样点分布见图1。每个样点采用 “S”法布点采集5个样品,四分法留取1 kg样品,记录下采样点土地利用情况及经纬度。土壤样品经实验室自然风干,剔除根系、碎石等杂物,研磨过0.149 mm孔径尼龙筛后,制成待测土壤样品。pH值测定方法为用去CO2水将样品溶解并剧烈搅拌后静置30 min,经pH计测定;全氮含量采用半微量开式法测定;全磷含量采用酸溶-钼锑钪比色法测定;有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[18]。

图1 太滆运河流域土壤采样点位分布

2.2 数据处理与评价标准

采用Excel 2007和SPSS 23.0软件对数据进行整理和统计分析。土壤单项养分含量等级依据全国第二次土壤普查养分分级标准判定(表1)。

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准[19]

利用单因素方差中最小显著差异法(LSD)分析不同土地利用方式之间土壤因子含量的差异性。利用Spearman相关系数进行土壤因子之间的相关性分析。土壤pH值及养分空间分布图采用反距离加权插值法(inverse distance weighted,IDW)在ArcGIS 10.3软件中完成。IDW是地统计学的一种空间分析方法,在土壤养分空间分析中被广泛应用[20-22]。IDW主要依据相近相似原理,以插值点与样本点之间的距离为权重进行加权平均,即插值点离样本点越近,权重越大,反之越小[23]。

3 结果与讨论

3.1 土壤因子含量特征

3.1.1土壤pH值

土壤pH值对土壤养分及微量元素的有效性有重要影响[24],因而研究土壤养分含量特征首先需要了解土壤pH值状况。由表2可知,研究区土壤pH值变幅为3.58～8.16,平均值为5.36,说明土壤整体偏酸性(pH值≤5.5)。不同用地方式的土壤pH值存在显著差异,表现为空地>水田>林地>水浇地>果园,这主要与研究区土地施肥和管理方式有关。果园及水浇地pH平均值相对其他3种用地较低,分别为4.98和5.00。其原因有以下几个方面:首先,近年来在经济效益驱动下,太湖流域较多农户将稻田改种蔬菜,复种指数高,无机肥的过量施用导致蔬菜地pH平均值从6.43降至5.40[25];其次,当地农户自留菜地多施用半腐熟的有机肥及粪肥,而葡萄生长期需施加硫酸镁、生理硫酸钾和氯化钾等酸性肥料[26];再次,果园、蔬菜种植多采用设施栽培,覆膜期间土壤不受雨淋,这些因素均加速了研究区水浇地及果园的土壤酸化程度。一般来讲,水田施肥致使土壤pH值低于林地,但笔者研究结论相反,很可能与武进区大力实施秸秆还田政策有关。2017年末,研究区2个乡镇秸秆还田率已达98%,秸秆在分解过程中会氧化有机阴离子而消耗H+,这能够在一定程度上提高土壤pH值[27-28]。

表2 不同用地方式下土壤pH值及养分含量描述性统计分析

3.1.2土壤全氮含量

氮素是作物生长的重要营养元素之一,土壤氮素在土壤肥力中起着相当重要的作用,而土壤全氮含量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标[3]。研究区土壤全氮含量为0.58～3.26 g·kg-1,平均值为1.84 g·kg-1,整体处于二级以上水平,土壤氮素总量充足。不同用地方式下土壤全氮含量差异明显,表现为水田>水浇地>果园>林地>空地。其中,水田、水浇地、果园全氮含量显著高于林地和空地(P<0.05),这与耕作制度、施肥方式及用量等诸多因素有关。为追求农作物产量,水田、水浇地、果园种植中常将氮肥作为基肥广泛使用,这3种用地方式之间土壤全氮含量较为接近。以该地区设施蔬菜地为例,一年三季作物氮投入(以纯N计算)高达900～1 300 kg·hm-2[29],远超当季作物需求,因而这些耕作熟化程度高的农用地表层土壤全氮含量高于林地及空地[14]。水田全氮平均含量最高(2.00 g·kg-1),处于一级水平,这与该地区农户水稻种植中长期投入高量的尿素、碳铵、复合肥等化肥密不可分。

3.1.3土壤有机质含量

土壤有机质不仅代表土壤碳储量,也是土壤养分供应能力和肥力的重要指标之一,在耕地质量、环境保护、气候变化和农业可持续发展方面均有着至关重要的作用[30]。研究区样点土壤有机质含量变幅为15.30～63.80 g·kg-1,平均值为36.35 g·kg-1,处于二级水平,比较丰富。不同用地方式下土壤有机质含量差异明显,与不同用地方式下全氮含量变化基本一致,表现为水田>果园>水浇地>林地>空地,说明土壤有机质含量受人为投入影响很大,其中林地及空地土壤有机质平均含量明显低于其他3种用地方式。研究区水田有机质平均含量最高(40.39 g·kg-1),除受施肥量大及秸秆还田提高耕层有机质含量这2个因素影响外[31],还有以下2个方面的原因:一方面,水田秧苗阶段有一段时间土壤处于淹育条件下,土壤中好养微生物活动降低甚至停止,水田有机质分解相对较慢;另一方面,武进区近年来实施试点休耕政策,在一定程度上缓解了冬季水田土壤中有机质的消耗。方差分析结果显示,林地与水浇地之间有机质含量无显著性差异,但与水田和果园土壤有机质含量之间差异显著(P<0.05),这可能是由于菜地及大棚复种指数高,收获物不断从土壤中移走,致使水浇地有机质含量增幅有限,而研究区林地多为灌木丛及苗圃,每年有枯枝落叶回落,补充了林地土壤中有机质的消耗。

3.1.4土壤全磷含量

土壤磷素是一种沉积性的矿物,多以难溶态存在,磷素的风化、淋溶、富集迁移是多种因素共同作用的结果,对植物的生长代谢产生重要影响[32]。研究区土壤全磷含量变幅为0.04～1.77 g·kg-1,平均值为0.35 g·kg-1,处于五级水平,表明研究区土壤全磷含量整体偏低,补充磷素将对农作物产量提升有很大作用。研究区水田、水浇地、果园、林地、空地土壤全磷平均含量分别为0.37、0.37、0.38、0.30和0.24 g·kg-1,均低于第二次土壤普查时土壤耕层全磷平均含量(0.50 g·kg-1),这与谢文明等[33]对宜兴市的土壤调查结果相似。不同土地利用方式对土壤全磷含量无显著影响,说明不同用地之间磷累积量差异并不明显。以上统计结果很可能与当地施肥习惯及土壤质地有关。一方面,当地农户在化肥选择上有“重氮轻磷”的偏向,偏施、重施单一化肥,N比重过大,N、P、K养分施用比例失调[34];另一方面,化肥施用比例过高导致土壤物理性状变差、土壤板结,加之磷淋洗和流失作用较强,因此很难形成较高含量的磷库。

3.2 土壤因子相关性分析

对土壤因子进行相关性分析(表3)发现,研究区土壤pH值仅与全氮含量呈显著负相关,说明长期施用无机氮肥是造成土壤pH值降低的重要因素,这与AULA等[35]、邹刚华等[36]的研究结果相一致。全氮、有机质、全磷含量两两之间均呈极显著正相关(P<0.01)。全氮与有机质含量之间相关系数达0.858,表明有机质与全氮的积累具有高度同步性,研究区土壤丰富的有机质含量与施加氮肥密不可分。此外,全氮与全磷含量呈极显著正相关(P<0.01),主要是因为农户在施加以氮为主的复合肥时会给土壤补充一定量的磷。

表3 土壤因子之间的相关系数

3.3 土壤因子的变异情况

变异系数能够反映各监测因子的平均变异程度,一般来讲,变异系数<15%为低变异,介于15%～36%之间为中等变异,>36%为高等变异[37]。研究区pH值、全氮含量、有机质含量的变异系数分别17.19%、31.61%和27.92%(表4),均属于中等变异,与刘杏梅等[38]对太湖流域土壤的调查结果相似,说明研究区内pH值、全氮和有机质含量在空间上变异性相对较小。全磷含量为高等变异(84.06%),表明全磷含量分布存在异常区,受自然因素及人为活动影响均较大。

表4 土壤因子的变异系数

土壤是一个巨大的缓冲体,对pH值变化具有一定的自我调节能力,因而研究区不同用地方式土壤pH值的变异系数均较小,处于低变异到中等变异之间。土壤有机质比较活跃,既有外界有机质不断输入,原有有机质也在不断分解和矿化[12],而且氮素大部分以有机形态存在,由此导致不同用地方式下土壤有机质及全氮含量均属于中等变异。除空闲地外,其余用地方式下土壤全磷含量均属于高等变异,依次为水浇地(108.26%)>林地(100.00%)>水田(75.91%)>果园(71.84%)>空地(33.33%),这也反映了磷在土壤分布中的异质性,农用地磷肥施用不均匀、土壤质地不同等均会对全磷分布造成很大影响。

3.4 土壤因子空间分布特征

对太滆运河流域土壤4项指标数据进行反距离加权空间插值,绘制研究区土壤pH值和全氮、有机质、全磷含量空间分布图(图2)。总体来看,太滆运河流域土壤以酸性为主且分布较均匀。全氮及有机质含量的空间分布相似,呈现斑块状特点。上游部分行政村土壤全氮或有机质含量偏低,未达中等水平,但中游及下游土壤全氮、有机质含量均较高,其中漳湟村、新康村、楼村、南宅村的土壤全氮、有机质含量已处于极丰富状态。因此,针对这些全氮含量极高的行政村,应加强水稻、蔬菜、果园种植过程中的土壤施肥及养分管理,防治农业面源污染。

太滆运河流域土壤全磷含量分布呈区域化特征,表现为中下游南侧地区全磷含量高于其他地区,其中全磷达到丰富及以上等级的块区零星分布在谭庄村、杨桥村、新康村、城西村等行政村内。一方面,中下游南侧农业规模化水平较高,合作社及家庭农场在生产过程中比较注重磷肥施用;另一方面,中游南侧为太滆运河与多条河流交汇处,现场调研发现,该片区地势比较低,属于圩田区,土壤黏性较高, 保肥能力较强, 有利于磷素的累积。

4 结论

(1)太滆运河流域土壤以酸性为主,全氮、有机质含量丰富但全磷含量比较缺乏,单项养分因子均值分别达到全国第二次土壤普查养分分级标准中的二级、二级和五级水平。在化肥用量及种类、种植制度、植被覆盖、耕作管理及政策等因素共同作用下,5种用地方式下的pH值、全氮、有机质含量差异明显。土壤pH均值表现为空地>水田>林地>水浇地>果园;全氮含量表现为水田>水浇地>果园>林地>空地;有机质含量表现为水田>果园>水浇地>林地>空地。因磷肥投入不足及土壤磷素淋洗、流失作用,不同用地方式下土壤全磷含量并无明显差异,均处于较低水平。

图2 太滆运河流域土壤pH值及养分空间分布

(2)太滆运河流域土壤pH值与全氮含量呈负相关性,全氮、有机质、全磷含量两两之间呈极显著正相关。适当减少稻田、蔬菜地及果园种植中氮肥投入,增施有机肥,调整种植结构及肥料N、P比例等,对缓解研究区土壤酸化,提高土壤磷素含量和农作物产量等具有重要意义。

(3)太滆运河流域土壤pH值和有机质、全氮、全磷含量受外界干扰较为显著,具有较大的空间变异性。5种用地方式下土壤pH值介于小变异到中等变异之间,全氮及有机质含量均为中等变异,全磷含量除空地外均为高等变异。空间插值结果表明,太滆运河流域大部分地区为酸性土壤,中游及下游土壤全氮、有机质含量明显高于上游地区,全磷含量则为中下游南侧高于其他地区。在太滆运河流域土壤施肥过程中,应注重减少中下游地区无机氮肥的投入,从而降低地表径流氮素流失量,有效缓解农业面源污染,改善区域水环境质量。