安徽省全椒县耕地中全氮的空间分布特征研究

肖永红，殷玉忠，魏 路，张文涛

(1.安徽省地质环境监测总站，安徽 合肥 230001；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

氮素是植物生长必需的营养元素,充足的氮素供应是作物获得优质高产的重要保证,合理施用氮肥是当今作物生产中获得较高产量的关键措施。过去几百年,人类活动向全球陆地氮循环中输入了过量的氮,已引起全球氮超载及一系列环境问题[1-2]。因此,揭示土壤中全氮含量和分布特征,对土地资源合理利用、提高氮肥利用率、避免因盲目过量施氮肥造成的农业环境污染具有重要作用。

近年来,关于土壤氮素的分布特征、时空变异特征、影响因素、转化、土壤氮素积累的生态风险评价等,国内外学者开展了诸多研究[3-6]。文献[7]研究了欧洲地区枯枝落叶层和矿质土壤的全氮分布特征；文献[8]认为,土壤全氮主要受土壤类型和土层深度影响,受土地利用方式影响较小；文献[9]以川中丘陵区的仁寿县为研究对象,查明了土壤氮素的空间分布特征及其影响因素,认为土地利用方式是土壤氮素空间变异的主控因素。

全椒县的农业资源丰富,是国家大型商品粮基地,是全国十大绿色农业示范试点县之一,还是南京无公害农产品配送基地。本次以全椒县石沛镇、六镇镇、二郎口镇的主要商品粮基地为研究对象,通过探讨研究区全氮空间分布特征,为作物种植模式调整、土壤中全氮肥力等级评价、合理施肥提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于安徽省东部、滁州市南部,是全椒县石沛镇、六镇镇、二郎口镇的主要商品粮基地,耕地面积约130km2；气候温和,交通便利；地形平坦,整体地势自西北向东南倾斜；主要土壤类型为水稻土、黄棕壤、石灰土；主要成土母质为河流冲积物成土母质、晚更新世黄土成土母质、红色碎屑岩类成土母质、碳酸盐类成土母质。

2 研究方法

(1) 样品采集与测试。参考1∶5万地形图和土地利用图斑图,布设样点,借助北斗+GPS精准定位,误差均小于5m,满足规范要求。共采集农用地土壤样品1 170件,采样密度为4～9点/km2,采样深度0～20cm,由2～3个子样等量混合组成1件样品；垂向剖面样品采集点12处,采集样品60件,采样深度0～200cm。

土壤测试工作由安徽省地质实验研究所承担,采用国家一级标准物质进行质量监控。全氮测定采用凯氏氮容量法,碱解氮测定采用氢氧化钠溶液浸提-容量法,pH值采用pH计测定,有机质测定采用硫酸亚铁铵容量法。各指标的准确度均小于规范设定的限值,准确度合格率均达到100%。

(2)分析方法。采用SPSS进行描述性统计、正态分布K-S检验、相关性分析；采用三角剖分法绘制全氮含量地球化学分布图,利用Geochem Studio软件生成等值线图。累频分级为15级：0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%、100%。

3 结果与分析

(1) 耕地土壤中全氮背景值。经检验发现,全氮不服从正态分布或对数正态分布；逐步剔除平均值加减三倍标准离差的离散数据后,全氮指标仍不服从正态分布或对数正态分布,故以剔除后数据的算术平均值代表土壤背景值。

经计算,耕地土壤中全氮背景值为1 068.0mg/kg,为全国土壤背景值(640mg/kg)的1.67倍(全国背景值来源于《中国东部地壳与岩石化学组分》)。

(2) 耕地土壤中全氮的分布特征及营养分级

①水平方向分布特征。土壤中全氮含量范围为385～2 543mg/kg,算术平均值为1 079.74mg/kg,算术标准差为344.41mg/kg,变异系数为0.319,分布较均匀。高值区主要分布在石沛镇中部、六镇镇北部、二郎口镇南部,低值区主要分布在六镇镇和二郎口镇东部一带(见图1)。

图1 土壤中全氮地球化学分布图

不同土壤类型中, 石灰岩土中全氮含量最高, 为1 209.0mg/kg, 明显高于平均值； 研究区的主要土壤类型水稻土和黄棕壤, 全氮含量分别为1 077.1mg/kg、1 071.9mg/kg,与平均值相当。

②垂直方向分布特征。垂直方向上,随深度增加,土壤全氮含量逐渐减少,埋深超过110cm,全氮含量变化不大；土层0～20cm,全氮含量最高(见图2)。文献[10]认为,植物根系从土壤中吸收的氮主要归还到土壤表层,导致氮素积累在土壤表层；文献[11]认为,剖面上层土壤中有机质含量丰富,其氮素含量也高,下层有机质含量较低,其氮素含量也低。

③营养分级。统计结果显示(见表1),氮素是研究区耕地土壤中相对缺乏的一种养分。全氮等级为一等、二等、三等的样品有609件,占所有样品的52.05%；四等、五等样品有561件,占所有样品的47.95%,需要适当补充氮肥。结合全氮地球化学图,需要补充氮肥地区主要分布在大殷村、太平村、上陶村一带、柴岗村南部、大季村中部等地(见图1)。

全氮/(mg·kg-1)

图2 土壤垂向剖面中全氮含量变化

指标一等(丰富)二等(较丰富)三等(中等)四等(较缺乏)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：全氮等级划分标准来源于规范DZ/T 0295-2016

(3) 耕地土壤中碱解氮含量及营养分级

①碱解氮含量。碱解氮能反映土壤近期氮素的供应情况。土壤中碱解氮含量范围为21.9～263.1mg/kg,算术平均值为98.07mg/kg,算术标准差为34.44mg/kg,变异系数为0.351,分布较均匀。

不同土壤类型中,黄棕壤中碱解氮最高,为101.54mg/kg,稍高于平均值；水稻土和石灰岩土中全碱解氮分别为96.92mg/kg、96.61mg/kg,稍低于平均值。

②营养分级。统计结果显示(见表2),碱解氮等级为一等、二等、三等的样品有666件,占所有样品的56.92%；四等、五等的样品有504件,占所有样品的43.08%,需补充氮肥。

表2 土壤中碱解氮指标等级划分标准

注：碱解氮等级划分标准来源于规范DZ/T 0295-2016

(4)相关性分析

影响土壤中氮素空间分布的因素较多,比如地形条件、土壤类型、成土母质、土地利用方式、施肥情况等[12-13]。本次仅讨论土壤中全氮含量、碱解氮含量、有机质含量、pH之间的相关性。

①耕地土壤中全氮含量相关性分析。通过相关性分析发现,研究区浅层土壤中全氮含量与碱解氮含量、有机质含量均显著相关(P<0.01),相关系数分别为0.745、0.942。

研究区浅层土壤中全氮含量(xTN)与碱解氮含量(yAN)线性相关,且相关性较好(r=0.745),线性方程为：yAN=0.074 5xTN+17.604。通过土壤中的全氮含量,可以预测出碱解氮含量,对于土壤开发利用等具有重要的指导意义(见图3)。

全氮/(mg·kg-1)图3 土壤全氮与碱解氮含量相关性

浅层土壤中全氮含量与有机质含量(yOM)线性相关,且相关性较好(r=0.942),线性方程为：yOM=0.001 6xTN-0.173 6。通过土壤中全氮含量,可以算出有机质的含量,且具有较高的可信度。文献[14]研究表明,有机质是影响土壤氮积累的主要因素(见图4)。

全氮/(mg·kg-1)图4 土壤全氮与有机质含量相关性

②耕地土壤中碱解氮含量相关性分析。通过相关性分析发现,研究区浅层土壤中碱解氮含量与有机质含量、pH均显著相关(P<0.01),相关系数分别为0.769、-0.245。

研究区浅层土壤中碱解氮含量(xAN)与有机质含量(yOM)线性相关,且相关性较好(r=0.769),线性方程为：yOM=0.013 2xAN+0.277 8。通过土壤中有机质的含量,可估算出能直接被作物吸收利用的碱解氮的含量(见图5)。

碱解氮/(mg·kg-1) 图5 土壤碱解氮与有机质含量相关性

③耕地土壤中全氮含量、碱解氮含量、有机质含量相关性分析。通过相关性分析发现,全氮含量、碱解氮含量、有机质含量之间线性相关,且相关性较好(r=0.942)。

4 结论

(1)研究区耕地土壤中全氮背景值为1 068.0mg/kg,为全国土壤背景值的1.67倍,明显高于全国土壤背景值。

(2)统计结果显示,全氮营养分级为四等和五等的样品占47.95%,碱解氮营养分级为四等和五等的样品占43.08%。说明氮素是研究区浅层土壤中比较缺乏的一种养分。

(3)通过绘制浅层土壤全氮含量地球化学分布图,并结合全氮营养分级,查明需要补充氮肥的地区主要分布在大殷村、太平村、上陶村一带、柴岗村南部、大季村中部等地。

(4)垂直方向上,随深度增加,全氮含量逐渐减少,埋深110cm后,全氮含量变化不大；土层0～20cm,全氮含量最高。

(5)通过相关性分析发现,研究区浅层土壤中全氮、碱解氮、有机质之间存在较好的线性关系。全氮含量(xTN)与碱解氮含量(yAN)之间的线性方程为：yAN=0.074 5xTN+17.604(r=0.745)；全氮含量与有机质含量之间的线性方程为：yOM=0.001 6xTN-0.173 6(r=0.942)；碱解氮含量(xAN)与有机质含量(yOM)之间的线性方程为：yOM=0.013 2xAN+0.277 8(r=0.769)。