桂西北地区土壤氮磷钾有机质分布特征及养分等级评价

王磊 蒙春玲 覃建勋

摘 要：以凤山县为例，研究桂西北地区表层土壤中氮、磷、钾元素含量及有机质含量、pH值的分布情况与地球化学特征，计算单元素养分等级及养分综合等级，综合讨论地质背景、土壤类型、土地利用类型对土壤养分的影响。结果表明研究区土壤样品pH值以强酸性—酸性为主;土壤氮元素比较丰富，有机质相对丰富，磷元素比较缺乏，钾元素相对缺乏;土壤养分地球化学综合等级绝大部分为3等（中等），面积占评价总面积的72.08%。不同地质背景、土壤类型及土地利用类型中，土壤养分呈现明显的差异性：氮元素含量与有机碳含量表现为三叠系>二叠系>石炭系、红壤>其他土壤>水稻土、林地>其他地类>水田>旱地;磷元素含量与pH值各统计值表现为石炭系>二叠系>三叠系、其他土壤>水稻土>红壤;钾元素中石炭系的各统计值普遍高于二叠系、三叠系，其他土壤>红壤>水稻土、林地>旱地>水田。

关键词：土壤;氮磷钾;有机质;养分等级;凤山县

中图分类号：S-3       文献标识码：A

前言

土壤养分是指作物生长过程中从土壤中摄取的所必须的营养元素[1，2]，土壤养分的高低关乎土壤生态系统的平衡[3，4]，氮磷钾及有机质含量是土壤养分水平的重要内容。

凤山县地处广西西北部，是“中国长寿之乡”、国家贫困县、左右江革命老区，是桂西北八山一水一分田典型石山县的代表[5-7]。凤山县于20世纪80年代开展了第2次土壤普查工作，距今接近30a，耕地的质量和数量都发生了很大的变化。各部门及广大科研工作者也陆续开展过土壤相关的研究工作，但侧重点不同，如农业部门注重土壤类型、土壤肥力，国土部门注重土地利用及土地规划，环保部门则关注土壤环境质量，普遍缺乏将地学、农学、环境学等学科有机融合，尤其是从影响土壤元素含量及性质的地质背景因素及地球化學角度对土壤进行综合分析评价。

本文以凤山县土壤样为研究对象，通过研究土壤中氮、磷、钾元素含量及有机质含量、pH值的分布情况与地球化学特征，计算单元素养分等级及养分综合等级，对凤山县土壤养分丰缺状况进行评价，并综合讨论了不同地质背景、土壤类型、土地利用类型对土壤养分的影响，为凤山县土壤研究、土地利用及土壤精准施肥等工作提供依据。

1 材料及方法

1.1 样品采集

于2017年2—4月在广西凤山县境内采集表层土壤样共计774件。主要采集0～20cm耕作层的连续土壤，避开污染及无代表性地区。样品经悬挂自然风干后进行加工，去除植物根茎、碎石等非土物质，使压碎的土样全部通过2mm（-10目）孔径筛，混匀、分装待测。

1.2 样品分析

本研究土壤样品分析测试土壤氮、磷、钾、有机碳、pH值共5项指标。验收合格的样品经混匀，取粗样（≥30g）用酸度计测定pH值;分取土壤试样80g左右样品用无污染行星球磨机粉碎至-200目，测定其他项目。其中，酸碱度采用pH计电极法（ISE），氮元素采用酸碱滴定容量法（VOL），磷、钾元素采用X射线荧光光谱法（XRF），有机碳采用红外碳硫法，分析测试方法及检出限均满足相关要求[8]。

分析测试由中国地质调查局化探样品质量检查组进行质量监控及质量验收，分析结果采用spss19.0、excel2010及地球化学勘查一体化系统（GeoChem Studio）软件进行相关统计、计算、制图。

2 结果与讨论

通过计算，各元素特征值如表1。

对数据频率分布形态进行正态检验，其中钾元素及pH值数据服从正态分布，用算数平均值代表背景值;氮元素、磷元素符合对数正态分布，用几何平均值代表背景值;有机碳元素按照算术平均值加减3倍标准离差进行剔除，经反复剔除后仍不服从正态分布或对数正态分布，用众值代表土壤背景值[11]。

可以看出，各元素（指标）的变异系数相差不大，pH值变异系数为0.09，为均匀分布特征;氮、磷、钾与有机碳变异系数均在0.23～0.41之间，属于相对弱变异，较均匀分布。富集系数0.80～3.60，其中磷元素、钾元素与全国土壤A层背景值接近，氮元素、有机碳则显著大于全国土壤A层背景值。

2.1 土壤pH值地球化学特征

土壤酸碱度是土壤的重要化学性质，直接影响作物的生长和微生物的活动以及土壤的其他性质与肥力状况等[1]。

表层土壤pH值算数平均值5.80，明显低于全国土壤A层背景值（6.7）。跨度变化范围4.64～7.34，其中pH值<5.0（强酸性）的样点数64件，占总样品数的8.40%，绝大多数pH值在5.0～6.5（酸性）范围内，共637件样品，占采样总数的82.30%，pH值在6.5～7.5（中性）范围的样点73件，没有>7.5（碱性—强碱性）的样点。可以看出，研究区表层土壤酸化较严重。

2.2 土壤氮磷钾地球化学特征

表层土壤氮元素含量平均值1756mg/kg，跨度范围668～7853mg/kg，最低值仍明显高于全国土壤A层背景值（640mg/kg），背景值1685mg/kg，富集系数达到2.63，说明研究区土壤氮元素含量相对较丰富。从空间分布上来看，土壤氮元素以中—低值分布为主，高值区仅零星分布在凤城镇西部、乔音乡北部、长洲乡北部—中部—东南部地区;低值区主要分布在砦牙乡大部分范围、乔音乡的中部、凤城镇周边、长洲乡零星分布。

表层土壤磷元素含量平均值481mg/kg，跨度范围200～1883mg/kg，算数平均值、几何平均值（460mg/kg）均略低于全国土壤A层背景值（520mg/kg），富集系数0.88，说明研究区土壤磷元素含量略显缺乏。低值区主要集中分布在砦牙乡大范围、乔音乡的中部、长洲乡中部—西南部地区;高值区主要分布凤城镇周边、凤城镇西部以及长洲乡北部和东南部。

表层土壤钾元素含量平均值1.87%，跨度范围0.43%～3.00%，算数平均值、几何平均值（1.79%）均低于全国土壤A层背景值（2.3%），富集系数0.80，说明研究区土壤钾元素含量较缺乏。空间上分布较为均衡，除了砦牙乡，高值区在各乡镇均有分布，凤城镇分布相对较广泛，乔音乡东部—南部，长洲乡西部、东南部地区也有分布。低值区主要集中在砦牙乡—长洲乡中部一带。

2.3 土壤有机碳地球化学特征

表层土壤有机碳含量平均值1.43%，跨度范围0.46%～8.65%，算数平均值、几何平均值（1.34%）、众值1.26%，明显高于全国土壤A层背景值（0.35%），富集系数达到3.60，说明研究区土壤有机碳含量相对较丰富。空间分布特征与土壤氮元素接近，高值区主要分布在乔音乡北部、长洲乡的西北部—中部—东南部一线;低值区各乡镇均有分布，砦牙乡较为集中。

2.4 土壤养分影响因素分析

地质背景、土壤类型、土地利用类型是影响土壤元素地球化学性质的3个重要因素。

2.4.1 地质背景

地质背景影响着土壤的物质组成、风化及淋溶等，从而影响土壤养分元素的积累和淋失[12]。不同地质背景土壤样养分元素含量特征见表2，研究区内绝大多数样品分布于三叠系地层中，石炭系、二叠系地层分布的样品相对较少。

三叠系主要以中三叠统兰木组（T2l）和百逢组（T2bf）为主，其中兰木组为青灰色厚层含长石钙质细砂岩、粉砂岩、泥岩互层;百逢组为一套厚层块状杂砂岩为主，砂泥岩互层的岩石组合，按岩性组合和沉积旋回可分2段：下段T2bf1和上段T2bf2，其中下段以厚层块状杂砂岩为主，上段以薄层泥岩、泥质砂岩互层为主。

石炭系主要以上二叠统马平组（C2Pm）为主，为灰白色厚层状微晶灰岩、生物碎屑灰岩、生物碎屑泥晶灰岩，局部夹白云质灰岩。

二叠系以茅口组（P2m）为主，为浅色厚层块状亮晶灰岩、生物屑泥晶灰岩、粉泥晶生物屑团粒灰岩，夹白云质灰岩、白云岩，含礈石团块和硅质条带。

氮元素与有机碳特征近似，各统计值基本表现为三叠系>二叠系>石炭系;磷元素与pH值特征近似，所有统计值均表现为石炭系>二叠系>三叠系;钾元素中石炭系的各统计值普遍高于二叠系、三叠系，二叠系、三叠系各样品的钾元素含量水平比较接近。

可以看出，氮元素及有机碳在以碎屑岩为主的三叠系地层发育的土壤高于以碳酸盐岩为主的二叠系、石炭系发育的土壤，原因为黏土矿物可以有效地吸附氮素及有机质，造成细质地母质上发育的土壤比粗质地母质上形成的土壤有机质、单元素含量高[13-16]。磷元素、钾元素化学性质较活泼，在成土过程中易从碳酸盐岩母岩中流失而残留在土壤中形成次生富集。

2.4.2 土壤类型

土壤类型不同，土壤的成土过程和发育类型差异较大，同样影响土壤养分元素的积累和淋失。不同土壤类型土壤样养分元素含量特征见表3，大部分样品土壤类型为红壤、水稻土，剩余少量样品土壤类型为冲积土、黄壤和石灰（岩）土，因样本量較少，合并在其他类型中。其中氮元素与有机碳特征近似，各统计值均表现为红壤>其他>水稻土;磷元素与pH值特征近似，各统计值大体表现为其他>水稻土>红壤;钾元素各统计值中除几何均值外，其他均表现为其他>红壤>水稻土，几何均值表现为红壤>其他>水稻土。

可以看出，水稻土中氮磷钾及有机质含量总体都处于相对较低的水平，主要原因是由于人为活动的影响，淹水环境以及水稻的摄取造成土壤中的养分元素的流失。红壤是南方的主要土壤类型，因其利用形式多样，造成各养分含量水平规律性并不明显。

2.4.3 土地利用类型

土地利用类型主要反映出人类活动对于土壤元素含量的影响，不同的作物种类以及耕作管理措施同样对土壤元素的积累和淋失产生较大影响。不同土地利用类型土壤样养分元素含量特征见表4，50%以上的样品分布于水田，其次为林地、旱地，少量样品土地利用类型为草地、园地及其他利用形式，全部合并在其他类型中。其中氮元素与有机碳特征近似，各统计值大体表现为林地>其他>水田>旱地;磷元素、钾元素特征近似，各统计值大体表现为林地>旱地>水田，其他地类中钾元素含量与水田钾元素含量水平相当，但磷元素则波动较大，无明显规律;pH值各统计值中大体表现为水田>旱地>林地，其他地类中25%百分位数、几何平均值、算术平均值、中值与林地对应统计值接近，75%百分位数则变化较大，与旱地接近。

可以看出，水田、旱地等农用地虽然有人为施肥，但氮磷钾及有机质含量均相对较低，林地则表现为各养分含量较高，原因为耕种活动加速了土壤矿化过程，同时农作物在生长过程中也会吸收养分，秸秆等禁止焚烧又阻断了有机质、矿质元素返回土壤的途径;林地则人为活动相对较少，枯枝落叶等腐败后，有机质及其他养分元素得以迁移至土壤中[17-21]。

2.5 土壤养分等级评价

2.5.1 土壤养分等级评价方法

研究区各地类面积合计308.01km2，其中参与评价的地类总面积为304.41km2（扣除道路、沟渠、水面等共计3.60km2）。

通过计算，研究区土壤氮元素比较丰富，各等级面积为2等>1等>3等>4等>5等，其中1等、2等合计面积占参与评价总面积的88.46%;磷元素比较缺乏，各等级面积为4等>5等>3等>2等>1等，其中4等、5等合计面积占参与评价总面积的89.91%;钾元素相对缺乏，各等级面积为3等>4等>2等>5等>1等，其中3等、4等合计面积占参与评价总面积的91.55%;有机质相对丰富，各等级面积为3等>2等>4等>1等>5等，2等、3等合计面积占参与评价总面积的84.32%。

土壤养分地球化学综合等级结果见图1，其中占比较大为2等（较丰富）—4等（较缺乏），面积304.29km2，占评价总面积的99.96%。

各乡镇行政区不同土壤养分地球化学综合等级面积百分比大小不一，且同一乡镇行政区的不同土地利用类型其土壤养分地球化学综合等级面积百分比亦不一，说明各乡镇行政区土壤养分综合分布极不均衡。

结合地质背景上来看，研究区东北部—中东部地区广泛分布的养分综合等级中4等（较缺乏）与中三叠统百逢组下段地层分布具有较高的吻合度，原因主要为百逢组下段地层岩性为厚层杂砂岩，形成的土壤以二氧化硅等石英砂砾为主，对于氮素、有机质等养分吸附程度比泥岩、砂泥岩等形成的土壤弱，造成土壤养分易流失。

因研究区内绝大部分为灌木林地、有林地，因此土壤养分综合等级中也以灌木林地、有林地占绝大比例面积，各土地利用类型中土壤养分综合3等（中等）仍占大部分比例，其次为4等（较缺乏）。所有地类中仅水田土壤养分综合等级5个等级均有所分布，其他地类缺少1等（丰富）或5等（缺乏）等级，水田中1等（丰富）面积仅0.034km2。

3 结论

氮元素、有机碳背景值高于全国土壤A层背景值，富集系数分别为2.63、3.60;磷元素、钾元素背景值低于全国土壤A层背景值，富集系数分别为0.88、0.80。

研究区表层土壤酸化较严重，样品pH值以强酸性—酸性为主。

氮元素含量与有机碳含量特征近似，各统计值基本表现为三叠系>二叠系>石炭系、红壤>其他>水稻土、林地>其他>水田>旱地，磷元素含量与pH值特征近似，各统计值表现为石炭系>二叠系>三叠系、其他土壤类型>水稻土>红壤。钾元素中石炭系的各统计值普遍高于二叠系、三叠系，除几何均值外，各统计值表现为其他土壤类型>红壤>水稻土。从不同土地利用类型来看，磷元素与钾元素特征近似，各统计值大体表现为林地>旱地>水田，其他地类中钾元素含量与水田钾元素含量水平相当。

从土壤养分单元素地球化学等级来看，研究区土壤氮元素比较丰富，有机质相对丰富，磷元素比较缺乏，钾元素相对缺乏。

研究区土壤养分地球化学综合等级大部分为3等（中等），面积占评价总面积的72.08%;2等（较丰富）、3等（较缺乏）等级其次，分别占评价总面积的13.73%、14.14%，1等（丰富）及5等（缺乏）均为极少数，合计占评价总面积的0.04%。

参考文献

[1] 熊顺贵.基础土壤学[M].北京：中国农业大学出版社，2001.

[2]雷宝佳.农耕区土壤养分空间变异及其影响因素分析[D].西北大学，2014.

[3]张敏.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异研究[D].河南农业大学，2010.

[4]张宏伟.土壤速效氮磷钾空间异质分布及影响因素分析——以黑龙江省中部为例[D].天津工业大学，2015.

[5]张宁飞，许涛，张自于，等.凤山县富硒耕地土壤资源调查与分析[J].现代农业科技，2017（22）：159，161.

[6]杨承伶.广西凤山县石漠化植被恢复模式的生态效应研究[D].广西大学，2013.

[7]韦凤花.对凤山县城实施周边绿化的思考[J].现代农业科技，2013（6）：182，190.

[8]DZ/T0258-2014，多目标区域地球化学调查规范（1：250000）[S].北京：中国标准出版社，2015.

[9]迟清华，嫣明才.应用地球化学元素丰度数据手册[M].北京：地质出版社，2007.

[10]魏复盛，陈静生，吴燕玉.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.

[11]中国地质调查局.土壤地球化学基准值和背景值研究若干要求（内部文件）[Z].2009.

[12]庞夙，李廷轩，王永东，等.土壤速效氮、磷、钾含量空间变异特征及其影响因子[J].植物营养与肥料学报，2009，15（1）：114-120.

[13]张凤荣.土壤地理学[M].北京：中国农业出版社，2002：14-16.

[14]南京农业大学.土壤农化分析[M].北京：农业出版社，1980.

[15]華南农业大学.地质学基础[M].北京：中国农业出版社，2002：14-16.

[16]吴敏，何鹏，韦家少，等.不同母质条件下海南省胶园土壤肥力特性研究[J].安徽农业科学，2008，36（26）：11449-11452.

[17]崔成.文登市土壤有机质和氮磷钾空间分布特征及影响因素分析[D].山东农业大学，2015.

[18] 杨丰.贵州不同土地利用方式对土壤性质的影响[D].贵州大学，2016.

[19]Li R F， Zhao L Y， Zhang H， Zhang T H， Shirato Y. Wind erosion and airborne dust deposition in farmland during spring in the Horqin Land of eastern Inner Mongolia， China[J].Soil & tillage research.2004（75）： 121-130.

[20]Bisal F;Hsich J.Influence of moisture on the erodibility of soil by wind[J].Soil Science，1966（102）：143-146.

[21]海春兴，刘宝元，赵烨，等.土壤湿度和植被盖度对土壤风蚀的影响[J].应用生态学报，2002，13（8）：1057-1058.

[22] DZ/T 0295-2016，土地质量地球化学评价规范[S].北京：地质出版社，2019.