朱永青,崔云霞,李偉迪,徐 璐,夏夢茹,曹煒琦

(南京師范大學環(huán)境學院,江蘇 南京 210023)

土壤養(yǎng)分含量及分布主要受自然過程和人類活動兩大因素影響[1-3]。土地利用是人類干預土壤最重要、最直接的活動[4],合理的土地利用方式可有效地改善土壤結(jié)構(gòu),產(chǎn)生經(jīng)濟價值,而不合理的土地利用則會造成土壤板結(jié)、土壤侵蝕、生態(tài)破壞等問題[5]。因此,了解一個地區(qū)不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分狀況可以為當?shù)赝寥鲤B(yǎng)分管理、合理施肥、面源污染控制等提供科學依據(jù)。目前,國內(nèi)外學者從不同尺度上研究了不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量變化及分布特征。如SHARMA等[6]對印度喜馬拉雅流域研究發(fā)現(xiàn),森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)林地、未開墾荒地等過程中土壤養(yǎng)分及微生物碳含量顯著下降；FRANCAVIGLIA等[7]對地中海半干旱地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),干草地、橡樹牧場、半自然表層的土壤有機質(zhì)(SOM)、全氮(TN)含量明顯高于耕地葡萄園及免耕葡萄園,且各種土地利用方式下全氮與有機質(zhì)含量均呈正相關關系；MAQUERE等[8]研究發(fā)現(xiàn),土地開發(fā)利用使巴西南部熱帶高原牧草地及人工桉樹林土壤表層有機碳含量增加15%～25%；陳春瑜等[9]對滇池流域的研究表明,高強度利用設施及廢棄大棚土壤pH值和全氮、全磷(TP)、有機質(zhì)含量明顯異于人為擾動較小的臺地及林地。胡堯等[10]、姚喜軍等[11]、馬群等[12]、高君亮等[13]、張晗等[14]分別對四川岷江流域、內(nèi)蒙古伊金霍洛旗、山東壽光、陰山北麓、洞庭湖地區(qū)不同土地利用方式下農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分含量特征進行了研究,董悅等[15]對山西晉中土壤養(yǎng)分含量與土地利用類型、海拔之間的相關性進行了探究?？傮w來看,多數(shù)研究集中在大區(qū)劃、大流域尺度上,針對長三角地區(qū)小流域不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量及分布的研究較少。

太滆運河位于經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密的太湖流域,是江蘇省15條主要入太湖河流之一,總氮、總磷濃度常年達不到國家及地方考核標準,種植業(yè)中化肥、農(nóng)藥過量施用是造成該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量不達標、水體富營養(yǎng)化的重要原因之一。為此,以典型農(nóng)業(yè)污染區(qū)太滆運河小流域為對象,研究不同土地利用方式下土壤pH值及有機質(zhì)、全氮、全磷養(yǎng)分含量變化特征,同時利用ArcGIS 10.3軟件對整個流域4種土壤因子指標進行空間插值研究,以期為該小流域土地利用、施肥管理及水環(huán)境質(zhì)量改善提供合理建議,保障當?shù)亟?jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

太滆運河位于江蘇省常州市武進區(qū)南部,起源于滆湖,流向為由西向東,橫穿武進區(qū)前黃鎮(zhèn)和雪堰鎮(zhèn),與漕橋河相交后匯入太湖,全長22.4 km[16]。研究區(qū)屬長江下游沖積平原,地勢平坦,河網(wǎng)密布,是典型的“江南水鄉(xiāng)”,年均日照87 d左右,年平均氣溫為15 ℃,年降水量在1 000～1 100 mm之間。研究區(qū)處于太湖與滆湖之間,成土母質(zhì)均來自湖泊靜水沉積物,土壤類型以水稻土為主,零星分布潮土、黃棕壤土。研究區(qū)總面積為115.62 km2,涵蓋前黃鎮(zhèn)和雪堰鎮(zhèn)27個行政村及1個圩區(qū),2017年末戶籍總?cè)丝诩s8.3萬人,是常州市重要的糧食瓜果生產(chǎn)基地,農(nóng)用地面積約占總面積的70%,主要農(nóng)作物有水稻、小麥、油菜、葡萄和桃子等。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 樣品采集與測試

于2018年5月對太滆運河流域開展土壤樣品采集工作,依據(jù)流域總體特征,從土地利用強度對流域的影響程度出發(fā),將研究區(qū)土地利用類型分為水田(水稻、小麥、油菜等)、水澆地(大棚西瓜、蠶豆、韭菜等)、果園(葡萄、桃子、李子等)、林地(疏林地、苗圃)、空地5類,分類標準參考GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》[17]。采用網(wǎng)格布點法進行統(tǒng)一布點,其中太滆運河中游兩側(cè)為典型農(nóng)業(yè)種植區(qū)域,實行加密布點,共布設土壤監(jiān)測點位120個,水田、水澆地、果園、林地、空地樣品數(shù)量分別為45、18、25、22、10個,樣點分布見圖1。每個樣點采用 “S”法布點采集5個樣品,四分法留取1 kg樣品,記錄下采樣點土地利用情況及經(jīng)緯度。土壤樣品經(jīng)實驗室自然風干,剔除根系、碎石等雜物,研磨過0.149 mm孔徑尼龍篩后,制成待測土壤樣品。pH值測定方法為用去CO2水將樣品溶解并劇烈攪拌后靜置30 min,經(jīng)pH計測定;全氮含量采用半微量開式法測定;全磷含量采用酸溶-鉬銻鈧比色法測定;有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定[18]。

圖1 太滆運河流域土壤采樣點位分布

2.2 數(shù)據(jù)處理與評價標準

采用Excel 2007和SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析。土壤單項養(yǎng)分含量等級依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準判定(表1)。

表1 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[19]

利用單因素方差中最小顯著差異法(LSD)分析不同土地利用方式之間土壤因子含量的差異性。利用Spearman相關系數(shù)進行土壤因子之間的相關性分析。土壤pH值及養(yǎng)分空間分布圖采用反距離加權插值法(inverse distance weighted,IDW)在ArcGIS 10.3軟件中完成。IDW是地統(tǒng)計學的一種空間分析方法,在土壤養(yǎng)分空間分析中被廣泛應用[20-22]。IDW主要依據(jù)相近相似原理,以插值點與樣本點之間的距離為權重進行加權平均,即插值點離樣本點越近,權重越大,反之越小[23]。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤因子含量特征

3.1.1土壤pH值

土壤pH值對土壤養(yǎng)分及微量元素的有效性有重要影響[24],因而研究土壤養(yǎng)分含量特征首先需要了解土壤pH值狀況。由表2可知,研究區(qū)土壤pH值變幅為3.58～8.16,平均值為5.36,說明土壤整體偏酸性(pH值≤5.5)。不同用地方式的土壤pH值存在顯著差異,表現(xiàn)為空地>水田>林地>水澆地>果園,這主要與研究區(qū)土地施肥和管理方式有關。果園及水澆地pH平均值相對其他3種用地較低,分別為4.98和5.00。其原因有以下幾個方面:首先,近年來在經(jīng)濟效益驅(qū)動下,太湖流域較多農(nóng)戶將稻田改種蔬菜,復種指數(shù)高,無機肥的過量施用導致蔬菜地pH平均值從6.43降至5.40[25];其次,當?shù)剞r(nóng)戶自留菜地多施用半腐熟的有機肥及糞肥,而葡萄生長期需施加硫酸鎂、生理硫酸鉀和氯化鉀等酸性肥料[26];再次,果園、蔬菜種植多采用設施栽培,覆膜期間土壤不受雨淋,這些因素均加速了研究區(qū)水澆地及果園的土壤酸化程度。一般來講,水田施肥致使土壤pH值低于林地,但筆者研究結(jié)論相反,很可能與武進區(qū)大力實施秸稈還田政策有關。2017年末,研究區(qū)2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)秸稈還田率已達98%,秸稈在分解過程中會氧化有機陰離子而消耗H+,這能夠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值及養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計分析

3.1.2土壤全氮含量

氮素是作物生長的重要營養(yǎng)元素之一,土壤氮素在土壤肥力中起著相當重要的作用,而土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標[3]。研究區(qū)土壤全氮含量為0.58～3.26 g·kg-1,平均值為1.84 g·kg-1,整體處于二級以上水平,土壤氮素總量充足。不同用地方式下土壤全氮含量差異明顯,表現(xiàn)為水田>水澆地>果園>林地>空地。其中,水田、水澆地、果園全氮含量顯著高于林地和空地(P<0.05),這與耕作制度、施肥方式及用量等諸多因素有關。為追求農(nóng)作物產(chǎn)量,水田、水澆地、果園種植中常將氮肥作為基肥廣泛使用,這3種用地方式之間土壤全氮含量較為接近。以該地區(qū)設施蔬菜地為例,一年三季作物氮投入(以純N計算)高達900～1 300 kg·hm-2[29],遠超當季作物需求,因而這些耕作熟化程度高的農(nóng)用地表層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),處于一級水平,這與該地區(qū)農(nóng)戶水稻種植中長期投入高量的尿素、碳銨、復合肥等化肥密不可分。

3.1.3土壤有機質(zhì)含量

土壤有機質(zhì)不僅代表土壤碳儲量,也是土壤養(yǎng)分供應能力和肥力的重要指標之一,在耕地質(zhì)量、環(huán)境保護、氣候變化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面均有著至關重要的作用[30]。研究區(qū)樣點土壤有機質(zhì)含量變幅為15.30～63.80 g·kg-1,平均值為36.35 g·kg-1,處于二級水平,比較豐富。不同用地方式下土壤有機質(zhì)含量差異明顯,與不同用地方式下全氮含量變化基本一致,表現(xiàn)為水田>果園>水澆地>林地>空地,說明土壤有機質(zhì)含量受人為投入影響很大,其中林地及空地土壤有機質(zhì)平均含量明顯低于其他3種用地方式。研究區(qū)水田有機質(zhì)平均含量最高(40.39 g·kg-1),除受施肥量大及秸稈還田提高耕層有機質(zhì)含量這2個因素影響外[31],還有以下2個方面的原因:一方面,水田秧苗階段有一段時間土壤處于淹育條件下,土壤中好養(yǎng)微生物活動降低甚至停止,水田有機質(zhì)分解相對較慢;另一方面,武進區(qū)近年來實施試點休耕政策,在一定程度上緩解了冬季水田土壤中有機質(zhì)的消耗。方差分析結(jié)果顯示,林地與水澆地之間有機質(zhì)含量無顯著性差異,但與水田和果園土壤有機質(zhì)含量之間差異顯著(P<0.05),這可能是由于菜地及大棚復種指數(shù)高,收獲物不斷從土壤中移走,致使水澆地有機質(zhì)含量增幅有限,而研究區(qū)林地多為灌木叢及苗圃,每年有枯枝落葉回落,補充了林地土壤中有機質(zhì)的消耗。

3.1.4土壤全磷含量

土壤磷素是一種沉積性的礦物,多以難溶態(tài)存在,磷素的風化、淋溶、富集遷移是多種因素共同作用的結(jié)果,對植物的生長代謝產(chǎn)生重要影響[32]。研究區(qū)土壤全磷含量變幅為0.04～1.77 g·kg-1,平均值為0.35 g·kg-1,處于五級水平,表明研究區(qū)土壤全磷含量整體偏低,補充磷素將對農(nóng)作物產(chǎn)量提升有很大作用。研究區(qū)水田、水澆地、果園、林地、空地土壤全磷平均含量分別為0.37、0.37、0.38、0.30和0.24 g·kg-1,均低于第二次土壤普查時土壤耕層全磷平均含量(0.50 g·kg-1),這與謝文明等[33]對宜興市的土壤調(diào)查結(jié)果相似。不同土地利用方式對土壤全磷含量無顯著影響,說明不同用地之間磷累積量差異并不明顯。以上統(tǒng)計結(jié)果很可能與當?shù)厥┓柿晳T及土壤質(zhì)地有關。一方面,當?shù)剞r(nóng)戶在化肥選擇上有“重氮輕磷”的偏向,偏施、重施單一化肥,N比重過大,N、P、K養(yǎng)分施用比例失調(diào)[34];另一方面,化肥施用比例過高導致土壤物理性狀變差、土壤板結(jié),加之磷淋洗和流失作用較強,因此很難形成較高含量的磷庫。

3.2 土壤因子相關性分析

對土壤因子進行相關性分析(表3)發(fā)現(xiàn),研究區(qū)土壤pH值僅與全氮含量呈顯著負相關,說明長期施用無機氮肥是造成土壤pH值降低的重要因素,這與AULA等[35]、鄒剛?cè)A等[36]的研究結(jié)果相一致。全氮、有機質(zhì)、全磷含量兩兩之間均呈極顯著正相關(P<0.01)。全氮與有機質(zhì)含量之間相關系數(shù)達0.858,表明有機質(zhì)與全氮的積累具有高度同步性,研究區(qū)土壤豐富的有機質(zhì)含量與施加氮肥密不可分。此外,全氮與全磷含量呈極顯著正相關(P<0.01),主要是因為農(nóng)戶在施加以氮為主的復合肥時會給土壤補充一定量的磷。

表3 土壤因子之間的相關系數(shù)

3.3 土壤因子的變異情況

變異系數(shù)能夠反映各監(jiān)測因子的平均變異程度,一般來講,變異系數(shù)<15%為低變異,介于15%～36%之間為中等變異,>36%為高等變異[37]。研究區(qū)pH值、全氮含量、有機質(zhì)含量的變異系數(shù)分別17.19%、31.61%和27.92%(表4),均屬于中等變異,與劉杏梅等[38]對太湖流域土壤的調(diào)查結(jié)果相似,說明研究區(qū)內(nèi)pH值、全氮和有機質(zhì)含量在空間上變異性相對較小。全磷含量為高等變異(84.06%),表明全磷含量分布存在異常區(qū),受自然因素及人為活動影響均較大。

表4 土壤因子的變異系數(shù)

土壤是一個巨大的緩沖體,對pH值變化具有一定的自我調(diào)節(jié)能力,因而研究區(qū)不同用地方式土壤pH值的變異系數(shù)均較小,處于低變異到中等變異之間。土壤有機質(zhì)比較活躍,既有外界有機質(zhì)不斷輸入,原有有機質(zhì)也在不斷分解和礦化[12],而且氮素大部分以有機形態(tài)存在,由此導致不同用地方式下土壤有機質(zhì)及全氮含量均屬于中等變異。除空閑地外,其余用地方式下土壤全磷含量均屬于高等變異,依次為水澆地(108.26%)>林地(100.00%)>水田(75.91%)>果園(71.84%)>空地(33.33%),這也反映了磷在土壤分布中的異質(zhì)性,農(nóng)用地磷肥施用不均勻、土壤質(zhì)地不同等均會對全磷分布造成很大影響。

3.4 土壤因子空間分布特征

對太滆運河流域土壤4項指標數(shù)據(jù)進行反距離加權空間插值,繪制研究區(qū)土壤pH值和全氮、有機質(zhì)、全磷含量空間分布圖(圖2)?？傮w來看,太滆運河流域土壤以酸性為主且分布較均勻。全氮及有機質(zhì)含量的空間分布相似,呈現(xiàn)斑塊狀特點。上游部分行政村土壤全氮或有機質(zhì)含量偏低,未達中等水平,但中游及下游土壤全氮、有機質(zhì)含量均較高,其中漳湟村、新康村、樓村、南宅村的土壤全氮、有機質(zhì)含量已處于極豐富狀態(tài)。因此,針對這些全氮含量極高的行政村,應加強水稻、蔬菜、果園種植過程中的土壤施肥及養(yǎng)分管理,防治農(nóng)業(yè)面源污染。

太滆運河流域土壤全磷含量分布呈區(qū)域化特征,表現(xiàn)為中下游南側(cè)地區(qū)全磷含量高于其他地區(qū),其中全磷達到豐富及以上等級的塊區(qū)零星分布在譚莊村、楊橋村、新康村、城西村等行政村內(nèi)。一方面,中下游南側(cè)農(nóng)業(yè)規(guī)模化水平較高,合作社及家庭農(nóng)場在生產(chǎn)過程中比較注重磷肥施用;另一方面,中游南側(cè)為太滆運河與多條河流交匯處,現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),該片區(qū)地勢比較低,屬于圩田區(qū),土壤黏性較高, 保肥能力較強, 有利于磷素的累積。

4 結(jié)論

(1)太滆運河流域土壤以酸性為主,全氮、有機質(zhì)含量豐富但全磷含量比較缺乏,單項養(yǎng)分因子均值分別達到全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準中的二級、二級和五級水平。在化肥用量及種類、種植制度、植被覆蓋、耕作管理及政策等因素共同作用下,5種用地方式下的pH值、全氮、有機質(zhì)含量差異明顯。土壤pH均值表現(xiàn)為空地>水田>林地>水澆地>果園;全氮含量表現(xiàn)為水田>水澆地>果園>林地>空地;有機質(zhì)含量表現(xiàn)為水田>果園>水澆地>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無明顯差異,均處于較低水平。

圖2 太滆運河流域土壤pH值及養(yǎng)分空間分布

(2)太滆運河流域土壤pH值與全氮含量呈負相關性,全氮、有機質(zhì)、全磷含量兩兩之間呈極顯著正相關。適當減少稻田、蔬菜地及果園種植中氮肥投入,增施有機肥,調(diào)整種植結(jié)構(gòu)及肥料N、P比例等,對緩解研究區(qū)土壤酸化,提高土壤磷素含量和農(nóng)作物產(chǎn)量等具有重要意義。

(3)太滆運河流域土壤pH值和有機質(zhì)、全氮、全磷含量受外界干擾較為顯著,具有較大的空間變異性。5種用地方式下土壤pH值介于小變異到中等變異之間,全氮及有機質(zhì)含量均為中等變異,全磷含量除空地外均為高等變異?？臻g插值結(jié)果表明,太滆運河流域大部分地區(qū)為酸性土壤,中游及下游土壤全氮、有機質(zhì)含量明顯高于上游地區(qū),全磷含量則為中下游南側(cè)高于其他地區(qū)。在太滆運河流域土壤施肥過程中,應注重減少中下游地區(qū)無機氮肥的投入,從而降低地表徑流氮素流失量,有效緩解農(nóng)業(yè)面源污染,改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量。