农田土壤氮磷含量时空差异分析

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　　摘要：农田氮磷排放是农业面源污染的重要来源之一，其排放潜力可能受到诸多环境因素的影响。为了解农田氮磷排放潜力的影响因素，选点湖北省武汉市新洲区西黄村，利用箱线图和方差分析方法进行研究。结果表明，研究地点土壤氮含量的平均水平为0.974～1.297 g/kg，其中秋季水田含量相对较高，而夏季旱地含量相对较低。土壤磷含量平均水平为0.491～0.676 g/kg，其中夏季旱地近居民区含量相对较高，而秋季水田远居民区含量相对较低。氮含量在季节、水旱作之间存在显著差异，而在居民区远近之间不存在显著差异;磷含量在季节、水旱作和居民区远近之间均存在显著差异。
　　关键词：农田土壤;氮含量;磷含量;时空差异;面源污染
　　中图分类号：S151.9 文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）07-0068-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.015
　　农业面源污染（Agricultural non-point sources pollution，ANPSP）是指在农业生产活动中，氮、磷等营养物质以及农药等其他有害物质通过雨水冲刷、地表径流以及农田灌溉而造成的水环境污染[1]。相对于点源污染而言，ANPSP来源广、迁移复杂，极难准确测定和控制[2，3]，而农田氮磷排放是ANPSP的主要来源[4]。农田土壤氮磷流失可导致水体富营养化，对地表水造成污染[4]。过量的氮还可能渗入地下，导致硝酸盐浓度过高，对地下水造成污染[5]。土壤氮磷流失的监测与控制是ANPSP防控的重要课题之一。
　　过度施肥是导致土壤氮磷流失的主因[5]。在中国，为了获得高产和丰收，农业生产中广泛存在着过量使用化肥的现象[4，6-9]。过度施肥不但造成浪费，而且可能导致土壤养分失调和板结，影响土壤的长期使用。更重要的是，过度施肥容易造成土壤养分流失，影响水体环境。
　　江汉平原位于湖北省中南部，是长江中下游平原的重要组成部分[10，11]。江汉平原具有气候适宜、水源丰富等得天独厚的条件，这些条件对发展农业生产十分有利，因此江汉平原不仅是湖北省而且是全国重要的粮、棉、油生产基地。但另一方面，江汉平原独特的水源和水网条件又为ANPSP创造了便利。因此，江汉平原也是ANPSP的重灾区[12]。
　　近年来，随着农业技术的发展和土地集约化，农业生产中的化肥使用强度和使用方式都在发生变化。这些变化不可避免地对土壤和水体环境造成影响。通过土壤监测了解实际变化情况对ANPSP防控具有现实意义。为此，本研究以位于江汉平原东部的武汉市新洲区为例，通过抽样调查了解土壤氮磷含量水平，为进一步估算农业面源污染状况打下基础。
　　1 材料与方法
　　1.1 土样采集和指标检测
　　1.1.1 采样地点与方法 采樣地点位于湖北省武汉市新洲区西黄村（图1）。采样在夏、秋两季各进行1次，每次采样17份，按照近居民区和远居民区分别采集，在近居民区和远居民区中再分别选取旱地和水田采样。每份土样1 000 g，采样深度为0～10 cm。采集的土样用密封袋密封，带回实验室进行总氮、总磷的测定。
　　1.1.2 指标检测 土壤采回后摊开风干，剔除石块和植物残体，将其研磨后过60号筛（孔径0.25 mm），取0.5～1.0 g（精确到0.001 g）土样，放入150 mL开氏瓶中用重铬酸钾-硫酸消化法测定总氮，再取1 g（精确到0.001 g）土样置于50 mL三角瓶中，用硫酸-高氯酸消煮法测定总磷[13]。
　　1.2 数据分析
　　1.2.1 箱线图 采用箱线图分析了总氮、总磷2个指标观测值的变异情况。其中，箱线图由箱和线组成，包括1个箱体和2条分别从箱体顶端向上和底端向下的垂直延长线（触须）。箱体下边界代表第一四分位数，上边界代表第三四分位数，箱体内部的线段代表中位数，箱体长度代表四分位距;触须终点为观测值的临界点，代表最大或最小观测值，临界点之外为异常值。
　　1.2.2 方差分析 采用多因素方差分析分别对总氮和总磷2个指标的空间、土壤类型和季节差异以及三者之间的交互影响进行了分析。多因素方差分析采用SPSS软件进行。
　　2 结果与分析
　　2.1 氮含量
　　2.1.1 空间差异 由表1、图2可知，近居民区和远居民区总氮水平存在差异，但两类均没有异常值，中位数分别为1.065、1.052 g/kg，均值分别为1.097、1.180 g/kg，标准差分别为0.082、0.100 g/kg。表2方差分析结果显示，近居民区和远居民区的总氮含量不存在显著差异（P=0.65）。这表明居民生活污水或畜禽养殖产生的氮源对周边农田土壤氮含量没有显著影响。
　　2.1.2 水田旱地差异 由表1、图2可知，水田和旱地总氮水平存在差异，其中水田总氮没有异常值，而旱地总氮存在3个异常值。旱地总氮存在异常值的原因可能是部分采样点有过度施肥现象。水田和旱地总氮的中位数分别为1.244、0.912 g/kg，均值分别为1.244、0.974 g/kg，标准差分别为0.088、0.076 g/kg。由表2可知，将异常值包含在内的方差分析显示，总氮在水田和旱地之间存在显著差异（P=0.05），说明水田和旱地氮肥的施肥量和土壤残留具有明显差异。将异常值去掉后的方差分析显示，总氮含量在水田和旱地之间差异更为显著（P=0.00）。
　　2.1.3 季节差异 由表1、图2可知，夏季和秋季总氮水平存在一定差异，两类均没有异常值，中位数分别为0.912、1.339 g/kg，均值分别为0.985、1.297 g/kg，标准差分别为0.067、0.099 g/kg。表2方差分析结果显示，总氮含量在夏季和秋季存在显著差异（P=0.00），说明夏季和秋季氮肥的施肥量存在明显差异。 　　2.1.4 交互作用 表2方差分析结果显示，土壤总氮含量在空间类型和土地类型之间存在显著的交互作用（P=0.01），但是在空间类型和季节之间、土地类型和季节之间交互作用不显著。
　　2.2 磷含量
　　2.2.1 空间差异 由表3、图3可知，近居民区和远居民区总磷的含量存在差异，但两类均没有异常值，中位数分别为0.619、0.435 g/kg，均值分别为0.656、0.507 g/kg，标准差分别为0.055、0.040 g/kg。表4方差分析结果显示，总磷含量在近居民区和远居民区之间存在显著差异（P=0.00），表明居民生活污水或畜禽养殖产生的磷源对周边农田磷含量有显著影响。
　　2.2.2 水田旱地差异 由表3、图3可知，水田和旱地总磷含量存在一定差异，但两类均没有异常值，中位数分别为0.490、0.606 g/kg，均值分别为0.516、0.676 g/kg，标准差分别为0.033、0.068 g/kg。表4方差分析结果显示，总磷含量在水田和旱地之间存在显著差异（P=0.00）。
　　2.2.3 季节差异 由表3、图3可知，夏季和秋季土壤总磷含量存在差异，其中夏季没有异常值，而秋季总磷存在1个异常值。夏季和秋季总磷的中位数分别为0.644、0.431 g/kg，均值分别为0.663、0.491 g/kg，标准差分别为0.047、0.045 g/kg。由表4可知，将异常值包含在内的方差分析显示，总磷在夏季和秋季之间存在显著差异（P=0.01）;将异常值去掉后的方差分析显示，总磷在夏季和秋季之间依然存在显著差异（P=0.01）。
　　2.2.4 多因素显著性结果 由表4方差分析结果可知，土壤总磷含量在空间类型和土地类型之间存在显著的交互作用（P=0.03），但是在空间类型和季节之间、土地类型和季节之间交互作用都不显著。
　　3 小结与讨论
　　研究结果表明，研究地点土壤氮含量平均水平为0.974～1.297 g/kg，其中秋季水田含量相对较高，夏季旱地含量相对较低，氮含量在季节和水旱作之间存在显著差异，而在居民区远近之间不存在显著差异。研究地点土壤磷含量平均水平为0.491～0.676 g/kg，其中夏季旱地近居民区含量相对较高，而秋季水田远居民区含量相对较低;磷含量在季节、水旱作和居民区远近之间均存在显著差异。
　　由于水田旱地的施肥频率和强度通常不一样，作物吸收能力也存在差异，所以氮磷含量在水旱作之间存在差异[14，15]。而影响氮磷含量在季节之间差异的因素除了施肥强度和作物吸收能力外，还有土壤养分流失的程度，由于不同季节降雨量不同，土壤氮磷流失在季节之间存在差异[14，16，17]，必然导致土壤氮磷含量之间的差异。
　　除了土地类型和季节因素外，离居民区的远近也有可能影响土壤氮磷含量，因为靠近居民区的农田更有可能受到畜禽粪便和生活污水的影响。本研究结果显示，离居民区远近对土壤磷含量影响显著，对土壤氮含量影响不显著。由于对畜禽粪便和生活污水中的污染物含量和进入农田的机制并不清楚，尚无法解释这一现象。后续有必要结合农田灌溉水的氮磷含量分析加以研究，弄清具体原因[15，18]。
　　土壤氮磷流失是ANPSP的主要来源之一。有研究显示农田土壤氮磷排放有3/4来自土壤本底，1/4来自当年施肥，当年施肥的氮磷流失率分别为2.2%和0.6%[19]。因此，对ANPSP的影响更多来自多年施肥的累积效应而不是当年施肥[8]。本研究的结果有助于对这种累积效应进行量化，计算输出系数，为进一步估算研究区域的氮磷面源污染负荷奠定基础[15，20]。
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