安徽省土壤有效硫現(xiàn)狀及時空分布

錢曉華，楊 平，周學(xué)軍，胡榮根，孫海龍，張兆坤，孫旭進(jìn)

（1 安徽省土壤肥料總站，合肥 230001；2 宣城市土肥站，安徽宣城 242000；3 太湖縣土肥站，安徽太湖 246400；4 宿州市埇橋區(qū)農(nóng)技中心，安徽宿州 234000；5 渦陽縣農(nóng)技中心，安徽渦陽 233600；6 六安市園林綠化管理局，安徽六安 237000）

國內(nèi)外有關(guān)土壤氮、磷、鉀大量元素及其區(qū)域分布的研究比較多，而對中微量元素研究則相對較少。硫是植物必需的營養(yǎng)元素，需求量和磷相當(dāng)，有些作物需硫甚至超過磷[1]。土壤有效硫是作物硫素營養(yǎng)的主要來源，土壤缺硫的地區(qū)有亞洲、大洋洲、非洲、西歐和北美，幾乎遍及世界各地[1–2]。國際上自1960年以來，關(guān)于植物的硫素營養(yǎng)和土壤硫的含量分布、有機(jī)硫的轉(zhuǎn)化、硫的循環(huán)以及土壤、植物中硫的測定等都進(jìn)行了大量的研究。迄今，國外對土壤硫素狀況和硫肥肥效已取得不少研究結(jié)果，澳大利亞、新西蘭、南美和北美以及非洲和亞洲的熱帶地區(qū)均有區(qū)域性有效硫報(bào)道[1,3–4]。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，我國學(xué)者相繼對天津、山東、江蘇、湖南、四川、陜西等地區(qū)的土壤有效硫狀況及硫肥效應(yīng)進(jìn)行了研究[1–2,5]。安徽省的研究亦卓有成效[6]，上世紀(jì)70年代，祁敏在安徽省安慶地區(qū)進(jìn)行了土壤有效硫的調(diào)研；90年代，章力干等對安徽淮北土壤有效硫狀況及其影響因素進(jìn)行了特征性分析[7–8]，胡正義等對安徽省黃潮土、灰潮土、砂姜黑土、黃褐土、黃紅壤和水稻土等土壤耕層的硫形態(tài)組份進(jìn)行了分析[9]，但總體上局限在跨大區(qū)代表性取樣分析，對安徽省大范圍農(nóng)田尺度的土壤硫素狀況和時空變化仍缺乏系統(tǒng)的研究。

綜合國內(nèi)外有關(guān)土壤有效硫研究的大部分文獻(xiàn)，內(nèi)容多集中在作物硫營養(yǎng)肥效和植物缺硫機(jī)理等基礎(chǔ)性研究方面，調(diào)查一般采用土壤大比例尺代表性采樣的方法，缺少廣泛、系統(tǒng)性的農(nóng)田土壤硫素分布現(xiàn)狀調(diào)查和測定數(shù)據(jù)，研究結(jié)論不能客觀反映省域硫元素分布規(guī)律。近年開始的有效硫地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，國內(nèi)外研究結(jié)果基本相似，如陜西、河北土壤有效硫最大相關(guān)距離為30 ～60 km，空間變異具有漸變性。土壤有效硫含量易受人為活動如施肥、耕作的影響，此類變異的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性與相關(guān)性反映出一定區(qū)域局部的定量變化特征[5]。在缺硫指標(biāo)方面，國外確定的土壤缺硫臨界值一般為10 ～12 mg/kg，與國內(nèi)同類研究相比明顯偏低，究其原因主要是國外土壤有效硫評價方法和臨界指標(biāo)研究所用的植物是牧草或燕麥，其吸硫量和干物質(zhì)產(chǎn)量較低[10–11]。自第二次土壤普查后30年間，國內(nèi)仍普遍使用土壤有效硫4級豐缺指標(biāo)，即：極缺(＜ 8 mg/kg)、缺乏 (8 ～16 mg/kg)、潛在性缺乏 (16 ～30 mg/kg) 和充足 (＞ 30 mg/kg)[1,6–7]。從研究與應(yīng)用現(xiàn)狀分析，由于我國農(nóng)作物產(chǎn)量水平的提高及作物肥效試驗(yàn)的擴(kuò)大，該指標(biāo)已難以滿足作物實(shí)際缺硫估計(jì)的要求，尤其在大田生產(chǎn)上指導(dǎo)性不強(qiáng)。

2005年以來，隨著測土配方施肥項(xiàng)目的開展，安徽省先后有95個縣 (市、區(qū)) 完成了有效硫等中微量元素營養(yǎng)的調(diào)查采樣、分析，進(jìn)行了小麥、油菜、水稻等作物多年多點(diǎn)試驗(yàn)66個 (油菜試驗(yàn)25個，水稻試驗(yàn)27個，小麥、玉米、大豆輪作試驗(yàn)計(jì)14個)。根據(jù)田間試驗(yàn)及相關(guān)分析，率先研究并制訂了《硫肥合理施用技術(shù)規(guī)程》(DB34/T2846-2017)，將有效硫豐缺指標(biāo)更新調(diào)整為五級，即：極缺 (＜10.0 mg/kg)、缺乏 (10 ～16 mg/kg)、較缺乏 (16 ～22 mg/kg)、中等 (22 ～34 mg/kg) 和豐富 (＞ 34 mg/kg)[12]。在此基礎(chǔ)上，本文收集整理了測土配方施肥項(xiàng)目10年來獲取的全省土壤有效硫數(shù)據(jù)、試驗(yàn)分析與空間數(shù)據(jù)并組織專家進(jìn)行審核，開展了耕地土壤有效硫豐缺現(xiàn)狀及時空變異研究，旨在研究全省農(nóng)田土壤有效硫豐缺現(xiàn)狀、分布特征和變化規(guī)律，探討不同土壤類型有效硫差異和省域硫養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)，對掌握安徽省耕地硫元素有效供給狀況和推進(jìn)科學(xué)施用硫肥技術(shù)具有十分重要的作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽省位于我國的東南部，地處長江、淮河的中下游，介于東經(jīng) 114°54′ ～119°37′、北緯 29°41′ ～34°38′之間。根據(jù)安徽省第二次土壤普查土壤分類系統(tǒng) (1988年) 劃分，全省共有砂姜黑土、黃褐土、潮土、水稻土等13個土類、34個亞類、218個土種，其中水稻土、潮土、砂姜黑土、黃褐土等4個土類包括耕地土種167個，占土種的72%。

1.2 土壤樣品

2005年以來，在安徽省砂姜黑土、潮土、水稻土等11個土類，按農(nóng)區(qū)耕地每10公頃左右取一個代表性土樣的方法，采集0—20 cm土層土壤樣品，共采集了 (包括90%的耕地類型和少量園地土種)34.5萬個耕層土樣。依照《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范》，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采樣、風(fēng)干、磨碎、過1 mm篩和分析。

1.3 土壤有效硫分析方法

磷酸鹽–乙酸浸提–硫酸鋇比濁法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與制圖

對調(diào)查分析區(qū)域內(nèi)土壤樣品所獲得土壤硫養(yǎng)分狀況數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過3σ準(zhǔn)則處理特異值，即樣本平均值加減三倍標(biāo)準(zhǔn)差，在此區(qū)間以外的數(shù)據(jù)均定為特異值，然后分別用正常最大值和正常最小值代替特異值[13]。特異值識別和處理后的樣本其描述性分析利用Excel軟件進(jìn)行。

由于采樣點(diǎn)過多時隨機(jī)誤差增加，可能降低土壤有效養(yǎng)分空間預(yù)測精度，同時為減輕插值分析計(jì)算量，本研究用ArcGIS10.1的Create Random Points工具對樣本進(jìn)行隨機(jī)處理，全省共生成50374個采樣點(diǎn)進(jìn)行插值分析。在進(jìn)行養(yǎng)分空間克里格 (Kriging)插值前，先進(jìn)行養(yǎng)分的空間趨勢效應(yīng)分析，以反映土壤肥力因子的空間分布特點(diǎn)，為土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值提供準(zhǔn)確的階數(shù)參數(shù)，避免在階數(shù)選擇上造成可能誤差[14–15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地土壤有效硫現(xiàn)狀與空間分布

2.1.1 安徽省土壤有效硫概述 安徽省各年度土壤有效硫統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明 (表1)，全省土壤有效硫含量范圍在0.10 ～101.90 mg/kg之間，平均值為24.99 mg/kg，中位數(shù)為21.00 mg/kg，兩者有一定的偏差，說明平均值受全省有效硫樣本數(shù)據(jù)的極值尤其是最大值的影響較大。由峰度值2.74也表明，全省有效硫含量數(shù)據(jù)分布略呈扁平狀態(tài)，沒有明顯的尖峰；偏度值1.43說明，土壤有效硫含量數(shù)據(jù)為左偏分布，數(shù)據(jù)向極小值方向相對集中，即土壤有效硫的中心趨向分布被較低值影響而使其呈非標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的正態(tài)分布。2005—2014年，多數(shù)年份的土壤有效硫統(tǒng)計(jì)分析總體趨勢與上述分析相似。

表1 安徽省土壤有效硫描述性統(tǒng)計(jì)表Table 1 Descriptive statistics of soil available sulfur in Anhui province

2.1.2 安徽省土壤有效硫豐缺現(xiàn)狀 表2分析表明，本省耕地土壤缺硫明顯。按照本省有效硫五級指標(biāo)和全國第二次土壤普查有效硫指標(biāo)分別統(tǒng)計(jì)分析，全省耕地土壤有效硫含量處于極缺 (＜ 10 mg/kg) 和缺乏 (10 ～16 mg/kg) 水平的分別占總樣本數(shù)的13.76%和20.91%，即有效硫明顯缺乏的樣本數(shù)占全省總樣本數(shù)的34.67%，有效硫處于較缺乏 (16 ～22 mg/kg) 水平的占18.43%。

表2 土壤有效硫分級指標(biāo)及安徽省耕地土壤硫在各級中的比例Table 2 The grades of soil available S contents and the percentages of farmlands in each grade in Anhui Province

2.1.3 安徽省土壤有效硫豐缺地理分布 采用本省有效硫五級分類，制做全省土壤有效硫地理分布圖 (圖1)，得出省域分布規(guī)律如下：缺硫 (＜ 16 mg/kg) 主要集中在淮北平原區(qū)、皖西大別山和長江以南的西部沖積平原及丘陵山區(qū)；在安徽省域的沿淮至長江流域的廣大中部地區(qū)，土壤不缺硫或豐富，其中，沿渦河的譙城、渦陽，沿長江的宿松、望江、池州 (市)，安徽東、中部的天長、來安、全椒、廬江和居巢等區(qū)域土壤有效硫也明顯高于其他地區(qū)；在全省土壤缺硫區(qū)域向硫豐富過渡地帶，土壤多為潛在性缺硫或不缺硫；極缺硫 (＜ 10 mg/kg) 僅出現(xiàn)在缺硫分布區(qū)，且面積相對較小，呈分散狀分布。

圖1 安徽省土壤有效硫分布Fig. 1 Spatial distribution of soil available sulfur in Anhui Province

2.1.4 安徽省硫元素空間分布趨勢 圖2顯示，省域總體缺硫現(xiàn)狀為由東向西遞增、南北向中間趨減，較直觀地反映出安徽省耕地土壤有效硫現(xiàn)狀。缺硫區(qū)域特點(diǎn)呈現(xiàn)趨勢為：由東向西呈直線型，逐漸增加，養(yǎng)分空間克里格 (Kriging) 插值的趨勢效應(yīng)為Ⅰ階；由南向北呈“U”型，為先增加后減少再增加，趨勢效應(yīng)為Ⅱ階。

圖2 土壤有效硫趨勢分析圖Fig. 2 Trend analysis graph of soil available sulfur

2.2 耕地土壤有效硫區(qū)域分布特點(diǎn)

2.2.1 耕地土壤有效硫區(qū)域分布特點(diǎn) 安徽省耕地總面積587.64萬hm2(2015年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù))，土壤缺硫 (＜ 16 mg/kg) 和較缺硫 (16～22 mg/kg) 耕地面積約311.19萬hm2，占全省耕地總面積的53.10%。從各市耕地土壤缺硫和較缺硫比率看，宿州、亳州和阜陽三市缺硫狀況最為嚴(yán)重，都達(dá)到80%。缺硫耕地面積以阜陽市最大，達(dá)51.73萬hm2，其次是亳州市和宿州市，分別為48.70和47.29萬hm2，三市耕地缺硫面積占全省缺硫總面積的47.27%。黃山市、銅陵市土壤缺硫也較為嚴(yán)重，其缺硫面積均超過本地區(qū)耕地面積的60%。其他各市土壤缺硫狀況相對較輕，一般占耕地總面積的20%～50%；馬鞍山和蕪湖兩市土壤缺硫狀況最輕，占本地區(qū)耕地面積不足 25% (表 3)。

2.2.2 耕地土壤有效硫不同農(nóng)區(qū)分布規(guī)律 按安徽省的淮北平原、江淮丘陵、沿江平原、皖西山區(qū)和皖南山區(qū) (簡稱淮北、江淮、沿江、皖西和皖南) 五大農(nóng)區(qū)分別統(tǒng)計(jì)，不同農(nóng)區(qū)土壤有效硫 (表4) 結(jié)果表明，安徽省土壤有效硫平均含量以淮北最低，江淮最高，各農(nóng)區(qū)平均含量依次為：淮北19.46 mg/kg、皖西22.86 mg/kg、皖南24.41 mg/kg、沿江30.13 mg/kg、江淮31.77 mg/kg。土壤有效硫極缺 (＜ 10 mg/kg) 和缺乏 (10～16 mg/kg) 比率，以淮北最多，占樣品總量的46.45%；皖南次之，占38.14%；皖西第三，占30.57%。土壤有效硫較缺乏比率 (16～22 mg/kg)，以皖西最高，占樣品總量的24.67%；其次為淮北，占21.04%；皖南區(qū)略低，占樣品總量的19.43%。土壤有效硫不缺 (22～34 mg/kg) 和豐富 (＞ 34 mg/kg) 比率，沿江占樣品總量的59.43%，江淮高達(dá)66.67%。江淮與沿江地區(qū)土壤有效硫含量較高，應(yīng)與區(qū)域內(nèi)施肥水平較高以及工礦業(yè)排放等因素有密切關(guān)系，工業(yè)密集區(qū)大氣中硫污染程度高，可通過降雨或干沉降輸入土壤[1,15–16]。

2.2.3 不同土類的土壤有效硫變化特點(diǎn) 安徽省砂姜黑土、潮土、水稻土等11個土類 (其中，潮土類按黃潮土、灰潮土亞類分別統(tǒng)計(jì)) 有效硫匯總統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5) 表明，不同土類以棕壤的有效硫平均值最低，為17.60 mg/kg，其次是黃潮土、粗骨土、紅壤、黃壤、紫色土和砂漿黑土，平均值均低于有效硫較缺乏指標(biāo) (22 mg/kg)；其余土類均高于22 mg/kg，其中水稻土有效硫含量最高，為29.04 mg/kg。從缺硫發(fā)生頻率看，棕壤、粗骨土和砂姜黑土最容易出現(xiàn)缺硫，有效硫 ＜ 16 mg/kg的頻率均達(dá)到或超過50%；紫色土、紅壤、黃潮土、灰潮土、黃棕壤和黃壤的缺乏 (＜ 16 mg/kg) 頻率分布處于39.67%～45.28%之間；水稻土、黃褐土缺硫風(fēng)險(xiǎn)最低，有效硫 ＜ 16 mg/kg的頻率分別為24.14%和25.07%，而不缺硫頻率在60%左右。前八類土壤應(yīng)注意選擇含硫化肥和補(bǔ)施硫肥，以提高土壤有效硫含量，降低作物缺硫風(fēng)險(xiǎn)[15–16]。

表3 安徽省各市各級有效硫含量土壤面積及比例Table 3 Area and percentage of soil with available sulfur content in different grades in the cities of Anhui Province

表4 安徽省農(nóng)區(qū)各級有效硫含量土壤在其總面積中的占比Table 4 Percentage of soil in different available sulfur grades in the area of rural regions in Anhui Province

2.3 安徽省土壤有效硫時空變化特點(diǎn)

2.3.1 耕地土壤缺硫區(qū)域變化 1996年，張繼榛等[7]采集安徽省13種母質(zhì)、10個土類的耕層土樣800個，首次對安徽省土壤有效硫含量進(jìn)行了較全面的分析。本研究與當(dāng)時結(jié)論作對比，可以看出省域不同地區(qū)和土壤有效硫含量發(fā)生了變化。1996年，缺硫土壤，淮北 (47.7%) ＞ 皖西 (42.0%) ＞ 沿江 (28.0%) ＞皖南 (17.0%) ＞ 江淮 (15.5%)，而現(xiàn)在缺硫區(qū)域分布為淮北 (46.4%) ＞ 皖南 (38.1%) ＞ 皖西 (30.6%) ＞ 沿江(25.8%) ＞ 江淮 (17.4%)。淮北、皖西和沿江三區(qū)域缺硫比率略降，變化最為明顯的是皖南地區(qū)土壤缺硫狀況明顯趨重，其原因主要是皖南地區(qū)農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)很高，大多在200% 或更高，每年從土壤中消耗有效硫數(shù)量很大，如肥料結(jié)構(gòu)中硫源斷絕，即會發(fā)生作物缺硫[7,16]。

2.3.2 耕地土壤缺硫土類的變化 從表6對比看出，土壤缺硫狀況隨著時間的推移發(fā)生改變。1996年土壤缺硫最為嚴(yán)重的是黃潮土，缺硫土壤頻率高達(dá)62.00%，而本研究最為嚴(yán)重的是棕壤和粗骨土，占56.90%。耕地土壤缺硫土類變化最明顯的是紅壤，其缺硫頻率由4.0%增加到42.4%；其次是砂姜黑土和黃棕壤，從缺硫頻率20% ～30%上升至40%～50%。紅壤和黃棕壤主要分布在皖南和皖西山區(qū)，這與上文所述的全省缺硫區(qū)域變化規(guī)律同步。本研究中，土壤缺硫明顯減輕的土壤類型有黃潮土、黃褐土和灰潮土，尤以黃潮土變化最明顯，缺硫頻率從62.0%降至41.8%，其余頻率多集中在40%～45%，由此可見各類土壤均出現(xiàn)了不同程度的缺硫風(fēng)險(xiǎn)。

表6 1996年和2014主要土壤中有效硫 ＜ 16 mg/kg的面積在該類土中的占比 (%)Table 6 The percentage of area with available soil S ＜ 16 mg/kg in the main soil groups in 1996 and 2014 in Anhui

2.3.3 不同測土?xí)r段土壤有效硫變化 對比分析本項(xiàng)目前5年 (2005—2009年) 與后5年 (2010—2014年)測土數(shù)據(jù)，土壤有效硫變化為：后5年省域土壤有效硫含量平均值為24.91 mg/kg，比前5年25.04 mg/kg下降了0.13 mg/kg，土壤有效硫含量下降達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)。不同農(nóng)區(qū)分析，淮北平原土壤有效硫含量下降最為明顯，由前5年的20.96 mg/kg降到18.98 mg/kg，達(dá)到極顯著水平 (P ＜ 0.01)；而江淮、皖西、沿江地區(qū)后5年土壤有效硫含量平均值分別為32.79、22.53、30.23 mg/kg，較前5年分別增長了0.77、1.36、6.30 mg/kg，增長達(dá)到極顯著水平 (P ＜0.01)；皖南地區(qū)變化不顯著。

按照土壤類型分段分析結(jié)果表明，水稻土有效硫含量平均值由前5年的30.13 mg/kg降低到后5年的29.70 mg/kg (P ＜ 0.01)；砂姜黑土、黃潮土、紫色土有效硫含量平均值分別下降0.37、3.40、9.29 mg/kg(P ＜ 0.01)；灰潮土、紅壤、黃褐土、黃棕壤有效硫含量平均值分別增加了3.14、2.88、1.95、1.62 mg/kg(P ＜ 0.01)。上述研究表明，不同土壤類型有效硫的增加或降低，形成了土壤區(qū)域時空變化，但耕作、施肥和環(huán)境對土壤有效硫變異的貢獻(xiàn)仍有待研究[7,15–16]。

3 結(jié)論

1) 安徽省土壤缺硫狀況較為嚴(yán)重，土壤缺硫 (＜16 mg/kg) 和較缺硫 (16～22 mg/kg) 耕地面積約311.19 × 104hm2，占全省耕地總面積的53.1%。從各市耕地土壤缺硫和較缺硫比率看，宿州、亳州和阜陽三市缺硫狀況最為嚴(yán)重，均達(dá)到80%以上。五大農(nóng)區(qū)以淮北平原缺硫狀況最為嚴(yán)重，缺硫 (＜ 16 mg/kg) 比率占46.4%。

2) 安徽省不同土類以棕壤的有效硫平均值最低，為17.60 mg/kg；其次是砂姜黑土、黃潮土、粗骨土、紅壤、黃壤和紫色土，平均值低于有效硫較缺乏指標(biāo) (22 mg/kg)；水稻土有效硫含量最高，平均值為29.04 mg/kg。

3) 與20年前 (1996年) 相比，土壤有效硫分布狀況發(fā)生較大變化，其中皖南地區(qū)以紅壤為主，土壤缺硫狀況更加嚴(yán)重。砂姜黑土和黃棕壤缺硫頻率和風(fēng)險(xiǎn)增大，而黃潮土、黃褐土和灰潮土缺硫頻率降低。以潮土和水稻土為主的沿江地區(qū)，作物缺硫較20年前呈減輕的趨勢。

4) 安徽省耕地土壤均出現(xiàn)了不同程度的缺硫狀況，對缺硫敏感作物如油菜、小麥等生產(chǎn)有一定程度的影響，其中棕壤、粗骨土和砂姜黑土最容易出現(xiàn)缺硫，紫色土、紅壤、黃潮土、灰潮土、黃棕壤和黃壤的缺乏發(fā)生頻率也比較高。需要加強(qiáng)土壤有效硫定點(diǎn)動態(tài)監(jiān)測，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施用硫肥，降低作物缺硫風(fēng)險(xiǎn)。