西部地区紫色土近30年来土壤肥力与生产力演变趋势分析

王齐齐，徐 虎，马常宝，薛彦东，王传杰，徐明岗，张文菊*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2 农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100081）

紫色土是一种在亚热带和热带气候条件下，由紫色砂页岩风化发育形成的非地带性土壤。我国紫色土分布范围很广，面积约1889 × 104hm2，其中耕地占513 × 104hm2[1]。我国紫色土主要集中分布在四川盆地丘陵区和海拔以下的低山区，其中以四川省面积最大，有311 × 104hm2，占全省总土地面积的四分之一，其他如云南、贵州、浙江、福建、江西、湖南、广东、广西等省区也有零星分布[2]。紫色土根据其碳酸钙的含量划分为酸性紫色土、中性紫色土和石灰性紫色土[3]。但是，紫色土粘土矿物以蒙脱石和水云母为主，有机质含量较低[4]，但潜在肥力较高，特别是钾的含量丰富，是种植经济作物的一种重要土壤类型。紫色土母岩物理风化强烈，土壤固结性差，极易遭冲刷，如果利用不当，易导致水土流失，从而使土壤肥力降低、土层变薄。因此，研究紫色土肥力演变对于紫色土培肥及可持续利用具有重要的意义。

土壤肥力是指土壤为植物生长提供养分、水分及优良环境条件的能力，是土壤各种基本性质的综合表现。而土壤有机质作为土壤肥力的核心，在很大程度上与农业生态系统中的有机碳输入有关。一般认为，有机碳投入的增加会导致土壤有机质含量的升高[5]，进而会增加作物产量和微生物量[6]。但是近年来由于养分管理不当，特别是土壤有机质的管理，往往限制了紫色土农业系统的发展和生产力的提高。研究表明，外源有机物料是维持作物产量和提高土壤肥力的良好的化肥替代物[7-8]。其中，施用有机堆肥或畜禽粪便不仅能增加土壤有机碳含量，还能提高土壤微生物活性，改善土壤理化条件，进而提升作物产量[8]。而农民经常会选择施用农家肥来培肥土壤提高作物产量，因此，研究农民常规施肥管理模式下土壤肥力的变化，对于农田生产力的提升具有现实意义。但是由于土壤本身的复杂性和多变性，只有通过长期持续的定位观测，才能了解土壤性质的动态变化本质。本研究综合分析了全国8个紫色土监测点的数据，揭示近30年来农民长期常规施肥管理模式下，紫色土的肥力随施肥和种植年限的演变特征与趋势。在此基础上，阐明紫色土肥力的主要贡献因子以及影响作物产量的主要限制因子，以期为紫色土的可持续利用提供科学的理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究中分析的8个国家级紫色土长期监测点分布在重庆 (3个监测点位)、四川 (4个监测点位) 和陕西 (1个监测点位)，包含了沙溪庙组泥岩、遂宁组、紫色砂页岩、白垩纪下统砂泥岩等多种母质类型。各监测点处理均设不施肥和常规施肥 (化肥配施有机肥) 2个处理，种植制度以小麦−玉米−薯类轮作模式为主，复种指数较高。监测点基本概况见表1。

表1 监测点基本概况Table 1 General information of monitoring sites

1.2 土壤样品采集与分析

每个监测点设置对照 (不施肥) 和常规施肥 (农民习惯施肥) 两个处理，依照当地农民习惯进行水肥管理等农事活动，并定位记载施肥量、肥料种类、作物产量以及管理措施等信息。其中，紫色土区农民常规施肥的特点为：化肥施用总量多于有机肥，化肥氮所占比例较大，其次是磷肥，但并不注重施用钾肥。每季作物收获后，采集耕层 (0—20 cm) 土壤样品，使用常规方法测定土壤有机质、全氮、碳氮比、有效磷、速效钾、pH等土壤肥力指标数据以及作物产量数据[9]。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel2016整理，运用SPSS22.0进行统计分析，用Duncan法检验平均值差异显著性(P = 0.05)，R语言进行主成分分析，Sigmaplot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分演变特征

全国8个紫色土监测点的整体分析表明，经过29年的常规施肥，紫色土的有机质缓慢升高，但提升趋势并不显著。2011—2016年的平均有机质含量(12.47 g/kg) 比1988—1992年的有机质平均含量(11.79 g/kg) 提高了5.8%，但各个监测阶段的平均含量之间无显著差异。紫色土土壤全氮含量虽有缓慢下降的趋势，但降低趋势并不显著。

图1显示，紫色土有效磷和速效钾含量呈上升趋势。从1993—1998到1999—2004年土壤有效磷平均含量显著升高，提高幅度为209.4%；1999之后的三个监测阶段，有效磷含量也有略微升高，但不显著；最后一个监测阶段 (2011—2016) 的土壤有效磷含量平均值为15.34 mg/kg，比初始监测阶段的平均值 (6.10 mg/kg) 显著提高了151.4%。土壤速效钾含量呈现显著相关的升高趋势，2011—2016年的速效钾的平均含量 (91.93 mg/kg) 比初始监测阶段 (1988—1992 年) 平均含量 (74.70 mg/kg) 高出 17.23 mg/kg，提高了23.1%，但增加未达显著水平。

紫色土区 (5个监测阶段) pH呈现显著下降趋势(图1)，以2005—2010年土壤pH平均值最低(7.41)，但5个监测阶段的pH均值 (7.71、7.61、7.50、7.41、7.47) 差异并不显著。

整体来看，紫色土土壤碳氮比虽呈缓慢增加趋势，2011—2016年平均值为7.82，比监测初期增长了9.0%，变化范围是6.79～7.89，各监测阶段间差异不显著。

2.2 紫色土生产力演变特征

图2显示，经过29年常规施肥，紫色土小麦产量明显下降，前三个监测阶段小麦产量下降明显，产量平均值之间存在显著差异。后三个监测阶段产量无明显变化。2011—2016年小麦平均产量2517.83 kg/hm2，比监测初期 (1988—1992年) 的4140.75 kg/hm2显著降低了39.2%。

图1 紫色土常规施肥下土壤养分含量变化趋势Fig. 1 Trends of soil nutrients content under conventional fertilization in purple soil

甘薯产量各个监测阶段间存在一定的波动，但产量平均值无显著差异。与监测初期 (1988—1992年)相比，2011—2016年甘薯平均产量降低了9.6%。

不同于小麦和甘薯产量，玉米产量呈显著上升趋势。前三个监测阶段玉米平均产量依次为3699、3345.68、4061.98 kg/hm2，差异不显著，但这三个阶段均显著低于2005—1010年 (5251.62 kg/hm2)。后两个监测阶段的玉米平均产量差异不显著。与监测初期 (1988—1992) 相比，2011—2016年玉米平均产量提高了28.8%。

图2 紫色土常规施肥下作物产量变化趋势Fig. 2 Trends of yield of crop under conventional fertilization in purple soil

土壤的地力贡献系数是指不施肥的作物产量与施肥作物产量之比，是反映农田土壤自身生产力和养分供给能力的重要指标。土壤地力贡献系数越大，表明土壤越肥沃，施肥对作物产量提升的效果越弱；而土壤地力贡献系数小，则表明土壤肥沃性差，作物对肥料依赖性强。从图3可以看出，紫色土对小麦、玉米和薯类作物的地力贡献系数与施肥年限呈现显著性正相关关系，其年增加量分别为0.004、0.002和0.008，表明随着施肥和作物种植年限增加，紫色土的地力贡献率呈现增加趋势 (即土壤肥力提升)，且长期施肥下紫色土对薯类作物地力贡献系数的年增加量分别是小麦和玉米的2和4倍。

2.3 紫色土土壤肥力主成分分析和生产力的冗余分析

由图4a可以看出，PC1轴和PC2轴对总方差的贡献率分别为83.82%和14.55%，两者对总方差的贡献率达到了98.37%，因此，利用主成分分析研究紫色土肥力属性的变异情况是可靠的。由分析结果可以看出，紫色土土壤肥力的两个决定因子是土壤有效磷和速效钾，主要障碍因素是较低的土壤全氮和有机质含量。

图3 紫色土常规施肥下作物产量地力贡献系数变化趋势Fig. 3 Trends of contribution coefficient of soil fertility to crop yield under conventional fertilization in purple soil

图4 紫色土肥力主成分分析(a)和生产力冗余分析(b)Fig. 4 Principal component analysis of fertility (a) and redundancy analysis of crop yield (b) in purple soil

RDA1轴和RDA2轴对总方差的贡献率分别为58.95%和37.11%，两者对总方差的贡献率达到了96.06%。由图4b中结果综合来看，影响紫色土整体作物产量的主要环境因子分别为土壤pH值、有效磷、有机质。其中，对小麦产量影响最大的肥力因子为土壤pH；对玉米产量影响最大的肥力因子为土壤有效磷；对甘薯产量影响最大的肥力因子为土壤速效钾。

3 讨论

土壤有机质是土壤肥力的核心，土壤有机质的变化主要取决于有机物质的年矿化量和年输入量。综合29年来养分含量变化趋势来看，在农民习惯施肥管理 (有机肥和化肥) 下，紫色土的有机质含量相对稳定，虽然有缓慢的增加趋势，但是变化并不显著，说明长期的常规施肥能基本维持但并不能明显提升紫色土的肥力，但康日峰等[10]在黑土和赵秀娟等[11]在褐土的研究结果表明，常规施肥能显著增加黑土和褐土的有机质和全氮含量。这可能是由以下原因造成的：一是紫色土大多分布在我国南方地区，年均降雨量大，气温高，土壤微生物活性较强，从而加快了有机质的分解和矿化，不利于有机质的积累；另一方面，在一年三熟的轮作方式下，生产力强，地力消耗比较大；另外紫色土分布区多为坡耕地，紫色土土壤固结性差，在降雨量较大的地区，雨水的冲刷极易造成土壤流失，也不利于有机质的积累。与初始监测阶段 (1988—1992) 相比，紫色土的土壤全氮含量下降了0.03 g/kg，整体下降的趋势并不显著，说明长期常规施肥能基本维持土壤全氮的含量。但是土壤全氮含量存在下降的风险，而这可能是与监测点位的轮作种植制度有关。由表1可以看出，监测点位大多是小麦–玉米–甘薯一年三熟的轮作制度，这三大作物均属高耗氮作物，氮是植物生长的限制性养分[12]，土壤氮是限制作物产量的关键因子[13]，作物生长会带走土壤中大量的氮素。土壤的碳氮比 (C/N) 反映了碳和氮之间的平衡关系[14]，也是衡量二者平衡状况的重要指标，其演变趋势对土壤肥力以及碳、氮循环有着重要的影响。本研究中由于紫色土有机质含量的缓慢升高和全氮含量的缓慢降低，造成了紫色土碳氮比有缓慢升高的趋势，说明紫色土的氮素处于缓慢亏损的状态。因此，应该重视有机物料的投入，以保持土壤碳氮平衡，如大力推广紫色土秸秆还田和有机无机均衡配施等。有研究表明[15]长期秸秆还田与化肥配施，具有明显的培肥增产效应，秸秆还田提高了土壤有机质和全氮含量。

就土壤速效养分而言，土壤有效磷的整体变化表现为稳定、升高、再稳定的趋势。前两个监测阶段土壤有效磷含量较低，有效磷的变化范围是1～14 mg/kg，而从第二个监测阶段 (1993—1998) 到第三个监测阶段 (1999—2004) 土壤有效磷含量出现了显著的升高，之后趋于平稳。其中在最后的监测阶段，土壤速效磷含量达到了15.34 mg/kg，比初始监测阶段的平均值 (6.10 mg/kg) 显著提高了151.42 %。产生这种变化的原因可能是监测初始阶段，土壤有效磷大多是土壤本身提供的，而且磷素移动性差，容易被土壤固定，有研究表明当年施的磷肥到第二年固定率为70 %以上[16]，所以导致初始阶段有效磷含量较低。而由于磷不参与大气循环，随着长期有机肥的施入，磷素不断地富集在土壤中，同时有机酸、有机阴离子等占据部分磷的吸附点位，降低粘土矿物对磷的吸附固定作用；此外，有机质的矿化过程还会释放部分无机磷[17]，从而导致土壤有效磷含量显著升高。王玄德等[18]的研究结果表明，经过10年的长期定位试验，紫色土耕层土壤中全磷和有效磷增加。大量研究表明，长期施肥不仅会改变土壤养分含量还会影响土壤养分形态，从而增加了土壤养分的有效性。施肥可以改变养分的有效性，而有机肥富含碳氮磷等各种营养成分[19]。与初始监测阶段相比，29年的常规施肥提高了紫色土的速效钾含量，但相对于有效磷，速效钾的提升并不显著；同时本研究结果表明长期施肥下紫色土三种作物的地力贡献系数均呈现显著相关的增加趋势，而紫色土对薯类作物地力贡献系数的年增加量是小麦和玉米的2和4倍。产生这种现象的原因可能是以下两个方面：一是经过29年的常规施肥处理，紫色土的肥力得到提升；二是除土壤肥力外，作物品种是影响作物产量的一个关键性因素，近年来，高产作物品种得到大量的推广与使用，近年来农民对高产作物品种的使用也会潜在地提高地力贡献率。在三种作物中，紫色土对于薯类作物的地力贡献更大，这可能是由于紫色土本身含有丰富的钾素矿物，农民并不注重钾肥的施用，而与此同时，甘薯等大量耗钾类作物的生长带走了大量的钾素，所以导致速效钾的增加并不显著。

综合来看，紫色土经过29年长期常规不同施肥pH下降了0.24个单位，这与冯牧野[15]的研究结果相似，其研究结果表明，无论化肥配施还是有机肥配施，中性紫色土都出现了酸化，其原因可能是长期的化学氮肥的投入以及紫色土本身淋溶性较强，从而导致pH的下降。周晓阳等[20]研究发现我国南方地区长期施肥下，化学氮肥用量增加会显著降低土壤pH，造成土壤酸化。同时，本研究的RDA分析结果也表明，pH也是影响紫色土小麦产量的一个关键的肥力因子。紫色土pH呈显著相关的下降趋势，可能是导致小麦产量的下降的主要原因。因此，要合理控制紫色土化学氮肥的用量，防止土壤酸化，在小麦季减少化学氮肥的施用比例，多施用有机肥。

主成分分析法是目前评价土壤肥力的主要方法[21]。由主成分分析结果可以看出，紫色土肥力的主要贡献因子是土壤速效养分 (有效磷和速效钾)，而制约紫色土肥力的因子主要是有机质和全氮的含量，说明在常规施肥条件下，速效养分是紫色土肥力的核心，有效磷和速效钾在紫色土中的含量相对充足，而紫色土的有机质含量和全氮含量较低，限制了紫色土的肥力的维持和发展，同时，紫色土作物产量的RDA分析结果也表明速效养分对紫色土作物产量的贡献，结果显示有效磷是影响玉米产量的主控因子，所以，随着土壤有效磷含量的提升，玉米产量也不断增加。因此，如何提高紫色土有机质的含量是提高紫色土肥力的关键。目前，有大量的研究表明，施用有机肥可以提高土壤有机质含量，有机无机配施效果更加显著[22]。同时也有研究表明，长期平衡施肥可以提高紫色土作物产量和土壤肥力，其中氮磷钾化肥配合秸秆还田是维持紫色土土壤肥力，实现作物高产的最佳培肥方式[23]。而长期不均衡施肥降低了紫色土肥料利用率和肥料的增产效果[24]，高洪军等[25]的研究表明，长期不施肥或偏施化肥玉米产量的稳定性减弱，而有机肥与化肥配施具有明显的增产和稳产效果。因此，紫色土培肥应该注意合理平衡增施有机肥，并注重通过秸秆还田来维持紫色土肥力。

4 结论

在29年农民常规施肥管理模式下，随着种植年限的增加紫色土有机质和全氮含量无显著变化，有效磷和速效钾含量均有不同程度的提高，且土壤氮和土壤pH存在下降的风险。紫色土肥力的主要贡献因子是有效磷和速效钾，障碍因子是较低的土壤全氮和有机质含量。所以紫色土的培肥应该注重合理平衡增施有机肥，并通过秸秆还田来维持紫色土肥力。