吉林省农田耕层土壤速效磷、钾养分的时空变化特征

李春林，陈敏旺，王 寅，李玉玺，张星宇，陈利东，焉 莉，冯国忠，高 强

（吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤可持续利用重点实验室，吉林 长春 130118）

磷、钾是重要的养分资源，对农作物的生长、产量及品质均具有重要影响［1］。我国作为磷、钾肥消费大国，每年使用约1 100万t磷肥（P2O5）和600万t钾肥（K2O）［2］。与氮素不同，磷、钾养分主要来自于矿产资源。尽管我国拥有丰富的磷矿石资源，但大多为中低品位磷矿，而按照目前的开采速度，我国已探明的磷矿将在100年左右耗尽［2］。我国钾盐储量仅占全球总储量的2%，是国土资源部定义的8种大宗紧缺矿产之一，尤其是可溶性钾盐资源严重不足［3］。国产钾肥资源主要产自西部盐湖地区，随着盐湖钾的大量开发我国钾肥自给率逐渐提高，但较长时间内仍有一半左右需要进口［4］。养分资源的有限供应与农业生产的巨大需求，是我国目前面临的重大问题［2，5］。而磷矿资源的不可再生性和钾素资源大量依赖进口，要求我国必须提高磷、钾资源的利用效率，尤其是农业生产中磷、钾肥的高效利用。

土壤是支持作物生长发育的主要物质载体与养分介质，明确土壤养分分布状况及变化趋势是进行科学施肥以满足作物养分需求、合理培肥土壤的重要基础［5-6］。Li等［7］研究显示，1980～ 2007年间我国土壤磷素累积量平均达到242kg·hm-2，导致土壤速效磷平均含量由7.4 mg·kg-1大幅增加至24.7 mg·kg-1，增长近3.5倍，增幅较高的地区为东北、华北和华南地区。康日峰等［8］基于长期监测点数据发现，黑土区农田土壤经过10～26年演变，土壤速效磷、钾含量整体均呈上升趋势，增幅分别为90.3%和11.8%，磷素提升更为显著。王伟妮等［9］总结2008年测土配方施肥水田土壤数据发现，湖北省水稻土的速效磷含量相比第二次土壤普查时呈显著上升趋势，速效钾含量则大幅下降。刘建玲等［10］研究表明，1978～2008年间太行山山麓平原地区土壤速效磷大幅提高，平均含量增加17.8 mg·kg-1，速效钾含量总体呈下降趋势，1978～1993年间降低14.5 mg·kg-1而1993～2008年期间增加9.27 mg·kg-1。陈涛等［11］研究表明，黄土高原南麓合阳县耕地土壤速效磷含量在99.9%的区域内增加，而速效钾含量在59.7%的区域减少。以上不同地区、不同尺度上的研究表明，30年来我国农田土壤磷素大量累积，钾素则呈现普遍亏缺。吉林省作为我国主要的产粮大省，实现了粮食连年增产［12］，但农户在作物种植中普遍大量施磷而施钾较少［13］，因此必然会对农田土壤磷、钾养分状况造成影响。为明确吉林省农田耕层土壤磷、钾养分的时空变异特征，本研究整理2005～2013年间吉林省测土配方施肥项目相关数据，分析省域、地区和县域尺度及不同土类农田耕层土壤的速效磷、钾含量，与第二次土壤普查数据对比探讨土壤速效磷、钾养分的变化趋势，为区域农田土壤养分资源管理和作物优化施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与数据来源

如图1所示，吉林省现辖长春市、吉林市、四平市、辽源市、通化市、白山市、白城市、松原市和延边朝鲜族自治州（以下简称延边州）9个地区，共48个县级单位（市辖区、县、县级市）。本研究整理2005～2013年吉林省测土配方施肥项目中在各地区采集的农田耕层基础土壤样品（记为2010s），分析速效磷和速效钾含量，样本数分别为3 880个和3 882个（图1）。速效磷测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定则采用NH4OAc浸提-火焰光度法［14］。省域、地区和县域的基本情况及气候条件、土壤类型等与土壤氮素营养研究一致［15］。其中，本研究涉及的土壤类型主要包括黑土、黑钙土、白浆土、暗棕壤、草甸土、水稻土、风沙土7大类。

图1 吉林省县域图及土壤速效磷、钾样本分布情况

第二次土壤普查数据来自吉林省土壤肥料总站编著的《吉林土壤》［16］，普查时间1979～1982年（记为1980s），数据包括全省及各地区的土壤速效磷、钾含量分级比例数据和不同土类的均值及范围数据。

1.2 数据分析与统计方法

采用拉依达法［17-18］对土壤速效磷、钾含量数据的离群值进行检验和剔除，以提高数据准确性。速效磷、钾数据分别剔除离群值63和15个，有效数据样本分别为3 817和3 867个。为方便与1980s的历史数据进行比较，参照第二次土壤普查分级标准［19］，将2010s的速效磷、钾养分分为I～VI共6级，速效磷含量分别为＜ 4、4～6、6～10、10～20、20～40和＞ 40 mg·kg-1，速效钾含量分别为＜ 30、30～50、50～100、100～150、150～200和 ＞ 200 mg·kg-1。

为提高数据的实用性和指导性，本研究以县域边界作为图斑单元的划分边界，取县域内所有采样点耕层土壤速效磷、钾含量的算术平均值为县域图斑赋值，表征吉林省农田速效磷、钾养分在县域尺度上的空间分布差异（图1）。相似地，不同地区、土类的农田土壤速效磷、钾含量均值为该地区或土类所有土壤样本的算术平均值。根据变异系数（CV）确定农田土壤速效磷、钾含量的离散程度:CV＜10%为弱变异，10%＜CV＜100%为中等变异，CV＞100% 为强变异［20-21］。

采用Excel 2013和SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，用LSD法比较不同地区或土类间土壤速效磷、钾含量在0.05水平上的差异显著性。利用ArcGIS 9.3软件制作地图。

2 结果与分析

2.1 吉林省农田耕层土壤速效磷和速效钾含量的空间变异特征

目前，吉林省农田耕层土壤速效磷含量分布在1.6～ 84.2 mg·kg-1之间，平均为25.4 mg·kg-1，速效钾含量分布在24～299 mg·kg-1之间，平均为123.6 mg·kg-1，均处于较丰富水平（表1）。省域尺度上，土壤速效磷、钾含量的变异系数为51.2%和26.8%，均属中等变异程度。地区和县域尺度上（表1和图2），吉林省农田耕层土壤速效磷和速效钾含量呈明显的空间分异，前者自东向西逐渐下降，而后者自北向南逐渐降低，具有显著的地带性空间变异特征。

表1 吉林省不同地区农田耕层土壤速效磷和速效钾含量的描述性统计（2010s）

吉林省农田耕层土壤速效磷含量在辽源市、白山市和延边州西部地区呈现明显的高值区域，而后两侧的长春市、吉林市、通化市和延边州东部地区为次高值区域，中西部地区的松原市和白城市则相对较低，平均值均在20 mg·kg-1以下（表1和图2）。各地区的土壤速效磷含量均属中等变异程度，其中以长春市最高而吉林市最低。县域尺度上（图2），土壤速效磷以白山地区的靖宇县最高（41.0 mg·kg-1）而白城地区的大安市最低（13.9 mg·kg-1），相差近3倍。大多数县市的土壤速效磷分布在18.0～34.0 mg·kg-1之间，占总数的77.1%，超过34.0 mg·kg-1的6个县市分布在中、东部地区，而低于18.0 mg·kg-1的5个县市全部分布在西部地区。

与磷素营养不同，吉林省农田耕层土壤速效钾含量的高值主要出现在长春市、松原市和吉林市、延边州的局部地区，东南地区的白山市则明显低（表1和图2）。各地区土壤速效钾的变异程度均较低，其中以通化市相对较高而白城市最低。县域尺度上（图2），土壤速效钾则以长春地区的农安县最高（152.4 mg·kg-1）而通化地区的集安市最低（94.7 mg·kg-1）。大多数县市的土壤速效钾分布在110～140 mg·kg-1之间，占总数的75%，4个县市超过140 mg·kg-1，而低于100 mg·kg-1的县市也有4个，全部分布在东部地区。

图2 吉林省不同地区农田耕层土壤速效磷和速效钾的县域分布状况

2.2 吉林省不同地区农田耕层土壤速效磷和速效钾含量的时间变化趋势

表2显示，20世纪80年代吉林省农田耕层土壤速效磷含量主要集中于Ⅱ、Ⅲ级，共占比66.4%。30年后，吉林省速效磷含量低值比例显著减少，而高值比例大幅增加，主要集中于Ⅳ和V级，共占比达到78.3%。可见，全省尺度上农田速效磷含量呈显著提高趋势。与全省总趋势一致，地区尺度上各地市农田土壤速效磷含量全部呈现上升趋势，尤其是中西部地市（白城市、松原市、四平市、长春市和吉林市），其Ⅳ、V级比例均普遍显著增加。

表2 1980s与2010s年间吉林省不同地区农田耕层土壤速效磷含量分级频率的分布变化 （%）

与速效磷表现不同，吉林省农田耕层土壤速效钾含量的分级比例在1980s至2010s的30年间变化较小（表3）。全省尺度上，土壤速效钾V和VI级的比例有所下降而Ⅳ级提高，说明总体略有下降趋势。地区尺度上，不同地市表现出不同的增减趋势，长春市、吉林市、通化市和四平市有所提高，松原市、白城市、辽源市和延边州有所下降，而白山市变化趋势不明显。

表3 1980s与2010s年间吉林省不同地区农田耕层土壤速效钾含量分级频率的分布变化 （%）

2.3 吉林省不同土类农田耕层土壤速效磷和速效钾含量的变异特征

吉林省不同土类的农田耕层土壤速效磷和速效钾含量差异显著（图3）。其中，土壤速效磷含量以白浆土最高，平均为32.5 mg·kg-1（3.3～82.6 mg·kg-1），而后依次为暗棕壤（29.9 mg·kg-1）＞黑土（28.0 mg·kg-1）＞水稻土（25.4 mg·kg-1）＞草甸土（24.8 mg·kg-1）＞风沙土（19.2 mg·kg-1）＞黑钙土（16.6 mg·kg-1）。变异程度上，以黑土速效磷含量的变异系数最高（59.6%）而暗棕壤最低（38.2%）。分布频率上，白浆土、暗棕壤、草甸土、黑土和水稻土的速效磷含量主要分布于21～40 mg·kg-1（V级），占比分别为54.8%、72.1%、58.6%、40.6%和58.1%，而黑钙土和风沙土主要分布在11～21 mg·kg-1（Ⅳ级），占比分别为41.2%和41.8%。

图3 吉林省不同土类农田土壤速效磷和速效钾含量的分布状况

吉林省不同土类农田耕层土壤速效钾含量以黑土最高，平均为138.2 mg·kg-1（34.0～299.0 mg·kg-1），其后依次为草甸土（128.1 mg·kg-1）＞黑钙土（126.6 mg·kg-1）＞暗棕壤（121.3 mg·kg-1）＞白浆土（119.1 mg·kg-1）＞风沙土（117.6 mg·kg-1）＞水稻土（116.5 mg·kg-1）。变异程度上，水稻土速效钾含量变异系数最高（33.6%）而草甸土最低（20.3%）。分布频率上，所有土类速效钾含量的主要分布区间均为100～150 mg·kg-1（Ⅲ级），占比范围在54.6%～80.9%。

2.4 吉林省不同土类农田耕层土壤速效磷和速效钾含量的时间变化趋势

1980s至2010s间，吉林省不同土类农田耕层土壤的速效磷、钾含量均发生了较大变化（图4）。除黑土（-2.6 mg·kg-1）和暗棕壤（-3.1 mg·kg-1）略有下降外，大多数土类的速效磷含量均明显提高，尤其是风沙土、草甸土、黑钙土和白浆土，平均分别增加了17.2、14.8、12.6和12.5 mg·kg-1，变幅分别达到862%、148.4%、314.7%和62.4%。各土类农田耕层土壤速效钾含量的变幅相比速效磷普遍较小。黑土、白浆土和水稻土的变化较小，变幅平均分别为-2.0%、0.9%和3.1%，风沙土、黑钙土增加明显，平均增幅分别为40%和17%，而暗棕壤、草甸土则下降显著，平均降幅分别为27%和12.9%。

图4 1980s与2010s年间吉林省不同土类农田耕层土壤速效磷和速效钾含量均值的时间变化状况

3 讨论与结论

本研究显示，吉林省农田耕层土壤速效磷、钾养分具有明显的地带性空间分异。土壤速效磷含量自东向西逐渐下降，速效钾含量自西北向南逐渐降低。这与我国土壤速效磷东高西低、速效钾北高南低的大趋势是一致的［17-18］，而这种地带性变异主要是由不同区域的自然气候、地形特征、植被状况等所决定的［6，8-9］。吉林省东部长白山区气候冷凉湿润，以森林植被系统为主，农田开垦历史较短，土壤有机质含量丰富。土壤速效磷主要源于有机磷矿化［19］，因此以暗棕壤为代表的东部农田土壤速效磷含量相对较高。中部地区为半湿润平原，雨热适中，是主要的农业种植区，主要土壤类型为黑土、白浆土、水稻土等肥力较高土壤，再加上长期农业生产中补充、添加了大量有机及无机磷源，土壤速效磷含量也相对丰富。西部地区为半干旱平原，降水较少，长期以草原植被为主，土壤有机质及养分含量均偏低，以黑钙土、风沙土为代表的西部农田土壤速效磷含量相对较低。与速效磷相比，吉林省农田土壤速效钾含量总体处于丰富水平，且变异较小。东部地区土壤主要发育于岩石风化物，钾素含量相对较低［22］，而且长白山周边较多的降水可能增加了土壤钾素淋失［23］，因此东南部白山、通化地区土壤速效钾含量相比其他地区偏低。

自1980s至2010s的30年间，吉林省农田土壤速效磷含量显著上升，速效钾含量略有下降，这与我国土壤磷素累积、钾素亏缺的大趋势一致［7，9-11］，而这样的变化趋势主要与人为因素有关［8-9］。吉林省农户普遍重施氮、磷肥而忽视钾肥投入，磷素由于其复杂的化学及生物转化作用而大多被土壤固定，导致磷肥利用效率偏低，土壤磷素大量累积，速效磷含量提高。土壤适量的磷素供应是作物获得高产的重要基础，但过量的磷素累积可能会使磷素随径流、侵蚀或淋溶等途径进入水体而导致富营养化［24-25］，造成环境污染。现代高产作物品种对钾素的需求和吸收较高，而钾肥补充的不足及秸秆资源的不合理利用导致土壤钾素大量消耗，因此中、东部一些地区土壤速效钾含量出现下降。对于西部地区的黑钙土和风沙土，土壤原有速效钾含量较低，农户对钾肥的重视程度和使用率也较高，土壤速效钾也相应提高。

综上所述，吉林省农业生产中长期过量施用磷肥导致农田土壤磷素大量富集，而高产作物品种增加的钾素需求及农户对钾肥施用的忽视造成一些地区土壤钾素消耗而出现亏缺。地区间农田土壤磷、钾不同的空间分布状况及变化趋势，为吉林省区域作物养分管理策略与技术的优化调整提供了重要依据。建议适当下调磷肥用量或改进磷肥品种以减少土壤磷素累积，土壤钾素亏缺地区应合理补充钾肥并积极推广秸秆还田技术，从而优化磷、钾资源的合理投入，实现土壤健康、作物高产与养分高效的目标。