新疆南疆耕地土壤养分含量及其分布特征评价——以阿克苏地区为例

田立文 祁永春 戴 路 崔建平 郭仁松 徐海江 林 涛 张 娜

(1新疆农业科学院经济作物研究所,新疆乌鲁木齐 830091；2新疆阿克苏地区农业技术推广中心,新疆阿克苏 843000；3新疆农业大学农学院,新疆乌鲁木齐 830052)

位于南疆腹地的阿克苏地区,远离海洋,气候干燥,降水稀少,日照时间长且强度大,该地区农区由平原绿洲组成,周边沙漠环绕,绿洲存在明显的盆地聚能效应,具有独特的内陆干旱灌溉特点与典型的新疆南疆自然生态条件,农业生产灌溉用水主要依靠高山雪水。此外,该地区冬季严寒,有相当部分棉区最低气温在-10℃以下,不利病虫越冬繁衍,再加上农区分布在被戈壁沙漠分割的绿洲内,有戈壁沙漠作为天然的隔离屏障,阻碍了病虫害在不同绿洲间蔓延,降低了病虫害连片大面积爆发,因而具有大力发展区域性大农业得天独厚的条件。阿克苏地区常年大面积种植棉花、小麦、玉米等作物[1],是新疆重要的粮棉生产基地,同时大力发展林果业种植,其种植结构在南疆亦具有较强的代表性。

作物生长过程中所需要的水分、营养物质等均是通过土壤进入植株体内,故土壤肥力状况的优劣会严重影响作物的长势、产量乃至品质,通过测定土壤养分可为科学耕种、合理经济施肥提供依据[2]。研究表明,因受自然、人为活动的影响,安徽省芜湖县土壤质量下降、供肥能力退化态势日趋明显[3],通过长期平衡施用化肥、有机无机肥配施以及秸秆还田等措施可有效维持或提高土壤肥力水平[4-5],但长时间过量施用化肥则会因养分在土壤中的盈余污染环境[6],加之近年来在生产中片面夸大肥料增产作用现象普遍存在,导致产投失衡,成本大幅增加,产量和品质增幅较小,甚至下降。

研究表明,土壤肥力水平和肥料的合理施用是影响作物产量能否可持续增长的重要原因[7]。为确保该地区农业持续发展,合理的肥料投入,需要对实时土壤肥力情况进行分析,其中测土配方施肥是关键措施之一。然而,关于新疆南疆土壤养分含量及其分布特征研究尚鲜见报道。此外,由于农田土壤养分含量及其分布特征不仅受自然条件影响,还受人类耕作活动影响,包括人类的物化投入[8-9],因而依据较早期土壤养分含量及其分布特征的研究结论以及小范围的研究报道来指导棉花肥料投入存在片面性。

关于测土配方施肥技术的应用已有大量报道。杨俐苹等[10]以内蒙古海拉尔地区油菜“3414”试验为例,对施肥指标体系进行了研究,并针对该地区建立了施肥标准；吴光辉等[11]对海口美兰区土壤养分进行研究,提出研究区施肥应采取稳氮、补钾和减磷的建议；也有学者针对新疆土壤养分进行了评价分析[12-13]。但由于农业具有显著的区域特性,截至目前,关于土壤微量元素有效态含量,以及将土壤养分与产量相结合的研究鲜见报道。鉴于此,本试验通过在阿克苏全区开展测土配方施肥项目研究,并将其与产量相结合,以期为探明该区耕地土壤养分肥力水平及分布状况,指导当地科学施肥以及进一步完善测土配方技术、扩大其推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

阿克苏地区地处新疆维吾尔自治区(以下简称“新疆”)中部,天山山脉中段南麓、塔里木盆地北缘,地理坐标为 39°30′～42°40′N,78°02′～84°05′E,共辖八县一市,占地总面积13.25万km2,属中温带中纬地带。该区具有显著的大陆性气候特征,日照时间长,全区年总日照达2 800～3 831.35 h,热量资源丰富,年平均气温11～12℃,年太阳总辐射量达6 000 MJ·m-2,无霜期为136～228 d,降水稀少,且年季变化大。研究区分布见图1。

图1 研究区域分布概况Fig.1 Distribution of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 野外调查取样 依照《测土配方施肥技术规范》[14]中的相关要求,在2005-2011年7年间,农业技术推广中心部门在全阿克苏地区的八县一市的84个乡(镇)、1 113个行政村开展农田施肥调查,每年每县(市)调查农户100户以上；对全地区所有耕地面积进行土壤采样调查,共进行土壤采样外野调查41 816户,采集土样54 368个,化验分析 383 044次；每个土样采集点面积为6.7 m2,采用“S”形采样法,取15～20个点合为一个混合样,土样采集时间一般在11月。具体方法:每个采样点取样前先用铁锹铲去表层地膜,然后用取土器垂直向下取出一个20 cm的土样,按上述方法将同一地块所有点的土壤放在一起混合均匀,除去土壤中作物根系、石块、杂草等,再用四分法(把混合土样以正方形平铺在塑料布上,划对角线,弃去对角土壤,余下土壤再混匀)直至留取1 kg土样,将留取土样自然风干后装入土样袋中备用。

1.2.2 土壤质地及土壤养分的测定 土壤质地采用比重计法[15]进行测定,再按照我国土壤质地分类标准[16]对其进行分类。有机质含量的测定采用重铬酸钾法；碱解氮含量的测定采用碱解扩散法；有效磷含量的测定采用碳酸氢钠提取——钼锑抗比色法；速效钾含量的测定采用醋酸铵提取——火焰光度计法；土壤有效微量元素铁、锰、锌、铜的测定采用二乙烯三胺五乙酸(diethylenetriaminepentaacetic acid,DTPA)浸提-原子吸收光谱法[17-18]。

1.2.3 产量 产量数据由阿克苏地区农业局提供。

1.2.4 大量元素有效含量评价指标 土壤养分分级参照全国第二次土壤普查养分分级标准[19],见表1、表2。

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准Table 1 The nutrition classification standard from second national soil survey

表2 全国土壤有效微量元素分级Table 2 Classification of soil available trace elements in China /(mg·kg-1)

参照新疆耕地土壤肥力评级标准[20]对耕地土壤肥力进行评价。其中,高肥级土壤:有机质含量＞15 g·kg-1,全氮量 ＞1.0 g·kg-1,有 效 磷 ＞10 mg·kg-1；中等肥级土壤:有机质含量 10～15 g·kg-1,全氮量 0.7～1.0 g·kg-1,有效磷 5～10 mg·kg-1；低肥级土壤:有机质含量＜10 g·kg-1,全氮量＜0.7 g·kg-1,有效磷＜5 mg·kg-1。

1.3 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2016整理和分析数据；ArcGIS 9.0和Origin 8.5制图。

2 结果与分析

2.1 耕地土壤质地分布特征

由表3可知,2011年阿克苏地区耕地总面积为545.61×103hm2,调查面积为 456.58×103hm2,覆盖全区总耕地面积的83.68%。该区土壤质地主要有砂土、砂壤土、壤土、粉砂质粘壤土和粘土5种类型,其中分布面积最大的为壤土,面积达233.15×103hm2,占调查面积的51.07%,其次为砂壤土,面积为126.51×103hm2,占调查面积的27.71%,而后依次为粘土和粘壤土,面积分别为54.90×103和24.44×103hm2,占调查面积的12.03%和5.35%,养分含量贫瘠的砂土面积最小,为19.15×103hm2,仅占调查面积的4.19%。由于阿克苏地区耕地土壤中绝大部分土质类型为壤土和砂壤土,根据其具土壤质地具有的物理性质可知,二者通气透水能力介于粘土与砂土之间,虽然保肥保水能力较粘土差,但其耕性良好,更适宜耕作,综合判断该区整体土壤质地良好,为中等水平,可为作物生长提供较好的生长基床。

表3 2011年阿克苏地区各县(市)不同质地土壤面积Table 3 Soil classification of Aksu prefecture in 2011 /(×103hm2)

2.2 耕地土壤养分含量及分布特征

2.2.1 土壤大量元素含量 由表4可知,阿克苏地区土壤养分平均含量为有机质13.56 g·kg-1、全氮0.68 g·kg-1、碱解氮 62.30 mg·kg-1、有效磷 13.90 mg·kg-1、速效钾145.00 mg·kg-1,对比新疆本地养分评级标准,并结合全国普查养分分级可知,该地全区土壤养分指标整体表现为中等偏下水平,表现为有机质中等,磷富、钾足、氮缺乏。进一步通过对比各县(市)土壤养分可知,各县(市)间土壤养分含量差异较大,各养分要素含量水平参差不齐,该地区八县一市中,沙雅县土壤有机质、全氮及碱解氮含量分别处于全区较低或最低水平；拜城县有机质含量最高为16.59 g·kg-1,较平均水平高22.35%；乌什县全氮含量最高,较最低水平的沙雅县高出55.36%；阿克苏市的碱解氮含量虽明显高于平均水平,但有效磷含量处全区最低水平,较柯枰县低18.30%,速效钾含量也未达到平均水平,其他县养分含量处于该区中等水平。

表4 阿克苏地区各县(市)土壤大量元素含量Table 4 Macroelement content of soil in Aksu prefecture

2.2.2 土壤微量元素含量 结合全国土壤微量元素分级标准,进一步分析阿克苏地区各县(市)耕地土壤微量元素含量可知(表5),该地区测定土壤微量元素含量整体表现为:有效铜处于极高水平,有效铁及锌含量处于高水平等级,全区土壤有效锰含量相对较低,整体处于中等偏下水平,且有个别县土壤有效锰含量为低等级。各县(市)微量元素含量差异较大,有效铁含量极高的乌什县与属中等水平的库车县相比,前者为后者的近3倍；有效锰含量以阿瓦提县最低,仅为2.11 mg·kg-1,温宿县次之(3.85 mg·kg-1),库车县最高,为9.75 mg·kg-1,其余县市有效锰含量变动幅度在0.30～2.39 mg·kg-1之间；土壤有效铜含量分布高低恰与有效锰含量相反,阿瓦提县最高,达到 6.46 mg·kg-1,库车县最低,仅0.92 mg·kg-1,柯枰县次低水平,为1.57 mg·kg-1,其他县(市)土壤铜含量介于2.01～3.03 mg·kg-1之间；有效锌含量以阿瓦提县、拜城县和阿克苏市三地相对较低,均低于全区平均值,在1.00 mg·kg-1以下,但仍处于中等水平,其他各县土壤锌含量均处高水平范围,最高为乌什县,达1.87 mg·kg-1。

表5 阿克苏地区各县(市)土壤微量元素含量Table 5 Microelement content of soil in Aksu prefecture/(mg·kg-1)

2.2.3 不同等级养分耕地土壤分布特征 由图2可知,阿克苏地区各县(市)调查区耕地中,70.42%的耕地土壤有机质含量在10～20 g·kg-1范围内,有机质含量缺乏(6～10 g·kg-1)区耕地面积占比高达20.54%,极度缺乏区占比3.2%,丰富(30～40 g·kg-1)和极丰富区(＞40 g·kg-1)占比较小,为5.86%,全阿克苏地区,有机质含量极丰富区仅零星分布在温宿县和阿克苏两地,其他各地未见(图2-A)。全区土壤全氮含量相对较为缺乏,且缺乏区(全氮含量在0.5～0.75 mg·kg-1)的耕地面积最大,达到15 576.67 hm2,中等水平耕地面积次之(13 795.33 hm2),极缺乏区耕地面积仍然较大,为26.80%(图2-B)。耕层土壤碱解氮含量则以60～90 mg·kg-1中等偏下水平为主,占47.73%,其次是与之占比相当的缺乏及极缺区域(＜60 mg·kg-1),占耕地面积的45.7%；而含量＞90 mg·kg-1的丰富、极丰富区域较小,仅占耕地总面积的6.75%(图2-C),表明阿克苏地区耕地面积中虽已有近半数土壤供氮能力一般,但也存在部分耕地土壤氮素十分缺乏的现象,当季供应潜力较弱,仍需靠人工施肥补给。以全国土壤普查养分分级为标准,土壤有效磷含量在不同级别间的分配以含量为10～20 mg·kg-1之间的Ⅲ级水平为主(图2-D),占耕地面积的48.4%,较缺、极缺乏区(＜10 mg·kg-1)占耕地面积的32.6%；丰富、较丰富区(＞40 mg·kg-1)占耕地面积的 17.44%,极丰富区(＞40 mg·kg-1)的占耕地面积不足2%,为8 560 hm2,但结合新疆土壤养分肥力评级来判定,阿克苏地区有效磷含量处于高肥力以上(＞10 mg·kg-1)水平区域范围达367 780 hm2,占耕地面积的67.41%,表明目前该地区大部土壤有效磷供给可满足作物需求,已逐渐趋于供求平衡状态。各地区土壤不同等级速效钾含量分布如图2-E所示,该区大部分地区土壤含钾量在100～150 mg·kg-1之间,属中等水平,而＞100 mg·kg-1的中等以上耕地土壤占总面积的79.48%,其中丰富、极丰富区占中等水平以上区域面积比达43.22%；缺乏、极缺乏区占地面积相对较小,为全区耕地面积的21.52%。由调查结果可知,新和县不存在极缺乏区,这可能与当地农民注重钾肥施用的观念较强有关。总之,该区内耕地土壤含钾量中等,除少数地区需要进行适当补充外,大部地区土壤供钾能力尚可。

2.3 耕地土壤养分含量演变特征

将2011年阿克苏地区耕地土壤养分含量与第二次土地普查(1982年)时期相比可知(表6),经过29年的土壤耕作生产,与1982年相比,2011年该地区各县(市)有机质含量有升有降,但平均有机质含量变化不大,几乎仍与当年持平,仅相差0.04 g·kg-1；各区域碱解氮、有效磷含量较第二次土地普查结果均有大幅度提高,各地平均值分别较 1982年高 74.56%和385.86%,其中土壤有效磷增长了近4倍,以平均每年增长0.39 mg·kg-1的速度攀升；各调查区土壤速效钾含量普遍呈减少趋势,从1982年极丰富状态降至当前的中等水平状态(148 mg·kg-1),以年均2.20 mg·kg-1的速度逐年降低,平均含量较1982年降低30.04%。综上调查结果,可能是由于农民在种植生产过程中对有机肥的态度与29年前基本无异,仍保持当年的施用习惯；而对氮、磷肥的施用力度却明显提升,从而导致土壤供氮、供磷能力大幅增加；同时,也许是受到第二次土壤普查结果的影响,认为土壤中不缺乏钾素,因此农民在生产过程中不施钾肥或少施钾肥导致土壤含钾量大幅降低。

2.4 产量变化特征

图2 耕地土壤有机质(A)、全氮(B)、碱解氮(C)、有效磷(D)、速效钾(E)不同等级划分面积分布比较Fig.2 Comparison of area distribution based on the different grading of organic matter(A),total nitrogen(B),available nitrogen(C),available phosphorus(D)and available potassium(E)content in cultivated soil

由表7可知,随着测土配方施肥技术的推进,该区各县(市)玉米、小麦和棉花三大主要农作物产量虽在年际间有微幅波动,但总体呈现增加趋势,其平均增幅分别为0.23%、1.26%和1.34%。由于各县(市)耕地土壤养分含量不尽相同,故其产量水平高低不一,各县(市)中,沙雅县的玉米和小麦产量均位居第一,3年平均产量分别为7 447.38和6 817.95 kg·hm-2,较玉米、

小麦单产最低的乌什县和柯枰县同比高出43.09%和13.03%,其棉花产量也处该区中等,居于第四位,这可能与该地区耕地土壤养分含量较高有关；而土壤有机质及氮含量较高的阿克苏市,棉花产量居于首位,较棉产量最低的柯坪县高34.44%,3年平均玉米产量仅低于沙雅(547.07 kg·hm-2),位居第二,小麦产量略高于全区平均水平(116.27 kg·hm-2)；其他各县作物产量以温宿县相对较高,阿瓦提县、新和县次之,库车县、拜城县较低,乌什县及柯枰县作物产量表现最低。进一步利用等权重求和法综合比较3种作物产量并结合上述养分含量特征(表4)可知,养分等级的高低与产量的优劣具有一定的一致性,但也有例外,如沙雅县和阿瓦提,这2个县养分含量不及温宿、拜城县,但其在全阿克苏地区的产量排名高于温宿、拜城县。

表6 阿克苏地区各县(市)耕层土壤养分含量变化特征Table 6 The variation of the soil nutrient content of plough layer in Aksu prefecture

表7 不同年份阿克苏地区各县(市)主要农作物产量Table 7 Yield of main crop in different counties of Aksu prefecture in different years /(kg·hm-2)

3 讨论

土壤质地类型与其耕性的好坏,保水、保肥能力的强弱关系密切。研究表明,土壤水分的入渗速度及能力均随质地的由轻变重逐渐递减[21],且土壤中硝态氮的积累、分布、运移及地下水氮污染同样与土壤质地有关[22]。本研究中,阿克苏地区耕地一半以上的土壤质地类型为壤土,且同时存在砂壤土、粘土、粘壤土及砂土,但分布面积相对较小,可以认为全区大部分土壤的物理特性普遍处于一般水平,土壤耕性较好,但同时也应当重视土壤水、肥特性较差耕层土壤的质地改良工作,如占阿克苏全区粘土面积72.33%的阿瓦提县,其耕地面积的48.43%为粘质土壤；又如沙雅县,其砂土面积占耕地面积的12.70%,占全区砂土总面积54.67%。因此,应侧重致力于相应土壤质地的改良工作,以建立更适宜于作物生长的苗床,达到增收增效的目的。

作为土壤物理特性的良好改良剂,土壤有机质已成为衡量土壤养分含量的重要指标之一,土壤的保水、保肥特性以及其对酸碱的缓冲作用均在一定程度上受到有机质的影响[8]。一般情况下,土壤有机质含量越高,土壤的物理性能就相对越理想,供肥潜力亦愈高。本研究中,阿克苏地区土壤有机质含量平均为13.56 g·kg-1,整体为中等水平,各县(市)有机质含量差异较大,全区内拜城县土壤有机质含量最高,达到16.59 g·kg-1,柯枰县和沙雅县偏低,均低于11 g·kg-1,建议该区域在以后的农业生产过程中注重有机肥的投入,不仅可以达到提高土壤有机质含量的目的,而且有助于土壤结构的形成以及增强土壤结构的稳定性[23]。

化肥对于提高作物产量具有不可替代的作用,据报道,肥料对粮食生产的贡献率达到40%左右[24],也表明作物生长所需多半养分仍依赖于土壤的提供。本研究结果表明,阿克苏地区为南疆的核心区域,该地区平均全氮含量为0.68 g·kg-1,碱解氮含量62.3 mg·kg-1,均属中等偏下水平,且缺乏、极缺乏耕地面积均占较大比例,其中全氮缺乏及以下等级占比高达53.08%,碱解氮占比47.73%；平均有效磷含量13.9 mg·kg-1,速效钾含量145 mg·kg-1,表现为土壤磷、钾素含量相对富足,氮素严重缺乏。因此,建议该地区在农业生产中应适当控制磷、钾肥的施用,可根据地力少施甚至不施,但对于是否应急于补充施用氮肥仍有待进一步商榷,这是因为从当地生产实际情况角度考虑,农业生产中农民喜好偏重氮肥的施用,理论上这与土壤中氮素表现为严重缺乏状态相悖,若为氮素流失导致,应提高重视并加以解决才能真正实现节本增效。

土壤微量元素是土壤质量的重要表征因子之一。研究表明,土壤中微量元素含量和有效性不仅受成土母质及成土过程影响,还与耕作制度、施肥种类等人为活动有关[25]。朱静等[26]研究发现,土壤利用和管理措施的变化改变了土壤性质,导致土壤铜、铁、锰、锌有效态含量总体上升；李海峰等[27]研究证实,大量农家肥和化肥的施用可明显增加农田土壤有效态微量元素含量,农用地膜残留也会使表层土壤微量元素含量呈现增加的趋势；此外,设施农业土壤中重金属含量的增加累积也与有机肥、化肥的投入不当有关[28]。本研究中,经过测土配方技术的应用实施,新疆南疆阿克苏地区耕地土壤中微量元素Fe、Zn、Cu有效态均处于富足状态,Mn含量相对较少,整体处中等偏下水平,且个别县处缺乏状态,这与杨涛等[29]的研究结果不同,一方面可能是由于研究取样地点、取样范围及种植作物不尽相同所致；另一方面,可能与当地农业生产中普遍使用微咸水灌溉有关,因为新疆南疆农民种植过程中较少或基本不施用微量元素肥料,特别是土壤中含量低的微量元素通过施肥补充少,长期以来该地区用于灌溉的苦咸水中除含有大量 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-等离子外,也含有少量Fe3+、Mn2+,但这与土壤中微量元素含量增加是否具有必然联系,仍有待进一步研究。

本研究结果表明,经过测土配方技术的应用推广,阿克苏地区主要农作物——玉米、小麦和棉花的单产均呈小幅增长趋势,反映出该地区农户的施肥习惯得到了一定的改善。一般认为,土壤养分等级越高,作物产量就相对较好,但进一步深入结合阿克苏地区土壤养分各指标含量高低和产量结果却发现,该地区不乏有些县市,如沙雅县、阿瓦提县,其土壤养分等级较低,但作物产量却表现良好,居于阿克苏地区前列,究其原因,可能与沙雅、阿瓦提县有部分土地为新开垦荒地有关,同时也表明完全依据全国统一土壤养分分级标准来衡量各地养分作为施肥依据尚存在不妥之处,建议标准的制定还应考虑各地实际产量情况,以避免因盲目提高养分等级划分、忽视实际产出而大量投入肥料产生不必要的浪费,从而达到降低生产成本,实现农民增收农业增效、改善耕地土壤养分状况、保护农业生态环境的目的,最终形成节约型、环境友好型、可持续发展型农业。

4 结论

本研究结果表明,阿克苏地区半数以上土质为壤土,测定大量、微量元素多数均为不同程度富足状态,但氮、锰含量偏低。同时,本研究就氮素测定结果偏低与当地农民喜施氮肥相悖、土壤中多数微量元素含量增加以及产量表现与养分高低不完全相符等问题作出了合理推论,并建议标准的制定应结合各地实际产量,以避免盲目追求养分等级提升而造成的增本低效问题。本研究结果可为今后阿克苏地区耕地建立土壤培肥、科学施肥以及耕地地力评价系统提供重要理论依据,但就如何在全国统一养分分级标准基础上,综合考量新疆独特自然条件对其土壤养分和产量的影响,从而优化并形成更加符合新疆地区养分分级标准仍有待进一步深入研究。