近35年红壤稻区土壤肥力时空演变特征—以进贤县为例

王远鹏，黄晶，孙钰翔，柳开楼，周虎，韩天富，都江雪，蒋先军，陈金，张会民

（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西南大学资源环境学院，重庆 400715；3中国农业科学院祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南祁阳 426182；4湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；5中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；6江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，南昌 330046；7江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业农村部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 330200）

0 引言

【研究意义】我国南方稻区水热资源丰富，水稻种植面积广[1-2]，而红壤是该地区典型的稻田土壤类型，对于我国粮食生产至关重要。近年来，随着农业生产中化肥投入量的持续增长以及秸秆还田和绿肥种植技术的推广，红壤稻区土壤肥力总体得到改善[3-4]。但中低产红壤稻田面积所占比重仍比较大[5]，具有很大的增产潜力。因此，研究红壤稻田土壤肥力时空演变特征对于提高红壤稻田肥力和保障粮食生产具有重要意义。【前人研究进展】20世纪80年代起，我国大规模开展第二次土壤普查工作，基本摸清全国土壤养分状况。目前基于第二次土壤普查数据的土壤肥力演变的研究较多。与第二次土壤普查时比较，吉林省农田土壤有酸化趋势，有机质明显下降，碱解氮和有效磷有所提高，速效钾含量略有降低[6]。湖北省稻田土壤有机质、碱解氮和有效磷含量均有所提高，而速效钾含量和pH呈下降趋势[7]。海南省稻田土壤的有效磷、速效钾含量总体上有较大程度的提高，而大部分地区的土壤有机质都有不同程度的下降[8]。由于资料难以收集，前人关于区域土壤肥力演变的研究多基于两个时间段数据差值的简单比较，而基于多阶段的土壤肥力演变过程特征研究较少。就红壤稻田肥力演变而言，前人研究多基于长期定位试验[1,9-12]或单一肥力指标变化[13-15]，无法客观全面表征常规水肥管理下的土壤肥力水平及其变化特征。【本研究切入点】近年来随着田间管理和农耕制度不断完善，红壤稻区土壤肥力发生明显变化，然而在不同时间阶段其肥力演变特征尚不明确。进贤县是典型的红壤稻区，探究进贤县3个时间阶段稻田肥力特征对于研究红壤稻区土壤肥力时空演变特征具有较好的代表性。【拟解决的关键问题】基于县域尺度研究近35年进贤县红壤稻区土壤在常规水肥管理下土壤肥力变化，掌握该地区稻田土壤肥力状况及其时空演变规律，可为红壤稻区土壤培肥及农耕管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

进贤县为江西省南昌市下辖县，位于鄱阳湖南部（N28°10′—28°46′，E116°01′—116°34′），地处亚热带季风湿润气候区，年均温度为17.5℃，年均日照时长为1 936 h，年均降水量为1 587 mm。该县为典型的低丘地形（海拔9—257 m），北部濒临湖滨，山水环绕，南部为低丘山峦，地势整体呈东南高西北低，起伏平缓。该县稻田以红壤性水稻土为主，水稻种植制度为早稻-晚稻，稻田面积为7.6×104hm2，占耕地面积的 89%，是鄱阳湖流域具有代表性的水稻种植区域。

1.2 样品的采集与分析

选取土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾为土壤肥力评价指标。1982年土壤属性数据来源于第二次土壤普查资料，并以1982年第二次进贤县土壤普查数据作参照，兼顾高、中、低产的稻田，以相对均匀空间分布原则，为避免水稻生长期间施肥的影响，先后于2008年和2017年在水稻收获后按照5点法采取耕层（0—20 cm）土壤样品100个和103个，采样时利用GPS记录采样点经纬度。将土样室内风干，剔除动植物残渣等杂质并磨细过筛，用于土壤理化性质的测定。测定方法参见《土壤农化分析》[16]。

1.3 数据处理

利用Excel 2010数据整理。离群值的存在影响土壤变量的空间分布，采用阈值法[7,17]对离群值进行剔除。离群值大于样本平均值加3倍标准差，则用样本平均值加3倍标准差代替。离群值小于样本平均值减3倍标准差，则用样本平均值减3倍标准差代替。其中，针对pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾数据剔除的离群值分别为2、1、3、2和5个。LSD差异性分析和主成分分析均在SPSS 19.0软件完成。土壤肥力指标和土壤综合肥力指数分布图在 ArcGIS 10.2的地统计分析模块（Geostatistical Analyst）中完成。箱式图在Origin 9.0中完成。

1.4 土壤肥力评价方法

权重的确定：为避免主观性，本文借鉴康日峰等[18]的方法，进行主成分分析计算权重。主成分中的载荷值除以主成分对应的特征值开平方根得到主成分中对应的特征向量，将各个主成分中特征向量与对应贡献率的乘积相加再除以所提取的主成分贡献率之和即为各个指标的综合得分。指标权重则由各个指标的综合得分除以总得分得到。

隶属度值的计算：隶属度函数表示的是评价指标与作物效应之间的关系曲线[19]，将参评指标转变为 0—1无量纲的数值，起到原始数据标准化的作用。土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾采用S型隶属函数（公式1），土壤pH采用抛物线型隶属函数（公式2）。

以全国第二次土壤普查的养分分级标准[20]作参考（表1），兼顾3个时期土壤养分状况，借鉴《土壤质量指标与评价》中稻田土壤肥力指标隶属度函数的阈值范围[19]，确定隶属度函数曲线转折点的值（表2）。

土壤综合肥力评价指数的计算：以模糊数学中的加乘原则为原理，利用各土壤肥力指标的权重值和隶属度值计算土壤综合肥力指数（integrated fertility index，IFI）[21]，具体计算公式如下：

式中，Fi为第i项评价指标的隶属度值，Wi为第i项评价指标的权重。IFI取值范围在0—1之间，该值越接近于1，土壤肥力越高。

肥力分级：参考《土壤质量指标与评价》中红壤稻区土壤综合肥力等级划分标准[19]将进贤县稻田土壤肥力分为5级：一级（IFI≥0.85）、二级（IFI：0.85—0.70）、三级（IFI：0.70—0.50）、四级（IFI：0.50—0.35）和五级（IFI＜0.35）。

表1 土壤养分分级标准对照表Table 1 Criteria for grading of soil nutrients

表2 隶属函数曲线转折点取值Table 2 The turning point of membership function

2 结果

2.1 不同时期稻田土壤肥力指标的统计分析

对进贤县稻田土壤各项肥力指标进行统计分析（图 1），随着耕种年限的增加，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾均呈不同程度的上升趋势，而土壤pH呈逐渐显著下降的趋势。1982、2008年和2017年稻田土壤pH平均值分别为5.9、5.1和4.8；土壤pH下降趋势显著，1982—2008年和2008—2017年前后两个阶段土壤pH年均下降速率基本一致，均为0.03个单位。2008年和2017年土壤有机质含量平均值分别为34.0和36.8 g·kg-1，分别比1982年土壤有机质含量的平均值（28.1 g·kg-1）增加 21%和 31%；1982—2008年土壤有机质年均增加0.21 g·kg-1，2008—2017年土壤有机质年均增加速率提高，年均增加 0.31 g·kg-1。1982年土壤碱解氮含量在49.2—252.0 mg·kg-1之间，平均值为142.3 mg·kg-1，而2008年和2017年土壤碱解氮含量的平均值没有显著差异，分别为 177.0和179.7 mg·kg-1，1982—2008年土壤碱解氮年均增加1.24 mg·kg-1，而 2008—2017年土壤碱解氮年均增加速率减缓，年均增加仅 0.29 mg·kg-1。1982、2008和2017年土壤有效磷含量的平均值分别为7.0、25.1和32.1 mg·kg-1，1982—2008 年和 2008—2017 年间土壤有效磷含量年均增加速率分别为0.65和0.68 mg·kg-1。2008年和 2017年土壤速效钾含量的平均值没有显著差异，分别为68.4和73.2 mg·kg-1，相比于1982年土壤速效钾含量的平均值52.1 mg·kg-1，分别提高了 31%和 41%；1982—2008年和 2008—2017年两个阶段土壤速效钾含量年均增加速率分别为 0.58和0.53 mg·kg-1。

图1 进贤县稻田土壤各项肥力指标变化趋势Fig.1 Variation trend of soil fertility factors in paddy soil of Jinxian County

2.2 不同时期稻田土壤肥力贡献因子分析

运用主成分分析法探究进贤县1982、2008和2017年3个时期土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾5个肥力指标对土壤综合肥力的影响，结果见表3。根据累积贡献率≥85%提取主成分的原则，1982、2008和2017年3个时期均提取4个主成分，累积贡献率分别为 92%、90%、88%，3个时期累积贡献率均大于85%，因此3个时期所提取的主成分作为评价综合变量评价土壤肥力状况均是可行的。进贤县3个时期稻田土壤肥力指标综合得分分别为：碱解氮＞有效磷＞pH＞速效钾＞有机质（1982年）；pH＞有效磷＞速效钾＞有机质＞碱解氮（2008年）；速效钾＞有效磷＞pH＞碱解氮＞有机质（2017年），说明碱解氮、pH和速效钾分别为3个时期影响进贤县稻田土壤肥力空间分布特征的关键因素。

2.3 稻田土壤各项肥力指标时空演变特征

利用 ArcGIS地统计分析模块中的普通克里格方法绘制土壤肥力指标和综合肥力指数的分布图（图2），并作了面积比例统计（表 4）。1982年进贤县81%的稻田土壤pH处于微酸水平，土壤pH处于中性水平的稻田占比为 5%，主要分布在架桥镇东部、罗溪镇北部以及张公镇和白圩乡的交汇处。2008年93%的稻田土壤处于酸性水平，至2017年土壤pH处于酸性水平的稻田占比增加到99%。1982—2017年各乡镇土壤 pH出现不同程度下降，整体由西部向东南和西北下降速率逐渐减低，下降范围在 0—2.52个单位之间，其中罗溪镇北部和架桥镇下降程度最高。

表3 1982、2008和2017年进贤县土壤各肥力指标主成分分析结果与指标权重Table 3 Results of principal component analysis and weights of fertility factors in Jinxian County in 1982, 2008 and 2017

1982年和2008年稻田土壤有机质含量的空间分布特征相似，整体呈南高北低的分布格局，2017年土壤有机质含量空间分布相对均匀。1982—2017年间大部分乡镇土壤有机质呈上升趋势，整体由东北向西南上升速率逐渐减低，其中三乡里和梅庄镇土壤有机质含量增加幅度最大，由1982年的三、四级水平上升至2017年的一、二级水平，局部增加值最高可达 24.6 g·kg-1。1982年以有机质含量处于三级水平的稻田为主，占比为59%，二级水平的稻田土壤占比为38%，2008—2017年土壤有机质处于二级水平的稻田占比由81%上升为94%。

1982年稻田土壤碱解氮含量呈中间高，南北低的分布格局，以碱解氮含量处于一、二级水平的稻田为主，占比分别为30%和64%。至2008年土壤碱解氮含量为一级水平的稻田占比接近100%。2017年稻田土壤碱解氮含量由北向南呈逐渐增加的趋势，碱解氮含量为一级水平的稻田占比为98%。35年来进贤县土壤碱解氮含量东南地区上升速率高，西北地区上升速率低，其中罗溪镇和张公镇土壤碱解氮含量增加最为明显，1982年两镇土壤碱解氮含量多为120.0 mg·kg-1，而2017年土壤碱解氮含量均在195.0 mg·kg-1以上，涨幅最高可达 105.6 mg·kg-1。

1982年稻田土壤有效磷含量的空间分布相对均匀，93%的稻田土壤有效磷含量处于四级水平，仅三里乡、三阳集乡、下埠集乡和衙前乡少部分区域土壤有效磷含量处于四级水平以上。1982—2008年进贤县土壤有效磷含量均出现不同程度的增加，其中民和镇和下埠集乡的交汇处以及架桥镇土壤有效磷含量增加幅度最大，其局部区域有效磷含量增加值最高可达47.93 mg·kg-1。2017年土壤有效磷含量空间分布特征不明显，与1982年相比，大部分区域稻田土壤有效磷含量出现不同程度的增加，增加范围在 0—67.06 mg·kg-1，与 2008年相比，表现为局部地区存在增加或者下降的趋势，有效磷含量为一级水平的稻田土壤占比由 3%增加至 19%，零星分布在各个乡镇；二级水平的稻田土壤占比由79%下降至75%。

1982年稻田土壤速效钾含量整体偏低，大多处于四、五级水平，占比分别为59%和41%，由西北向东南呈降低的趋势，具有较强的空间连续性。2008年以土壤速效钾含量处于四级水平的稻田为主，占比为86%；而三级水平的稻田占比为4%，集中在三里乡和梅庄镇；五级水平的稻田占比为10%，主要集中在钟陵乡南部和池溪乡东部。2017年进贤县89%的稻田土壤速效钾含量处于四级水平，其空间分布连续性较差，其中在各乡镇中，以温川镇、文港镇和梅庄镇的土壤速效钾含量最高。1982—2017年稻田土壤速效钾含量升降变化不一，变化幅度在-26.15—104.64 mg·kg-1。

1982年进贤县稻田土壤综合肥力指数平均值为0.43，以四级水平为主，占比为 86%，三级水平的稻田占比为7%，主要分布在七里乡、民和镇和池溪乡。2008年土壤综合肥力指数平均值为0.50，处于三、四级水平的稻田占比分别为58%和41%，仅有1%的稻田土壤综合肥力指数仍处于五级水平，集中在白圩乡中部地区。2017年土壤综合肥力指数平均值为0.55，处于二级水平的稻田占比新增至21%，三级水平的稻田增加至78%。1982—2017年罗溪镇、张公镇、温圳镇、三里乡、梅庄镇和下埠集乡土壤综合肥力指数增加幅度最大，均提高两个肥力等级。

表4 不同时期土壤肥力指标和综合肥力指数面积比例统计结果Table 4 Results of area ratio of soil fertility factors and integrated fertility index in different periods

图2 土壤肥力指标及综合肥力指数分布图Fig.2 Distribution map of soil fertility factors and integrated fertility index

3 讨论

1982—2017年进贤县各乡镇稻田土壤pH出现不同程度下降，至2017年进贤县稻田土壤pH平均值为4.8。农业农村部30年长期监测结果显示，全国稻田土壤监测前期（1988—2001）快速下降，后期（2007—2016）pH稳定在6.0—6.1[22]。与全国尺度典型稻区土壤pH变化相比，进贤县稻田土壤pH下降速度较快，1982—2008年和 2008—2017年前后两个阶段土壤pH年均下降速率没有差异。2017年进贤县稻田土壤整体呈酸性，土壤酸化严重，这与前人研究结果一致。樊亚男等[23]将水稻产量和主成分相关分析结合发现进贤县影响土壤肥力的主要障碍因子是土壤酸化。土壤 pH下降主要受到氮肥投入、植物吸收阳离子和酸沉降的影响[15,24-25]，经实地调研发现进贤县稻田土壤氮肥（N）年均施入量由 1982年的 90 kg·hm-2增加到 2017 年的 360 kg·hm-2，大量氮肥的施用可能导致土壤发生明显酸化；其次，植物的生长和收获会从土壤中吸收和移除盐基离子，根系每吸收1 mol盐基离子会向土壤中释放等当量H+[24]。近30多年来，进贤县种植模式由单一水稻种植改变为绿肥-双季稻多种作物复合种植，连续的作物种植增加土壤中 H+含量，进一步促进土壤酸化；此外，进贤县处于酸雨沉降区，酸沉降也是进贤县稻田土壤酸化加剧的原因之一。

1982—2017年进贤县各乡镇大部分稻田土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均出现不同程度的上升趋势。各项养分指标的上升与该地区持续增长的化肥投入量及 2000年后秸秆还田技术的推行有关。自20世纪80年代开始江西省化肥施用较为普遍，且施肥量逐年增加，1982—2017年全省化肥施用总量由37.1万t到134.97万t，进贤县稻田土壤化肥投入量也同比增长。前人研究表明，作物秸秆作为农作物最主要的副产品，含有大量有机质和丰富的氮、磷、钾等营养元素[26-27]，与秸秆不还田相比，秸秆还田能提高稻田土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量[10]。1982—2008年稻田土壤有机质年均增加速率较慢，2008—2017年土壤有机质年均增加速率较小幅度提高，两个时期稻田土壤有机质增速出现差异可能与该地区绿肥-双季稻的种植模式有关。首先，常规双季稻的种植模式使得稻田处于长期淹水条件下，土壤处于嫌气厌氧环境，微生物代谢缓慢，有机质分解速率下降，易于积累[28-30]。其次，2000年开始，进贤县的绿肥种植发展迅速，研究表明绿肥能显著增加稻田土壤有机质含量[12]，因此与 1982—2008年相比，2008—2017年土壤有机质增长速率有所提高。土壤有机质是土壤氮素的主要来源，有机质矿化会释放大量氮素[14]，1982—2008年进贤县稻田土壤有机质的不断累积使得碱解氮含量快速增加，且稻田氮肥投入量过大，2008年土壤碱解氮含量已达到一级水平，可能是由于氮素过剩，存在氮素损失风险，进贤县高温多雨的气候易造成土壤 NH3挥发或者土壤中氮素随着径流水或田面排水而流失[31]，因此 2008—2017年土壤碱解氮年均增加速率明显变慢。稻田土壤有效磷累积速率较快，年均增加 0.70 mg·kg-1，由 1982 年的 7.0 mg·kg-1提高到 2017 年的32.1 mg·kg-1，这与磷肥投入量加大以及土壤类型和磷素特性有关。1982—2017年进贤县稻田磷肥（P2O5）年均投入量由 35 kg·hm-2上升到 180 kg·hm-2。进贤县稻田土壤多为红壤，红壤是由氧化铁和氧化铝胶体形成的结构体，大量活性铁铝的存在促使土壤对磷素有较强的固定作用，且磷素本身迁移能力较弱，易被吸附固定[31]，因此进贤县稻田土壤有效磷显著增加。进贤县稻田土壤速效钾含量 1982—2017年仅增加21.09 mg·kg-1，土壤速效钾含量累积缓慢与该地区土壤类型有关，进贤县稻田土壤多属于红壤，红壤中不含钾的高岭类黏土矿物占比较高, 而云母类黏土矿物占比只为6%—17%[32]，因此土壤本身较低的供钾潜力也决定进贤县稻田土壤速效钾含量较低；稻田长期钾肥施用不足也是造成土壤钾素平衡处于亏缺状态，2017年进贤县稻田土壤钾肥（K2O）年均施入量约为 300 kg·hm-2，而前人研究表明一季水稻吸收的K2O约为225 kg·hm-2[31]，尽管施行秸秆还田技术，但双季稻的种植模式仍加剧土壤速效钾的消耗；此外，有研究表明红壤稻区土壤质地黏重，黏粒含量较高，土壤钾素主要集中在黏粒中。水耕条件下，稻田土壤黏粒随着水分下渗，造成含钾矿物机械淋失[32]。绿肥种植促进水稻对钾素吸收[12]，使得土壤速效钾累积更加缓慢，因此稻田土壤速效钾在 1982—2008年和2008—2017年两个阶段增长速率均呈先快后慢的趋势。

与2008年和2017年相比，1982年土壤各项肥力指标和综合肥力指数在空间分布更具连续性，具有明显的分布特征。1982年以前，田间管理程度低，养分投入少，1982年以后实行家庭联产承包责任制进行土地调整，当地稻田小而分散，秸秆还田、绿肥还田和有机肥化肥配施等管理方式的应用程度存在较大差异[2]，造成土壤各项肥力指标和综合肥力指数在空间分布上缺乏连续性。有研究表明实行土地整改，将小田块合并扩大，统一基础设施，能够显著降低稻田土壤有效养分的总体差异性[33]。家庭联产承包责任制虽然造成田块碎片化，但是也促使农民加大对稻田土壤的养分投入以及水稻种植模式的不断优化，使得 35年来进贤县稻田土壤肥力水平总体得到提高。当前进贤县稻田土壤肥力水平整体处于三级中等水平，大部分稻田土壤有机质、碱解氮和有效磷含量达到二级及以上水平，但土壤酸化和资源浪费问题突出，尤其是氮素资源。包耀贤等[11]基于进贤长期定位试验点研究红壤稻区土壤肥力，结果表明长期平衡施肥能够提高土壤综合肥力，而氮磷钾肥配施有机肥的增肥效果显著高于氮磷钾配施，长期偏施肥不利于土壤培肥，尤其单施氮肥反而造成土壤肥力下降。因此，优化施肥结构，适当控制氮肥用量，提高氮肥利用率，增加钾肥投入，化肥有机肥合理配施的同时，适当使用石灰等碱性改良剂，有助于稻田土壤肥力的提高和防止土壤酸化。

4 结论

经 35年常规施肥管理的稻田土壤肥力水平得到提高，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾均呈不同程度的上升趋势，土壤 pH呈下降趋势。当前稻田土壤肥力整体处于三级中等水平，土壤 pH平均值为4.8，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量平均值分别为 36.8 g·kg-1、179.7 mg·kg-1、32.8 mg·kg-1和73.2 mg·kg-1。土壤碱解氮、pH和速效钾分别为1982年、2008年和2017年3个时期造成进贤县稻田土壤肥力空间分布差异性的关键因素。进贤县稻田土壤碱解氮过量、速效钾亏缺、土壤酸化严重，需优化施肥结构。