甘肃河西绿洲灌区农田耕层土壤养分调查与评价
2021-03-15黄涛车宗贤赵欣楠袁金华俄胜哲
黄涛,车宗贤,赵欣楠,袁金华,俄胜哲
(甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070)
土壤养分是植物营养的主要来源，在农业生产中为了满足农作物对营养的需求，在土壤养分不足时需施肥，而经济合理的施肥要以土壤养分含量为依据[1-2].土壤养分是评价土壤肥力的基础，作为土壤肥力的主要衡量指标，其含量直接决定土壤肥力水平的高低，进而影响作物的生长发育、产量形成与品质状况[3-4].由于自然和人为因素的影响，不同类型的土壤其养分含量差异较大[5]，土地利用类型对养分的时空分布具有显著影响[6].反过来讲，土壤养分含量也通过影响植被的分布和生长状况进而影响土壤的类型[7].对土壤养分进行科学管理和平衡施肥，是影响农业可持续发展的核心问题[3]，并且随着农业现代化的快速发展和化肥使用量的逐步增加而显得越发突出[8].因此，研究特定区域土壤养分的分布和等级划分，对土壤养分资源的科学管理和合理利用具有重要指导意义.有针对性地进行测土配方施肥，既可节约生产成本、提高作物生产率，又可实现对土壤养分资源的合理利用进而提高肥料利用率，维持土壤的可持续生产能力[9].通过对特定区域土壤样品采集分析，获得土壤养分含量的本底资料，利用土壤养分含量分级标准评价土壤养分状况，按照作物目标产量和外源营养元素补给量，有效地进行土壤养分施肥管理，达到最佳经济施肥而实现土壤保育的目的.因此，本文对河西绿洲灌区农田耕层土壤养分进行了系统分析和评价，以期为该区域作物生产的高产高效施肥管理提供理论依据.
1 材料与方法
1.1 甘肃河西绿洲灌区基本情况
甘肃河西绿洲灌区地处甘肃省西北部，总面积约27万 km2，占全省国土总面积约60%.全区辖嘉峪关、酒泉、张掖、金昌和武威5个地级市，总人口约500万.区域内自西向东分布着隶属于疏勒河、黑河及石羊河三大水系的疏勒河流域、黑河流域及石羊河流域，地下水开采量大，主要用于农业灌溉，占总用水量的80%，可利用水逐渐减少.该区地带性土壤为灌漠土和灌淤土，耕地海拔1 000～1 500 m，降水少(80～160 mm)，潜在蒸发量大(2 000～3 000 mm)，气候干燥(5.85～ 31.14)，属中国西北干旱荒漠生物气候带.该区日照充足，年均日照时数为2 945～3 245 h，太阳辐射(5 984～6 330)×104J/m2，年均气温7.0～9.3 ℃，≥0 ℃与≥10 ℃积温分别为3 513～4 085 ℃与2 985～3 611 ℃，无霜期140～170 d，属于典型一年一熟的耕作区.该区种植的作物以小麦、玉米为主，另有少量水稻、高粱、马铃薯.
1.2 在河西绿洲灌区的采样点分布
在甘肃河西绿洲灌区，选取酒泉市管辖的敦煌、玉门县级市及肃州区、张掖市的甘州区、临泽县、民乐县、山丹县，金昌市金川区，武威市的凉州区、天祝县等地行政村的典型地块.作物收获后通过GPS定点采集2011年和2017年0～20 cm耕作层土壤样品.采集的土壤样品通过预处理、风干、研磨、过筛后进行各项目指标的测定.
1.3 土壤养分的监测指标与评价依据
监测指标：土壤全氮、有机质、速效磷、速效钾及pH.
评价依据：结合全国第 2 次土壤普查的土壤肥力分级标准和甘肃省的实际制定以上检测指标的分级依据(表1)[10].
表1 土壤养分含量分级标准Table 1 Standard for soil nutrient classification
1.4 土壤养分测定
土壤全氮：采用半微量凯氏定氮法；土壤有机质：采用重铬酸钾氧化-油浴加热法；土壤速效磷：采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法；土壤速效钾：采用乙酸铵浸提-火焰光度法；土壤pH：土水比为1∶2.5，采用PHS-25数显pH计测定.
1.5 数据统计分析
使用 Microsoft Excel 2007 进行数据处理，计算标准差、平均值、变异系数等，并绘制图表.利用SPSS 17.0软件Duncan法进行统计分析.
2 结果与分析
2.1 甘肃省河西绿洲灌区农田耕层土壤养分及pH的差异性分析
土壤养分含量的变异状况能够较好地反映出土壤养分含量的空间分布特征.通常认为样本的变异系数CV≤10%时为弱变异，10%
表2 不同地方农田耕层土壤养分及pH的差异性分析Table 2 Analysis on the difference of soil nutrient and pH in different agricultural regions
2.2 甘肃省河西绿洲灌区农田耕层土壤养分含量及pH值
就不同市域而言，张掖市、武威市农田耕层土壤养分含量均高于酒泉市与金昌市(表3).与酒泉市农田耕层土壤养分含量相比，2011年张掖市农田耕层土壤全氮、有机质、速效磷、速效钾分别高75.4%、77.7%、76.3%、42.8%，2017年，土壤全氮、有机质、速效钾含量分别高63.4%、98.9%、41.9%，但速效磷含量低19.3%；与酒泉市农田耕层土壤养分含量相比，2011年，武威市农田耕层土壤全氮、有机质、速效磷、速效钾含量分别高114.1%、140.5%、74.9%、41.6%，2017年，以上指标分别高139.4%、186.2%、9.4%、43.9%.与金昌市农田耕层土壤养分含量相比，2011年，张掖市农田耕层土壤全氮、有机质、速效磷、速效钾含量分别高80.4%、79.8%、108.6%、159.7%，2017年，以上指标分别高84.3%、71.9%、156.8%、123.2%；与金昌市农田耕层土壤养分含量相比，2011年，武威市农田耕层土壤全氮、有机质、速效磷、速效钾含量分别高158.7%、143.4%、106.9%、157.4%，2017年，以上指标分别高169.9%、147.4%、248.1%、126.3%.与酒泉市相比，2011年武威市农田耕层土壤全氮与有机质分别高43.4%与35.3%，2017年分别高139.4%与186.2%.从河西绿洲灌区所选取的4市域农田耕层养分含量分析可知，武威市与张掖市农田土壤肥力高于酒泉市与金昌市，在实际作物生产中可适量减少对无机化肥的投入，促使肥料有效利用.
表3 不同区域农田耕层土壤养分含量及pH分析Table 3 Soil nutrient content and pH in different agricultural regions
就同一市域不同县区而言，酒泉市肃州区农田耕作土壤全氮与有机质含量均高于敦煌与玉门市.肃州区2011年分别高52.5%与57.5%，2017年分别高40.3%与54.3%.随着耕种时间的推进，2017年酒泉市肃州区农田耕作土壤速效磷与速效钾含量较敦煌与玉门市分别高25.9%与18.7%.张掖市甘州区、民乐县、山丹县农田土壤全氮与有机碳含量均高于临泽县，全氮含量2011年比临泽县分别高20.6%、26.5%、34.8%，2017年分别高22.0%、19.7%、38.9%，其中以山丹县农田土壤全氮含量最高，比甘州区、民乐县2011年分别高11.7%、6.5%，2017年分别高13.9%、16.1%；有机碳含量2011年分别比临泽县高22.0%、19.7%、38.9%，2017年分别高5.6%、27.3%、15.4%，其中仍以山丹县农田土壤有机质含量较高，比甘州区两年度年分别高13.9%、14.7%.速效磷与速效钾含量以临泽县相对较低.武威市天祝县农田耕层土壤全氮与有机质含量均高于凉州区，2011与2017年全氮分别高84.8%与89.2%，有机质分别高75.9%与87.4%，2011年凉州区农田耕层速效磷含量高于天祝县，但速效钾含量低于天祝县，2017年则相反.
2.3 甘肃省河西绿洲灌区农田耕层土壤养分状况评价
依据表1中标准对甘肃省河西绿洲灌区不同市域县农田耕层土壤养分进行评价，结果见表4.河西灌区的酒泉市农田耕层土壤全氮与有机质处于亏缺状态，速效磷与速效钾的含量处于中等偏上状态.张掖市甘州区、民乐县与山丹县农田耕层土壤的全氮与有机质处于中等水平，但临泽县处于亏缺态势，张掖市4县区的速效磷与速效钾均处于较为丰富状态.金昌市金川区农田耕层土壤的全氮、有机质、速效钾含量均较少，处于匮乏状态，但速效磷含量处于中等水平.相对于地理位置更偏西的市县区，河西绿洲灌区东端的武威市凉州区与天祝县农田耕层土壤养分含量均相对丰富，具有相对较高的土壤肥力，在生产实践中，可适量减少无机化肥的投入，增加有机肥投入，维持土壤肥力，促进农业生产的可持续发展.
表4 不同区域农田耕层土壤养分状况评价Table 4 Evaluation of soil nutrients in different agricultural regions
2.4 甘肃省河西绿洲灌区农田耕层土壤养分的变化态势
依据两个土壤养分调查年份的差异可知(表5)，酒泉市的3个县区，土壤有机质处于耗竭态势，随着耕种时间的推进，有机质含量呈显著下降趋势，全氮含量差异不明显，敦煌市与肃州区保持较高的速效磷含量，玉门市速效钾含量较高，处于富集状态.张掖市甘州区农田土壤养分均处于耗竭状态，改善耕作制度亟待进行，民乐县土壤养分均处于提升趋势，农业生产活动较为合理；临泽县土壤全氮、有机质及速效钾含量处于提升态势，但不及民乐县，还需进一步优化农业生产方式；山丹县虽然速效磷与速效钾含量稳步提升，但土壤全氮与有机质处于消耗趋势，需通过优化农业生产活动，维持土壤肥力.金昌市金川区农田土壤全氮、有机质与速效磷含量变化不大，但速效钾处于富集状态，需优化种植方式与耕作措施，维持农业生产的农田养分基本供应水平.武威市通过优化种植业结构、改良耕作措施，使得凉州区与天祝县随着耕种时间的推进土壤肥力处于改良态势，特别是天祝县土壤养分含量提高幅度较大.
表5 两个测定年份不同区域农田耕层土壤养分差异Table 5 The difference of soil nutrients in different agricultural regions across the two measured years
3 讨论
土壤养分是自然因素和人为因素共同作用的结果，是土壤肥力的重要组成部分，对土壤生态系统结构与功能有着重要影响[11-12].在自然因素中，土壤养分含量主要受母质、气候、生物、地形和时间等五大成土因素的调控.在人为因素中，土地利用方式是人类干预土壤肥力最直接、最重要的活动[13]，通过改变土壤的水热条件、土壤养分总量等来影响土壤养分的迁移变化，从而导致土壤肥力的变化[14].现代农业生产中，人为因素对土壤的操纵显著影响土壤理化性质进而影响土壤肥力.
土壤容重是土壤紧实度的敏感性表征指标，也是评价土壤肥力的重要参数，在一定程度能上反映土壤持水能力和土壤结构的稳定状态，进而影响土壤水、肥、气、热条件和作物根系养分传输[15].土壤容重大小受土壤质地、地理环境、有机质含量及各种自然和农事管理措施等因素的影响[16].土壤的酸碱度影响植物的生长和土壤养分的转化及有效性，适量降低土壤pH值能够明显改善土壤的缓冲性能，利于农作物生长[17].甘肃河西绿洲灌区是我国制种玉米的主要生产基地，特别是张掖市与酒泉市种植玉米管理方便，效益高，由于长期连作，生产实践中种植户为持续谋求高产而无视土壤养分变化，大量使用复合性化学肥料，导致土壤自身的供肥能力下降，土壤承载力退化，金昌市与武威市又是高原夏菜、小麦、玉米的主要产地，与酒泉与张掖市一样，高产稳产源于购买性资源的大量投入，特别是无机化肥的投入对土壤自身的保肥供肥水平造成较大冲击，导致土壤更加贫瘠.
在河西绿洲灌区，因光热资源丰富，可通过优化种植模式，采取高产高效施肥管理技术可有效调控长期连作导致的土壤板结进而引起土壤养分下降的不利影响，诸如休耕、轮作、复种、间套作模式均有利于增加土壤肥力.相关研究认为间作套种可增加农田生态系统作物种类多样性，不同的根基分泌物能改善土壤微环境，活化土壤中难溶性养分，增加体系养分累积量，进而提高土壤养分的利用效率[18-19].同样，通过草田轮作也可降低土壤容重，影响表层土壤团聚体，形成良好的土壤结构，改善土壤的渗透性能，增加土壤养分积累[20].因而，合理的种植制度及作物种类可以提高资源利用率及土壤肥力.
不同种植模式因在耕作制度、管理模式、肥料投入等的差异，导致农田被利用的强度各不相同，对土壤肥力状况产生了差异性影响.已有研究表明，长期连作会造成土壤酶活性和有机质含量降低，若采用轮作可以提高土壤酶活性，改善土壤养分供应能力，提高土壤肥力[21].另有研究发现，与单作农田相比，合理的间作可有效改良土壤理化性质，增加土壤有机质，提高土壤肥力[22].少免耕秸秆还田或者插种绿肥休耕轮作可改善土壤水热环境与土壤理化性质，提高土壤有机质而培肥土壤[23].
因此，农业生产实践中，通过合理配置种植模式、耕作方式及品种搭配，可有效缓解长期连作及传统耕作造成的土壤养分耗竭，土壤供肥能力较差等问题，特别是在灌溉农业区可消除土壤板结及肥料淋失对农田及作物生长造成的不利影响.
4 结论
甘肃河西绿洲灌区土壤总体呈偏碱性，全氮与有机质含量匮乏，速效磷与速效钾含量中等偏上.武威市与张掖市的土壤养分含量高于酒泉市与金昌市，随着耕种时间的推进，酒泉市土壤有机质下降趋势明显，张掖市的民乐县与武威市的天祝县土壤全氮、有机质、速效磷与速效钾均呈增加趋势.建议在酒泉市与张掖市的甘州区、临泽县、山丹县及金昌市金川区，采取土壤培肥措施，诸如增施有机肥或秸秆还田，氮肥以追施为主，适量补充磷钾肥，通过优化土壤理化性质，改善土壤肥力状况，增强土壤的可持续性.
