山西省小麦种植区土壤养分特征分析

2021-06-05张晋丰郭雅飞栗丽李廷亮刘洋陈婷王嘉豪吕卓呈

灌溉排水学报 2021年5期

张晋丰，郭雅飞，栗丽,2，李廷亮,2*，刘洋，陈婷，王嘉豪，吕卓呈

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷 030801）

0 引言

【研究意义】根据2018 年山西省统计年鉴，山西省小麦种植面积为56 万hm2，占全省粮食播种面积的16%，主要分布在晋南的运城、临汾和长治地区，小麦生产对支撑当地粮食安全和面食文化均具有重要意义。小麦高产优质与土壤养分协同供应能力密切相关，明确山西省小麦种植区土壤养分特征可为推进当地小麦绿色生产及土壤肥力提升提供理论依据。【研究进展】全国第二次土壤普查结果表明，20 世纪90 年代山西省耕层土壤有机质量、全氮量、有效磷量和速效钾量的加权平均值分别为 1.07%、0.68g/kg、7.76mg/kg、131.90mg/kg，其中有机质量和全氮量分布表现为以晋东南地区最高，晋西北地区最低[1]。陈明昌等[2]2000 年对山西省从南到北9 个地（市）农田土壤养分调查研究表明，与全国第二次土壤普查数据相比，随施肥结构变化，土壤有效磷量有所提升，但速效钾量呈下降趋势。解文艳等[3]2007年对山西省主要农田土壤速效养分的研究表明，耕层土壤有效磷、速效钾和碱解氮量平均值分别为14.15、141.80mg/kg 和63.29mg/kg，有效磷和速效钾量较丰富，碱解氮量处于中等水平。董洁[4]进一步通过地统计方法和GIS 技术手段对山西省养分综合状况分析表明，土壤有机质量、全氮量、有效磷量、速效钾量呈现西北低，东南高的空间分布格局，土壤养分水平随地貌和土壤类型呈显著变化。近年来许多研究也表明，随着化肥用量的大幅度提高和有机肥用量的下降，土壤有机质量在持续降低[5-7]。土壤微量元素水平对提高作物产量和改善作物品质具有重要作用，史崇文等[8]研究发现山西省土壤微量元素背景值的分布特征为由南向北、由东南向西北逐渐降低，主要影响因素是土壤类型、土壤母质和土壤团粒结构，山西省土壤中Mn 元素值普遍较高，但Se 元素值较低。余存祖等[8]研究表明黄土高原地区有11%的土壤缺铁，8%的土壤缺锰，56%的土壤缺锌，21%的土壤缺铜，土壤微量元素供应不足已经影响到了该区的作物生长。

【切入点】近年来，化肥在我国农业生产中发挥了重要作用，但化肥增幅远大于产量增幅，本研究团队前期对晋南麦区700 多个农户的调研表明，平均肥料用量为：N 152kg/hm2，P2O580kg/hm2，K2O 41kg/hm2，对应具体农户产量评价表明45%～60%农户氮、磷、钾肥用量偏高。施肥、种植方式及气候条件的变化必然会影响土壤养分供应情况，第二次土壤普查养分数据已不能有效指导农业施肥生产。【拟解决的关键问题】通过对山西省小麦种植区典型县域耕地土壤均匀布点采样，分析小麦种植区耕层土壤硝态氮、有效磷、速效钾、有机质以及Cu、Zn、Fe、Mn、Ni、Se6 种微量元素水平及分布规律，明确山西省小麦种植区土壤养分供应能力，为当地小麦提质增效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山西省小麦种植主要集中在运城、临汾和长治地区，本研究依据山西省统计年鉴2018 年数据，选取小麦种植面积最大的3 个县为代表区域，分别是洪洞县、襄汾县和闻喜县，小麦种植面积分别为40420、42278、40933hm2。当地属温带季风性气候，其中洪洞县年均气温12.3℃，年平均降水量493.3mm，无霜期平均每年190d；襄汾县年均气温11.5℃，年均降水量550mm 左右，无霜期平均每年185d；闻喜县年均气温为8～14℃，无霜期平均每年200d 左右，年均降水量439.8mm。当地约70%的降雨量集中在6—9 月，土壤类型以褐土为主。水地小麦种植模式一般为冬小麦-夏玉米，旱地小麦种植模式一般为冬小麦-夏休闲。

1.2 试验方法

1.2.1 样品采集与处理

为避免季节性施肥对土壤养分的影响，本研究于2019 年7―9 月在小麦收获后下季作物播种前，根据土壤类型、地形条件以及小麦种植区划，分别在洪洞县、闻喜县和襄汾县均匀布点100 个，并记录经纬度，具体采样点分布见图1。每个点位的土壤样品是根据所在地块性状大小特征，采用五点法或“S”形法采集的耕层混合样品，样品经四分法处理后留取1kg 左右带回实验室，除去枯枝落叶和石砾等杂物，取一部分新鲜样品测定土壤水分和硝态氮量，其余土壤样品自然风干后，分别过1mm 筛和0.149mm 筛，用于测定土壤有效磷、速效钾、有机质和微量元素等指标。

3 个典型种植区所采集土壤样品涉及的土壤类型包括棕壤（1 个）、褐土（224 个）、新积土（3 个）、石质土（5 个）、粗骨土（15 个）、潮土（48 个）、水稻土（4 个），地形特征包括山地（79 个）、平原（123 个）和丘陵（58 个）。

1.2.2 样品测定及方法

土壤硝态氮的测定使用紫外分光光度法[9]；土壤有效磷的测定采用0.5mol/L 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[9]；土壤速效钾的测定采用NH4OAc 浸提-火焰光度法[9]；土壤有机质的测定用重铬酸钾容量法-外加热法[9]。微量元素全量Cu、Zn、Fe、Mn、Ni 的测定经加硝酸-氢氟酸浸泡过夜高温消煮后采用电感耦合等离子体发射光谱法，而全量Se 则用硝酸-高氯酸浸泡过夜后高温消解，用氢化物发生-原子荧光法进行测定[10-12]。

1.2.3 数据处理与分析

所有数据采用Excel 2003 进行统计分析和整理，采用Origin 8 软件进行制图和用SPSS 软件进行Pearson 相关分析。

2 结果与分析

2.1 小麦种植区速效养分特征分析

图2 是山西省典型小麦种植区耕层土壤速效养分特征。当地耕层土壤硝态氮量在1.9～115.2mg/kg，空间差异较大，平均值为35.14mg/kg，3 个代表区域以闻喜县耕层土壤硝态氮量最低，整体表现为洪洞县、襄汾县>闻喜县。有效磷量在2.4～88mg/kg，平均值为26.9mg/kg，较第二次土壤普查全省土壤有效磷量平均值提高了2.98%，对照全国土壤养分分级标准[3]，处于二级水平。3 个代表区耕层土壤有效磷量整体表现为襄汾县>闻喜县>洪洞县。速效钾量在97.1～579.2mg/kg，平均值为297.9mg/kg，较第二次土壤普查山西省土壤速效钾量平均值提高了1.26%，对照全国土壤养分分级标准，处于一级水平，3 个代表区以襄汾县耕层土壤速效钾量最高，属于富钾地区，整体表现为襄汾县>闻喜县>洪洞县。

2.2 小麦种植区微量元素水平分析

典型小麦种植区耕层土壤6 种微量元素水平情况见表1。由表1 可知，土壤中Cu 全量范围为16.09～59.71mg/kg，平均值为30.40mg/kg；土壤中Zn全量范围为57.88～198mg/kg，平均值为90.04mg/kg；土壤中 Fe 全量范围为 2.30%～6.66%，平均值为3.76%；土壤中Mn 全量范围为426～926.1mg/kg，平均值为 660.24mg/kg；土壤中 Ni 全量范围在23.31～47.75mg/kg 之间，平均值为34.80mg/kg；土壤中 Se 全量范围为 0.017～1.354mg/kg，平均值为0.434mg/kg。总体表明，山西省小麦种植区耕层土壤6 种微量元素较对应的山西省土壤元素背景值高10.82%～141.11%，较对应中国土壤元素背景值高13.25%～49.66%。6 种微量元素总体水平较高，且表现为Fe>Mn>Zn>Ni>Cu>Se，进一步分析3 个典型种植区耕层土壤6 种微量元素的水平特征，总体以洪洞县耕层土壤6 种微量元素最高，以闻喜县最低。

2.3 小麦种植区耕层土壤有机质特征分析

表2 是山西省典型小麦种植区耕层土壤有机质量。由表2可知，当地土壤有机质量在5.61～64.28g/kg，空间差异较大，平均值为21.65g/kg，较第二次土壤普查山西省耕层土壤有机质平均值提高了109.4%。其中，有机质量<10g/kg 点位数占4.55%，10～20g/kg点位数占 46.85% ， 20～30g/kg 点位数占24.48%，>30g/kg 的点位数占24.13%，表明小麦种植区大部分区域有机质量是在10～20g/kg。另外，3 个代表区以洪洞县土壤有机质量最高，平均值为26.75 g/kg，以闻喜县土壤有机质量最低，平均值为15.10 g/kg。

2.4 小麦种植区土壤中各养分元素相关性分析

土壤中各养分元素相关性分析见表3。从表3 可以看出，山西省典型小麦种植区耕层土壤全量Cu、Fe、Mn、Ni 之间相互均存在极显著相关性，全量Se与Fe、Cu、Mn 存在显著或极显著相关性，但全量Zn 与其他微量元素、有机质、硝态氮、有效磷和速效钾均不存在显著相关性，土壤有机质与全量Se、Cu、Fe、Mn、速效磷存在显著或极显著相关性，但土壤有机质与硝态氮、速效钾相关性不显著，土壤有效磷与Ni、Fe、Mn、Cu 呈负相关，且与Ni、Fe、Mn 的负相关性达极显著水平。

表1 小麦种植区耕层土壤微量元素特征Table 1Characteristics of trace elements in topsoil of wheat planting area

表2 山西省典型小麦种植区耕层土壤有机质量Table 2Organic quality of topsoil in typical wheat growing areas of Shanxi Province

表3 山西省小麦种植区土壤元素相关系数Table 3 Correlation coefficient of soil elements in wheat planting area of Shanxi Province

3 讨论

硝态氮是土壤矿质态氮的重要组成部分，同时也是作物获取氮素的主要来源，土壤硝态氮量因施肥方式、耕作措施及土壤水热条件差异而变化。研究表明，在相同灌水处理下，各土层硝态氮量随施氮量的增加而增加，表明氮肥大量施用增加了土壤中硝态氮量，这也是土壤中硝态氮积累和淋溶的根本原因[13-14]；本研究中，山西省小麦种植区土壤硝态氮量平均值为35.14mg/kg，空间差异较大，最大值较最小值高达60倍，原因可能是不同样点农民的施氮量差异比较大。有效磷是土壤磷库中对作物最为有效的部分，也是评价土壤供磷水平的重要指标[15]。山西省小麦种植区土壤有效磷量在2.4～88mg/kg，平均值达26.9mg/kg，空间差异也比较大，一方面与农户施磷量有关，另一方面与土壤磷形态转化有关，因为山西省土壤属石灰性土壤，土壤中钙结合态磷分级和数量是影响土壤中速效磷量的重要因素。钾是植物生长必需的营养元素，土壤中钾的释放和固定对土壤钾的有效性具有重要影响[16-17]。山西省小麦种植区土层速效钾量空间变化较大，但速效钾总体量较高，本研究中山西省小麦种植区土壤平均值高达297.9mg/kg，对照全国土壤养分分级标准，处于一级水平。这与北方土壤成土母质多含长石类矿物以及近年来提倡秸秆还田有关[18]。总体来看，经过30 多年土壤耕作演替，山西省小麦种植区土壤养分状况总体较第二次土壤普查数据呈提升状态。此外，研究区内土壤主要为水浇地，轮作制度一年二熟或二年三熟，地区农民从事农业生产的积极性较高，农业投入也相对较多，因此土壤速效养分水平较高。小麦种植区土壤硝态氮、有效磷和速效钾量空间差异较大，一方面与土壤成土母质和气候环境条件有关，另一方面也与农户盲目施肥有关[19-20]。

土壤有机质是土壤的重要组成物质，也是各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，是土壤养分供应能力与肥力的重要指标之一[9],本研究发现山西典型小麦种植区土壤有机质量在5.61～64.28g/kg，空间差异较大，平均值为21.65g/kg，而第二次土壤普查数据为10.34g/kg，与之相比提高了109.4%，土壤有机质量提高的原因与有机肥的投入和秸秆还田有关。研究表明秸秆还田可有效提高土壤有机碳量[21]，1998 年以后，各级政府进一步加大了禁烧力度，秸秆还田的面积和数量稳步增长，对培肥土壤提高土壤有机质量起到了推动作用[22]。

山西省典型小麦种植区土壤微量元素总体来说较为丰富，Mn、Zn、Cu、Fe、Ni、Se6 种微量元素较山西省土壤元素背景值提高10.82%～141.11%，原因可能与生产过程中有机肥的投入和测土培肥施肥技术推广有关，有机肥含有大量的微量元素，比如铜、锌等[23]，进而可增加土壤中微量元素。测土配方施肥技术的宣传推广使得微肥得到重视，维持了农作物需肥与土壤供肥的基本平衡[24-25]。

研究区土壤中有效磷与有机质相关性较好，原因可能是因为土壤有机质酸性基团可以活化土壤中的矿物态磷,增加了磷的有效性。常龙飞等[26]在巢湖低丘山区的研究也表明土壤有机质与总磷以及各形态磷均呈良好正相关关系。有机质对土壤硒具有固定和吸附作用,有机质量越丰富的土壤对硒的吸附能力也就越强。牛中磊等[27]在山东省淄川区的研究也表明土壤硒水平与有机质量具有显著的相关性，相关系数达到0.7913。另一方面，土壤有机质与Se 元素相关性比较高，也说明当地土壤硒形态主要为有机态硒。但土壤有机质与土壤硝态氮、速效钾相关性不显著，原因应该是硝态氮、速效钾是以无机态盐分存在的。全量Zn 与其他微量元素、有机质、硝态氮、有效磷和速效钾均不存在显著相关性。原因可能是北方土壤Zn 主要以硅铝酸盐矿物态存在，锌的离子半径与镁离子相近，易与硅铝酸盐片层中的镁进行同晶交换而成为硅铝酸盐的成分[28]。土壤Fe 与Mn 元素的相关性较好，表明在小麦种植区，Fe 元素与Mn 元素之间具有较强的影响关系。原因可能是Mn、Fe 主要以多种氧化态存在于土壤中，其氧化物还原成Fe2+、Mn2+并在MnO2的催化下Fe2+快速氧化，沉积在MnO2表面；在土壤长期演化过程中，周围的活性Fe2+、Mn2+又被氧化淀积在铁、锰氧化物表面；干湿交替、氧化还原的反复进行[29]，因此Fe 与Mn 相关性高。魏孝荣[30]通过在黄土高原旱地连续进行了18 a 的长期定位试验探讨了土壤锌、铜、锰、铁有效性与其形态，其中也提到锰还以多种氧化态存在于土壤中，容易与Fe 共生形成混杂的或复合的氧化物共同存在于土壤中。土壤有效磷与土壤Ni、Fe、Mn、Cu 负相关，且与Ni、Fe、Mn 的负相关性达极显著水平，原因可能是磷酸根离子与金属离子的共沉淀作用引起的。