上海市奉贤区农田土壤肥力现状及变化特征

顾建芹,江 健

(上海市奉贤区农业技术推广中心,上海 201499)

肥力是土壤的基本属性,肥力高低影响着耕地质量的优劣。随着时代的不断演替,土壤的利用方式、施肥水平、管理措施和耕作方法都会在短时间内影响土壤养分变化的方向和程度,同时,不同土壤类型、气候和生物等因素,也会导致同一地区不同区域的土壤肥力水平出现较大差异[1-2]。从20世纪70年代,一些学者就利用地统计学开始进行土壤特性的空间变异研究,但大都停留在对土壤空间变异性的定性描述上。目前,地理信息系统技术(GIS)的应用越来越广泛,其与地统计学结合可用来分析土壤养分空间变化规律,有效揭示土壤空间变异的特征,使土壤的空间变异研究实现定量化[3-7]。梁斌等[8]运用地统计学与GIS相结合的研究方法,揭示了北京西部山区土壤养分空间变异特征和影响因素,表明土壤养分整体分布格局的空间相关性水平较强;张华杰等[9]研究表明,有机质和速效钾的空间变异性主要与成土母质、土壤类型、气候条件等有关,碱解氮、速效磷的空间变异性与耕作方式及农业生产中施肥量等有关;陈桂香等[10]研究了福州市农田土壤养分含量空间丰缺差异,发现大部分地区有机质和有效磷含量较为丰富,碱解氮含量处于中等偏上水平,速效钾含量相对较低。但已有研究大多是在短时间尺度上分析土壤养分的空间变异性,而在长时间尺度上对土壤养分变化进行的研究相对较少。2009—2018年在奉贤区主要农田土壤上陆续建立了120个土壤耕作层养分长期定位监测点,本研究通过连续性土样采集与检测分析,应用Kriging插值法,绘制土壤养分分布图,以准确、直观地了解整个奉贤区农田的土壤养分空间分布状况,为后续农业生产的精确施肥及其他农田精准管理提供技术指导。

1 研究方法

1.1 监测范围

根据耕地质量等级和耕地面积、种植业结构等实际情况,从2009年开始,连续10年定位监测奉贤区主要农田的土壤肥力变化情况。监测点位分为粮田、菜田、果园三大类,共设置120个点位,其中在粮田布点78个,菜田28个,果园14个(图1)。

图1 农田土壤采样点分布Fig.1 Distribution of farmland soil samples

1.2 样品采集与分析

土壤样品采集时间集中在每年11月,即农田作物收获后,且尚未翻耕、施肥及后茬作物种植前。土样采集按照NY∕T1 121.1—2006方法进行,粮田、菜田取样层为0—20 cm,果园取样层为0—40 cm,风干后备用。土样主要分析有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量和pH[11],并运用ArcGIS 9.0软件生成Kriging插值,绘制成可视的土壤养分空间分布图。

1.3 分级标准

参照上海市耕地质量监测指标分级标准(表1),对土壤中的养分含量及pH进行等级划分和肥力水平分析。为提高土壤肥力评价结果的准确性,采用X±3S(X为平均值,S为标准差)作为筛选检测数据异常值的标准,大于或小于3S的值不统计。

表1 土壤各养分指标分级标准Table 1 Grading standard of each soil fertility indexes

2 结果与分析

2.1 农田土壤肥力现状

由表2和图2可知,奉贤区总体土壤养分较为充足,各指标集中分布在1—3级。有机质含量18.7—38.4 g∕kg,粮田>菜田>果园,2级和3级占98.88%,属较丰富水平。碱解氮含量28.8—248 mg∕kg,果园>菜田>粮田,3级占45%,为最高;其次是4级和2级,分别占30%和18.33%。有效磷含量15.3—167 mg∕kg,菜田>果园>粮田,1级最多,占50%,无4级、5级农田土壤。速效钾含量分布呈阶梯状,范围为58.8—282 mg∕kg,菜田>果园>粮田,98.25%农田土壤的速效钾含量较充足,但还有1.75%土壤速效钾含量低于临界值60 mg∕kg,属缺钾状态。pH为5.32—7.51,粮田>菜田>果园,1级和2级占95%,总体较好。

表2 奉贤区2018年农田土壤主要养分平均含量Table 2 Average contents of farmland soil fertility in Fengxian District in 2018

2.2 农田土壤养分空间插值分析

土壤养分处于时刻变化中,具有高度的空间特异性,各养分空间分布图可以作为精准农业中变量施肥的依据[12-14]。由图3可知,奉贤区土壤有机质分布较均匀,在15—35 g∕kg,高于35 g∕kg的田块出现在西部庄行镇。碱解氮受土壤质地、地形状况及生产方式等影响,表现出强烈的空间差异性,区域内分布不均衡,呈东低西高、北少南多趋势。有效磷西部略高于东部,未出现缺磷现象,菜田和果园的土壤有效磷积累较快,粮田相对较慢,故菜田和果园应少施或一段时期内不施磷肥。速效钾空间分布为中部>西部>东部,含量较低(≤90 mg∕kg)的农田主要分布在奉贤区西北部,位于庄行镇北部与西渡街道交界处,其余各镇有零星分布。土壤pH为5.5—7.5,多呈中性偏酸,表现为西部较低,往东略微升高的趋势,这与东西部农田土壤的形成有关,西部土壤发育于湖河母质,东部为江海母质。鉴于土壤养分要素的空间特性,在施肥上应实行分片管理。土壤有效磷和速效钾养分较为充盈,应根据所栽培作物需肥特点适当施肥,而土壤碱解氮含量低于100 mg∕kg的农田,应根据实际情况,酌情增施氮肥,以提高作物产量或改善土壤养分。

图3 奉贤区土壤养分空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil fertility in Fengxian District

2.3 农田土壤肥力变化趋势

奉贤区农田土壤有机质平均含量呈逐年平缓上升趋势(图4a),年平均增长0.58 g∕kg,增幅2.84%。有机质含量的高低也与种植的作物有关,不同利用方式土壤的有机质含量变化呈波动上升趋势。

碱解氮含量年际变化相对平稳,粮田和果园变化不大,菜田波动较大(图4b)。受投入氮肥量的影响,碱解氮含量在不同利用方式土壤年际间有一定差异,粮田总体较低。

有效磷含量年际变化无明显规律,菜田和果园变化较大,粮田略平稳(图4c)。菜田和果园明显高于粮田,为粮田的2倍以上。土壤有效磷较高易造成土壤板结,影响作物生长和肥效利用。

速效钾含量总体较充足,2009—2013年有小幅增长,2014年出现大幅下滑,2016年后逐渐平稳,年际变化较小(图4d)。奉贤区统计年鉴显示,2014年夏熟作物播种面积为6 355.8 hm2,2017年、2018年分别降至968.3 hm2和623.7 hm2。夏熟作物播种面积急剧下降,秸秆还田量大幅减少,易导致土壤中速效钾含量降低。不同利用方式土壤的速效钾含量年际变化趋势较为相似,历年相对含量是果园>菜田>粮田。

pH年际变化趋势较为平缓,除2010年和2011年有小幅提高外,其余年际值均缓慢降低,且菜田、果园的下降程度大于粮田(图4e)。其原因可能是长期施用化肥,特别是过量施用氮肥,土壤中硝酸根和亚硝酸根离子增加,引起耕作层pH显著降低,加重土壤酸化[15-16]。

3 讨论

土壤养分含量状况可在一定程度上反映土壤类型的差别和土壤利用方式的变化。研究表明,不同种植模式和土壤类型对土壤肥力影响显著[17-20]。上海市奉贤区农田土壤养分总的趋势为粮田的碱解氮、有效磷和速效钾年均含量低于菜田和果园,且年际变化相对平稳。其主要原因是不同作物的种植模式、养分需求和施肥量不同所致。

奉贤区土壤发育于沉积母质,土壤的黏土矿物以水云母为主,钾素贮量较多[21],故农田土壤钾素含量相对富余。钾肥多用于经济作物,长期施用能提高土壤速效钾含量[22],这与本研究中土壤速效钾含量年际变化情况一致,果园土壤速效钾含量较高,而粮田累积钾素较少。在实际生产中,要注意不同土壤利用方式的钾素投入的不平衡性,粮田要加强秸秆还田的力度并注重不同钾肥的使用。

利用Kriging插值法并结合养分指标分级标准对内插结果进行分级,所得的空间分布图能较好反映奉贤区主要农田土壤养分的空间变化特征和丰缺情况。各指标要素中,pH多中性偏酸,由西往东缓慢升高,土壤有机质、有效磷和速效钾含量总体较为丰富,区域内分布较均匀,碱解氮则呈现强烈的空间差异,东低西高、北少南多。因此,需根据土壤养分的空间分布情况,调整养分投入,进行变量施肥,以提高土壤养分利用水平,减少过量施肥带来的负面效应。

4 结论

目前,奉贤区主要农田土壤养分含量总体较为丰富,除土壤碱解氮平均含量处于3级标准外,其他田块的养分平均含量处于1级和2级标准,4级、5级标准的田块较少;各土壤养分含量在空间上有较好的分布格局,有机质、有效磷、速效钾和pH的空间变化较均匀,而碱解氮有明显的区域分布特征,变化较大。2009—2018年定位监测点的土壤养分数据表明,奉贤区农田土壤有机质含量呈逐年上升趋势,碱解氮、有效磷和速效钾含量较高,年际变化相对较大。