新疆耕地土壤氮磷钾养分供应量分析

马伟栋，陈英花，王 飞，危常州

(1.石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆石河子 832003；2. 新疆维吾尔自治区土壤肥料总站,乌鲁木齐 830049)

0 引 言

【研究意义】土壤养分供应能力是土壤肥力的综合表现，是确定作物施肥量的重要指标。1956年国家开展了第一次全国土壤普查，全面调查土壤资源，合理利用和改良土壤[1-2]。1979年我国进行了第二次土壤普查，对全国耕地养分含量和生产力进行了全面的评价和调查[1-3]。从第二次全国土壤普查至今，随着农田施肥量迅速增加，作物产量显著提高，土壤的养分供应能力已经发生了显著变化。了解土壤养分供应量的变化对农田生产具有重要意义。【前人研究进展】近年来有学者对新疆部分地区耕地土壤进行研究[4-6],通过不同分析方法探明了部分地区土壤养分含量变化情况，对养分丰缺程度进行判断。【本研究切入点】目前发表的文献均为小区域尺度的研究，对新疆耕地土壤总体的养分供应状况仍缺乏相关的研究。【拟解决的关键问题】采用全国测土配方施肥行动在新疆各地开展的“3414”产量数据，以及有关新疆地区土壤科学、施肥有关的文献数据，对新疆南北疆耕地土壤的氮、磷、钾养分供应能力进行定量评价，为耕地质量评价提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 施肥数据

土壤养分分级指标参照全国第二次土壤普查时建立的土壤养分含量分级标准[7]。

选取采集数据时间2003～2009年。选用“3414”方案中2水平下的N0P2K2计算土壤氮素养分供应量(阿拉伯数字代表施肥水平，下同)，N2P0K2计算土壤磷素养分供应量，N2P2K0计算土壤钾素养分供应量，合计2 086条。土壤氮磷钾依存率选用“3414”方案中2水平下的N0P2K2、N2P0K2、N0P0K2作物产量与N2P2K2处理下农作物产量的比值，合计1 516条。

土壤养分供应量(kg/hm2)=籽粒产量×植株籽粒养分含量+茎叶产量×植株茎叶养分含量；

土壤氮 (磷、钾) 依存率(%)=无肥区农作物量/完全施肥区农作物产量×100。

1.1.2 文献数据

采集中国知网，检索关键词包括：新疆、氮素、氮肥、磷素、磷肥、钾素、钾肥、施肥、土壤养分、高产栽培、膜下滴灌、作物产量等包含施肥试验以及无肥对照和相应产量数据的文献，共获得有效文献361篇。如文献中已报道土壤养分供应量(作物养分吸收量)则采用报道的数据。如无此数据，则通过不施肥处理的作物产量计算土壤养分供应量。

土壤养分供应量(kg/hm2)=(不施肥处理作物产量/100×作物100 kg产量所需养分 )[8]。

1.1.3 “三区示范”数据

“三区示范”是全国测土配方施肥行动中为了验证优化施肥方案设计的试验，包括无肥处理、农户常规操作处理、优化施肥方案处理(即“三区”)，数据量为287条。土壤养分供应量采用无肥处理的作物产量换算出土壤养分供应量。

1.2 方 法

新疆南疆、北疆自然地理条件基本封闭，且差异较大。即以南疆、北疆、东疆3个自然地理区域将全疆分为3个子区域。将所获取资料按南、北、东疆3部分分类，剔除少量异常值，剩余数据按照3个分区，以平均值±3倍标准差为标准，低于均值的下限或上限即认定为异常值加以剔除。超过90%的数据为有效样本。表1

表1 数据有效性判别Table 1 Data validity discrimination results

1.3 数据处理

用Microsoft Office Excel 2016计算平均值、标准差、偏度、峰度、变异系数等数据统计分布特征，Origin 2019b 进行空间分析及分布图的制作。对新疆各地区耕地土壤供应的氮、磷、钾的能力以及分布特征进行评估与分析。

2 结果与分析

2.1 耕地土壤供氮量数据变异

研究表明，新疆北疆、南疆、东疆地区耕地土壤平均供氮量分别为177.63、172.52和177.78 kg/hm2。北疆、南疆、东疆的土壤供氮量数据变异系数介于13.45%～28.67%，属于中等变异。北疆地区土壤供氮量数据偏度为0.72，呈现略微偏态，土壤供氮量位于北疆平均供氮量附近的数据居多，平均值具有高度的代表性；南疆地区土壤供氮量数据偏度为-0.18，对称性较好，峰度为0.98，数据集中性好，数据接近正态分布；东疆地区数据变异程度较小，大部分数据的土壤供氮量低于平均值，区域差异性大。图1

图1 土壤氮素供应状况Fig.1 Soil nitrogen supply status

2.2 耕地土壤供磷量数据变异

研究表明，北疆、南疆、东疆地区耕地土壤供磷量分别为81.11、77.19和82.99 kg/hm2。3大区域土壤供磷量数据变异系数介于28.06%～32.49%，属中等变异。北疆、南疆地区土壤供磷量分布呈现偏态分布，数据峰度值均较高，土壤供磷量在小范围内有较高的出现频率，偏度系数均大于1.2，处于平均值附近的供磷量数据较多，但地区间供磷量极值较大。东疆地区土壤供磷量数据峰度值较低，数据分布为分散，土壤供磷量差异较大。图2

图2 土壤磷素供应状况Fig.2 Soil phosphorus supply status

2.3 耕地土壤供钾量数据变异

研究表明，北疆、南疆、东疆地区耕地土壤供钾量分别为216.76、229.71、208.46 kg/hm2。3大区域土壤供钾量变异系数介于19.26%～26.86%，均属于中等变异。北疆、南疆地区土壤供钾量的偏度值均趋于0，土壤供钾量数据峰度值的绝对值相近，在平均值左右分别有相对较大的密度分布，土壤供钾量分布较均匀；东疆地区偏度值为-0.37，大部分土壤供钾量数据低于东疆平均值，说明区域性差异较大。图3

图3 土壤钾素供应状况Fig.3 Soil potassium supply status

2.4 耕地土壤氮磷钾养分依存率变化

研究表明，全疆土壤氮磷钾平均依存率为59.92%、67.00%、73.96%。北疆地区土壤氮磷钾养分依存率分别为61.86%、69.86%、75.03%；南疆地区土壤氮磷钾养分依存率分别为60.01%、64.95%、71.88%；东疆地区土壤氮磷钾养分依存率分别为49.69%、58.10%、52.41%。北疆地区土壤养分依存率普遍较高，东疆地区较低，土壤养分依存率：钾>磷>氮。3个区域比较，东疆地区作物对土壤的养分依存率最低，南疆、北疆作物对土壤养分依存率非常接近。图4

图4 三大区域土壤养分依存率变化Fig.4 Soil nutrient dependence rates in three regions

2.5 自2000年以来新疆土壤氮磷钾供应量的变化

研究表明，自2000年以来新疆土壤供氮量在总体上呈现出先减小后增大的的趋势，现阶段新疆土壤平均供氮量为 199.50 kg/hm2，且达到近20年最大值；土壤供磷量在近20年总体上呈现逐渐上升趋势，现阶段新疆土壤养分供磷量为90.33 kg/hm2，相较于2000～2003年增加19 kg/hm2；现阶段新疆土壤供钾量为204.34 kg/hm2，近20年土壤供钾量总体表现出先增加后下降的趋势,在2012～2015年土壤供钾量达到近20年来的高峰(225.20 kg/hm2)。图5

图5 不同年份新疆土壤养分供应量变化Fig.5 Changes of soil nutrient supply in Xinjiang in different years

2.6 现阶段土壤养分与全国第二次土壤普查的比较

研究表明，自2000年以来全疆土壤碱解氮含量平均值为69.02 mg/kg，与全国第二次土壤普查的土壤碱解氮含量相比增加了10.38 mg/kg。自2000年以来土壤碱解氮含量与全国第二次土壤普查的碱解氮含量相比,除伊犁哈萨克自治州和塔城地区外，其它地区均有所增加，但全疆大部分地区土壤碱解氮含量仍低于90 mg/kg，处于缺乏水平。

自2000年以来全疆土壤有效磷含量平均值为20.40 mg/kg，是全国第二次土壤普查有效磷含量的近3.3倍，研究涉及所有区域土壤有效磷含量均达到中等及以上水平。

自2000年以来全疆土壤速效钾含量平均值为217.52 mg/kg，与全国第二次土壤普查的土壤速效钾含量相比下降了79.84 mg/kg。全疆(喀什地区除外)土壤速效钾含量水平也从偏高变为丰富。表2

表2 全国第二次土壤普查[9]与自2000年来土壤养分含量Table 2 Soil available nutrient content of the 2nd national soil surveys and state of the art

3 讨 论

碱解氮含量是反映土壤供氮能力的重要指标之一[10-11]。土壤有效磷水平是影响作物产量、评价土壤肥力的重要指标之一[12-13]。土壤速效钾含量是衡量土壤钾素养分供应能力的现实指标,可以代表目前及近期内可供植物吸收利用的钾的含量[14-15]。土壤养分供给能力是评价土壤肥力的重要指标，土壤供肥能力越高，作物越容易获得持续高产和稳产[16-17]。研究中，新疆耕地土壤当前供氮量为199.50 kg/hm2，供磷量为90.33 kg/hm2，供钾量为 204.34 kg/hm2。土壤养分依存率是指无肥区地上部养分吸收量与施肥区地上部养分吸收量之比，可以用于反映基础地力水平养分的供应能力。作物对土壤氮磷钾平均依存率分别为59.92%、67.00%、73.96%，新疆耕地中最短缺的元素是氮素，氮素对作物增产效应最强，增产效应次之的是磷，最后是钾，与新疆地区土壤有效钾含量高有关，由于常年施用磷肥，且磷肥在土壤中残留量大，使土壤有效磷含量逐年升高[18-19]，从全国第二次土壤普查全疆耕地土壤有效磷含量简单平均数从6.2 mg/kg上升到目前的20.4 mg/kg，相对提高了作物对土壤磷的依存率。从全国第二次土壤普查新疆耕地土壤有碱解氮含量简单平均数从58.64 mg/kg上升到目前的69.02 mg/kg，虽然获得了约17.7%的增长，但仍然处于缺乏范围，作物对土壤氮素的依存率最低。

全疆土壤养分含量总体变化与张丹[20]、田立文[21]等研究得出的结果一致。全疆各地土壤碱解氮增含量减幅度不一，喀什地区、巴音郭楞蒙古自治州增速最快，分别为52.3%、41.4%；塔城地区、伊犁哈萨克自治州土壤碱解氮含量分别下降25.8%、15.5%，这与种植作物的类型与施肥方式密切相关。新疆南疆及北疆沿天山一线地区以种植棉花为主，南疆部分地区以种植果树为主，棉花是一种相对经济效益较高的作物，为了高产高经济效益，这些作物上大量的氮肥施用[22-23]使得土壤碱解氮的含量明显提升。伊犁哈萨克自治州和塔城地区由于气候冷凉，作物以小麦、玉米、油葵为主，施肥量相对较低，土壤碱解氮含量有所下降，进而影响土壤供氮能力。研究区域内土壤有效磷含量增幅均超过50%，由于作物对磷的需求相对较少，长期过量施用磷肥势必造成土壤速效磷含量增加，且由于磷迁移能力弱，大量磷素在土壤表明积累，势必造成施肥增产作用下降、成本上升[24]。新疆地区土壤钾元素较丰富，农民传统上不注重对土壤钾的补充或补充的较少，导致土壤速效钾含量呈现不同程度的下降。注意到在2000～2019年期间，土壤钾素供应能力呈现增加-下降的规律，这可能与研究采用的是“作物养分携出量”衡量土壤的养分供应量，而作物产量除了受到施肥的影响，还与配套的农艺措施密切相关。此期间新疆以棉花为例，皮棉产量从104 kg/667m2提高到140 kg/667m2，这与此期间滴灌、地膜覆盖等技术广泛普及应用有关。由于栽培技术带动产量提高，相应提高了作物从土壤中吸收的钾养分。而当土壤缓效钾也开始耗竭，则土壤供钾能力下降。从土壤速效钾养分含量可以明显看到，与全国第二次土壤普查结果比较，当前新疆土壤速效钾含量普遍下降了30%～40%。

研究结果显示，新疆土壤碱解氮水平仍处于缺乏水平，土壤有效磷、速效钾含量则处于中等以上水平。针对目前现状，建议适当控制磷、钾肥的施用量，而精准定量施用氮肥。由于氮肥在土壤中转化途径多，在土壤中残留量少，且对作物的生长发育影响最显著，在施肥上要强调氮肥总量控制，并与作物氮素需求节律相匹配。加大秸秆还田是实现养分循环利用的有效手段，施用有机肥是培肥土壤、提高土壤养分供应能力的有效措施[25-26]。

4 结 论

现阶段新疆耕地土壤平均供氮量为199.50 kg/hm2，3大区域土壤供氮量东疆地区最高，北疆地区次之；土壤平均供磷量为90.33 kg/hm2，3大区域土壤供磷量东疆最高，南疆最低；土壤平均供钾量为204.34 kg/hm2，3大区域中南疆地区土壤平均供钾量最高，东疆最低。新疆耕地土壤碱解氮和速效磷含量都呈增加的趋势，而土壤速效钾含量明显下降。近20年来，耕地土壤供氮量和供磷量呈现增加趋势，而土壤供钾量则呈现降低趋势。