种植模式对鲁南地区潮土养分变化趋势的影响

闫 童，赵广中，郭学习，李西强

（1.临沂市河东区农业农村局，山东 临沂 276034；2.临沂市河东区汤头街道办事处，山东 临沂 276032；3.临沂市河东区凤凰岭街道办事处，山东 临沂 276041；4.山东锦鸿源生态农业有限责任公司，山东 临沂 276034）

潮土是河流沉积物在水流和人类长期耕作条件下形成的。潮土区土层深厚，土壤肥沃，是古代农耕民族主要的聚居地，也是我国粮食主产区的主要土壤类型，因此潮土的养分现状和变化趋势对于我国粮食安全极为重要。近年来不少学者针对潮土养分现状和变化趋势开展了深入研究［1-3］，也取得一定成果，但有关不同种植模式下潮土养分变化趋势方面的研究鲜见报道。不同作物的养分吸收效率不同，常年连作和盲目施肥极易造成土壤养分失衡。姜桂英［4］通过两年的试验研究发现，小麦-花生轮作模式下土壤碱解氮含量呈上升趋势，而小麦-玉米轮作模式下土壤碱解氢含量呈下降趋势。2006～2020年笔者课题组结合测土配方施肥、耕地质量保护提升等项目的实施，通过对潮土区不同种植模式耕地土壤养分含量进行分类统计，拟合养分的变化趋势，以期为潮土区耕地质量保护和种植业结构调整工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 项目区概况

本研究于2006～2020年在临沂市河东区进行。项目区位于山东省南部（118°22′～118°40′E、34°35′～35°20′N），属暖温带季风区半湿润大陆性气候，全区耕地面积30986.7 hm2，其中潮土面积为15200 hm2，共有2个亚类，2个土属，15个土种。潮土区主要种植的作物有小麦、玉米、花生、大蒜、桃树等。受传统种植习惯影响，农户的种植模式多年来变化不大。目前主要种植模式有粮粮轮作、粮经轮作、粮菜轮作、蔬菜连作、果树连作5种。粮粮轮作模式为小麦-玉米一年两作，粮经轮作模式为小麦-花生一年两作，粮菜轮作模式为大蒜-玉米一年两作，蔬菜连作模式是指大棚番茄-芸豆常年轮作，果树连作模式是指桃树、梨树等多年生果树常年连作。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 采样时间

粮粮轮作、粮经轮作和粮菜轮作模式土样在每年秋收后、施肥前进行采样，果树连作模式土样在果实采收后、第一次施肥前采集，蔬菜连作模式在夏季晾棚期间采集。不同种植模式调查点数量见表1。2007年及以后的土样采集点均在2006年取样点的原点上采集。

1.2.2 采样方法

采用“S”形状布点采样，每个样品采集10～15个点位进行混合。大田作物采样深度为0～20 cm，设施蔬菜和果树采样深度为0～30 cm。

1.2.3 样品处理与分析

样品采集后自然风干，根据测试需要研磨过筛。所有土样处理与分析均按照《土壤分析技术规范》［5］进行。

表1 不同种植模式下土样调查点数量 （个）

1.3 数据处理与分析

不同种植模式下土样采集点养分化验数据剔除异常值后计算平均数，数据利用Excel 2019统计分析与图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下土壤pH值的变化趋势

统计结果显示，2006年不同种植模式土壤pH值存在一定的差异，其中粮粮轮作模式土壤pH最高，为6.65（图1）。粮经轮作模式土壤pH最低，为5.62，果树连作、粮菜轮作、蔬菜连作3种模式的土壤pH值差别不大，分别为6.02、6.12和5.99。2006～2020年，5种不同种植模式土壤pH值均呈直线下降趋势，但不同种植模式土壤pH值的降幅不同。其中粮粮轮作模式土壤pH降幅度最小，2020年其土壤pH值为6.43，较2006年下降了0.22，平均每年下降了0.016。2020年粮菜轮作、蔬菜连作、粮经轮作、果树连作4种种植模式土壤pH值分别为5.74、5.68、5.29、5.63，分别较2006年下降了0.38、0.31、0.33和0.39，平均每年分别下降了0.027、0.022、0.024、0.028。不同种植模式土壤pH值与试验时间的拟合方程及相关参数见表2。

图1 不同种植模式下土壤pH值的变化趋势

表2 不同种植模式下土壤pH值与试验时间的拟合方程

2.2 不同种植模式土壤有机质含量变化趋势

2006年不同种植模式土壤有机质含量不同，其中蔬菜连作模式土壤有机质含量最高，其含量为24.6 g/kg（图2）；粮菜轮作模式次之，其含量为18.9 g/kg；粮经作物轮作模式最低，其含量为15.8 g/kg；粮粮轮作和果树连作模式土壤有机质含量分别为17.9和16.6 g/kg。2006～2020年5种不同种植模式土壤有机质含量均呈直线上升趋势，但不同种植模式土壤有机质含量的增幅不同，其中粮粮轮作模式土壤有机质含量增幅最大，2020年粮粮轮作模式下土壤有机质含量为23.8 g/kg，较2006年增加了5.9 g/kg，增幅为32.96%，平均每年增加了0.421 g/kg；果树连作模式土壤有机质含量增幅略低于粮粮轮作，2020年其土壤有机质含量为21.3 g/kg，较2006年增加了4.7 g/kg，增幅为28.31%，平均每年增加了0.336 g/kg；粮经轮作模式和粮菜轮作模式土壤有机质增幅相当，2020年2种模式土壤有机质含量分别为19.7和23.5 g/kg，增幅分别为24.68%和24.34%，平均每年分别增加0.279和0.329 g/kg；蔬菜连作模式土壤有机质含量增幅最小，2020年其含量为28.7 g/kg，较2006年增加了4.1 g/kg，增幅为16.67%，平均每年增加了0.293 g/kg。不同模式土壤有机质含量与试验时间的拟合方程及相关参数见表3。

图2 不同种植模式下土壤有机质含量的变化趋势

表3 不同种植模式下土壤有机质含量与试验时间的拟合方程

2.3 不同种植模式土壤碱解氮含量的变化趋势

统计结果显示，2006年蔬菜连作模式土壤碱解氮含量为259.3 mg/kg，明显高于其它种植模式（图3）。粮菜轮作和果树连作模式土壤碱解氮含量略低于蔬菜连作模式，但也处于较高的水平，其含量分别151.3和186.3 mg/kg。粮粮轮作和粮经轮作模式土壤碱解氮含量水平相对较低，分别为89.6和86.2 mg/kg。2006～2020年粮粮轮作、粮菜轮作和粮经轮作3种模式土壤碱解氮含量呈直线上升的趋势，2020年3种模式土壤碱解氮含量分别为125.1、123.9和178.6 mg/kg，分别较2006年增加了35.5、37.7和27.7 mg/kg，增幅分别为39.62%、43.74%和18.04%，平均每年的增量分别为2.54、2.70和1.95 mg/kg。2006～2020年蔬菜连作模式土壤碱解氮含量先下降又有小幅上升，呈多项式变化趋势（表4），2020年其含量为302.6 mg/kg，较2006年上升了43.3 mg/kg，增幅为16.70%，平均每年增加3.09 mg/kg。2006～2020年果树连作模式土壤碱解氮含量呈对数变化趋势，但回归曲线与观察值拟合程度较差。不同模式土壤碱解氮含量与试验时间的拟合方程及相关参数见表4。

图3 不同种植模式下土壤碱解氮含量的变化趋势

表4 不同种植模式下土壤碱解氮含量与试验时间的拟合方程

2.4 不同种植模式土壤有效磷含量的变化趋势

图4 不同种植模式下土壤有效磷含量的变化趋势

统计结果显示，2006年蔬菜连作模式土壤有效磷含量为212.3 mg/kg，明显高于其它4种模式（图4）。粮菜轮作和果树连作模式土壤有效磷含量也处于较高水平，分别为67.5和71.4 mg/kg。粮粮轮作模式和粮经轮作模式土壤有效磷含量水平略低，其含量分别为43.2和32.1 mg/kg。2006～2020年蔬菜连作模式土壤有效磷含量先大幅下降后又有小幅上升，其含量随时间呈多项式的变化趋势，2020年蔬菜连作模式土壤有效磷含量为175.6 mg/kg，较2006年下降36.7 mg/kg，降幅为17.29%，平均每年下降2.62 mg/kg。2006～2020年粮经轮作和果树连作模式土壤有效磷变化趋势类似，均呈直线上升的趋势，2020年2种模式下土壤有效磷含量分别为45.6和85.3 mg/kg，分别较2006年增加了13.5和13.9 mg/kg，增幅分别为42.06%和19.47%，平均每年增加了0.96和0.99 mg/kg。2006～2020年粮粮轮作和粮菜轮作模式土壤有效磷含量变化趋势类似，均呈多项式增长的趋势，但粮粮轮作模式土壤有效磷含量的增量和增幅均明显高于粮菜轮作模式，2020年2种模式土壤有效磷含量分别为65.3和73.2 mg/kg，分别较2006年增加了22.1和5.7 mg/kg，增幅分别为51.16%和8.44%，平均每年分别增加1.58和0.41 mg/kg。不同模式下土壤有效磷含量与试验时间的拟合方程及相关参数见表5。

表5 不同种植模式下土壤有效磷含量与试验时间的拟合方程

2.5 不同种植模式土壤速效钾含量变化趋势

统计结果显示，2006年蔬菜连作模式土壤速效钾含量为525.0 mg/kg，明显高于其它4种种植模式（图5）。果树连作模式土壤速效钾含量为276.0 mg/kg，低于蔬菜连作模式，但明显高于其它3种轮作模式。粮粮轮作、粮经轮作和粮菜轮作3种模式土壤速效钾含量分别为89.0、86.0和136.0 mg/kg。2006～2020年蔬菜连作模式土壤速效钾含量先大幅下降后又小幅上升，呈多项式变化趋势，2020年其土壤速效钾含量为411.2 mg/kg，较2006年下降113.7 mg/kg，降幅为21.66%，平均每年下降8.12 mg/kg。2006～2020年果树连作模式土壤速效钾含量呈直线上升的趋势，但是增幅不大，2020年其土壤速效钾含量为278.3 mg/kg，较2006年增加2.3 mg/kg，增幅为0.16%，平均每年上升0.83 mg/kg。2006年粮粮轮作、粮经轮作和粮菜轮作3种模式土壤速效钾含量均呈直线上升的趋势，2020年3种轮作模式土壤速效钾含量分别为142.6、116.3和171.6 mg/kg，增幅分别为44.04%、35.23%和26.18%，平均每年分别增加3.12、2.16和2.54 mg/kg。不同模式土壤速效钾含量与试验时间的拟合方程及相关参数见表6。

图5 不同种植模式下土壤速效钾含量的变化趋势

表6 不同种植模式下土壤速效钾含量与试验时间的拟合方程

3 结论与讨论

3.1 种植模式对潮土土壤pH值变化趋势的影响

土壤的酸碱平衡随气候条件［6］、管理措施［7］、土壤理化性质［8］、土地利用方式［9］等变化而变化，过量使用氮肥［10］和氮沉降［11］是造成土壤酸化的2个主要原因。姚静等［12］在对小麦-水稻、小麦-花生、小麦-玉米、设施蔬菜、陆地蔬菜、果园6种植制度土壤pH值调查时发现，小麦-花生轮作模式土壤pH值最低，仅为5.84，但其没有分析发生这种现象的原因。本研究结果表明，潮土区粮经轮作模式（小麦-花生轮作）土壤pH值最低，与前人研究结果一致。张亮等［13］研究发现，豆科植物固氮过程会产生H+，造成环境pH值下降，这可能是粮经轮作模式土壤酸化情况较其它几种种植模式更为严重的原因。笔者课题组在农户施肥调查中发现，粮经轮作模式农户年化肥投入量与粮粮轮作相当，且远低于蔬菜连作和果树连作模式，说明过量施肥不是造成粮经轮作模式土壤酸化加剧的主要原因，进一步证明我们推断的可靠性。2006～2020年潮土区5种种植模式土壤pH值均呈直线下降，2020年5种种植模式土壤均为酸性，其中粮经轮作模式土壤已经达到强酸水平；果树连作模式土壤pH值降幅最大，15年累计下降了0.39，按照目前趋势推算，10年内其土壤也将达到强酸水平。

3.2 种植模式对土壤有机质含量变化的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分，其含量和动态平衡能够反映出土壤的健康状况和土壤肥力水平，是评价土壤质量和土壤肥力的重要指标［14-15］。秸秆还田和有机肥施用是土壤有机质提高的主要措施［16］。王永鹏［17］研究发现，地膜覆盖栽培会造成土壤有机质下降。本研究结果表明，2006年粮经模式土壤有机质含量最低，且明显低于其它几种种植模式。2006～2020年粮经轮作模式下土壤有机质含量小幅上升，但其总体含量水平不高，且明显低于其它4种种植模式。目前临沂市花生多为地膜覆盖栽培，且其秸秆一般用作饲料，没有实施秸秆还田，因此，粮经轮作模式土壤有机质含量增幅较低。2006～2020年5种种植模式土壤有机质均呈直线上升的趋势，但不同种植模式有机质含量增加趋势存在一定差异，其中粮粮轮作模式土壤有机质含量增幅最大，蔬菜连作模式土壤有机质含量增幅最小。究其原因也可能与秸秆还田有关，小麦和玉米秸秆还田后，粮粮轮作模式土壤有机质含量大幅增加。而蔬菜连作模式土壤有机质含量增加主要依靠有机肥的投入，由于近年来蔬菜连作模式有机肥的投入量并没有明显增加，因此蔬菜连作模式土壤有机质含量增幅较小。

3.3 不同种植模式下土壤养分含量变化趋势的分析

姚静等［18］研究发现，不同利用方式下土壤养分含量明显不同，其中菜田养分含量较高，明显高于粮田和果园。笔者课题组在2006年全区土壤养分调查中发现［19］，菜田（含蔬菜连作和粮菜轮作2种模式）土壤有效磷、速效钾含量较高，土壤养分失衡；粮田（含粮经轮作和粮粮轮作模式）土壤养分含量稍低于全区平均水平，尤其是土壤有效磷和速效钾含量较低。针对以上状况，结合测土配方施肥技术成果［20］，笔者课题组在菜田上制订了“稳氮、降磷”的施肥指导方案，而在粮田上主要推广了测土配方施肥和秸秆还田技术。2020年调查结果显示，蔬菜连作模式土壤碱解氮含量为302.6 mg/kg，较2006年增加了43.3 mg/kg；土壤有效磷含量为175.6 mg/kg，较2006年下降了36.7 mg/kg；土壤速效钾含量为411.3 mg/kg，较2006年下降了113.7 mg/kg，土壤养分含量较高，且养分失衡状况得到了明显的改善。由图3、4、5可以看出，与2006年相比较，2020年粮粮轮作和粮经轮作模式土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量的增幅均明显高于其它模式，其土壤碱解氮含量的增幅分别达到了39.62%、43.74%，土壤有效磷含量的增幅分别达到了51.16%、42.06%，土壤速效钾含量的增幅分别达到了44.04%、35.23%，粮粮轮作和粮经轮作模式耕地地力明显提升。