江西不同种植制度下耕地土壤pH值和养分现状分析

甘 豪，魏宗强，2，卢志红，2*，吴建富，2*，袁源远，贺子俨，朱安繁

（1.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌 330045；3.江西省土壤肥料技术推广站，江西 南昌 330046）

【研究意义】中国现代耕作制度是指一个地区或生产单位的农作物种植制度，以及与之相适应的养地制度相结合的现代农业技术体系，是中国农业发展的核心问题之一[1]。而作物种植制度是指一个地区或生产单位的作物组成、配置、熟制与种植方式总称，是耕作制度的中心，主要是根据作物的生态适应性与生产条件，确定作物种植结构与布局，作物种植次数以及作物种植方式等。因不同作物需肥特性不同，故不同种植制度会直接或间接地影响耕层土壤养分含量。【前人研究进展】王科等[2]研究表明不同种植制度下土壤pH 值、有效磷及有机质含量差异较大，全氮、速效钾及阳离子交换量（CEC）差异较小。张琳等[3]研究认为不同种植制度下土壤磷、钾含量的差异比氮含量的差异更显著。张顺风等[4]对冀中平原作物农业资源高效利用与种植模式优化进行了研究，研究表明不同的种植制度下其光能利用率、水分生产效益、产量、经济收益及农业资源利用效率都不同。合理的种植制度可以提高土、水、光和肥的利用率，有利于农作物的高产和可持续增产，提升土壤肥力[5-6]。吉艳芝等[7]研究表明在华北平原两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米产量分别比一年两熟和一年一熟提高22.16%和52.88%；15N 利用率比一年一熟提高26.12%，是华北平原未来较为理想的种植制度。

江西省农业耕作历史悠久，耕地面积308.913 3万hm2（国务院第2次全国土地调查），种植制度较多，有单种水稻、棉花、油菜、花生等，其中单季稻和双季稻最为常见；水旱轮作包括双季稻+油菜或+紫云英或单季稻+油菜或+紫云英或+烟草；旱作轮作如油菜+棉花、油菜+芝麻、麦+棉等；还有一些种养结合方式如稻田养鸭、稻田养虾、稻田养蟹等等。【本研究切入点】但近年来，涂起红等[8]通过对江西省耕地地力长达30年监测发现江西省土壤呈氮盈余、钾亏缺以及土壤酸化的状况日益显著。加之近年来，农村主要劳动力向二三产业转移后，大量耕地处于粗放、低效、撂荒的利用状态，难以维系精耕细作的种地与养地模式，呈现出种植结构单一化、连作化的趋势[9]。如何促进耕地地力的有效恢复并加以高效利用，首先需探明不同农作物种植制度对土壤养分的影响，方能采取相应的耕作技术措施，利于农业可持续发展。【拟解决的关键问题】本研究对江西省94个县（市）不同种植制度下具有代表性的4 188个耕地土壤的养分和pH 值测定数据进行分析，通过对比水田（稻-稻-闲、稻-闲）、水旱轮作（油-稻-稻、油-稻、肥-稻-稻、烟-稻）、旱作（油-棉、棉-闲）及其他9 种不同种植制度下土壤pH 和养分含量，研究栽种不同作物下土壤养分现状及影响因素，并对不同种植制度下土壤养分的特征加以分析。旨在探明不同种植制度下土壤养分的变化规律，为今后江西农业生产上采用合理的种植制度和与之配套的技术措施提供理论依据，促进江西现代农业生产的持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江西省是我国南方重要农业大省之一，地处长江中下游南岸，界于东经113°34′～118°28′，北纬24°29′～30°04′，属中亚热带湿润季风气候区，年均温约16.3～19.5 ℃。雨水充沛，河湖密布，多年平均年降雨量约1 638 mm，表现为南多北少，东多西少；山地多，盆地少，以山地丘陵为主的内陆环境。江西省耕地成土母质主要为第四纪红色黏土等酸性母质，地表主要发育有红壤、黄壤、水稻土、紫色土和潮土等。耕作制度以稻-稻-闲、稻-稻-肥、稻-稻-油、稻-油为主。

本研究土壤样品为2014 年采取江西省94 个农业县（市）具有代表性耕层土样4 188 个，种植制度以稻-闲、稻-稻-闲为主，其中稻-稻-闲占总样点的60.98%，稻-闲占总样点的21.97%，两者共占82.95%。其次是水旱轮作占总样点12.22%，其中油-稻-稻占总样点的5.01%；油-稻占总样点的3.82%；肥-稻-稻占总样点的2.72%；旱作中油-棉占总样点的2.22%；棉-闲占总样点的1.77%；烟-稻占总样点的0.38%。其他占总样点的1.13%（表1）。

表1 江西省不同种植制度Tab.1 Different cropping systems in Jiangxi Province

1.2 土样采集

2014年江西省土壤肥料技术推广站选取江西省94个农业县（市）具有代表性的定点监测耕地，采集其耕层土壤样品4 188个，样点空间分布见图1。一般在秋收后整地前未施肥时采集土样，采样时在每个监测田块按“S”型线路采集耕层土壤15～20个点，将各点土壤均匀混合，采用四分法留取1 kg土样装入布袋带回，置室内自然风干后，过尼龙筛，制备过1 mm和0.25 mm筛孔土样备后续养分、pH测定之用。

图1 江西省不同种植制度下土壤耕层采样点的空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil topsoil sampling points under different cropping systems in Jiangxi Province

1.3 测定指标与方法

土壤pH（水土比2.5∶1）和有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均按常规分析法测定[10]。

1.4 分级标准

土壤养分分级参考第二次全国土壤普查养分分级标准[11]，将有机质、碱解氮、有效磷、速效钾分为6级，分别代表丰富、较丰富、中等、较缺乏、缺乏和极缺乏；pH值分6级，分别代表强碱性、碱性、中性、微酸性、酸性、强酸性（表2）。

表2 土壤养分及pH值分级标准Tab.2 Standards for classification of the soil nutrient and pH status

1.5 数据分析

土壤养分数据均采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植制度对耕地土壤pH值的影响

从表3 可以看出，江西不同种植制度下土壤pH 值在4.1～7.9，平均值为5.36，总体属于酸性水平。方差分析结果表明不同种植制度下土壤pH 之间存在极显著差异（P＜0.01），其中pH 值均值以油-棉最高为5.75，且显著高于其他8种种植制度，烟-稻最低为5.09，仅与稻-稻-闲差异显著，而油-稻、棉-闲、肥-稻-稻、油-稻-稻、其他种植制度之间差异不显著；稻-稻-闲和稻-闲之间无显著差异。总体来看江西9种种植制度中pH 值＜5.5 的（除油-棉）占36.56%，其他各种植制度介于59.46%～93.75%，可见土壤酸化严重，稻-闲、稻-稻-闲或水旱轮作酸性土（pH 值在4.5～5.5）占比显著高于旱作，而水旱轮作（除烟-稻外）可改善双季稻田土壤酸性，尤其是肥-稻-稻能明显提高双季稻土壤pH。

表3 不同种植制度对耕地土壤pH值的影响Tab.3 Influence of different cropping systems on pH value of cultivated soil in Jiangxi Province

2.2 江西不同种植制度对耕地土壤有机质和养分含量的影响

2.2.1 不同种植制度对土壤有机质含量的影响从表4可以看出，江西不同种植制度下土壤有机质含量在9.0～65.5 g/kg，平均值为27.2 g/kg，总体属于中等水平。方差分析结果表明不同种植制度下土壤有机质之间存在极显著差异（P＜0.01），其中以肥-稻-稻土壤平均有机质含量最高，是棉-闲土壤有机质含量最低值的1.58倍，但肥-稻-稻与稻-稻-闲、稻-闲、油-稻、油-稻-稻土壤有机质含量之间无明显差异，却显著高于旱作种植制度。总体来看土壤有机质含量稻田比旱地高7.28～11.50 g/kg，双季稻田又高于单季稻田2 g/kg左右，水旱轮作土壤有机质均值肥-稻-稻比油-稻-稻、烟-稻分别高出1.57 g/kg和4.00 g/kg。

表4 不同种植制度对耕地土壤有机质含量的影响Tab.4 Influence of different cropping systems on organic matter content of cultivated soil in Jiangxi Province

2.2.2 不同种植制度对土壤碱解氮含量的影响从表5 可以看出，江西不同种植制度下土壤碱解氮含量在19.6～392.6 mg/kg，平均值为154.54 mg/kg，总体属于丰富水平。方差分析结果表明不同种植制度下土壤碱解氮之间存在极显著差异（P＜0.01），其中稻-稻-闲、稻-闲、油-稻-稻、油-稻、肥-稻-稻、其他种植制度之间差异均不显著，但均显著高于油-棉、棉-闲、烟-稻土壤碱解氮含量，而油-棉、棉-闲、烟-稻土壤碱解氮含量之间差异均不显著。整体来看，不同种植制度间平均土壤碱解氮最高值是最低值的1.33 倍。稻-闲、稻-稻-闲或水旱轮作（烟-稻除外）土壤碱解氮含量丰富（大于150 mg/kg）的占比高于旱作19.55%～32.01%，而土壤碱解氮较丰富和中等含量的占比旱作略高于稻-闲、稻-稻-闲或水旱轮作（烟-稻除外）2%～12%，其中油-稻和肥-稻-稻尤为突出，处于较丰富及丰富样点达到88.13%和82.46%，但油-棉、棉-闲和烟-稻3 种种植制度土壤碱解氮含量丰富水平占比低于其他种植制度15.34%～30.06%。

表5 不同种植制度对耕地土壤碱解氮含量的影响Tab.5 Influence of different cropping systems on alkali-hydrolyzale nitrogen content of cultivated soil in Jiangxi Province

2.2.3 不同种植制度对土壤有效磷含量的影响从表6 可以看出，江西不同种植制度下土壤有效磷含量在3.0～83.3 mg/kg，平均值为18.13 mg/kg，总体属于中等水平。单因素方差分析结果表明不同种植制度下土壤有效磷之间存在极显著差异（P＜0.01），其中稻-稻-闲土壤有效磷含量最高，与烟-稻、棉-闲之间差异显著（P＜0.05），但与其他6 种植制度之间无明显差异，不同种植制度间土壤平均有效磷含量最高值是最低值的1.72 倍。总体来说，稻-稻-闲或水旱轮作（除烟-稻）土壤有效磷含量大于20 mg/kg的占比高于旱作4.84%～18.19%，而土壤有效磷含量10～20 mg/kg 占比表现为旱作高于稻-闲、稻-稻-闲或水旱轮作（除烟-稻），约6.17%～24.87%，但在9 种种植制度中仍有19.00%～34.38%的土壤有效磷含量低于10 mg/kg，极其缺乏。

表6 不同种植制度对耕地土壤有效磷含量的影响Tab.6 Influence of different cropping systems on available phosphorus content of cultivated soil in Jiangxi Province

2.2.4 不同种植制度对土壤速效钾含量的影响从表7可以看出，江西不同种植制度下土壤速效钾含量在21～267 mg/kg，平均值为87.88 mg/kg。方差分析结果表明不同种植制度下土壤速效钾之间存在极显著差异（P＜0.01），其中棉-闲、油-棉、其他种植制度土壤速效钾平均含量超过100 mg/kg，但三者间差异均不显著，而稻-闲、稻-稻-闲、油-稻、肥-稻-稻、油-稻-稻土壤速效钾平均含量介于74.28～88.29 mg/kg，但差异也不显著。不同种植制度间土壤速效钾平均含量最高值是最低值的2.09倍。总体来说，9种种植制度下土壤速效钾含量均较低，其中土壤速效钾含量在30～100 mg/kg的占比为51.35%～78.57%，而土壤速效钾含量大于150 mg/kg的旱作占比明显高于稻-闲、稻-稻-闲或水旱轮作，约9.81%～21.19%。其中烟-稻制度下土壤速效钾含量极低，其土壤速效钾含量在30～50 mg/kg 土样占比为56.25%，大于150 mg/kg 的占比为0。

表7 不同种植制度对耕地土壤速效钾含量的影响Tab.7 Influence of different cropping systems on rapidly available potassium content of cultivated soil in Jiangxi Province

2.3 不同种植制度下各养分之间的相关性分析

不同种植制度下pH及各养分之间的相关性分析结果表明：稻-稻-闲土壤pH与有机质、碱解氮含量呈显著和极显著负相关，而与有效磷、速效钾含量呈显著和极显著正相关，相关系数分别为r=-0.046*、r=-0.051**、r=0.046*和r=0.068**；有机质含量与碱解氮、有效磷和速效钾含量呈正相关，但仅与碱解氮和速效钾含量关系极显著，相关系数分别为r=0.338**和r=0.095**，另外速效钾含量与碱解氮和有效磷含量呈极显著正相关，相关系数分别为r=0.079**和r=0.168**。

稻-闲土壤有机质含量与碱解氮、有效磷、速效钾含量呈正相关，与pH呈负相关，其中与碱解氮含量和pH 相关性极显著，相关系数分别为r=0.347**和r=-0.098**。另外有效磷和碱解氮、速效钾呈极显著相关，相关系数分别为r=0.174**和r=-0.170**。

油-稻-稻pH与有机质、碱解氮、有效磷含量呈正相关，与速效钾含量呈负相关，但均不显著；有机质含量与碱解氮含量呈极显著正相关，相关系数r=0.386**，与有效磷和速效钾含量呈显著相关，相关系数分别为r=-0.150*和r=0.146*。速效钾含量与有效磷含量呈极显著正相关，r=0.217**。

油-棉pH与有机质、碱解氮含量呈负相关，而与有效磷、速效钾含量呈正相关，其中与碱解氮含量相关性显著，与速效钾含量相关性极显著，相关系数分别为r=-0.226*和r=0.609**；有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量之间，仅速效钾含量与有效磷含量呈极显著正相关，相关系数r=0.296**。

在烟-稻、棉-闲、肥-稻-稻、油-稻及其他种植制度下pH 与有机质、碱解氮、有效磷、速效钾各养分含量之间关系或正或负，其中烟-稻pH 与各养分含量之间关系均不显著；棉-闲仅土壤有机质含量与碱解氮含量呈极显著正关系，相关系数r=0.298**；肥-稻-稻仅速效钾含量与有效磷含量呈极显著正相关，相关系数r=0.331**；油-稻土壤pH 与速效钾含量呈显著负相关，相关系数r=-0.160*，有机质含量与碱解氮和有效磷含量关系极显著，相关系数分别为r=0.320**和r=-0.237**；其他种植制度下有机质含量与碱解氮含量呈显著正相关，相关系数r=0.319*，pH 与速效钾含量呈极显著正相关，相关系数r=0.386**。

总之，不同种植制度下pH 与各养分相关性较为显著的主要表现为有机质含量与碱解氮含量之间呈现显著或极显著正相关；除棉-闲、油-稻-稻外，其他7 种种植制度下pH 与有机质、碱解氮含量均呈负相关。

3 结论与讨论

江西不同种植制度土壤各养分间存在显著差异，土壤有效磷、速效钾含量差异最大，土壤有机质、碱解氮含量差异次之，土壤pH 差异最小。这与众多研究[2-4]结果相一致。因为不同作物的需肥特性、生产上耕作、施肥、灌排等管理技术措施不一，对土壤养分含量、形态及其利用率不同。此外，耕地表层土壤养分分布特征及含量还与土壤类型、地质背景、土壤酸碱度等因素有关[12]。

3.1 不同种植制度对耕地土壤pH的影响

本研究表明，江西不同种植制度下土壤酸化严重，但不同种植制度下土壤酸化程度不一。从表8 可以看出，土壤pH 变异系数为10.13，属于低强度变异[13]。近年来很多研究[14-17]表明土壤pH 值呈下降趋势与生产中过量施用化肥尤其是氮肥和土地利用方式的变更密切相关。除油-棉制度外其他8 种种植制度的土壤大多呈酸性和微酸性，比例高达90%以上。其中稻-闲、稻-稻-闲或水旱轮作制度酸性土（pH值在4.5～5.5）占比显著高于旱作制度，这与汤智超[12]的研究结果一致。但相比之下水旱轮作可改善双季稻田土壤酸性，尤其是肥-稻-稻效果明显，这与黄国斌等[18]的研究结果相一致。其主要原因可能与绿肥还田有利于提高土壤有机质含量和阳离子交换量（CEC），改善土壤结构，增强土壤对酸碱的缓冲性能密切相关。另外值得关注的是在9 种种植制度中油-棉制度下酸性土为36.56%，占比最少；中性土占比最多，达到16.13%；甚至还有极少部分土壤呈碱性。其原因可能与油菜和棉花栽培中除施氮、磷、钾肥外，还经常以有机肥[19]、复合肥、猪粪尿[20]、饼肥[21]等做底肥或施强碱性硼砂有关。故今后加大对油-棉制度施肥方式的研究为减缓土壤酸化提供技术支撑。

表8 江西省不同耕作制度下耕地土壤pH和养分的变异系数Tab.8 Variation coefficients of soil pH and nutrients under different cropping systems in Jiangxi Province

3.2 不同种植制度对耕地土壤养分状况的影响

不同种植制度下土壤有机质和碱解氮含量整体处于较丰富水平，土壤有机质变异系数为29.25，碱解氮变异系数为32.82，两者均属于中等强度变异。因生产中偏施氮肥、作物秸秆还田量大幅度增加以及近些年实施土壤有机质提升计划项目、用有机肥替代部分化肥，土壤氮素含量和有机质含量显著增加。这与涂起红等[8]研究结果一致。本研究结果还表明除其他种植制度以外的8 种种植制度下土壤有机质与碱解氮含量均表现为稻田高于旱地，这与杨东伟等[22]的研究结果水田改旱地后土壤有机质含量和碱解氮含量下降相一致。分析其原因，可能是水田在淹水条件下，一方面土壤有机物矿质分解慢，主要以腐殖积累为主，而土壤有机态氮的矿化过程主要停留在氨化阶段，以NH4+-N 形态积累；另一方面大量化肥的施用导致生物产量大幅度提高，大量的根茬归还稻田；而旱作土壤处于好气状态，微生物对有机质的分解速度加快，残存有机质减少，且土壤有机态氮硝化作用增强，NH4+-N 含量下降，同时释放出NO和N2O，造成氮素的损失。此外水旱轮作土壤有机质和碱解氮含量肥-稻-稻＞油-稻-稻＞烟-稻，显然种植并翻压绿肥以及大量稻秆还田均能显著提高土壤有机质和碱解氮含量[23]。而油-棉、棉-闲和烟-稻土壤有机质和碱解氮含量丰富水平相比于其他种植制度低，但均值都在中等含量以上。据此生产中应该控制氮肥的过量施用。

不同种植制度下土壤有效磷含量均值处于中下等水平，变异系数为65.13，属于高强度变异。研究结果表明，稻-稻-闲或水旱轮作（除烟-稻）土壤有效磷含量大于20 mg/kg 的占比明显高于旱作，这与前人研究结果基本一致[24]。主要是因为土壤淹水后处于还原状态下，Fe3+被还原成溶解度更高的Fe2+，部分被氢氧化铁所吸持固定的闭蓄态磷得以释放，加上淹水后土壤pH趋于中性，土壤有效磷含量提高[25]。另因土壤有机质含量提高，能够活化土壤磷，使其有效磷提高。但在9 种种植制度中仍有19.00%～34.38%的土壤有效磷含量低于10 mg/kg，极其缺乏，可能因不同种植制度下磷肥施用量及其利用率存在差异，且磷在土壤中移动性慢，导致不同种植制度下土壤有效磷含量差异最大[26-27]。在部分种植制度下磷肥过量施用造成土壤磷素累积的现象较为严重[24]，土壤有效磷含量高达80 mg/kg 左右，而磷肥施用较少或不够重视的种植制度其土壤有效磷含量最低仅为3 mg/kg 左右。今后不同种植制度应因地制宜确定磷肥施用量和施肥方式，不断提高土壤磷的有效性及其利用率。

不同种植制度下土壤速效钾变异系数为52.75，属于高强度变异，含量差异仅次于土壤有效磷含量的差异。不同种植制度下土壤速效钾含量整体处于缺乏水平，土壤速效钾含量在30～100 mg/kg 的占比高达51.35%～78.57%，其原因可能与作物产量大幅度提高带走的多以及生产上钾肥施用量偏低有关。本研究中烟-稻制度下土壤速效钾含量极低，这与烟草对钾的吸收较多有关[28-30]。另外土壤速效钾含量旱地高于水田，这与杨东伟等[22]研究结果一致，通常在渍水还原条件下，土壤溶液中的Fe2+、Mn2+和NH4+增多，促使交换钾更多的进入溶液，一方面提高了钾素的有效性，另一方面增加了钾素的淋失。钾素作为植物生长的必需营养元素之一，对农业生产有着极其重要作用，因此应重视江西土壤钾素缺乏现状，适当增施钾肥。

研究结果表明江西耕地养分极其不平衡，不同种植制度下土壤酸化严重，土壤有机质及碱解氮含量丰富，有效磷含量适中，速效钾含量缺乏，这与涂起红[8]和任涛等[31]测定的土壤养分特征一致。稻-稻-闲或水旱轮作制度（除烟-稻）比旱作制度下土壤有机质、碱解氮和有效磷含量均较高，是适合江西省耕地保护和农业增产的重要种植制度，但在施肥中应适当控氮增钾同时改良土壤酸性；旱地油-棉、棉-闲以及水旱轮作中烟-稻的土壤碱解氮、有效磷含量均偏低，生产过程中应增施氮磷肥，而烟-稻还需注重钾肥的施用。总之，今后在农田养分管理中，结合不同种植制度对土壤养分的影响，按照“稳氮、控磷、补钾、配微”的总原则，更加注重因地制宜适量增加磷肥和钾肥比例，结合作物生长需求适当施用微肥，大力推广测土配方施肥、农作物秸秆还田、冬种紫云英、增施有机肥料等技术。针对土壤pH 酸化明显，适量施用石灰、钙镁磷肥等碱性肥料，且施用时可与农家肥一起施入土壤，或结合绿肥压青和秸秆还田进行[32]。总之，适应粮食生产形势变化，江西省作物结构要不断优化，作物布局更加合理、以发展高价值、高效益种植体系实现种植制度高效化，不断提高江西省农业现代化水平。