冬油菜主产区近40年土壤基本理化性质变化特征

2023-12-28霍润霞张哲李雯萍张洋洋廖世鹏任涛李小坤陆志峰丛日环鲁剑巍

中国农业科学 2023年23期

霍润霞，张哲，李雯萍，张洋洋，廖世鹏，任涛，李小坤，陆志峰，丛日环，鲁剑巍

霍润霞1，张哲2，李雯萍1，张洋洋1，廖世鹏1，任涛1，李小坤1，陆志峰1，丛日环1，鲁剑巍1

1华中农业大学资源与环境学院/农业农村部长江中下游耕地保护重点实验室，武汉 430070；2全国农业技术推广服务中心，北京 100125

【目的】探究近40年长江流域冬油菜主产区土壤基本理化性质的变化，明确冬油菜种植区耕地土壤综合肥力变化特征，以期为长江流域中低产田保育和土壤肥力改良提供科学依据。【方法】通过收集整理近40年国内外公开发表的文献及硕士、博士论文数据，分析长江流域冬油菜种植区土壤基础性质的时序变化特征，评估土壤综合肥力变化及其与土壤基础理化性质的相关性。【结果】1981—1990年长江流域冬油菜主产区耕层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH均值分别为18.54 g·kg-1、1.16 g·kg-1、8.60 mg·kg-1、42.90 mg·kg-1和6.26，2016—2020年这些指标的均值分别为25.60 g·kg-1、1.41 g·kg-1、18.66 mg·kg-1、108.98 mg·kg-1和6.31，40年来长江流域冬油菜区土壤基础理化性质得到很大程度的改善。其中土壤有机质、全氮年均增幅分别为1.2%和0.7%，土壤有效磷、速效钾含量年均增幅达3.0%和4.0%，土壤pH则在近40年内保持稳定（不同时段平均值范围6.21—6.45）。基于改进的内梅罗指数法评估表明，IFI（土壤综合肥力指数）值逐年上升，其中2001—2020年IFI均值较1981—2000年显著提高14.8%—30.4%。土壤有机质、pH、全氮、有效磷、速效钾与IFI呈极显著正相关性，通径分析表明土壤速效钾是影响冬油菜区IFI最大的指标，其次是土壤全氮和有效磷。【结论】近40年来长江流域冬油菜主产区的土壤基础理化性质和综合肥力显著提高。发展油菜种植有利于提高长江流域农田土壤生产力，是长江流域中低产田地力提升的有效途径。

长江流域；冬油菜；有机质；速效钾；土壤综合肥力指数；时序变化特征

0 引言

【研究意义】土壤地力是农业生产力的核心，是保障农业绿色可持续发展的重要基础。土壤地力水平与作物产量表现出显著正相关关系。良好的土壤条件能够为作物提供全部或者部分的必需营养物质[1]，提升耕地质量和生产力是实现作物高产稳产的重要途径[2]。【前人研究进展】已有研究表明，土壤基础地力水平与土壤有机质和养分含量呈显著正相关[3-4]。OLDFIELD等[5]进行的一项全球meta分析表明，土壤有机质提升显著促进作物稳产增产，随着土壤有机质含量的增加，玉米和小麦的每公顷平均产量分别增加10%和23%。黄少辉等[6]基于836个田间试验数据分析发现，冬小麦基础地力产量每提高1 000 kg·hm-2，基础地力贡献率提高8%。在一定程度上，土壤养分含量是反映土壤基础地力的重要指标[7]，养分因子与基础地力产量具有较好的拟合关系。在研究中选择正确且合适的土壤肥力指标是进行土壤肥力研究的关键，土壤物理、化学指标，如土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH，在土壤中含量相对稳定，测定方法也相对简单，对表征土壤肥力水平有很好的代表性[8-9]。李玉浩等[10]研究表明土壤速效钾、土壤有效磷含量和土壤pH分别是影响玉米、小麦和水稻基础地力贡献率的最关键因素。长江流域作为我国冬油菜主要种植区，其种植面积和产量均占全国油菜种植面积和产量的90%以上，邹娟[3]研究表明冬油菜生长发育过程中植株吸收的总氮量的57%、总磷量的70%、总钾量的80%，均来自土壤基础养分含量的贡献。因此，培肥土壤、提高耕地质量至关重要。【本研究切入点】前人多基于对某一特定区域或某一长期定位试验田土壤地力的研究，而较少关注区域尺度下油菜种植区耕层土壤基本理化性质的时序性变化特征。【拟解决的关键问题】本研究基于近40年公开发表的文献数据，对长江流域冬油菜区土壤基本理化性质进行整理分析，旨在探明该区域土壤基本理化性质时序变化特征，以便于充分了解和掌握油菜种植区土壤基础地力情况，为长江流域中低产田地力提升和油菜主产区的油菜科学栽培管理提供重要科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于Web of science、中国知网CNKI、万方、维普数据库，试验区域为长江流域，包括四川、重庆、贵州、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海等省（市）。选取1980—2020年在国内外公开发表的关于油菜产量及土壤理化性质的期刊文献、硕博论文等，检索区域为冬油菜种植区；中文检索词包括“油菜”“产量”“土壤”及其组合；英文检索词包括rapeseed yield，oilseed rape，soil及其组合。以此构建基础数据库（1980—2020），主要内容包括文献信息（期刊、作者、年份、题目）、试验点信息（试验年份、省、市、县）、土壤信息（土壤有机质SOM、全氮TN、有效磷AP、速效钾AK和pH）、栽培管理措施信息。筛选文献限制为大田试验，共检索出252篇文献。不同年代数据样本分布如表1所示。

表1 不同年代数据样本分布特征

其中，1981—1990年选取试验点主要分布于湖北、江苏、江西、湖南等省份，水田、旱地占比16%、84%；1991—2000年选取试验点主要分布于湖北、江苏、安徽、浙江等省份，水田、旱地占比为38%、62%；2001—2010年选取试验点主要分布于湖北、江苏、安徽、浙江省份，水田、旱地占比为47%、53%；2011—2015年选取试验点主要分布于湖北、安徽、江西、四川等省份，水田、旱地占比为72%、28%；2016—2020年选取试验点主要分布于湖北、安徽、江西、四川等，水田、旱地占比为80%、20%。

1.2 数据计算与分析方法

（1）土壤综合肥力评估

参考全国第二次土壤普查分级标准（表2），对土壤各养分指标进行分级标准化，本研究基于改进的内梅罗指数法[11]进行土壤综合肥力评估。

养分分肥力系数（IFIi）的计算公式为：

通过得到的养分分肥力系数计算养分综合肥力指数（IFI）：

式中，IFIi是土壤单一指标养分分肥力系数；x为土壤养分指标值；xa、xb和xc为指标等级阈值，主要参考第二次全国土壤普查标准（表2）；IFI为土壤综合肥力指数；Ave（IFIi）和Min（IFIi）分别表示所有养分指标分肥力系数的平均值和最小值；n表示参与计算的养分指标个数，本研究中n=5。

通过该方法标准化后，IFIi参数值介于0—3之间。标准化的优点在于相同参数间可比性较强；同一级别各属性分肥力系数较接近，可比性高，测定值超过上限时，分肥力系数不再提高，反映出作物对土壤属性的要求不是越高越好的实际。

表2 土壤理化性质分级标准

xa、xb、xc分别为土壤养分指标标准化中第三级、第二级和第一级分级的阈值

xa, xb, xcwere represented thresholds for the third, second, and first levels of soil nutrient index standardization, respectively

（2）数据分析与制图

采用Microsoft Excel 2013进行数据收集与整理。文献中出现的图形数据，采用GetData Graph Digitizer 2.25软件获得，制图和方程拟合采用Origin 8.0软件进行；采用SPSS 21.0进行差异性检验以及通径分析。

2 结果

2.1 土壤有机质和全氮

由图1-A可知，近40年长江流域冬油菜种植区土壤有机质含量总体呈现上升的趋势，年均增幅1.2%。从不同时间段的有机质变化均值来看（图1-B），1981—1990年土壤有机质平均含量为18.54 g·kg-1；1991—2000年和2000—2010年土壤有机质均值较1981—1990年分别提高了13.6%和15.6%。2011— 2015年和2016—2020年土壤有机质含量进一步增至27.06和25.60 g·kg-1，相较于2001—2010年分别提高了26.3%和19.5%（＜0.05）。

与土壤有机质时序变化特征相似，1980—2020年的长江流域冬油菜种植区土壤全氮含量同样呈现上升趋势（图1-C），年均增幅0.7%。不同时间段的土壤全氮均值表现为（图1-D），1981—1990、1991—2000、2001—2010年土壤全氮含量均值差异不明显，分别为1.16、1.17和1.16 g·kg-1；2011—2015年和2016—2020年，土壤全氮含量均值提高至1.34和1.41 g·kg-1，相较于2001—2010年全氮含量显著上升15.5%和21.5%（＜0.05）。

A、C 分别表示土壤有机质、全氮的1980—2020年分布特征的散点图；红色阴影部分表示95%的置信带。图B、D分别表示1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2015和2016—2020年土壤有机质、全氮分布箱线图。每个箱子的上下界分别表示25%和75%分位，箱子外的上下短线分别表示10%和90%分位，箱子内部的实线和虚线分别表示中值和平均值；用LSD方法检验处理间的差异显著性，箱子上方不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。下同

2.2 土壤有效磷和速效钾

近40年，长江流域冬油菜种植区土壤有效磷（图2-A）、速效钾（图2-C）含量显著增加，年均增幅分别达到3.0%、4.0%。不同时段来看，1981—1990年土壤有效磷含量均值仅为8.60 mg·kg-1；2001—2010年土壤有效磷含量（均值14.95 mg·kg-1）相较于1981—1990年增加了73.8%（＜0.05）；2011—2015年和2016—2020年土壤有效磷含量均值分别增至17.77和18.66 mg·kg-1，相较于2001—2010年土壤有效磷含量分别增加了18.9%和24.9%。

由图2-D可知，1981—1990年土壤速效钾含量平均仅为42.90 mg·kg-1；1991—2000年土壤速效钾含量相较于1981—1990年土壤速效钾含量显著提高85.1%（＜0.05）；2011—2015年和2016—2020年土壤速效钾含量均值分别达到102.24和108.98 mg·kg-1，相较于2001 —2010年土壤速效钾含量分别提高14.7%和22.4%。

A、C表示土壤有效磷、速效钾的1980—2020年分布散点图；B、D 表示1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2015和2016—2020年土壤有效磷、速效钾分布箱线图

2.3 土壤pH

长江流域油菜种植区土壤pH随时间变化不显著（图3-A）。从不同时间段的均值（图3-B）来看，1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2015和2016—2020年土壤pH均值分别为6.26、6.45、6.21、6.38和6.31，土壤pH范围分别为4.81—7.95、5.00—8.00、4.30—7.88、4.76—7.77、4.90—7.99。

2.4 土壤基础理化性质对土壤综合肥力的贡献

通过分析不同年代下土壤综合肥力指数发现（图4），土壤综合肥力指数随着时间的演变呈现上升的趋势，从不同时间段来分析1981—2000年土壤综合肥力指数均值范围为1.15—1.25，而2001—2020年土壤综合肥力指数均值范围为1.44—1.47，较1981—2000年显著上升了14.8%—30.4%。

图3 长江流域冬油菜种植区土壤pH时序变化特征（1980—2020）

图4 不同年代下土壤综合肥力指数（IFI）差异

土壤综合肥力指数与有机质、全氮、有效磷、速效钾呈现极显著正相关性，与pH呈正相关性（表3）。通径分析表明，全氮、有效磷、速效钾与土壤综合肥力指数（IFI）具有极显著的直接正相关。通径系数的大小反映了土壤指标与IFI的直接相关程度，通径系数越大表明对IFI的影响越大。在本研究中，对长江流域冬油菜区土壤综合肥力指数影响最大的是速效钾，其次是全氮和有效磷。

表3 土壤综合肥力指数（IFI）与土壤性质的相关和通径分析

不同指标后的上标**和*分别表示差异达到极显著（＜0.01）和显著（＜0.05）

The superscript ** and * after each index indicated that the difference was extremely significant (＜0.01) and significant (＜0.05), respectively

3 讨论

3.1 冬油菜主产区土壤有机质的变化

近40年来长江流域冬油菜区土壤有机质含量呈现逐年上升趋势，年均增幅1.2%。1990—2000年，随着油菜产量的增加，大量根茬碳投入土壤进而提高了土壤有机质含量。而近20年来（2001—2020年）由于国家实施测土配方施肥行动，持续推进农田科学平衡施肥，油菜产区土壤有机质含量也得到稳步提升。从多位学者的长期定位试验研究结果来看，长期平衡施用化肥能够保障土壤有机质、全氮含量不下降甚至略有提高[12-13]。例如王旭东等[14]在21年长期定位试验研究发现，长期不施用化肥导致土壤有机质下降了1.04 g·kg-1，而长期平衡施用化肥则可以保持土壤有机质含量不下降。本文研究结果还发现，2011—2015年和2016—2020年土壤有机质含量较2001—2010年显著提高了26.3%和19.5%，这与作物产量提高带来的根茬碳投入增加和秸秆还田率不断提高等有关。CONG等[15]通过分析4个冬小麦-夏玉米轮作长期定位试验点土壤碳含量变化特征发现，长期施用有机肥或秸秆还田土壤有机碳年均增幅可达到1.0 t·hm-2。查燕等[16]研究发现，连续20年秸秆还田条件下，东北黑土区春玉米农田基础地力产量提高了69.4%。在某一气候环境条件下，对作物产量的形成存在阈值，土壤有机质过低或过高对作物高生产力的形成都是不利的。HOWARD等[17]研究表明，土壤有机质和土壤功能之间的关系并不总是呈现一个线性增加的关系，从表层土壤有机碳（SOC）含量与土壤生产力的关系来看，存在土壤有机质上限阈值，为20 g·kg-1的SOC含量（相当于34 g·kg-1的有机质含量），超过此值后，SOC再增加不再影响作物产量。而我国大部分冬油菜种植区土壤有机质含量依然低于此阈值，仍需通过持续秸秆还田、提高畜禽粪污肥料化还田等措施进一步提高土壤有机质含量。

3.2 冬油菜主产区土壤速效养分的变化

除土壤有机质含量明显提升外，本研究发现近40年冬油菜主产区土壤有效磷含量显著提高。20世纪90年代初期，油菜主产区土壤有效磷含量普遍偏低，随着磷肥的大量施用，磷素在土壤中不断积累，有效磷含量随施磷年限呈现上升趋势。但由于磷的转化过程较复杂，仍有70%—90%的磷被固定在土壤中难以利用，磷肥利用效率显著下降[18]。近年来，随着磷肥、复合肥、作物专用肥料的长期施用，尤其是15-15-15三元复合肥的广泛应用显著补充了土壤磷库，到2010年土壤有效磷含量显著提升。由于作物对磷的吸收能力有限，长期且大量的磷投入会使土壤中磷库容量达到饱和状态，土壤中磷盈余量不断增加导致土壤有效磷含量也逐渐提高[19]。曹宁等[20]对我国磷肥需求预测表明，自1980年到2003年我国农田土壤磷累积盈余高达392 kg·hm-2，全国主要农田土壤有效磷含量均值已达到19 mg·kg-1。近年来大量研究表明秸秆还田不仅可以增加土壤中的有机质含量[21-22]，还直接补充了土壤中的磷库，同时秸秆还田提高了微生物磷的周转率进而提高土壤磷的有效性[23]。此外，我们发现2011—2020年来土壤有效磷含量高于40 mg·kg-1的油菜种植地占比可达7.8%（图2-a），环境风险增加。目前，长江流域土壤中的磷正在经历一个快速积累期，当磷的积累达到一定的饱和度时，其向外界的输出将迅速增加[24]。因此，需要重视磷肥的合理施用，精准施肥，提高磷肥利用效率，保障作物产量与环境安全。

近40年来，我国冬油菜主产区土壤速效钾含量得到显著提升。由于长江流域气候条件影响，土壤中速效磷、速效钾含量较低，而油菜是一种需钾量较多的作物，其需钾量相当于谷类作物的3倍，氮、磷、钾需求量之比达1﹕0.35﹕0.95[25]。自20世纪80年代初，由于经济条件限制，同时钾肥成本较高，农民往往忽略了钾肥的施用。90年代以后，随着氮、磷的不断投入，钾的缺乏成为产量的限制因素，农民开始重视对钾肥的投入，钾肥用量进入快速增长期。2005年后，国家开始推行秸秆还田，进一步增加了钾素的归还量，土壤速效钾含量显著提升。ZHU等[26]发现长期秸秆翻压还田促进了土壤中团聚体结构的形成，增加了大团聚体中碳和钾的积累。然而长江流域冬油菜种植地区速效钾含量差异较大（图2-c），仍有部分种植地区土壤速效钾含量较低，对于此类区域仍要重视钾肥的合理施用，为作物与土壤提供所需的养分。根据邹娟[3]、张洋洋[27]和朱丹丹[28]的研究结果，对于部分速效钾含量高于150 mg·kg-1的土壤，可以在秸秆还田的条件下，适当减少钾肥的施用，降低生产成本。李继福等[29]在稻-油轮作种植区进行的3年定位试验表明，在土壤供钾能力较强的田块上连续秸秆还田，水稻季和油菜季分别可以减少钾肥用量42.2%和31.2%，并能够维持作物产量水平。

3.3 冬油菜主产区土壤pH

本研究表明，冬油菜主产区土壤pH随时间变化不显著，不同时段平均值范围6.21—6.45。这种变化主要是由于自1980年冬油菜种植区域扩增而产生的。起初冬油菜多种植于湖南、江西等土壤pH较低的区域，随着种植面积的增加，酸性土壤所占比例减小，进而导致近40年来冬油菜主产区土壤pH没有显著差异。同时伴随近年来土壤有机质含量以及有效磷、速效钾含量的提高，降低了生态系统氮循环从而减缓土壤酸化过程。GUO等[30]表明，1980—2000年全国主要作物产区土壤pH均显著下降。本文研究同样表明，近40年来随着氮肥的大量施用，至2016—2020年油菜产区酸性土壤占比达到88.0%，表现出土壤酸化的趋势（图3）。主要是由于化肥的过量施用以及生理酸性肥料（如过磷酸钙、硫酸钾）的不合理施用，导致长江流域土壤偏酸性土壤pH呈现降低趋势。丛日环等[31]研究表明，长江中游油菜种植区土壤pH在6.0左右，部分三熟制种植地区土壤pH处于4.5—5.5。因此，在保证作物产量的条件下，减少氮肥用量以及增加有机肥料施用以减缓土壤酸化趋势。

3.4 冬油菜主产区土壤综合肥力的演变

本研究结果表明土壤综合肥力指数（IFI）随着时间的演变呈现上升的趋势，其中2001—2020年土壤综合肥力指数较1981—2000年显著上升了14.8%— 30.4%。土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾与土壤综合肥力指数呈极显著正相关性，速效钾对土壤综合肥力影响最大。土壤养分含量的提高带来土壤地力的提升，这与油菜种植带来的土壤肥力的提升关系密切[32-33]。张顺涛等[32]基于3周年轮作定位试验研究发现，油-稻轮作相比麦-稻轮作土壤有机质和有效磷含量在各施肥处理中分别提高了13.1%—19.2%和18.8%—59.5%，表明种植油菜在提高土壤肥力方面发挥了重要的作用。朱芸等[33]通过收集1990—2017年油-稻与麦-稻轮作体系发表文献数据，评估长江流域不同轮作体系周年养分收支平衡发现，油-稻轮作体系周年养分归还量高于麦-稻体系。尤其是秸秆还田条件下，油-稻轮作体系周年氮、磷、钾养分收支平衡量分别较麦-稻轮作高出30.9%、3.2%和28.7%。综上，长江流域冬油菜区仍需通过氮、磷、钾肥平衡施用、秸秆还田及有机肥施用等提升土壤有机质含量，保证土壤有效磷、速效钾含量处于适宜的农学阈值。同时也有研究表明，长江流域油菜种植区土壤中的速效养分尤其是硼、镁等元素仍存在缺乏的现象[34]，因此在我国长江流域冬油菜生产过程中，应注重化肥的合理施用，在做好氮磷钾肥科学施用的同时，要重视硼、镁等中微量元素的补充，有利于进一步提高油菜产量，保障食用油供给安全。

4 结论

长江流域近40年土壤基础理化性质总体得到改善。从不同时间段来看，土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量显著提高，土壤pH保持稳定。土壤综合肥力指数随着时间的演变呈现上升的趋势，近20年的土壤综合肥力指数均值较1981—2000年显著提高。随着国家测土配方施肥技术和秸秆还田的大力推广以及油菜自身的养地功能，长江流域冬油菜区土壤基础理化性质指标逐年提高，土壤综合肥力不断提升，对于保障农业绿色可持续发展极为重要。

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40 Years’ Change Characteristics of Soil Basic Properties in the Main Planting Area of Winter Oilseed Rape

HUO RunXia1, ZHANG Zhe2, LI WenPing1, ZHANG YangYang1, LIAO ShiPeng1, REN Tao1, LI XiaoKun1, LU ZhiFeng1, CONG RiHuan1, LU JianWei1

1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070;2National Agricultural Technical Extension and Service Center, Beijing 100125

【Objective】The objective of this study was to investigate the changes in basic physical and chemical properties of soils in the main winter oilseed rape producing areas in the Yangtze River Basin over the past 40 years, and to clarify the characteristics of changes in comprehensive soil fertility of arable land in winter rape growing areas, in order to provide a scientific basis for conservation and soil fertility improvement in low and middle yielding fields in the Yangtze River Basin.【Method】By collecting and organizing the data from published literatures, master’s and doctoral dissertations at home and abroad in the past 40 years, the temporal variation characteristics of basic soil properties in winter oilseed rape growing areas in the Yangtze River Basin were analyzed. Then the variation characteristics of integrated soil fertility (IFI) and its correlation with basic soil physical and chemical properties were evaluated. 【Result】The average values of soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and potassium, and pH in the main winter oilseed rape producing areas of the Yangtze River Basin were 18.54 g·kg-1, 1.16 mg·kg-1, 8.60 mg·kg-1, 42.90 mg·kg-1, and 6.26 during the period of 1981-1990, respectively, but enhanced to 25.60 g·kg-1, 1.41 mg·kg-1, 18.66 mg·kg-1, 108.98 mg·kg-1, and 6.31 by 2016-2020, respectively. Clearly, the soil basic physical and chemical properties have been improved extensively in planting area of winter oilseed rape in the Yangtze River Basin. The average annual increase rate was 1.2% in soil organic matter and 0.7% in soil total nitrogen. Soil available phosphorus and available potassium were enhanced by 3.0% and 4.0% per year, respectively. Soil pH remained stable in the past 40 years, with the mean range of 6.21-6.45 among different periods. Based on the improved Nemerow index method, soil IFI value was also found enhanced in the past four decades. Compared with the mean IFI in the period of 1981-2000, the value was significantly increased by 14.8%-30.4% during the period of 2001-2020. The IFI was positively correlated with soil organic matter, pH, total nitrogen, available phosphorus and available potassium. Path analysis showed that soil available potassium was the most important index affecting IFI, followed by soil total nitrogen and available phosphorus. 【Conclusion】The basic physical and chemical properties and comprehensive fertility of the soil was significantly improved in the past 40 years in the planting area of winter oilseed rape. Developing the planting area of oilseed rape would be benefit for soil fertility and productivity improvement in the Yangtze River Basin, especially for the farmland with low yield productivity.

Yangtze River Basin; winter oilseed rape; soil organic matter; soil available potassium; soil comprehensive fertility index; temporal variation characteristics