基于不同土类的多年化肥施用对土壤养分及丰缺分布的影响

2025-01-24康蓉崔银花赵凡赵学琳董孔军

安徽农业科学 2025年2期

摘要明确基于多年化肥施用对不同土类土壤养分及丰缺分布的影响，为科学施肥及土壤质量定向培育提供参考依据。应用灰色关联分析和回归模型及对应分析法，对榆中县分布面积较大代表性较强的6种土类1984—2021年37年间7次土壤监测结果结合化肥施用量对其间的关系进行动态与丰缺等级分布特点分析。结果表明，土壤有效磷与化肥施用量密切相关。不同土类平均pH为8.3为碱性级别。有机质平均为15.44g/kg，属于较缺的等级。全氮平均为0.99g/kg，在中等水平。有效磷平均为34.03mg/kg，属于较丰富水平。速效钾平均为189.18mg/kg，属于较丰富水平。土壤pH以黄绵土较高，pH在8.42左右。有机质以灰褐土与灌淤土最高，含量超过18g/kg。全氮以灰褐土与灌淤土最高，含量均超过1g/kg。有效磷以灰钙土最高，平均含量53.07mg/kg。速效钾含量以灌淤土、黄绵土较高，平均含量在196.37～221.9g/kg。根据不同土类养分丰缺分布特点，减少相应的化肥施用量（特别是磷肥），通过增施有机肥、秸秆及绿肥还田等措施增加土壤有机质是土壤质量定向培育的主要措施。

关键词土壤养分；土类；丰缺等级分布；对应分析

中图分类号S158"文献标识码A"文章编号0517-6611（2025）02-0145-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.030

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

EffectsofMulti-yearFertilizerApplicationBasedonDifferentSoilTypesonSoilNutrientsandDistributionofAbundanceandDeficiency—TakingtheChangesinYuzhongCountyfrom1984to2021asanExample

KANGRong，CUI"Yin-hua，ZHAOFan"etal

（AgriculturalTechnologyPromotionCenterofYuzhongCounty，GansuProvince，Yuzhong，Gansu"730100）

AbstractInordertoclarifytheimpactofyearsoffertilizerapplicationonsoilnutrientsanddistributionofabundanceanddeficiencyindifferentsoiltypes，greycorrelationanalysis，regressionmodel，andcorrespondinganalysismethodwereappliedtoanalyzethedynamicandabundanceanddeficiencyleveldistributioncharacteristicsofsevensoilmonitoringresultsofsixsoiltypeswithlargedistributionareaandstrongrepresentativenessinYuzhongCountyfrom1984to202"combinedwiththefertilizerapplicationrate.Theresultsindicatedthatsoilavailablephosphoruswascloselyrelatedtotheamountofchemicalfertilizerapplied.TheaveragepHofdifferentsoiltypeswas8.3"indicatinganalkalinelevel.Theaverageoforganicmatterwas15.44g/kg，whichbelongedtotherelativelydeficientlevel.Totalnitrogen0.99g/kg，atamoderatelevel.Effectivephosphorus34.03"mg/kgbelongedtoarelativelyrichlevel.Theavailablepotassiumwas189.18mg/kg，whichbelongedtoarelativelyrichlevel.ThesoilpHwashigherinyellowsoil，withapHofaround8.42.Theorganicmattercontentingraybrownsoilandirrigatedsiltsoilwasthehighest，exceeding18g/kg.Thetotalnitrogencontentwashighestingraybrownsoilandirrigatedsiltsoil，bothexceeding1g/kg.Thehighestavailablephosphoruswasfoundincalcareoussoil，withanaveragecontentof53.07mg/kg.Thecontentofavailablepotassiumwashigherinirrigatedsiltsoilandloesssoil，withanaveragecontentof196.37-221.9g/kg.Accordingtothedistributioncharacteristicsofnutrientabundanceanddeficiencyindifferentsoiltypes，reducingthecorrespondingamountoffertilizerapplication（especiallyphosphorusfertilizer）andincreasingsoilorganicmatterthroughmeasuressuchasincreasingorganicfertilizerapplication，returningstrawandgreenmanuretothefieldarethemainmeasuresforsoilqualityorientedcultivation.

KeywordsSoilnutrients;Soil;Abundanceanddeficiencygradedistribution;Correspondenceanalysis

耕地是农业最基本的生产资料，耕地的土壤状况直接关系农业产量。现代农业技术的应用是建立在土壤资源数量与质量特征明了的基础上。开展土壤肥力因素（水、肥、气、热）中人们较易控制的动态肥力因素即耕地土壤类型和土壤养分含量的动态监测研究，及时掌握有关耕地土壤养分的动态变化，探究变化的原因，是因土而宜、配方施肥、培肥改良土壤、逐步构建现代科学施肥技术体系、提高土壤肥力的重要基础工作。目前，常用的耕地土壤类型和土壤养分的调查，是与大规模的土壤普查一起进行的。全面的土壤普查能较全面地了解耕地的土壤养分现状及其动态变化，但由于耗资大，周期长，不可能多次持续进行。所以，在全面土壤普查的基础上，建立一个比较准确的耕地土壤养分动态监测体系是十分必要的。赵凡等^［1^］在2010年就榆中县1987—2006年耕地土壤肥力因子演变的变化程度用平均数假设测验的方法对6项肥力指标在2个年度间的变化程度进行了判定分析，为进一步实施测土配方施肥项目提供参考。莫治雄^［2^］在1993年应用对应分析研究土壤肥力水平与土壤因素之间的相互关系，效果较好。而与此相关的基于榆中县土壤土类的土壤养分较长期的变化及丰缺分布的研究鲜见报道。第二次土壤普查在1984—1986年进行，至今将近37年，榆中县种植业结构的调整和农户的施肥及耕作栽培水平的变化很大^［1^］。第二次全国土壤普查时对榆中县不同土类耕地土壤养分进行了取样测定。1991年10月，利用农业资源动态监测网点，对全县不同地区、不同耕地类型的土壤养分含量进行了监测。2017—2021年结合甘肃省耕地质量等级评价项目，参照以前土壤普查时取样地域及农业资源动态监测网点分布情况，连续5年对全县耕地进行了5次取样化验分析。为了系统地了解榆中县土壤养分在这37年的变化程度，笔者选取对土壤养分影响最直接的因素——化肥施用量作为参数，以1984—2021年7次耕地土壤养分监测结果结合每次调查时的化肥施用量对其间的关系进行动态分析，并就目前全县土壤不同土类土壤养分常规项目（pH、有机质、全氮、速效磷、速效钾）的丰缺等级分布特点进行分析探讨，对制订切实可行的土壤质量定向培育措施等具有一定的理论和现实意义，也为推广化肥减量增效新技术、新产品、新方式“三新”技术模式，逐步构建现代科学施肥技术体系，持续推进测土配方施肥，优化施肥方式，调整施肥结构，通过多种途径替代部分化学肥料投入，提升施肥专业化、智能化、绿色化水平，提高化肥利用率，减少不合理化肥使用，千方百计降低农民用肥成本，提供参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

榆中县位于甘肃省中部干旱区，海拔1900～3671m。年降雨量350mm，蒸发量1450mm，年平均气温6.7℃，无霜期120d左右。现有耕地约7.07万hm2，土壤有黑垆土、灰褐土、灌淤土、灰钙土、红土、黄绵土、高山草甸土、亚高山草甸土8个土类，13个亚类，14个土属，11个土种。

1.2样品采集与分析

1984年第二次全国土壤普查全县采集592个农化样。1992年取样302个，以全县第二次土壤普查分类的土壤亚类为基本调查单元，在每个土壤亚类中再考虑耕地类型。样本分配到全县28个乡（镇）的8个土壤亚类中。2017—2021年的5次取样参照前2次取样的样点分布，共取样点840个。耕地土壤的取样根据地块的大小、肥力状况，采用对角线、棋盘式或蛇形取样方法，混合土样取不少于5个点并按“四分法”缩分，最后保留1 kg左右带回室内制备^［1^］。取土深度为20～25 cm的耕作层。

参照《土壤农业化学分析方法》用开氏消煮蒸馏法测定全氮含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量；用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定土壤有机质含量；pH用HI221酸度仪按2.5∶1水土比测定。

1.3土壤养分分级

选取具有土壤肥力代表性的pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾5项常用指标对土壤肥力变化程度及等级评价进行研究。土壤养分分级指标见表1。

1.4数据分析

对7次耕地土壤养分监测数据结果应用DPS 7.5统计软件和SPSS 22 统计软件的描述统计进行平均值、标准差、相关回归、灰色关联度及对应分析。灰色关联分析以动态过程为主，相关分析以静态研究为主^［3^］。

1.4.1 灰色关联度原理与方法^［3-5^］。

灰色关联分析方法是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度的“灰色关联度”作为衡量因素间关联程度的一种方法，灰色关联度分析对于一个系统动态历程发展变化态势提供了量化的度量^［3-5^］。

分别以全氮、速效磷、速效钾、pH、有机质、化肥施用量（折纯量）作为一个系统，进行灰色关联与相关分析。

1.4.2数据变换。

设有m个子序列和一个母序列，分别表述为{X1^（0^）（t）}，{X2^（0^）（t）}，…，{Xm^（0^）（t）}和{X0^（0^）（t）}，式中，X的上标（0）表示母序列和子序列均为原始数据，t= …，N为数据个数即序列长度。当不同种类的数据同处于一个母序列和子序列中时必须消除量纲后才能计算分析^［²^，4-5^］。采用标准化变换法处理原始数据^［²^，4-5^］。

1.4.3 关联度计算。经变换数据的子序列记为{Xi^（0^）（t）}，母序列记为{X0^（0^）（t）}。在t=k时子序列{Xi^（0^）（t）}与母序列{X0^（0^）（t）}可由下式计算关联系数^{［ 4}^，6^］：

r（x0（k），xi（k））="minimink|x0（k）-xi（k）|+ξmaximaxk|x0（k）-xi（k）||x0（k）-xi（k）|+ξmaximaxk|x0（k）-xi（k）|

记r（x0（k），xi（k））为r0i（k），r（X0，Xi）=1nnk=1r（x0（k），xi（k））=1nnk=1r0i（k）满足灰色关联公式，在计算中取0.5。r0i即r（X0，Xi）称为X0，Xi的灰色关联度，分辨系数为ξ，可以提高关联系数之间的差异显著性^［⁴^］，削弱因最大绝对差数值太大引起的失真。

1.4.4 对应分析法^［4，7^］。

应用对应分析法对不同土类各养分含量丰缺程度分布情况进行分析作图，可以比较直观地反映不同土类各个养分指标的丰缺程度分布。对应分析法（correspondence analysis，CORA）是通过分析由定性变量构成的交互汇总表来揭示变量间的联系，又称为R-Q型因子分析^［7^］，是一种多元统计分析方法，基于R型和Q型因子分析的基础上发展起来的综合了Q型和R型因子分析优点的方法，可以揭示不同变量各个样品之间的对应关系以及同一变量的各个样品之间的差异。关键是可以在相同公因子轴上把样品和变量的载荷反映出来，同时把众多的样品和变量做到同一张图解上以便于解释和推断样品和变量之间的联系。可在关联图上将各个样本都浓缩为一个点集合，把样品的大类及其属性也以点集合的形式明了而又直观地表示出来^［8^］；该方法能够将几组看不出任何联系的数据以一种视觉化的数据分析方法做成直观的定位图展现出来^［⁸^］。可以通过对应分析图较直观地显示不同土类土壤样本各养分含量丰缺等级分布情况。

2结果与分析

2.1榆中县不同土类的面积及分布比例

榆中县土壤的8个土类中高山草甸土、亚高山草甸土、红土3个土类中耕地面积占比很小，对分布面积较大、代表性较强的6种主要耕地土类进行研究。由表2和图1可知，灰钙土、灰褐土、黑垆土3种土类面积占总面积的93.88%。由于水热条件等成土因素（地形、地貌、水文、地质、气候等）受地形结构的影响差异较大，生物状况、气候截然不同，造成土壤分布组合相异，地处陇中黄土高原的榆中县大致分为西南部高山区、中部盆地区、北部低山区3个地貌单元。榆中县各地土壤无论在垂直方向和水平方向上差异都很大。

西南部高山区：山体相对高度在1 000 m以上，马衔山山坡陡峭，其主峰海拔3 670 m，是榆中县地势最高的地区^［9^］，这一地区降水丰沛，年降水量在500 mm以上。耕地土壤主要有亚高山草甸土、灰褐土。

中部盆地：有较多的土壤类型分布，情况较为复杂，各自的土壤组合分布依其所处地形部位而形成^［9^］。和平平原、定远至连搭平原、县城至三角城形成中部堆积平原，主要分布着黑垆土；灌淤土主要分布于青城的黄河河谷阶地及苑川河河谷两侧阶地，是榆中县粮食和经济作物的主要产地；黄土丘陵地区新营乡的东北部、东南部龙泉乡绝大部分土壤为与定西市大面积相连的黑垆土；榆中县黄绵土主要分布在盆地西部黄土覆盖下的高阶地丘陵地带，也有少量的灰钙土分布^［9^］。

北部山区：灰钙土及部分黑垆土集中分布在黄土丘陵低山区的北部山区^［9^］，榆中县土壤分布有较为明显的地带性特征，由南到北主要以亚高山草甸土—灰褐土—黑垆土（东北部、中部）—灌淤土（苑川河、黄河河谷阶地）—灰钙土（北部山区）分布。由东到西主要以黑垆土—灌淤土—黄绵土、灰钙土分布。

2.2榆中县不同土类的养分等级分布特点

从表3、图2可以看出，榆中县不同土类总体pH平均水平为8.3为碱性级别；有机质平均水平为15.44g/kg，属于较缺的等级；全氮0.99g/kg，在中等水平；有效磷34.03mg/kg，属于较丰富水平；速效钾为189.18mg/kg，属于较丰富水平。从变异程度来看，pH变异程度最低，属弱变异外，其余均属中等变异，变异程度表现为有效磷gt;速效钾gt;有机质gt;全氮gt;pH。

由图2可知，土壤pH以黄绵土、灌淤土较高；黑垆土、灰钙土居中，而灰褐土最低。几种土类均呈碱性及强碱性。由图3可知，灰钙土、黑垆土、黄绵土样本在碱性及强碱性等级中分布较为集中，灰褐土与灌淤土pH等级分布特征与其他3种土类相比特征比较明显。

有机质含量以灰褐土与灌淤土较高，含量超过18g/kg，其次是灰钙土、黑垆土、黄绵土，平均含量在14～15g/kg。由图3可知，灰钙土、黑垆土、黄绵土样本在缺与极缺等级中分布较为集中，灰褐土与灌淤土有机质样本等级分布偏向中等级别，等级分布特征与其他3种土类相比特征比较明显，这与pH等级分布特征相近，即有机质含量高的土类pH较低。

全氮含量以灰褐土与灌淤土最高，均超过1.0g/kg，其次是灰钙土、黑垆土、黄绵土，平均含量在0.9～1.0g/kg。由图3可知，灰钙土、黑垆土样本在较缺等级中分布较多，黄绵土样本在缺等级中分布较为集中，灰褐土与灌淤有较丰富级别样本分布。

有效磷以灰钙土最高，平均含量为53.07mg/kg，其次是灰褐土，平均含量为47.94mg/kg，黑垆土、黄绵土、灌淤土平均含量在34.61～36.65mg/kg。由图3可知，灰钙土样本分布偏向丰富等级，黄绵土偏向中等级别分布，黑垆土样本在较丰富级别分布较多，灌淤土等级分布与其他土类相比倾向性较强，特征明显。

速效钾含量变化幅度不大。以灌淤土、黄绵土较高，平均含量在196.37～221.9mg/kg。黑垆土、灰钙土平均含量在177～179mg/kg。灰褐土最低，在163mg/kg。由图3可知，黄绵土、灌淤土样本分布偏向较丰富级别，灰钙土样本分布偏向较缺级别，灰褐土样本等级分布偏向中等级别，等级分布特征与其他土类相比特征比较明显。

2.3年化肥施用量对土壤养分指标的影响

土壤养分与化肥施用量的关联系数为有效磷（0.7513）＞有机质（0.6825）＞全氮（0.6750）＞pH（0.5962）＞速效钾（0.5941）。

由表4可知，土壤有效磷与年化肥施用量相关系数达显著水平，5个土壤养分指标中有效磷也与年化肥施用量关联度最高。为了对比土壤养分指标随不同年份化肥施用量的变化情况，对数据进行无量纲转化。从图4可以看出，有效磷曲线与年化肥施用量曲线变化形状最接近。这说明1984—2021年，土壤有效磷的增加与化肥施用量的增加密切相关，土壤有效磷的提高与化肥施用量的增加是同步的，化肥施用显著影响了榆中县土壤有效磷。即化肥施用是土壤有效磷的最主要来源。这与崔增团等^［10^］对甘肃省几种主要农田土壤养分在1997—2001年的变化研究结果相近。从榆中县常规施用的磷肥种类来看，主要是含有效五氧化二磷（P2O5）的过磷酸钙、重过磷酸钙、钙镁磷肥、磷矿粉和含磷复合肥类（磷酸二铵、磷酸一铵）。磷肥施入土壤后移动或扩散速度慢，即土壤中的磷肥被作物吸收的只是非常小的一部分，而大部分都留在土壤中，往往可以在土壤中停留多年，具有累积效应。这也是土壤有效磷的增加与化肥施用量的增加密切相关的主要原因。对年化肥施用量与土壤有效磷之间进行线性回归模型拟合的模型方程为Y=2.193 4+31.833 8X（R2=0.738，R=0.859 "P=0.013 2）（图5），当年化肥施用量每增加0.1万t则土壤有效磷增加5.376 8 mg/kg。其他几个土壤养分指标与年化肥施用量相关不显著，土壤养分指标随不同年份化肥施用量的变化趋势不明显。

从养分整体状况来看，榆中县南部及西南部分布的灰褐土类土壤是经开垦、长期耕作熟化、培肥而形成。这类土壤经开垦种植后演变为耕种厚层灰褐土。土壤耕层呈灰褐色，属中壤质，团块状结构，较紧实，植物根多，孔隙多^［11-12^］。pH最低，有机质、全氮、速效磷含量为中上等水平，速效钾较低。

黑垆土主要分布在榆中县南部山区、中部盆地平川地及北部山区，黑垆土经开垦种植后形成耕种土壤黑麻垆土亚类^［11-12^］，与中部定西地区的黑麻垆土相连^［¹³^］，是甘肃省六盘山以西黑麻垆土的外缘部分。黑麻垆土是榆中县的主要农业产区土壤，榆中县只有一个黑麻垆土亚类，是农民精心耕作培肥的主要土壤。黑麻垆土属中壤质，团块状结构，较疏松，多植物根系与孔隙。pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾都在中下水平，较缺乏，pH在处于中间水平。

灰钙土主要分布在榆中县干旱和半干旱地带的北部、东部、西部山区。这类土壤是榆中县面积仅次黑麻垆土的土壤亚类，经开垦种植，形成耕种灰钙土。耕种灰钙土属中壤质，灰棕色，团块状结构，较疏松，多植物根系与孔隙，土壤通透性较好，质地轻，耕作适宜^［11-12^］。pH、有机质、全氮、速效钾都在中等水平，有效磷处于中上水平。

灌淤土主要分布在黄河和苑川河河谷阶地上，是土壤被开垦种植后经长期的灌溉耕作而发育形成的一种土壤，耕种历史较久^［11-12^］。由于该土壤所处水、热、地理条件较好，绝大部分均被当地农民作为经济来源的重要支柱用来发展经济作物。因此被精心耕作，土壤肥力较高^［13^］，在榆中县农业生产上的地位很重要。在灌溉耕作条件下土壤有机质层为灌淤熟化而形成质地均匀的轻壤、中壤土，颜色一般是棕灰色或暗棕灰色，结构为块状或团块状。pH、有机质、全氮在中上水平，有效磷在几个土类中处于最低水平，速效钾处于最高水平。

黄绵土主要分布在榆中县的东部、西北部，黄绵土是在黄土母质上直接耕作的土壤，所处地形多半有较大的坡度易遭受侵蚀，水土流失严重形成梁峁沟壑支离破碎的地貌类型，剖面层次由耕作层和母质层组成，除耕层比较疏松外，剖面土体其他性状和黄土母质相似^［11^］。黄绵土属中壤质，呈灰棕色，小块状结构，较疏松，植物根少，孔隙较少，适宜耕作^［^11-12^］。pH处于最高水平，有机质、全氮、有效磷在中等水平，速效钾处于中上水平。

3结论与讨论

土壤的酸碱性主要是受各种成土因素综合影响的结果，包括气候、母质、生物、地形、时间等^［14^］。榆中县土壤pH不同土类平均水平为8.3 为碱性级别，所有土类土壤均呈碱性。酸碱性对有机质和矿物质及微生物活性转化作用很重要，也影响养分的固定、迁移和释放^［15^］；当pHgt;7时磷及铁、锰、铜、锌等微量元素的有效性降低，植物常出现缺素情况。通过合理施用有机肥和含腐殖酸类的肥料、酸性或生理酸性肥料及秸秆还田措施来提升土壤有机质，提高土壤的保肥性和对酸碱的缓冲性^［16^］。

榆中县土壤有机质含量以分布在西南部的灰褐土、黄河和苑川河河谷阶地上的灌淤土为最高，含量超过18 g/kg，属中等肥力土壤。原因主要是高寒阴湿，气候冷凉，土壤微生物活动微弱，有机质分解缓慢^［12^］。含量中等偏下的有黑麻垆土、黄绵土、灰钙土等亚类，平均含量在14～15 g/kg。分布在川区及东北部的部分乡（镇）等地。主要是随单位面积索取生物量的增加，土壤有机质长期处于入不敷出的状态所致。加之东北部的山区降水稀少，植被覆盖度低，有机质分解快，加之长期将种植作物连根拔去，造成索取多，归还微乎其微，亏空现状。生产上应提倡推广秸秆还田^{［ 16}^］、尾菜还田等土壤有机质提升技术模式和有机肥施用技术^［¹⁶^］。

土壤全氮从1985年之后，施用量不断增加，在榆中县各类土壤中含量均较多，其平均含量达0.9～1.28 mg/kg，属中等偏下水平，有机质与全氮呈显著正相关关系^［10^，16^］。提升土壤有机质的同时，土壤全氮也同步增加，为了使土壤氮素维持平衡，可以通过施用有机肥、秸秆还田等措施，把直接或间接来源于土壤的有机质和秸秆中的大量氮素归还土壤，提升土壤氮素水平^［¹⁶^］。

榆中县土壤有效磷含量在34.61～53.07 mg/kg，属于较丰富水平，已从20世纪80年代（18.05 mg/kg）及90年代初（11.33 mg/kg）的中等较缺乏的状态变成较丰富的状态。其他几种养分也有变化^［1^］。土壤有效磷的增加与化肥施用量的增加密切相关，但磷肥施用量变化对作物产量影响的灵敏度较低^［17^］，减少施用量对作物产量的影响较小，生产上应提倡化肥减量施用技术，因为经过多年化肥施用技术的推广宣传，农民对磷肥的施用已成习惯，因此，今后施肥技术的推广宣传要从原来的号召提倡施用化肥变成减量施用化肥而增施有机肥方向转变。

土壤钾素主要来源于成土母质的含钾矿物分解和生物积累。作物所吸收的钾素总量中，秸秆部分占70%左右^［11^］。速效钾以肥力等级来衡量，榆中县基本不缺钾，但近20年来，由于种植结构的调整，全膜双垄沟播技术的大面积推广应用^［5^，18-21^］，种植作物由原来的小麦、豆类等产量较低的作物变成玉米、蔬菜等高产作物，从土壤中带走了大量钾素，这类高产作物对土壤养分的要求远高于小麦、豆类等作物。因此，生产上针对高产作物和喜钾作物，施用钾肥及进行秸秆还田等措施是产量的保证。

根据全县土壤类型、养分含量状况、气候条件、地貌类型、农业结构等因素以及经济水平状况，适当对耕种土壤划分区域，可为制定农业规划，进行农业结构调整、因土而宜，合理布局，科学施肥，完善耕作制度等提供依据^［11^］。

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