山西省主要農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分狀況與分布

解文艷，周懷平，關春林，張建杰，顏曉元，王書偉

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006；2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京210008）

土壤理化性質是土壤質量的重要指標[1]。作為土壤肥力的重要標志，速效N，P，K含量反映了土壤中N，P，K的現(xiàn)實供應狀況，對植物的生長發(fā)育起著十分重要的作用。土壤速效養(yǎng)分既受自然因素的影響，也受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的影響，其含量高低直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的好壞和環(huán)境是否安全[2-3]。土壤速效養(yǎng)分主要來自于土壤有機質的礦化和施入土壤中肥料的速效成分[4-5]。自第二次全國土壤普查以來，山西省農(nóng)村經(jīng)營管理體制、耕作制度、有機肥和化肥施用總量與作物品種結構都發(fā)生了巨大變化[6-7]。山西省不同農(nóng)田平均化肥用量為317.4 kg/hm2，其中，氮肥用量為181.8 kg/hm2。從化肥在不同作物的投向來看，蔬菜和果樹的施肥量明顯高于糧食作物和其他經(jīng)濟作物；山西省化肥施用極不合理，果樹和蔬菜氮肥施用過量，不施磷和鉀肥現(xiàn)象普遍存在[8]。同時，作物從土壤中攜帶出的養(yǎng)分量逐年增加，而以農(nóng)家肥、綠肥、秸稈還田等形式歸還的養(yǎng)分循環(huán)不容樂觀，施肥量及施肥技術的不平衡，導致了土壤養(yǎng)分或盈或虧的變化。

目前，土壤速效養(yǎng)分的研究日益廣泛和深入。土壤速效養(yǎng)分的現(xiàn)狀及空間變異性分析在縣、市、省等均有不同程度研究，并取得了一些進展[9-13]。由于研究區(qū)域和研究方法不同，前人獲得的結論也不盡相同。

本試驗通過對山西省土壤養(yǎng)分狀況及其分布進行研究，進一步明確山西省土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀，旨在為農(nóng)田的平衡施肥、提高作物產(chǎn)量、確保土壤環(huán)境安全等提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

山西省位于我國中部、黃河中游，太行山以西，東經(jīng) 110°15′～114°32′、北緯 34°34′～40°44′，屬暖溫帶、溫帶大陸性氣候；年均氣溫在3.7～13.8℃之間，其地區(qū)分布總趨向是自南向北、自平川向山地遞減；無霜期120～220 d，其分布特點是南長北短，平川長山地短；年均日照2 000～3 000 h，年降水量為380～650mm。全省土地總面積15.66萬km2，約占全國土地總面積的1.64%。1986年全省土壤普查資源匯總，耕地面積約373.2萬hm2。山西地形較復雜，境內有山地、丘陵、盆地、臺地等各種類型，整個地貌是被黃土廣泛覆蓋的山地型高原，海拔多為1 000～2 000m。農(nóng)作物以小麥、玉米為主，農(nóng)田土壤類型主要有棕壤、褐土、黃綿土、栗鈣土、草甸土等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

用于山西省農(nóng)田養(yǎng)分評價的土壤樣品于2007年秋收后，分別采自運城、臨汾、晉中、忻州、大同、朔州、晉城、長治和太原9個地（市），共采集樣本75個，根據(jù)耕地面積、土種類型和肥料水平進行布點采樣，利用GPS對采樣點進行定位，記錄經(jīng)度、緯度、海拔高度和土壤質地狀況等（樣點盡可能位于第二次土壤普查的地塊上）。土壤樣品分析由中國科學院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室負責完成。重點分析土壤有機質、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K、pH值等土壤理化性質[14]。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及制圖采用SPSS 13.0及ArcInfo9.2完成。

2 結果與分析

2.1 山西省主要農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分狀況

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要組成部分，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎條件。在水、熱、氣等條件協(xié)調適宜的前提下，土壤養(yǎng)分含量和供應狀況直接影響著作物的生長發(fā)育及其產(chǎn)量的高低。同時，土壤養(yǎng)分狀況也是合理施肥的直接依據(jù)。第二次土壤普查結果表明[15]，山西省土壤養(yǎng)分狀況可以概括為缺磷、少氮，多數(shù)鉀豐富。經(jīng)過24 a的土壤耕作演替，土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生了變化。

對全省耕層監(jiān)測土樣化驗分析表明（表1），土壤速效磷平均含量為（14.15±13.4）mg/kg，變幅為1.9～89.3mg/kg。

表1 山西省土壤速效養(yǎng)分描述性統(tǒng)計

表2 山西省土壤速效養(yǎng)分含量各級分布情況

根據(jù)全國土壤養(yǎng)分指標分級標準統(tǒng)計（表2），土壤速效磷主要集中在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級，約占84%；Ⅳ級以下缺少、極缺少磷的土樣占12%，較第二次土壤普查時的平均值6.76 mg/kg提高7.39mg/kg，增幅達109.3%，近年來磷肥倍受重視，推廣配方施肥、重視磷肥取得的成效顯著。

山西土壤速效鉀平均含量為141.80mg/kg，各監(jiān)測點所在縣的土壤速效鉀含量在54.0～338.0mg/kg之間。按照分級標準，其主要集中在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級，分別占16.00%，18.67%，36.00%，29.33%，屬中等水平以上，較第二次土壤普查時的131.9mg/kg增加9.9mg/kg。

山西土壤堿解氮平均含量為63.29mg/kg，變幅為23.0～144.0mg/kg。含量在120mg/kg以上的占1.33%；在120～60mg/kg之間的占56.00%；在60mg/kg以下的占42.67%。如果以堿解氮在60mg/kg以上即為供應能力中等的標準衡量，全省耕地在短期內供氮能力適中。

由此可見，山西省缺磷、少氮的耕地土壤面積在減少，土壤速效鉀含量豐富。

2.2 山西省主要農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分分布情況

按照地貌、土壤、氣候等因素，大致將山西省分為5個地理區(qū)域類型，即晉南、晉東南、晉西北、中部區(qū)、晉北。以這5個區(qū)域為最小單元，分析了山西省5個區(qū)域主要農(nóng)田土壤耕層速效養(yǎng)分的總體分布情況（圖1）。

2.2.1 土壤速效磷 磷素是作物重要的養(yǎng)分，它直接參與植物體中氨基酸、蛋白質、脂肪類合成與轉化等一系列生理生化反應，也是磷脂類和核蛋白的重要成分。土壤磷素含量高低一定程度反映了土壤中磷素的貯量和供應能力大小。土壤全磷的多少，取決于成土母質，農(nóng)耕地土壤全磷量多少與施用磷肥有一定關系。因此，土壤速效磷作為土壤磷素養(yǎng)分供應水平的指標[16]。

由圖1可知，5個區(qū)域耕層土壤速效磷含量與分布特點為：晉南、中部區(qū)、晉西北較高，大于全省14.15mg/kg的平均值，晉東南和晉北小于全省平均值，具有自南向北、自西北向東南降低的變化趨勢。

晉南：系指運城市和臨汾市。土壤速效磷含量平均為17.06mg/kg，變幅為4.23～89.30mg/kg（n＝27），位居全省第一。從分級上看，其主要集中于Ⅲ，Ⅳ級，分別占51.8%，29.6%。土壤速效磷含量處于適中水平。晉東南：系指長治市和晉城市。土壤速效磷含量平均為10.25mg/kg，變幅為5.55～21.57mg/kg（n＝7），低于全省平均水平。從分級上看，其主要集中于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級，分別占14.3%，28.6%，57.1%。

晉西北：系指呂梁市。土壤速效磷含量平均為14.80mg/kg，變幅為4.97～33.00mg/kg（n＝10），略高于全省平均水平。從分級上看，其主要集中于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級，分別占30.0%，10.0%，60.0%。表明耕層土壤速效磷含量比較豐富。

中部區(qū)：系指晉中市、太原市、陽泉市。土壤速效磷含量平均為15.91mg/kg，變幅為4.95～56.80mg/kg（n＝15），高于全省平均水平。從分級上看，其主要集中于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級，分別占13.3%，33.3%，40.0%。晉北：系指忻州市、大同市、朔州市。土壤速效磷含量平均為8.89mg/kg，變幅為1.93～27.60mg/kg（n＝16），比全省的平均值低5.26mg/kg。從分級上看，其主要集中于Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ級，分別占18.75%，37.50%，18.75%，18.75%。說明晉北耕地缺磷較重。

2.2.2 土壤速效鉀 鉀是作物體內許多酶的活化劑，能促進氮的代謝，加速蛋白質和碳水化合物的合成與運輸，增強作物的抗寒、抗旱、抗病、抗倒伏能力。土壤中的鉀主要來自土壤礦質部分，絕大部分是以難溶性的礦物形態(tài)存在，作物可利用態(tài)鉀很少。速效鉀是指水溶性鉀和交換性鉀的總和，可以被作物直接吸收利用。一般情況下，土壤速效鉀含量作為土壤供鉀的豐缺指標。

從山西省土壤速效鉀分布情況來看（圖1），土壤速效鉀呈自南向北降低的趨勢。

晉南：土壤速效鉀平均含量為165.9mg/kg，變幅為 54.0～338.0mg/kg（n＝27），比全省平均值高24.1mg/kg，位居全省第一。參照分級標準，其主要分布在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級，分別占29.6%，14.8%，44.4%，11.2%。晉東南：土壤速效鉀平均含量152.7mg/kg，變幅82.0～238.0mg/kg（n＝7），高于全省平均水平。

晉西北和中部區(qū)：土壤速效鉀的平均含量基本相同，分別為133.7，137.4mg/kg，均低于全省的平均水平。晉西北土壤速效鉀變幅為90.0～171.3mg/kg（n＝10），中部區(qū)的變幅為72.0～264.4mg/kg（n＝15）。

晉北：土壤速效鉀平均含量最低，為105.7 mg/kg，變幅為 58.0～159.8mg/kg（n＝16）。

2.2.3 土壤堿解氮 氮素是作物生長所必需的營養(yǎng)元素，土壤中氮素的豐缺及供給狀況直接影響作物生長發(fā)育的好壞。土壤堿解氮是衡量氮素水平高低的一個重要指標，能夠較靈敏地反映土壤氮素動態(tài)變化和供氮水平。

從全省來看，土壤堿解氮則呈現(xiàn)自東南向西北、自南向北降低的變化趨勢。由圖1可知，5個區(qū)域耕層土壤堿解氮含量與分布特點為：晉東南最高，其次為晉南和中部區(qū)，大于全省平均值63.29mg/kg；晉西北和晉北小于全省平均值。

晉南和中部區(qū)：土壤堿解氮平均含量分別為66.43，66.46mg/kg，變幅分別為 34.06～117.00 mg/kg（n＝27），25.00～84.00mg/kg（n＝15）。二者平均值與全省相差不大。

晉東南：平均含量為85.39mg/kg，變幅為65.77～144.00mg/kg（n＝7），位居全省第一。

晉西北和晉北：平均含量分別為55.59，50.19mg/kg，變幅分別為 32.89～78.00mg/kg（n＝10），23.00～72.78mg/kg（n=16）。

2.3 不同因素對山西省主要農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分的影響

山西省主要的土壤類型有褐土、潮土、栗褐土、黃綿土等，不同土壤類型理化性質差異是造成土壤速效養(yǎng)分空間分布差異的自然因素。但研究區(qū)域又是人為影響較明顯的地方，其輪作制度有一年一作、兩年三作、一年兩熟等，種植的作物有春玉米、春玉米—冬小麥—夏大豆、冬小麥—夏玉米、雜糧等，不同的土地利用方式下，人為因素又對土壤速效養(yǎng)分分布的差異造成影響。

首先，土壤速效養(yǎng)分的空間分布與土壤類型有一定的關系，將采樣點與土壤圖進行疊加分析（表3），栗褐土、黃綿土速效磷和堿解氮含量較低，分別為 5.61，5.88mg/kg 和 40.7，50.5mg/kg，由于成土母質、成土時間以及地形地貌等因素的影響，黃綿土與地帶性土壤栗褐土呈復域分布，二者的分布與成土條件相似。這2類土壤主要分布于呂梁山以西、忻州和雁北一帶，它們的發(fā)育演化雖亦進行著黏化、鈣積和腐殖質積累，但由于其地形坡度大，植被稀疏，保土能力差，沒有明顯的腐殖質層，因此，土壤速效養(yǎng)分含量較低。潮土和石灰性褐土是山西省開墾種植歷史悠久的土壤，長期的人為耕作施肥使土壤具有深厚肥沃的熟化表土層，同時，成土母質大都是由分水嶺和高地上的表土，經(jīng)過土壤侵蝕過程被水搬運在低平地堆積而來，營養(yǎng)物質較為豐富，因此，潮土和石灰性褐土的速效磷和堿解氮養(yǎng)分含量較高，分別為 17.96，19.64mg/kg 和 67.6，68.8mg/kg，速效鉀含量也較高，為141.5，143.6mg/kg。褐土與褐土性土所處的環(huán)境條件相對優(yōu)越，土壤條件也好，是理想的農(nóng)業(yè)土壤，但其不同程度地存在干旱問題，土壤速效養(yǎng)分處于中等水平。

表3 不同土壤類型下耕層土壤速效養(yǎng)分統(tǒng)計分析

其次，土壤速效養(yǎng)分的空間分布與土地利用方式和人為管理措施有關。按照土地利用方式（表4），山西省主要農(nóng)田耕層土壤速效磷大小比較為：果園＞春玉米—冬小麥—夏大豆＞春玉米＞冬小麥—夏玉米＞雜糧；速效鉀大小比較為：冬小麥—夏玉米＞果園＞春玉米—冬小麥—夏大豆＞春玉米＞雜糧；堿解氮大小比較為：春玉米—冬小麥—夏大豆＞冬小麥—夏玉米＞春玉米＞果園＞雜糧。晉南主要種植冬小麥、夏玉米、豆類、棉花、果園等，輪作制度一年兩熟或兩年三熟，主要土地利用方式為水澆地；中部區(qū)、晉東南多數(shù)以種冬小麥、春玉米、谷子、豆類為主，多數(shù)為一年一作或兩年三作，主要土地利用方式為旱地；晉西北作物有春玉米、谷子、果園、莜麥等，多數(shù)為一年一作。這些地區(qū)農(nóng)民從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性較高，農(nóng)業(yè)投入也相對較多，土壤速效養(yǎng)分含量水平較高。晉北主要種植莜麥、豆類、馬鈴薯等雜糧及油料作物，由于受堿化為害，農(nóng)民管理相對困難，加之當?shù)仄骄鶜鉁剌^低，種植作物類型僅限于一些雜糧和油料作物，農(nóng)民對農(nóng)業(yè)投入很少，土壤速效養(yǎng)分水平很低。

表4 不同土地利用方式下耕層土壤速效養(yǎng)分統(tǒng)計分析

3 結論

（1）山西省農(nóng)田土壤速效磷含量近24 a來大幅度提高。2007年土壤速效磷平均含量為14.15mg/kg，較第二次土壤普查（1983年）時提高7.39mg/kg，增幅達109.3%。從區(qū)域劃分看，土壤速效磷晉南最高，平均為17.06mg/kg；晉北最低，為8.89mg/kg。從分級水平看，各級比例均得到提高。其原因是20世紀80年代推廣“配方施肥，重視磷肥”。

（2）全省總體農(nóng)田的土壤速效鉀含量豐富，耕地土壤基本不缺鉀。2007年土壤速效鉀平均含量為141.80 mg/kg，較第二次土壤普查時增加了9.9mg/kg。5個分區(qū)中速效鉀含量高低順序為：晉南＞晉東南＞中部區(qū)＞晉西北＞晉北。

（3）全省農(nóng)田土壤的堿解氮平均含量為63.29mg/kg，若以堿解氮在60mg/kg以上即為供應能力中等的標準衡量，全省耕地在短期內供氮能力適中。

（4）不同的速效養(yǎng)分空間分布格局不同，受土壤類型、氣候條件、土地利用方式和人為管理措施等因素影響。山西省主要農(nóng)田耕層土壤速效磷具有從南向北、從西北至東南逐漸降低的趨勢；土壤速效鉀分布總體呈現(xiàn)從南向北降低的趨勢；土壤堿解氮則呈現(xiàn)自東南向西北、自南向北依次降低的趨勢。農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分的空間分布特征，可為農(nóng)田平衡施肥、提高作物產(chǎn)量及土壤環(huán)境安全等提供理論依據(jù)。

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