吉林省黑鈣土農(nóng)田土壤養(yǎng)分時間變化特征

陳智文 李天祺 秦旭升 李思佳 杜會石

摘要：以第2次土壤普查資料為背景，2011年對吉林省雙遼市興隆鎮(zhèn)、長嶺縣太平山鎮(zhèn)、梨樹縣林海鎮(zhèn)、喇嘛甸子鎮(zhèn)的黑鈣土進行定位取樣，測定土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，研究吉林省黑鈣土區(qū)土壤養(yǎng)分的時間變化特征。結(jié)果表明：1982—2011年黑鈣土有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀均值分別增加了2.0 g/kg以及19.8、48.4、121.8 mg/kg，呈逐年遞增趨勢；不同采樣點土壤養(yǎng)分年增長率存在差異，實施秸稈覆蓋還田技術(shù)的長嶺縣、梨樹縣采樣點的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量年增長率大于未實施秸稈覆蓋還田技術(shù)的雙遼市采樣點。

關(guān)鍵詞：黑鈣土；土壤養(yǎng)分；時間；秸稈；還田

中圖分類號： S158文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0344-04

收稿日期：2015-03-18

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAD07B02）；吉林省重點科技成果轉(zhuǎn)化項目（編號：20140307034NY）；吉林師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計劃（編號：2013006）。

作者簡介：陳智文（1964—），內(nèi)蒙古赤峰人，教授，研究方向為土壤生態(tài)與新型肥料。E-mail：sdczw4489@126.com。吉林省黑鈣土多分布在松遼分水嶺兩側(cè)的波狀起伏臺地或微起伏平地，土壤中有機質(zhì)含量較高，并形成良好的團粒結(jié)構(gòu)，養(yǎng)分豐富，土壤潛在肥力高，適宜發(fā)展糧食和油料作物。黑鈣土開墾后，有機質(zhì)積累條件發(fā)生了改變，土壤有機質(zhì)迅速分解，同時地表裸露易遭到風(fēng)蝕、水蝕，腐殖質(zhì)層逐漸變薄、含量減少[1]。由于人口壓力、經(jīng)濟利益的驅(qū)動和開墾年限的增加，在農(nóng)戶粗放經(jīng)營與管理的模式下，黑鈣土區(qū)土地利用強度不斷增大，耕層土壤養(yǎng)分流失現(xiàn)象嚴(yán)重，直接影響土壤生產(chǎn)力，制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。張琦珠等研究了黑鈣土墾后肥力演變情況，認為其潛在肥力隨著耕作年限的延長不斷下降并失去平衡，作物產(chǎn)量受到限制[1]。本研究通過對比2011年測試的黑鈣土土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量與1982年土壤普查值，得出黑鈣土養(yǎng)分的年變化速率，據(jù)此分析吉林省典型黑鈣土區(qū)土壤養(yǎng)分時間變化特征，闡明黑鈣土土壤肥力現(xiàn)狀和變化特點，旨在為其合理利用及采取科學(xué)的農(nóng)田管理措施提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省雙遼市興隆鎮(zhèn)（43°87′N，123°84′E）、長嶺縣太平山鎮(zhèn)（44°21′N，124°56′E）、梨樹縣林海鎮(zhèn)（43°43′N，123°97′E）、梨樹縣喇嘛甸子鎮(zhèn)（43°29′N，124°13′E），地勢平坦，屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為4.9～5.8 ℃，年均降水量為400～550 mm，雨熱同季。該區(qū)原生地帶性植被為草甸草原，主要土壤為黑鈣土。雙遼市興隆鎮(zhèn)土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土，長嶺縣太平山鎮(zhèn)為壤質(zhì)黏土，梨樹縣林海鎮(zhèn)為沙質(zhì)壤土，梨樹縣喇嘛甸子鎮(zhèn)為壤質(zhì)黏土。

1.2土壤樣品采集

以1982年雙遼市、長嶺縣、梨樹縣的《土壤志》為依據(jù)選擇采樣點，利用GPS定位儀對雙遼市興隆鎮(zhèn)、長嶺縣太平山鎮(zhèn)、梨樹縣林海鎮(zhèn)和喇嘛甸子鎮(zhèn)進行定位采樣（圖1），采樣時間為2011年11月，按80 m×80 m網(wǎng)格劃分，以“S”形線路取樣，在每個網(wǎng)格采集5鉆耕層土壤（0～20 cm）混合均勻。

2結(jié)果與分析

2.1吉林省黑鈣土有機質(zhì)含量的變化特點

在相同氣候條件下，耕層有機質(zhì)含量主要受土壤質(zhì)地、耕作措施、利用方式等因素影響[5]。據(jù)全國第2次土壤普查分類標(biāo)準(zhǔn)，1982年本研究采樣點黑鈣土有機質(zhì)含量均值為 11.6 g/kg，處于Ⅳ級的較缺乏水平。2011年本研究采樣點有機質(zhì)含量均值為13.6 g/kg，雖然比1982年增加了2.0 g/kg，但仍處于Ⅳ級的較缺乏水平（圖2）。興隆鎮(zhèn)、太平山鎮(zhèn)、林海鎮(zhèn)、喇嘛甸子鎮(zhèn)等4個采樣點黑鈣土有機質(zhì)含量年增長率分別為 -1.61%、2.70%、0.28%、0.23%（表1）。黑鈣土未開墾時，原始土壤有機質(zhì)含量較高，達到40～70 g/kg，其礦化速率和有機物的累積速率處于平衡狀態(tài)。黑鈣土開墾以后，水、熱、氣等條件發(fā)生變化，自然土壤分解礦化和累積平衡被破壞，風(fēng)蝕、水蝕加劇。隨著耕作年限延長，在粗放經(jīng)營的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，大量秸稈被農(nóng)戶移走作為生活能源或在田間焚燒，有機質(zhì)歸還量降低，多年積累的有機質(zhì)被分解礦化，土壤有機質(zhì)生成量少于礦化量，土壤有機質(zhì)含量下降，多數(shù)農(nóng)田黑鈣土有機質(zhì)含量僅為自然土壤的一半[6]。20世紀(jì)80年代的家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，調(diào)動了農(nóng)民對土地投入的積極性，多數(shù)農(nóng)戶為了降低成本和培肥地力，施用來源廣、數(shù)量大、有機質(zhì)豐富的有機肥。通常情況下，施用有機肥可以增加土壤有機質(zhì)含量；但在黑鈣土地區(qū)，冬春兩季多大風(fēng)和干旱，土壤有機質(zhì)易被風(fēng)吹走而流失減少。實施秸稈覆蓋還田技術(shù)后，一方面秸稈覆蓋在耕地表層，另一方面秸稈覆蓋增加了土壤濕度，使土壤不易被風(fēng)吹起來，阻止土壤中有機質(zhì)被風(fēng)吹走和水土流失。除興隆鎮(zhèn)外，其他采樣點均實施了具有保肥、保水性的秸稈覆蓋還田技術(shù)，是土壤有機質(zhì)年變化速率增加的主要因素。

2.2吉林省黑鈣土堿解氮含量的變化特點

農(nóng)田氮素來源主要為化學(xué)肥料和家畜糞便等有機肥料。由表1得出，1982年4個采樣點黑鈣土堿解氮含量平均值為58.8 mg/kg；2011年土壤堿解氮含量平均值為78.6 mg/kg，比1982年增加了19.8 mg/kg，但仍處于Ⅳ級的較缺乏水平（圖3）。20世紀(jì)90年代以后，隨著市場上尿素等高氮肥料供應(yīng)充足，特別是近幾年國家一系列惠農(nóng)政策的實施，糧食價格上漲，農(nóng)民單位面積氮肥施用量大幅度增加，土壤氮素得到持續(xù)補充。此外，秸稈還田覆蓋為微生物活動提供了適宜的生態(tài)環(huán)境，促進了秸稈的分解轉(zhuǎn)化，增加了土壤中的腐殖質(zhì)和氮含量。興隆鎮(zhèn)、太平山鎮(zhèn)、林海鎮(zhèn)、喇嘛甸子鎮(zhèn)等4個采樣點的堿解氮含量年增長率分別為-1.09%、1.76%、2.35%、2.24%，其中興隆鎮(zhèn)土壤堿解氮含量呈負增長趨勢。這與有機質(zhì)含量的變化特點一致，可見在黑鈣土實施秸稈覆蓋還田技術(shù)不僅增加了土壤有機質(zhì)含量，而且增加了土壤氮含量。

2.3吉林省黑鈣土有效磷含量的變化特點

土壤有效磷含量反映了磷素貯量和供應(yīng)能力，1982年4個采樣點黑鈣土有效磷含量均值為3.3 mg/kg；2011年有效磷含量為51.7 mg/kg，比1982年增加了48.4 mg/kg，1982—2011年從Ⅴ級的缺乏水平到達Ⅰ級的極豐富水平（圖4）。

由表1可見，黑鈣土區(qū)4個采樣點土壤有效磷含量的年變化速率呈遞增趨勢。不同采樣點土壤有效磷的年變化速率大小次序為太平山鎮(zhèn)=喇嘛甸子鎮(zhèn)（14.70%）>林海鎮(zhèn)（1155%）>興隆鎮(zhèn)（5.81 %）。在第2次土壤普查時，吉林省黑鈣土區(qū)土壤有效磷含量處于Ⅳ級的較缺乏水平，農(nóng)業(yè)專家積極推動施用磷肥，施用磷肥后增產(chǎn)效果顯著，農(nóng)戶普遍重視磷肥施用；而太平山鎮(zhèn)農(nóng)戶施用底肥時，普遍在復(fù)混（合）肥中兌上50～ 100 kg/hm2的磷酸二銨，使土壤含磷量增加幅度較大。此外，秸稈覆蓋還田促使微生物在有機質(zhì)分解過程中能產(chǎn)生多種酸類物質(zhì)，促進土壤中難溶性磷向可溶性磷轉(zhuǎn)化，土壤有效磷含量增加[7]。大量研究表明，長期秸稈還田會增加土壤有效磷和全磷含量[8-9]。

2.4吉林省黑鈣土速效鉀含量的變化特點

黑鈣土中鉀素主要存在于次生黏土礦物和含鉀原生礦物中，是土壤鉀營養(yǎng)元素的主要來源。1982年4個采樣點黑鈣土速效鉀含量均值為82.0 mg/kg；2011年速效鉀含量為203.8 mg/kg，比1982年增加了121.8 mg/kg，1982—2011年從Ⅴ級的缺乏水平達到Ⅰ級的極豐富水平（圖5）。由表1可見，黑鈣土區(qū)4個采樣點土壤速效鉀含量的年變化速率，呈遞增趨勢。不同采樣點土壤速效鉀含量的年變化速率大小次序為太平山鎮(zhèn)（5.63%）>林海鎮(zhèn)（4.16%）>喇嘛甸子鎮(zhèn)（2.50%）>興隆鎮(zhèn)（1.30%）。1993年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所（SFI/CAAS）、加拿大鉀磷研究所（PPI/PPIC）和我國北方地區(qū)各有關(guān)單位合作，在北方地區(qū)全面系統(tǒng)地開展了土壤鉀素狀況、供鉀能力、施用鉀肥效益、鉀肥施用技術(shù)研究，吉林省農(nóng)業(yè)推廣單位和科研單位開始指導(dǎo)農(nóng)民施用鉀肥。高玉山等認為，吉林省半干旱區(qū)淡黑鈣土玉米合理施用鉀肥，促進了玉米生長發(fā)育，增強了光合作用，提高了光能、水分利用效率，增強了玉米抗旱力[10]。鉀肥在吉林省黑鈣土區(qū)施用表現(xiàn)增產(chǎn)效應(yīng)，多數(shù)農(nóng)戶普遍施用鉀肥和含鉀復(fù)混（合）肥，使土壤速效鉀含量逐漸增加。作物吸收的鉀素有70%～80%儲存在秸稈中，多以離子態(tài)存在，比氮、磷釋放速度快，易被作物吸收利用。研究指出，長期連續(xù)秸稈還田可顯著降低土壤對外源鉀素的固定，環(huán)境溶液中鉀素濃度從1 g/L上升到4 g/L[11-12]。因此，秸稈覆蓋還田是提高土壤有效鉀含量和維持土壤鉀素平衡的有效措施。

3結(jié)論與討論

3.1討論

1982—2011年吉林省黑鈣土區(qū)除興隆鎮(zhèn)有機質(zhì)、堿解氮含量呈負增長外，其他3個采樣點有機質(zhì)、速效養(yǎng)分含量均增加。20世紀(jì)90年代以來黑鈣土區(qū)多數(shù)農(nóng)戶增施有機肥料，研究證實施用有機肥料可顯著提高土壤有機碳及速效養(yǎng)分含量[13]。除興隆鎮(zhèn)外，其他3個采樣點均實施了秸稈覆蓋還田技術(shù)，作物秸稈富含的纖維素、木質(zhì)素等高含碳物質(zhì)，在分解轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生腐殖質(zhì)及作物所需的營養(yǎng)元素。隨著秸稈還田年限延長，土壤有機質(zhì)含量逐漸增加，這與有關(guān)黑土、草甸土等的研究結(jié)果[14-15]一致。張顯東等研究發(fā)現(xiàn)，利用玉米殘體培肥黑鈣土3年，土壤有機質(zhì)含量增加[16]。因此，秸稈還田配施有機肥料是培肥黑鈣土的有效途徑。

黑鈣土區(qū)多數(shù)農(nóng)戶受施用磷肥、鉀肥增產(chǎn)效果顯著的影響，大量施用磷肥、鉀肥，使土壤有效磷、速效鉀含量增加，并達到了極豐富水平。研究證實，玉米最大效益施磷量和最高產(chǎn)量施磷量均隨著土壤有效磷含量的增加而降低[17]。當(dāng)土壤達到富磷水平，過量施用磷肥，土壤中大量磷素向水體流失，引起土壤及水體污染問題。而實施秸稈覆蓋還田技術(shù)的土壤速效鉀含量增加幅度更大。劉榮樂等提出，施用鉀肥提高了作物吸鉀量，主要是增加了秸稈含鉀量[18]，這也是實施秸稈還田的3個采樣點速效鉀年增長率較高的原因之一，可見在土壤—作物系統(tǒng)鉀素管理中秸稈還田的重要性，尤其是施鉀肥后更應(yīng)重視秸稈還田。

3.2結(jié)論

吉林省黑鈣土區(qū)4個采樣點的土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量總體呈增加趨勢，但存在地區(qū)差異，其中太平山鎮(zhèn)、林海鎮(zhèn)、喇嘛甸子鎮(zhèn)采樣點的各養(yǎng)分含量均增加，興隆鎮(zhèn)采樣點的有機質(zhì)、堿解氮含量降低。土壤肥力增加的3個采樣點已經(jīng)連續(xù)3年實施了秸稈覆蓋還田技術(shù)。因此，在黑鈣土區(qū)施用有機肥配合秸稈覆蓋還田技術(shù)，不僅增加了土壤中的有機質(zhì)，而且有助于土壤速效養(yǎng)分的提高。

自第2次土壤普查以來，黑鈣土區(qū)有機質(zhì)、堿解氮含量增加，但仍處于較缺乏水平，而土壤有效磷、速效鉀含量已達到極豐富水平，處于過剩狀態(tài)。過量施用磷肥、鉀肥，使土壤理化性質(zhì)惡化，污染土壤及水體環(huán)境。因此，施用有機肥配合秸稈覆蓋還田技術(shù)，降低磷肥、鉀肥的使用量等科學(xué)施肥和合理的耕作措施，才能提高土壤生產(chǎn)力，增加糧食產(chǎn)量，減少資源浪費和環(huán)境污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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