西部地區(qū)紫色土近30年來(lái)土壤肥力與生產(chǎn)力演變趨勢(shì)分析

王齊齊，徐 虎，馬常寶，薛彥東，王傳杰，徐明崗，張文菊*

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，北京 100081）

紫色土是一種在亞熱帶和熱帶氣候條件下，由紫色砂頁(yè)巖風(fēng)化發(fā)育形成的非地帶性土壤。我國(guó)紫色土分布范圍很廣，面積約1889 × 104hm2，其中耕地占513 × 104hm2[1]。我國(guó)紫色土主要集中分布在四川盆地丘陵區(qū)和海拔以下的低山區(qū)，其中以四川省面積最大，有311 × 104hm2，占全省總土地面積的四分之一，其他如云南、貴州、浙江、福建、江西、湖南、廣東、廣西等省區(qū)也有零星分布[2]。紫色土根據(jù)其碳酸鈣的含量劃分為酸性紫色土、中性紫色土和石灰性紫色土[3]。但是，紫色土粘土礦物以蒙脫石和水云母為主，有機(jī)質(zhì)含量較低[4]，但潛在肥力較高，特別是鉀的含量豐富，是種植經(jīng)濟(jì)作物的一種重要土壤類型。紫色土母巖物理風(fēng)化強(qiáng)烈，土壤固結(jié)性差，極易遭沖刷，如果利用不當(dāng)，易導(dǎo)致水土流失，從而使土壤肥力降低、土層變薄。因此，研究紫色土肥力演變對(duì)于紫色土培肥及可持續(xù)利用具有重要的意義。

土壤肥力是指土壤為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分、水分及優(yōu)良環(huán)境條件的能力，是土壤各種基本性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。而土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力的核心，在很大程度上與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)碳輸入有關(guān)。一般認(rèn)為，有機(jī)碳投入的增加會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的升高[5]，進(jìn)而會(huì)增加作物產(chǎn)量和微生物量[6]。但是近年來(lái)由于養(yǎng)分管理不當(dāng)，特別是土壤有機(jī)質(zhì)的管理，往往限制了紫色土農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高。研究表明，外源有機(jī)物料是維持作物產(chǎn)量和提高土壤肥力的良好的化肥替代物[7-8]。其中，施用有機(jī)堆肥或畜禽糞便不僅能增加土壤有機(jī)碳含量，還能提高土壤微生物活性，改善土壤理化條件，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量[8]。而農(nóng)民經(jīng)常會(huì)選擇施用農(nóng)家肥來(lái)培肥土壤提高作物產(chǎn)量，因此，研究農(nóng)民常規(guī)施肥管理模式下土壤肥力的變化，對(duì)于農(nóng)田生產(chǎn)力的提升具有現(xiàn)實(shí)意義。但是由于土壤本身的復(fù)雜性和多變性，只有通過(guò)長(zhǎng)期持續(xù)的定位觀測(cè)，才能了解土壤性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化本質(zhì)。本研究綜合分析了全國(guó)8個(gè)紫色土監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，揭示近30年來(lái)農(nóng)民長(zhǎng)期常規(guī)施肥管理模式下，紫色土的肥力隨施肥和種植年限的演變特征與趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，闡明紫色土肥力的主要貢獻(xiàn)因子以及影響作物產(chǎn)量的主要限制因子，以期為紫色土的可持續(xù)利用提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究中分析的8個(gè)國(guó)家級(jí)紫色土長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在重慶 (3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位)、四川 (4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位) 和陜西 (1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位)，包含了沙溪廟組泥巖、遂寧組、紫色砂頁(yè)巖、白堊紀(jì)下統(tǒng)砂泥巖等多種母質(zhì)類型。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處理均設(shè)不施肥和常規(guī)施肥 (化肥配施有機(jī)肥) 2個(gè)處理，種植制度以小麥?玉米?薯類輪作模式為主，復(fù)種指數(shù)較高。監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本概況見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本概況Table 1 General information of monitoring sites

1.2 土壤樣品采集與分析

每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置對(duì)照 (不施肥) 和常規(guī)施肥 (農(nóng)民習(xí)慣施肥) 兩個(gè)處理，依照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行水肥管理等農(nóng)事活動(dòng)，并定位記載施肥量、肥料種類、作物產(chǎn)量以及管理措施等信息。其中，紫色土區(qū)農(nóng)民常規(guī)施肥的特點(diǎn)為：化肥施用總量多于有機(jī)肥，化肥氮所占比例較大，其次是磷肥，但并不注重施用鉀肥。每季作物收獲后，采集耕層 (0—20 cm) 土壤樣品，使用常規(guī)方法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、碳氮比、有效磷、速效鉀、pH等土壤肥力指標(biāo)數(shù)據(jù)以及作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2016整理，運(yùn)用SPSS22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan法檢驗(yàn)平均值差異顯著性(P = 0.05)，R語(yǔ)言進(jìn)行主成分分析，Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分演變特征

全國(guó)8個(gè)紫色土監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體分析表明，經(jīng)過(guò)29年的常規(guī)施肥，紫色土的有機(jī)質(zhì)緩慢升高，但提升趨勢(shì)并不顯著。2011—2016年的平均有機(jī)質(zhì)含量(12.47 g/kg) 比1988—1992年的有機(jī)質(zhì)平均含量(11.79 g/kg) 提高了5.8%，但各個(gè)監(jiān)測(cè)階段的平均含量之間無(wú)顯著差異。紫色土土壤全氮含量雖有緩慢下降的趨勢(shì)，但降低趨勢(shì)并不顯著。

圖1顯示，紫色土有效磷和速效鉀含量呈上升趨勢(shì)。從1993—1998到1999—2004年土壤有效磷平均含量顯著升高，提高幅度為209.4%；1999之后的三個(gè)監(jiān)測(cè)階段，有效磷含量也有略微升高，但不顯著；最后一個(gè)監(jiān)測(cè)階段 (2011—2016) 的土壤有效磷含量平均值為15.34 mg/kg，比初始監(jiān)測(cè)階段的平均值 (6.10 mg/kg) 顯著提高了151.4%。土壤速效鉀含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)的升高趨勢(shì)，2011—2016年的速效鉀的平均含量 (91.93 mg/kg) 比初始監(jiān)測(cè)階段 (1988—1992 年) 平均含量 (74.70 mg/kg) 高出 17.23 mg/kg，提高了23.1%，但增加未達(dá)顯著水平。

紫色土區(qū) (5個(gè)監(jiān)測(cè)階段) pH呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)(圖1)，以2005—2010年土壤pH平均值最低(7.41)，但5個(gè)監(jiān)測(cè)階段的pH均值 (7.71、7.61、7.50、7.41、7.47) 差異并不顯著。

整體來(lái)看，紫色土土壤碳氮比雖呈緩慢增加趨勢(shì)，2011—2016年平均值為7.82，比監(jiān)測(cè)初期增長(zhǎng)了9.0%，變化范圍是6.79～7.89，各監(jiān)測(cè)階段間差異不顯著。

2.2 紫色土生產(chǎn)力演變特征

圖2顯示，經(jīng)過(guò)29年常規(guī)施肥，紫色土小麥產(chǎn)量明顯下降，前三個(gè)監(jiān)測(cè)階段小麥產(chǎn)量下降明顯，產(chǎn)量平均值之間存在顯著差異。后三個(gè)監(jiān)測(cè)階段產(chǎn)量無(wú)明顯變化。2011—2016年小麥平均產(chǎn)量2517.83 kg/hm2，比監(jiān)測(cè)初期 (1988—1992年) 的4140.75 kg/hm2顯著降低了39.2%。

圖1 紫色土常規(guī)施肥下土壤養(yǎng)分含量變化趨勢(shì)Fig. 1 Trends of soil nutrients content under conventional fertilization in purple soil

甘薯產(chǎn)量各個(gè)監(jiān)測(cè)階段間存在一定的波動(dòng)，但產(chǎn)量平均值無(wú)顯著差異。與監(jiān)測(cè)初期 (1988—1992年)相比，2011—2016年甘薯平均產(chǎn)量降低了9.6%。

不同于小麥和甘薯產(chǎn)量，玉米產(chǎn)量呈顯著上升趨勢(shì)。前三個(gè)監(jiān)測(cè)階段玉米平均產(chǎn)量依次為3699、3345.68、4061.98 kg/hm2，差異不顯著，但這三個(gè)階段均顯著低于2005—1010年 (5251.62 kg/hm2)。后兩個(gè)監(jiān)測(cè)階段的玉米平均產(chǎn)量差異不顯著。與監(jiān)測(cè)初期 (1988—1992) 相比，2011—2016年玉米平均產(chǎn)量提高了28.8%。

圖2 紫色土常規(guī)施肥下作物產(chǎn)量變化趨勢(shì)Fig. 2 Trends of yield of crop under conventional fertilization in purple soil

土壤的地力貢獻(xiàn)系數(shù)是指不施肥的作物產(chǎn)量與施肥作物產(chǎn)量之比，是反映農(nóng)田土壤自身生產(chǎn)力和養(yǎng)分供給能力的重要指標(biāo)。土壤地力貢獻(xiàn)系數(shù)越大，表明土壤越肥沃，施肥對(duì)作物產(chǎn)量提升的效果越弱；而土壤地力貢獻(xiàn)系數(shù)小，則表明土壤肥沃性差，作物對(duì)肥料依賴性強(qiáng)。從圖3可以看出，紫色土對(duì)小麥、玉米和薯類作物的地力貢獻(xiàn)系數(shù)與施肥年限呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)關(guān)系，其年增加量分別為0.004、0.002和0.008，表明隨著施肥和作物種植年限增加，紫色土的地力貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)增加趨勢(shì) (即土壤肥力提升)，且長(zhǎng)期施肥下紫色土對(duì)薯類作物地力貢獻(xiàn)系數(shù)的年增加量分別是小麥和玉米的2和4倍。

2.3 紫色土土壤肥力主成分分析和生產(chǎn)力的冗余分析

由圖4a可以看出，PC1軸和PC2軸對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率分別為83.82%和14.55%，兩者對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率達(dá)到了98.37%，因此，利用主成分分析研究紫色土肥力屬性的變異情況是可靠的。由分析結(jié)果可以看出，紫色土土壤肥力的兩個(gè)決定因子是土壤有效磷和速效鉀，主要障礙因素是較低的土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量。

圖3 紫色土常規(guī)施肥下作物產(chǎn)量地力貢獻(xiàn)系數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 3 Trends of contribution coefficient of soil fertility to crop yield under conventional fertilization in purple soil

圖4 紫色土肥力主成分分析(a)和生產(chǎn)力冗余分析(b)Fig. 4 Principal component analysis of fertility (a) and redundancy analysis of crop yield (b) in purple soil

RDA1軸和RDA2軸對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率分別為58.95%和37.11%，兩者對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.06%。由圖4b中結(jié)果綜合來(lái)看，影響紫色土整體作物產(chǎn)量的主要環(huán)境因子分別為土壤pH值、有效磷、有機(jī)質(zhì)。其中，對(duì)小麥產(chǎn)量影響最大的肥力因子為土壤pH；對(duì)玉米產(chǎn)量影響最大的肥力因子為土壤有效磷；對(duì)甘薯產(chǎn)量影響最大的肥力因子為土壤速效鉀。

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的核心，土壤有機(jī)質(zhì)的變化主要取決于有機(jī)物質(zhì)的年礦化量和年輸入量。綜合29年來(lái)養(yǎng)分含量變化趨勢(shì)來(lái)看，在農(nóng)民習(xí)慣施肥管理 (有機(jī)肥和化肥) 下，紫色土的有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)穩(wěn)定，雖然有緩慢的增加趨勢(shì)，但是變化并不顯著，說(shuō)明長(zhǎng)期的常規(guī)施肥能基本維持但并不能明顯提升紫色土的肥力，但康日峰等[10]在黑土和趙秀娟等[11]在褐土的研究結(jié)果表明，常規(guī)施肥能顯著增加黑土和褐土的有機(jī)質(zhì)和全氮含量。這可能是由以下原因造成的：一是紫色土大多分布在我國(guó)南方地區(qū)，年均降雨量大，氣溫高，土壤微生物活性較強(qiáng)，從而加快了有機(jī)質(zhì)的分解和礦化，不利于有機(jī)質(zhì)的積累；另一方面，在一年三熟的輪作方式下，生產(chǎn)力強(qiáng)，地力消耗比較大；另外紫色土分布區(qū)多為坡耕地，紫色土土壤固結(jié)性差，在降雨量較大的地區(qū)，雨水的沖刷極易造成土壤流失，也不利于有機(jī)質(zhì)的積累。與初始監(jiān)測(cè)階段 (1988—1992) 相比，紫色土的土壤全氮含量下降了0.03 g/kg，整體下降的趨勢(shì)并不顯著，說(shuō)明長(zhǎng)期常規(guī)施肥能基本維持土壤全氮的含量。但是土壤全氮含量存在下降的風(fēng)險(xiǎn)，而這可能是與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的輪作種植制度有關(guān)。由表1可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位大多是小麥–玉米–甘薯一年三熟的輪作制度，這三大作物均屬高耗氮作物，氮是植物生長(zhǎng)的限制性養(yǎng)分[12]，土壤氮是限制作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子[13]，作物生長(zhǎng)會(huì)帶走土壤中大量的氮素。土壤的碳氮比 (C/N) 反映了碳和氮之間的平衡關(guān)系[14]，也是衡量二者平衡狀況的重要指標(biāo)，其演變趨勢(shì)對(duì)土壤肥力以及碳、氮循環(huán)有著重要的影響。本研究中由于紫色土有機(jī)質(zhì)含量的緩慢升高和全氮含量的緩慢降低，造成了紫色土碳氮比有緩慢升高的趨勢(shì)，說(shuō)明紫色土的氮素處于緩慢虧損的狀態(tài)。因此，應(yīng)該重視有機(jī)物料的投入，以保持土壤碳氮平衡，如大力推廣紫色土秸稈還田和有機(jī)無(wú)機(jī)均衡配施等。有研究表明[15]長(zhǎng)期秸稈還田與化肥配施，具有明顯的培肥增產(chǎn)效應(yīng)，秸稈還田提高了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量。

就土壤速效養(yǎng)分而言，土壤有效磷的整體變化表現(xiàn)為穩(wěn)定、升高、再穩(wěn)定的趨勢(shì)。前兩個(gè)監(jiān)測(cè)階段土壤有效磷含量較低，有效磷的變化范圍是1～14 mg/kg，而從第二個(gè)監(jiān)測(cè)階段 (1993—1998) 到第三個(gè)監(jiān)測(cè)階段 (1999—2004) 土壤有效磷含量出現(xiàn)了顯著的升高，之后趨于平穩(wěn)。其中在最后的監(jiān)測(cè)階段，土壤速效磷含量達(dá)到了15.34 mg/kg，比初始監(jiān)測(cè)階段的平均值 (6.10 mg/kg) 顯著提高了151.42 %。產(chǎn)生這種變化的原因可能是監(jiān)測(cè)初始階段，土壤有效磷大多是土壤本身提供的，而且磷素移動(dòng)性差，容易被土壤固定，有研究表明當(dāng)年施的磷肥到第二年固定率為70 %以上[16]，所以導(dǎo)致初始階段有效磷含量較低。而由于磷不參與大氣循環(huán)，隨著長(zhǎng)期有機(jī)肥的施入，磷素不斷地富集在土壤中，同時(shí)有機(jī)酸、有機(jī)陰離子等占據(jù)部分磷的吸附點(diǎn)位，降低粘土礦物對(duì)磷的吸附固定作用；此外，有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程還會(huì)釋放部分無(wú)機(jī)磷[17]，從而導(dǎo)致土壤有效磷含量顯著升高。王玄德等[18]的研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)10年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，紫色土耕層土壤中全磷和有效磷增加。大量研究表明，長(zhǎng)期施肥不僅會(huì)改變土壤養(yǎng)分含量還會(huì)影響土壤養(yǎng)分形態(tài)，從而增加了土壤養(yǎng)分的有效性。施肥可以改變養(yǎng)分的有效性，而有機(jī)肥富含碳氮磷等各種營(yíng)養(yǎng)成分[19]。與初始監(jiān)測(cè)階段相比，29年的常規(guī)施肥提高了紫色土的速效鉀含量，但相對(duì)于有效磷，速效鉀的提升并不顯著；同時(shí)本研究結(jié)果表明長(zhǎng)期施肥下紫色土三種作物的地力貢獻(xiàn)系數(shù)均呈現(xiàn)顯著相關(guān)的增加趨勢(shì)，而紫色土對(duì)薯類作物地力貢獻(xiàn)系數(shù)的年增加量是小麥和玉米的2和4倍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是以下兩個(gè)方面：一是經(jīng)過(guò)29年的常規(guī)施肥處理，紫色土的肥力得到提升；二是除土壤肥力外，作物品種是影響作物產(chǎn)量的一個(gè)關(guān)鍵性因素，近年來(lái)，高產(chǎn)作物品種得到大量的推廣與使用，近年來(lái)農(nóng)民對(duì)高產(chǎn)作物品種的使用也會(huì)潛在地提高地力貢獻(xiàn)率。在三種作物中，紫色土對(duì)于薯類作物的地力貢獻(xiàn)更大，這可能是由于紫色土本身含有豐富的鉀素礦物，農(nóng)民并不注重鉀肥的施用，而與此同時(shí)，甘薯等大量耗鉀類作物的生長(zhǎng)帶走了大量的鉀素，所以導(dǎo)致速效鉀的增加并不顯著。

綜合來(lái)看，紫色土經(jīng)過(guò)29年長(zhǎng)期常規(guī)不同施肥pH下降了0.24個(gè)單位，這與馮牧野[15]的研究結(jié)果相似，其研究結(jié)果表明，無(wú)論化肥配施還是有機(jī)肥配施，中性紫色土都出現(xiàn)了酸化，其原因可能是長(zhǎng)期的化學(xué)氮肥的投入以及紫色土本身淋溶性較強(qiáng)，從而導(dǎo)致pH的下降。周曉陽(yáng)等[20]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)南方地區(qū)長(zhǎng)期施肥下，化學(xué)氮肥用量增加會(huì)顯著降低土壤pH，造成土壤酸化。同時(shí)，本研究的RDA分析結(jié)果也表明，pH也是影響紫色土小麥產(chǎn)量的一個(gè)關(guān)鍵的肥力因子。紫色土pH呈顯著相關(guān)的下降趨勢(shì)，可能是導(dǎo)致小麥產(chǎn)量的下降的主要原因。因此，要合理控制紫色土化學(xué)氮肥的用量，防止土壤酸化，在小麥季減少化學(xué)氮肥的施用比例，多施用有機(jī)肥。

主成分分析法是目前評(píng)價(jià)土壤肥力的主要方法[21]。由主成分分析結(jié)果可以看出，紫色土肥力的主要貢獻(xiàn)因子是土壤速效養(yǎng)分 (有效磷和速效鉀)，而制約紫色土肥力的因子主要是有機(jī)質(zhì)和全氮的含量，說(shuō)明在常規(guī)施肥條件下，速效養(yǎng)分是紫色土肥力的核心，有效磷和速效鉀在紫色土中的含量相對(duì)充足，而紫色土的有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量較低，限制了紫色土的肥力的維持和發(fā)展，同時(shí)，紫色土作物產(chǎn)量的RDA分析結(jié)果也表明速效養(yǎng)分對(duì)紫色土作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，結(jié)果顯示有效磷是影響玉米產(chǎn)量的主控因子，所以，隨著土壤有效磷含量的提升，玉米產(chǎn)量也不斷增加。因此，如何提高紫色土有機(jī)質(zhì)的含量是提高紫色土肥力的關(guān)鍵。目前，有大量的研究表明，施用有機(jī)肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)無(wú)機(jī)配施效果更加顯著[22]。同時(shí)也有研究表明，長(zhǎng)期平衡施肥可以提高紫色土作物產(chǎn)量和土壤肥力，其中氮磷鉀化肥配合秸稈還田是維持紫色土土壤肥力，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的最佳培肥方式[23]。而長(zhǎng)期不均衡施肥降低了紫色土肥料利用率和肥料的增產(chǎn)效果[24]，高洪軍等[25]的研究表明，長(zhǎng)期不施肥或偏施化肥玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性減弱，而有機(jī)肥與化肥配施具有明顯的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)效果。因此，紫色土培肥應(yīng)該注意合理平衡增施有機(jī)肥，并注重通過(guò)秸稈還田來(lái)維持紫色土肥力。

4 結(jié)論

在29年農(nóng)民常規(guī)施肥管理模式下，隨著種植年限的增加紫色土有機(jī)質(zhì)和全氮含量無(wú)顯著變化，有效磷和速效鉀含量均有不同程度的提高，且土壤氮和土壤pH存在下降的風(fēng)險(xiǎn)。紫色土肥力的主要貢獻(xiàn)因子是有效磷和速效鉀，障礙因子是較低的土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量。所以紫色土的培肥應(yīng)該注重合理平衡增施有機(jī)肥，并通過(guò)秸稈還田來(lái)維持紫色土肥力。