華北地區(qū)典型農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的空間異質(zhì)性

鄭昊楠，王秀君*，萬忠梅，盧同平，石慧瑾，李娟茹

（1．北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875；2．吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061；3．石家莊市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河北 石家莊 050051）

糧食安全是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問題，而糧食產(chǎn)出的數(shù)量和質(zhì)量則較大程度上決定于土壤的肥力水平尤其是養(yǎng)分狀況。土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個(gè)重要指標(biāo)，能夠衡量土壤提供作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分的能力，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［1-2］。因此，明確農(nóng)田土壤養(yǎng)分的豐缺及平衡狀況，對(duì)于合理調(diào)控土壤肥力，實(shí)施精準(zhǔn)施肥，提高土地生產(chǎn)力至關(guān)重要。

華北平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示［3］，華北平原耕地總面積約2.2×107hm2，占我國(guó)耕地總面積的18.4%，糧食總產(chǎn)量約1.4×108t，占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的23.1%，單位面積產(chǎn)量較高。促進(jìn)華北平原農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)于維護(hù)國(guó)家糧食安全穩(wěn)定具有重要的戰(zhàn)略意義。

長(zhǎng)期以來，相關(guān)學(xué)者致力于華北平原典型農(nóng)田的土壤養(yǎng)分空間分布的特征、肥力狀況以及影響因素的有關(guān)研究。例如張貝爾等［4］以山東省禹城市為例，論述了近30年來華北平原的土壤肥力質(zhì)量時(shí)空演變情況，并說明了當(dāng)前人為管理因素對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布的影響程度處于主要地位；張玉銘等［5］以欒城縣為例，采用通徑分析方法，剖析了各土壤養(yǎng)分對(duì)提高玉米產(chǎn)量的相對(duì)重要性，分析出堿解氮對(duì)玉米產(chǎn)量的直接作用最強(qiáng)，而有效磷和速效鉀較弱。王紅娟［6］詳細(xì)闡述了我國(guó)北方糧食主產(chǎn)區(qū)（華北平原和東北平原）土壤養(yǎng)分分布特征，針對(duì)華北平原提出了采用穩(wěn)定氮肥、控制或減少施用磷肥、增施鉀肥的培肥模式。但多數(shù)研究以市域、縣域或自然區(qū)劃等空間尺度為主，鮮有尋求省級(jí)行政水平上土壤養(yǎng)分肥力最佳調(diào)控手段的研究。本文以河北省典型農(nóng)田為研究對(duì)象，參照該區(qū)域之前有關(guān)土壤有機(jī)質(zhì)特性研究的采樣布線原則［7］，選取北線、中線、南線3條采樣線路，并在南北、東西方向上橫跨了較大的空間距離，運(yùn)用方差分析和相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法，旨在探究省域尺度上土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分指標(biāo)（全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀）的空間變異特征，以期為河北省高產(chǎn)農(nóng)區(qū)耕地質(zhì)量全面、持續(xù)提升及農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河北省中南部，地處華北平原腹地，位于36.7～38.1°N，114.4～116.8°E之間（圖1），橫跨河北省石家莊、滄州、衡水、邢臺(tái)、邯鄲5個(gè)城市，具有典型的華北平原地形地貌特征，以河流沖積形成的沖積平原、沖積扇為主，坡度小，地勢(shì)低平，大部分區(qū)域海拔在50 m以下，土壤類型為潮土、褐土、淺色草甸土等。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，年降水量約550 mm，且多集中在夏季，年均氣溫15℃左右，氣溫年差較大，作物活動(dòng)積溫在 4 500 ～ 5 000℃間［8-9］。農(nóng)業(yè)區(qū)耕地利用方式以旱作為主，主要耕作制度為一年兩熟或二年三熟，糧食作物以小麥、玉米為主，主要經(jīng)濟(jì)作物有棉花和花生，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。

圖1 研究區(qū)域及樣點(diǎn)布設(shè)

1.2 樣點(diǎn)分布及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域中設(shè)置北線（n=55）、中線（n=44）、南線（n=28）3條線路（圖1），各樣點(diǎn)均為耕層土壤樣，采樣深度為0～20 cm，樣地均以小麥-玉米輪作制度為主。土壤理化性質(zhì)及肥力指標(biāo)來源于河北省土肥站提供的區(qū)域測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)，各指標(biāo)測(cè)定方法如下，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—滴定法，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法來測(cè)定。本次研究中所涉及的糧食產(chǎn)量、耕地面積以及化肥使用量等數(shù)據(jù)來自于中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用 Excel 2016 和 SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過箱形圖法去除數(shù)據(jù)中的異常值，運(yùn)用單因素方差分析（ANOVA），LSD多重比較分析不同線路上各土壤養(yǎng)分含量分布的差異顯著性，應(yīng)用相關(guān)性分析模塊（Pearson檢驗(yàn)法）討論各土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性；運(yùn)用 SigmaPlot 12.5 和 ArcGIS 10.1 軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征分析

研究區(qū)域內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分在南北方向上分散程度存在一定差異（圖2），其中全氮和堿解氮在南線和北線的變化范圍要明顯小于中線，南線中的有效磷在東西方向上變化差異較小，且其變化范圍要小于北線和中線，有機(jī)質(zhì)和速效鉀在3條線路上的范圍變化無明顯差異。在中線上115.5～115.75°的范圍內(nèi)，各養(yǎng)分的含量值分布范圍普遍較小，而在北線和南線中無此特征，不同線路中，土壤有機(jī)質(zhì)及各養(yǎng)分在東西方向上其含量值均存在一定波動(dòng)，但幅度較小且無明顯變化。

圖2 不同線路土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量在緯向上的箱形圖比較

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析（表1）可知，土壤pH平均值為8.1，呈堿性土壤環(huán)境，其中南線的pH值要顯著高于北線和中線。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀的含量范圍分別為7.0 ～ 21.9 g/kg、34.0 ～ 143.0 mg/kg、70.0 ～260.0 mg/kg，平均值分別為 14.0 g/kg、76.6 mg/kg、136.1 mg/kg，3條線之間沒有顯著差異。土壤全氮和有效磷含量范圍分別為0.39～1.84 g/kg、3.8～46.8 mg/kg，平均值分別為 0.98 g/kg、18.6 mg/kg，其中，中線（1.06 g/kg）和南線（1.01 g/kg）的全氮含量顯著高于北線（0.90 g/kg），而北線（21.7 mg/kg）的有效磷含量顯著高于南線（14.2 mg/kg）。根據(jù)第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量級(jí)別屬于四級(jí)，有效磷、速效鉀含量級(jí)別屬于三級(jí)。所有養(yǎng)分均為中等程度變異，變異系數(shù)大小關(guān)系為有效磷（47.8%）>速效鉀（31.6%）>堿解氮（28.3%）>全氮（25.7%）>有機(jī)質(zhì)（24.3%），其中有效磷的變異系數(shù)顯著高于其余土壤指標(biāo)。

表1 土壤基本理化特性的統(tǒng)計(jì)分析

2.2 土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系分析

由表2可知，僅有效磷與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而有機(jī)質(zhì)及其余土壤養(yǎng)分指標(biāo)受土壤pH值影響并不顯著。南線上土壤pH值明顯偏高，有效磷卻顯著偏低（表1），這可能是因?yàn)樵趬A性土壤中，土壤 pH值越高土壤物理性狀越差，對(duì)磷的吸附能力越弱；也可能是因?yàn)樵趬A性土壤中，高pH值影響了二價(jià)磷酸根離子的存在，降低了磷的有效性［10］。由南線往北線，有效磷逐漸升高，pH值則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這可能是施肥含量的差異所導(dǎo)致的，因?yàn)槭┯玫牧追剩ㄟ^磷酸鈣）以磷酸根形式存在于土壤中，而磷酸根在土壤礦物表面的專性吸附降低了土壤顆粒表面的電荷電位和質(zhì)子親和能［11］，致使土壤pH值降低。

各土壤養(yǎng)分指標(biāo)均與有機(jī)質(zhì)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這主要是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量較高的土壤中，其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)特征得到了改善，提升了土壤對(duì)離子的吸附能力，同時(shí)高含量有機(jī)質(zhì)也增強(qiáng)了土壤的生物化學(xué)特性，可促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分的釋放，這體現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)與土壤養(yǎng)分間的協(xié)同效應(yīng)。此外，各土壤養(yǎng)分指標(biāo)間表現(xiàn)出不同水平的相關(guān)性，這表明土壤養(yǎng)分的空間分布具有一定的關(guān)聯(lián)性，但由于人為耕作及地域差異等多重因素導(dǎo)致其間的相關(guān)性產(chǎn)生了一定的空間變異。

表2 土壤pH值、有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的相關(guān)性分析

2.3 土壤養(yǎng)分的平衡狀況

根據(jù)圖3可知，研究區(qū)域內(nèi)，不同線路上土壤養(yǎng)分間的比值在南北方向上變化范圍較大，在自西向東方向上均有不同程度的波動(dòng)。其中碳氮比和有效磷速效鉀比在115.50～115.75°區(qū)域內(nèi)，變化范圍均較小，且該處的比值也小于其他位置，這與中線上土壤全氮、速效鉀和有效磷的分布情況相似。堿解氮有效磷比在整體上呈先升高后下降趨勢(shì)，而磷鉀比則相反，呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)，且二者峰值也均在115.50～115.75°區(qū)域處。其余不同線路上養(yǎng)分間的比值在東西方向上雖有一定波動(dòng)，但無顯著規(guī)律。這些現(xiàn)象表明，在東西方向上土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效養(yǎng)分在不同線路的平衡狀況存在差異。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析（表3）可知，土壤碳氮比、堿解氮/有效磷、堿解氮/速效鉀、有效磷/速效鉀的變化范圍分別介于4.2～14.3、1.2～11.7、0.25～1.10、0.04～ 0.34之間，平均值分別為8.6、5.1、0.60、0.14，所有比值均為中等程度變異，變異程度大小為有效磷/速效鉀（49.8%）>堿解氮/有效磷（48.8%）>堿解氮/速效鉀（31.7%）>碳氮比（21.8%）。對(duì)于不同線路之間而言，中線和南線中的碳氮比要顯著低于北線，而中線和南線的堿解氮有效磷比要顯著高于北線，對(duì)于有效磷速效鉀比，其北線值要顯著高于南線，堿解氮速效鉀比在不同線路間無顯著差異。

圖3 不同線路土壤養(yǎng)分比值在緯向上的箱形圖比較

表3 土壤養(yǎng)分間比值的變異情況

3 討論

3.1 土壤速效養(yǎng)分及其平衡

與全國(guó)第二次土壤普查（1980年）時(shí)期相比［12］，研究區(qū)域內(nèi)土壤堿解氮、有效磷含量大幅提高，分別由 52.6、6.16 mg/kg提升至 76.6、18.6 mg/kg，土壤速效鉀含量變化不明顯。然而，土壤質(zhì)量的高低不僅取決于土壤單個(gè)養(yǎng)分含量的多少，同時(shí)也受土壤養(yǎng)分平衡的影響［13-14］。研究表明我國(guó)農(nóng)作物普遍適宜的速效氮磷比值在2～3間［15］，過高或過低的速效氮磷比值不僅會(huì)降低土壤養(yǎng)分在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的有效利用，同時(shí)也會(huì)破壞土壤氮素、磷素間的平衡［16-17］，且過度盈余的氮素或磷素通過淋溶作用在土壤和地下水中產(chǎn)生嚴(yán)重的面源污染問題［18］。根據(jù)中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒［3］可知，在20世紀(jì)80年代，河北省化肥使用總量（按折純量計(jì)算，下同）為74.7萬t，而到2013年達(dá)329.3萬t，增加了近4倍，其中，氮肥使用量為151.7萬t，占化肥總施用量的46.1%。速效氮磷比值由第二次土壤普查時(shí)期的7.9降低至5.2，土壤堿解氮、有效磷間的關(guān)系趨于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。因此可推測(cè)華北平原農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分之間存在明顯協(xié)同作用，而且堿解氮與有效磷之間的正相關(guān)達(dá)到顯著水平，說明近幾十年該地區(qū)注意了平衡施肥。

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的對(duì)比分析

與全國(guó)第二次土壤普查（1980年）時(shí)期相比［15］，在過去的30多年間，研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別由 10.0、0.65 g/kg提升至 14.0 和 0.98 g/kg。與同緯度黃土高原地區(qū)（有機(jī)質(zhì)和全氮分別為18.92，1.04 g/kg）相比［19］，華北平原土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯偏低，同時(shí)其有機(jī)質(zhì)含量也遠(yuǎn)低于長(zhǎng)江中下游流域（有機(jī)質(zhì)和全氮分別為 24.32，1.37 g/kg）［20］。一般情況下，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量之間存在顯著耦合關(guān)系［21］，其比值（C/N）是衡量土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一，它的變化對(duì)土壤碳、氮循環(huán)有重要影響。華北平原平均C/N由20世紀(jì)80年代的8.9降低至8.6，而這一地區(qū)土壤C/N值比同緯度黃土高原地區(qū)（10.55）明顯偏低，也低于全國(guó)旱作農(nóng)田的平均C/N值（10.3）［19］。一般來說，土壤C/N低會(huì)促進(jìn)土壤微生物的活性，使得有機(jī)質(zhì)的分解速度提高［22-23］，華北平原有機(jī)質(zhì)偏低可能與其低C/N有一定關(guān)系［7］。另一方面，較低的土壤C/N也可能反映了這一地區(qū)施用無機(jī)氮肥較多。因此，該區(qū)域配方施肥應(yīng)該考慮增加有機(jī)肥的施用，減少氮素化肥投入。此外，提高秸稈還田量也是增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高C/N的有效途徑［24-26］。

4 結(jié)論

研究區(qū)域內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)及全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量處于中等至偏低水平（三級(jí)至四級(jí)），均為中等程度變異。在3條采樣線路間，土壤全氮及有效磷含量均存在顯著差異，但有機(jī)質(zhì)及其余養(yǎng)分指標(biāo)含量無顯著差異。在東西方向上，土壤養(yǎng)分含量均存在一定波動(dòng)，但幅度較小且無明顯變化特征。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤養(yǎng)分間關(guān)系密切，且具有一定的協(xié)調(diào)效應(yīng)。研究區(qū)域內(nèi)的土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分水平均較第二次土壤普查時(shí)期有所增加，主要原因可能是華北平原長(zhǎng)期以來施用了大量有機(jī)、無機(jī)肥。