吉林省農田耕層土壤速效磷、鉀養(yǎng)分的時空變化特征

李春林，陳敏旺，王 寅，李玉璽，張星宇，陳利東，焉 莉，馮國忠，高 強

（吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/吉林省商品糧基地土壤可持續(xù)利用重點實驗室，吉林 長春 130118）

磷、鉀是重要的養(yǎng)分資源，對農作物的生長、產量及品質均具有重要影響［1］。我國作為磷、鉀肥消費大國，每年使用約1 100萬t磷肥（P2O5）和600萬t鉀肥（K2O）［2］。與氮素不同，磷、鉀養(yǎng)分主要來自于礦產資源。盡管我國擁有豐富的磷礦石資源，但大多為中低品位磷礦，而按照目前的開采速度，我國已探明的磷礦將在100年左右耗盡［2］。我國鉀鹽儲量僅占全球總儲量的2%，是國土資源部定義的8種大宗緊缺礦產之一，尤其是可溶性鉀鹽資源嚴重不足［3］。國產鉀肥資源主要產自西部鹽湖地區(qū)，隨著鹽湖鉀的大量開發(fā)我國鉀肥自給率逐漸提高，但較長時間內仍有一半左右需要進口［4］。養(yǎng)分資源的有限供應與農業(yè)生產的巨大需求，是我國目前面臨的重大問題［2，5］。而磷礦資源的不可再生性和鉀素資源大量依賴進口，要求我國必須提高磷、鉀資源的利用效率，尤其是農業(yè)生產中磷、鉀肥的高效利用。

土壤是支持作物生長發(fā)育的主要物質載體與養(yǎng)分介質，明確土壤養(yǎng)分分布狀況及變化趨勢是進行科學施肥以滿足作物養(yǎng)分需求、合理培肥土壤的重要基礎［5-6］。Li等［7］研究顯示，1980～ 2007年間我國土壤磷素累積量平均達到242kg·hm-2，導致土壤速效磷平均含量由7.4 mg·kg-1大幅增加至24.7 mg·kg-1，增長近3.5倍，增幅較高的地區(qū)為東北、華北和華南地區(qū)。康日峰等［8］基于長期監(jiān)測點數據發(fā)現，黑土區(qū)農田土壤經過10～26年演變，土壤速效磷、鉀含量整體均呈上升趨勢，增幅分別為90.3%和11.8%，磷素提升更為顯著。王偉妮等［9］總結2008年測土配方施肥水田土壤數據發(fā)現，湖北省水稻土的速效磷含量相比第二次土壤普查時呈顯著上升趨勢，速效鉀含量則大幅下降。劉建玲等［10］研究表明，1978～2008年間太行山山麓平原地區(qū)土壤速效磷大幅提高，平均含量增加17.8 mg·kg-1，速效鉀含量總體呈下降趨勢，1978～1993年間降低14.5 mg·kg-1而1993～2008年期間增加9.27 mg·kg-1。陳濤等［11］研究表明，黃土高原南麓合陽縣耕地土壤速效磷含量在99.9%的區(qū)域內增加，而速效鉀含量在59.7%的區(qū)域減少。以上不同地區(qū)、不同尺度上的研究表明，30年來我國農田土壤磷素大量累積，鉀素則呈現普遍虧缺。吉林省作為我國主要的產糧大省，實現了糧食連年增產［12］，但農戶在作物種植中普遍大量施磷而施鉀較少［13］，因此必然會對農田土壤磷、鉀養(yǎng)分狀況造成影響。為明確吉林省農田耕層土壤磷、鉀養(yǎng)分的時空變異特征，本研究整理2005～2013年間吉林省測土配方施肥項目相關數據，分析省域、地區(qū)和縣域尺度及不同土類農田耕層土壤的速效磷、鉀含量，與第二次土壤普查數據對比探討土壤速效磷、鉀養(yǎng)分的變化趨勢，為區(qū)域農田土壤養(yǎng)分資源管理和作物優(yōu)化施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與數據來源

如圖1所示，吉林省現轄長春市、吉林市、四平市、遼源市、通化市、白山市、白城市、松原市和延邊朝鮮族自治州（以下簡稱延邊州）9個地區(qū)，共48個縣級單位（市轄區(qū)、縣、縣級市）。本研究整理2005～2013年吉林省測土配方施肥項目中在各地區(qū)采集的農田耕層基礎土壤樣品（記為2010s），分析速效磷和速效鉀含量，樣本數分別為3 880個和3 882個（圖1）。速效磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定則采用NH4OAc浸提-火焰光度法［14］。省域、地區(qū)和縣域的基本情況及氣候條件、土壤類型等與土壤氮素營養(yǎng)研究一致［15］。其中，本研究涉及的土壤類型主要包括黑土、黑鈣土、白漿土、暗棕壤、草甸土、水稻土、風沙土7大類。

圖1 吉林省縣域圖及土壤速效磷、鉀樣本分布情況

第二次土壤普查數據來自吉林省土壤肥料總站編著的《吉林土壤》［16］，普查時間1979～1982年（記為1980s），數據包括全省及各地區(qū)的土壤速效磷、鉀含量分級比例數據和不同土類的均值及范圍數據。

1.2 數據分析與統(tǒng)計方法

采用拉依達法［17-18］對土壤速效磷、鉀含量數據的離群值進行檢驗和剔除，以提高數據準確性。速效磷、鉀數據分別剔除離群值63和15個，有效數據樣本分別為3 817和3 867個。為方便與1980s的歷史數據進行比較，參照第二次土壤普查分級標準［19］，將2010s的速效磷、鉀養(yǎng)分分為I～VI共6級，速效磷含量分別為＜ 4、4～6、6～10、10～20、20～40和＞ 40 mg·kg-1，速效鉀含量分別為＜ 30、30～50、50～100、100～150、150～200和 ＞ 200 mg·kg-1。

為提高數據的實用性和指導性，本研究以縣域邊界作為圖斑單元的劃分邊界，取縣域內所有采樣點耕層土壤速效磷、鉀含量的算術平均值為縣域圖斑賦值，表征吉林省農田速效磷、鉀養(yǎng)分在縣域尺度上的空間分布差異（圖1）。相似地，不同地區(qū)、土類的農田土壤速效磷、鉀含量均值為該地區(qū)或土類所有土壤樣本的算術平均值。根據變異系數（CV）確定農田土壤速效磷、鉀含量的離散程度:CV＜10%為弱變異，10%＜CV＜100%為中等變異，CV＞100% 為強變異［20-21］。

采用Excel 2013和SPSS 17.0軟件對數據進行統(tǒng)計分析，用LSD法比較不同地區(qū)或土類間土壤速效磷、鉀含量在0.05水平上的差異顯著性。利用ArcGIS 9.3軟件制作地圖。

2 結果與分析

2.1 吉林省農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的空間變異特征

目前，吉林省農田耕層土壤速效磷含量分布在1.6～ 84.2 mg·kg-1之間，平均為25.4 mg·kg-1，速效鉀含量分布在24～299 mg·kg-1之間，平均為123.6 mg·kg-1，均處于較豐富水平（表1）。省域尺度上，土壤速效磷、鉀含量的變異系數為51.2%和26.8%，均屬中等變異程度。地區(qū)和縣域尺度上（表1和圖2），吉林省農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量呈明顯的空間分異，前者自東向西逐漸下降，而后者自北向南逐漸降低，具有顯著的地帶性空間變異特征。

表1 吉林省不同地區(qū)農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的描述性統(tǒng)計（2010s）

吉林省農田耕層土壤速效磷含量在遼源市、白山市和延邊州西部地區(qū)呈現明顯的高值區(qū)域，而后兩側的長春市、吉林市、通化市和延邊州東部地區(qū)為次高值區(qū)域，中西部地區(qū)的松原市和白城市則相對較低，平均值均在20 mg·kg-1以下（表1和圖2）。各地區(qū)的土壤速效磷含量均屬中等變異程度，其中以長春市最高而吉林市最低。縣域尺度上（圖2），土壤速效磷以白山地區(qū)的靖宇縣最高（41.0 mg·kg-1）而白城地區(qū)的大安市最低（13.9 mg·kg-1），相差近3倍。大多數縣市的土壤速效磷分布在18.0～34.0 mg·kg-1之間，占總數的77.1%，超過34.0 mg·kg-1的6個縣市分布在中、東部地區(qū)，而低于18.0 mg·kg-1的5個縣市全部分布在西部地區(qū)。

與磷素營養(yǎng)不同，吉林省農田耕層土壤速效鉀含量的高值主要出現在長春市、松原市和吉林市、延邊州的局部地區(qū)，東南地區(qū)的白山市則明顯低（表1和圖2）。各地區(qū)土壤速效鉀的變異程度均較低，其中以通化市相對較高而白城市最低?？h域尺度上（圖2），土壤速效鉀則以長春地區(qū)的農安縣最高（152.4 mg·kg-1）而通化地區(qū)的集安市最低（94.7 mg·kg-1）。大多數縣市的土壤速效鉀分布在110～140 mg·kg-1之間，占總數的75%，4個縣市超過140 mg·kg-1，而低于100 mg·kg-1的縣市也有4個，全部分布在東部地區(qū)。

圖2 吉林省不同地區(qū)農田耕層土壤速效磷和速效鉀的縣域分布狀況

2.2 吉林省不同地區(qū)農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的時間變化趨勢

表2顯示，20世紀80年代吉林省農田耕層土壤速效磷含量主要集中于Ⅱ、Ⅲ級，共占比66.4%。30年后，吉林省速效磷含量低值比例顯著減少，而高值比例大幅增加，主要集中于Ⅳ和V級，共占比達到78.3%。可見，全省尺度上農田速效磷含量呈顯著提高趨勢。與全省總趨勢一致，地區(qū)尺度上各地市農田土壤速效磷含量全部呈現上升趨勢，尤其是中西部地市（白城市、松原市、四平市、長春市和吉林市），其Ⅳ、V級比例均普遍顯著增加。

表2 1980s與2010s年間吉林省不同地區(qū)農田耕層土壤速效磷含量分級頻率的分布變化 （%）

與速效磷表現不同，吉林省農田耕層土壤速效鉀含量的分級比例在1980s至2010s的30年間變化較?。ū?）。全省尺度上，土壤速效鉀V和VI級的比例有所下降而Ⅳ級提高，說明總體略有下降趨勢。地區(qū)尺度上，不同地市表現出不同的增減趨勢，長春市、吉林市、通化市和四平市有所提高，松原市、白城市、遼源市和延邊州有所下降，而白山市變化趨勢不明顯。

表3 1980s與2010s年間吉林省不同地區(qū)農田耕層土壤速效鉀含量分級頻率的分布變化 （%）

2.3 吉林省不同土類農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的變異特征

吉林省不同土類的農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量差異顯著（圖3）。其中，土壤速效磷含量以白漿土最高，平均為32.5 mg·kg-1（3.3～82.6 mg·kg-1），而后依次為暗棕壤（29.9 mg·kg-1）＞黑土（28.0 mg·kg-1）＞水稻土（25.4 mg·kg-1）＞草甸土（24.8 mg·kg-1）＞風沙土（19.2 mg·kg-1）＞黑鈣土（16.6 mg·kg-1）。變異程度上，以黑土速效磷含量的變異系數最高（59.6%）而暗棕壤最低（38.2%）。分布頻率上，白漿土、暗棕壤、草甸土、黑土和水稻土的速效磷含量主要分布于21～40 mg·kg-1（V級），占比分別為54.8%、72.1%、58.6%、40.6%和58.1%，而黑鈣土和風沙土主要分布在11～21 mg·kg-1（Ⅳ級），占比分別為41.2%和41.8%。

圖3 吉林省不同土類農田土壤速效磷和速效鉀含量的分布狀況

吉林省不同土類農田耕層土壤速效鉀含量以黑土最高，平均為138.2 mg·kg-1（34.0～299.0 mg·kg-1），其后依次為草甸土（128.1 mg·kg-1）＞黑鈣土（126.6 mg·kg-1）＞暗棕壤（121.3 mg·kg-1）＞白漿土（119.1 mg·kg-1）＞風沙土（117.6 mg·kg-1）＞水稻土（116.5 mg·kg-1）。變異程度上，水稻土速效鉀含量變異系數最高（33.6%）而草甸土最低（20.3%）。分布頻率上，所有土類速效鉀含量的主要分布區(qū)間均為100～150 mg·kg-1（Ⅲ級），占比范圍在54.6%～80.9%。

2.4 吉林省不同土類農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的時間變化趨勢

1980s至2010s間，吉林省不同土類農田耕層土壤的速效磷、鉀含量均發(fā)生了較大變化（圖4）。除黑土（-2.6 mg·kg-1）和暗棕壤（-3.1 mg·kg-1）略有下降外，大多數土類的速效磷含量均明顯提高，尤其是風沙土、草甸土、黑鈣土和白漿土，平均分別增加了17.2、14.8、12.6和12.5 mg·kg-1，變幅分別達到862%、148.4%、314.7%和62.4%。各土類農田耕層土壤速效鉀含量的變幅相比速效磷普遍較小。黑土、白漿土和水稻土的變化較小，變幅平均分別為-2.0%、0.9%和3.1%，風沙土、黑鈣土增加明顯，平均增幅分別為40%和17%，而暗棕壤、草甸土則下降顯著，平均降幅分別為27%和12.9%。

圖4 1980s與2010s年間吉林省不同土類農田耕層土壤速效磷和速效鉀含量均值的時間變化狀況

3 討論與結論

本研究顯示，吉林省農田耕層土壤速效磷、鉀養(yǎng)分具有明顯的地帶性空間分異。土壤速效磷含量自東向西逐漸下降，速效鉀含量自西北向南逐漸降低。這與我國土壤速效磷東高西低、速效鉀北高南低的大趨勢是一致的［17-18］，而這種地帶性變異主要是由不同區(qū)域的自然氣候、地形特征、植被狀況等所決定的［6，8-9］。吉林省東部長白山區(qū)氣候冷涼濕潤，以森林植被系統(tǒng)為主，農田開墾歷史較短，土壤有機質含量豐富。土壤速效磷主要源于有機磷礦化［19］，因此以暗棕壤為代表的東部農田土壤速效磷含量相對較高。中部地區(qū)為半濕潤平原，雨熱適中，是主要的農業(yè)種植區(qū)，主要土壤類型為黑土、白漿土、水稻土等肥力較高土壤，再加上長期農業(yè)生產中補充、添加了大量有機及無機磷源，土壤速效磷含量也相對豐富。西部地區(qū)為半干旱平原，降水較少，長期以草原植被為主，土壤有機質及養(yǎng)分含量均偏低，以黑鈣土、風沙土為代表的西部農田土壤速效磷含量相對較低。與速效磷相比，吉林省農田土壤速效鉀含量總體處于豐富水平，且變異較小。東部地區(qū)土壤主要發(fā)育于巖石風化物，鉀素含量相對較低［22］，而且長白山周邊較多的降水可能增加了土壤鉀素淋失［23］，因此東南部白山、通化地區(qū)土壤速效鉀含量相比其他地區(qū)偏低。

自1980s至2010s的30年間，吉林省農田土壤速效磷含量顯著上升，速效鉀含量略有下降，這與我國土壤磷素累積、鉀素虧缺的大趨勢一致［7，9-11］，而這樣的變化趨勢主要與人為因素有關［8-9］。吉林省農戶普遍重施氮、磷肥而忽視鉀肥投入，磷素由于其復雜的化學及生物轉化作用而大多被土壤固定，導致磷肥利用效率偏低，土壤磷素大量累積，速效磷含量提高。土壤適量的磷素供應是作物獲得高產的重要基礎，但過量的磷素累積可能會使磷素隨徑流、侵蝕或淋溶等途徑進入水體而導致富營養(yǎng)化［24-25］，造成環(huán)境污染?，F代高產作物品種對鉀素的需求和吸收較高，而鉀肥補充的不足及秸稈資源的不合理利用導致土壤鉀素大量消耗，因此中、東部一些地區(qū)土壤速效鉀含量出現下降。對于西部地區(qū)的黑鈣土和風沙土，土壤原有速效鉀含量較低，農戶對鉀肥的重視程度和使用率也較高，土壤速效鉀也相應提高。

綜上所述，吉林省農業(yè)生產中長期過量施用磷肥導致農田土壤磷素大量富集，而高產作物品種增加的鉀素需求及農戶對鉀肥施用的忽視造成一些地區(qū)土壤鉀素消耗而出現虧缺。地區(qū)間農田土壤磷、鉀不同的空間分布狀況及變化趨勢，為吉林省區(qū)域作物養(yǎng)分管理策略與技術的優(yōu)化調整提供了重要依據。建議適當下調磷肥用量或改進磷肥品種以減少土壤磷素累積，土壤鉀素虧缺地區(qū)應合理補充鉀肥并積極推廣秸稈還田技術，從而優(yōu)化磷、鉀資源的合理投入，實現土壤健康、作物高產與養(yǎng)分高效的目標。