渭北高原黑壚土土壤養(yǎng)分變異及其與小麥產(chǎn)量的關(guān)系研究

杜昊輝　王旭東

摘要2018年在調(diào)查渭北高原黑壚土土壤性狀（養(yǎng)分和團聚體）和小麥產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，選取了高、中、低產(chǎn)量的18個田塊為研究對象，分層采集0～50cm土壤樣品，研究了土壤全量和速效氮磷鉀養(yǎng)分、有機質(zhì)、>0.25mm水穩(wěn)性團聚體的變異規(guī)律及其與小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，不同田塊間土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷的變異較大，在0～50cm各土層均達到中等變異;高產(chǎn)田塊0～20cm土層有機質(zhì)、堿解氮、有效磷含量分別較低產(chǎn)田塊高出36.76%、47.46%、121.55%相關(guān)分析顯示，小麥產(chǎn)量與土壤各層性狀間的相關(guān)系數(shù)均達顯著或極顯著水平（除35～50cm土層有效磷外）;進一步逐步回歸分析表明，渭北旱塬小麥產(chǎn)量不僅僅取決于土壤有機質(zhì)和磷鉀養(yǎng)分，土壤結(jié)構(gòu)性狀（>0.25mm水穩(wěn)性團聚體）也是關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞 土壤養(yǎng)分;小麥產(chǎn)量;逐步回歸分析;渭北高原;黑壚土

中圖分類號 S512.1

文獻標識碼 A

文章編號 1007-5739（2019）07-0003-05

渭北高原位于黃土高原南緣，屬于半濕潤易旱氣候;黑壚土分布于臺塬上侵蝕相對較低的塬面上，土壤發(fā)育較好，保肥、保水性較強，是我國北方旱作小麥的重要產(chǎn)區(qū)之一，產(chǎn)量差異大"。受自然形成條件和人為施肥耕作等影響，在黑壚：土地區(qū)，土壤肥力和生產(chǎn)力差異很大，高產(chǎn)田冬小麥產(chǎn)量可達到7200kg/hm2左右，而低產(chǎn)田產(chǎn)量僅有1500kg/hm2左右2。造成這種現(xiàn)象的一個主要原因就是土地承包制以來，各家各戶在施肥和耕作方面都存在較大差異。有的農(nóng)戶在施用化肥的同時，配施一定量的有機肥，土壤肥力得到提升，產(chǎn)量逐漸提高;而有的農(nóng)民重化肥輕有機肥，且用量不合理，土壤肥力甚至出現(xiàn)了下降趨勢，但目前對典型黑壚土區(qū)土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量的變異情況還缺乏定量、系統(tǒng)的研究。

土壤有機碳和氮素含量是反映土壤肥力水平的重要指標，碳和氮之間呈顯著正相關(guān)。一些研究表明，合理施用化肥、尤其是配合施用有機肥是提高土壤有機碳的重要措施。在渭北高原地區(qū)，土壤有機碳含量是決定作物產(chǎn)量和肥料生產(chǎn)效率的主要因素，土壤有機碳不僅影響著土壤養(yǎng)分供應(yīng)和生物活性"，而且影響著土壤結(jié)構(gòu)8，進而影響水分利用效率1。渭北高原土壤屬于石灰性土壤，因碳酸鈣含量高而導致磷的有效性低，在該地區(qū)施用磷肥能提高作物的抗旱性和作物產(chǎn)量。自從20世紀70年代開始施用磷肥以來，由于農(nóng)戶施用量方面的差異也導致目前土壤磷素存在差異，不僅表現(xiàn)在速效磷方面，甚至引起土壤全磷含量的變化[34。黃土高原地區(qū)屬于富鉀地區(qū)，但農(nóng)作物種植過程中因長期不施用或少量施用鉀肥，也出現(xiàn)了鉀素虧缺的現(xiàn)象。有研究表明，在小麥和玉米上施用鉀肥表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)效應(yīng)。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤肥力和土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)，在土壤中主要發(fā)揮著“三大作用”，即保證和協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣熱及影響土壤酶的種類和活性、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層叨。其中，水穩(wěn)性團聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尤為重要，是土壤肥力的基礎(chǔ)和評價土壤質(zhì)量的重要指標。

為此，本文以渭北高原典型黑壚士為研究對象，在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上，排除地形和土層厚度等干擾因素，選取自然條件一致，土壤生產(chǎn)力差異較大的18個小麥田塊，對0～10、10～20、20～35、35～50cm土層的土壤養(yǎng)分及水穩(wěn)性團聚體進行研究，分析不同肥力田塊的養(yǎng)分變異特征及其與小麥產(chǎn)量的關(guān)系，以期為黑壚土區(qū)建立適宜作物生長的耕層養(yǎng)分指標提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1調(diào)查區(qū)概況

采樣調(diào)查地點位于陜西省咸陽市彬縣，屬于渭北旱塬溝壑的暖溫帶半濕潤偏旱氣候區(qū)，海拔高度1108m，年平均溫度9.7C，年日照時數(shù)1981～2700h，無霜期180d，年均降水量約為580mm，夏季溫暖多雨，冬季寒冷少雪。調(diào)查區(qū)域土壤為典型的黑壚土（質(zhì)地為黏壤土），種植制度為冬小麥一年一熟制，小麥品種為長6359，耕作模式多為深松+翻耕或者旋耕+翻耕。

1.2調(diào)查與取樣方法

于2018年對彬縣底店鄉(xiāng)新民鎮(zhèn)2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小麥種植農(nóng)戶進行調(diào)查，依據(jù)產(chǎn)量水平得到了18個農(nóng)戶的數(shù)據(jù)，調(diào)查內(nèi)容包括小麥品種、肥料用量、栽培管理措施、耕作模式、產(chǎn)量等指標，并于冬小麥成熟期分層采集0～10、10～20、20～35、35-50cm土樣，每塊地選擇4個點，兩兩分層混合均勻，作為2個分析樣品，迅速裝入做好標記的塑料袋中帶回實驗室，待風干后分別過0.20mm和0.15mm篩子，裝袋備用。

1.3測定內(nèi)容與方法

有機質(zhì)用重鉻酸鉀一外加熱法測定;全氮用濃硫酸+混合加速劑（K2SO：CuSO：Se=100：10：1）消煮至灰白，凱氏定氮儀測定;全磷用HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定;全鉀用NaOH熔融，火焰光度法測定;堿解氮用堿解擴散法測定;速效磷用0.5mol/LNaHCO3浸提，土、水比為1：20，震蕩30min后過濾，鉬銻抗比色法測定;速效鉀用1mol/LNH40Ac浸提，土、水比為1：10，震蕩30min后過濾，火焰光度計測定;土壤水穩(wěn)性團聚體分布用濕篩法（Ellito法）測定9。

1.4數(shù)據(jù)分析

用MicrosoftExcel2010整理數(shù)據(jù)，用SPSS19.0進行統(tǒng)計分析逐步回歸分析，用SAS進行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同田塊小麥產(chǎn)量差異

18個田塊的產(chǎn)量如圖1所示，其中高中、低產(chǎn)田各6塊，高產(chǎn)田的產(chǎn)量變化為6312.18～7402.91kg/hm2，平均產(chǎn)量為6746.76kg/hm2;中產(chǎn)田的產(chǎn)量變化為5296.81～5730.97kg/hm2，平均為5545.33kg/hm2;低產(chǎn)田產(chǎn)量變化為3914.74～4936.45kg/hm2，平均產(chǎn)量為4386.92kg/hm2。高產(chǎn)田較中、低產(chǎn)田產(chǎn)量分別增產(chǎn)21.67%和53.79%，中產(chǎn)田較低產(chǎn)田增產(chǎn)26.41%。

2.2不同田塊和土層深度土壤肥力性質(zhì)差異

土壤有機質(zhì)測定結(jié)果（表1）顯示，在0～10cm土層平均值為14.58g/kg，隨著土層加深土壤有機質(zhì)含量降低，在10～20、20～35.35～50cm土層土壤有機質(zhì)平均值分別為12.93、11.619.08g/kg。根據(jù)變異系數(shù)CV的劃分等級"5（CV>100%為強變異、10%≤CV≤100%為中等變異、CV<10%為弱變異），在各土層均表現(xiàn)為中等變異，在20～50em各土層隨土層加深變異系數(shù)減小。

土壤全氮在0～10、10～20、20～35、35～50cm土層平均值分別為0.97、0.75、0.66、0.54g/kg，0～10cm土層土壤全氮變異系數(shù)為11.89%，為中等變異;其余各土層均表現(xiàn)為弱變異水平，堿解氮作為土壤有效氮素供應(yīng)指標，0～10cm平均值為54.58mg/kg，異系數(shù)為23.65%，10～20、20～35、35～50cm土壤堿解氮變異系數(shù)分別為21.11%、20.94%、22.57%，均屬于中等程度變異。

18個田塊土壤全磷含量在0～10em土層變化范圍為0.72～0.99g/kg、平均值為0.86g/kg，變異系數(shù)7.67%，屬弱變異水平;10～20、20～35cm含量均值分別為0.700.60g/kg，變異系數(shù)分別為13.18%和12.57%，為中等變異;而35～50cm變異系數(shù)為9.39%，屬于弱變異性。在0～10、10～20、20～35、35～50cm土層土壤有效磷平均值分別為25.44、17.648.69、5.22mg/kg，0～10cem變異系數(shù)為43.83%，隨著土層加深，變異系數(shù)遞減，但均表現(xiàn)為中等程度變異。

土壤全鉀含量在0～10、10～20、20～35、35～50cm土層分別為9.90、8.74、7.98、6.83g/kg，變異系數(shù)分別為8.09%、8.10%、、7.43%和3.04%，均屬于弱變異水平。0～10cm土壤速效鉀含量為144.96mg/kg，變異系數(shù)為11.87%，為中等變異;10～20、20～35、35～50cm土層速效鉀平均含量分別為122.86、103.05.95.97mg/kg，變異系數(shù)分別為8.62%、5.04%、2.55%，均表現(xiàn)為弱變異，且隨土層加深變異系數(shù)減小。

土壤>0.25mm水穩(wěn)性團聚體隨著土層的加深表現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢，其中0～10cm土層的平均含量最大，為17.75%，變異系數(shù)為13.58%，為中等變異;10～20、20～35、35～50cm土層的平均值分別為14.86%、13.11%和13.00%，變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異水平。

高、中、低產(chǎn)田塊不同土層深度養(yǎng)分含量見圖2。

2.3小麥產(chǎn)量與土壤各性狀間的關(guān)系模型

土壤0～10、10～20cm土層有機質(zhì)與產(chǎn)量用一次方程擬合，10～20、20～35cm土壤全氮及0～10cm土層全磷、20～35cm堿解氮與產(chǎn)量間關(guān)系用冪函數(shù)擬合，土壤0～10、10～20、20～35、35～50cm土層全鉀有效磷、速效鉀.>0.25mm水穩(wěn)性團聚體與產(chǎn)量之間的關(guān)系用一元二次方程擬合;除35～50cm有效磷與產(chǎn)量間相關(guān)性不顯著外，其余決定系數(shù)R2均達到顯著或極顯著水平。通過小麥產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和水穩(wěn)性團聚體的擬合方程，得到渭北高原區(qū)適宜條件下的小麥產(chǎn)量為6233kg/hm2，以該產(chǎn)量為目標，計算對應(yīng)各土層土壤性狀，初步制定出了合理的耕層指標（表2）。進一步進行逐步回歸分析，方程表達式見表3。方程式中系數(shù)絕對值的大小表明各性狀對產(chǎn)量的顯著性大小，系數(shù)的正負則表明了對產(chǎn)量的影響。在0～10cm土層提取了土壤全氮和全鉀2個因子，且全氮起主要作用;在10～20em土層，系數(shù)絕對值全鉀>水穩(wěn)性團聚體>有機質(zhì)，全鉀在該層對產(chǎn)量影響較大;在20～35cm土層全磷系數(shù)顯著大于有機質(zhì)，故在該土層全磷對產(chǎn)量影響顯著;在35～50cm土層產(chǎn)量與有機質(zhì)、水穩(wěn)性團聚體和全氮有關(guān)，全氮的系數(shù)絕對值最大，說明在該層對產(chǎn)量的影響最大，有機質(zhì)次之，水穩(wěn)性團聚體最小。

3結(jié)論與討論

渭北高原地區(qū)0～20cm土層有機質(zhì)介于9.12～19.26g/kg之間，高、中、低產(chǎn)田平均值分別為15.70、14.10、11.48g/kg，依據(jù)陜西省第二次：土壤普查分級土壤養(yǎng)分含量分級指標（20（1～8級，數(shù)值越小代表養(yǎng)分含量越高），高產(chǎn)田有機質(zhì)含量處于中等水平（第4級），中產(chǎn)田屬于中等偏低水平（第5級），低產(chǎn)田屬于第6級;0～20em高、中、低產(chǎn)田土壤全氮平均值分別為0.94、0.86、0.77g/kg，均屬于第5級水平，含量較低;高、中、低產(chǎn)田堿解氛含量分別為58.82、47.01、39.89mg/kg，總體看來屬于低等水平（5級或6級）;高、中、低產(chǎn)田土壤有效磷的平均值分別為29.71、21.51.13.41mg/kg，高、中產(chǎn)田處于第3級水平（中等），低產(chǎn)田處于第4級水平（偏低）;土壤速效鉀高、中、低產(chǎn)田平均值分別為147.38、132.66、121.68mg/kg，均屬于第3級，整體含量為中等水平。整體看來，高、低產(chǎn)田間有效磷差異較大，因磷肥長期不合理施用，黑壚土：土壤有效磷發(fā)生較大變化，合理施用磷肥并適當減量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要關(guān)注的問題，既要避免投入量大導致磷嚴重盈余，又要防止發(fā)生因水土流失、投入不足等原因?qū)е碌牧兹狈ΜF(xiàn)象2。

土壤有機質(zhì)在0～10、10～20cm土層產(chǎn)生了中等程度的變異，說明不同田塊受耕作、施肥管理的影響較大。近幾年，在黑壚土區(qū)開展的秸稈還田、免耕等技術(shù)以及有機肥替代化肥技術(shù)對農(nóng)田有機質(zhì)產(chǎn)生較大影響。隨著不同田塊間有機質(zhì)產(chǎn)生變異，土壤堿解氮也產(chǎn)生了較大的變異，農(nóng)田土壤秸稈還田和施用有機肥均會引起堿解氮的升高，且糞肥還田高于秸稈還田。土壤速效養(yǎng)分變異系數(shù)有效磷>速效鉀，這主要是黑壚土長期大量施用磷肥所致。黑壚土屬石灰性土壤，對磷素固定強，再加上該地區(qū)施用磷肥能夠提高植物的抗旱性等，總體來看，施磷量較高，引起不同田塊間有效磷變異大;鉀肥雖然近幾年有所施用，但施肥量相對較低，因此不同田塊間變異相對較小。

將小麥產(chǎn)量與各土層土壤養(yǎng)分間的關(guān)系用曲線擬合，除35～50cm有效磷外，其余R2均達顯著或極顯著水平。進一步對產(chǎn)量與養(yǎng)分間進行逐步回歸分析結(jié)果表明，在0～10cm土層，小麥產(chǎn)量主要與土壤全氮和全鉀顯著相關(guān);在10～20cm全鉀對產(chǎn)量影響最大，雖然渭北地區(qū)在土壤鉀素水平較高21，但由于傳統(tǒng)不施用鉀肥和近年來糧食產(chǎn)量逐年提高均增加了土壤鉀素的攜出21，造成鉀素的虧缺。渭北黑壚土屬石灰性土壤，磷的有效性低，在20～35em土層，全磷對產(chǎn)量影響最大。汪紅霞等9研究表明，磷肥與有機肥間有正交互作用，磷肥配施有機肥對土壤有機質(zhì)含量的提高效果大于單施有機肥，應(yīng)合理施用磷肥。在10～50cm土層，有機質(zhì)均是影響產(chǎn)量的因素，因而提高有機質(zhì)含量對土壤肥力提升有明顯的促進作用;而有機質(zhì)又決定土壤全氮的多少和氮素的供應(yīng)，有研究表明，有機肥配施化肥能顯著提高旱作農(nóng)田土壤有機碳含量，而土壤有機質(zhì)又會影響土壤團聚體的大小、形狀和特性網(wǎng)。在10～20、35～50em土層，>0.25mm水穩(wěn)性團聚體也是決定產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，水穩(wěn)性團聚體決定著土壤的水、氣、熱狀況和養(yǎng)分供應(yīng)狀況，尤其是土壤下層，大團聚體的變化也會直接影響土壤有機碳的穩(wěn)定性四。在35～50cm土層土壤全氮與產(chǎn)量間負相關(guān)，渭北旱塬是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降雨會影響氮素的平衡狀態(tài)，應(yīng)有效控制氮肥的投入，保證作物產(chǎn)量。

本研究結(jié)果表明，渭北高原黑壚土不同田塊間土壤全氮、全磷、全鉀變異相對較小，受耕種施肥的影響，在0～20cm土層，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀產(chǎn)生一定的變異;其中以有效磷變異最大。

小麥產(chǎn)量與土壤性狀間通過逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量不僅僅取決于土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分（全氮.全鉀、全磷），>0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量也是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。因此，提高土壤有機質(zhì)和水穩(wěn)性團聚體含量，適當調(diào)節(jié)磷素和鉀素水平，是提高渭北高原黑壚土區(qū)小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵。

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