不同種植模式下農(nóng)田耕層土壤肥力現(xiàn)狀比較
——以皖南宣州區(qū)為例①

王安琪 ，楊 平，趙燕洲，李賢勝，何小衛(wèi)，李武進(jìn)，李宏光，肖艷松，朱啟法，張 國，薛 琳，宋效東，李德成*

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 宣城市土肥站，安徽宣城 242000；4 宣城市宣州區(qū)土肥站，安徽宣城 242000；5湖南省煙草公司郴州市公司，湖南郴州 423000；6安徽皖南煙葉有限責(zé)任公司，安徽宣城 242000)

輪作是農(nóng)田用養(yǎng)結(jié)合的途徑之一[1-2]，可以提高土壤肥力[3-4]、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體組成及其有機(jī)碳含量[5]、提高微生物和酶活性[6]、降低雜草密度和作物發(fā)病率[7]、改善作物的長勢(shì)和提升作物產(chǎn)量和產(chǎn)值[8]。皖南宣城市的宣州區(qū)處于暖溫帶與亞熱帶過渡區(qū)，地貌地形包括低山、丘陵、平原圩區(qū)，農(nóng)田土壤以水稻土為主，其他為潮土和紅壤①宣城市土壤普查辦公室. 宣城土壤. 1988.。2008年前種植模式單一，主要為雙季稻，可假設(shè)初始肥力相對(duì)一致[9]。之后由于氣候和土壤適宜焦甜香型優(yōu)質(zhì)烤煙種植(目前是安徽烤煙主要種植區(qū))[10]，加上農(nóng)戶對(duì)高種植收益的追求，種植模式趨向多元化，目前主要有煙稻輪作、單季稻、稻油輪作、稻麥輪作、中藥材(元胡、前胡、長春花等)等[8]。不同的種植模式對(duì)土壤肥力的影響也會(huì)存在差異[8]，但迄今尚缺乏皖南地區(qū)的相關(guān)報(bào)道。當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)和種田大戶非常關(guān)注不同種植模式下的農(nóng)田肥力現(xiàn)狀，為此，本研究選擇目前宣州區(qū)農(nóng)田主要的種植模式，測(cè)定分析了代表性耕層(0 ~ 20 cm)pH、有機(jī)質(zhì)(SOM)、有效磷(AP)和速效鉀(RAK)含量，并計(jì)算了綜合肥力指數(shù)(IFI)，旨在通過比較提出有利于土壤肥力提升的種植模式和相應(yīng)的施肥建議，為當(dāng)?shù)睾屯钅系貐^(qū)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

宣州區(qū)地處17°58′ ~ 119°40′E、29°57′ ~ 31°19′N，總面積2 533 km2，地勢(shì)上南部遍布低山，中部丘陵起伏，北部為平原圩區(qū)。本區(qū)地處暖溫帶向亞熱帶過渡區(qū)，年均氣溫15.9 ℃，日照時(shí)數(shù)1 500 h，降雨量1 430 mm，無霜期228 d。農(nóng)田土壤類型以水稻土(水耕人為土)為主(4.98萬hm2，約占耕地面積的90%)①。目前種植模式主要包括煙稻輪作、單季稻、稻油輪作、稻麥輪作、油棉輪作等[11]。

1.2 代表性田塊確定和土樣采集與測(cè)試

2018年10月，依據(jù)種植模式、地形地貌、土壤類型(依據(jù)宣州區(qū)1∶50 000土種圖)和土地利用等，確定了稻麥輪作、雙季稻、單季稻、稻油輪作、煙稻輪作、中藥材6類種植模式，合計(jì)調(diào)查采樣了122個(gè)代表性田塊(圖1)，包括20個(gè)稻麥輪作田塊、20個(gè)雙季稻輪作田塊、20個(gè)單季稻田塊、20個(gè)稻油輪作田塊、20個(gè)煙稻輪作田塊、22個(gè)中藥材田塊。田間調(diào)查信息包括種植模式的年限(至少3 a以上)、施肥、產(chǎn)量、凈收益等。田間采樣方式為：S形隨機(jī)8 ~10個(gè)點(diǎn)采取耕層(0 ~ 20 cm)土樣，充分混勻后四分法留取1.5 kg備用。之所以僅采集耕層土樣，是因?yàn)椴煌馏w層次中作物的產(chǎn)量主要由耕層決定。

土樣經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干、去雜、研磨后，分別過20目(0.85 mm)和100目(0.15 mm)篩，各指標(biāo)測(cè)定方法為：pH，電位計(jì)法(土液比1︰2.5)；有機(jī)質(zhì)，采用油浴加熱–重鉻酸鉀氧化容量法；有效磷，碳酸氫鈉浸提–鉬銻抗比色法；速效鉀，乙酸銨浸提–火焰光度計(jì)法[11]。之所以采用這4個(gè)指標(biāo)，一是基于快速簡便的肥力評(píng)價(jià)考慮，二是因?yàn)檫@4個(gè)指標(biāo)是土壤肥力評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)[12]。沒有考慮氮素指標(biāo)是因?yàn)閷?duì)宣州區(qū)測(cè)土配方施肥工作的920個(gè)農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析表明[13]，有機(jī)質(zhì)與全氮和堿解氮之間均存在顯著的相關(guān)性(Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.907**和0.254**，P<0.01)。

1.3 IFI計(jì)算方法

IFI主要的計(jì)算步驟包括[12-14]：①采用Mean±3σ法剔除各指標(biāo)的異常值；②利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度值，其中有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀為S型，pH為拋物線型。4個(gè)指標(biāo)的曲線拐點(diǎn)取值的確定根據(jù)耕地質(zhì)量等級(jí)(GB/T 33469—2016)[15]及實(shí)際情況(表1)。③利用主成分分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wi[12]。④采用權(quán)重加權(quán)求和模型計(jì)算IFI[14](式1)。

表1 土壤指標(biāo)隸屬度函數(shù)曲線拐點(diǎn)取值Table 1 Membership function and threshold values of soil indexes

式中：Wi為第i個(gè)因子的權(quán)重，Ni是第i個(gè)因子的隸屬度值。

1.4 農(nóng)田土壤養(yǎng)分分級(jí)及植煙土壤適宜性分級(jí)

農(nóng)田土壤指標(biāo)分級(jí)(表2)依據(jù)全國土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，植煙土壤養(yǎng)分適宜性分級(jí)(表3)依據(jù)綜合分析目前的相關(guān)研究結(jié)果[17]。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of soil nutrients of 2nd national soil survey

表3 植煙土壤養(yǎng)分適宜性分級(jí)Table 3 Grading standard of soil nutrients for tobacco-growing farmland

1.5 土壤綜合肥力分級(jí)

參考相關(guān)的IFI分級(jí)結(jié)果[13,18]，采用等距法將IFI劃分為5個(gè)等級(jí)：高(IFI≥0.8)、較高(0.6≤IFI<0.8)、中(0.4≤IFI<0.6)、較低(0.2≤IFI<0.4)、低(IFI<0.2)。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

利用ArcGIS10.2繪制樣點(diǎn)分布圖，利用IBM Statistics SPSS 22.0 和Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)的常規(guī)描述性分析和單因素方差分析(ANOVA)，利用R 3.6.0和Origin 9.1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對(duì)土壤pH的影響

由表4可以看出，煙稻輪作和單季稻土壤pH顯著高于其他種植模式，中藥材土壤pH顯著低于其他種植模式，而雙季稻、稻油輪作、稻麥輪作之間土壤pH差異不顯著。6種種植模式的變異系數(shù)均小于10%，為弱變異性。6種種植模式的耕層土壤均為酸性。

表4 不同種植模式下耕層土壤pHTable 4 Statistics of topsoil pH values under different planting patterns

2.2 不同種植模式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

由表5可以看出，不同種植模式土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)較大差異，中藥材土壤顯著低于其他種植模式，雙季稻土壤顯著高于其他種植模式。6種種植模式變異系數(shù)介于19.66% ~ 34.08%，屬于中等強(qiáng)度變異性。根據(jù)表2，煙稻輪作和中藥材土壤有機(jī)質(zhì)處于20 ~ 30 g/kg，達(dá)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；其余種植模式土壤有機(jī)質(zhì)均處于30 ~ 40 g/kg，達(dá)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 不同種植模式下耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)Table 5 Statistics of topsoil SOM contents under different planting patterns

2.3 不同種植模式對(duì)土壤有效磷的影響

由表6可以看出，中藥材土壤有效磷含量顯著高于其他種植模式，單季稻土壤有效磷含量顯著低于其他種植模式。6種種植模式土壤有效磷含量均呈現(xiàn)正偏態(tài)特征；煙稻輪作和單季稻模式為負(fù)峰度。6種種植模式土壤有效磷變異系數(shù)為36.15% ~ 78.17%，屬于中等強(qiáng)度變異。根據(jù)表2，煙稻輪作和單季稻土壤有效磷處于20 ~ 40 mg/kg，達(dá)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；其他模式的土壤有效磷則大于40 mg/kg，達(dá)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 不同種植模式下耕層土壤有效磷含量(mg/kg)Table 6 Statistics of topsoil AP contents under different planting patterns

2.4 不同種植模式對(duì)土壤速效鉀的影響

由表7可以看出，不同種植模式之間土壤速效鉀含量差異明顯，中藥材土壤顯著偏高，稻油輪作土壤顯著偏低，均屬于中等強(qiáng)度變異。根據(jù)表2，中藥材土壤速效鉀處于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，煙稻輪作和雙季稻土壤處于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，單季稻、稻油輪作和稻麥輪作土壤處于中等水平。

表7 不同種植模式下耕層土壤速效鉀含量(mg/kg)Table 7 Statistics of topsoil RAK contents under different planting patterns

2.5 不同種植模式對(duì)土壤IFI的影響

表8為計(jì)算出的不同種植模式下土壤指標(biāo)隸屬度值，各指標(biāo)的權(quán)重見圖2，根據(jù)式(1)計(jì)算出IFI值(表9)。由表9可以看出，各種植模式間IFI為雙季稻(0.880)>煙稻輪作(0.821)>單季稻(0.817)>稻麥輪作(0.760)>中藥材(0.693)>稻油輪作(0.645)?？傮w上看，雙季稻、煙稻輪作、單季稻模式的IFI較高，均>0.8；稻麥輪作、中藥材、稻油輪作模式的IFI次之，介于0.6 ~ 0.8。

表9 不同種植模式土壤的IFI值Table 9 Soil IFI values under different planting patterns

3 討論

3.1 不同種植模式下土壤養(yǎng)分差異

田間調(diào)查表明，各類種植模式下所有作物的秸稈都采取還田措施，施肥和相應(yīng)的養(yǎng)分投入見表10，生物量移出和相應(yīng)的養(yǎng)分移出信息見表11，養(yǎng)分凈增減信息見表12。其中，移出田塊的作物器官的氮磷鉀含量數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)(取平均值)[19-20]。

表10 2018年不同種植模式下施肥與營養(yǎng)元素投入信息(kg/hm2)Table 10 Fertilization and nutrient input information under different planting patterns of 2018

表11 2018年不同種植模式下產(chǎn)出與營養(yǎng)元素移出信息Table 11 Output and nutrient removal information under different planting patterns of 2018

長期大量施用化肥以及酸沉降造成皖南農(nóng)田土壤普遍酸化[21-22]。煙稻輪作土壤pH最高(5.47)，主要是由于烤煙生長的適宜pH為5.5 ~ 6.5，為此當(dāng)?shù)責(zé)熖锒嗖捎檬┯冒自剖鄹乃醄23]。中藥材土壤pH最低(4.87)，單季稻、雙季稻、稻麥輪作、稻油輪作土壤pH差異不顯著。這主要是因?yàn)橹兴幉臑楹底?，而水田緩沖性能高，會(huì)緩解pH的降低[24]。

本研究表明，不同種植模式土壤有機(jī)質(zhì)含量的平均值為雙季稻(38.46 g/kg)>單季稻(33.98 g/kg)>稻油輪作(31.18 g/kg)>稻麥輪作(30.70 g/kg)>中藥材(25.82 g/kg)>煙稻輪作(25.60 g/kg)，這與土壤水分狀況和秸稈還田有關(guān)。秸稈還田[25]、施肥(特別是氮肥)[26]以及土壤含水量高[27]，有利于提升土壤有機(jī)質(zhì)含量。就雙季稻而言，其秸稈還田量大，土壤淹水時(shí)間長，故土壤有機(jī)質(zhì)含量最高。優(yōu)質(zhì)烤煙要求土壤有機(jī)質(zhì)為適中水平[28]，因此植煙期間一般嚴(yán)格控制肥料的投入，并且烤煙為旱作，有機(jī)質(zhì)礦化分解快，因此煙稻輪作土壤有機(jī)質(zhì)含量最低。種植中藥材模式，由于同樣為旱作且中藥材對(duì)有機(jī)質(zhì)需求量大，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量也較低[29]。

表12 2018年不同種植模式下營養(yǎng)元素凈變化情況Table 12 Net changes of nutrients under different planting patterns of 2018

本研究表明，6種種植模式的土壤有效磷含量均偏高，這是由于磷肥價(jià)格低，加上農(nóng)戶認(rèn)為多施磷肥無害且會(huì)增產(chǎn)，往往施用過量鈣鎂磷肥或過磷酸鈣[30]，這也是雙季稻、稻油輪作、稻麥輪作、煙稻輪作土壤有效磷含量無顯著差異的主要原因。中藥材生長對(duì)養(yǎng)分的需求量大，因此施肥中普遍多施磷鉀肥，故土壤有效磷和速效鉀含量最高(平均值分別為95.92 mg/kg和200.6 mg/kg)。單季稻的肥料投入較少，加之秸稈還田量相對(duì)較少，故土壤有效磷含量最低(平均值30.09 mg/kg)。

6種種植模式的土壤速效鉀含量多處于正常范圍。中藥材土壤速效鉀含量最高(平均值200.6 mg/kg)，這是由于鉀是品質(zhì)元素，農(nóng)戶一般多施鉀肥以提升中藥材品質(zhì)，且移出的鉀較少(表12)?？緹熓肉?，一般煙草專用肥配方中鉀含量最高[31]，但由于烤煙自身吸鉀多，且一些煙農(nóng)在后茬晚稻種植時(shí)忽視施用鉀肥，煙稻輪作模式消耗鉀最多(約為56%)，降低了煙稻輪作土壤速效鉀含量。

3.2 不同種植模式下土壤綜合肥力差異

不同種植模式間IFI平均值由高到低依次為雙季稻(0.880)>煙稻輪作(0.821)>單季稻(0.817)>稻麥輪作(0.760)>中藥材(0.693)>稻油輪作(0.645)。雙季稻由于其長期厭氧條件，土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分富集，IFI值最高。煙稻輪作模式土壤pH和速效鉀含量分別處于6種模式中的第一位(5.47)和第三位(157.10 mg/kg)，因此其IFI也較高。種植中藥材模式由于pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量低，導(dǎo)致IFI較低。稻油輪作各養(yǎng)分指標(biāo)普遍較低，導(dǎo)致IFI最低。

3.3 種植模式與土壤肥力提升的建議

雙季稻、煙稻輪作和單季稻的IFI均大于0.8(分別是0.880、0.821和0.817)，明顯高于稻麥輪作(0.760)、中藥材(0.693)和稻油輪作(0.645)。這在一定程度上說明雙季稻、煙稻輪作和單季稻3種模式更有利于維持土壤肥力和土壤可持續(xù)性，因此推薦這3種種植模式。

根據(jù)表2，約18% 單季稻田塊和15% 稻麥輪作田塊土壤有機(jī)質(zhì)處于四級(jí)，其余土壤有機(jī)質(zhì)均處于三級(jí)及以上，因此各種種植模式，尤其是單季稻和稻麥輪作應(yīng)適當(dāng)提升有機(jī)物料投入；稻麥輪作和單季稻的土壤有效磷含量最低，應(yīng)適當(dāng)增加磷肥；稻麥輪作有約65% 田塊土壤速效鉀處于三級(jí)水平及以下，而稻油輪作和單季稻分別有40% 和30% 的田塊土壤速效鉀處于四級(jí)，應(yīng)增加鉀肥。從表12來看，雙季稻模式N、P、K凈增量均為負(fù)值，且P減少了約53%，應(yīng)加大化肥的投入。對(duì)于煙稻種植模式，根據(jù)表3，尚有45% 田塊pH<5.5，應(yīng)注意改酸；另外分別有15% 和10% 煙稻輪作田塊土壤有機(jī)質(zhì)低于或高于植煙適宜范圍(20 ~ 35 g/kg)，60% 田塊土壤有效磷高于植煙適宜范圍(15 ~ 30 g/kg)，45% 煙稻輪作田塊土壤速效鉀低于植煙適宜范圍(150 ~ 220 g/kg)，分別酌情考慮增減有機(jī)肥或磷鉀肥。

依據(jù)調(diào)查獲取各類種植模式大致凈收益信息(表13)，其與網(wǎng)上查詢到凈收益數(shù)據(jù)有一定出入，故本文以實(shí)際調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。比較而言，中藥材種植模式最高(200元/hm2)，煙稻輪作次之(137元/hm2)，雙季稻中等(117元/hm2)，單季稻、稻油輪作和稻麥輪作相對(duì)較低(介于60 ~ 84元/hm2)，結(jié)合雙季稻、煙稻輪作和單季稻3種模式的IFI較高，因此推薦雙季稻和煙稻輪作模式。但需要指出：①雙季稻口感一般不如單季稻[32]，加之農(nóng)業(yè)比較效益低，農(nóng)戶種地積極性不高，因此雙季稻模式農(nóng)戶難于接受；②中藥材一定要注意及時(shí)換地，因?yàn)橹兴幉拇嬖诿黠@連作障礙，70% 根類藥材存在連作障礙[33]。③不推薦稻油與稻麥輪作的另外原因是居民很少食用菜籽油，南方小麥籽粒含水量偏高，易霉變，銷售風(fēng)險(xiǎn)大。

表13 不同種植模式凈收入Table 13 Annual net income of different planting patterns

由于難以獲取代表性田塊的肥力初始信息，因此本研究主要是依據(jù)現(xiàn)狀肥力狀況比較來推薦種植模式和施肥建議，這可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此有必要開展專門的定位監(jiān)測(cè)研究來進(jìn)一步驗(yàn)證本研究得出的結(jié)果。

4 結(jié)論

宣州區(qū)農(nóng)田在不同種植模式下土壤pH、養(yǎng)分以及肥力存在一定的差異，各種種植模式土壤均為酸性，土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量高低順序存在一定差異。依據(jù)綜合分析比較土壤指標(biāo)、IFI、養(yǎng)分凈變化和凈收益，推薦雙季稻和煙稻輪作模式。稻麥輪作、單季稻和稻油輪作模式應(yīng)注意適當(dāng)增施磷鉀肥和有機(jī)肥；煙稻輪作需要依據(jù)定期的測(cè)土結(jié)果來酌情考慮增減有機(jī)肥和磷鉀肥的施用。

致謝：謹(jǐn)此感謝在調(diào)查采樣過程中給予支持和幫助的所有人員。