山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分特征分析

張晉豐，郭雅飛，栗麗,2，李廷亮,2*，劉洋，陳婷，王嘉豪，呂卓呈

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷 030801）

0 引言

【研究意義】根據(jù)2018 年山西省統(tǒng)計(jì)年鑒，山西省小麥種植面積為56 萬hm2，占全省糧食播種面積的16%，主要分布在晉南的運(yùn)城、臨汾和長治地區(qū)，小麥生產(chǎn)對支撐當(dāng)?shù)丶Z食安全和面食文化均具有重要意義。小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)與土壤養(yǎng)分協(xié)同供應(yīng)能力密切相關(guān)，明確山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分特征可為推進(jìn)當(dāng)?shù)匦←溇G色生產(chǎn)及土壤肥力提升提供理論依據(jù)?！狙芯窟M(jìn)展】全國第二次土壤普查結(jié)果表明，20 世紀(jì)90 年代山西省耕層土壤有機(jī)質(zhì)量、全氮量、有效磷量和速效鉀量的加權(quán)平均值分別為 1.07%、0.68g/kg、7.76mg/kg、131.90mg/kg，其中有機(jī)質(zhì)量和全氮量分布表現(xiàn)為以晉東南地區(qū)最高，晉西北地區(qū)最低[1]。陳明昌等[2]2000 年對山西省從南到北9 個(gè)地（市）農(nóng)田土壤養(yǎng)分調(diào)查研究表明，與全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)相比，隨施肥結(jié)構(gòu)變化，土壤有效磷量有所提升，但速效鉀量呈下降趨勢。解文艷等[3]2007年對山西省主要農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分的研究表明，耕層土壤有效磷、速效鉀和堿解氮量平均值分別為14.15、141.80mg/kg 和63.29mg/kg，有效磷和速效鉀量較豐富，堿解氮量處于中等水平。董潔[4]進(jìn)一步通過地統(tǒng)計(jì)方法和GIS 技術(shù)手段對山西省養(yǎng)分綜合狀況分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)量、全氮量、有效磷量、速效鉀量呈現(xiàn)西北低，東南高的空間分布格局，土壤養(yǎng)分水平隨地貌和土壤類型呈顯著變化。近年來許多研究也表明，隨著化肥用量的大幅度提高和有機(jī)肥用量的下降，土壤有機(jī)質(zhì)量在持續(xù)降低[5-7]。土壤微量元素水平對提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)具有重要作用，史崇文等[8]研究發(fā)現(xiàn)山西省土壤微量元素背景值的分布特征為由南向北、由東南向西北逐漸降低，主要影響因素是土壤類型、土壤母質(zhì)和土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，山西省土壤中Mn 元素值普遍較高，但Se 元素值較低。余存祖等[8]研究表明黃土高原地區(qū)有11%的土壤缺鐵，8%的土壤缺錳，56%的土壤缺鋅，21%的土壤缺銅，土壤微量元素供應(yīng)不足已經(jīng)影響到了該區(qū)的作物生長。

【切入點(diǎn)】近年來，化肥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，但化肥增幅遠(yuǎn)大于產(chǎn)量增幅，本研究團(tuán)隊(duì)前期對晉南麥區(qū)700 多個(gè)農(nóng)戶的調(diào)研表明，平均肥料用量為：N 152kg/hm2，P2O580kg/hm2，K2O 41kg/hm2，對應(yīng)具體農(nóng)戶產(chǎn)量評價(jià)表明45%～60%農(nóng)戶氮、磷、鉀肥用量偏高。施肥、種植方式及氣候條件的變化必然會影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)情況，第二次土壤普查養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)已不能有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)施肥生產(chǎn)。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過對山西省小麥種植區(qū)典型縣域耕地土壤均勻布點(diǎn)采樣，分析小麥種植區(qū)耕層土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)以及Cu、Zn、Fe、Mn、Ni、Se6 種微量元素水平及分布規(guī)律，明確山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，為當(dāng)?shù)匦←溙豳|(zhì)增效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省小麥種植主要集中在運(yùn)城、臨汾和長治地區(qū)，本研究依據(jù)山西省統(tǒng)計(jì)年鑒2018 年數(shù)據(jù)，選取小麥種植面積最大的3 個(gè)縣為代表區(qū)域，分別是洪洞縣、襄汾縣和聞喜縣，小麥種植面積分別為40420、42278、40933hm2。當(dāng)?shù)貙贉貛Ъ撅L(fēng)性氣候，其中洪洞縣年均氣溫12.3℃，年平均降水量493.3mm，無霜期平均每年190d；襄汾縣年均氣溫11.5℃，年均降水量550mm 左右，無霜期平均每年185d；聞喜縣年均氣溫為8～14℃，無霜期平均每年200d 左右，年均降水量439.8mm。當(dāng)?shù)丶s70%的降雨量集中在6—9 月，土壤類型以褐土為主。水地小麥種植模式一般為冬小麥-夏玉米，旱地小麥種植模式一般為冬小麥-夏休閑。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集與處理

為避免季節(jié)性施肥對土壤養(yǎng)分的影響，本研究于2019 年7―9 月在小麥?zhǔn)斋@后下季作物播種前，根據(jù)土壤類型、地形條件以及小麥種植區(qū)劃，分別在洪洞縣、聞喜縣和襄汾縣均勻布點(diǎn)100 個(gè)，并記錄經(jīng)緯度，具體采樣點(diǎn)分布見圖1。每個(gè)點(diǎn)位的土壤樣品是根據(jù)所在地塊性狀大小特征，采用五點(diǎn)法或“S”形法采集的耕層混合樣品，樣品經(jīng)四分法處理后留取1kg 左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，除去枯枝落葉和石礫等雜物，取一部分新鮮樣品測定土壤水分和硝態(tài)氮量，其余土壤樣品自然風(fēng)干后，分別過1mm 篩和0.149mm 篩，用于測定土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和微量元素等指標(biāo)。

3 個(gè)典型種植區(qū)所采集土壤樣品涉及的土壤類型包括棕壤（1 個(gè)）、褐土（224 個(gè)）、新積土（3 個(gè)）、石質(zhì)土（5 個(gè)）、粗骨土（15 個(gè)）、潮土（48 個(gè)）、水稻土（4 個(gè)），地形特征包括山地（79 個(gè)）、平原（123 個(gè)）和丘陵（58 個(gè)）。

1.2.2 樣品測定及方法

土壤硝態(tài)氮的測定使用紫外分光光度法[9]；土壤有效磷的測定采用0.5mol/L 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[9]；土壤速效鉀的測定采用NH4OAc 浸提-火焰光度法[9]；土壤有機(jī)質(zhì)的測定用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[9]。微量元素全量Cu、Zn、Fe、Mn、Ni 的測定經(jīng)加硝酸-氫氟酸浸泡過夜高溫消煮后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，而全量Se 則用硝酸-高氯酸浸泡過夜后高溫消解，用氫化物發(fā)生-原子熒光法進(jìn)行測定[10-12]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和整理，采用Origin 8 軟件進(jìn)行制圖和用SPSS 軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥種植區(qū)速效養(yǎng)分特征分析

圖2 是山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤速效養(yǎng)分特征。當(dāng)?shù)馗麑油寥老鯌B(tài)氮量在1.9～115.2mg/kg，空間差異較大，平均值為35.14mg/kg，3 個(gè)代表區(qū)域以聞喜縣耕層土壤硝態(tài)氮量最低，整體表現(xiàn)為洪洞縣、襄汾縣>聞喜縣。有效磷量在2.4～88mg/kg，平均值為26.9mg/kg，較第二次土壤普查全省土壤有效磷量平均值提高了2.98%，對照全國土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[3]，處于二級水平。3 個(gè)代表區(qū)耕層土壤有效磷量整體表現(xiàn)為襄汾縣>聞喜縣>洪洞縣。速效鉀量在97.1～579.2mg/kg，平均值為297.9mg/kg，較第二次土壤普查山西省土壤速效鉀量平均值提高了1.26%，對照全國土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，處于一級水平，3 個(gè)代表區(qū)以襄汾縣耕層土壤速效鉀量最高，屬于富鉀地區(qū)，整體表現(xiàn)為襄汾縣>聞喜縣>洪洞縣。

2.2 小麥種植區(qū)微量元素水平分析

典型小麥種植區(qū)耕層土壤6 種微量元素水平情況見表1。由表1 可知，土壤中Cu 全量范圍為16.09～59.71mg/kg，平均值為30.40mg/kg；土壤中Zn全量范圍為57.88～198mg/kg，平均值為90.04mg/kg；土壤中 Fe 全量范圍為 2.30%～6.66%，平均值為3.76%；土壤中Mn 全量范圍為426～926.1mg/kg，平均值為 660.24mg/kg；土壤中 Ni 全量范圍在23.31～47.75mg/kg 之間，平均值為34.80mg/kg；土壤中 Se 全量范圍為 0.017～1.354mg/kg，平均值為0.434mg/kg?？傮w表明，山西省小麥種植區(qū)耕層土壤6 種微量元素較對應(yīng)的山西省土壤元素背景值高10.82%～141.11%，較對應(yīng)中國土壤元素背景值高13.25%～49.66%。6 種微量元素總體水平較高，且表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Ni>Cu>Se，進(jìn)一步分析3 個(gè)典型種植區(qū)耕層土壤6 種微量元素的水平特征，總體以洪洞縣耕層土壤6 種微量元素最高，以聞喜縣最低。

2.3 小麥種植區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)特征分析

表2 是山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)量。由表2可知，當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)質(zhì)量在5.61～64.28g/kg，空間差異較大，平均值為21.65g/kg，較第二次土壤普查山西省耕層土壤有機(jī)質(zhì)平均值提高了109.4%。其中，有機(jī)質(zhì)量<10g/kg 點(diǎn)位數(shù)占4.55%，10～20g/kg點(diǎn) 位 數(shù) 占 46.85% ， 20～30g/kg 點(diǎn) 位 數(shù) 占24.48%，>30g/kg 的點(diǎn)位數(shù)占24.13%，表明小麥種植區(qū)大部分區(qū)域有機(jī)質(zhì)量是在10～20g/kg。另外，3 個(gè)代表區(qū)以洪洞縣土壤有機(jī)質(zhì)量最高，平均值為26.75 g/kg，以聞喜縣土壤有機(jī)質(zhì)量最低，平均值為15.10 g/kg。

2.4 小麥種植區(qū)土壤中各養(yǎng)分元素相關(guān)性分析

土壤中各養(yǎng)分元素相關(guān)性分析見表3。從表3 可以看出，山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤全量Cu、Fe、Mn、Ni 之間相互均存在極顯著相關(guān)性，全量Se與Fe、Cu、Mn 存在顯著或極顯著相關(guān)性，但全量Zn 與其他微量元素、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀均不存在顯著相關(guān)性，土壤有機(jī)質(zhì)與全量Se、Cu、Fe、Mn、速效磷存在顯著或極顯著相關(guān)性，但土壤有機(jī)質(zhì)與硝態(tài)氮、速效鉀相關(guān)性不顯著，土壤有效磷與Ni、Fe、Mn、Cu 呈負(fù)相關(guān)，且與Ni、Fe、Mn 的負(fù)相關(guān)性達(dá)極顯著水平。

表1 小麥種植區(qū)耕層土壤微量元素特征Table 1Characteristics of trace elements in topsoil of wheat planting area

表2 山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)量Table 2Organic quality of topsoil in typical wheat growing areas of Shanxi Province

表3 山西省小麥種植區(qū)土壤元素相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of soil elements in wheat planting area of Shanxi Province

3 討論

硝態(tài)氮是土壤礦質(zhì)態(tài)氮的重要組成部分，同時(shí)也是作物獲取氮素的主要來源，土壤硝態(tài)氮量因施肥方式、耕作措施及土壤水熱條件差異而變化。研究表明，在相同灌水處理下，各土層硝態(tài)氮量隨施氮量的增加而增加，表明氮肥大量施用增加了土壤中硝態(tài)氮量，這也是土壤中硝態(tài)氮積累和淋溶的根本原因[13-14]；本研究中，山西省小麥種植區(qū)土壤硝態(tài)氮量平均值為35.14mg/kg，空間差異較大，最大值較最小值高達(dá)60倍，原因可能是不同樣點(diǎn)農(nóng)民的施氮量差異比較大。有效磷是土壤磷庫中對作物最為有效的部分，也是評價(jià)土壤供磷水平的重要指標(biāo)[15]。山西省小麥種植區(qū)土壤有效磷量在2.4～88mg/kg，平均值達(dá)26.9mg/kg，空間差異也比較大，一方面與農(nóng)戶施磷量有關(guān)，另一方面與土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化有關(guān)，因?yàn)樯轿魇⊥寥缹偈倚酝寥溃寥乐锈}結(jié)合態(tài)磷分級和數(shù)量是影響土壤中速效磷量的重要因素。鉀是植物生長必需的營養(yǎng)元素，土壤中鉀的釋放和固定對土壤鉀的有效性具有重要影響[16-17]。山西省小麥種植區(qū)土層速效鉀量空間變化較大，但速效鉀總體量較高，本研究中山西省小麥種植區(qū)土壤平均值高達(dá)297.9mg/kg，對照全國土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，處于一級水平。這與北方土壤成土母質(zhì)多含長石類礦物以及近年來提倡秸稈還田有關(guān)[18]?？傮w來看，經(jīng)過30 多年土壤耕作演替，山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分狀況總體較第二次土壤普查數(shù)據(jù)呈提升狀態(tài)。此外，研究區(qū)內(nèi)土壤主要為水澆地，輪作制度一年二熟或二年三熟，地區(qū)農(nóng)民從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性較高，農(nóng)業(yè)投入也相對較多，因此土壤速效養(yǎng)分水平較高。小麥種植區(qū)土壤硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀量空間差異較大，一方面與土壤成土母質(zhì)和氣候環(huán)境條件有關(guān)，另一方面也與農(nóng)戶盲目施肥有關(guān)[19-20]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成物質(zhì)，也是各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力與肥力的重要指標(biāo)之一[9],本研究發(fā)現(xiàn)山西典型小麥種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)量在5.61～64.28g/kg，空間差異較大，平均值為21.65g/kg，而第二次土壤普查數(shù)據(jù)為10.34g/kg，與之相比提高了109.4%，土壤有機(jī)質(zhì)量提高的原因與有機(jī)肥的投入和秸稈還田有關(guān)。研究表明秸稈還田可有效提高土壤有機(jī)碳量[21]，1998 年以后，各級政府進(jìn)一步加大了禁燒力度，秸稈還田的面積和數(shù)量穩(wěn)步增長，對培肥土壤提高土壤有機(jī)質(zhì)量起到了推動(dòng)作用[22]。

山西省典型小麥種植區(qū)土壤微量元素總體來說較為豐富，Mn、Zn、Cu、Fe、Ni、Se6 種微量元素較山西省土壤元素背景值提高10.82%～141.11%，原因可能與生產(chǎn)過程中有機(jī)肥的投入和測土培肥施肥技術(shù)推廣有關(guān)，有機(jī)肥含有大量的微量元素，比如銅、鋅等[23]，進(jìn)而可增加土壤中微量元素。測土配方施肥技術(shù)的宣傳推廣使得微肥得到重視，維持了農(nóng)作物需肥與土壤供肥的基本平衡[24-25]。

研究區(qū)土壤中有效磷與有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較好，原因可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)酸性基團(tuán)可以活化土壤中的礦物態(tài)磷,增加了磷的有效性。常龍飛等[26]在巢湖低丘山區(qū)的研究也表明土壤有機(jī)質(zhì)與總磷以及各形態(tài)磷均呈良好正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)對土壤硒具有固定和吸附作用,有機(jī)質(zhì)量越豐富的土壤對硒的吸附能力也就越強(qiáng)。牛中磊等[27]在山東省淄川區(qū)的研究也表明土壤硒水平與有機(jī)質(zhì)量具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7913。另一方面，土壤有機(jī)質(zhì)與Se 元素相關(guān)性比較高，也說明當(dāng)?shù)赝寥牢螒B(tài)主要為有機(jī)態(tài)硒。但土壤有機(jī)質(zhì)與土壤硝態(tài)氮、速效鉀相關(guān)性不顯著，原因應(yīng)該是硝態(tài)氮、速效鉀是以無機(jī)態(tài)鹽分存在的。全量Zn 與其他微量元素、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀均不存在顯著相關(guān)性。原因可能是北方土壤Zn 主要以硅鋁酸鹽礦物態(tài)存在，鋅的離子半徑與鎂離子相近，易與硅鋁酸鹽片層中的鎂進(jìn)行同晶交換而成為硅鋁酸鹽的成分[28]。土壤Fe 與Mn 元素的相關(guān)性較好，表明在小麥種植區(qū)，F(xiàn)e 元素與Mn 元素之間具有較強(qiáng)的影響關(guān)系。原因可能是Mn、Fe 主要以多種氧化態(tài)存在于土壤中，其氧化物還原成Fe2+、Mn2+并在MnO2的催化下Fe2+快速氧化，沉積在MnO2表面；在土壤長期演化過程中，周圍的活性Fe2+、Mn2+又被氧化淀積在鐵、錳氧化物表面；干濕交替、氧化還原的反復(fù)進(jìn)行[29]，因此Fe 與Mn 相關(guān)性高。魏孝榮[30]通過在黃土高原旱地連續(xù)進(jìn)行了18 a 的長期定位試驗(yàn)探討了土壤鋅、銅、錳、鐵有效性與其形態(tài)，其中也提到錳還以多種氧化態(tài)存在于土壤中，容易與Fe 共生形成混雜的或復(fù)合的氧化物共同存在于土壤中。土壤有效磷與土壤Ni、Fe、Mn、Cu 負(fù)相關(guān)，且與Ni、Fe、Mn 的負(fù)相關(guān)性達(dá)極顯著水平，原因可能是磷酸根離子與金屬離子的共沉淀作用引起的。

4 結(jié)論

1）山西省小麥種植區(qū)土壤硝態(tài)氮平均值為35.14mg/kg，有效磷平均值為26.9mg/kg，速效鉀平均值為297.9mg/kg，有機(jī)質(zhì)平均值為21.65g/kg，總體較第二次土壤普查山西省耕層土壤對應(yīng)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)提高了1.26%～109.4%。

2）土壤中Cu 平均值為30.40 mg/kg，Zn 平均值為90.04 mg/kg，F(xiàn)e 平均值為3.76%，Mn 平均值為660.23 mg/kg，Ni 平均值為34.80 mg/kg，Se 平均值為0.434 mg/kg，對應(yīng)較山西省土壤元素背景值提高10.82%～141.11%。

3）6 種微量元素總體表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Ni>Cu>Se。當(dāng)?shù)赝寥乐杏袡C(jī)質(zhì)量與有效磷、全量Se 呈極顯著相關(guān)性。小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分縣域空間分布差異性表現(xiàn)為3 種大量元素上以襄汾縣最高，6 種微量元素以聞喜縣最低。