上海市奉賢區(qū)農(nóng)田土壤肥力現(xiàn)狀及變化特征

顧建芹,江 健

(上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,上海 201499)

肥力是土壤的基本屬性,肥力高低影響著耕地質(zhì)量的優(yōu)劣。隨著時(shí)代的不斷演替,土壤的利用方式、施肥水平、管理措施和耕作方法都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)影響土壤養(yǎng)分變化的方向和程度,同時(shí),不同土壤類型、氣候和生物等因素,也會(huì)導(dǎo)致同一地區(qū)不同區(qū)域的土壤肥力水平出現(xiàn)較大差異[1-2]。從20世紀(jì)70年代,一些學(xué)者就利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)開始進(jìn)行土壤特性的空間變異研究,但大都停留在對(duì)土壤空間變異性的定性描述上。目前,地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)的應(yīng)用越來越廣泛,其與地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合可用來分析土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律,有效揭示土壤空間變異的特征,使土壤的空間變異研究實(shí)現(xiàn)定量化[3-7]。梁斌等[8]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的研究方法,揭示了北京西部山區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征和影響因素,表明土壤養(yǎng)分整體分布格局的空間相關(guān)性水平較強(qiáng);張華杰等[9]研究表明,有機(jī)質(zhì)和速效鉀的空間變異性主要與成土母質(zhì)、土壤類型、氣候條件等有關(guān),堿解氮、速效磷的空間變異性與耕作方式及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥量等有關(guān);陳桂香等[10]研究了福州市農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量空間豐缺差異,發(fā)現(xiàn)大部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)和有效磷含量較為豐富,堿解氮含量處于中等偏上水平,速效鉀含量相對(duì)較低。但已有研究大多是在短時(shí)間尺度上分析土壤養(yǎng)分的空間變異性,而在長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)土壤養(yǎng)分變化進(jìn)行的研究相對(duì)較少。2009—2018年在奉賢區(qū)主要農(nóng)田土壤上陸續(xù)建立了120個(gè)土壤耕作層養(yǎng)分長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn),本研究通過連續(xù)性土樣采集與檢測(cè)分析,應(yīng)用Kriging插值法,繪制土壤養(yǎng)分分布圖,以準(zhǔn)確、直觀地了解整個(gè)奉賢區(qū)農(nóng)田的土壤養(yǎng)分空間分布狀況,為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確施肥及其他農(nóng)田精準(zhǔn)管理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)范圍

根據(jù)耕地質(zhì)量等級(jí)和耕地面積、種植業(yè)結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況,從2009年開始,連續(xù)10年定位監(jiān)測(cè)奉賢區(qū)主要農(nóng)田的土壤肥力變化情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分為糧田、菜田、果園三大類,共設(shè)置120個(gè)點(diǎn)位,其中在糧田布點(diǎn)78個(gè),菜田28個(gè),果園14個(gè)(圖1)。

圖1 農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of farmland soil samples

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品采集時(shí)間集中在每年11月,即農(nóng)田作物收獲后,且尚未翻耕、施肥及后茬作物種植前。土樣采集按照NY∕T1 121.1—2006方法進(jìn)行,糧田、菜田取樣層為0—20 cm,果園取樣層為0—40 cm,風(fēng)干后備用。土樣主要分析有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量和pH[11],并運(yùn)用ArcGIS 9.0軟件生成Kriging插值,繪制成可視的土壤養(yǎng)分空間分布圖。

1.3 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

參照上海市耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1),對(duì)土壤中的養(yǎng)分含量及pH進(jìn)行等級(jí)劃分和肥力水平分析。為提高土壤肥力評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用X±3S(X為平均值,S為標(biāo)準(zhǔn)差)作為篩選檢測(cè)數(shù)據(jù)異常值的標(biāo)準(zhǔn),大于或小于3S的值不統(tǒng)計(jì)。

表1 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standard of each soil fertility indexes

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤肥力現(xiàn)狀

由表2和圖2可知,奉賢區(qū)總體土壤養(yǎng)分較為充足,各指標(biāo)集中分布在1—3級(jí)。有機(jī)質(zhì)含量18.7—38.4 g∕kg,糧田>菜田>果園,2級(jí)和3級(jí)占98.88%,屬較豐富水平。堿解氮含量28.8—248 mg∕kg,果園>菜田>糧田,3級(jí)占45%,為最高;其次是4級(jí)和2級(jí),分別占30%和18.33%。有效磷含量15.3—167 mg∕kg,菜田>果園>糧田,1級(jí)最多,占50%,無4級(jí)、5級(jí)農(nóng)田土壤。速效鉀含量分布呈階梯狀,范圍為58.8—282 mg∕kg,菜田>果園>糧田,98.25%農(nóng)田土壤的速效鉀含量較充足,但還有1.75%土壤速效鉀含量低于臨界值60 mg∕kg,屬缺鉀狀態(tài)。pH為5.32—7.51,糧田>菜田>果園,1級(jí)和2級(jí)占95%,總體較好。

表2 奉賢區(qū)2018年農(nóng)田土壤主要養(yǎng)分平均含量Table 2 Average contents of farmland soil fertility in Fengxian District in 2018

2.2 農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間插值分析

土壤養(yǎng)分處于時(shí)刻變化中,具有高度的空間特異性,各養(yǎng)分空間分布圖可以作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中變量施肥的依據(jù)[12-14]。由圖3可知,奉賢區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分布較均勻,在15—35 g∕kg,高于35 g∕kg的田塊出現(xiàn)在西部莊行鎮(zhèn)。堿解氮受土壤質(zhì)地、地形狀況及生產(chǎn)方式等影響,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間差異性,區(qū)域內(nèi)分布不均衡,呈東低西高、北少南多趨勢(shì)。有效磷西部略高于東部,未出現(xiàn)缺磷現(xiàn)象,菜田和果園的土壤有效磷積累較快,糧田相對(duì)較慢,故菜田和果園應(yīng)少施或一段時(shí)期內(nèi)不施磷肥。速效鉀空間分布為中部>西部>東部,含量較低(≤90 mg∕kg)的農(nóng)田主要分布在奉賢區(qū)西北部,位于莊行鎮(zhèn)北部與西渡街道交界處,其余各鎮(zhèn)有零星分布。土壤pH為5.5—7.5,多呈中性偏酸,表現(xiàn)為西部較低,往東略微升高的趨勢(shì),這與東西部農(nóng)田土壤的形成有關(guān),西部土壤發(fā)育于湖河母質(zhì),東部為江海母質(zhì)。鑒于土壤養(yǎng)分要素的空間特性,在施肥上應(yīng)實(shí)行分片管理。土壤有效磷和速效鉀養(yǎng)分較為充盈,應(yīng)根據(jù)所栽培作物需肥特點(diǎn)適當(dāng)施肥,而土壤堿解氮含量低于100 mg∕kg的農(nóng)田,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,酌情增施氮肥,以提高作物產(chǎn)量或改善土壤養(yǎng)分。

圖3 奉賢區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil fertility in Fengxian District

2.3 農(nóng)田土壤肥力變化趨勢(shì)

奉賢區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)平均含量呈逐年平緩上升趨勢(shì)(圖4a),年平均增長(zhǎng)0.58 g∕kg,增幅2.84%。有機(jī)質(zhì)含量的高低也與種植的作物有關(guān),不同利用方式土壤的有機(jī)質(zhì)含量變化呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。

堿解氮含量年際變化相對(duì)平穩(wěn),糧田和果園變化不大,菜田波動(dòng)較大(圖4b)。受投入氮肥量的影響,堿解氮含量在不同利用方式土壤年際間有一定差異,糧田總體較低。

有效磷含量年際變化無明顯規(guī)律,菜田和果園變化較大,糧田略平穩(wěn)(圖4c)。菜田和果園明顯高于糧田,為糧田的2倍以上。土壤有效磷較高易造成土壤板結(jié),影響作物生長(zhǎng)和肥效利用。

速效鉀含量總體較充足,2009—2013年有小幅增長(zhǎng),2014年出現(xiàn)大幅下滑,2016年后逐漸平穩(wěn),年際變化較小(圖4d)。奉賢區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示,2014年夏熟作物播種面積為6 355.8 hm2,2017年、2018年分別降至968.3 hm2和623.7 hm2。夏熟作物播種面積急劇下降,秸稈還田量大幅減少,易導(dǎo)致土壤中速效鉀含量降低。不同利用方式土壤的速效鉀含量年際變化趨勢(shì)較為相似,歷年相對(duì)含量是果園>菜田>糧田。

pH年際變化趨勢(shì)較為平緩,除2010年和2011年有小幅提高外,其余年際值均緩慢降低,且菜田、果園的下降程度大于糧田(圖4e)。其原因可能是長(zhǎng)期施用化肥,特別是過量施用氮肥,土壤中硝酸根和亞硝酸根離子增加,引起耕作層pH顯著降低,加重土壤酸化[15-16]。

3 討論

土壤養(yǎng)分含量狀況可在一定程度上反映土壤類型的差別和土壤利用方式的變化。研究表明,不同種植模式和土壤類型對(duì)土壤肥力影響顯著[17-20]。上海市奉賢區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分總的趨勢(shì)為糧田的堿解氮、有效磷和速效鉀年均含量低于菜田和果園,且年際變化相對(duì)平穩(wěn)。其主要原因是不同作物的種植模式、養(yǎng)分需求和施肥量不同所致。

奉賢區(qū)土壤發(fā)育于沉積母質(zhì),土壤的黏土礦物以水云母為主,鉀素貯量較多[21],故農(nóng)田土壤鉀素含量相對(duì)富余。鉀肥多用于經(jīng)濟(jì)作物,長(zhǎng)期施用能提高土壤速效鉀含量[22],這與本研究中土壤速效鉀含量年際變化情況一致,果園土壤速效鉀含量較高,而糧田累積鉀素較少。在實(shí)際生產(chǎn)中,要注意不同土壤利用方式的鉀素投入的不平衡性,糧田要加強(qiáng)秸稈還田的力度并注重不同鉀肥的使用。

利用Kriging插值法并結(jié)合養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)插結(jié)果進(jìn)行分級(jí),所得的空間分布圖能較好反映奉賢區(qū)主要農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變化特征和豐缺情況。各指標(biāo)要素中,pH多中性偏酸,由西往東緩慢升高,土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量總體較為豐富,區(qū)域內(nèi)分布較均勻,堿解氮?jiǎng)t呈現(xiàn)強(qiáng)烈的空間差異,東低西高、北少南多。因此,需根據(jù)土壤養(yǎng)分的空間分布情況,調(diào)整養(yǎng)分投入,進(jìn)行變量施肥,以提高土壤養(yǎng)分利用水平,減少過量施肥帶來的負(fù)面效應(yīng)。

4 結(jié)論

目前,奉賢區(qū)主要農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量總體較為豐富,除土壤堿解氮平均含量處于3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外,其他田塊的養(yǎng)分平均含量處于1級(jí)和2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),4級(jí)、5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的田塊較少;各土壤養(yǎng)分含量在空間上有較好的分布格局,有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和pH的空間變化較均勻,而堿解氮有明顯的區(qū)域分布特征,變化較大。2009—2018年定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)表明,奉賢區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐年上升趨勢(shì),堿解氮、有效磷和速效鉀含量較高,年際變化相對(duì)較大。