新疆糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤微量元素及肥力特征分析—以奇臺農(nóng)場為例

馬 旭，高 翔，梁 飛

（1.新疆兵團第六師農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，新疆五家渠831300；2.石河子工程職業(yè)技術(shù)學院；3.新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所）

0 引言

土壤微量元素有效性是表征土壤環(huán)境質(zhì)量的重要因子，其有效態(tài)含量水平顯著影響農(nóng)作物的生長、代謝、產(chǎn)量和品質(zhì)及人類的健康[1]。植物體生命活動所需的錳（Mn）、硼（B）、鋅（Zn）、鉬（Mo）和鐵（Fe）等微量元素主要來源于土壤，土壤供給微量元素的豐缺程度會直接影響植物的生理功能，還可能誘發(fā)各種病癥[2]。受成土過程因素與人為因素的共同作用，一定區(qū)域、尺度與時間內(nèi)土壤微量元素的分布均具有高度的空間異質(zhì)性，這種空間異質(zhì)性是在不同區(qū)域、尺度與時間內(nèi)合理調(diào)節(jié)微量元素循環(huán)及精準施肥的基礎[3]。微量元素作為土壤的重要組成成分，是表征土壤質(zhì)量的重要因子，目前對土壤微量元素的研究呈現(xiàn)多元化，主要集中在土壤微量元素的含量分布特征及評價[4]。李海峰等[5]研究表明新疆綠洲內(nèi)部農(nóng)田土壤有效Fe、Cu、Mn、Zn含量顯著高于綠洲邊緣各樣地，新墾農(nóng)田土壤有效Fe、Cu、Zn含量均低于對照樣地，農(nóng)田土壤微量元素有效性與土壤有機質(zhì)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。陳延華等[6]研究發(fā)現(xiàn)1988～2018年褐

土區(qū)耕地中微量元素和重金屬含量數(shù)值分布在合理范圍，褐土區(qū)的中微量元素尚未出現(xiàn)缺乏現(xiàn)象。田立文等[7]研究發(fā)現(xiàn)新疆阿克蘇地區(qū)有效銅處于極高水平，有效鐵及鋅含量處于高水平等級，全區(qū)土壤有效錳含量相對較低，整體處于中等偏下水平，個別縣土壤有效錳含量為低等級，但是缺乏對北疆糧食主產(chǎn)區(qū)土壤微量元素狀況的研究，尤其缺少對近十年新型耕作方式和灌溉施肥條件變化后耕地土壤微量元素的研究。新疆奇臺地區(qū)是糧食作物主產(chǎn)區(qū)，今年該區(qū)域玉米產(chǎn)量不斷打破我國玉米高產(chǎn)記錄，同時奇臺農(nóng)場土壤基礎資料保持較完整，保存有2007年和2021年兩次土壤分析的數(shù)據(jù)。因此，開展耕地土壤微量元素特征分析，掌握區(qū)域土壤微量元素性狀及土壤肥力特征可為北疆糧食主產(chǎn)區(qū)的科學施肥和土壤質(zhì)量管理工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

奇臺農(nóng)場總場位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州奇臺縣境內(nèi)，屬大陸性干旱氣候，海拔在843～2 202 m中山帶，年降雨量約180 mm，年平均氣溫4～7℃，年平均日照時數(shù)3 070.7 h，年≥10℃有效積溫3 112.9℃·d[8]。農(nóng)場年播種面積約2.53萬hm2，土壤類型為黑鈣土，土壤質(zhì)地以壤土為主。農(nóng)場被譽為“兵團糧倉”，是兵團重要的糧食生產(chǎn)基地和國家級小麥標準化生產(chǎn)示范基地，主要種植作物有小麥、玉米、馬鈴薯、食葵、打瓜、甜菜等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2007年測土配方數(shù)據(jù)和2021年第三次全國土地調(diào)查土壤養(yǎng)分調(diào)查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)指標包括有效鋅、有效錳、有效鐵、有效硼和有效鉬，相關(guān)微量元素評價因子測定方法參見《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[9]，作物產(chǎn)量水平來源于新疆生產(chǎn)建設兵團第六師統(tǒng)計年鑒。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對土壤微量元素含量的均值、相對標準偏差進行分析，根據(jù)測土配方施肥規(guī)范[10]和《耕地質(zhì)量等級》（GB/T 33469-2016）[11]，以及以往在全疆各地所作的肥料試驗結(jié)果，新疆農(nóng)科院土壤肥料研究所提出了新疆農(nóng)田土壤微量元素含量評價指標（表1）和主要養(yǎng)分含量分級指標體系（表2），這一指標對指導當前作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)科學施肥具有重要意義[12]。

表1 土壤主要微量元素含量分級指標表

表2 土壤主要養(yǎng)分含量分級指標

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 微量元素變化狀況

土壤微量元素是作物營養(yǎng)物質(zhì)的重要組成部分，其豐缺狀況直接影響作物的生長發(fā)育，同時，一些微量元素如銅、鋅等含量過高易造成重金屬污染，破壞生態(tài)環(huán)境甚至危害人類健康[13]。對照分級標準，對土壤微量元素含量進行分析評價，準確描述區(qū)域內(nèi)土壤微量元素的空間變異特征，對調(diào)節(jié)微量元素循環(huán)、改善種植物產(chǎn)量與品質(zhì)以及精準施肥配方卡的制定均具有重要意義[3]。由表3可知，2007～2021年奇臺農(nóng)場土壤微量元素發(fā)生了一定的變化。

表3 土壤主要微量元素含量分級指標

（1）有效鋅的變化特征。鋅是許多植物體內(nèi)酶的組分或活化劑，能夠促進蛋白質(zhì)的代謝、促進生殖器官的發(fā)育，能提高植物的抗逆性等。奇臺農(nóng)場土壤中有效鋅由2007年的2.03 mg/kg降低到了2021年的0.95 mg/kg，降幅超過53.2%，由高鋅水平降低為中鋅水平。因此，區(qū)域應該合理施用鋅肥，同時控制磷肥施用。

（2）有效錳的變化特征。錳在植物體內(nèi)有多種生理作用，是許多酶的催化劑，是維持植物正常生長所必須的微量營養(yǎng)元素之一。植物吸收的錳主要是二價錳（Mn2+），不具有生物有效性的三價及四價Mn離子則不能被植物吸收。奇臺農(nóng)場土壤中有效錳由2007年的6.33 mg/kg，增加到了2021年的15.17 mg/kg，增加幅度超過139.7%，由中錳水平變?yōu)楦咤i水平。

（3）有效銅的變化特征。銅是植物生長發(fā)育的必需元素，它廣泛參與植物生長發(fā)育過程中的多種代謝，對維持植物正常代謝及發(fā)育起著重要的作用。攝入過量銅元素會對人體健康產(chǎn)生一定危害，過量的銅元素會對植物產(chǎn)生毒害作用[14]。奇臺農(nóng)場土壤中有效銅由2007年的0.90 mg/kg增加到了2021年的1.42mg/kg，增加幅度57.8%，由中錳水平變?yōu)楦咤i水平，區(qū)域應該控制銅肥的施用，防止銅污染的出現(xiàn)。

（4）有效鐵的變化特征。土壤中全鐵含量大多在2%以上，遠高于植物的需求量，但正常土壤中鐵的有效性很低，只有極少部分鐵能被植物吸收利用。奇臺農(nóng)場土壤中有效鐵由2007年的5.99 mg/kg增加到了2021年的19.90 mg/kg，增加幅度超過232.25%，由中鐵水平變?yōu)楦哞F水平。

（5）有效硼的變化特征。硼是植物最缺乏的微量元素，疏松的土壤普遍缺硼。在疏松土壤中水溶性硼很容易濾過土壤剖面而無法被植物利用，充足的硼對農(nóng)作物的高產(chǎn)和高質(zhì)量都非常關(guān)鍵。奇臺農(nóng)場土壤中有效硼由2007年的4.13 mg/kg降低到了2021年的1.32 mg/kg，降幅超過68.0%，2007和2021年均處于極高硼水平。

（6）有效鉬的變化特征。鉬是微量元素，是作物所需要的肥料之一，缺鉬會影響植物正常生長。一般植物需鉬量較低，但變幅很大。正常植物的含鉬量為0.2～20 mg/kg。奇臺農(nóng)場土壤中有效鉬由2007年的0.72 mg/kg降低到了2021年的0.21mg/kg，降幅超過76.7%。雖然2007和2021年均處于高鉬水平，但是2021的0.21 mg/kg已經(jīng)接近中鉬水平，且區(qū)域鉬含量最低點為0.09 mg/kg，已經(jīng)處于極低水平，因此應該根據(jù)作物和具體土壤情況合理補充鉬肥。

2.2 土壤容重、鹽分和有機質(zhì)現(xiàn)狀分析

土壤容重是土壤主要的結(jié)構(gòu)特性之一，在一定程度上影響土壤水、肥、氣、熱的分布，直接影響作物生長發(fā)育。土壤鹽漬化是目前世界農(nóng)業(yè)面臨的主要環(huán)境問題之一，土壤中過多的鹽分會降低土壤質(zhì)量，限制作物生長。土壤有機質(zhì)具有協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分、水分和氣、熱的功能，是土壤肥力的重要指標[15]。奇臺農(nóng)場2021年耕地土壤平均容重為1.21 g/cm3，變幅0.67～1.52 g/cm3；平均土壤含鹽0.10%，變幅0.05～0.22%；平均有機質(zhì)22.93 g/kg，變幅2.67～79.89 g/kg。整體上看，奇臺農(nóng)場土壤容重較小，適合耕種，部分點位容重過大或過小需要進一步改良；土壤鹽分含量均較低，區(qū)域土壤鹽堿化問題不是耕地主要影響因素；有機質(zhì)整體處于中肥力范圍，區(qū)域土壤有機質(zhì)還有進一步提升空間。

表4 2021年耕層土壤容重和有機質(zhì)現(xiàn)狀特征

2.3 土壤氮磷鉀現(xiàn)狀

氮磷鉀是各種農(nóng)作物在生長發(fā)育階段中不可缺少的重要元素，也是土壤養(yǎng)分的一個重要組成部分，在一定程度上可代表土壤的供肥水平，與土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程密切相關(guān)[16]。奇臺農(nóng)場2021年耕地土壤全氮平均值為1.35 g/kg，變幅0.60～3.84 g/kg，處于中氮水平；有效磷平均值為27.74 mg/kg，變幅8.00～101.00 mg/kg，整體處于高磷水平，但是空間變幅較大；速效鉀平均值為462.44 mg/kg，變幅112.00～1 385.00 mg/kg，整體處于極高鉀水平，但是空間變幅較大，部分農(nóng)田處于中鉀水平。

表5 2021年耕層土壤氮磷鉀現(xiàn)狀特征

3 結(jié)果與建議

奇臺農(nóng)場2007～2021年土壤微量元素均發(fā)生了一定的變化，其中土壤中有效鋅降低到了0.95 mg/kg，降幅超過53.2%；有效錳增加到了15.17 mg/kg，增加幅度超過139.7%；有效銅增加到2021年的1.42 mg/kg，增加了57.8%；有效鐵增加幅度超過232.25%，2021年達到19.90 mg/kg；有效硼降幅超過68.0%，但處于極高硼水平；有效鉬降幅超過76.7%；耕地土壤平均容重為1.21g/cm3，土壤含鹽0.10%，平均有機質(zhì)22.93 g/kg，土壤全氮1.35 g/kg，有效磷27.74 mg/kg，速效鉀為462.44 mg/kg。整體上分析2021年奇臺農(nóng)場耕地平均容重適中，鹽分較低，有機質(zhì)、全氮和有效鋅處于中水平，有效磷、有效錳、有效銅、有效鐵和有效錳處于高水平，速效鉀和有效硼處于極高水平；區(qū)域土壤養(yǎng)分狀況整體呈現(xiàn)上升趨勢，優(yōu)于全疆耕地質(zhì)量養(yǎng)分平均水平[17]。

由于區(qū)域土壤各項養(yǎng)分指標的變幅均較大，因地制宜的施肥是區(qū)域科學施肥的關(guān)鍵，做到因缺補缺，平衡施肥。（1）繼續(xù)推進秸稈還田工作，通過合理推廣棉花秸稈還田技術(shù)，提升耕地有機質(zhì)和全氮含量；（2）應控制磷鉀肥用量，通過灌溉施肥技術(shù)在作物需肥關(guān)鍵期合理施用磷肥鉀肥，做到因缺補缺；（3）適當增加鋅肥的施用和補充，根據(jù)作物類型補充適量的鉬肥，控制銅和錳的施用量。對于鐵和硼做到因缺補缺，關(guān)鍵生育期補充；（4）結(jié)合灌溉施肥方式轉(zhuǎn)變，改變傳統(tǒng)施肥理念，推廣新型施肥技術(shù)和理念。