新疆耕地土壤氮磷鉀養(yǎng)分供應(yīng)量分析

馬偉棟，陳英花，王 飛，危常州

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，新疆石河子 832003；2. 新疆維吾爾自治區(qū)土壤肥料總站,烏魯木齊 830049)

0 引 言

【研究意義】土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力是土壤肥力的綜合表現(xiàn)，是確定作物施肥量的重要指標(biāo)。1956年國家開展了第一次全國土壤普查，全面調(diào)查土壤資源，合理利用和改良土壤[1-2]。1979年我國進行了第二次土壤普查，對全國耕地養(yǎng)分含量和生產(chǎn)力進行了全面的評價和調(diào)查[1-3]。從第二次全國土壤普查至今，隨著農(nóng)田施肥量迅速增加，作物產(chǎn)量顯著提高，土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。了解土壤養(yǎng)分供應(yīng)量的變化對農(nóng)田生產(chǎn)具有重要意義。【前人研究進展】近年來有學(xué)者對新疆部分地區(qū)耕地土壤進行研究[4-6],通過不同分析方法探明了部分地區(qū)土壤養(yǎng)分含量變化情況，對養(yǎng)分豐缺程度進行判斷?！颈狙芯壳腥朦c】目前發(fā)表的文獻(xiàn)均為小區(qū)域尺度的研究，對新疆耕地土壤總體的養(yǎng)分供應(yīng)狀況仍缺乏相關(guān)的研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用全國測土配方施肥行動在新疆各地開展的“3414”產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以及有關(guān)新疆地區(qū)土壤科學(xué)、施肥有關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對新疆南北疆耕地土壤的氮、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)能力進行定量評價，為耕地質(zhì)量評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 施肥數(shù)據(jù)

土壤養(yǎng)分分級指標(biāo)參照全國第二次土壤普查時建立的土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[7]。

選取采集數(shù)據(jù)時間2003～2009年。選用“3414”方案中2水平下的N0P2K2計算土壤氮素養(yǎng)分供應(yīng)量(阿拉伯?dāng)?shù)字代表施肥水平，下同)，N2P0K2計算土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)量，N2P2K0計算土壤鉀素養(yǎng)分供應(yīng)量，合計2 086條。土壤氮磷鉀依存率選用“3414”方案中2水平下的N0P2K2、N2P0K2、N0P0K2作物產(chǎn)量與N2P2K2處理下農(nóng)作物產(chǎn)量的比值，合計1 516條。

土壤養(yǎng)分供應(yīng)量(kg/hm2)=籽粒產(chǎn)量×植株籽粒養(yǎng)分含量+莖葉產(chǎn)量×植株莖葉養(yǎng)分含量；

土壤氮 (磷、鉀) 依存率(%)=無肥區(qū)農(nóng)作物量/完全施肥區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量×100。

1.1.2 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)

采集中國知網(wǎng)，檢索關(guān)鍵詞包括：新疆、氮素、氮肥、磷素、磷肥、鉀素、鉀肥、施肥、土壤養(yǎng)分、高產(chǎn)栽培、膜下滴灌、作物產(chǎn)量等包含施肥試驗以及無肥對照和相應(yīng)產(chǎn)量數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)，共獲得有效文獻(xiàn)361篇。如文獻(xiàn)中已報道土壤養(yǎng)分供應(yīng)量(作物養(yǎng)分吸收量)則采用報道的數(shù)據(jù)。如無此數(shù)據(jù)，則通過不施肥處理的作物產(chǎn)量計算土壤養(yǎng)分供應(yīng)量。

土壤養(yǎng)分供應(yīng)量(kg/hm2)=(不施肥處理作物產(chǎn)量/100×作物100 kg產(chǎn)量所需養(yǎng)分 )[8]。

1.1.3 “三區(qū)示范”數(shù)據(jù)

“三區(qū)示范”是全國測土配方施肥行動中為了驗證優(yōu)化施肥方案設(shè)計的試驗，包括無肥處理、農(nóng)戶常規(guī)操作處理、優(yōu)化施肥方案處理(即“三區(qū)”)，數(shù)據(jù)量為287條。土壤養(yǎng)分供應(yīng)量采用無肥處理的作物產(chǎn)量換算出土壤養(yǎng)分供應(yīng)量。

1.2 方 法

新疆南疆、北疆自然地理條件基本封閉，且差異較大。即以南疆、北疆、東疆3個自然地理區(qū)域?qū)⑷譃?個子區(qū)域。將所獲取資料按南、北、東疆3部分分類，剔除少量異常值，剩余數(shù)據(jù)按照3個分區(qū)，以平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)，低于均值的下限或上限即認(rèn)定為異常值加以剔除。超過90%的數(shù)據(jù)為有效樣本。表1

表1 數(shù)據(jù)有效性判別Table 1 Data validity discrimination results

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office Excel 2016計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度、變異系數(shù)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布特征，Origin 2019b 進行空間分析及分布圖的制作。對新疆各地區(qū)耕地土壤供應(yīng)的氮、磷、鉀的能力以及分布特征進行評估與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地土壤供氮量數(shù)據(jù)變異

研究表明，新疆北疆、南疆、東疆地區(qū)耕地土壤平均供氮量分別為177.63、172.52和177.78 kg/hm2。北疆、南疆、東疆的土壤供氮量數(shù)據(jù)變異系數(shù)介于13.45%～28.67%，屬于中等變異。北疆地區(qū)土壤供氮量數(shù)據(jù)偏度為0.72，呈現(xiàn)略微偏態(tài)，土壤供氮量位于北疆平均供氮量附近的數(shù)據(jù)居多，平均值具有高度的代表性；南疆地區(qū)土壤供氮量數(shù)據(jù)偏度為-0.18，對稱性較好，峰度為0.98，數(shù)據(jù)集中性好，數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布；東疆地區(qū)數(shù)據(jù)變異程度較小，大部分?jǐn)?shù)據(jù)的土壤供氮量低于平均值，區(qū)域差異性大。圖1

圖1 土壤氮素供應(yīng)狀況Fig.1 Soil nitrogen supply status

2.2 耕地土壤供磷量數(shù)據(jù)變異

研究表明，北疆、南疆、東疆地區(qū)耕地土壤供磷量分別為81.11、77.19和82.99 kg/hm2。3大區(qū)域土壤供磷量數(shù)據(jù)變異系數(shù)介于28.06%～32.49%，屬中等變異。北疆、南疆地區(qū)土壤供磷量分布呈現(xiàn)偏態(tài)分布，數(shù)據(jù)峰度值均較高，土壤供磷量在小范圍內(nèi)有較高的出現(xiàn)頻率，偏度系數(shù)均大于1.2，處于平均值附近的供磷量數(shù)據(jù)較多，但地區(qū)間供磷量極值較大。東疆地區(qū)土壤供磷量數(shù)據(jù)峰度值較低，數(shù)據(jù)分布為分散，土壤供磷量差異較大。圖2

圖2 土壤磷素供應(yīng)狀況Fig.2 Soil phosphorus supply status

2.3 耕地土壤供鉀量數(shù)據(jù)變異

研究表明，北疆、南疆、東疆地區(qū)耕地土壤供鉀量分別為216.76、229.71、208.46 kg/hm2。3大區(qū)域土壤供鉀量變異系數(shù)介于19.26%～26.86%，均屬于中等變異。北疆、南疆地區(qū)土壤供鉀量的偏度值均趨于0，土壤供鉀量數(shù)據(jù)峰度值的絕對值相近，在平均值左右分別有相對較大的密度分布，土壤供鉀量分布較均勻；東疆地區(qū)偏度值為-0.37，大部分土壤供鉀量數(shù)據(jù)低于東疆平均值，說明區(qū)域性差異較大。圖3

圖3 土壤鉀素供應(yīng)狀況Fig.3 Soil potassium supply status

2.4 耕地土壤氮磷鉀養(yǎng)分依存率變化

研究表明，全疆土壤氮磷鉀平均依存率為59.92%、67.00%、73.96%。北疆地區(qū)土壤氮磷鉀養(yǎng)分依存率分別為61.86%、69.86%、75.03%；南疆地區(qū)土壤氮磷鉀養(yǎng)分依存率分別為60.01%、64.95%、71.88%；東疆地區(qū)土壤氮磷鉀養(yǎng)分依存率分別為49.69%、58.10%、52.41%。北疆地區(qū)土壤養(yǎng)分依存率普遍較高，東疆地區(qū)較低，土壤養(yǎng)分依存率：鉀>磷>氮。3個區(qū)域比較，東疆地區(qū)作物對土壤的養(yǎng)分依存率最低，南疆、北疆作物對土壤養(yǎng)分依存率非常接近。圖4

圖4 三大區(qū)域土壤養(yǎng)分依存率變化Fig.4 Soil nutrient dependence rates in three regions

2.5 自2000年以來新疆土壤氮磷鉀供應(yīng)量的變化

研究表明，自2000年以來新疆土壤供氮量在總體上呈現(xiàn)出先減小后增大的的趨勢，現(xiàn)階段新疆土壤平均供氮量為 199.50 kg/hm2，且達(dá)到近20年最大值；土壤供磷量在近20年總體上呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，現(xiàn)階段新疆土壤養(yǎng)分供磷量為90.33 kg/hm2，相較于2000～2003年增加19 kg/hm2；現(xiàn)階段新疆土壤供鉀量為204.34 kg/hm2，近20年土壤供鉀量總體表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢,在2012～2015年土壤供鉀量達(dá)到近20年來的高峰(225.20 kg/hm2)。圖5

圖5 不同年份新疆土壤養(yǎng)分供應(yīng)量變化Fig.5 Changes of soil nutrient supply in Xinjiang in different years

2.6 現(xiàn)階段土壤養(yǎng)分與全國第二次土壤普查的比較

研究表明，自2000年以來全疆土壤堿解氮含量平均值為69.02 mg/kg，與全國第二次土壤普查的土壤堿解氮含量相比增加了10.38 mg/kg。自2000年以來土壤堿解氮含量與全國第二次土壤普查的堿解氮含量相比,除伊犁哈薩克自治州和塔城地區(qū)外，其它地區(qū)均有所增加，但全疆大部分地區(qū)土壤堿解氮含量仍低于90 mg/kg，處于缺乏水平。

自2000年以來全疆土壤有效磷含量平均值為20.40 mg/kg，是全國第二次土壤普查有效磷含量的近3.3倍，研究涉及所有區(qū)域土壤有效磷含量均達(dá)到中等及以上水平。

自2000年以來全疆土壤速效鉀含量平均值為217.52 mg/kg，與全國第二次土壤普查的土壤速效鉀含量相比下降了79.84 mg/kg。全疆(喀什地區(qū)除外)土壤速效鉀含量水平也從偏高變?yōu)樨S富。表2

表2 全國第二次土壤普查[9]與自2000年來土壤養(yǎng)分含量Table 2 Soil available nutrient content of the 2nd national soil surveys and state of the art

3 討 論

堿解氮含量是反映土壤供氮能力的重要指標(biāo)之一[10-11]。土壤有效磷水平是影響作物產(chǎn)量、評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一[12-13]。土壤速效鉀含量是衡量土壤鉀素養(yǎng)分供應(yīng)能力的現(xiàn)實指標(biāo),可以代表目前及近期內(nèi)可供植物吸收利用的鉀的含量[14-15]。土壤養(yǎng)分供給能力是評價土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤供肥能力越高，作物越容易獲得持續(xù)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[16-17]。研究中，新疆耕地土壤當(dāng)前供氮量為199.50 kg/hm2，供磷量為90.33 kg/hm2，供鉀量為 204.34 kg/hm2。土壤養(yǎng)分依存率是指無肥區(qū)地上部養(yǎng)分吸收量與施肥區(qū)地上部養(yǎng)分吸收量之比，可以用于反映基礎(chǔ)地力水平養(yǎng)分的供應(yīng)能力。作物對土壤氮磷鉀平均依存率分別為59.92%、67.00%、73.96%，新疆耕地中最短缺的元素是氮素，氮素對作物增產(chǎn)效應(yīng)最強，增產(chǎn)效應(yīng)次之的是磷，最后是鉀，與新疆地區(qū)土壤有效鉀含量高有關(guān)，由于常年施用磷肥，且磷肥在土壤中殘留量大，使土壤有效磷含量逐年升高[18-19]，從全國第二次土壤普查全疆耕地土壤有效磷含量簡單平均數(shù)從6.2 mg/kg上升到目前的20.4 mg/kg，相對提高了作物對土壤磷的依存率。從全國第二次土壤普查新疆耕地土壤有堿解氮含量簡單平均數(shù)從58.64 mg/kg上升到目前的69.02 mg/kg，雖然獲得了約17.7%的增長，但仍然處于缺乏范圍，作物對土壤氮素的依存率最低。

全疆土壤養(yǎng)分含量總體變化與張丹[20]、田立文[21]等研究得出的結(jié)果一致。全疆各地土壤堿解氮增含量減幅度不一，喀什地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州增速最快，分別為52.3%、41.4%；塔城地區(qū)、伊犁哈薩克自治州土壤堿解氮含量分別下降25.8%、15.5%，這與種植作物的類型與施肥方式密切相關(guān)。新疆南疆及北疆沿天山一線地區(qū)以種植棉花為主，南疆部分地區(qū)以種植果樹為主，棉花是一種相對經(jīng)濟效益較高的作物，為了高產(chǎn)高經(jīng)濟效益，這些作物上大量的氮肥施用[22-23]使得土壤堿解氮的含量明顯提升。伊犁哈薩克自治州和塔城地區(qū)由于氣候冷涼，作物以小麥、玉米、油葵為主，施肥量相對較低，土壤堿解氮含量有所下降，進而影響土壤供氮能力。研究區(qū)域內(nèi)土壤有效磷含量增幅均超過50%，由于作物對磷的需求相對較少，長期過量施用磷肥勢必造成土壤速效磷含量增加，且由于磷遷移能力弱，大量磷素在土壤表明積累，勢必造成施肥增產(chǎn)作用下降、成本上升[24]。新疆地區(qū)土壤鉀元素較豐富，農(nóng)民傳統(tǒng)上不注重對土壤鉀的補充或補充的較少，導(dǎo)致土壤速效鉀含量呈現(xiàn)不同程度的下降。注意到在2000～2019年期間，土壤鉀素供應(yīng)能力呈現(xiàn)增加-下降的規(guī)律，這可能與研究采用的是“作物養(yǎng)分?jǐn)y出量”衡量土壤的養(yǎng)分供應(yīng)量，而作物產(chǎn)量除了受到施肥的影響，還與配套的農(nóng)藝措施密切相關(guān)。此期間新疆以棉花為例，皮棉產(chǎn)量從104 kg/667m2提高到140 kg/667m2，這與此期間滴灌、地膜覆蓋等技術(shù)廣泛普及應(yīng)用有關(guān)。由于栽培技術(shù)帶動產(chǎn)量提高，相應(yīng)提高了作物從土壤中吸收的鉀養(yǎng)分。而當(dāng)土壤緩效鉀也開始耗竭，則土壤供鉀能力下降。從土壤速效鉀養(yǎng)分含量可以明顯看到，與全國第二次土壤普查結(jié)果比較，當(dāng)前新疆土壤速效鉀含量普遍下降了30%～40%。

研究結(jié)果顯示，新疆土壤堿解氮水平仍處于缺乏水平，土壤有效磷、速效鉀含量則處于中等以上水平。針對目前現(xiàn)狀，建議適當(dāng)控制磷、鉀肥的施用量，而精準(zhǔn)定量施用氮肥。由于氮肥在土壤中轉(zhuǎn)化途徑多，在土壤中殘留量少，且對作物的生長發(fā)育影響最顯著，在施肥上要強調(diào)氮肥總量控制，并與作物氮素需求節(jié)律相匹配。加大秸稈還田是實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用的有效手段，施用有機肥是培肥土壤、提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的有效措施[25-26]。

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段新疆耕地土壤平均供氮量為199.50 kg/hm2，3大區(qū)域土壤供氮量東疆地區(qū)最高，北疆地區(qū)次之；土壤平均供磷量為90.33 kg/hm2，3大區(qū)域土壤供磷量東疆最高，南疆最低；土壤平均供鉀量為204.34 kg/hm2，3大區(qū)域中南疆地區(qū)土壤平均供鉀量最高，東疆最低。新疆耕地土壤堿解氮和速效磷含量都呈增加的趨勢，而土壤速效鉀含量明顯下降。近20年來，耕地土壤供氮量和供磷量呈現(xiàn)增加趨勢，而土壤供鉀量則呈現(xiàn)降低趨勢。