種植模式對魯南地區(qū)潮土養(yǎng)分變化趨勢的影響

閆 童，趙廣中，郭學習，李西強

（1.臨沂市河東區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 臨沂 276034；2.臨沂市河東區(qū)湯頭街道辦事處，山東 臨沂 276032；3.臨沂市河東區(qū)鳳凰嶺街道辦事處，山東 臨沂 276041；4.山東錦鴻源生態(tài)農(nóng)業(yè)有限責任公司，山東 臨沂 276034）

潮土是河流沉積物在水流和人類長期耕作條件下形成的。潮土區(qū)土層深厚，土壤肥沃，是古代農(nóng)耕民族主要的聚居地，也是我國糧食主產(chǎn)區(qū)的主要土壤類型，因此潮土的養(yǎng)分現(xiàn)狀和變化趨勢對于我國糧食安全極為重要。近年來不少學者針對潮土養(yǎng)分現(xiàn)狀和變化趨勢開展了深入研究［1-3］，也取得一定成果，但有關(guān)不同種植模式下潮土養(yǎng)分變化趨勢方面的研究鮮見報道。不同作物的養(yǎng)分吸收效率不同，常年連作和盲目施肥極易造成土壤養(yǎng)分失衡。姜桂英［4］通過兩年的試驗研究發(fā)現(xiàn)，小麥-花生輪作模式下土壤堿解氮含量呈上升趨勢，而小麥-玉米輪作模式下土壤堿解氫含量呈下降趨勢。2006～2020年筆者課題組結(jié)合測土配方施肥、耕地質(zhì)量保護提升等項目的實施，通過對潮土區(qū)不同種植模式耕地土壤養(yǎng)分含量進行分類統(tǒng)計，擬合養(yǎng)分的變化趨勢，以期為潮土區(qū)耕地質(zhì)量保護和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 項目區(qū)概況

本研究于2006～2020年在臨沂市河東區(qū)進行。項目區(qū)位于山東省南部（118°22′～118°40′E、34°35′～35°20′N），屬暖溫帶季風區(qū)半濕潤大陸性氣候，全區(qū)耕地面積30986.7 hm2，其中潮土面積為15200 hm2，共有2個亞類，2個土屬，15個土種。潮土區(qū)主要種植的作物有小麥、玉米、花生、大蒜、桃樹等。受傳統(tǒng)種植習慣影響，農(nóng)戶的種植模式多年來變化不大。目前主要種植模式有糧糧輪作、糧經(jīng)輪作、糧菜輪作、蔬菜連作、果樹連作5種。糧糧輪作模式為小麥-玉米一年兩作，糧經(jīng)輪作模式為小麥-花生一年兩作，糧菜輪作模式為大蒜-玉米一年兩作，蔬菜連作模式是指大棚番茄-蕓豆常年輪作，果樹連作模式是指桃樹、梨樹等多年生果樹常年連作。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 采樣時間

糧糧輪作、糧經(jīng)輪作和糧菜輪作模式土樣在每年秋收后、施肥前進行采樣，果樹連作模式土樣在果實采收后、第一次施肥前采集，蔬菜連作模式在夏季晾棚期間采集。不同種植模式調(diào)查點數(shù)量見表1。2007年及以后的土樣采集點均在2006年取樣點的原點上采集。

1.2.2 采樣方法

采用“S”形狀布點采樣，每個樣品采集10～15個點位進行混合。大田作物采樣深度為0～20 cm，設施蔬菜和果樹采樣深度為0～30 cm。

1.2.3 樣品處理與分析

樣品采集后自然風干，根據(jù)測試需要研磨過篩。所有土樣處理與分析均按照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》［5］進行。

表1 不同種植模式下土樣調(diào)查點數(shù)量 （個）

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

不同種植模式下土樣采集點養(yǎng)分化驗數(shù)據(jù)剔除異常值后計算平均數(shù)，數(shù)據(jù)利用Excel 2019統(tǒng)計分析與圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤pH值的變化趨勢

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2006年不同種植模式土壤pH值存在一定的差異，其中糧糧輪作模式土壤pH最高，為6.65（圖1）。糧經(jīng)輪作模式土壤pH最低，為5.62，果樹連作、糧菜輪作、蔬菜連作3種模式的土壤pH值差別不大，分別為6.02、6.12和5.99。2006～2020年，5種不同種植模式土壤pH值均呈直線下降趨勢，但不同種植模式土壤pH值的降幅不同。其中糧糧輪作模式土壤pH降幅度最小，2020年其土壤pH值為6.43，較2006年下降了0.22，平均每年下降了0.016。2020年糧菜輪作、蔬菜連作、糧經(jīng)輪作、果樹連作4種種植模式土壤pH值分別為5.74、5.68、5.29、5.63，分別較2006年下降了0.38、0.31、0.33和0.39，平均每年分別下降了0.027、0.022、0.024、0.028。不同種植模式土壤pH值與試驗時間的擬合方程及相關(guān)參數(shù)見表2。

圖1 不同種植模式下土壤pH值的變化趨勢

表2 不同種植模式下土壤pH值與試驗時間的擬合方程

2.2 不同種植模式土壤有機質(zhì)含量變化趨勢

2006年不同種植模式土壤有機質(zhì)含量不同，其中蔬菜連作模式土壤有機質(zhì)含量最高，其含量為24.6 g/kg（圖2）；糧菜輪作模式次之，其含量為18.9 g/kg；糧經(jīng)作物輪作模式最低，其含量為15.8 g/kg；糧糧輪作和果樹連作模式土壤有機質(zhì)含量分別為17.9和16.6 g/kg。2006～2020年5種不同種植模式土壤有機質(zhì)含量均呈直線上升趨勢，但不同種植模式土壤有機質(zhì)含量的增幅不同，其中糧糧輪作模式土壤有機質(zhì)含量增幅最大，2020年糧糧輪作模式下土壤有機質(zhì)含量為23.8 g/kg，較2006年增加了5.9 g/kg，增幅為32.96%，平均每年增加了0.421 g/kg；果樹連作模式土壤有機質(zhì)含量增幅略低于糧糧輪作，2020年其土壤有機質(zhì)含量為21.3 g/kg，較2006年增加了4.7 g/kg，增幅為28.31%，平均每年增加了0.336 g/kg；糧經(jīng)輪作模式和糧菜輪作模式土壤有機質(zhì)增幅相當，2020年2種模式土壤有機質(zhì)含量分別為19.7和23.5 g/kg，增幅分別為24.68%和24.34%，平均每年分別增加0.279和0.329 g/kg；蔬菜連作模式土壤有機質(zhì)含量增幅最小，2020年其含量為28.7 g/kg，較2006年增加了4.1 g/kg，增幅為16.67%，平均每年增加了0.293 g/kg。不同模式土壤有機質(zhì)含量與試驗時間的擬合方程及相關(guān)參數(shù)見表3。

圖2 不同種植模式下土壤有機質(zhì)含量的變化趨勢

表3 不同種植模式下土壤有機質(zhì)含量與試驗時間的擬合方程

2.3 不同種植模式土壤堿解氮含量的變化趨勢

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2006年蔬菜連作模式土壤堿解氮含量為259.3 mg/kg，明顯高于其它種植模式（圖3）。糧菜輪作和果樹連作模式土壤堿解氮含量略低于蔬菜連作模式，但也處于較高的水平，其含量分別151.3和186.3 mg/kg。糧糧輪作和糧經(jīng)輪作模式土壤堿解氮含量水平相對較低，分別為89.6和86.2 mg/kg。2006～2020年糧糧輪作、糧菜輪作和糧經(jīng)輪作3種模式土壤堿解氮含量呈直線上升的趨勢，2020年3種模式土壤堿解氮含量分別為125.1、123.9和178.6 mg/kg，分別較2006年增加了35.5、37.7和27.7 mg/kg，增幅分別為39.62%、43.74%和18.04%，平均每年的增量分別為2.54、2.70和1.95 mg/kg。2006～2020年蔬菜連作模式土壤堿解氮含量先下降又有小幅上升，呈多項式變化趨勢（表4），2020年其含量為302.6 mg/kg，較2006年上升了43.3 mg/kg，增幅為16.70%，平均每年增加3.09 mg/kg。2006～2020年果樹連作模式土壤堿解氮含量呈對數(shù)變化趨勢，但回歸曲線與觀察值擬合程度較差。不同模式土壤堿解氮含量與試驗時間的擬合方程及相關(guān)參數(shù)見表4。

圖3 不同種植模式下土壤堿解氮含量的變化趨勢

表4 不同種植模式下土壤堿解氮含量與試驗時間的擬合方程

2.4 不同種植模式土壤有效磷含量的變化趨勢

圖4 不同種植模式下土壤有效磷含量的變化趨勢

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2006年蔬菜連作模式土壤有效磷含量為212.3 mg/kg，明顯高于其它4種模式（圖4）。糧菜輪作和果樹連作模式土壤有效磷含量也處于較高水平，分別為67.5和71.4 mg/kg。糧糧輪作模式和糧經(jīng)輪作模式土壤有效磷含量水平略低，其含量分別為43.2和32.1 mg/kg。2006～2020年蔬菜連作模式土壤有效磷含量先大幅下降后又有小幅上升，其含量隨時間呈多項式的變化趨勢，2020年蔬菜連作模式土壤有效磷含量為175.6 mg/kg，較2006年下降36.7 mg/kg，降幅為17.29%，平均每年下降2.62 mg/kg。2006～2020年糧經(jīng)輪作和果樹連作模式土壤有效磷變化趨勢類似，均呈直線上升的趨勢，2020年2種模式下土壤有效磷含量分別為45.6和85.3 mg/kg，分別較2006年增加了13.5和13.9 mg/kg，增幅分別為42.06%和19.47%，平均每年增加了0.96和0.99 mg/kg。2006～2020年糧糧輪作和糧菜輪作模式土壤有效磷含量變化趨勢類似，均呈多項式增長的趨勢，但糧糧輪作模式土壤有效磷含量的增量和增幅均明顯高于糧菜輪作模式，2020年2種模式土壤有效磷含量分別為65.3和73.2 mg/kg，分別較2006年增加了22.1和5.7 mg/kg，增幅分別為51.16%和8.44%，平均每年分別增加1.58和0.41 mg/kg。不同模式下土壤有效磷含量與試驗時間的擬合方程及相關(guān)參數(shù)見表5。

表5 不同種植模式下土壤有效磷含量與試驗時間的擬合方程

2.5 不同種植模式土壤速效鉀含量變化趨勢

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2006年蔬菜連作模式土壤速效鉀含量為525.0 mg/kg，明顯高于其它4種種植模式（圖5）。果樹連作模式土壤速效鉀含量為276.0 mg/kg，低于蔬菜連作模式，但明顯高于其它3種輪作模式。糧糧輪作、糧經(jīng)輪作和糧菜輪作3種模式土壤速效鉀含量分別為89.0、86.0和136.0 mg/kg。2006～2020年蔬菜連作模式土壤速效鉀含量先大幅下降后又小幅上升，呈多項式變化趨勢，2020年其土壤速效鉀含量為411.2 mg/kg，較2006年下降113.7 mg/kg，降幅為21.66%，平均每年下降8.12 mg/kg。2006～2020年果樹連作模式土壤速效鉀含量呈直線上升的趨勢，但是增幅不大，2020年其土壤速效鉀含量為278.3 mg/kg，較2006年增加2.3 mg/kg，增幅為0.16%，平均每年上升0.83 mg/kg。2006年糧糧輪作、糧經(jīng)輪作和糧菜輪作3種模式土壤速效鉀含量均呈直線上升的趨勢，2020年3種輪作模式土壤速效鉀含量分別為142.6、116.3和171.6 mg/kg，增幅分別為44.04%、35.23%和26.18%，平均每年分別增加3.12、2.16和2.54 mg/kg。不同模式土壤速效鉀含量與試驗時間的擬合方程及相關(guān)參數(shù)見表6。

圖5 不同種植模式下土壤速效鉀含量的變化趨勢

表6 不同種植模式下土壤速效鉀含量與試驗時間的擬合方程

3 結(jié)論與討論

3.1 種植模式對潮土土壤pH值變化趨勢的影響

土壤的酸堿平衡隨氣候條件［6］、管理措施［7］、土壤理化性質(zhì)［8］、土地利用方式［9］等變化而變化，過量使用氮肥［10］和氮沉降［11］是造成土壤酸化的2個主要原因。姚靜等［12］在對小麥-水稻、小麥-花生、小麥-玉米、設施蔬菜、陸地蔬菜、果園6種植制度土壤pH值調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，小麥-花生輪作模式土壤pH值最低，僅為5.84，但其沒有分析發(fā)生這種現(xiàn)象的原因。本研究結(jié)果表明，潮土區(qū)糧經(jīng)輪作模式（小麥-花生輪作）土壤pH值最低，與前人研究結(jié)果一致。張亮等［13］研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物固氮過程會產(chǎn)生H+，造成環(huán)境pH值下降，這可能是糧經(jīng)輪作模式土壤酸化情況較其它幾種種植模式更為嚴重的原因。筆者課題組在農(nóng)戶施肥調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，糧經(jīng)輪作模式農(nóng)戶年化肥投入量與糧糧輪作相當，且遠低于蔬菜連作和果樹連作模式，說明過量施肥不是造成糧經(jīng)輪作模式土壤酸化加劇的主要原因，進一步證明我們推斷的可靠性。2006～2020年潮土區(qū)5種種植模式土壤pH值均呈直線下降，2020年5種種植模式土壤均為酸性，其中糧經(jīng)輪作模式土壤已經(jīng)達到強酸水平；果樹連作模式土壤pH值降幅最大，15年累計下降了0.39，按照目前趨勢推算，10年內(nèi)其土壤也將達到強酸水平。

3.2 種植模式對土壤有機質(zhì)含量變化的影響

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，其含量和動態(tài)平衡能夠反映出土壤的健康狀況和土壤肥力水平，是評價土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標［14-15］。秸稈還田和有機肥施用是土壤有機質(zhì)提高的主要措施［16］。王永鵬［17］研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋栽培會造成土壤有機質(zhì)下降。本研究結(jié)果表明，2006年糧經(jīng)模式土壤有機質(zhì)含量最低，且明顯低于其它幾種種植模式。2006～2020年糧經(jīng)輪作模式下土壤有機質(zhì)含量小幅上升，但其總體含量水平不高，且明顯低于其它4種種植模式。目前臨沂市花生多為地膜覆蓋栽培，且其秸稈一般用作飼料，沒有實施秸稈還田，因此，糧經(jīng)輪作模式土壤有機質(zhì)含量增幅較低。2006～2020年5種種植模式土壤有機質(zhì)均呈直線上升的趨勢，但不同種植模式有機質(zhì)含量增加趨勢存在一定差異，其中糧糧輪作模式土壤有機質(zhì)含量增幅最大，蔬菜連作模式土壤有機質(zhì)含量增幅最小。究其原因也可能與秸稈還田有關(guān)，小麥和玉米秸稈還田后，糧糧輪作模式土壤有機質(zhì)含量大幅增加。而蔬菜連作模式土壤有機質(zhì)含量增加主要依靠有機肥的投入，由于近年來蔬菜連作模式有機肥的投入量并沒有明顯增加，因此蔬菜連作模式土壤有機質(zhì)含量增幅較小。

3.3 不同種植模式下土壤養(yǎng)分含量變化趨勢的分析

姚靜等［18］研究發(fā)現(xiàn)，不同利用方式下土壤養(yǎng)分含量明顯不同，其中菜田養(yǎng)分含量較高，明顯高于糧田和果園。筆者課題組在2006年全區(qū)土壤養(yǎng)分調(diào)查中發(fā)現(xiàn)［19］，菜田（含蔬菜連作和糧菜輪作2種模式）土壤有效磷、速效鉀含量較高，土壤養(yǎng)分失衡；糧田（含糧經(jīng)輪作和糧糧輪作模式）土壤養(yǎng)分含量稍低于全區(qū)平均水平，尤其是土壤有效磷和速效鉀含量較低。針對以上狀況，結(jié)合測土配方施肥技術(shù)成果［20］，筆者課題組在菜田上制訂了“穩(wěn)氮、降磷”的施肥指導方案，而在糧田上主要推廣了測土配方施肥和秸稈還田技術(shù)。2020年調(diào)查結(jié)果顯示，蔬菜連作模式土壤堿解氮含量為302.6 mg/kg，較2006年增加了43.3 mg/kg；土壤有效磷含量為175.6 mg/kg，較2006年下降了36.7 mg/kg；土壤速效鉀含量為411.3 mg/kg，較2006年下降了113.7 mg/kg，土壤養(yǎng)分含量較高，且養(yǎng)分失衡狀況得到了明顯的改善。由圖3、4、5可以看出，與2006年相比較，2020年糧糧輪作和糧經(jīng)輪作模式土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量的增幅均明顯高于其它模式，其土壤堿解氮含量的增幅分別達到了39.62%、43.74%，土壤有效磷含量的增幅分別達到了51.16%、42.06%，土壤速效鉀含量的增幅分別達到了44.04%、35.23%，糧糧輪作和糧經(jīng)輪作模式耕地地力明顯提升。