耕地有機(jī)質(zhì)含量演變規(guī)律
——以新鄉(xiāng)市為例

張寶光,張超男,王向前,李曉雯,武志斌,鄭新娣,李豫惠

(1.原陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,河南原陽(yáng) 453500;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100193;3.新鄉(xiāng)市土壤肥料工作站,河南新鄉(xiāng) 453000;4.延津縣土壤肥料工作站,河南延津 453200)

土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter,SOM)是土壤固相部分的重要組成成分,它不僅為植物提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)營(yíng)養(yǎng),同時(shí)也是形成土壤結(jié)構(gòu)的重要因素,土壤有機(jī)質(zhì)直接影響著土壤的耐肥性、保墑性、緩沖性、耕性、通氣狀況和土壤溫度等,是評(píng)價(jià)土壤肥力和土地生產(chǎn)力不可或缺的重要指標(biāo)[1-4]。我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量在全國(guó)第二次土壤普查以來基本均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[5]。土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低主要取決于人們?cè)趩挝幻娣e上的生產(chǎn)活動(dòng),如施用有機(jī)肥的數(shù)量和質(zhì)量及種植作物品種等[6],同時(shí)與有機(jī)質(zhì)在土壤中的礦化速度和合成速率有關(guān),而礦化和合成又受土壤溫度、濕度、微生物活動(dòng)以及外界條件的影響,從而表現(xiàn)出不同地區(qū)、不同土壤類型之間土壤有機(jī)質(zhì)含量存在差異[7]。

隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)和信息學(xué)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外利用更多的手段深入研究了耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變化,且主要通過定點(diǎn)觀測(cè)的方法來探究土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間變化的特征[8]。楊剛等[9]研究表明土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布隨時(shí)間的改變而發(fā)生巨大變化。李玲等[7]通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和地理信息系統(tǒng)(GIS)總結(jié)了河南省近30年間土壤有機(jī)質(zhì)的增加及其原因。夏睿等[10]研究表明北京市順義區(qū)在20年間土壤有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)。李冬初等[11]通過對(duì)數(shù)百個(gè)國(guó)家監(jiān)測(cè)點(diǎn)近30年的稻田有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分析,得出我國(guó)稻田有機(jī)質(zhì)含量具有增長(zhǎng)趨勢(shì)。廖宇波等[12]利用GIS及相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法指出北京市大興區(qū)近40年的土壤有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律,雖然有短期下降的現(xiàn)象但整體趨于上升。該研究以新鄉(xiāng)市1982—2021年106個(gè)耕地養(yǎng)分長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的耕地為研究對(duì)象,通過分析新鄉(xiāng)市土壤養(yǎng)分檢測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量現(xiàn)狀及演變規(guī)律進(jìn)行探討,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中制定培肥方案及耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)及農(nóng)田生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的理論指導(dǎo)及實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況新鄉(xiāng)市是典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,寒暑適中,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季晝暖夜涼,冬季寒冷干燥。全年多東北風(fēng)和西南風(fēng),平均氣溫14.0 ℃,極端最高氣溫42.0 ℃,最低氣溫為-19.2 ℃;年降水量610.7 mm,北部太行山區(qū)年降水量656.5 mm左右,年最多降水量為1 168.4 mm。中南部平原年降水量592.6 mm左右;年日照時(shí)數(shù)2 323.9 h;年大風(fēng)天數(shù)10.6 d,最大風(fēng)速22.4 m/s,平均風(fēng)速2.3 m/s;年無(wú)霜期205 d;年≥10 ℃積溫4 750 ℃·d。

新鄉(xiāng)市耕地土壤主要是潮土與褐土。北部是太行山及山前洪積扇,土壤類型主要為褐土,東南部是黃河洪沖積平原,以潮土為主。其中由西南至東北分布著以砂壤、輕壤為主的黃河故道。種植制度以小麥-玉米為主,占75%;在延津、封丘、原陽(yáng)、新鄉(xiāng)等黃河故道的輕壤、砂壤土地上以小麥-花生為主,占20%;在原陽(yáng)、封丘等縣黃河背河洼地上主要種植小麥-水稻,占5%。土壤養(yǎng)分含量差異較大,2021監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量為19.77 g/kg、全氮1.32 g/kg、有效磷24.6 mg/kg、速效鉀188 mg/kg、pH為8.2。其中,土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著成土母質(zhì)、栽培時(shí)間不同而變化。土壤有機(jī)質(zhì)含量的分布趨勢(shì)大致是北部山地隨著海拔降低,自然植被稀疏,土壤有機(jī)質(zhì)含量依次降低;由于地勢(shì)平坦,人口密集,且有機(jī)質(zhì)施用量大、質(zhì)量較好,中部平原耕作區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高;由于地廣人稀、旱澇災(zāi)害較多,土壤改良利用較差,南部和東南部黃河故道風(fēng)沙區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量較低。

1.2 測(cè)定方法土壤有機(jī)質(zhì)按照全國(guó)配方施肥技術(shù)規(guī)程[13],采用NY 525—2002重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 資料來源該研究中所涉及的新鄉(xiāng)市相關(guān)資料主要通過全國(guó)第二次土壤普查資料《新鄉(xiāng)土壤》[14]、新鄉(xiāng)統(tǒng)計(jì)年鑒獲取,同時(shí)搜集整理新鄉(xiāng)市土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)網(wǎng)106個(gè)耕地養(yǎng)分長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。這個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)是1987年全國(guó)第二次土壤普查結(jié)束后開始從全市選取有代表性的土壤種類而逐漸建立完善的,該監(jiān)測(cè)網(wǎng)以固定地塊、自然監(jiān)測(cè)的形式,主要在每年收麥、收秋前采集0～20 cm耕作層土壤樣品,并對(duì)所采集土壤樣品的有機(jī)質(zhì)等常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。在每年編寫檢測(cè)報(bào)告及農(nóng)作物施肥意見時(shí),有剔除極端非正常數(shù)據(jù)的情形。但因城市面積擴(kuò)大等各種因素,至2021年,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位減少至96個(gè)。該研究啟用的初次監(jiān)測(cè)結(jié)果采用的是全國(guó)第二次土壤普查1982—1986年5 500個(gè)農(nóng)化樣平均檢測(cè)結(jié)果。所以監(jiān)測(cè)年限為1982—2021年的大田有機(jī)質(zhì)含量變化。此外,該研究還搜集了新鄉(xiāng)市測(cè)土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)2020年750個(gè)樣品檢測(cè)結(jié)果(文中大田分析部分去除了菜地24個(gè)樣品數(shù)據(jù))以及新鄉(xiāng)市測(cè)土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)2005—2014年14 873個(gè)樣品檢測(cè)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地有機(jī)質(zhì)變化情況根據(jù)2021年全市養(yǎng)分監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,新鄉(xiāng)市全市土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為19.77 g/kg,相比于第二次土壤普查(1982—1986年)的平均水平(9.91 g/kg),增加了9.86 g/kg,平均每年增加0.25 g/kg,增幅為99.50%。從圖1可以看出,40年間土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈上升趨勢(shì)。研究表明,制度的變遷與技術(shù)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)績(jī)效的增長(zhǎng)息息相關(guān),而這是農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力,改革開放以后,我國(guó)農(nóng)村由生產(chǎn)隊(duì)這種農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)組織形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧彝ヂ?lián)產(chǎn)承包責(zé)任制,農(nóng)民獲得了經(jīng)營(yíng)自主權(quán),生產(chǎn)積極性得到了巨大提升,農(nóng)村生產(chǎn)力得以解放和發(fā)展,農(nóng)民注重增施有機(jī)肥,培肥地力[15-16],從而導(dǎo)致1982—1994年土壤有機(jī)質(zhì)含量有一個(gè)顯著增高的階段(從監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)建立前的9.91 g/kg上升至1994年的13.98 g/kg)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,城市大規(guī)模擴(kuò)建,導(dǎo)致城市對(duì)勞動(dòng)力的需求劇增,刺激了農(nóng)民群眾不斷涌向城市,當(dāng)時(shí)我國(guó)迎來了初生“農(nóng)民工”時(shí)代,對(duì)耕地投入的熱情有所下降,土壤有機(jī)質(zhì)含量下跌,至1997年降至11.59 g/kg。從2001年開始加快上升趨勢(shì),2008—2019年逐漸穩(wěn)定在17.47～17.94 g/kg,2020—2021年繼續(xù)上升至19.77 g/kg。這是由于國(guó)家嚴(yán)格禁止焚燒秸稈、實(shí)施秸稈還田政策的良好效應(yīng)[17],同時(shí),也是在農(nóng)業(yè)技術(shù)綜合作用下,農(nóng)作物產(chǎn)量逐年提升,生物產(chǎn)量不斷增加,還田的秸稈數(shù)量逐年增加,從而進(jìn)入良性循環(huán)的過程。這一研究結(jié)果與宋小順等[18]的相關(guān)分析結(jié)論一致。

圖1 新鄉(xiāng)市大田土壤有機(jī)質(zhì)含量變化及預(yù)測(cè)Fig.1 Change and prediction of soil organic matter content in Xinxiang City

基于40年間土壤有機(jī)質(zhì)演變規(guī)律,對(duì)新鄉(xiāng)市土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)展前景進(jìn)行預(yù)測(cè),如圖1所示,到2030年全市土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到21.96 g/kg,置信下限17.14 g/kg,上限26.79 g/kg,這一預(yù)測(cè)為后續(xù)近10年的施肥政策及農(nóng)業(yè)措施提供了數(shù)據(jù)參考。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量與糧食產(chǎn)量關(guān)系土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力的重要指標(biāo),與糧食生產(chǎn)能力有密切關(guān)系,是糧食估產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[19]。但是,基于長(zhǎng)期大田監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析土壤有機(jī)質(zhì)含量與糧食產(chǎn)量之間的數(shù)量關(guān)系以及糧食生物產(chǎn)量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的積累作用還有待深入研究。該研究通過分析新鄉(xiāng)市的相關(guān)數(shù)據(jù),揭示了土壤有機(jī)質(zhì)與糧食生產(chǎn)之間的互作關(guān)系和量化指標(biāo)。

2.2.1糧食單產(chǎn)及預(yù)測(cè)。對(duì)1982—2020年糧食單季產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從圖2可以看出,近39年糧食單季產(chǎn)量整體呈上升趨勢(shì),產(chǎn)量由最初的3.35 t/hm2提高到當(dāng)前的6.65 t/hm2?；诮?9年的變化趨勢(shì)對(duì)糧食單季產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)(圖2),從圖2可以看出,到2030年糧食單季產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)到7.43 t/hm2,置信下限5.69 t/hm2,置信上限9.17 t/hm2。一般在糧食增產(chǎn)的同時(shí),其生物產(chǎn)量也相應(yīng)增長(zhǎng)。因此,推測(cè)在大力推行秸稈還田的情況下,秸稈還田量會(huì)相應(yīng)增加,使得糧食產(chǎn)量在一定程度上也可能會(huì)有所增加[20]。

圖2 新鄉(xiāng)市糧食單季產(chǎn)量與預(yù)測(cè)Fig.2 Grain yield and forecast of single season in Xinxiang City

2.2.2土壤有機(jī)質(zhì)與糧食產(chǎn)量相互關(guān)系分析。

2.2.2.1土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。使用IBM SPSS Statistics對(duì)1982—2020年糧食單產(chǎn)與同期土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)性分析,分析糧食單季產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)含量這2個(gè)連續(xù)變量的Pearson相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)(r)為0.793,充分說明糧食單季產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)含量在0.01水平上存在顯著的相關(guān)性,表明糧食產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)可以同步增長(zhǎng)。這一相關(guān)性分析也證明了上述推測(cè),實(shí)行秸稈還田可以有效培肥地力,同時(shí)促進(jìn)了糧食生產(chǎn)的大力發(fā)展,而糧食產(chǎn)量的增加也促進(jìn)作物生物量有所提高,進(jìn)而增加了秸稈還田量,有益于培肥地力,培肥地力又可以對(duì)糧食產(chǎn)量的提高產(chǎn)生促進(jìn)作用,兩者相輔相成,構(gòu)成一個(gè)良性循環(huán)。

從圖3可以看出,作物產(chǎn)量整體是隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加的。1982—1999年土壤有機(jī)質(zhì)含量在9.91～13.98 g/kg時(shí),綜合糧食產(chǎn)量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而有較多的增加,每單位土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)促進(jìn)單季糧食產(chǎn)量最高增產(chǎn)0.49 t/hm2。而2003年以后,即土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到14.63 g/kg后,增產(chǎn)效能逐漸趨于平衡,土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)維持在0.34～0.37 t/g。從這些數(shù)據(jù)來看,新鄉(xiāng)市大田土壤有機(jī)質(zhì)的明顯增產(chǎn)節(jié)點(diǎn)為15.00 g/kg左右,超過該增產(chǎn)節(jié)點(diǎn)后,有機(jī)質(zhì)含量對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)穩(wěn)定在一定水平。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部新修訂的高標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 30600—2022)農(nóng)田有機(jī)質(zhì)指標(biāo)為15.00 g/kg[21],由此證明該標(biāo)準(zhǔn)基本符合新鄉(xiāng)市的生產(chǎn)實(shí)際。1982—2020年單季糧食產(chǎn)量增加3.30 t/hm2,有機(jī)質(zhì)含量提高了8.99 g,有機(jī)質(zhì)對(duì)單季糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)為0.37 t/g。這一結(jié)果比徐明崗等[22]的研究結(jié)果低63%,同時(shí)這個(gè)結(jié)果也低于耶魯大學(xué)Oldfield等[23]的研究結(jié)果。究其原因,新鄉(xiāng)市有機(jī)質(zhì)含量和糧食產(chǎn)量基礎(chǔ)水平較高,而糧食產(chǎn)量隨有機(jī)質(zhì)的提高而增加也有一定的閾值,糧食產(chǎn)量并非是隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而無(wú)限增加的,所以在貢獻(xiàn)率上就表現(xiàn)出較低水平。

圖3 新鄉(xiāng)市大田有機(jī)質(zhì)對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)分析Fig.3 Analysis of contribution of organic matter to yield in Xinxiang City

提高有機(jī)質(zhì)的濃度確實(shí)會(huì)在一定程度上增加糧食產(chǎn)量,但會(huì)有一個(gè)限度,產(chǎn)量并不會(huì)一直增加。研究表明,當(dāng)有機(jī)碳濃度在0.1%～2.0%時(shí),產(chǎn)量增幅最大,此時(shí)增加土壤有機(jī)碳可以有效提高糧食產(chǎn)量。例如,土壤有機(jī)碳濃度在1.0%時(shí)的糧食產(chǎn)量是濃度為0.5%時(shí)的1.2倍,但是當(dāng)有機(jī)碳濃度達(dá)到2.0%時(shí),此時(shí)的有機(jī)碳濃度基本趨于飽和,如果再增加土壤有機(jī)碳濃度,產(chǎn)量并沒有明顯提高,而是維持在穩(wěn)定的水平,甚至?xí)兴档蚚23]。2%的有機(jī)碳曾被認(rèn)為是一個(gè)臨界閾值。碳作為一種容易在土壤中識(shí)別和測(cè)量的元素,其含量通常被認(rèn)為占有機(jī)質(zhì)含量的50%～60%[24-25],近年來常采用公式“土壤有機(jī)碳含量=土壤有機(jī)質(zhì)含量×0.58”來對(duì)二者進(jìn)行換算[26],而新鄉(xiāng)市的監(jiān)測(cè)結(jié)果比這一數(shù)值偏低。這意味著鼓勵(lì)提高土壤有機(jī)質(zhì)的農(nóng)業(yè)政策仍然具有巨大的潛力。

為了檢驗(yàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量20.688 g/kg這個(gè)臨界閾值是否適應(yīng)于新鄉(xiāng)市,該研究選取了獲嘉、衛(wèi)輝、輝縣這3個(gè)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的縣(市),使用IBM SPSS Statistics對(duì)其糧食產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量(表1)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,獲嘉縣的r值為0.666,該地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量和糧食產(chǎn)量在0.05水平上顯著相關(guān);而衛(wèi)輝和輝縣這2個(gè)地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量與糧食產(chǎn)量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。對(duì)3個(gè)地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量和糧食產(chǎn)量的平均值進(jìn)行相關(guān)性分析,r值為0.527,也沒有表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著相關(guān)性。充分說明了土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定值后,糧食產(chǎn)量就會(huì)趨于穩(wěn)定,并不會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)含量的提高而無(wú)限增大,表明土壤有機(jī)質(zhì)20.866 g/kg臨界閾值基本適應(yīng)新鄉(xiāng)市的實(shí)際情況。

表1 獲嘉、衛(wèi)輝、輝縣高產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.2.2.2秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累的貢獻(xiàn)。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下,90%以上的小麥-玉米作物秸稈被還田,農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的來源主要是農(nóng)作物秸稈,而單獨(dú)施用有機(jī)肥的面積和數(shù)量可以忽略不計(jì)。采用土壤有機(jī)質(zhì)含量與糧食產(chǎn)量之比來表示糧食產(chǎn)量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累的貢獻(xiàn),從圖4可以看到,作物產(chǎn)量(按小麥與谷草之比為1∶1計(jì)算)對(duì)形成土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)為2.04～3.49 g/t,平均2.78 g/t。在1988年前后,土壤有機(jī)質(zhì)含量低于12 g/kg時(shí),秸稈還田對(duì)形成土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)達(dá)到最大值(3.49 g/t)之后,實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制,隨著農(nóng)民對(duì)土地?zé)崆榈母邼q,增施有機(jī)肥的數(shù)量隨之增加,秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)作用有所降低,到2000年以后,隨著秸稈還田政策的大力推行和全面實(shí)施,秸稈還田的數(shù)量也逐漸穩(wěn)定,其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)也趨于平穩(wěn),基本維持在2.73～2.99 g/kg。

圖4 新鄉(xiāng)市大田糧食產(chǎn)量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)Fig.4 Contribution of grain yield to soil organic matter in Xinxiang City

2.3 不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量分布情況從當(dāng)前現(xiàn)狀看,位于黃河沖擊低洼平原的原陽(yáng)縣、延津縣、封丘縣有機(jī)質(zhì)含量較低(表2),2021年有機(jī)質(zhì)含量在16.47～16.61 g/kg;而分布有太行山洪積扇的衛(wèi)輝市、輝縣市及分布有郇封嶺高地且耕作水平較高的獲嘉縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量為22.65～24.41 g/kg;境內(nèi)分布有黃河故道的新鄉(xiāng)縣居中,為19.88 g/kg。

表2 各縣(市)土壤有機(jī)質(zhì)含量分布與演變情況

從近40年的土壤有機(jī)質(zhì)含量演變情況來看,獲嘉縣年平均增量最大,可達(dá)到0.35 g/kg,長(zhǎng)期以來該地區(qū)耕作水平最高、產(chǎn)量水平最高,且獲嘉縣的種植制度以小麥-玉米輪作為主;而延津縣的土壤有機(jī)質(zhì)含量在1982—1986年處于各縣市最低水平,僅為6.49 g/kg,延津縣的黃河故道面積最大、所受風(fēng)沙是最嚴(yán)重的,在大部分耕地為小麥-花生輪作的制度下,主要依靠小麥秸稈還田,該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增幅最高,達(dá)到155.93%。各縣市年平均增量為0.22～0.35 g/kg,平均值為0.25 g/kg。說明土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加是一個(gè)緩慢過程,土壤肥力的提高是多年耕作培肥的結(jié)果,短期內(nèi)很難達(dá)到立竿見影的效果。因此,在生產(chǎn)實(shí)踐中,要對(duì)耕地耕作層嚴(yán)加保護(hù),定期對(duì)耕地質(zhì)量、土壤肥力進(jìn)行評(píng)估,因地制宜地實(shí)行施肥政策,確保耕地質(zhì)量逐年提高。

2.4 不同土壤類型耕地有機(jī)質(zhì)含量分布情況2020年全市實(shí)施化肥減肥增效項(xiàng)目,按耕地及土壤類型,對(duì)其中750個(gè)定點(diǎn)取土的樣品進(jìn)行分析。從不同土壤類型中有機(jī)質(zhì)含量(表3)可以看出,菜地由于精耕細(xì)作,施肥量大,土壤有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)到37.45 g/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同年全市大田有機(jī)質(zhì)含量(18.90 g/kg);不同土壤類型耕地中,水稻土有機(jī)質(zhì)含量較高,這與其長(zhǎng)期積水導(dǎo)致土壤處于厭氧還原狀態(tài),從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)積累有關(guān);潮土、褐土是大田的主要土壤類型,且土壤有機(jī)質(zhì)含量按砂壤、輕壤、中壤、重壤、淤土順序上升,淤土最高可達(dá)到29.92 g/kg。前人的研究也表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤細(xì)顆粒物質(zhì)和黏位含量有關(guān)[27],該研究也證實(shí)了這一點(diǎn),土壤的細(xì)顆粒物質(zhì)含量越高、黏著性越強(qiáng),具有更強(qiáng)的保肥能力,有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)來說也會(huì)更高。

表3 2020年新鄉(xiāng)市不同類型土壤中有機(jī)質(zhì)含量

2.5 新鄉(xiāng)市耕地有機(jī)質(zhì)含量級(jí)別劃分為了更有針對(duì)性地對(duì)全市各地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分析,該研究對(duì)2005—2021年14 873個(gè)土壤樣品中有機(jī)質(zhì)含量按照<10、10～<15、15～<20、≥20 g/kg的等級(jí)進(jìn)行劃分,并制作了新鄉(xiāng)市耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖(圖5)。從圖5可以看出,近17年來,新鄉(xiāng)市全域大部分地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量仍處于偏低水平,中部延津縣、東南部封丘縣的土壤有機(jī)質(zhì)含量均較低,而輝縣市、原陽(yáng)縣、長(zhǎng)垣縣也有小部分地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量仍有待提高。整體來說,新鄉(xiāng)市目前仍然達(dá)不到高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)的要求。

圖5 2005—2021年新鄉(xiāng)市耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量分布Fig.5 Distribution of topsoil organic matter content in Xinxiang City from 2005 to 2021

對(duì)2022年全市土壤耕層726個(gè)(共取土樣750個(gè),去除了24個(gè)蔬菜地化驗(yàn)結(jié)果,剩余結(jié)果主要代表了大田土壤有機(jī)質(zhì)含量狀況)土壤樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)新鄉(xiāng)市耕層有機(jī)質(zhì)含量在2.60～36.30 g/kg,平均值為18.95 g/kg,這與2020年土壤養(yǎng)分檢測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的有機(jī)質(zhì)含量(18.90 g/kg)高度吻合,說明土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本能夠代表新鄉(xiāng)市大田土壤養(yǎng)分含量,該分析結(jié)果與李路平等[28]的研究結(jié)果相同。根據(jù)取樣點(diǎn)在各縣(市、區(qū))的分布概況,按全國(guó)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將新鄉(xiāng)市土壤有機(jī)質(zhì)含量劃分為6個(gè)等級(jí)(表4)。從表4可以看出,有機(jī)質(zhì)含量在各等級(jí)均有分布,且全市土壤有機(jī)質(zhì)含量差異較大,其中土壤有機(jī)質(zhì)含量在15 g/kg以下(包括V級(jí)、Ⅵ級(jí)、Ⅶ級(jí)3個(gè)等級(jí))的占比25.48%。

表4 新鄉(xiāng)市土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)劃分

上述這些結(jié)果表明,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中仍要堅(jiān)持推行秸稈還田,同時(shí)在東南部黃河故道及黃河洪沖擊低洼平原等有機(jī)質(zhì)含量較低的地區(qū)采取增施有機(jī)肥、異地秸稈還田等措施。對(duì)于土壤肥力的改良,要做到分區(qū)塊調(diào)查、分區(qū)塊制定政策,做到精準(zhǔn)管理、精細(xì)施肥,才能達(dá)到培肥地力、建設(shè)高肥力糧田的目標(biāo)。

3 討論

該研究通過調(diào)查分析統(tǒng)計(jì),表明新鄉(xiāng)市1982—2021年土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈上升趨勢(shì),從9.91 g/kg增加至19.77 g/kg,已達(dá)到國(guó)家Ⅳ級(jí)水平。但是有機(jī)質(zhì)含量的分布并非均勻,其在不同縣市、不同地域、不同土壤類型之間存在明顯差異。分析表明,土壤有機(jī)質(zhì)含量在一定的范圍內(nèi)與糧食產(chǎn)量存在相關(guān)關(guān)系,但糧食產(chǎn)量并不會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而無(wú)限增加。

土壤有機(jī)質(zhì)含量的持續(xù)增加國(guó)家嚴(yán)格禁止焚燒秸稈、實(shí)施秸稈還田政策促使有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)增高,隨著科技的發(fā)展,農(nóng)業(yè)技術(shù)也不斷改進(jìn),農(nóng)作物產(chǎn)量和生物量隨之增加,這也促使了可還田的秸稈量增加,環(huán)環(huán)相扣形成良性循環(huán)。有機(jī)質(zhì)含量的增產(chǎn)節(jié)點(diǎn)和臨界閾值在生產(chǎn)上至關(guān)重要,例如在編制高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)方案時(shí),應(yīng)當(dāng)將有機(jī)肥料傾向施于低有機(jī)質(zhì)含量耕地上,才能發(fā)揮更顯著的效應(yīng)。在揭示有機(jī)質(zhì)含量對(duì)糧食產(chǎn)量的增產(chǎn)節(jié)點(diǎn)和臨界閾值后,了解其地域和空間分布就顯得至關(guān)重要。只有掌握低含量分布地區(qū),才能做到因地制宜,針對(duì)障礙因素,最大限度發(fā)揮改土培肥的作用。

對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)超過增產(chǎn)節(jié)點(diǎn)或超過臨界閾值的地區(qū),生產(chǎn)中應(yīng)在全面秸稈還田的前提下,實(shí)施深耕深松、打破犁底層等障礙層次,改土培肥。對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)含量較低的地區(qū),要增施有機(jī)肥料,加強(qiáng)秸稈還田的實(shí)施力度。

對(duì)于一些不利于有機(jī)質(zhì)積累的地塊,如土壤耕種歷史短、沙粒粗大、結(jié)構(gòu)松散、礦化度高、有機(jī)物分解快以及一些主要種植棉花、花生的地塊,其秸稈常被作為燃料和飼料導(dǎo)致其無(wú)法還田被土地利用,這些地區(qū)有機(jī)質(zhì)提高的主要限制因素是農(nóng)作物秸稈等有機(jī)質(zhì)資源匱乏。實(shí)際生產(chǎn)中,在實(shí)施秸稈全面還田基礎(chǔ)上,還應(yīng)采取增施商品有機(jī)肥、腐殖酸復(fù)合肥,甚至采取異地秸稈還田的辦法來保證有機(jī)質(zhì)資源的供應(yīng)。

總之,土壤有機(jī)質(zhì)的提升及土地肥力的改良需要充分利用土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)網(wǎng)所提供的科學(xué)依據(jù),及時(shí)了解土壤狀況的發(fā)展趨勢(shì),因地制宜、精準(zhǔn)施肥,才能有效推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。