四川省12縣糧田土壤耕層結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特征研究

田效琴,李 卓,劉永紅,景 勇,唐 佳

(1. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,成都 610066; 2. 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610066;3. 糧油作物綠色種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610066;4. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,成都 610066;5. 三臺(tái)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,四川 綿陽(yáng) 621100)

【研究意義】糧油安全不僅是重大的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,也是事關(guān)長(zhǎng)治久安的政治問(wèn)題。四川作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū),不僅是產(chǎn)糧大省,也是人口大省。確保該省糧食平衡發(fā)展,不僅是國(guó)家對(duì)四川的要求,也是四川對(duì)國(guó)家糧油安全承擔(dān)的重任。土壤是最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料,其耕層結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分情況直接關(guān)系到糧油作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域[1-2]、不同年份[3-4]、不同土壤類型[5-7]相繼開(kāi)展了大量研究,取得了豐碩成果。肖鈺等[8]研究了四川10個(gè)植煙區(qū)的耕層土壤容重,發(fā)現(xiàn)其均值為1.10～1.38 g/cm3,差異不顯著,且除全鉀缺乏外,其余養(yǎng)分含量總體均處于適宜和豐富水平。李珊等[9]研究發(fā)現(xiàn),近30年來(lái)川中丘陵縣域土壤呈酸化趨勢(shì)。王婉秋等[10]對(duì)普格縣132個(gè)土壤樣品進(jìn)行養(yǎng)分含量分析,發(fā)現(xiàn)pH適宜;有機(jī)質(zhì)較豐富,但區(qū)域間差異懸殊;除速效磷外,速效氮和速效鉀含量低?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在人口增加、經(jīng)濟(jì)建設(shè)占用耕地不可逆轉(zhuǎn)的條件下,隨著農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)力度的加大和種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,及時(shí)并充分了解土壤耕層結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分現(xiàn)狀及其變化規(guī)律,是確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。以往針對(duì)四川區(qū)域性土壤耕層結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特征的研究時(shí)間均較早,且在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)仍采用距今已有30多年的第二次土壤普查數(shù)據(jù)結(jié)果。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選擇四川玉米體系示范縣平昌、儀隴、西充、廣安、閬中和越西,院地合作重點(diǎn)縣宣漢、簡(jiǎn)陽(yáng)、廣漢、彭州、雁江、隆昌共12個(gè)縣的耕層土壤容重和養(yǎng)分狀況進(jìn)行采樣調(diào)查與分析,并將其與2008年我國(guó)17個(gè)省的土壤耕層深度、容重[11]和2005年四川18個(gè)國(guó)家試點(diǎn)縣的土壤養(yǎng)分調(diào)查數(shù)據(jù)[12]進(jìn)行比較,闡明四川糧田土壤耕層結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、土壤養(yǎng)分水平及變化特征,為該省制定改土培肥的精準(zhǔn)策略及科技攻關(guān)途徑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川玉米體系示范縣的平昌、儀隴、西充、廣安、閬中、越西,院地合作重點(diǎn)縣宣漢、簡(jiǎn)陽(yáng)、廣漢、彭州、雁江、隆昌共12個(gè)縣(104°08′～107°66′ E,29°37′31°42′ N),海拔277～4791 m,年均氣溫13.3～17.7 ℃,年均降雨量771.2～1230.0 mm。除越西屬西昌巴塘亞熱氣候外,其余地區(qū)均為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。研究區(qū)土壤類型以紅壤、紫色土為主,糧油作物以小麥、玉米、油菜為主,耕作模式有輪作、凈作,具體信息見(jiàn)表1。

表1 四川糧田土壤基本信息Table 1 Soil basic information of grain fields in Sichuan

1.2 調(diào)查取樣

于2022年5—6月,選擇體系示范縣和院地合作重點(diǎn)縣的南充綜合試驗(yàn)站5個(gè)示范縣(平昌、儀隴、西充、廣安、閬中)、西昌綜合試驗(yàn)站1個(gè)示范縣(越西)、宣漢、簡(jiǎn)陽(yáng)、廣漢、彭州、雁江、隆昌共12個(gè)縣進(jìn)行土壤耕層調(diào)查,每個(gè)縣選取具有代表性的主要土壤類型,同時(shí)兼顧砂質(zhì)(質(zhì)地輕)和粘質(zhì)(質(zhì)地粘重)的土壤質(zhì)地和糧田類型共5個(gè)點(diǎn)位,每個(gè)點(diǎn)位隨機(jī)挖取3個(gè)剖面,每個(gè)縣共計(jì)調(diào)查15個(gè)剖面,保證每個(gè)土壤樣品具體到村、組、戶、地塊。調(diào)查基本信息(經(jīng)緯度、土壤類型、土壤質(zhì)地、耕作模式)、耕作層信息(厚度、5～10 cm容重、20～25 cm容重、35～40 cm 容重)和耕作層土壤基本養(yǎng)分情況(pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀)。

剖面挖取:在選定的地點(diǎn)上挖與壟向垂直的調(diào)查剖面。剖面的長(zhǎng)度為2個(gè)完整壟的壟距(從壟溝開(kāi)始),寬0.5 m,深0.4 m,挖掘的剖面橫向要與壟向垂直,豎向要與地面垂直。

耕層深度:①壟作大田:分別測(cè)定2個(gè)壟的壟溝到犁底層和基準(zhǔn)線(壟側(cè)向下30 cm處)到犁底層的距離(圖1中A、a,2壟3個(gè)壟溝共計(jì)3組數(shù)據(jù)),壟側(cè)到犁底層和基準(zhǔn)線到犁底層的距離(圖1中B、b,2壟4個(gè)壟側(cè)共計(jì)4組數(shù)據(jù)),壟頂?shù)嚼绲讓雍突鶞?zhǔn)線到犁底層的距離(圖1中C、c,2壟2個(gè)壟頂共計(jì)2組數(shù)據(jù))。②平做大田:測(cè)定2行平作剖面地表到犁底層的距離(7個(gè)點(diǎn)),其中,B、F均為作物生長(zhǎng)位置,D為2行中點(diǎn),A、C、E、G分別為1/4行距處,測(cè)量部位如圖2所示。

圖1 壟作剖面測(cè)量示意圖Fig.1 Section diagram of ridge

圖2 平作剖面測(cè)量示意圖Fig.2 Section diagram of flat

土壤容重:采用環(huán)刀法,測(cè)定位置為5～10、20～25、35～40 cm(壟作大田距離從壟側(cè)算起,平做大田距離從地表算起),每個(gè)剖面重復(fù)3次。采樣后做好記錄,注明時(shí)間、地點(diǎn)、編號(hào)、深度等,并將底土和表土按原層回填到采樣坑中。

土壤養(yǎng)分:每個(gè)樣點(diǎn)采集0～20 cm土壤樣品,于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干測(cè)定土壤養(yǎng)分含量,pH用電位法(土液比1∶5)測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱容量法測(cè)定,全氮用半微量凱氏定氮法測(cè)定,全鉀用原子分光光度法測(cè)定,堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,全磷和速效磷用鉬銻抗比色法測(cè)定,速效鉀用火焰光度法[13]測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究除試驗(yàn)調(diào)查數(shù)據(jù)外,還通過(guò)文獻(xiàn)查找收集了2008年我國(guó)17個(gè)省的土壤耕層深度、容重?cái)?shù)據(jù)[11]和2005年四川18個(gè)國(guó)家試點(diǎn)縣的土壤養(yǎng)分調(diào)查數(shù)據(jù)[12],并將其采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤耕層深度

由圖3可知,區(qū)縣間土壤耕層深度存在明顯差異,其中簡(jiǎn)陽(yáng)最淺,耕層深度僅12 cm,其次是儀隴,為13 cm。耕層相對(duì)較深的有宣漢、廣漢、彭州和隆昌,均為19 cm,但遠(yuǎn)低于農(nóng)田耕作層最低厚度25 cm。

圖3 典型縣糧田土壤耕層深度Fig.3 Topsoil depth of grain fields in typical counties

由圖4可知,此次在四川調(diào)查的體系示范縣和院地合作重點(diǎn)縣中糧田土壤平均耕層深度(17.0 cm)與2008年我國(guó)土壤平均耕層深度(16.5 cm)相比略微上升,但遠(yuǎn)低于農(nóng)田耕作層最低標(biāo)準(zhǔn)(25.0 cm)。

對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)源于2008年全國(guó)17個(gè)省(市、自治區(qū))31個(gè)玉米綜合試驗(yàn)站151個(gè)示范縣916個(gè)代表性樣點(diǎn)的玉米農(nóng)田土壤平均有效耕層深度。The comparative data is derived from the average effective topsoil depth of maize farmland soil at 916 representative sample sites in 151 demonstration counties of 31 maize comprehensive test stations in 17 provinces (cities, autonomous regions) in China in 2008.圖4 土壤耕層深度對(duì)比Fig.4 Comparison of topsoil depth

2.2 土壤容重

此次在四川調(diào)查的體系示范縣和院地合作重點(diǎn)縣中(除宣漢、廣漢、彭州外)糧田土壤5～10 cm深度的土壤容重均高于糧田土壤適宜的容重范圍(1.10～1.30 g/cm3),土壤嚴(yán)重緊實(shí),不利于作物根系生長(zhǎng)(表2)。其中,平昌、儀隴、閬中的耕層容重最高,其次為簡(jiǎn)陽(yáng)、西充、廣安、隆昌、雁江,其余區(qū)縣(宣漢、廣漢、彭州)土壤容重處于作物適宜容重范圍內(nèi),分別為1.30、1.26和1.22 g/cm3,有利于作物根系生長(zhǎng)。20～25和35～40 cm深度的土壤容重平均分別為1.58和1.61 g/cm3,處于非常堅(jiān)硬的狀態(tài),將嚴(yán)重阻礙作物根系向下伸展。

表2 典型縣糧田土壤容重Table 2 Soil bulk density of grain fields in typical counties (g/cm3)

此次在四川調(diào)查的體系示范縣和院地合作重點(diǎn)縣中糧田土壤5～10 cm深度的土壤平均容重(1.39 g/cm3)與2008年我國(guó)土壤平均容重(1.39 g/cm3)相當(dāng),略高于2008年西南及南方土壤平均容重(1.37 g/cm3),均高于糧田土壤適宜的容重范圍(圖5)。

對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)源于2008年全國(guó)17個(gè)省(市、自治區(qū))31個(gè)玉米綜合試驗(yàn)站151個(gè)示范縣916個(gè)代表性樣點(diǎn)5～10 cm的玉米農(nóng)田土壤平均容重。The comparative data is derived from the average bulk density of 5-10 cm corn farmland soil at 916 representative sample sites in 151 demonstration counties of 31 maize comprehensive test stations in 17 provinces (cities, autonomous regions) in China in 2008.圖5 典型縣糧田土壤容重對(duì)比Fig.5 Comparison of soil bulk density of grain fields in typical counties

2.3 耕層土壤基礎(chǔ)肥力

對(duì)照表3中土壤肥力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn),越西除全鉀和速效鉀以外,有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和有效磷含量均達(dá)一級(jí)土壤肥力標(biāo)準(zhǔn);儀隴和簡(jiǎn)陽(yáng)各項(xiàng)養(yǎng)分含量指標(biāo)均達(dá)三級(jí)土壤肥力標(biāo)準(zhǔn)及以上;其余區(qū)縣(平昌、西充、廣安、雁江、廣漢、彭州、閬中、隆昌)部分指標(biāo)處于四級(jí)土壤肥力標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

表3 土壤肥力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Soil fertility grade standard

表4 典型縣糧田土壤養(yǎng)分情況Table 4 Soil nutrient status of grain field in typical counties

從各養(yǎng)分指標(biāo)的平均含量(圖6)可以看出,此次在四川調(diào)查的體系示范縣和院地合作重點(diǎn)縣中糧田土壤總體肥力水平中等偏上,其中有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀含量中等(第三級(jí)),其余養(yǎng)分指標(biāo)中等偏上(第二級(jí))。土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為25.9 g/kg,與2005年四川省測(cè)土配方施肥的18個(gè)國(guó)家試點(diǎn)縣土壤數(shù)據(jù)相比,提高21.03%,但仍處于中等水平;有效磷含量平均為35.9 mg/kg,較2005年提高1.38倍,從第三級(jí)提高到第二級(jí);速效鉀含量平均為163 mg/kg,較2005年提高1.30倍,從第四級(jí)提高到第二級(jí);全鉀和堿解氮含量均較2005年有所下降,分別降低3.31%和2.15%,但肥力等級(jí)不變;全氮和全磷較2005年相差不大。說(shuō)明對(duì)比2005年四川土壤養(yǎng)分含量來(lái)說(shuō),土壤綜合肥力水平有所提高,主要體現(xiàn)在有效磷和速效鉀上,但總體肥力還需進(jìn)一步增強(qiáng),尤其在有機(jī)質(zhì)和全量含量上。

對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)源于2005年四川省測(cè)土配方施肥的18個(gè)國(guó)家試點(diǎn)縣(包括中江,綿竹,劍閣,通江,安縣,武勝,仁壽,夾江,渠縣,金堂,射洪,三臺(tái),簡(jiǎn)陽(yáng),都江堰,儀隴,富順,南部,大竹),土壤類型包括紫色土、水稻土、黃壤、新積土、潮土等,共計(jì)土壤樣品3183個(gè)。The comparative data are from 18 national pilot counties (including Zhongjiang, Mianzhu, Jian’ge, Tongjiang, Anxian, Wusheng, Renshou, Jiajiang, Quxian, Jintang, Shehong, Santai, Jianyang, Dujiangyan, Yilong, Fushun, Nanbu, Dazhu) of soil testing and formula fertilization in Sichuan province in 2005. The soil types include purple soil, paddy soil, yellow soil, newly accumulated soil, and chao soil, with a total of 3183 soil samples.圖6 四川省土壤養(yǎng)分含量對(duì)比Fig.6 Comparison of soil nutrient content in Sichuan

3 討 論

耕層深度是土壤條件的基本特征,也是農(nóng)田土壤生產(chǎn)力的核心,農(nóng)田耕作層厚度應(yīng)大于25 cm,良好的耕層結(jié)構(gòu)是確保農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的必要條件[14-15]。根據(jù)本研究調(diào)查結(jié)果,四川糧田土壤平均耕層深度17 cm,雖然略高于2008年我國(guó)土壤平均耕層深度,但遠(yuǎn)低于農(nóng)田耕作層最低標(biāo)準(zhǔn),尤其是簡(jiǎn)陽(yáng)和儀隴。在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn),農(nóng)村主要使用小型農(nóng)機(jī)具進(jìn)行田間作業(yè),達(dá)不到耕層深度標(biāo)準(zhǔn),大部分耕地20多年來(lái)未進(jìn)行深松整地。

容重是土壤最重要的物理性質(zhì)之一,直接或間接影響著土壤水肥氣熱的協(xié)調(diào)供應(yīng)和土壤養(yǎng)分、水分的運(yùn)移,對(duì)維持土壤肥力、保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義[17]。一般作物根系生長(zhǎng)適宜的土壤容重范圍為1.10～1.30 g/cm3[16],當(dāng)土壤容重>1.4 g/cm3時(shí),根系生長(zhǎng)開(kāi)始受到影響;當(dāng)土壤容重>1.5 g/cm3時(shí),根系生長(zhǎng)嚴(yán)重受阻[18]。調(diào)查結(jié)果顯示,四川糧田土壤5～10 cm深度的土壤容重平均為1.39 g/cm3,略高于土壤適宜的容重范圍,但20～25和35～40 cm深度的土壤容重平均分別為1.58和1.61 g/cm3,土壤嚴(yán)重緊實(shí),作物根系將難以穿透犁底層,根系分布淺,吸收營(yíng)養(yǎng)范圍減少,肥水利用率下降,還易引起倒伏早衰,降低了土壤的抗逆減災(zāi)能力和產(chǎn)出能力,尤其是平昌、儀隴和閬中。說(shuō)明由于小型農(nóng)機(jī)具耕作深度淺,作業(yè)幅窄,拖拉機(jī)在田間反復(fù)碾壓,導(dǎo)致土壤耕層容重增加,嚴(yán)重板結(jié)。

土壤養(yǎng)分是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一,也是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo),同時(shí)也是合理施肥的重要依據(jù)[19]。根據(jù)調(diào)查結(jié)果可以看出,雖然近20年四川糧田土壤綜合肥力水平有所提高,主要體現(xiàn)在有效磷和速效鉀上,但總體肥力還需進(jìn)一步增強(qiáng),尤其是有機(jī)質(zhì)和全效含量,整體處于中等偏下水平。說(shuō)明近20年四川糧田土壤重視磷鉀肥施用,而有機(jī)質(zhì)和全氮的比例相對(duì)缺乏,應(yīng)引起重視。

因此,在未來(lái)數(shù)年或數(shù)十年建議:①積極主動(dòng)開(kāi)展糧田土壤耕層結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)。距離第二次土壤普查已過(guò)40年之久,其數(shù)據(jù)與結(jié)果已不能反映當(dāng)前糧田土壤現(xiàn)狀。依據(jù)此次調(diào)查結(jié)果結(jié)合即將開(kāi)展的第三次土壤普查數(shù)據(jù),力爭(zhēng)5年內(nèi)摸清四川糧田土壤現(xiàn)狀,并進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。②建立完善糧田土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。建立基于不同土壤類型、耕作模式、氣候區(qū)等土壤耕層質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行長(zhǎng)期定位動(dòng)態(tài)監(jiān)控。同時(shí),開(kāi)展水肥、耕作方式等相關(guān)試驗(yàn)研究,明確田間管理措施對(duì)土壤耕層質(zhì)量的影響,逐步形成針對(duì)不同區(qū)域的土壤耕層質(zhì)量管理信息系統(tǒng)。③建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田。針對(duì)性地對(duì)障礙性土壤和貧瘠土壤進(jìn)行改良和培肥。全面實(shí)施“增(增施有機(jī)肥)、提(提高肥料利用率)、改(改良土壤)、防(防止土壤退化)”等綜合措施,積極采用“松土促根土壤改良技術(shù)”“深耕深松技術(shù)”“密植滴灌技術(shù)”“平衡施肥技術(shù)”“保護(hù)性耕作技術(shù)”等。④加大財(cái)政投入、建立監(jiān)管機(jī)制。中央和地方各級(jí)財(cái)政加大對(duì)土壤耕層質(zhì)量改良工作的支持力度,設(shè)立土壤改良專項(xiàng)資金;將對(duì)土壤耕層質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管的執(zhí)法主體明確寫進(jìn)法律,各司其責(zé);依據(jù)農(nóng)業(yè)部對(duì)土壤耕層質(zhì)量管理的新要求,及時(shí)制定相對(duì)應(yīng)的管理辦法。⑤建立土壤耕層質(zhì)量保護(hù)體系。采用最新農(nóng)作技術(shù),大量開(kāi)展土壤耕層質(zhì)量改良方面的試驗(yàn)研究,并積極示范推廣,指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)種田。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有耕作制度、施肥和管理水平下,四川省糧田土壤耕層仍存在“淺、實(shí)、低”的問(wèn)題,即土壤耕層淺,土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí),嚴(yán)重板結(jié),土壤有機(jī)質(zhì)含量穩(wěn)定并略有上升,但總體水平仍低;有效磷、速效鉀含量上升趨勢(shì)明顯,部分點(diǎn)位含量水平仍不高;全鉀和堿解氮含量有下降趨勢(shì);土壤綜合肥力水平仍不高,將嚴(yán)重阻礙作物產(chǎn)量潛力的正常發(fā)揮。各地相關(guān)部門應(yīng)積極采取有效措施對(duì)土壤耕層質(zhì)量進(jìn)行改良。