王 樂，張淑香*，馬常寶，李春花

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100026）

土壤肥力是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]，土壤肥力的高低直接影響著作物生長，影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)[2]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的核心部分，土壤養(yǎng)分的演變分析有助于了解區(qū)域土壤肥力變化情況和變化規(guī)律，對穩(wěn)定糧食產(chǎn)量具有重要意義[3]。潮土地區(qū)地勢平坦、土層深厚、生產(chǎn)性狀良好、適種性廣[4]。潮土約占全國耕地面積的15.9%，是我國小麥和玉米等糧食作物的主產(chǎn)區(qū)[5]。潮土區(qū)土壤養(yǎng)分含量的變化在一些地區(qū)和時間段的研究已有一些報(bào)道，如欽繩武等[6]分析了河南省封丘縣潮土區(qū)1988—1992年來土壤肥力的變化特征，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷含量均有所上升，速效鉀含量有所下降；張金濤等[7]調(diào)查了全國潮土區(qū)1987—2006年的土壤肥力狀況，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量有所增加，土壤pH值降低0.28個單位；楊玉建等[8]在山東省禹城市的土壤有機(jī)質(zhì)含量研究結(jié)果表明，禹城市2003年土壤有機(jī)質(zhì)含量比1980年增加了8.68 g/kg，年均提高0.38 g/kg。雖然這些研究為潮土肥力的演變提供了有價值的參考，但研究地點(diǎn)分散，且時間較短，不足以為國家層面的決策提供依據(jù)。所以本文在分析29年來潮土養(yǎng)分現(xiàn)狀和定量演變趨勢的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了土壤肥力演變的影響因素及其演變過程的貢獻(xiàn)因子，為潮土區(qū)耕地質(zhì)量管理和肥料施用提供科學(xué)依據(jù)[9-12]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

國家級潮土長期監(jiān)測點(diǎn)主要分布在北京 (8個)、天津 (8個)、河北 (5個)、山西 (2個)、內(nèi)蒙 (2個)、江蘇 (6個)、安徽 (3個)、山東 (2個)、河南(11個)、湖北 (5個)、湖南 (2個)、新疆 (3個) 等12個省份。監(jiān)測點(diǎn)中大部分建于1988年，后期在1997年和2004年分別新增了一些監(jiān)測點(diǎn)。至2016年，監(jiān)測時間最長的點(diǎn)已經(jīng)有29年的歷史。

潮土監(jiān)測區(qū)種植的作物主要為小麥和玉米，種植制度為一年兩熟制，主要以小麥?玉米、冬小麥?夏玉米、春小麥?夏玉米等輪作方式為主。監(jiān)測區(qū)采用機(jī)械化耕種為主。監(jiān)測點(diǎn)耕層 (0—20 cm) 土壤初始性質(zhì)見表1。

表1 監(jiān)測點(diǎn)起止年限及初始耕層 (0—20 cm) 土壤基本性質(zhì)Table 1 Periods of monitoring sites and the initial basic properties of fluvo-aquic soil

續(xù)表1 Table 1 continued

1.2 土壤樣品采集與分析

每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置對照 (不施肥) 和常規(guī)施肥 (農(nóng)民習(xí)慣施肥) 兩個處理，依照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行水肥管理等農(nóng)事活動，并定位記載施肥量、肥料種類、作物產(chǎn)量以及管理措施等信息。每季作物收獲后，采集耕層 (0—20 cm) 土壤樣品，測定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀及pH值等土壤肥力指標(biāo)。土壤養(yǎng)分測定采用常規(guī)分析方法[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016整理，運(yùn)用Sigmaplot 12.5和SPSS 17.0 進(jìn)行相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)。為避免個別年份點(diǎn)位差異對土壤養(yǎng)分的演變規(guī)律造成影響，因此，按照建點(diǎn)的時間將57個監(jiān)測點(diǎn)劃分為監(jiān)測初期 (1988—1997年)、監(jiān)測中期 (1998—2003年) 和監(jiān)測后期 (2004—2016年) 3個階段。本研究中所涉及的土壤養(yǎng)分演變趨勢的數(shù)據(jù) (盒形圖) 均以每組數(shù)據(jù)的中值表示[14]，采用SPSS17.0[15]的方法進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分演變特征

監(jiān)測初期 (1988—1997年)、中期 (1998—2003年)和近期 (2004—2016年) 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量、pH值的含量變化，以及三個時期平均值的比較見圖1。

2.1.1 土壤有機(jī)質(zhì) 潮土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈上升趨勢，土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍在3.70～37.8 g/kg。監(jiān)測初期和監(jiān)測后期土壤有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢，監(jiān)測中期略有下降。監(jiān)測初期土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為11.5 g/kg，監(jiān)測中期為16.9 g/kg，監(jiān)測后期為17.2 g/kg。監(jiān)測初期到監(jiān)測中期呈顯著上升趨勢 (P ＜ 0.05)，提升了47.1%，從監(jiān)測中期到監(jiān)測后期，雖然也呈升高趨勢，但未達(dá)到顯著水平。

圖1 潮土土壤肥力要素演變趨勢Fig. 1 Changes of fertility factors in fluvo-aquic soil at different monitoring periods

2.1.2 土壤全氮 土壤全氮含量變化與有機(jī)質(zhì)變化相似，整體呈現(xiàn)上升的趨勢。監(jiān)測前期、監(jiān)測中期和監(jiān)測后期土壤全氮含量分別為0.75、1.03和1.06 g/kg，從監(jiān)測初期到監(jiān)測中期土壤全氮平均含量呈顯著上升趨勢 (P ＜ 0.05)，與監(jiān)測初期相比顯著提升37.8%。而從監(jiān)測中期到監(jiān)測后期增加未達(dá)到顯著水平。

2.1.3 土壤有效磷 監(jiān)測區(qū)土壤有效磷含量范圍為1.99～185.80 mg/kg。三個監(jiān)測階段土壤有效磷含量均呈上升趨勢，監(jiān)測初期土壤有效磷含量為8.67 mg/kg，監(jiān)測中期雖略有升高，但增加不顯著。從監(jiān)測中期到監(jiān)測后期土壤有效磷繼續(xù)增加，雖然監(jiān)測后期與中期有效磷含量差異未達(dá)到顯著水平，但比監(jiān)測初期有了顯著增加 (P ＜ 0.05)，提高了226%。

2.1.4 土壤速效鉀 土壤速效鉀含量監(jiān)測前期和監(jiān)測后期各試驗(yàn)點(diǎn)呈上升趨勢，在監(jiān)測中期各監(jiān)測點(diǎn)變異較大。監(jiān)測初期到監(jiān)測中期土壤速效鉀含量平均值略有升高，但未達(dá)到顯著水平。從監(jiān)測中期到監(jiān)測后期呈顯著上升趨勢 (P ＜ 0.05)，監(jiān)測后期土壤速效鉀的平均含量比監(jiān)測中期上升了30.4%。

2.1.5 土壤pH 土壤pH水平在4.00～9.40之間，各監(jiān)測期間都有下降的趨勢，監(jiān)測初期與中期接近，從監(jiān)測中期 (8.14) 到監(jiān)測后期 (7.78)，土壤pH呈顯著下降趨勢 (P ＜ 0.05)。

2.2 作物產(chǎn)量演變特征

常規(guī)施肥下，小麥與玉米的產(chǎn)量均高于不施肥處理，而且變化趨勢與不施肥處理也不同 (圖2)，與監(jiān)測初期相比，潮土常規(guī)施肥條件下小麥和玉米產(chǎn)量呈顯著增加趨勢，無肥區(qū)小麥產(chǎn)量平均值為1773 kg/hm2，常規(guī)施肥區(qū)的平均產(chǎn)量為6008 kg/hm2。小麥常規(guī)施肥區(qū)產(chǎn)量較無肥區(qū)增加238%。無肥區(qū)玉米平均產(chǎn)量為2393 kg/hm2，常規(guī)施肥區(qū)平均產(chǎn)量為7281 kg/hm2。常規(guī)施肥區(qū)玉米平均產(chǎn)量較無肥區(qū)增產(chǎn)204%，潮土區(qū)施肥措施具有顯著的增產(chǎn)作用。

分別統(tǒng)計(jì)三個監(jiān)測階段施肥條件下的作物產(chǎn)量(圖3)，小麥產(chǎn)量監(jiān)測初期 (1988—1997) 平均為2902 kg/hm2，監(jiān)測中期 (1998—2003) 和監(jiān)測后期(2004—2016) 小麥產(chǎn)量平均值與監(jiān)測初期相比顯著上升 (P ＜ 0.05)，分別上升了87.6%和114%。而從監(jiān)測中期到監(jiān)測后期呈上升趨勢，但未達(dá)到顯著水平。玉米產(chǎn)量的變化與小麥一樣，從監(jiān)測初期到監(jiān)測中期，上升趨勢明顯 (P ＜ 0.05)，顯著提升了111%。從監(jiān)測中期到監(jiān)測后期增加不顯著。

常規(guī)施肥與不施肥處理相比，小麥和玉米的增產(chǎn)量隨種植年限的增加都呈升高的趨勢。小麥增產(chǎn)量監(jiān)測初期 (1988—1997年) 為1971 kg/hm2，之后逐漸升高，監(jiān)測中期 (1998—2003年) 的增產(chǎn)量為3342 kg/hm2，監(jiān)測后期 (2004—2016年) 達(dá)到最高值4514 kg/hm2，其增產(chǎn)率最高，達(dá)到了261%。玉米增產(chǎn)量在監(jiān)測初期(1988—1997年) 為1143 kg/hm2，監(jiān)測中期增產(chǎn)量為2937 kg/hm2，監(jiān)測后期 (2004—2016年) 達(dá)到最高值4246 kg/hm2，其增產(chǎn)率為123%。

2.3 土壤肥力因素對土壤肥力變化的貢獻(xiàn)

圖2 常規(guī)施肥與不施肥處理的小麥和玉米產(chǎn)量變化Fig. 2 Yield changes of wheat and corn under conventional fertilization and no fertilization

圖3 不施肥處理與常規(guī)施肥處理下小麥和玉米產(chǎn)量的階段性變化Fig. 3 Periodical change of yields of wheat and corn under non-fertilized treatments and conventional fertilized treatments

為保證各因素間有可比性，首先對土壤pH、有機(jī)質(zhì) (SOM)、全氮 (TN)、有效磷 (AP) 和速效鉀(AK) 5個土壤肥力指標(biāo)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理[16]。然后，運(yùn)用主成分分析法計(jì)算了5個指標(biāo)對土壤肥力變化的貢獻(xiàn) (表2)。

2.3.1 主成分貢獻(xiàn)率 按照5個肥力指標(biāo)得分系數(shù)從大到小排列為 TN ＞ SOM ＞ AK ＞ AP ＞ pH，指標(biāo)權(quán)重也以全氮最大，速效鉀最小，第1和2主成分 (全氮和有機(jī)質(zhì)含量) 的特征值分別為2.50和1.01，對總方差的貢獻(xiàn)率分別為50.0%和20.3%，兩者之和達(dá)到70.3%。換句話說，排在前面的兩個主成分影響了土壤肥力全部變化的70.3%，是影響土壤肥力屬性的關(guān)鍵因素。

表2 主成分特征值及其在總變異方差中的占比Table 2 Principal component eigenvalues (EV) and their proportion in total variance

2.3.2 土壤屬性綜合得分 主成分是原各指標(biāo)的線性組合，各指標(biāo)的權(quán)數(shù)為特征向量；它表示各單項(xiàng)指標(biāo)對于主成分的重要程度并決定了該主成分的實(shí)際意義。根據(jù)主成分計(jì)算公式，可得到2個主成分與原5項(xiàng)指標(biāo)的線性組合如下：

綜合屬性得分是將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)帶入函數(shù)表達(dá)式中，計(jì)算出每個主成分的得分，然后與其對應(yīng)的貢獻(xiàn)率相乘并求和，即，F(xiàn) = F1 × 49.31% + F2 × 20.85%。各階段的綜合肥力屬性得分如圖4所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，1988—1997年和1998—2003年的綜合屬性得分分別為–0.8和–0.35，而2004—2016年的綜合屬性得分就增加到了0.09，說明土壤肥力在監(jiān)測后期得到了改善。

圖4 不同監(jiān)測階段土壤綜合肥力得分Fig. 4 General scores of soil fertility at different monitoring periods

3 討論

3.1 潮土區(qū)土壤養(yǎng)分與肥力因子的關(guān)系

綜合29年來土壤養(yǎng)分的變化趨勢來看，土壤肥力整體呈上升的趨勢。除了土壤pH值外，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量基本呈上升趨勢。

然而，監(jiān)測的幾個肥力指標(biāo)的階段性變化規(guī)律不完全一致。監(jiān)測中期土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較監(jiān)測初期有顯著增加，而監(jiān)測后期與監(jiān)測中期沒有顯著變化；土壤有效磷含量則隨著監(jiān)測年限的延長不斷增加，在監(jiān)測中期，與監(jiān)測初期的差異未達(dá)到顯著水平，而到了監(jiān)測后期，則顯著高于初期；土壤速效鉀含量在監(jiān)測初期和中期變化不大，全氮監(jiān)測后期迅速增加，與監(jiān)測中期有了顯著差異；土壤pH與速效鉀一樣，在近10年下降顯著。與此相對應(yīng)的是，小麥、玉米產(chǎn)量也與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的階段性變化出現(xiàn)了一致的規(guī)律性。從一個角度也證明了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮作為土壤肥力主要影響因素的作用[17-18]。

監(jiān)測潮土區(qū)土壤肥力因素的階段性變化與29年間施肥量、肥料種類和比例的變化相關(guān)[19-20]。在本研究的潮土區(qū)中肥料的種類主要有有機(jī)肥和化肥。與監(jiān)測初期相比，中期和后期無機(jī)養(yǎng)分和總養(yǎng)分投入的量顯著增加，特別是化肥投入量增加是影響土壤養(yǎng)分和土壤有機(jī)質(zhì)的重要原因。在監(jiān)測中期有機(jī)養(yǎng)分的施用量從監(jiān)測初期的523 kg/hm2下降到了270 kg/hm2，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在監(jiān)測中期有所下降。長期施用有機(jī)肥能明顯提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，且有機(jī)質(zhì)的增加量和年限之間具有良好的正相關(guān)性[7]。土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化及變化量的大小與肥料類型、施用量和土壤性質(zhì)有關(guān)[21-24]。本研究中有機(jī)質(zhì)含量29年來增加了10.02 g/kg。1988—2016年監(jiān)測點(diǎn)總養(yǎng)分的施用量呈上升的趨勢，特別是化肥。三個監(jiān)測階段總養(yǎng)分的施用量分別為690、813和865 kg/hm2。1998—2003年土壤有機(jī)質(zhì)略有下降，可能與有機(jī)養(yǎng)分的施用量下降有關(guān)。

此外，潮土pH呈現(xiàn)下降的趨勢，經(jīng)過29年長期常規(guī)施肥，潮土的pH下降了3.99%。結(jié)果顯示，過量施用氮肥是華北平原潮土pH值下降的重要原因[25]。本研究結(jié)果表明，潮土pH隨著時間呈下降的趨勢，土壤全氮隨時間的增長呈增加的趨勢，可能是由于化學(xué)氮肥在土壤中轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮的硝化作用引起的[26–27]。因此，潮土培肥應(yīng)該注意合理平衡增施有機(jī)肥，重視秸稈還田，適當(dāng)減少氮、磷肥的施用[28]。

3.2 作物產(chǎn)量變化

作物產(chǎn)量受土壤條件、氣候因素、施肥措施、作物品種與管理等多種因素的影響[29]。本研究表明作物產(chǎn)量主要受土壤肥力和施肥的影響。長期常規(guī)施肥條件下，潮土小麥和玉米產(chǎn)量呈增加的趨勢，通過對土壤養(yǎng)分含量與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性分析，結(jié)果表明作物產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分含量呈顯著的線性相關(guān)。施肥是作物獲得高產(chǎn)的重要措施之一，也是影響土壤肥力因素變化很重要的因素[30]。年投入總養(yǎng)分、有機(jī)養(yǎng)分、無機(jī)養(yǎng)分量分別為851、192和659 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O = 1∶0.23∶0.77。磷、鉀的投入偏低，但土壤有效磷呈明顯的上升趨勢，這可能與小麥和玉米帶走磷量較少有關(guān)[31]。

從玉米和小麥產(chǎn)量年度變化可以看出，小麥產(chǎn)量的增產(chǎn)幅度明顯大于玉米。這可能是大部分肥料都在小麥播種時施入，小麥季養(yǎng)分供應(yīng)充足，而在玉米季有部分監(jiān)測點(diǎn)只施入化學(xué)氮肥，不施磷鉀肥[31]。三個監(jiān)測階段N∶P2O5∶K2O分別為1∶0.60∶0.56、1∶0.58∶0.36和1∶0.43∶0.33。磷和鉀的量遠(yuǎn)低于氮的量。磷鉀的缺乏可能是影響其產(chǎn)量的主要原因，對于小麥和玉米，肥料中的磷對產(chǎn)量的影響均較大，所以需要適當(dāng)提高磷肥的用量，降低氮肥的用量。

4 結(jié)論

29年來，隨著化肥用量的增加，潮土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮和速效鉀含量都呈上升趨勢。監(jiān)測初期與監(jiān)測中期氮肥用量的大幅度增加，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的顯著增加，而中期、后期磷肥鉀肥投入量的增加，導(dǎo)致后期土壤有效磷和速效鉀含量的顯著增加?？傮w而言，土壤肥力在29年來已獲得顯著的提高。但由于長期大量氮肥的投入，導(dǎo)致土壤pH在監(jiān)測后期的顯著下降，有可能在今后成為影響作物產(chǎn)量的因素。

潮土區(qū)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的主要貢獻(xiàn)因子，因此潮土培肥的主要目標(biāo)是提升全氮和土壤有機(jī)質(zhì)含量。