浙江河网平原水稻土的肥力特点及其变化

基金项目 国家自然科学基金项目 水耕人为土诊断层 诊断特性的空间分布规律与田间识别模式研究 41571207 第一作者简介 徐颖菲 女 1994年出生 浙江绍兴人 本科 主要从事土壤肥力方面的研究 E mail 349975064 通讯作者 章明奎 男 1964年出生 浙江绍兴人 教授 博士 主要从事土壤管理方面的研究 通信地址 310058 杭州市西湖区余杭塘路866号 浙江 大学紫金港校区环境与资源学院 Tel 0571 86946076 E mail mkzhang 收稿日期 2016 12 29 修回日期 2017 03 24 浙江河网平原水稻土的肥力特点及其变化 徐颖菲 谢莉莉 章明奎 浙江大学环境与资源学院 杭州 310058 摘 要 利用耕地地力调查数据 分析了浙江省河网平原水稻土的肥力状况及其变化 结果表明 研究 区水稻土酸碱度继承了以中性和微酸性为主的河网平原典型水稻土的特征 但因受长期施用化学肥料 的影响土壤酸化显著 主要表现在pH 5 5的土壤比例增加 复种指数和施肥结构的改变对长期植稻 水田土壤有机质和氮素的积累影响不明显 但不科学的土地平整及长期种植蔬菜等经济作物可导致土 壤有机质和氮素的显著下降 30年来 河网平原水稻土有效磷和速效钾均有显著的提高 平均分别比 第二次土壤普查时提高了168 02 和12 52 但仍有较大比例的土壤存在缺磷和缺钾问题 受土壤质 地的影响 宁绍平原和温台平原土壤有机质 全氮和速效钾含量一般高于杭嘉湖平原 土壤酸化也以宁 绍平原和温台平原较为明显 研究认为 测土配方施肥工作仍将是维持这一地区土壤养分平衡的重要 技术 关键词 浙江省 河网平原 水稻土 酸碱度 有机质 养分 变化 中图分类号 S158文献标志码 A论文编号 cjas16120032 Characteristics and Variations of Soil Fertility of Paddy Fields in River network Plains of Zhejiang Xu Yingfei Xie Lili Zhang Mingkui College of Environment and Resources Zhejiang University Hangzhou 310058 Zhejiang China Abstract The characteristics and spatial temporal variations of soil fertility in paddy fields in river network plains of Zhejiang were analyzed based on the recently acquired investigation data of farmland productivity The results showed that the pH value of paddy soils in the study region inherited the characteristics of neutral and slightly acidic soils in the river network plains However soil acidification was significant due to long term application of chemical fertilizers and proportion of the soil with pH 5 5 increased The effect of the changes in multiple crop index and fertilizer application on soil organic matter and nitrogen accumulation in the paddy soil with long term plantation of rice was not significant but unscientific land leveling and long term planting of vegetables and other economic crops could lead to a significant decline in soil organic matter and nitrogen Status of phosphorus and potassium in paddy soil of the river network plains were significantly improved in the past 30 years On average available P and K increased by 168 02 and 12 52 respectively as compared with the second national soil survey However there was still a large proportion of the soil with the deficiency in phosphorus and potassium Affected by soil texture contents of organic matter total N and available K in the soil of the Ningbo Shaoxing plain and Wenzhou Taizhou plain were higher than that of the Hangzhou Jiaxing Huzhou plain The acidification was also more obvious in the Ningbo Shaoxing plain and Wenzhou Taizhou plain It was suggested that soil testing and formula fertilization should still be an important www caaj org 农学学报2017 7 8 29 34 Journal ofAgriculture 0 引言 土壤肥力是土壤生产力的基础 1 是农业土壤质 量的核心 2 4 其对作物产量的贡献率约在 73 9 89 0 之间 5 因此 良好的土壤肥力是高产稳产的前 提 由于耕地资源数量的不足 中国各地都非常重视 耕地质量的培育 已形成了多种技术用于土壤肥力的 提升 其中施肥被认为是耕地地力提升的重要措施 6 长期肥料定位试验表明 肥料种类和施肥量的差异可 显著影响土壤养分的积累和土壤酸碱状况 7 10 中国 区域性的耕地质量调查表明 3 4 土壤肥力有较大的时 空变异性 一般认为引起土壤肥力的空间变化主要与 各地的气候条件 土壤类型 土地利用方式及农户对土 壤的投入和管理方式不同有关 而土壤肥力在时间上 的变化被认为与肥料种类 施肥量及土地利用方式改 变有关 2 由于客观条件的限制 中国各地均有较大 比例的耕地属于肥力较低的土壤 河网平原是长江三 角洲地区重要的水稻生产区 其中 浙江省河网平原 约占全省面积的8 85 从北至南包括杭嘉湖平原 涉 及杭州 嘉兴和湖州等地市 宁绍平原 涉及绍兴和宁 波等地市 和温台平原 涉及温州和台州等地市 由 于地势平坦 水源充沛 灌溉条件优越 河网平原土地 开发历史悠久 水稻种植已有数千年之久 是中国南方 地区肥力水平最高的水稻土集中分布区 与其他耕地 开发历史较短的地区不同 经过长期的水耕熟化和培 育 河网平原水稻土已形成了良性的物质循环 土壤有 机质积累也已达到较高的水平 但近30年来 这一地 区农业产业结构 种植制度和肥料结构均发生了极大 的变化 肥料类型由过去的有机肥为主转变为以化肥 为主 粮食生产由过去的一年三季逐渐演变为一年二 季甚至单季 此外 为了便于规模化 机械化经营和管 理 这一地区的部分农田也经历了土地平整 有研究 表明 11 12 施肥结构的变化可改变土壤养分平衡 有机 肥料投入的减少可降低土壤有机质水平 另外 近年 来许多报道表明 长期施用化学肥料可引起耕地质量 的退化 主要表现在土壤的酸化及氮磷钾等养分元素 的非均衡化 13 15 因此 河网平原复种指数的改变是否 会影响这一地区水稻土有机质 氮素平衡 肥料结构的 变化是否改变了土壤养分水平 影响土壤其他肥力质 量要素等问题是人们关注的问题 为此 笔者利用浙 江省近期开展的耕地地力调查数据 通过分类统计的 方法 分析浙江省河网平原地区耕地土壤的肥力特点 及区域差异 探讨这一地区水稻土肥力存在的问题 并 与第二次土壤普遍数据进行比较 分析了土壤有机质 pH值和土壤养分的近30年内的变化趋势 1 材料与方法 1 1 土壤样品情况 共从浙江省近期开展的耕地地力调查数据中筛选 出9266个河网平原水稻土采样点的分析数据 涉及杭 州 嘉兴 湖州 绍兴 宁波 温州和台州等地市 从北 至南河网平原包括杭嘉湖平原 宁绍平原和温台平原 水稻土类型包括潴育水稻土 脱潜水稻土和潜育型水 稻土 根据近30年来利用方式变化及土地平整的情 况 可把研究的水稻土分为长期种植水稻农田 即利用 方式一直为水田的农田 旱改水农田 即由原潮土种 植水稻新形成的水稻土 土地平整农田 经过土地平 整但一直种植水稻的农田 和其他农田 多数年份种植 蔬菜等经济作物的水田 1 2 分析方法 土壤分析方法按农业部耕地地力标准规范进行 其中 有机质采用重铬酸钾氧化法 pH值采用pH计测 定 全氮采用开氏法测定 有效磷采用Olsen法测定 速效钾采用醋酸铵提取 火焰光度计法测定 分析方 法参见文献 16 统计分析在SPSS软件上进行 2 结果与分析 2 1 土壤酸碱度 统计结果表明 浙江省河网平原水稻土酸碱度有 很大的变化 最低为pH 3 70 最高值为pH 8 50 二者 相差达 4 80 个 pH 单位 中值为 pH 6 12 均值为 pH 6 17 土壤pH值主要集中分布在pH 5 5 7 5之间 其 中 土壤pH 5 5 6 5和pH 6 5 7 5的样品比例分别为 57 52 和 23 70 二者共占 81 22 pH 4 5 5 5 和 pH 7 5 8 5 的样品比例分别为 15 43 和 2 95 而 pH 4 5的样品比例分别为0 40 可见 河网平原水 稻土主要由微酸性 pH 5 5 6 5 和中性 pH 6 5 7 5 组 成 适合水稻生长 杭嘉湖平原 宁绍平原和温台平原 之间的水稻土pH值有一定的差别 表1 总体上以杭 嘉湖平原最高 宁绍平原和温台平原水稻土平均pH值 分别比杭嘉湖平原低0 49和0 58个单位 杭嘉湖平原 不同类别的水田土壤pH值以旱改水农田和土地平整 农田为较高 表2 长期种植水稻农田和其他农田的 土壤pH值相对较低 另据浙江省第二次土壤普查对28144个河网平原 technology to maintain the balance of soil nutrients in this region Key words Zhejiang River network Plain Paddy Soil pH value Organic Matter Nutrients Variation 徐颖菲等 浙江河网平原水稻土的肥力特点及其变化 30 水稻土pH值测定值统计 5 pH 4 5 4 5 5 5 5 5 6 5 6 5 7 5 7 5 8 5 的 样 品 比 例 分 别 为 0 10 10 58 20 28 40 3 30 前后30年分析数据比较表 明 河网平原水稻土酸碱度总体上变化较小 均以微酸 性和中性土壤为主 但与第二次土壤普查比较 土壤 仍呈现酸化的趋势 主要表现在pH 4 5的土壤比例 已 从 无 增 加 至 0 40 pH 4 5 5 5 的 土 壤 比 例 从 10 10 增加至 15 43 而 pH 6 5 7 5 7 5 8 5的土壤 比例分别由28 40 3 30 减少至23 70 2 95 2 2 土壤有机质 河网平原水稻土有机质含量总体较高 但变化也 较大 在4 60 89 40 g kg之间 平均为33 11 g kg 变异 系数为35 88 大部分土壤的有机质含量落在20 g kg 以上 占83 70 其中 有机质在20 30 g kg之间的 占 21 64 在 30 40 g kg 之间的占 33 89 在 40 50 g kg之间的占21 00 有机质含量在10 20 g kg之 间的比例为14 88 10 g kg和 50 g kg的比例较 低 分别只占1 42 和7 17 另据7569个长期种植 水稻农田 即不包括土地平整农田 旱改水农田和其他 农田 的统计 土壤有机质含量在6 70 89 40 g kg之 间 平均为35 97 g kg 有机质含量在20 g kg以上的占 93 58 其 中 有 机 质 在 20 30 g kg 之 间 的 占 21 54 在30 40 g kg之间占38 66 在40 50 g kg之 间占24 81 在10 20 g kg之间的占6 17 而有机质 含量在 10 g kg和 50 g kg的土壤样品比例较低 分 别占0 25 和8 57 宁绍平原和温台平原水稻土有 机质平均含量明显高于杭嘉湖平原 前二者分别比后 者高41 34 和28 90 表1 杭嘉湖平原中土地平 整农田 旱改水农田和其他农田土壤有机质含量平均 只有长期种植水稻农田的62 30 57 51 和61 44 表2 表明土地平整和长期种植蔬菜等经济作物后 水稻土有机质呈现明显的下降 而旱改水农田由于种 植水稻时间短 土壤有机质仍处于较低水平 对浙江省第二次土壤普查6351个河网平原水稻 土有机质测定值的统计 5 平均含量为33 90 g kg 高于 20 g kg 以上的占 93 50 其中 有机质含量在 20 30 g kg 之 间 的 占 21 24 在 30 40 g kg 之 间 占 39 69 在40 50 g kg之间占18 98 在10 20 g kg之 间的占6 25 而有机质含量在 10 g kg和 50 g kg 的土壤样品比例较低 分别占0 20 和13 65 全部 水田土壤有机质30年前后比较表明 土壤有机质水平 略有下降 平均下降了2 33 有机质含量在 50 g kg 和 30 40 g kg 之 间 的 土 壤 比 例 分 别 由 13 65 和 39 69 下降至7 17 和33 89 而有机质含量在10 20 g kg之间和 10 g kg的土壤比例分别由6 25 和 0 20 增加至14 88 和1 42 但如果与扣除土地平 整农田 旱改水农田和其他农田等后的长期种植水稻 农田比较 则目前水稻土有机质平均含量 35 97 g kg 比第二次土壤普查的平均值 33 90 g kg 高出6 11 且二者的各等级有机质含量分布也较为接近 主要是 土壤有机质 50 g kg的土壤比例下降而40 50 g kg之 间的土壤比例增加 2 3 土壤全氮 河网平原水稻土全氮含量在0 24 4 70 g kg之间 平均为1 95 g kg 变异系数为37 95 全氮含量主要 分布于1 5 g kg以上 占73 16 全氮含量在 2 5 2 0 2 5 1 5 2 0 g kg 的 样 本 数 分 别 占 20 87 24 58 27 71 在1 0 1 5 g kg和 1 0 g kg的样本数 分别占14 30 和12 54 另据7569个长期种植水稻 农田 即不包括土地平整农田 旱改水农田和其他农 地区 杭嘉湖平原 宁绍平原 温台平原 样本数 6160 1862 1244 pH 6 35 0 58 5 86 0 66 5 77 0 61 有机质 g kg 29 51 10 84 41 71 10 42 38 04 10 39 全氮 g kg 1 72 0 65 2 55 0 68 2 18 0 64 有效磷 mg kg 17 71 26 90 18 52 43 53 24 71 63 05 速效钾 mg kg 102 85 52 25 108 81 62 48 115 66 56 60 表1 不同地区河网平原水稻土肥力指标的比较 类别 长期种植水稻农田 土地平整农田 旱改水农田 其它农田 样本数 4485 1363 295 17 pH 6 25 0 54 6 60 0 60 6 70 0 59 6 52 0 71 有机质 g kg 32 97 9 08 20 54 9 79 18 96 8 98 20 26 10 14 全氮 g kg 1 91 0 55 1 24 0 61 1 13 0 64 1 14 0 53 有效磷 mg kg 14 95 29 22 16 60 19 60 16 20 18 66 13 42 10 33 速效钾 mg kg 104 23 49 00 98 45 57 80 101 26 69 90 120 75 37 83 表2 杭嘉湖平原不同类别水稻土肥力指标的比较 31 田 统计 全氮含量在 0 33 4 70 g kg 之间 平均为 2 11 g kg 其中全氮含量在1 5 g kg以上的占83 95 全氮含量 2 5 2 0 2 5 1 5 2 0 g kg的样本数分别占 23 05 28 64 30 93 在1 0 1 5 g kg和 1 0 g kg 的样本数分别占11 48 和4 57 与土壤有机质相 似 宁绍平原和温台平原水稻土全氮平均含量明显高 于杭嘉湖平原 前二者分别比后者高48 26 和26 74 表1 杭嘉湖平原土地平整农田 旱改水农田和其 他农田土壤平均全氮含量约为长期种植水稻农田的 64 92 59 16 和59 69 表2 全氮含量与有机质 含量存在极显著的正相关 相关系数为 0 9079 n 9266 第二次土壤普查河网平原水稻土全氮平均为 2 00 g kg 在1 5 g kg以上的占86 68 全氮含量 2 5 2 0 2 5 1 5 2 0 g kg 的样本数分别占 24 07 30 47 和32 14 全氮含量在1 0 1 5 g kg和2 5 2 0 2 5 1 5 2 0 g kg的土壤 比例呈现下降 而相应地1 0 1 5 g kg和 1 0 g kg的 土壤比例呈现增加 同样 如果与扣除土地平整农田 旱改水农田和其他农田等农田后的长期种植水稻农田 比较 则目前水稻土全氮平均含量 2 11 g kg 比第二次 土壤普查的平均 2 00 g kg 相对高出5 50 2 4 土壤有效磷 河网平原水稻土有效磷含量有很大的变化 在 0 10 808 00 mg kg之间 其平均值为17 14 mg kg 变 异系数达 207 46 有效磷含量主要在 15 mg kg 以 下 占71 07 其中 有效磷含量 5 mg kg 5 10 mg kg 和 10 15 mg kg 的 比 例 分 别 为 30 99 25 23 和 14 85 有效磷含量15 20 20 30 30 50 mg kg的比 例分别为8 16 8 69 6 28 另有5 79 的土壤有 效磷在50 mg kg以上 这一结果表明 虽然河网平原 部分水稻土有效磷水平已达到很高水平 50 mg kg 但大部分水稻土有效磷含量仍处于偏低 10 30 mg kg 或明显不足 低于10 mg kg 对土壤有效磷含量在 50 mg kg 以下的土壤有效磷统计 其有效磷仅为 11 16 mg kg 温台平原水稻土平均有效磷高于杭嘉 湖平原和宁绍平原 表 1 前者比后二者分别高出 39 53 和33 42 但杭嘉湖平原不同类别水田土壤的 有效磷差异较小 表2 浙江省第二次土壤普查7332个河网平原水稻土 有效磷平均含量为6 40 mg kg 5 前后比较表明 30年 来河网平原水稻土平均有效磷明显的增加 当前全部 水田的土壤有效磷水平平均比第二次土壤普查增加了 167 81 若扣除有效磷 50 mg kg的土壤 当前土 壤的有效磷水平平均比第二次土壤普查增加74 38 2 5 土壤速效钾 河网平原水稻土速效钾含量在2 1625 mg kg之间 平均为105 77 mg kg 变异系数达52 21 土壤有效钾 处于低级别 50 mg kg 的占 5 84 处于中下 50 100 mg kg 的占49 13 处于中等 100 150 mg kg 的占 32 89 处于高 150 mg kg 的只占12 14 由此可 见 河网平原水稻土速效钾总体上趋于中等水平和中 下水平 土壤平均速效钾水平 温台平原 宁绍平 原 杭嘉湖平原 其他农田平均速效钾高于长期种植 水稻农田 土地平整农田和旱改水农田 表2 浙江 省第二次土壤普查9488个河网平原水稻土速效钾平 均含量为94 00 mg kg 5 可见 30年来河网平原水稻 土平均速效钾呈现增加趋势 当前土壤的速效钾平均 比第二次土壤普查时增加了12 52 3 结论 分析表明 浙江省河网平原水稻土酸碱度具有以 中性和微酸性为主的特征 但因受长期施用化学肥料 的影响土壤酸化显著 主要表现在pH 5 5的土壤比 例增加 pH 6 5 8 5的土壤比例下降 有近16 的耕 地土壤pH 5 5以下 需要进行调酸改良 河网平原水 稻土全氮与有机质含量有协同变化的关系 二者相关 系数为0 9079 该地区水稻土有机质和氮素在长期水 稻种植环境下基本达到动态平衡 复种指数和施肥结 构的改变对长期植稻水田土壤有机质和氮素的积累影 响不明显 但不科学的土地平整及长期种植蔬菜等经 济作物可导致土壤有机质和氮素的显著下降 土地平 整农田 旱改水农田及长期种植蔬菜等农田应作为今 后这一地区水田有机质提升的重点对象 30年来 化 学肥料的长期施用和配方施肥技术的推行促进了河网 平原水稻土有效磷和速效钾均有显著的提高 但这一 地区存在着明显的有效磷和速效钾不平衡现象 缺磷 和缺钾问题依然突出 需要进一步完善测土配方施肥 工作 通过施肥来调节或满足作物对氮 磷和钾的需 要 4 讨论 4 1 水稻种植环境下土壤有机质的平衡问题 农田土壤有机质处于动态平衡中 其含量决定于 每年形成量和分解量的相对大小 一般来说 影响土 壤有机质积累的因素包括气候因子 土壤物理因子 土 壤化学因子及农业管理因子 土地利用方式 耕作制 度 有机肥和化肥施用量 等 17 19 河网平原地势平坦 徐颖菲等 浙江河网平原水稻土的肥力特点及其变化 32 地下水位高 土壤质地偏粘 加之水耕淹水种植 土壤 中的有机物质分解速率较小 有利于土壤有机质的积 累 因此 这一地区土壤有机质 平均在30 g kg以上 明显高于中国其他地区的耕地土壤 而宁绍平原 温 台平原水稻土有机质平均高于杭嘉湖平原可能也与宁 绍平原 温台平原水稻土粘粒含量高于杭嘉湖平原有 关 5 研究表明 17 20 近年来中国一些地方耕地土壤有 机质的下降与化肥替代有机肥有关 但本调查则表 明 虽然浙江省河网平原近30年有机肥料施用量降 低 但对于长期保持水耕条件的长期种植水稻农田 其 土壤有机质不但没有下降 反而略有提升 平均从 33 90 g kg提高至35 97 g kg 其原因可能是 1 虽 然近30年内农田有机肥料施用量降低 但化肥的施用 增加了水稻的生物产量 相应地通过作物根系和部分 秸秆还田进入土壤的有机物质并没有明显的下降 从 而保持了相对较为稳定的有机质平衡 2 虽然近年来 作物的复种指数明显下降 由原来的一年三季演变为 一年二季或单季 这从表面上看直接以作物根系方式 进入农田的有机物质减少了 但复种指数的下降也使 耕作引起的土壤有机物质分解影响相应地降低 在水 田这一特殊的土壤环境下 通气相对较差 休闲时期土 壤受人为扰动较弱 其分解的土壤有机质数量有限 因 此由复种指数变化引起的土壤有机质下降也不明显 这一区域目前部分稻田土壤有机质明显低于多年种植 水稻的农田并不是由于与化肥替代有机肥有关 而可 能与农田进行土地平整时采用不科学的方法使耕作层 与心土层混合降低了土壤有机质含量 一些新改水田 由于种植时间较短 有机质还没有提升至平衡水平仍 处于较低水平及一些水田改变了利用方式种植蔬菜等 旱作增加了土壤有机质分解等有关 4 2 长期施用化肥对土壤酸化的影响 众所周知 水稻土的生境对土壤酸化有特殊的缓 冲作用 一般来说 在正常条件下 随着水稻种植时间 的增加 水稻土向中性方向发展 这是由于水稻土具 有氧化还原交替的特性 在淹水种植 土壤水分被饱和 时 由于土壤中铁锰氧化物被还原时需消耗质子 使土 壤溶液中H 离子浓度下降 使土壤溶液接近中性 21 浙江省河网平原绝大部分水稻土也以中性和微酸性为 主 符合这一规律 但浙江省河网平原水稻土的pH值 与30多年前的第二次土壤普查比较 已呈现酸化的趋 势 主要表现在 pH 5 5 的土壤比例明显增加而 pH 6 5 8 5的土壤比例明显降低 这一结果也证明了虽 然水稻种植环境可在一定程度上减弱土壤的酸化 但 30年来化肥的施用还是导致了这一区域土壤的明显 酸化 已有研究表明 施用氮肥引起的土壤酸化作用 较酸沉降的影响大25倍 长期的不合理施肥 特别是施 用酸性和生理酸性肥料可造成土壤酸化 22 Guo等 23 的研究表明 在过去的20多年中中国约有90 的耕地 土壤发生了酸化现象 土壤pH值平均下降达0 5个单 位 其中大棚蔬菜和果园为主的经济作物土壤酸化比 大田粮食作物更为明显 4 3 磷和钾的合理施用问题 磷和钾是植物生长必需的大量元素 因作物对其 吸收量大 多数农业土壤中本身的有效磷和速效钾常 常不能满足作物生长的需要 因此施肥是农作物生长 需要的磷和钾的重要来源 近30多年来 由于测土配 方施肥技术的推行 河网平原水稻土的磷钾肥用量明 显增加 这在一定程度上改善了这一区域水稻土的磷 钾营养状况 因此 水稻土平均有效磷和速效钾均比 30年前的土壤普查期间有明显的改善 平均分别比第 二次土壤普查时提高了168 02 和12 52 但分析数 据也表明 河网平原水稻土有效磷和速效钾水平极不 平衡 有效磷和速效钾含量最高值与最低值相差悬殊 变异系数分别达207 46 和52 21 土壤有效磷属于 偏低至较高 10 50 mg kg 的土壤比例仅为37 98 约 有56 22 的土壤有效磷显现明显不足 低于10 mg kg 同时也存在约 5 79 的土壤显示磷素的过度积累 50 mg kg 后者可能会引起明显的农业面源污染 同样 土壤有效钾处于中等 100 150 mg kg 的仅占 32 89 还有54 97 的土壤速效钾处于中下及很低的 水平 另有 12 14 的土壤速效钾处于高的水平 150 mg kg 由此可见 浙江省河网平原水稻土的磷钾 肥施用存在较多的不合理现象 加强在这一区域推行 配方施肥仍然是维持这一区域土壤地力的重要措施 参考文献 1 曹志洪 周建民 中国土壤质量 M 北京 科学出版社 2008 30 39 2 全国农业技术推广服务中心 耕地质量演变趋势研究 M 北京 中 国农业科技出版社 2008 3 陈印军 王晋臣 肖碧林 等 我国耕地质量变化态势分析 J 中国农 业资源与区划 2011 32 2 1 5 4 孙波