浙江省红壤丘陵区旱地与水田土壤肥力的比较研究

童文彬,杨良觎,章明奎*

(1.浙江省衢江区土壤肥料技术推广站,浙江 衢州 324022;2.浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058)

0 引言

红壤地区自然条件优越,气温高,光照足,雨量充沛,宜种性广,生产潜力大,是我国南方地区重要的土壤资源[1]。建国以来,我国在红壤开发利用上取得了巨大的成就,通过推广种植绿肥、施用磷肥及深耕与配施石灰等措施,显著缩短了土壤的熟化时间,大面积的红壤荒地成为耕地[2-6],形成了丰富多彩的土地利用模式,大大促进了红壤地区农业经济的发展和人民生活水平的提高。我国红壤开发利用历史大致经历了以下3个阶段:20世纪50年代开始在红壤坡地种植旱作物,主要通过增施有机肥、施用石灰和磷肥来改良红壤的酸、瘦、粘等不良性状;20世纪60年代开始红壤坡地改梯田、旱地改水田,加快了土壤的熟化,有效地减少了水土流失;20世纪70年代以后加强了红壤综合利用和综合治理工作,从片面追求粮食产量向多种经营转化,获得了较好的经济效益。红壤改良利用过程中土壤肥力的演变一直是红壤地区农技人员关心的重要问题,60多年来我国南方地区开展了大量的田间试验,系统研究了肥料种类、施肥方式、种植模式和耕作制度等对红壤肥力演变的影响。戴茨华等[7]的定位试验研究表明：氮、磷、钾配施能有效提高作物产量,但长期只施氮、磷肥可导致其它元素失衡,而有机肥和氮磷配施可显著增加土壤有机质含量;年施有机肥30 t/hm2、不施化学钾肥也能维持土壤钾素平衡；红壤磷素自然供给能力极低,施磷可显著增加其速效磷含量。孙波等[8]通过两个时段采样结合田间长期定位试验的研究表明：将红壤荒地开垦为水田后土壤肥力有增加趋势,旱地系统中速效磷和速效钾含量增加;旱坡地红壤全氮和速效钾含量的变化与氮、钾的平衡量显著相关。王姗娜[9]对江西省进贤县长期施肥条件下红壤性水稻土肥力演变的研究表明：长期施用有机肥可提高红壤性水稻土耕层的有机质、全氮与有效氮含量；施用含磷肥料可提高耕层土壤全磷和有效磷含量,其中以有机肥对土壤磷素含量的提升作用最为显著;平衡施用化肥能够维持作物较高的产量,化肥与有机肥配施是红壤水稻土可持续的施肥模式。张桃林等[10]对集约农业利用下红壤地区土壤肥力与环境质量的变化研究表明：一般农田的土壤有机质含量变化不大,而城郊菜地的土壤有机质和速效钾含量有明显增加;与传统农区比较,集约化土壤酸化趋势明显；种植业结构调整、大量施用化肥和畜禽粪肥是造成土壤养分富集和失衡、土壤酸化的重要原因。张静等[11]对不同土地利用方式下赤红壤肥力的研究表明：利用方式可对土壤生物学性状产生明显的影响,果园土壤的微生物数量和酶活性显著高于其它用地的；新垦旱地土壤的呼吸速率显著增加,但微生物数量、酶活性显著下降;高有机质含量和高肥力水平的土壤有利于微生物的生长和酶活性的提高。

虽然目前对影响红壤肥力演变的因素已有较多的认识,但多数知识主要是在试验条件下获得的。实际上我国广大红壤地区的施肥模式、土地利用模式远比试验条件下复杂,而且在实际生产中还存在众多不合理的现象,特别是近年来红壤地区肥料结构发生了很大的变化,例如有机肥和石灰投入的明显减少、化肥施用量的显著增加等,这使得红壤耕地土壤肥力的变化可能明显不同于田间试验的情况。为了更全面地了解我国南方地区红壤肥力的状况,特别是不同土地利用方式间土壤肥力变化的差异,为合理利用红壤资源和科学施肥提供科学依据，笔者以浙江省为例,利用近期调查的耕地地力数据,比较研究了红壤丘陵区旱地与水田的土壤肥力特征,并与自然红壤进行了比较。

1 材料与方法

1.1 土壤样品情况

共从近期获得的浙江省耕地地力调查数据中筛选出4738个完整的红壤丘陵采样点的分析数据(包括由自然红壤开垦的旱地土壤和水田),按利用方式分为旱地(196个)和水田(4537个);同时,在丘陵区采集了150个自然红壤样品(利用方式为林地和荒地)。土壤采样深度统一为0～20 cm。

1.2 分析方法

土壤分析按农业部耕地地力标准规范进行。其中,土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾氧化法；土壤pH值采用pH计测定；土壤全氮含量采用凯氏法测定；土壤有效磷含量采用Olsen法测定；土壤速效钾含量采用醋酸铵提取-火焰光度计法测定。分析方法参见文献[12]。试验数据的统计分析在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,红壤旱地和水田的酸碱度均有较大的变化,红壤旱地的pH值最低为3.60,最高值为7.50;红壤水田的pH值最低为3.60,最高值为7.55;水田的平均pH值高于旱地的,前者为5.53,后者为5.15。从pH值的分级组成来看(图1),两种利用方式的土壤pH值均以<5.5为主,红壤水田占63.55%,红壤旱地占68.37%。另外,红壤旱地pH值<4.5的比例(19.39%)明显高于红壤水田的(4.50%)。两种利用方式的中性及微碱性土壤的比例均很低,红壤水田和红壤旱地分别为5.84%和3.57%。这一结果说明,浙江省红壤丘陵区耕地土壤酸化非常严重,但长期种植水稻有利于保持红壤相对较高的pH值。

2.2 土壤有机质含量

红壤旱地和水田的土壤有机质含量也有较大的变化,红壤旱地的有机质含量在6.60～88.60 g/kg之间,平均为23.75 g/kg;红壤水田的有机质含量在3.00～76.10 g/kg之间,平均为27.80 g/kg;两种利用方式土壤的有机质平均含量均在中下水平(图2),水田土壤有机质含量平均比旱地高17.05%。两种利用方式的土壤有机质含量分级组成均以20～30 g/kg占优势,都在40%以上;但10～20 g/kg级的比例旱地明显高于水田,而30～40 g/kg级的比例旱地明显低于水田。

图1 土壤pH值的分级构成

图2 土壤有机质和全氮含量的分级构成

2.3 土壤全氮含量

土壤全氮含量的变化趋势与有机质含量相似,其中红壤旱地的全氮含量在0.44～8.63 g/kg之间,平均为1.61 g/kg;红壤水田的全氮含量在0.18～6.83 g/kg之间,平均为1.73 g/kg;两种利用方式土壤的全氮平均含量均在中下水平,水田土壤的全氮平均含量比旱地高7.45%；它们的土壤全氮含量分级组成均以1.0～1.5 g/kg和1.5～2.0 g/kg占优势(图2),旱地和水田的这两级比例之和分别为61.23%和51.56%。全氮含量为1.5～2.0 g/kg和>2.5 g/kg的比例水田明显高于旱地。

2.4 土壤有效磷含量

从图3可以看出：浙江省红壤旱地的有效磷含量在0.15～500.00 mg/kg之间,其平均值为50.95 mg/kg,变异系数达188.32%;红壤水田的有效磷含量在0.10～498.00 mg/kg之间,其平均值为27.90 mg/kg,变异系数达181.47%;旱地的有效磷平均含量比水田高82.61%。但两种利用方式土壤的有效磷含量变化极大,且呈高、低二极化分布，其中,红壤旱地有效磷含量超过40.00 mg/kg的比例达30.10%,低于10.00 mg/kg的比例也达35.72%,而处于中等的比例相对较低；红壤水田有效磷含量超过40.00 mg/kg的比例为17.04%,而低于10.00 mg/kg的比例达44.84%,说明有较高比例的土壤存在磷素不足。

图3 土壤有效磷和速效钾含量的分级构成

2.5 土壤速效钾含量

由图3可见：红壤旱地的速效钾含量在25.00～532.00 mg/kg之间,平均为124.62 mg/kg,变异系数达70.49%;红壤水田的速效钾含量在8.00～599.00 mg/kg之间,平均为78.48 mg/kg,变异系数达68.85%;旱地的速效钾平均含量比水田高58.79%。此外，红壤水田的速效钾含量主要集中分布在80.00 mg/kg以下,占66.14%,但也有少量的土壤(7.34%)的速效钾含量超过了150.00 mg/kg。红壤旱地的速效钾含量在80.00 mg/kg以下的比例为35.21%,超过150.00 mg/kg的土壤占26.02%。红壤旱地速效钾含量在100.00～200.00 mg/kg之间的比例明显高于水田的。可见,总体上,旱地的土壤速效钾含量高于水田的,且前者速效钾含量的组成比例较为合理。

2.6 耕地土壤养分与自然土壤养分的比较

由表1可知：红壤旱地的pH值低于自然红壤的,表明种植旱地土壤呈现酸化趋势；但水田的平均pH值高于自然红壤的；红壤水田的平均有机质含量高于自然红壤的,平均含量前者比后者高9.15%;红壤旱地的有机质含量低于自然红壤的,前者比后者低6.75%；红壤旱地和红壤水田的全氮含量均高于自然红壤的,分别比自然红壤增加了25.78%和35.16%,表明氮肥的施用有利于土壤氮素的积累；红壤旱地和红壤水田的有效磷含量分别是自然红壤的11.99和6.56倍；红壤旱地的速效钾含量比自然红壤高26.19%,但红壤水田的速效钾含量比自然红壤低35.16%。

表1 不同类型红壤肥力指标的比较

3 讨论

3.1 红壤开垦农用后土壤固碳潜力的变化

土壤有机质含量是衡量土壤质量的重要指标,其受气候因子、土壤理化性状及土地利用方式、耕作制度、有机肥和化肥施用量等的影响[13-15]。本研究的结果表明,红壤旱地的土壤有机质含量低于自然红壤,这表明自然红壤开垦为旱地后土壤有机质含量趋于下降,其原因可能是旱地环境下频繁的耕作加速了土壤有机质的矿化,不利于土壤有机质的积累。相反,自然红壤改为水田后其土壤有机质含量趋向增加,这与淹水种植导致通气条件较差,减弱了土壤有机质的矿化,促进了土壤有机质的积累有关。这一结果表明,从土壤固碳的角度,水田是一种理想的利用方式,而旱地不利于土壤固碳。

3.2 土壤酸化的原因分析

红壤是一类高度富铁铝化的土壤,由于风化强烈,土壤脱盐基明显,其本身的酸度较高,因此我国20世纪50～70年代在红壤改良利用中把施用石灰作为有效的农业措施来推行,并获得了良好的效果[1,16-17]。但近年来,我国许多地方施用石灰这一措施被逐渐弱化。水稻土的生境对土壤酸度有特殊的缓冲作用,随着水稻种植年数的增加,水稻土会逐渐向中性方向发展,这与水稻土在淹水种植条件下土壤中铁锰氧化物被还原时需消耗质子有关[18]。但从本研究的结果来看,无论是红壤水田还是红壤旱地土壤酸化都非常严重,这从另一方面证实了在红壤地区耕地上施用石灰的重要性，也表明过量施用化肥已抵消了种植水稻对土壤酸化的缓冲作用。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[19-20]。因此,在酸化严重的红壤地区控制化肥用量和配施石灰在农业生产中特别重要。

3.3 红壤丘陵农地的磷肥和钾肥的合理施用

磷和钾是农作物生长必需的大量元素,而红壤地区由于土壤的强烈风化,土壤钾素和磷素常显不足,因此近40年来我国在红壤地区推行了磷肥与钾肥的施用[21-22]。从本研究的结果来看,红壤地区推行磷肥的施用已取得了明显的效果,红壤旱地和红壤水田的有效磷含量分别是自然红壤的11.99和6.56倍。但从土壤有效磷含量的分级组成来看：浙江省红壤地区土壤有效磷含量极不平衡,最高值与最低值相差悬殊,红壤旱地和水田的有效磷含量的变异系数分别达188.32%和181.47%;红壤旱地和红壤水田土壤有效磷含量低于10.00 mg/kg的比例分别达到了35.72%和44.84%,而适合作物生长的有效磷含量中等的比例较低；同时有17.04%的红壤旱地和30.10%的红壤水田的土壤磷素过度积累(>40 mg/kg),可能会引起明显的农业面源污染。自然红壤农用后,旱地的速效钾含量比自然红壤高26.19%,表明红壤地区钾肥用量的增加在一定程度上提高了旱地土壤速效钾的水平;但红壤水田的土壤速效钾含量比自然红壤低 35.16%,表明水田环境不利于速效钾的积累和提升。可见自然红壤农用后种植水稻可能会加快土壤钾素的衰减,这要求我们今后要加强研究与改进红壤水田的钾肥管理模式。总体上,浙江省红壤地区土壤的磷钾肥施用存在较多的不合理现象,推行配方施肥仍然是维持这一区域土壤地力的重要措施。

4 结论

红壤丘陵区旱地与水田土壤均呈现显著的酸化,旱地土壤酸度大于水田;施氮有利于红壤地区土壤氮素的积累,但旱作条件不利于土壤有机质的积累；在红壤地区推行磷肥的施用已明显提高了土壤有效磷的水平。与自然红壤相比,水田土壤的有机质、全氮、有效磷含量和pH值呈现上升趋势,速效钾含量呈现显著的下降;而旱地土壤的全氮、有效磷和速效钾含量呈现上升趋势,有机质含量和pH值呈现下降趋势。无论是红壤旱地还是红壤水田，其土壤养分含量在空间上均存在很大的变异,不同地区间土壤养分含量存在明显的不平衡现象,缺磷和缺钾问题依然突出。因此,完善测土配方施肥工作仍是这一地区土壤养分管理的重要手段。