青岛市农田土壤养分状况及变化特征分析

丁兴民，王蕾，徐振，李民，赵海静，王溯

(青岛市农业技术推广中心，山东青岛 266071)

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，是农业生产最基本的生产资料，其作用具有不可替代性[1]。由于人类过度的开发和利用，近年来我国一些耕地土壤质量和供肥能力呈逐年下降的趋势[2]，导致农作物产量和品质降低，对社会经济发展和人类生存构成严重的威胁[3]。培育农田土壤肥力、提高土壤中养分含量是保证区域粮食安全的基础[4]，了解土壤中养分的变化规律可为合理利用土壤资源和科学施肥提供依据[5]。因此，为保证土壤资源可持续利用，应重视区域性土壤的现状及历史变化，尤其是农田土壤肥力状况的变化，它直接关系到作物生产、生态环境、粮食安全及人类健康等问题[6]。为解决我国一些地区土壤肥力质量下降问题，农业部2005年提出，在全国开展测土配方施肥春季行动计划[7]，该计划从田间试验入手，通过专用肥、复混肥等配方肥的连续施用，改善和提高耕地土壤养分状况和农产品生产能力。

为响应国家的政策，青岛市自2005年以来持续开展了农田土壤的测土配方施肥和土壤肥力定位监测工作。本研究正是在这一工作的基础上，通过对青岛市下辖的即墨、胶州、平度、莱西和西海岸新区5个市辖区调查，收集了自2005年实施测土配方以来施肥地块连续定位监测数据，并对其进行统计分析，以便及时掌握测土配方施肥后土壤养分变化特征，为进一步加强耕地质量管理、提升耕地质量提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

青岛市地处山东半岛南部，地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹，全市总面积为11 282 km2。受地形、水文、成土母质的影响，青岛土壤的地域分布规律明显：低山丘陵区以棕壤为主，浅平洼地为砂姜黑土，河流两岸及下游冲积平原为潮土，滨海低地为盐土。本研究共涉及即墨、胶州、平度、莱西和西海岸新区5个市辖区，涉及棕壤、砂姜黑土、潮土、褐土4种土壤类型。

1.2 土壤样品采集与处理

在5个辖区分别布点，为保证采样点的代表性和典型性，各连续监测点均设置在国家测土配方施肥补助项目区。采样时，大田采样深度为0～20 cm、20～40 cm，采用S形布点随机采样，并对每个采样点进行GPS定位，记录经纬度，每个土壤样品围绕中心点样品取15个样点进行混合，利用四分法取混合土样1 kg左右备用[8]，本研究仅对0～20 cm土层样品进行分析。

1.3 测定方法

土壤pH的测定采用pH计法，土壤有机质的测定采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法，土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法，土壤有效磷的测定采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提-可见光分光光度法，土壤速效钾的测定采用1 mol/L NH4Ac浸提-火焰光度法[8]。

1.4 数据处理

采用Excel2010和SPSS19.0软件进行数据处理和分析，利用Excel2010制图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH变化特征

青岛市各监测点土壤pH平均值变化见图1。由图1可以看出，2005—2018年，青岛市各监测点土壤pH随时间变化呈波动性下降的趋势。其中，2005—2006年下降较快，可能是由于这两个年份GPS误差导致取样点位置不完全一致。土壤pH值的变化说明，青岛市土壤总体呈弱酸性，且2015年以前，呈总体逐年下降趋势，2015—2018年，土壤pH值的变化趋于稳定。这与近几年青岛市开展化肥零增长行动等工作有关[9]，通过实施国家果菜茶有机肥替代化肥试点项目和耕地保护、质量提升项目，推广增施堆沤有机肥和商品有机肥，逐步减少化肥的投入，土壤酸化趋势得到了有效缓解，耕地质量得到了有效提升。

2.2 土壤有机质含量及变化特征

土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮和磷的重要来源，其含量的多少是影响土壤肥力高低的一个重要指标[10]。青岛市各监测点土壤有机质含量变化见图2。由图2可以看出，2005—2018年，青岛市各监测点土壤有机质含量随时间变化总体上呈逐渐增加趋势，2018年比2005年增加了57.36%。其中2005—2006年，土壤有机质含量略有下降，2006—2009年稳步上升，2009—2018年呈螺旋式上升趋势，除2013年土壤有机质含量明显高于2012和2014年、2017和2018两年明显高于以前年份外，其余年份变化均较平缓。2013年土壤有机质含量明显高于相邻其他年份，可能由于不同年份间GPS误差导致的采样点位置不完全重合，而2017和2018年土壤有机质异常升高，可能是由于近几年农民大面积秸秆还田或商品有机肥施用量增加所致。

2.3 土壤氮含量及变化特征

2.3.1 土壤全氮

土壤全氮含量是评价土壤肥力水平的另一项重要指标，它在一定程度上代表了土壤的供氮水平，其消长取决于氮的积累和消耗的相对强弱，与土壤中有机质含量的变化一致[11]。对于自然土壤，全氮含量是气候、地形或地貌、植被和生物、母质以及成土年龄或时间的函数[12]；对于耕作土壤，全氮含量还取决于利用方式、轮作制度、施肥制度以及耕作和灌溉制度等[13]。青岛市各监测点土壤全氮变化见图3。由图3可以看出，2005—2018年，青岛市各监测点土壤全氮含量在1.0 g/kg附近呈波浪式变化。其中，土壤全氮含量平均值最低为0.77 g/kg(2009年)，最高为1.31 g/kg(2007年)。

2.3.2 土壤碱解氮

土壤碱解氮包括无机态氮(铵态氮、硝态氮)和易水解的有机态氮(氨基酸、酰铵和易水解蛋白质)，是作物当季可利用的氮素形态[14]。青岛市各监测点土壤碱解氮含量变化见图4。由图4可以看出，2005—2018年，青岛市各监测点土壤碱解氮含量呈逐年增加趋势，2018年比2005年增加了57.46%。从图4还可以看出，青岛市各监测点土壤碱解氮含量与土壤有机质含量有相似的变化规律，氮的增加一方面来自有机质的分解矿化，一方面来自农民化肥投入量的增加。

2.4 土壤有效磷含量及变化特征

土壤有效磷是指土壤中可被植物吸收利用的磷的总称，包括全部水溶性磷、部分吸附态磷、一部分微溶性的无机磷和易矿化的有机磷等[15]。青岛市各监测点土壤有效磷含量变化见图5。由图5可以看出，2005—2018年，青岛市各监测点土壤有效磷含量呈逐年增加的趋势，2018年比2005年增加了49.54%。从图5中还可以看出，2011、2014和2018年的土壤有效磷含量均较其前一年的低，而其他年份的则较其前一年高，特别是2015—2017年，土壤有效磷含量增加较快，2017—2018年，土壤有效磷含量有所下降。这种波浪式的上升和下降可能来自不同年份间土壤采样点位置的偏差，但研究期间土壤有效磷含量呈整体增加趋势。

2.5 土壤速效钾含量及变化特征

土壤速效钾是指土壤中易被作物吸收利用的钾素，约占土壤全钾含量的0.1%～2%，包括土壤溶液钾及土壤交换性钾[15]。青岛市各监测点土壤速效钾含量变化见图6。由图6可以看出，2005—2018年，青岛市各监测点土壤速效钾含量呈逐年上升趋势，2018年比2005年增加76.15%。其中，2005—2016年，青岛市土壤速效钾呈波动式缓慢上升的趋势，2016—2018年，土壤速效钾含量急剧升高，这可能与2017—2018年农民施入过多高钾复合肥料有关，与碱解氮含量异常升高的原因一致。

2.6 土壤养分分级比较

根据全国土壤质量标准化技术委员会颁发的《耕地质量等级》[16]，分别对不同年份各级别采样点占总样点数比例进行统计分析，同时计算各土壤分级所有样点指标的平均值，结果列于表1至表4。由表1至表4可以看出，2005年和2018年，青岛市土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量和各级别采样点所占比例均发生了显著的变化。

2005年，青岛市土壤有机质含量在Ⅲ级以下的监测点比例为85.0%，没有Ⅰ级和Ⅱ级监测点；2018年青岛市土壤有机质含量达到Ⅰ级和Ⅱ级的监测点比例分别为2.2%、21.7%，Ⅲ级以下的监测点比例仅为28.3%，土壤有机质含量得到明显提升。2005年，青岛市土壤碱解氮含量在Ⅲ级以下的监测点比例为72.2%，Ⅰ级和Ⅱ级监测点占比均为11.1%；2018年青岛市土壤碱解氮含量达到Ⅰ级和Ⅱ级的监测点比例分别为26.1%、23.9%，Ⅲ级以下的监测点比例仅为23.9%，土壤碱解氮含量增加明显。2005年，青岛市土壤有效磷含量在Ⅲ级以下的监测点比例为68.4%，Ⅰ级和Ⅱ级监测点占比分别为5.3%、21.1%；2018年青岛市土壤有效磷含量达到Ⅰ级和Ⅱ级的监测点比例分别为54.3%、10.9%，Ⅲ级以下监测点比例仅为28.2%，土壤有效磷含量较2005年有明显提升。2005年，青岛市土壤速效钾含量在Ⅲ级以下的监测点比例为75.0%，Ⅰ级和Ⅱ级监测点占比均为5.0%；2018年青岛市土壤速效钾含量达到Ⅰ级和Ⅱ级的监测点比例分别为31.1%、11.1%，Ⅲ级以下的监测点比例仅为20.0%，土壤速效钾含量较2005年增加明显。

表1 土壤有机质含量与分级比较

表2 土壤碱解氮含量与分级比较

表3 土壤有效磷含量与分级比较

表4 土壤速效钾含量与分级比较

3 指标之间的相关性分析

虽然土壤养分各指标含量受耕作方式和不同肥料投入的影响而出现不同程度的上升或下降，但各指标在不同年份间的变化仍存在一定的相关性。为此，对各指标进行相关性分析，结果见表5。从表5可以看出，土壤有机质及全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量与pH均呈负相关关系。其中，有机质、有效磷含量与pH相关性分别达到显著和极显著水平。这表明，随着有机肥的增施以及测土配方施肥措施的执行，土壤肥力逐渐增加，同时也造成了土壤pH下降[17]，这在今后的施肥措施制定时需要注意。此外，从表5还可以看出，有机质与全氮、碱解氮、有效磷、速效钾之间均呈正相关关系，且与碱解氮之间的相关性达到显著水平，说明这些年土壤培肥措施使土壤有机质和土壤有效养分同步增加。碱解氮、有效磷、速效钾三者相关关系分别达到显著或极显著水平，则可能与氮、磷、钾三元素复合肥投入量较大有关。

表5 各指标之间的相关性分析

4 讨论

研究期内，青岛市耕地土壤pH整体呈弱酸性且有逐年下降趋势，这对提高土壤养分的有效性比较有利[18]，但pH逐年连续下降会导致土壤酸化[19]。本研究发现，2015—2018年，青岛市土壤pH变化已趋向平稳，土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均逐年提高，表明青岛市多年推行的土壤培肥措施在提升耕地地力方面有一定成效。

土壤养分的分级比较结果表明，经过长期连续的测土配方施肥和施用有机肥等措施，青岛市耕地土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等养分指标Ⅲ级以下的监测点比例分别由2005年的85.0%、72.2%、68.4%、75.0%减少至2018年的28.3%、23.9%、28.2%、20.0%，而Ⅱ级及以上监测点比例则明显增加，长期连续的配方施肥和增施有机肥措施对培肥地力和提高耕地养分含量起到明显的促进作用。

从数据对比结果还可以看出，2016年之前，不同年份间各指标值随时间出现波动性变化，其原因可能与不同年份土壤采样位置不完全一致有关。2017和2018年土壤各养分指标较2016年之前的异常升高，这可能和肥料结构的变化有关[20]。近年来，随着水肥一体化技术的推广应用及果蔬种植面积的增加，农民在复合肥、水溶肥方面的投入量迅速增加，加之近几年气候干旱，肥料中有效养分的淋溶较弱，在表土中积累量相对增加，因此土壤中各指标含量异常升高。

5 结论

自2005年青岛市实施测土配方施肥以来，土壤pH呈逐年下降的趋势，土壤全氮呈现波动性变化，多年来未出现明显的上升或下降，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著增加，农田土壤养分含量整体得以提高。长期连续的配方施肥和增施有机肥措施对培肥地力和提高耕地养分含量起到明显的促进作用。

通过增施有机肥和测土配方施肥，青岛市农田土壤养分含量逐渐增加，但土壤pH逐渐下降，农田土壤呈现酸化的趋势，需要引起相关部门的重视。建议在今后的施肥措施上，适当增施生理碱性肥料。