不同种植模式下农田耕层土壤肥力现状比较——以皖南宣州区为例①

王安琪 ，杨 平，赵燕洲，李贤胜，何小卫，李武进，李宏光，肖艳松，朱启法，张 国，薛 琳，宋效东，李德成*

(1土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中国科学院大学，北京 100049；3 宣城市土肥站，安徽宣城 242000；4 宣城市宣州区土肥站，安徽宣城 242000；5湖南省烟草公司郴州市公司，湖南郴州 423000；6安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽宣城 242000)

轮作是农田用养结合的途径之一[1-2]，可以提高土壤肥力[3-4]、促进土壤团聚体组成及其有机碳含量[5]、提高微生物和酶活性[6]、降低杂草密度和作物发病率[7]、改善作物的长势和提升作物产量和产值[8]。皖南宣城市的宣州区处于暖温带与亚热带过渡区，地貌地形包括低山、丘陵、平原圩区，农田土壤以水稻土为主，其他为潮土和红壤①宣城市土壤普查办公室. 宣城土壤. 1988.。2008年前种植模式单一，主要为双季稻，可假设初始肥力相对一致[9]。之后由于气候和土壤适宜焦甜香型优质烤烟种植(目前是安徽烤烟主要种植区)[10]，加上农户对高种植收益的追求，种植模式趋向多元化，目前主要有烟稻轮作、单季稻、稻油轮作、稻麦轮作、中药材(元胡、前胡、长春花等)等[8]。不同的种植模式对土壤肥力的影响也会存在差异[8]，但迄今尚缺乏皖南地区的相关报道。当地农业机构和种田大户非常关注不同种植模式下的农田肥力现状，为此，本研究选择目前宣州区农田主要的种植模式，测定分析了代表性耕层(0 ~ 20 cm)pH、有机质(SOM)、有效磷(AP)和速效钾(RAK)含量，并计算了综合肥力指数(IFI)，旨在通过比较提出有利于土壤肥力提升的种植模式和相应的施肥建议，为当地和皖南地区农田土壤可持续利用提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宣州区地处17°58′ ~ 119°40′E、29°57′ ~ 31°19′N，总面积2 533 km2，地势上南部遍布低山，中部丘陵起伏，北部为平原圩区。本区地处暖温带向亚热带过渡区，年均气温15.9 ℃，日照时数1 500 h，降雨量1 430 mm，无霜期228 d。农田土壤类型以水稻土(水耕人为土)为主(4.98万hm2，约占耕地面积的90%)①。目前种植模式主要包括烟稻轮作、单季稻、稻油轮作、稻麦轮作、油棉轮作等[11]。

1.2 代表性田块确定和土样采集与测试

2018年10月，依据种植模式、地形地貌、土壤类型(依据宣州区1∶50 000土种图)和土地利用等，确定了稻麦轮作、双季稻、单季稻、稻油轮作、烟稻轮作、中药材6类种植模式，合计调查采样了122个代表性田块(图1)，包括20个稻麦轮作田块、20个双季稻轮作田块、20个单季稻田块、20个稻油轮作田块、20个烟稻轮作田块、22个中药材田块。田间调查信息包括种植模式的年限(至少3 a以上)、施肥、产量、净收益等。田间采样方式为：S形随机8 ~10个点采取耕层(0 ~ 20 cm)土样，充分混匀后四分法留取1.5 kg备用。之所以仅采集耕层土样，是因为不同土体层次中作物的产量主要由耕层决定。

土样经室内自然风干、去杂、研磨后，分别过20目(0.85 mm)和100目(0.15 mm)筛，各指标测定方法为：pH，电位计法(土液比1︰2.5)；有机质，采用油浴加热–重铬酸钾氧化容量法；有效磷，碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法；速效钾，乙酸铵浸提–火焰光度计法[11]。之所以采用这4个指标，一是基于快速简便的肥力评价考虑，二是因为这4个指标是土壤肥力评价中的重要指标[12]。没有考虑氮素指标是因为对宣州区测土配方施肥工作的920个农田基础数据分析表明[13]，有机质与全氮和碱解氮之间均存在显著的相关性(Pearson相关系数分别为0.907**和0.254**，P<0.01)。

1.3 IFI计算方法

IFI主要的计算步骤包括[12-14]：①采用Mean±3σ法剔除各指标的异常值；②利用模糊数学隶属函数计算各指标的隶属度值，其中有机质、有效磷和速效钾为S型，pH为抛物线型。4个指标的曲线拐点取值的确定根据耕地质量等级(GB/T 33469—2016)[15]及实际情况(表1)。③利用主成分分析法确定各评价指标的权重Wi[12]。④采用权重加权求和模型计算IFI[14](式1)。

表1 土壤指标隶属度函数曲线拐点取值Table 1 Membership function and threshold values of soil indexes

式中：Wi为第i个因子的权重，Ni是第i个因子的隶属度值。

1.4 农田土壤养分分级及植烟土壤适宜性分级

农田土壤指标分级(表2)依据全国土壤养分分级标准[16]，植烟土壤养分适宜性分级(表3)依据综合分析目前的相关研究结果[17]。

表2 土壤养分含量分级标准Table 2 Grading standard of soil nutrients of 2nd national soil survey

表3 植烟土壤养分适宜性分级Table 3 Grading standard of soil nutrients for tobacco-growing farmland

1.5 土壤综合肥力分级

参考相关的IFI分级结果[13,18]，采用等距法将IFI划分为5个等级：高(IFI≥0.8)、较高(0.6≤IFI<0.8)、中(0.4≤IFI<0.6)、较低(0.2≤IFI<0.4)、低(IFI<0.2)。

1.6 数据分析方法

利用ArcGIS10.2绘制样点分布图，利用IBM Statistics SPSS 22.0 和Microsoft Excel 2016进行数据的常规描述性分析和单因素方差分析(ANOVA)，利用R 3.6.0和Origin 9.1对数据进行主成分分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对土壤pH的影响

由表4可以看出，烟稻轮作和单季稻土壤pH显著高于其他种植模式，中药材土壤pH显著低于其他种植模式，而双季稻、稻油轮作、稻麦轮作之间土壤pH差异不显著。6种种植模式的变异系数均小于10%，为弱变异性。6种种植模式的耕层土壤均为酸性。

表4 不同种植模式下耕层土壤pHTable 4 Statistics of topsoil pH values under different planting patterns

2.2 不同种植模式对土壤有机质的影响

由表5可以看出，不同种植模式土壤有机质含量呈现较大差异，中药材土壤显著低于其他种植模式，双季稻土壤显著高于其他种植模式。6种种植模式变异系数介于19.66% ~ 34.08%，属于中等强度变异性。根据表2，烟稻轮作和中药材土壤有机质处于20 ~ 30 g/kg，达三级标准；其余种植模式土壤有机质均处于30 ~ 40 g/kg，达二级标准。

表5 不同种植模式下耕层土壤有机质含量(g/kg)Table 5 Statistics of topsoil SOM contents under different planting patterns

2.3 不同种植模式对土壤有效磷的影响

由表6可以看出，中药材土壤有效磷含量显著高于其他种植模式，单季稻土壤有效磷含量显著低于其他种植模式。6种种植模式土壤有效磷含量均呈现正偏态特征；烟稻轮作和单季稻模式为负峰度。6种种植模式土壤有效磷变异系数为36.15% ~ 78.17%，属于中等强度变异。根据表2，烟稻轮作和单季稻土壤有效磷处于20 ~ 40 mg/kg，达二级标准；其他模式的土壤有效磷则大于40 mg/kg，达一级标准。

表6 不同种植模式下耕层土壤有效磷含量(mg/kg)Table 6 Statistics of topsoil AP contents under different planting patterns

2.4 不同种植模式对土壤速效钾的影响

由表7可以看出，不同种植模式之间土壤速效钾含量差异明显，中药材土壤显著偏高，稻油轮作土壤显著偏低，均属于中等强度变异。根据表2，中药材土壤速效钾处于一级标准，烟稻轮作和双季稻土壤处于二级标准，单季稻、稻油轮作和稻麦轮作土壤处于中等水平。

表7 不同种植模式下耕层土壤速效钾含量(mg/kg)Table 7 Statistics of topsoil RAK contents under different planting patterns

2.5 不同种植模式对土壤IFI的影响

表8为计算出的不同种植模式下土壤指标隶属度值，各指标的权重见图2，根据式(1)计算出IFI值(表9)。由表9可以看出，各种植模式间IFI为双季稻(0.880)>烟稻轮作(0.821)>单季稻(0.817)>稻麦轮作(0.760)>中药材(0.693)>稻油轮作(0.645)。总体上看，双季稻、烟稻轮作、单季稻模式的IFI较高，均>0.8；稻麦轮作、中药材、稻油轮作模式的IFI次之，介于0.6 ~ 0.8。

表9 不同种植模式土壤的IFI值Table 9 Soil IFI values under different planting patterns

3 讨论

3.1 不同种植模式下土壤养分差异

田间调查表明，各类种植模式下所有作物的秸秆都采取还田措施，施肥和相应的养分投入见表10，生物量移出和相应的养分移出信息见表11，养分净增减信息见表12。其中，移出田块的作物器官的氮磷钾含量数据来自参考文献(取平均值)[19-20]。

表10 2018年不同种植模式下施肥与营养元素投入信息(kg/hm2)Table 10 Fertilization and nutrient input information under different planting patterns of 2018

表11 2018年不同种植模式下产出与营养元素移出信息Table 11 Output and nutrient removal information under different planting patterns of 2018

长期大量施用化肥以及酸沉降造成皖南农田土壤普遍酸化[21-22]。烟稻轮作土壤pH最高(5.47)，主要是由于烤烟生长的适宜pH为5.5 ~ 6.5，为此当地烟田多采用施用白云石粉改酸[23]。中药材土壤pH最低(4.87)，单季稻、双季稻、稻麦轮作、稻油轮作土壤pH差异不显著。这主要是因为中药材为旱作，而水田缓冲性能高，会缓解pH的降低[24]。

本研究表明，不同种植模式土壤有机质含量的平均值为双季稻(38.46 g/kg)>单季稻(33.98 g/kg)>稻油轮作(31.18 g/kg)>稻麦轮作(30.70 g/kg)>中药材(25.82 g/kg)>烟稻轮作(25.60 g/kg)，这与土壤水分状况和秸秆还田有关。秸秆还田[25]、施肥(特别是氮肥)[26]以及土壤含水量高[27]，有利于提升土壤有机质含量。就双季稻而言，其秸秆还田量大，土壤淹水时间长，故土壤有机质含量最高。优质烤烟要求土壤有机质为适中水平[28]，因此植烟期间一般严格控制肥料的投入，并且烤烟为旱作，有机质矿化分解快，因此烟稻轮作土壤有机质含量最低。种植中药材模式，由于同样为旱作且中药材对有机质需求量大，因此土壤有机质含量也较低[29]。

表12 2018年不同种植模式下营养元素净变化情况Table 12 Net changes of nutrients under different planting patterns of 2018

本研究表明，6种种植模式的土壤有效磷含量均偏高，这是由于磷肥价格低，加上农户认为多施磷肥无害且会增产，往往施用过量钙镁磷肥或过磷酸钙[30]，这也是双季稻、稻油轮作、稻麦轮作、烟稻轮作土壤有效磷含量无显著差异的主要原因。中药材生长对养分的需求量大，因此施肥中普遍多施磷钾肥，故土壤有效磷和速效钾含量最高(平均值分别为95.92 mg/kg和200.6 mg/kg)。单季稻的肥料投入较少，加之秸秆还田量相对较少，故土壤有效磷含量最低(平均值30.09 mg/kg)。

6种种植模式的土壤速效钾含量多处于正常范围。中药材土壤速效钾含量最高(平均值200.6 mg/kg)，这是由于钾是品质元素，农户一般多施钾肥以提升中药材品质，且移出的钾较少(表12)。烤烟嗜钾，一般烟草专用肥配方中钾含量最高[31]，但由于烤烟自身吸钾多，且一些烟农在后茬晚稻种植时忽视施用钾肥，烟稻轮作模式消耗钾最多(约为56%)，降低了烟稻轮作土壤速效钾含量。

3.2 不同种植模式下土壤综合肥力差异

不同种植模式间IFI平均值由高到低依次为双季稻(0.880)>烟稻轮作(0.821)>单季稻(0.817)>稻麦轮作(0.760)>中药材(0.693)>稻油轮作(0.645)。双季稻由于其长期厌氧条件，土壤有机质等养分富集，IFI值最高。烟稻轮作模式土壤pH和速效钾含量分别处于6种模式中的第一位(5.47)和第三位(157.10 mg/kg)，因此其IFI也较高。种植中药材模式由于pH和土壤有机质含量低，导致IFI较低。稻油轮作各养分指标普遍较低，导致IFI最低。

3.3 种植模式与土壤肥力提升的建议

双季稻、烟稻轮作和单季稻的IFI均大于0.8(分别是0.880、0.821和0.817)，明显高于稻麦轮作(0.760)、中药材(0.693)和稻油轮作(0.645)。这在一定程度上说明双季稻、烟稻轮作和单季稻3种模式更有利于维持土壤肥力和土壤可持续性，因此推荐这3种种植模式。

根据表2，约18% 单季稻田块和15% 稻麦轮作田块土壤有机质处于四级，其余土壤有机质均处于三级及以上，因此各种种植模式，尤其是单季稻和稻麦轮作应适当提升有机物料投入；稻麦轮作和单季稻的土壤有效磷含量最低，应适当增加磷肥；稻麦轮作有约65% 田块土壤速效钾处于三级水平及以下，而稻油轮作和单季稻分别有40% 和30% 的田块土壤速效钾处于四级，应增加钾肥。从表12来看，双季稻模式N、P、K净增量均为负值，且P减少了约53%，应加大化肥的投入。对于烟稻种植模式，根据表3，尚有45% 田块pH<5.5，应注意改酸；另外分别有15% 和10% 烟稻轮作田块土壤有机质低于或高于植烟适宜范围(20 ~ 35 g/kg)，60% 田块土壤有效磷高于植烟适宜范围(15 ~ 30 g/kg)，45% 烟稻轮作田块土壤速效钾低于植烟适宜范围(150 ~ 220 g/kg)，分别酌情考虑增减有机肥或磷钾肥。

依据调查获取各类种植模式大致净收益信息(表13)，其与网上查询到净收益数据有一定出入，故本文以实际调查获取的数据为准。比较而言，中药材种植模式最高(200元/hm2)，烟稻轮作次之(137元/hm2)，双季稻中等(117元/hm2)，单季稻、稻油轮作和稻麦轮作相对较低(介于60 ~ 84元/hm2)，结合双季稻、烟稻轮作和单季稻3种模式的IFI较高，因此推荐双季稻和烟稻轮作模式。但需要指出：①双季稻口感一般不如单季稻[32]，加之农业比较效益低，农户种地积极性不高，因此双季稻模式农户难于接受；②中药材一定要注意及时换地，因为中药材存在明显连作障碍，70% 根类药材存在连作障碍[33]。③不推荐稻油与稻麦轮作的另外原因是居民很少食用菜籽油，南方小麦籽粒含水量偏高，易霉变，销售风险大。

表13 不同种植模式净收入Table 13 Annual net income of different planting patterns

由于难以获取代表性田块的肥力初始信息，因此本研究主要是依据现状肥力状况比较来推荐种植模式和施肥建议，这可能会对结果产生一定影响，因此有必要开展专门的定位监测研究来进一步验证本研究得出的结果。

4 结论

宣州区农田在不同种植模式下土壤pH、养分以及肥力存在一定的差异，各种种植模式土壤均为酸性，土壤有机质、有效磷和速效钾含量高低顺序存在一定差异。依据综合分析比较土壤指标、IFI、养分净变化和净收益，推荐双季稻和烟稻轮作模式。稻麦轮作、单季稻和稻油轮作模式应注意适当增施磷钾肥和有机肥；烟稻轮作需要依据定期的测土结果来酌情考虑增减有机肥和磷钾肥的施用。

致谢：谨此感谢在调查采样过程中给予支持和帮助的所有人员。