山西省玉米种植区土壤养分含量特征

陈 婷 ，李廷亮 ，2，3，张晋丰 ，刘 洋 ，王嘉豪 ，吕卓呈

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；2.黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心，山西 太谷 030801；3.山西农业大学 农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801）

玉米作为集粮食、饲料和工业原料为一体的优势作物，对于保障我国粮食安全、改善人民生活水平具有重大意义[1]。据统计，2020 年我国玉米种植总面积为4 126 万hm2，产量达2.61×108t，占全国粮食总产量的38.90%，已超过水稻和小麦成为第一大粮食作物[2]，山西省统计年鉴显示，2019 年山西省玉米播种面积占主要粮食作物总播种面积的54.86%[3]，主要分布在晋中和忻州地区。

土壤养分供应情况是保证耕地质量和粮食产量的基础条件，也是评价土壤肥力的重要指标，明确山西省玉米种植区土壤养分供应情况对当地土壤肥力提升以及推进玉米绿色高产具有重要指导意义。根据全国第二次土壤普查，20世纪90年代山西省耕层土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别为10.70 g/kg、0.68 g/kg、7.76 mg/kg、131.90 mg/kg。近年来，许多学者也对山西省土壤养分做了进一步研究，解文艳等[4]在2007年对山西省主要农田耕层土壤有机质和全氮含量研究发现，调研区域土壤有机质和全氮含量平均值分别为17.70、0.85 g/kg，均处于中等偏上养分水平；孙树荣等[5]对华北半干旱区农田养分的研究表明，2010年山西忻府区农田养分中有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别为15.30 g/kg、0.79 g/kg、15.60 mg/kg、149.00 mg/kg；刘蝴蝶等[6]在2010 年对山西省62个主要耕作土壤种类以及肥力现状进行了调查，结果表明，土壤有机质、有效磷和速效钾的平均含量分别为17.20 g/kg、21.40 mg/kg 和 150.20 mg/kg；董悦等[7]在 2018 年对晋中市表层土壤养分的研究表明，当地土壤有机质、全氮、全磷和全钾的平均含量分别是1.42%、0.08%、0.07%和1.97%；另外，张建杰等[8]对山西省洪洞县土壤有机质和全氮进行了研究，结果表明，当地有机质和全氮的平均含量分别为16.05、0.82 g/kg，土壤有机质和全氮含量的空间分布格局大致呈中部高、东部和西部低的趋势。上述研究表明，山西省现阶段多个地区耕地土壤有机质及氮、磷、钾养分含量较第二次土壤普查数据有明显提升，这与近30 多年农业集约化生产肥料大量投入有关。土壤养分的提升是土壤培肥和粮食增产的基础，但化肥过量投入也会导致经济效益降低、环境污染和土壤质量下降等问题。明确区域范围内土壤养分含量特征，可有力支撑当地农业绿肥高产及精准农业的发展。除大量元素外，土壤微量元素也是表征土壤肥力的重要组成部分，其供给水平（即有效态微量元素含量）不仅影响作物正常生长和发育，而且进一步影响农产品的产量和品质，关系到人类健康状况，在大量元素供应充足的情况下，微量元素将成为植物生产性能的限制因素[9]，例如土壤中的铜、锌、铁、锰等是作物生长发育所必需的微量元素，它们大多参与植株体内生理生化过程，并与叶绿体、多种氧化酶和呼吸酶等的合成息息相关，从而直接参与植物的代谢过程[10]。土壤微量元素供应情况研究是作物提质增效生产以及我国功能农业发展的重要研究内容，厘清山西省玉米种植区土壤微量元素的含量特征，有助于正确判断土壤微量元素的供给情况，对于合理补充微量元素、提高作物产量和品质及保障人体营养健康具有重要的科学意义。

第二次土壤养分普查数据为山西省各县区基本农田建设、农业综合开发和农业合理施肥提供了科学依据，但由于我国农业生产主要以一家一户的小农户为经营单元，每个农户的施肥习惯千差万别，势必造成土壤养分在地域上的异质性[11]，现阶段土壤的肥力状况距全国第二次土壤普查已过了30多年，在时间和区域尺度上由于农村经营管理体制、耕作制度、产量水平、肥料使用总量等存在差异性特征，土壤的肥力状况也发生了巨大变化。因此，开展区域土壤养分分布特征研究对于指导当地土壤养分管理和合理施肥具有重要意义，且目前对于山西省玉米种植区土壤养分状况的系统研究还鲜有报道。

本研究通过对山西省玉米种植区3 个典型县域（原平市、太谷县、寿阳县）耕层土壤样点采集，系统分析玉米种植区土壤有机质、硝态氮、有效磷、速效钾以及6种有效态微量元素含量特征，明确山西省玉米种植区土壤养分供应能力，旨在为当地土壤养分精准分区管理和高效施肥提供理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

山西省玉米种植主要集中在忻州和晋中地区，本研究依据2019 年山西省统计年鉴数据，选取了山西省玉米种植面积最大的原平市、寿阳县，同时选取山西“农谷”建设区代表县域的太谷县为研究代表区域。山西省属温带大陆性季风气候，其中，原平市年均气温8.0 ℃，年平均降水量500 mm，无霜期平均每年160 d；太谷县年平均气温9.9 ℃，年均降雨量462.9 mm，无霜期平均175 d；寿阳县年均气温7.4 ℃，无霜期平均每年140 d，年均降水量518.3 mm。当地土壤类型有褐土、潮土、粗骨土等，夏季6—8 月降水相对集中，约占全年降水量的60%。

1.2 样品采集及处理

为避免季节性施肥对土壤养分的影响，本研究统一于2019 年10—11 月在玉米收获后进行采样。结合山西省的地形图、土壤类型图和玉米种植分布情况将采样地点精确到每个县的行政村，分别是原平市、太谷县和寿阳县，每个县市布点100 个点左右，并记录经纬度，采样点分布如图1所示，土壤类型如表1 所示。根据地形大小和形状不同采用五点法或“S”形法用土钻采集0～20 cm 耕层混合样品，样品经四分法处理土样后留取1 kg左右带回实验室，共采集313个土样。

表1 山西省玉米种植区耕层土壤采样点土壤类型Tab.1 Soil types of sampling points in plough layer soil in maize planting area of Shanxi province 个

将采集到的土壤样品，去除植物根系、有机残渣以及可见侵入体，自然风干后，研磨过1 mm尼龙网筛用于测定土壤有效磷、速效钾、硝态氮，再细磨过0.149 mm 尼龙网筛，用以测定土壤有机质、微量元素有效态含量等。

1.3 测定项目及方法

土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤硝态氮含量采用紫外分光光度法测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[12]。

土壤有效态硒含量测定采用DTPA 浸提-原子荧光法[13]；土壤有效态铜、锌、铁、锰、镍含量采用DTPA 浸提后用电感耦合等离子体发射光谱法测定[14]。

1.4 数据处理

试验采用Excel 2019 整理数据，并进行描述性统计分析；采用IBM SPSS Statistics 25 进行方差分析和Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 山西省玉米种植区土壤有机质含量分析

对山西省玉米种植区3 个典型县市的所有样点土壤有机质进行常规统计分析，从表2 可以看出，土壤有机质含量为4.10～53.98 g/kg，平均值为17.52 g/kg，对照全国土壤养分分级标准（表3），处于4级水平（较缺乏），但较第二次土壤普查山西省耕层土壤有机质平均值提高了63.74%。其中，土壤有机质含量＜10 g/kg的样点数占10.26%，10～20 g/kg样点数占63.78%，20～30 g/kg的样点数占19.55%，＞30 g/kg 的样点数占6.41%。表明山西省玉米种植区大部分区域土壤有机质含量在10～20 g/kg，有机质丰富、缺乏和极缺乏水平区域均比较少。3 个代表县域总体上以太谷县耕层土壤有机质含量最高，平均值为18.53 g/kg，且该区域有机质在20～30 g/kg的样点数也相对较高，但3个代表县域土壤有机质平均含量差异不显著。

表2 山西省典型玉米种植区耕层土壤有机质含量Tab.2 Content of soil organic matter in plough layer in typical maize planting area in Shanxi province

表3 全国第二次土壤普查养分分级标准［15］Tab.3 Nutrient classification standard of the second national soil survey

2.2 山西省玉米种植区土壤速效养分含量分析

从表4可以看出，山西省玉米种植区土壤硝态氮含量为4.97～37.51 mg/kg，平均值为19.79 mg/kg，3 个代表区域以寿阳县耕层土壤硝态氮含量最高，平均值为20.86 mg/kg。土壤有效磷含量在3.17～74.12 mg/kg，平均值为22.64 mg/kg，对照全国土壤养分分级标准（表3），处于2 级水平（较丰富）；3 个代表区耕层土壤有效磷含量仍以寿阳县最高，为27.26 mg/kg，较太谷县显著提高69.50%（P＜0.05）。土壤速效钾含量为58.81～517.02 mg/kg，平均值为220.42 mg/kg，处于1 级水平（丰富），3 个代表区土壤速效钾含量以寿阳县和太谷县较高，平均为233.09 g/kg，较原平市显著提高了19.80%（P＜0.05）。总体来看，山西省典型玉米种植区土壤大量元素的速效养分比较丰富，不同县域间以寿阳县最高。3 种速效养分的空间差异均比较大，变异系数在31%～76%，属于中等变异（10%～100%）[16]。

表4 玉米种植区耕层土壤速效养分统计情况Tab.4 Statistical situation of available nutrients in plough layer soil in maize planting area

2.3 山西省玉米种植区土壤微量元素有效态含量分析

从表5、6 可以看出，土壤有效铜含量为0.24～6.00 mg/kg，平均值为1.26 mg/kg，处于较丰富水平，且土壤有效铜含量主要集中在1.00～1.80 mg/kg，出现频率为58.09%。土壤有效锌含量为0.17～5.30 mg/kg，平均值为2.07 mg/kg，处于较丰富水平，土壤有效锌含量主要集中在1.00～3.00 mg/kg，出现频率为56.03%。土壤有效镍含量为0.05～1.30 mg/kg，平均值为0.31 mg/kg，处于中等水平，土壤有效镍含量主要集中在0.25～0.40 mg/kg，出现频率为42.30%。土壤有效铁含量为2.60～29.57 mg/kg，平均值为9.40 mg/kg，处于中等水平，有效铁含量主要集中在4.50～10.00 mg/kg，出现频率为63.19%。土壤有效锰含量在0.97～37.90 mg/kg，平均值为17.42 mg/kg，处于较丰富水平，土壤有效锰含量主要集中在15.00～30.00 mg/kg，出现频率为58.25%。土壤有效硒含量在11.99～85.24 µg/kg，平均值为30.43 µg/kg，处于丰富水平，含量主要集中在＞20 µg/kg，出现频率为91.53%。总体来看，山西省玉米种植区6 种微量元素有效态含量处于中等或较丰富水平，不同县域之间6种微量元素除了硒和锌元素外，整体以原平市耕层土壤含量最高。各土壤有效态微量元素的变异系数均在22%～66%，属于中等变异水平，变异程度从大到小依次为Ni＞Cu＞Fe＞Zn＞Mn＞Se。

表5 山西省玉米种植区耕层土壤微量元素有效态含量特征Tab.5 Characteristics of available contents of trace elements in plough layer soil in maize planting area in Shanxi province

表6 土壤有效态微量元素含量分级标准与各级出现频率［1177~1188］Tab.6 Classification standard of available contents of trace elements in soil and occurrence frequency of various levels

2.4 土壤养分因子间的相关性分析

山西省玉米种植区土壤养分10个因子按照两两一组形成45 组关系，各养分因子相关性分析如表7所示。由表7可知，土壤有机质与有效磷、速效钾以及有效态微量元素Cu、Zn、Fe之间呈显著和极显著正相关。土壤硝态氮与有效态微量元素Fe呈显著正相关（P＜0.05），土壤有效磷与有机质、速效钾以及有效态微量元素Cu、Fe、Mn呈极显著正相关（P＜0.01），速效钾与有效态微量元素Cu、Zn 和Mn均呈极显著正相关（P＜0.01）。土壤中有效态微量元素 Cu、Zn、Ni、Fe、Mn 两两之间均呈显著正相关（P＜0.05），其中，有效态微量元素Fe、Mn、Ni两两之间存在着较高的极显著正相关（P＜0.01），表明这3种元素在耕层土壤生态环境中存在着依存关系。

表7 山西省玉米种植区土壤养分因子的Pearson相关系数Tab.7 Pearson correlation coefficients of soil nutrient factors in maize planting area in Shanxi province

3 讨论

3.1 山西省玉米种植区土壤有机质含量特征

有机质是土壤肥力的物质基础，与土壤的发生演变、肥力水平和许多理化生物学属性都有密切的关系，通常在其他条件相似的情况下，有机质含量的多少，可以反映土壤肥力水平的高低[19]。本研究中山西省玉米种植区有机质平均含量为17.52 g/kg，主要集中在10～20 g/kg，所占样点比例为63.78%，总体表明山西省典型玉米种植区土壤有机质含量属于较缺乏至中等水平，其原因可能是在黄土高原地区当地气候干燥，且土壤孔隙大，通气性好，有机质矿化作用明显[20]，而有机质主要成分为腐殖质，在干燥通气良好的条件下植物残体等腐解转化过程较为缓慢[21]，从而导致土壤中有机质含量相对低。但山西省玉米种植区土壤有机质含量较第二次土壤普查山西省耕层土壤有机质平均值仍提高了63.50%。原因一方面可能与近年来农民为了提高作物单产水平和品质而增施有机肥有关，另一方面可能与近年来国家大力提倡保护环境，鼓励秸秆还田，化肥减施与有机替代有关[22-24]。张晋丰等[25]研究也表明，现阶段山西省小麦种植区土壤有机质平均含量（21.65 g/kg）较全国第二次土壤普查结果提高了109.40%。从有机质空间分布来看，山西省“农谷”建设区太谷县玉米种植区土壤中有机质含量高于其他地区，可能是该地区农民有较强的科学施肥意识，对有机肥投入较为重视使得该地区土壤有机质含量较高。

3.2 山西省玉米种植区土壤速效养分含量特征

土壤中硝态氮含量是作物获取氮素的主要来源，对作物的生长起着重要作用[26]。王秀康等[27]和巨晓棠等[28]的研究结果均显示，土壤硝态氮含量的累积主要来自于外源氮肥。本研究中，山西省玉米种植区耕层土壤硝态氮含量范围在4.97～37.51 mg/kg，空间差异较大，这可能与采样点农户氮肥投入量和籽粒氮素携出量有关。土壤有效磷是影响作物产量、评价土壤肥力的重要指标之一[29]。山西省玉米种植区耕层土壤有效磷含量平均值为22.64 mg/kg，处于2级水平，总体含量处于较丰富水平。原因一方面与干旱半干旱区土壤有机质易矿化释放无机磷有关；另一方面就是磷肥常年累积投入，同时有机肥的施用能一定程度上降低磷素随地表径流大量流失[30]。本研究中山西省玉米种植区耕层土壤中速效钾含量总体较高，平均值达220.42 mg/kg，对照全国土壤养分分级标准，处于1 级水平，这可能与黄土高原地区土壤成土母质多含长石类矿物有关[31]；另外，近年提倡秸秆还田，秸秆还田后土壤中钾离子年释放率在90%以上，一定程度上补充了土壤钾素[32-33]。总体来说，山西省玉米种植区速效养分含量较高，目前我国的化肥利用率大约30%～40%，有大部分化肥没有被作物利用而进入环境[34]，由于化肥见效快，投入相对过量而利用率低，导致土壤残留量比较高，因此，山西省玉米种植区速效养分含量较高。

3.3 玉米种植区土壤微量元素有效态含量特征

在满足作物对大量元素需求的基础上，土壤微量元素也是决定粮食产量和品质的重要因子[35]。本研究中山西省玉米种植区土壤中有效铜、锌、锰的平均含量处于较丰富水平；有效铁、镍的平均含量处于中等水平；有效硒的平均含量处于丰富水平。整体来看，山西省的有效态微量元素含量比较丰富，一方面可能与土壤全量微量元素含量有关；另一方面可能与近年来大力实施测土配方施肥及秸秆还田技术有关，含有微量元素复合肥的施用，以及秸秆还田自身养分释放或活化作用均能提高土壤中微量元素有效态含量。

本研究中，山西省玉米种植区3种速效养分含量变异系数在31.71%～76.37%，6种有效态微量元素含量的变异系数在21.88%～66.24%，养分变异系数总体比较高，且不同县域间同一养分含量变异系数差异也较大。本研究所有采样均在玉米收获后进行，因此，差异不是当季施肥和采样时间节点造成的。分析原因一方面可能是由于小农户种植肥料投入差异造成的，不同产量水平地块、不同施肥习惯均会造成较大的肥料投入差异，结果导致土壤养分含量空间变异较大。另一方面可能与土壤母质和土壤有机质含量有关，富含云母、长石类矿物的土壤K 含量相对丰富，富含橄榄石、辉石和角闪石矿物的土壤Fe、Mg 含量相对丰富[36]。土壤有机质中含有黄腐酸、褐腐酸等酸性物质，可提高土壤矿质养分的有效性[37]，因此，土壤有机质含量差异也会造成有效态矿质元素含量的差异。

3.4 土壤养分因子间的相关性

土壤中各养分元素相关性分析表明，土壤有机质与有效磷、速效钾以及有效态微量元素Cu、Zn、Fe 之间存在显著或极显著正相关，进一步说明有机质因具有释放或活化土壤养分的作用，对土壤保肥供肥性具有重要意义。土壤中有效态Fe、Mn、Ni三者两两之间正相关性均较高，可能是由于Fe、Ni均属于铁族元素，它们具有相似的原子结构，在自然界中有相近的存在形式和迁移、沉淀的物理化学条件，并且元素Mn 与铁族元素性质非常接近，3种元素性质相似，所以，具有较高的相关性[17]。各微量元素之间也相互影响，如有效态硒与有效铜、锰与铁之间存在拮抗作用，一种元素含量增加就会抑制另一种元素含量增加。本研究中土壤有效Se含量与其他养分因子的相关性差异均不显著，且与有效Cu、Fe 和Mn 呈负相关关系，若作物需要增加其中某一元素则需要控制具有拮抗作用的元素。除有效硒外其余各有效态微量元素之间均呈显著或极显著正相关，有效态元素含量之间具有显著相关性的主要原因，可能与有效态元素的地球化学性质相似有关，使得它们在土壤中有着相同或相似的亲和力、赋存形态和地球化学行为[38]。另外，本研究中微量元素有效态Mn、Fe的相关性是最强的，这可能是由于锰一般以多种氧化态存在于土壤中，易与铁共生形成混杂的或复合的氧化物[39]，说明研究区土壤中的Fe 可能更多的以锰结合态的形式存在，因此，有效态Fe与Mn相关性高。

4 结论

山西省玉米种植区耕层土壤有机质含量平均值为17.52 g/kg，主要集中在10～20 g/kg，整体处于较缺乏至中等水平。土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量平均值分别为19.79、22.64、220.42 mg/kg，总体比较丰富。土壤有效态铜、锌、镍、铁、锰和硒平均含量分别为1.26、2.07、0.31、9.40、1.26、17.42 mg/kg和30.43µg/kg，总体处于中等至较丰富水平。玉米种植耕层土壤有效养分含量空间差异性较大。不同土壤养分之间存在一定的依存关系，多表现为显著或极显著的相关性，其中，有效态Fe 与Mn 相关性最高，有效Se 则与其他养分因子均无显著相关性。综合来看，山西省玉米种植区应进一步加强有机培肥管理，适当减少化肥投入，推进玉米提质增效生产。