浙江某典型水稻产区土壤养分状况及土壤肥力质量评价

石艳平, 许靖雯, 罗玉博

(1.嘉兴市土肥植保与农村能源站, 浙江 嘉兴 314001; 2.浙江农林大学 环境与资源学院, 浙江 杭州 311300)

土壤养分不仅是土壤肥力的重要组成, 也是促进作物生长的核心因素[1]。而土壤的肥力高低能够直接影响作物的生长、产量和品质, 更会影响农业的可持续发展[2]。科学、合理地评价土壤肥力水平, 能够优化耕地资源, 有助于政府和农民做出准确的决策, 最大限度地提升土壤的生产力[3]。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一[4], 全球有超三分之一的人口以水稻为主食, 更是我国的主要种植作物[5]。2018 年全球水稻种植面积为1.67×108hm2, 总产量达7.82×108t[6]。水稻对于粮食安全起着至关重要的作用, 稻田的土壤肥力是水稻生产可持续发展的基础资源[7]。本研究以浙江省某典型水稻产区为研究区域, 以田块为评价单位, 对不同土层进行土壤样品的采集和测定, 并根据各指标对土壤pH 值及养分进行分级。以改进后的内梅罗指数法结合传统统计方法, 对该水稻产区的土壤肥力质量进行评价, 为指导稻田土壤合理施肥和管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于浙江省杭州市大同镇某水稻主产区, 该镇位于杭州市的西部, 自然资源丰富, 现代农业建设以毛竹、桑蚕、蔬菜、畜禽产业为主。该地区属亚热带北缘季风气候, 四季分明, 雨量丰沛。年平均气温为17.4 ℃, 平均年降水量为1 600 mm,年平均日照时数为1 760 h, 常年无霜期为285 d[8]。

1.2 样品采集与分析

针对水稻产区的核心示范区域, 分别在溪口村、徐韩村、郎家村、三村村以及永盛村5 个村开展土壤样品的采集。参照 《土壤农化分析》[9], 按照每3 hm2一个点位, 采用 “S” 形布点采样法,采集5 个土壤混合成一个土壤样品, 并记录采样点的经纬度坐标、农户施肥情况以及水稻产量等。其中土层 (0 ～＜20 cm) 土壤样品82 个, 土层 (20 ～40 cm) 土壤样品10 个。

土壤样品于室内自然阴干, 去除动植物残体后混匀磨碎, 取部分样品分别过 2 mm 筛以及0.15 mm 筛 后 保 存 备 用。参 照 《土 壤 农 化 分析》[9], 采用pH 计测定土壤pH 值 (土水体积比为1 ∶2.5); 采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量; 采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量; 采用盐酸氟化铵-钼锑抗显色法测定土壤有效磷含量; 采用醋酸铵-火焰光度计法测定土壤速效钾含量。

1.3 土壤pH 值及养分分级

pH 值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量是5 个具有土壤肥力评价代表性的指标, 能较好地反映出土壤肥力水平。土壤pH 值及养分分级指标见表1[10]。

表1 土壤pH 值及养分分级指标

1.4 数据分析与处理

1.4.1 数据计算与分析

采用SPSS21.0 统计软件对数据进行平均值、标准差分析。

1.4.2 综合评价指数的计算

土壤肥力的综合评价方法众多, 通常有加和法、平均值法、加权平均法等。根据 “木桶理论”, 土壤整体肥力取决于含量最低的养分指标,所以本研究采用改进后的内梅罗综合指数法进行综合评价[11], 计算公式如下:

式中,P为土壤质量指数,Pi为土壤中单质量指数的均值,Pi,min为土壤中单质量指数的最小值,n为参评因子的个数。

2 结果与分析

2.1 土壤pH 值及养分分级状况

由表2 可以看出, 研究区域内0 ～20 cm 土层的土壤pH 值基本处于酸和偏酸的等级, 仅有极少数点位是偏碱的。42.68%点位的土壤有机质含量较丰富, 仅有1.22%的点位处于贫乏的等级。关于土壤碱解氮含量, 近一半的点位处于丰富的等级, 也有10.98%的点位土壤碱解氮含量贫乏。土壤有效磷含量在各等级均有分布, 有4.88%的点位有效磷含量处于极贫乏的水平。各点位的土壤速效钾含量基本分布于较丰富和适量两个等级, 也有3.66%的点位处于贫乏等级。

表2 采样点不同土层土壤pH 值及养分所占各等级的比例 单位:%

20 ～40 cm 土层的土壤pH 值均处于酸、偏酸和适量的等级。土壤有机质含量在各等级均有分布, 其中较丰富和适量等级占比较高。土壤碱解氮含量在各等级也均有占比, 其中有10%的点位处于极贫乏的状况。关于土壤有效磷和速效钾含量,不存在点位处于极贫乏的等级, 其中大部分点位的有效磷含量处于较丰富和贫乏的等级, 而速效钾含量基本处于较丰富和适量的等级。

2.2 土壤肥力质量评价

选取pH 值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量共5 个指标作为土壤肥力质量评价的主要因子。参照第二次全国土壤普查标准资料对各因子进行分级, 并根据不同评价因子有所提高 (表3)。

表3 土壤质量评价因子分级标准

从表4 可以看出, 研究区域0 ～＜20 cm 土层土壤pH 的平均值为5.85, 变化范围为4.75 ～7.88。土壤有机质含量为8.30 ～49.40 g·kg-1, 平均值为25.50 g·kg-1。土壤碱解氮含量为36.00 ～207.20 mg·kg-1, 平均值为115.15 mg·kg-1。土壤有效磷含量为0.80 ～195.10 mg·kg-1, 平均值为14.45 mg·kg-1。土壤速效钾含量为32.00 ～216.00 mg·kg-1, 平均值为104.84 mg·kg-1。pH 值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量的变异系数分别为12.5%、34.7%、32.8%、153.4%和38.8%, 除有效磷含量呈现强变异水平外, 其余指标均处于中变异水平。

表4 不同土层土壤肥力指标的描述性统计

而研究区20 ～40 cm 土层的土壤pH 值变化范围为5.03 ～7.00, 平均值为5.84, 总体偏酸性。土壤有机质含量为5.10 ～37.20 g·kg-1, 平均值为19.27 g·kg-1。土壤碱解氮含量为14.00 ～142.80 mg·kg-1, 平均值为83.81 mg·kg-1。土壤有效磷含量为3.10 ～24.60 mg·kg-1, 平均值为9.78 mg·kg-1。土壤速效钾含量为47.00 ～152.00 mg·kg-1, 平均值为88.80 mg·kg-1。pH 值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量的变异系 数 分 别 为13.4%、47.2%、48.1%、72.7% 和39.5%, 各指标均处于中变异水平。

根据表5 描述性统计中的肥力指标, 采用公式:Pi=Ci/Si对上述指标参数进行标准化处理,以消除各参数之间的量纲差别。其中:Pi代表土壤单质量指数;Ci代表i属性土壤质量的实测数值;Si代表i属性的临界标准;i为土壤的某一质量属性。并采用改良后的内梅罗指数公式计算土壤肥力质量指数。表5 的结果表明, 研究区域0 ～＜20 cm 土层土壤的肥力质量指数范围为0.79 ～1.42, 平 均 值 为1.12; 20 ～40 cm土层土壤的肥力质量指数范围为0.78 ～1.90,平均值为1.40。

表5 不同土层土壤肥力指数的描述性统计

根据土壤普查资料以及土壤质量指数, 共将土壤质量分为4 级 (表6)。研究区域20 ～40 cm 土层土壤的土壤质量指数总体略高于0 ～＜20 cm 的土层土壤, 大部分土壤都处于三级的质量等级, 但也有少数土壤处于二级和四级的质量等级。

表6 土壤质量等级划分标准

3 讨论

本研究表明, 该水稻产区内表层土壤属于酸性以及偏酸性的占比高达82.92%, 70%的20 ～40 cm土层土壤属于较酸的等级。土壤酸碱性是所有理化性质的基础, 对土壤肥力、养分循环以及作物的生长均产生显著影响[12]。土壤pH 值较低的点位主要位于溪口村和郎家村, 种粮大户使用较多复合肥以及尿素等化肥, 可能导致了土壤的酸化。赵丽芳等[13]研究表明, 在酸化的水稻土壤中添加牡蛎壳粉以及石灰可以有效提升土壤的pH 值。大同稻香小镇针对土壤普遍酸化的情况, 可适量添加土壤改良剂并改善施肥用量及方式, 尤其是在土壤酸化较为严重的区域应更为重视。

孔樟良等[14]1981—2012 年对建德市耕地土壤养分的研究表明, 建德市耕地中部分土壤有机质和氮素偏低, 多数土壤缺钾, 且缺磷土壤与磷过量土壤共存。本次调研发现, 建德大同镇研究区域内土壤肥力整体较高, 与前人研究相比, 主要养分水平有所提升, 这可能与水稻种植过程中施用肥料以及秸秆还田等措施有关。各采样点土壤养分差异较大, 尤其是土壤有效磷含量, 属强变异水平。对于土壤养分的不均衡, 应针对性地测土配方施肥, 从施肥量、施肥时期、肥料形态和施肥位置等方面探索氮磷钾肥高效利用的途径[15]。

4 结论

研究区域表层土壤的pH 值基本处于酸和偏酸的等级, 也有少数点位处于适量和偏碱的等级, 20 ～40 cm 土层土壤均处于酸、偏酸和适量的等级。土壤pH 值处于中变异水平, 各采样点之间差异较小。

0 ～＜20 cm 土层土壤有机质含量相对较丰富,但也有点位处于贫乏的等级; 有近一半点位的土壤碱解氮含量处于丰富的等级, 在较丰富、适量和贫乏的等级也有点位分布; 土壤有效磷含量在各等级均有分布, 呈强变异水平, 各点位之间差距较大;土壤速效钾含量基本处于较丰富和适量的等级。20 ～40 cm 土层土壤的有机质和碱解氮含量在各等级均有分布; 而土壤有效磷和速效钾含量适量, 均不存在点位处于极贫乏的等级, 其中大部分点位的有效磷含量处于较丰富和贫乏的等级, 而速效钾含量基本处于较丰富和适量的等级。各指标均处于中变异水平, 各点位之间的差距较小。

研究区域20 ～40 cm 土层土壤的土壤质量指数总体略高于0 ～＜20 cm 的土层土壤, 大部分土壤都处于三级的质量等级, 整体土壤肥力质量一般, 但也有少数点位处于二级和四级的质量等级, 土壤处于较肥沃或者瘦瘠的状况。