浙江省紅壤丘陵區旱地與水田土壤肥力的比較研究

童文彬,楊良覦,章明奎*

(1.浙江省衢江區土壤肥料技術推廣站,浙江 衢州 324022;2.浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

0 引言

紅壤地區自然條件優越,氣溫高,光照足,雨量充沛,宜種性廣,生產潛力大,是我國南方地區重要的土壤資源[1]。建國以來,我國在紅壤開發利用上取得了巨大的成就,通過推廣種植綠肥、施用磷肥及深耕與配施石灰等措施,顯著縮短了土壤的熟化時間,大面積的紅壤荒地成為耕地[2-6],形成了豐富多彩的土地利用模式,大大促進了紅壤地區農業經濟的發展和人民生活水平的提高。我國紅壤開發利用歷史大致經歷了以下3個階段:20世紀50年代開始在紅壤坡地種植旱作物,主要通過增施有機肥、施用石灰和磷肥來改良紅壤的酸、瘦、粘等不良性狀;20世紀60年代開始紅壤坡地改梯田、旱地改水田,加快了土壤的熟化,有效地減少了水土流失;20世紀70年代以后加強了紅壤綜合利用和綜合治理工作,從片面追求糧食產量向多種經營轉化,獲得了較好的經濟效益。紅壤改良利用過程中土壤肥力的演變一直是紅壤地區農技人員關心的重要問題,60多年來我國南方地區開展了大量的田間試驗,系統研究了肥料種類、施肥方式、種植模式和耕作制度等對紅壤肥力演變的影響。戴茨華等[7]的定位試驗研究表明：氮、磷、鉀配施能有效提高作物產量,但長期只施氮、磷肥可導致其它元素失衡,而有機肥和氮磷配施可顯著增加土壤有機質含量;年施有機肥30 t/hm2、不施化學鉀肥也能維持土壤鉀素平衡；紅壤磷素自然供給能力極低,施磷可顯著增加其速效磷含量。孫波等[8]通過兩個時段采樣結合田間長期定位試驗的研究表明：將紅壤荒地開墾為水田后土壤肥力有增加趨勢,旱地系統中速效磷和速效鉀含量增加;旱坡地紅壤全氮和速效鉀含量的變化與氮、鉀的平衡量顯著相關。王姍娜[9]對江西省進賢縣長期施肥條件下紅壤性水稻土肥力演變的研究表明：長期施用有機肥可提高紅壤性水稻土耕層的有機質、全氮與有效氮含量；施用含磷肥料可提高耕層土壤全磷和有效磷含量,其中以有機肥對土壤磷素含量的提升作用最為顯著;平衡施用化肥能夠維持作物較高的產量,化肥與有機肥配施是紅壤水稻土可持續的施肥模式。張桃林等[10]對集約農業利用下紅壤地區土壤肥力與環境質量的變化研究表明：一般農田的土壤有機質含量變化不大,而城郊菜地的土壤有機質和速效鉀含量有明顯增加;與傳統農區比較,集約化土壤酸化趨勢明顯；種植業結構調整、大量施用化肥和畜禽糞肥是造成土壤養分富集和失衡、土壤酸化的重要原因。張靜等[11]對不同土地利用方式下赤紅壤肥力的研究表明：利用方式可對土壤生物學性狀產生明顯的影響,果園土壤的微生物數量和酶活性顯著高于其它用地的；新墾旱地土壤的呼吸速率顯著增加,但微生物數量、酶活性顯著下降;高有機質含量和高肥力水平的土壤有利于微生物的生長和酶活性的提高。

雖然目前對影響紅壤肥力演變的因素已有較多的認識,但多數知識主要是在試驗條件下獲得的。實際上我國廣大紅壤地區的施肥模式、土地利用模式遠比試驗條件下復雜,而且在實際生產中還存在眾多不合理的現象,特別是近年來紅壤地區肥料結構發生了很大的變化,例如有機肥和石灰投入的明顯減少、化肥施用量的顯著增加等,這使得紅壤耕地土壤肥力的變化可能明顯不同于田間試驗的情況。為了更全面地了解我國南方地區紅壤肥力的狀況,特別是不同土地利用方式間土壤肥力變化的差異,為合理利用紅壤資源和科學施肥提供科學依據，筆者以浙江省為例,利用近期調查的耕地地力數據,比較研究了紅壤丘陵區旱地與水田的土壤肥力特征,并與自然紅壤進行了比較。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品情況

共從近期獲得的浙江省耕地地力調查數據中篩選出4738個完整的紅壤丘陵采樣點的分析數據(包括由自然紅壤開墾的旱地土壤和水田),按利用方式分為旱地(196個)和水田(4537個);同時,在丘陵區采集了150個自然紅壤樣品(利用方式為林地和荒地)。土壤采樣深度統一為0～20 cm。

1.2 分析方法

土壤分析按農業部耕地地力標準規范進行。其中,土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀氧化法；土壤pH值采用pH計測定；土壤全氮含量采用凱氏法測定；土壤有效磷含量采用Olsen法測定；土壤速效鉀含量采用醋酸銨提取-火焰光度計法測定。分析方法參見文獻[12]。試驗數據的統計分析在SPSS軟件上進行。

2 結果與分析

2.1 土壤酸堿度

統計結果表明,紅壤旱地和水田的酸堿度均有較大的變化,紅壤旱地的pH值最低為3.60,最高值為7.50;紅壤水田的pH值最低為3.60,最高值為7.55;水田的平均pH值高于旱地的,前者為5.53,后者為5.15。從pH值的分級組成來看(圖1),兩種利用方式的土壤pH值均以<5.5為主,紅壤水田占63.55%,紅壤旱地占68.37%。另外,紅壤旱地pH值<4.5的比例(19.39%)明顯高于紅壤水田的(4.50%)。兩種利用方式的中性及微堿性土壤的比例均很低,紅壤水田和紅壤旱地分別為5.84%和3.57%。這一結果說明,浙江省紅壤丘陵區耕地土壤酸化非常嚴重,但長期種植水稻有利于保持紅壤相對較高的pH值。

2.2 土壤有機質含量

紅壤旱地和水田的土壤有機質含量也有較大的變化,紅壤旱地的有機質含量在6.60～88.60 g/kg之間,平均為23.75 g/kg;紅壤水田的有機質含量在3.00～76.10 g/kg之間,平均為27.80 g/kg;兩種利用方式土壤的有機質平均含量均在中下水平(圖2),水田土壤有機質含量平均比旱地高17.05%。兩種利用方式的土壤有機質含量分級組成均以20～30 g/kg占優勢,都在40%以上;但10～20 g/kg級的比例旱地明顯高于水田,而30～40 g/kg級的比例旱地明顯低于水田。

圖1 土壤pH值的分級構成

圖2 土壤有機質和全氮含量的分級構成

2.3 土壤全氮含量

土壤全氮含量的變化趨勢與有機質含量相似,其中紅壤旱地的全氮含量在0.44～8.63 g/kg之間,平均為1.61 g/kg;紅壤水田的全氮含量在0.18～6.83 g/kg之間,平均為1.73 g/kg;兩種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%；它們的土壤全氮含量分級組成均以1.0～1.5 g/kg和1.5～2.0 g/kg占優勢(圖2),旱地和水田的這兩級比例之和分別為61.23%和51.56%。全氮含量為1.5～2.0 g/kg和>2.5 g/kg的比例水田明顯高于旱地。

2.4 土壤有效磷含量

從圖3可以看出：浙江省紅壤旱地的有效磷含量在0.15～500.00 mg/kg之間,其平均值為50.95 mg/kg,變異系數達188.32%;紅壤水田的有效磷含量在0.10～498.00 mg/kg之間,其平均值為27.90 mg/kg,變異系數達181.47%;旱地的有效磷平均含量比水田高82.61%。但兩種利用方式土壤的有效磷含量變化極大,且呈高、低二極化分布，其中,紅壤旱地有效磷含量超過40.00 mg/kg的比例達30.10%,低于10.00 mg/kg的比例也達35.72%,而處于中等的比例相對較低；紅壤水田有效磷含量超過40.00 mg/kg的比例為17.04%,而低于10.00 mg/kg的比例達44.84%,說明有較高比例的土壤存在磷素不足。

圖3 土壤有效磷和速效鉀含量的分級構成

2.5 土壤速效鉀含量

由圖3可見：紅壤旱地的速效鉀含量在25.00～532.00 mg/kg之間,平均為124.62 mg/kg,變異系數達70.49%;紅壤水田的速效鉀含量在8.00～599.00 mg/kg之間,平均為78.48 mg/kg,變異系數達68.85%;旱地的速效鉀平均含量比水田高58.79%。此外，紅壤水田的速效鉀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%)的速效鉀含量超過了150.00 mg/kg。紅壤旱地的速效鉀含量在80.00 mg/kg以下的比例為35.21%,超過150.00 mg/kg的土壤占26.02%。紅壤旱地速效鉀含量在100.00～200.00 mg/kg之間的比例明顯高于水田的。可見,總體上,旱地的土壤速效鉀含量高于水田的,且前者速效鉀含量的組成比例較為合理。

2.6 耕地土壤養分與自然土壤養分的比較

由表1可知：紅壤旱地的pH值低于自然紅壤的,表明種植旱地土壤呈現酸化趨勢；但水田的平均pH值高于自然紅壤的；紅壤水田的平均有機質含量高于自然紅壤的,平均含量前者比后者高9.15%;紅壤旱地的有機質含量低于自然紅壤的,前者比后者低6.75%；紅壤旱地和紅壤水田的全氮含量均高于自然紅壤的,分別比自然紅壤增加了25.78%和35.16%,表明氮肥的施用有利于土壤氮素的積累；紅壤旱地和紅壤水田的有效磷含量分別是自然紅壤的11.99和6.56倍；紅壤旱地的速效鉀含量比自然紅壤高26.19%,但紅壤水田的速效鉀含量比自然紅壤低35.16%。

表1 不同類型紅壤肥力指標的比較

3 討論

3.1 紅壤開墾農用后土壤固碳潛力的變化

土壤有機質含量是衡量土壤質量的重要指標,其受氣候因子、土壤理化性狀及土地利用方式、耕作制度、有機肥和化肥施用量等的影響[13-15]。本研究的結果表明,紅壤旱地的土壤有機質含量低于自然紅壤,這表明自然紅壤開墾為旱地后土壤有機質含量趨于下降,其原因可能是旱地環境下頻繁的耕作加速了土壤有機質的礦化,不利于土壤有機質的積累。相反,自然紅壤改為水田后其土壤有機質含量趨向增加,這與淹水種植導致通氣條件較差,減弱了土壤有機質的礦化,促進了土壤有機質的積累有關。這一結果表明,從土壤固碳的角度,水田是一種理想的利用方式,而旱地不利于土壤固碳。

3.2 土壤酸化的原因分析

紅壤是一類高度富鐵鋁化的土壤,由于風化強烈,土壤脫鹽基明顯,其本身的酸度較高,因此我國20世紀50～70年代在紅壤改良利用中把施用石灰作為有效的農業措施來推行,并獲得了良好的效果[1,16-17]。但近年來,我國許多地方施用石灰這一措施被逐漸弱化。水稻土的生境對土壤酸度有特殊的緩沖作用,隨著水稻種植年數的增加,水稻土會逐漸向中性方向發展,這與水稻土在淹水種植條件下土壤中鐵錳氧化物被還原時需消耗質子有關[18]。但從本研究的結果來看,無論是紅壤水田還是紅壤旱地土壤酸化都非常嚴重,這從另一方面證實了在紅壤地區耕地上施用石灰的重要性，也表明過量施用化肥已抵消了種植水稻對土壤酸化的緩沖作用。有研究表明,施用氮肥引起的土壤酸化作用較酸沉降的影響大25倍,長期的不合理施肥,特別是施用酸性和生理酸性肥料可造成土壤酸化[19-20]。因此,在酸化嚴重的紅壤地區控制化肥用量和配施石灰在農業生產中特別重要。

3.3 紅壤丘陵農地的磷肥和鉀肥的合理施用

磷和鉀是農作物生長必需的大量元素,而紅壤地區由于土壤的強烈風化,土壤鉀素和磷素常顯不足,因此近40年來我國在紅壤地區推行了磷肥與鉀肥的施用[21-22]。從本研究的結果來看,紅壤地區推行磷肥的施用已取得了明顯的效果,紅壤旱地和紅壤水田的有效磷含量分別是自然紅壤的11.99和6.56倍。但從土壤有效磷含量的分級組成來看：浙江省紅壤地區土壤有效磷含量極不平衡,最高值與最低值相差懸殊,紅壤旱地和水田的有效磷含量的變異系數分別達188.32%和181.47%;紅壤旱地和紅壤水田土壤有效磷含量低于10.00 mg/kg的比例分別達到了35.72%和44.84%,而適合作物生長的有效磷含量中等的比例較低；同時有17.04%的紅壤旱地和30.10%的紅壤水田的土壤磷素過度積累(>40 mg/kg),可能會引起明顯的農業面源污染。自然紅壤農用后,旱地的速效鉀含量比自然紅壤高26.19%,表明紅壤地區鉀肥用量的增加在一定程度上提高了旱地土壤速效鉀的水平;但紅壤水田的土壤速效鉀含量比自然紅壤低 35.16%,表明水田環境不利于速效鉀的積累和提升。可見自然紅壤農用后種植水稻可能會加快土壤鉀素的衰減,這要求我們今后要加強研究與改進紅壤水田的鉀肥管理模式。總體上,浙江省紅壤地區土壤的磷鉀肥施用存在較多的不合理現象,推行配方施肥仍然是維持這一區域土壤地力的重要措施。

4 結論

紅壤丘陵區旱地與水田土壤均呈現顯著的酸化,旱地土壤酸度大于水田;施氮有利于紅壤地區土壤氮素的積累,但旱作條件不利于土壤有機質的積累；在紅壤地區推行磷肥的施用已明顯提高了土壤有效磷的水平。與自然紅壤相比,水田土壤的有機質、全氮、有效磷含量和pH值呈現上升趨勢,速效鉀含量呈現顯著的下降;而旱地土壤的全氮、有效磷和速效鉀含量呈現上升趨勢,有機質含量和pH值呈現下降趨勢。無論是紅壤旱地還是紅壤水田，其土壤養分含量在空間上均存在很大的變異,不同地區間土壤養分含量存在明顯的不平衡現象,缺磷和缺鉀問題依然突出。因此,完善測土配方施肥工作仍是這一地區土壤養分管理的重要手段。