甘肅河西綠洲灌區農田耕層土壤養分調查與評價

黃濤,車宗賢,趙欣楠,袁金華,俄勝哲

(甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070)

土壤養分是植物營養的主要來源，在農業生產中為了滿足農作物對營養的需求，在土壤養分不足時需施肥，而經濟合理的施肥要以土壤養分含量為依據[1-2].土壤養分是評價土壤肥力的基礎，作為土壤肥力的主要衡量指標，其含量直接決定土壤肥力水平的高低，進而影響作物的生長發育、產量形成與品質狀況[3-4].由于自然和人為因素的影響，不同類型的土壤其養分含量差異較大[5]，土地利用類型對養分的時空分布具有顯著影響[6].反過來講，土壤養分含量也通過影響植被的分布和生長狀況進而影響土壤的類型[7].對土壤養分進行科學管理和平衡施肥，是影響農業可持續發展的核心問題[3]，并且隨著農業現代化的快速發展和化肥使用量的逐步增加而顯得越發突出[8].因此，研究特定區域土壤養分的分布和等級劃分，對土壤養分資源的科學管理和合理利用具有重要指導意義.有針對性地進行測土配方施肥，既可節約生產成本、提高作物生產率，又可實現對土壤養分資源的合理利用進而提高肥料利用率，維持土壤的可持續生產能力[9].通過對特定區域土壤樣品采集分析，獲得土壤養分含量的本底資料，利用土壤養分含量分級標準評價土壤養分狀況，按照作物目標產量和外源營養元素補給量，有效地進行土壤養分施肥管理，達到最佳經濟施肥而實現土壤保育的目的.因此，本文對河西綠洲灌區農田耕層土壤養分進行了系統分析和評價，以期為該區域作物生產的高產高效施肥管理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 甘肅河西綠洲灌區基本情況

甘肅河西綠洲灌區地處甘肅省西北部，總面積約27萬 km2，占全省國土總面積約60%.全區轄嘉峪關、酒泉、張掖、金昌和武威5個地級市，總人口約500萬.區域內自西向東分布著隸屬于疏勒河、黑河及石羊河三大水系的疏勒河流域、黑河流域及石羊河流域，地下水開采量大，主要用于農業灌溉，占總用水量的80%，可利用水逐漸減少.該區地帶性土壤為灌漠土和灌淤土，耕地海拔1 000～1 500 m，降水少(80～160 mm)，潛在蒸發量大(2 000～3 000 mm)，氣候干燥(5.85～ 31.14)，屬中國西北干旱荒漠生物氣候帶.該區日照充足，年均日照時數為2 945～3 245 h，太陽輻射(5 984～6 330)×104J/m2，年均氣溫7.0～9.3 ℃，≥0 ℃與≥10 ℃積溫分別為3 513～4 085 ℃與2 985～3 611 ℃，無霜期140～170 d，屬于典型一年一熟的耕作區.該區種植的作物以小麥、玉米為主，另有少量水稻、高粱、馬鈴薯.

1.2 在河西綠洲灌區的采樣點分布

在甘肅河西綠洲灌區，選取酒泉市管轄的敦煌、玉門縣級市及肅州區、張掖市的甘州區、臨澤縣、民樂縣、山丹縣，金昌市金川區，武威市的涼州區、天祝縣等地行政村的典型地塊.作物收獲后通過GPS定點采集2011年和2017年0～20 cm耕作層土壤樣品.采集的土壤樣品通過預處理、風干、研磨、過篩后進行各項目指標的測定.

1.3 土壤養分的監測指標與評價依據

監測指標：土壤全氮、有機質、速效磷、速效鉀及pH.

評價依據：結合全國第 2 次土壤普查的土壤肥力分級標準和甘肅省的實際制定以上檢測指標的分級依據(表1)[10].

表1 土壤養分含量分級標準Table 1 Standard for soil nutrient classification

1.4 土壤養分測定

土壤全氮：采用半微量凱氏定氮法；土壤有機質：采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法；土壤速效磷：采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法；土壤速效鉀：采用乙酸銨浸提-火焰光度法；土壤pH：土水比為1∶2.5，采用PHS-25數顯pH計測定.

1.5 數據統計分析

使用 Microsoft Excel 2007 進行數據處理，計算標準差、平均值、變異系數等，并繪制圖表.利用SPSS 17.0軟件Duncan法進行統計分析.

2 結果與分析

2.1 甘肅省河西綠洲灌區農田耕層土壤養分及pH的差異性分析

土壤養分含量的變異狀況能夠較好地反映出土壤養分含量的空間分布特征.通常認為樣本的變異系數CV≤10%時為弱變異，10%100%為強變異.由表2可知，甘肅省河西綠洲灌區不同市域土壤養分均處于中等變異，pH處于弱變異.4個市域在兩個測定年份，均以金昌市農田耕層土壤養分變異程度較小，土壤養分的變異系數表現為速效鉀>速效磷>有機質>全氮.酒泉市、張掖市、武威市農田耕層土壤養分變異程度較大，2011年表現為速效鉀>速效磷>有機質>全氮，2017年表現為速效磷>速效鉀>有機質>全氮.4個市域pH 變異系數最小，為1.10～2.50.

表2 不同地方農田耕層土壤養分及pH的差異性分析Table 2 Analysis on the difference of soil nutrient and pH in different agricultural regions

2.2 甘肅省河西綠洲灌區農田耕層土壤養分含量及pH值

就不同市域而言，張掖市、武威市農田耕層土壤養分含量均高于酒泉市與金昌市(表3).與酒泉市農田耕層土壤養分含量相比，2011年張掖市農田耕層土壤全氮、有機質、速效磷、速效鉀分別高75.4%、77.7%、76.3%、42.8%，2017年，土壤全氮、有機質、速效鉀含量分別高63.4%、98.9%、41.9%，但速效磷含量低19.3%；與酒泉市農田耕層土壤養分含量相比，2011年，武威市農田耕層土壤全氮、有機質、速效磷、速效鉀含量分別高114.1%、140.5%、74.9%、41.6%，2017年，以上指標分別高139.4%、186.2%、9.4%、43.9%.與金昌市農田耕層土壤養分含量相比，2011年，張掖市農田耕層土壤全氮、有機質、速效磷、速效鉀含量分別高80.4%、79.8%、108.6%、159.7%，2017年，以上指標分別高84.3%、71.9%、156.8%、123.2%；與金昌市農田耕層土壤養分含量相比，2011年，武威市農田耕層土壤全氮、有機質、速效磷、速效鉀含量分別高158.7%、143.4%、106.9%、157.4%，2017年，以上指標分別高169.9%、147.4%、248.1%、126.3%.與酒泉市相比，2011年武威市農田耕層土壤全氮與有機質分別高43.4%與35.3%，2017年分別高139.4%與186.2%.從河西綠洲灌區所選取的4市域農田耕層養分含量分析可知，武威市與張掖市農田土壤肥力高于酒泉市與金昌市，在實際作物生產中可適量減少對無機化肥的投入，促使肥料有效利用.

表3 不同區域農田耕層土壤養分含量及pH分析Table 3 Soil nutrient content and pH in different agricultural regions

就同一市域不同縣區而言，酒泉市肅州區農田耕作土壤全氮與有機質含量均高于敦煌與玉門市.肅州區2011年分別高52.5%與57.5%，2017年分別高40.3%與54.3%.隨著耕種時間的推進，2017年酒泉市肅州區農田耕作土壤速效磷與速效鉀含量較敦煌與玉門市分別高25.9%與18.7%.張掖市甘州區、民樂縣、山丹縣農田土壤全氮與有機碳含量均高于臨澤縣，全氮含量2011年比臨澤縣分別高20.6%、26.5%、34.8%，2017年分別高22.0%、19.7%、38.9%，其中以山丹縣農田土壤全氮含量最高，比甘州區、民樂縣2011年分別高11.7%、6.5%，2017年分別高13.9%、16.1%；有機碳含量2011年分別比臨澤縣高22.0%、19.7%、38.9%，2017年分別高5.6%、27.3%、15.4%，其中仍以山丹縣農田土壤有機質含量較高，比甘州區兩年度年分別高13.9%、14.7%.速效磷與速效鉀含量以臨澤縣相對較低.武威市天祝縣農田耕層土壤全氮與有機質含量均高于涼州區，2011與2017年全氮分別高84.8%與89.2%，有機質分別高75.9%與87.4%，2011年涼州區農田耕層速效磷含量高于天祝縣，但速效鉀含量低于天祝縣，2017年則相反.

2.3 甘肅省河西綠洲灌區農田耕層土壤養分狀況評價

依據表1中標準對甘肅省河西綠洲灌區不同市域縣農田耕層土壤養分進行評價，結果見表4.河西灌區的酒泉市農田耕層土壤全氮與有機質處于虧缺狀態，速效磷與速效鉀的含量處于中等偏上狀態.張掖市甘州區、民樂縣與山丹縣農田耕層土壤的全氮與有機質處于中等水平，但臨澤縣處于虧缺態勢，張掖市4縣區的速效磷與速效鉀均處于較為豐富狀態.金昌市金川區農田耕層土壤的全氮、有機質、速效鉀含量均較少，處于匱乏狀態，但速效磷含量處于中等水平.相對于地理位置更偏西的市縣區，河西綠洲灌區東端的武威市涼州區與天祝縣農田耕層土壤養分含量均相對豐富，具有相對較高的土壤肥力，在生產實踐中，可適量減少無機化肥的投入，增加有機肥投入，維持土壤肥力，促進農業生產的可持續發展.

表4 不同區域農田耕層土壤養分狀況評價Table 4 Evaluation of soil nutrients in different agricultural regions

2.4 甘肅省河西綠洲灌區農田耕層土壤養分的變化態勢

依據兩個土壤養分調查年份的差異可知(表5)，酒泉市的3個縣區，土壤有機質處于耗竭態勢，隨著耕種時間的推進，有機質含量呈顯著下降趨勢，全氮含量差異不明顯，敦煌市與肅州區保持較高的速效磷含量，玉門市速效鉀含量較高，處于富集狀態.張掖市甘州區農田土壤養分均處于耗竭狀態，改善耕作制度亟待進行，民樂縣土壤養分均處于提升趨勢，農業生產活動較為合理；臨澤縣土壤全氮、有機質及速效鉀含量處于提升態勢，但不及民樂縣，還需進一步優化農業生產方式；山丹縣雖然速效磷與速效鉀含量穩步提升，但土壤全氮與有機質處于消耗趨勢，需通過優化農業生產活動，維持土壤肥力.金昌市金川區農田土壤全氮、有機質與速效磷含量變化不大，但速效鉀處于富集狀態，需優化種植方式與耕作措施，維持農業生產的農田養分基本供應水平.武威市通過優化種植業結構、改良耕作措施，使得涼州區與天祝縣隨著耕種時間的推進土壤肥力處于改良態勢，特別是天祝縣土壤養分含量提高幅度較大.

表5 兩個測定年份不同區域農田耕層土壤養分差異Table 5 The difference of soil nutrients in different agricultural regions across the two measured years

3 討論

土壤養分是自然因素和人為因素共同作用的結果，是土壤肥力的重要組成部分，對土壤生態系統結構與功能有著重要影響[11-12].在自然因素中，土壤養分含量主要受母質、氣候、生物、地形和時間等五大成土因素的調控.在人為因素中，土地利用方式是人類干預土壤肥力最直接、最重要的活動[13]，通過改變土壤的水熱條件、土壤養分總量等來影響土壤養分的遷移變化，從而導致土壤肥力的變化[14].現代農業生產中，人為因素對土壤的操縱顯著影響土壤理化性質進而影響土壤肥力.

土壤容重是土壤緊實度的敏感性表征指標，也是評價土壤肥力的重要參數，在一定程度能上反映土壤持水能力和土壤結構的穩定狀態，進而影響土壤水、肥、氣、熱條件和作物根系養分傳輸[15].土壤容重大小受土壤質地、地理環境、有機質含量及各種自然和農事管理措施等因素的影響[16].土壤的酸堿度影響植物的生長和土壤養分的轉化及有效性，適量降低土壤pH值能夠明顯改善土壤的緩沖性能，利于農作物生長[17].甘肅河西綠洲灌區是我國制種玉米的主要生產基地，特別是張掖市與酒泉市種植玉米管理方便，效益高，由于長期連作，生產實踐中種植戶為持續謀求高產而無視土壤養分變化，大量使用復合性化學肥料，導致土壤自身的供肥能力下降，土壤承載力退化，金昌市與武威市又是高原夏菜、小麥、玉米的主要產地，與酒泉與張掖市一樣，高產穩產源于購買性資源的大量投入，特別是無機化肥的投入對土壤自身的保肥供肥水平造成較大沖擊，導致土壤更加貧瘠.

在河西綠洲灌區，因光熱資源豐富，可通過優化種植模式，采取高產高效施肥管理技術可有效調控長期連作導致的土壤板結進而引起土壤養分下降的不利影響，諸如休耕、輪作、復種、間套作模式均有利于增加土壤肥力.相關研究認為間作套種可增加農田生態系統作物種類多樣性，不同的根基分泌物能改善土壤微環境，活化土壤中難溶性養分，增加體系養分累積量，進而提高土壤養分的利用效率[18-19].同樣，通過草田輪作也可降低土壤容重，影響表層土壤團聚體，形成良好的土壤結構，改善土壤的滲透性能，增加土壤養分積累[20].因而，合理的種植制度及作物種類可以提高資源利用率及土壤肥力.

不同種植模式因在耕作制度、管理模式、肥料投入等的差異，導致農田被利用的強度各不相同，對土壤肥力狀況產生了差異性影響.已有研究表明，長期連作會造成土壤酶活性和有機質含量降低，若采用輪作可以提高土壤酶活性，改善土壤養分供應能力，提高土壤肥力[21].另有研究發現，與單作農田相比，合理的間作可有效改良土壤理化性質，增加土壤有機質，提高土壤肥力[22].少免耕秸稈還田或者插種綠肥休耕輪作可改善土壤水熱環境與土壤理化性質，提高土壤有機質而培肥土壤[23].

因此，農業生產實踐中，通過合理配置種植模式、耕作方式及品種搭配，可有效緩解長期連作及傳統耕作造成的土壤養分耗竭，土壤供肥能力較差等問題，特別是在灌溉農業區可消除土壤板結及肥料淋失對農田及作物生長造成的不利影響.

4 結論

甘肅河西綠洲灌區土壤總體呈偏堿性，全氮與有機質含量匱乏，速效磷與速效鉀含量中等偏上.武威市與張掖市的土壤養分含量高于酒泉市與金昌市，隨著耕種時間的推進，酒泉市土壤有機質下降趨勢明顯，張掖市的民樂縣與武威市的天祝縣土壤全氮、有機質、速效磷與速效鉀均呈增加趨勢.建議在酒泉市與張掖市的甘州區、臨澤縣、山丹縣及金昌市金川區，采取土壤培肥措施，諸如增施有機肥或秸稈還田，氮肥以追施為主，適量補充磷鉀肥，通過優化土壤理化性質，改善土壤肥力狀況，增強土壤的可持續性.