上海市奉賢區農田土壤肥力現狀及變化特征

顧建芹,江 健

(上海市奉賢區農業技術推廣中心,上海 201499)

肥力是土壤的基本屬性,肥力高低影響著耕地質量的優劣。隨著時代的不斷演替,土壤的利用方式、施肥水平、管理措施和耕作方法都會在短時間內影響土壤養分變化的方向和程度,同時,不同土壤類型、氣候和生物等因素,也會導致同一地區不同區域的土壤肥力水平出現較大差異[1-2]。從20世紀70年代,一些學者就利用地統計學開始進行土壤特性的空間變異研究,但大都停留在對土壤空間變異性的定性描述上。目前,地理信息系統技術(GIS)的應用越來越廣泛,其與地統計學結合可用來分析土壤養分空間變化規律,有效揭示土壤空間變異的特征,使土壤的空間變異研究實現定量化[3-7]。梁斌等[8]運用地統計學與GIS相結合的研究方法,揭示了北京西部山區土壤養分空間變異特征和影響因素,表明土壤養分整體分布格局的空間相關性水平較強;張華杰等[9]研究表明,有機質和速效鉀的空間變異性主要與成土母質、土壤類型、氣候條件等有關,堿解氮、速效磷的空間變異性與耕作方式及農業生產中施肥量等有關;陳桂香等[10]研究了福州市農田土壤養分含量空間豐缺差異,發現大部分地區有機質和有效磷含量較為豐富,堿解氮含量處于中等偏上水平,速效鉀含量相對較低。但已有研究大多是在短時間尺度上分析土壤養分的空間變異性,而在長時間尺度上對土壤養分變化進行的研究相對較少。2009—2018年在奉賢區主要農田土壤上陸續建立了120個土壤耕作層養分長期定位監測點,本研究通過連續性土樣采集與檢測分析,應用Kriging插值法,繪制土壤養分分布圖,以準確、直觀地了解整個奉賢區農田的土壤養分空間分布狀況,為后續農業生產的精確施肥及其他農田精準管理提供技術指導。

1 研究方法

1.1 監測范圍

根據耕地質量等級和耕地面積、種植業結構等實際情況,從2009年開始,連續10年定位監測奉賢區主要農田的土壤肥力變化情況。監測點位分為糧田、菜田、果園三大類,共設置120個點位,其中在糧田布點78個,菜田28個,果園14個(圖1)。

圖1 農田土壤采樣點分布Fig.1 Distribution of farmland soil samples

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品采集時間集中在每年11月,即農田作物收獲后,且尚未翻耕、施肥及后茬作物種植前。土樣采集按照NY∕T1 121.1—2006方法進行,糧田、菜田取樣層為0—20 cm,果園取樣層為0—40 cm,風干后備用。土樣主要分析有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量和pH[11],并運用ArcGIS 9.0軟件生成Kriging插值,繪制成可視的土壤養分空間分布圖。

1.3 分級標準

參照上海市耕地質量監測指標分級標準(表1),對土壤中的養分含量及pH進行等級劃分和肥力水平分析。為提高土壤肥力評價結果的準確性,采用X±3S(X為平均值,S為標準差)作為篩選檢測數據異常值的標準,大于或小于3S的值不統計。

表1 土壤各養分指標分級標準Table 1 Grading standard of each soil fertility indexes

2 結果與分析

2.1 農田土壤肥力現狀

由表2和圖2可知,奉賢區總體土壤養分較為充足,各指標集中分布在1—3級。有機質含量18.7—38.4 g∕kg,糧田>菜田>果園,2級和3級占98.88%,屬較豐富水平。堿解氮含量28.8—248 mg∕kg,果園>菜田>糧田,3級占45%,為最高;其次是4級和2級,分別占30%和18.33%。有效磷含量15.3—167 mg∕kg,菜田>果園>糧田,1級最多,占50%,無4級、5級農田土壤。速效鉀含量分布呈階梯狀,范圍為58.8—282 mg∕kg,菜田>果園>糧田,98.25%農田土壤的速效鉀含量較充足,但還有1.75%土壤速效鉀含量低于臨界值60 mg∕kg,屬缺鉀狀態。pH為5.32—7.51,糧田>菜田>果園,1級和2級占95%,總體較好。

表2 奉賢區2018年農田土壤主要養分平均含量Table 2 Average contents of farmland soil fertility in Fengxian District in 2018

2.2 農田土壤養分空間插值分析

土壤養分處于時刻變化中,具有高度的空間特異性,各養分空間分布圖可以作為精準農業中變量施肥的依據[12-14]。由圖3可知,奉賢區土壤有機質分布較均勻,在15—35 g∕kg,高于35 g∕kg的田塊出現在西部莊行鎮。堿解氮受土壤質地、地形狀況及生產方式等影響,表現出強烈的空間差異性,區域內分布不均衡,呈東低西高、北少南多趨勢。有效磷西部略高于東部,未出現缺磷現象,菜田和果園的土壤有效磷積累較快,糧田相對較慢,故菜田和果園應少施或一段時期內不施磷肥。速效鉀空間分布為中部>西部>東部,含量較低(≤90 mg∕kg)的農田主要分布在奉賢區西北部,位于莊行鎮北部與西渡街道交界處,其余各鎮有零星分布。土壤pH為5.5—7.5,多呈中性偏酸,表現為西部較低,往東略微升高的趨勢,這與東西部農田土壤的形成有關,西部土壤發育于湖河母質,東部為江海母質。鑒于土壤養分要素的空間特性,在施肥上應實行分片管理。土壤有效磷和速效鉀養分較為充盈,應根據所栽培作物需肥特點適當施肥,而土壤堿解氮含量低于100 mg∕kg的農田,應根據實際情況,酌情增施氮肥,以提高作物產量或改善土壤養分。

圖3 奉賢區土壤養分空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil fertility in Fengxian District

2.3 農田土壤肥力變化趨勢

奉賢區農田土壤有機質平均含量呈逐年平緩上升趨勢(圖4a),年平均增長0.58 g∕kg,增幅2.84%。有機質含量的高低也與種植的作物有關,不同利用方式土壤的有機質含量變化呈波動上升趨勢。

堿解氮含量年際變化相對平穩,糧田和果園變化不大,菜田波動較大(圖4b)。受投入氮肥量的影響,堿解氮含量在不同利用方式土壤年際間有一定差異,糧田總體較低。

有效磷含量年際變化無明顯規律,菜田和果園變化較大,糧田略平穩(圖4c)。菜田和果園明顯高于糧田,為糧田的2倍以上。土壤有效磷較高易造成土壤板結,影響作物生長和肥效利用。

速效鉀含量總體較充足,2009—2013年有小幅增長,2014年出現大幅下滑,2016年后逐漸平穩,年際變化較小(圖4d)。奉賢區統計年鑒顯示,2014年夏熟作物播種面積為6 355.8 hm2,2017年、2018年分別降至968.3 hm2和623.7 hm2。夏熟作物播種面積急劇下降,秸稈還田量大幅減少,易導致土壤中速效鉀含量降低。不同利用方式土壤的速效鉀含量年際變化趨勢較為相似,歷年相對含量是果園>菜田>糧田。

pH年際變化趨勢較為平緩,除2010年和2011年有小幅提高外,其余年際值均緩慢降低,且菜田、果園的下降程度大于糧田(圖4e)。其原因可能是長期施用化肥,特別是過量施用氮肥,土壤中硝酸根和亞硝酸根離子增加,引起耕作層pH顯著降低,加重土壤酸化[15-16]。

3 討論

土壤養分含量狀況可在一定程度上反映土壤類型的差別和土壤利用方式的變化。研究表明,不同種植模式和土壤類型對土壤肥力影響顯著[17-20]。上海市奉賢區農田土壤養分總的趨勢為糧田的堿解氮、有效磷和速效鉀年均含量低于菜田和果園,且年際變化相對平穩。其主要原因是不同作物的種植模式、養分需求和施肥量不同所致。

奉賢區土壤發育于沉積母質,土壤的黏土礦物以水云母為主,鉀素貯量較多[21],故農田土壤鉀素含量相對富余。鉀肥多用于經濟作物,長期施用能提高土壤速效鉀含量[22],這與本研究中土壤速效鉀含量年際變化情況一致,果園土壤速效鉀含量較高,而糧田累積鉀素較少。在實際生產中,要注意不同土壤利用方式的鉀素投入的不平衡性,糧田要加強秸稈還田的力度并注重不同鉀肥的使用。

利用Kriging插值法并結合養分指標分級標準對內插結果進行分級,所得的空間分布圖能較好反映奉賢區主要農田土壤養分的空間變化特征和豐缺情況。各指標要素中,pH多中性偏酸,由西往東緩慢升高,土壤有機質、有效磷和速效鉀含量總體較為豐富,區域內分布較均勻,堿解氮則呈現強烈的空間差異,東低西高、北少南多。因此,需根據土壤養分的空間分布情況,調整養分投入,進行變量施肥,以提高土壤養分利用水平,減少過量施肥帶來的負面效應。

4 結論

目前,奉賢區主要農田土壤養分含量總體較為豐富,除土壤堿解氮平均含量處于3級標準外,其他田塊的養分平均含量處于1級和2級標準,4級、5級標準的田塊較少;各土壤養分含量在空間上有較好的分布格局,有機質、有效磷、速效鉀和pH的空間變化較均勻,而堿解氮有明顯的區域分布特征,變化較大。2009—2018年定位監測點的土壤養分數據表明,奉賢區農田土壤有機質含量呈逐年上升趨勢,堿解氮、有效磷和速效鉀含量較高,年際變化相對較大。