休耕對隴中旱農區農田土壤養分的影響

宋淑鈞, 崔小茹, 陳 雄, 陳其鮮, 楊 榮, 尤艷蓉

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院 臨澤內陸河流域研究站, 蘭州 730000; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.甘肅省農業技術推廣總站, 蘭州 730000; 4.定西市安定區農業技術推廣中心, 甘肅 定西 743000)

耕地是糧食安全的基本保障[1],然而由于人類不合理的利用[2],我國部分地區耕地質量逐漸降低,致使土壤養分含量發生變化[3],造成土壤污染、生態環境退化,對耕地環境與糧食安全構成極大威脅[4]。因此,加快推進耕地的治理修復工作,改善農田土壤環境,提高耕地質量成為近年來的研究熱點[1,5]。休耕是提高土壤肥力從而實現改良耕地質量的有效措施[6-7],在美國[8]、歐盟[9-10]和日本等[11]發達國家均有實施。2016年,國務院頒布《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》及后續出臺相關文件,對試點工作展開全面部署,并自此在我國多個省(區)開展休耕試點工作[12]。在此背景下研究休耕對農田土壤養分的影響,對區域提出有針對性的休耕模式從而提高土壤肥力、改善耕地質量和促進農業可持續發展具有重要意義。

近年來,關于休耕的研究主要集中在實行休耕制度存在的問題與實施現狀[1,6-7,12]、休耕政策農戶響應態度和行為[13-14]以及休耕的模式及效應等[15-16]方面。其中,關于休耕模式及效應研究在地下水漏斗區、重金屬污染區、西南喀斯特生態脆弱區、西北生態嚴重退化區四大典型試點區域均展開調研[1]。趙其國等[17]發現河北省石家莊、衡水、滄州等深層地下水漏斗區采用苜蓿—冬小麥—夏玉米等休耕輪作下休耕兩年后,土壤有機質提高8.6%,土壤全氮、速效磷、速效鉀含量平均提高15.8%,作物產量提高26.5%,具有顯著的節水、節肥、節藥效果。黃毅等[18]調查發現長沙、株洲等重金屬鎘、錳超標地區休耕模式治理兩年后,大面積水稻的鎘含量達標,土壤酸化得到有效緩解,生態環境得到極大改善。劉彥伶等[4]發現貴州省、云南省等西南石漠化區實行輪作休耕有效減少土壤侵蝕,采用間套作輪作技術使得地表植物覆蓋度大幅提高。高飛等[19]調查發現甘肅省河西土壤沙化、鹽漬化嚴重的古浪縣和東北部嚴重干旱的環縣等9個縣連續3 a休耕后,土壤有機質和全氮等養分含量均表現為增加的趨勢,土壤肥力得到初步恢復,耕地質量等級提升0.09等。盡管關于休耕對農田土壤養分影響的研究已開展很多,但在隴中旱農區相關研究報道仍比較少。

隴中旱農區農田土壤由于馬鈴薯多年連作,加之地力培肥不當,造成農田土壤退化,直接影響農業產業結構、農田產出水平及農產品質量。為使土壤得到修復,通過開展休耕試點,從而實現改良土壤、地力提升的效果,但是目前該區域針對休耕措施實施效果尚需數據支持。因此,本研究以隴中旱農區為研究對象,基于在2017—2019年對該區開展連續3 a的休耕試點工作,通過對休耕前后土壤養分的變化情況及不同種植模式土壤養分含量的差異對比分析,開展休耕對隴中旱農區農田土壤養分的影響研究,并對已開展的休耕試點工作進行有效的評估,以期為區域探索適宜的休耕模式和制定合理的土地管理措施以提高旱農區農田土壤質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省隴中旱農區中段安定區(35°17′—36°02′N,104°12′—105°01′E),隸屬于甘肅省定西市,海拔1 700～2 580 m,總土地面積3.6×105hm2,其中耕地面積1.5×105hm2。該區屬隴中黃土梁峁溝壑區,是典型大陸性氣候,屬中溫帶干旱半干旱區,年平均氣溫6.3℃,年平均日照時數2 500 h,≥10℃有效積溫2 239.1℃,無霜期130 d左右,多年平均降水量400 mm,有效降水量少,暴雨徑流多,雨量多集中在7—9月。地勢從西南山地向東北丘陵傾斜,山地下部為小型內官營盆地,丘陵之間為河流切割形成的溝谷階地。土壤類型分為黑壚土、灰鈣土、黃綿土和潮土4個類型。該區是一個以種植業為主的典型旱作雨養農業區,農作物種植以馬鈴薯和玉米為主。

休耕試點區安排在安定區北部馬鈴薯種植相對集中、多年連作現象突出和土地流轉集中的石泉、青嵐山、葛家岔、稱鉤驛、巉口、魯家溝、白碌7個鄉鎮37村實施。在試點區域內平均66.67 hm2耕地設立一個固定監測點,每個監測點面積2 000 m2左右,共建立休耕監測點41個,并在每個休耕監測點周邊選擇當地常規種植作物兩種(馬鈴薯和玉米)設置對照監測點。休耕監測點自2017—2019年實施休耕,休耕期間以綠肥種植替代常規農作物的種植,綠肥選擇毛苕子和箭筈豌豆混播,每666.67 m2其播種量分別為1.5 kg和5 kg,對照監測點采用馬鈴薯—玉米—馬鈴薯的輪作種植模式。這種混作模式是該區域推薦的較優化的綠肥種植模式,這兩種綠肥作物在西北地區較為常見,具有固氮作用的豆科作物減少對土壤中氮素的吸收量,且可以將一定量的氮素轉移給其他作物,可以把不能直接利用的氮氣固定轉化為作物可吸收利用的氮肥,是能實現供肥配肥和綠色生產的優良豆科綠肥作物。綠肥播種前及時翻耕,盛花期深翻還田,所有監測點內每666.67 m2增施商品有機肥50 kg,其中有機質≥40.0%,N+P2O5+K2O≥5%。

1.2 土壤監測數據

本研究的數據來自“甘肅省旱作區耕地休耕養地技術試驗研究與示范”和農業部“耕地輪作休耕制度試點”項目監測數據。在建立的休耕及對照監測點內,按照“隨機”“等量”和“多點混合”的原則,分別在休耕前后采集監測點及對照點耕層(0—20 cm)土壤樣品,休耕前的土壤樣品于2017年3月下旬—4上旬采集完成,休耕后的土壤樣品于2019年最后一季作物收獲后采集。樣品分析在甘肅省有色金屬地質勘探局蘭州礦產勘查院中心實驗室完成,采用常規分析方法[20]分析土壤有機質(SOM)、全氮( TN)、有效磷(AP)、速效鉀(AK)、pH值和交換性鈣、鎂等指標。

1.3 數據處理

對土壤養分數據進行描述性統計和正態分布檢驗。采用t檢驗比較休耕前后以及不同種植模式土壤養分的差異顯著性,其中對服從正態分布的指標進行配對樣本t檢驗(paired-samples t test),不服從正態分布的指標進行非參數檢驗中配對樣本威爾科克森符號秩檢驗(Wilcoxon signed rank test),顯著性水平以p<0.05表示。計算休耕前后各土壤養分指標的變化率,并對各養分指標變化率按照明顯增加、基本不變和明顯降低進行頻數統計。土壤基礎養分對休耕效果的影響采用回歸法分析,對休耕前土壤基礎養分與休耕后各土壤養分指標變化幅度進行擬合,確定兩者間的關系。用Pearson相關系數評價土壤養分指標之間的相關關系。采用Microsoft Excel 2019,SPSS 26.0和Origin 2021軟件進行數據處理、統計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 區域土壤養分含量描述性統計分析

對監測土壤養分含量總體進行描述統計分析,結果顯示(表1),SOM含量范圍介于4.10～32.48 g/kg,平均值為12.21 g/kg,變異系數為38.13%,偏度系數和峰度系數分別為1.37,2.63。TN、AP、AK、交換性鈣和交換性鎂分別在0.30～2.20 g/kg,0.60～50.64 mg/kg,83.06～385.17 mg/kg,35.25～60.81 cmol/kg(+),1.51～7.63 cmol/kg(+)范圍內變動,平均值分別為0.82 g/kg,10.86 mg/kg,173.12 mg/kg,44.37 cmol/kg(+),3.22 cmol/kg(+),變異系數分別為37.43%,77.84%,38.44%,22.63%,41.19%。pH值在8.16～9.13范圍內變動,平均值為8.62,變異系數為1.74%,偏度系數和峰度系數分別為-0.24,1.52。

表1 土壤養分含量指標的描述性統計(n=123)Table 1 Descriptive statistics of the indexes of soil nutrient contents(n=123)

2.2 休耕對土壤養分含量的影響

總體來看,休耕3 a后,土壤養分中SOM,TN和AK含量均增加,而AP,pH值和交換性鈣、鎂含量均降低。經正態性檢驗,土壤pH值服從正態分布,因此對休耕前后土壤pH值進行配對樣本均值差異性檢驗,其他指標進行配對樣本非參數檢驗。結果表明(表2),除AK以外,休耕前后SOM、TN、AP、土壤pH值和交換性鈣、鎂含量均存在顯著差異(p<0.05),其中交換性鈣鎂的變化極顯著(p<0.001)。休耕前SOM平均含量為10.94 g/kg,休耕后增加到13.07 g/kg,增幅為19.5%;休耕前TN平均含量為0.74 g/kg,休耕后增加到0.91 g/kg,增幅為23.0%;同樣,AK由休耕前的167.63 mg/kg增加到休耕后的183.06 mg/kg,增加了15.43 mg/kg,增幅為9.2% (p>0.05)。進一步比較各監測點休耕前后養分變化頻率(表3),休耕后51.2%的監測點SOM明顯增加,63.4%TN明顯增加,51.2%AK明顯增加。休耕前土壤AP平均含量由11.97 mg/kg,休耕后降低到9.36 mg/kg,降幅為21.8%;土壤pH值平均值由8.68降低到8.59,降幅為1.0%;休耕后交換性鈣含量發生顯著降低,降幅為36.5%,交換性鎂降幅為39.6%,以上4項指標分別有63.4%,56.1%,100.0%,92.7%的監測點休耕后明顯降低。

表2 休耕前后及不同種植模式土壤養分含量t檢驗結果(n=41)Table 2 The t-test results of soil nutrient contents before and after planting green manure of fallow and in different planting patterns(n=41)

表3 休耕前后土壤養分含量變化頻率Table 3 Statistics of variable amplitude frequency of soil nutrient contents before and after fallow in the pilot area %

休耕和非休耕對照比較結果表明(表2),SOM,TN,AK,pH值和交換性鎂含量均比對照區高,AP和交換性鈣均比對照區低。經正態性檢驗,土壤pH值服從正態分布,因此對不同種植模式下的土壤pH值進行配對樣本均值差異性檢驗,其他指標進行配對樣本非參數檢驗。結果表明(表2),綠肥種植休耕模式與基于馬鈴薯和玉米輪作種植的當地傳統模式之間只有TN和交換性鈣的含量有顯著差異(p<0.05),而其余土壤養分指標含量差異均不顯著(p>0.05)。其中休耕監測區TN平均含量為0.91 g/kg,對照區平均含量為0.82 g/kg,休耕區比對照區高11.0%;休耕監測區交換性鈣平均含量為37.10 cmol/kg(+),對照區平均含量為37.58 cmol/kg(+),休耕區比對照區低1.3%;休耕區SOM,AK,pH值和交換性鎂平均含量分別比對照區高3.5%,8.5%,0.1%,3.1%,AP平均含量比對照區低16.9%。

2.3 基礎養分對休耕后養分變化幅度的影響

將各養分指標休耕后的變化幅度與休耕前的基礎值之間分別采用線性、乘冪、指數、對數、二項式模型進行擬合,結果如圖1所示。除交換性鈣鎂,其他各養分指標休耕后的變化幅度均與基礎養分呈顯著關系,其中AP呈對數關系(R2=0.40,p<0.001),SOM,TN,AK和pH值均呈線性關系(R2=0.19,p<0.01,R2=0.27,p<0.001,R2=0.20,p<0.01,R2=0.41,p<0.001)。可以看出,各土壤養分指標的變化幅度都隨基礎含量的增加而降低,其中SOM,TN,AK和pH值的降低速率分別為10.70,164.61,0.42,9.30;當基礎養分中SOM,TN,AP和AK各指標以及pH基礎值分別大于14 g/kg,1.0 g/kg,18 mg/kg,160 mg/kg,8.6時,變化率為負值,表明休耕后養分含量減少。

注:SOM表示土壤有機質;TN表示全氮;AK表示有效鉀;AP表示有效磷;n表示樣本數量。*表示p<0.05;**表示p<0.01;***表示p<0.001。圖1 土壤基礎養分與變化率之間的回歸關系Fig. 1 Regression relationship between soil basic nutrients and its rate of change

2.4 土壤養分指標之間的關系

對休耕3 a后的休耕區和對照區各土壤養分指標進行相關分析,結果表明(表4),試驗區SOM,TN,AP和AK之間均呈顯著正相關關系(r>0.38,p<0.05),而對照區僅有SOM與TN,AK與AP之間有顯著正相關關系(p<0.01),Pearson相關系數分別為0.91,0.63。休耕區和對照區SOM和TN與交換性鈣均呈顯著正相關關系(p<0.01),與交換性鎂均呈顯著負相關關系(p<0.01)。休耕區SOM除與交換性鎂呈顯著負相關關系(r=-0.43,p<0.01),與TN,AP,AK以及交換性鈣均呈顯著正相關關系(p<0.01),Pearson相關系數分別為0.99,0.44,0.52,0.66。休耕區土壤pH值除與交換性鎂的相關性不顯著,與SOM,TN,AP,AK和交換性鈣均呈顯著負相關關系(p<0.01),Pearson相關系數分別為-0.69,-0.67,-0.49,-0.43,-0.65,而對照區土壤pH值與SOM,TN和交換性鈣呈顯著負相關關系(p<0.01),與交換性鎂呈顯著正相關關系(r=0.61,p<0.01)。

表4 土壤養分指標之間的相關系數(n=41)Table 4 Correlation coefficients between soil nutrient indexes (n=41)

3 討 論

土壤養分是耕地地力水平最直觀的表現指標,通常地力水平隨著其土壤養分含量的增加而提高[21]。農田土壤養分的豐缺程度除受土壤成土母質本身的影響外,還與施肥及耕作制度等因素有著密切關系[22]。已有許多研究表明[6,12],休耕可以改良土壤、提升耕地質量。本研究發現實施3 a的休耕后,休耕區SOM,TN和AK含量分別提高19.5%,22.6%,9.2%,可見休耕的確對土壤養分的提升起到有利的作用,這與其他研究的結果一致[17,19,23]。SOM是土壤中各種營養元素特別是氮、磷的重要來源,隨著SOM含量的增加,土壤中有效性氮、磷和鉀等營養元素的含量也隨之增加[24]。本研究中休耕使土壤各養分指標的提升主要原因是改變SOM狀況,分析休耕對有機質含量的提升原因一方面是由于休耕后隨著綠肥還田后通過翻壓腐解,增加了土壤中有機物質以及微量元素等養分[25],另一方面豆科作物具有固氮作用,可以把不能直接利用的氮氣固定轉化為作物可吸收利用的土壤養分元素。Pearson相關分析表明,休耕區SOM,TN,AP和AK之間均呈顯著正相關關系(p<0.01),已有許多研究也證明這一結論[3,26],并與對照區養分指標之間的相關分析對比發現,休耕同時增強上述土壤養分間的相關性。

土壤pH值是土壤的基本理化性質之一,是表征土壤養分狀況的重要指標,對土壤養分的形成、轉化、遷移和釋放等均有顯著的影響[27]。本試驗結果表明,通過實施3 a休耕試點,試驗區土壤pH值由8.68顯著降低到8.59,說明休耕使得試驗區土壤堿性程度降低,其主要原因是通過3 a實施綠肥作物休耕種植,施肥方式轉變,化肥施用量減少,從而調節土壤酸堿度,改良了堿性土壤。AK含量有所增加也是由于休耕過程中隨著土壤pH值下降,速效鉀向緩效鉀轉換能力減弱,即土壤鉀的固定能力減弱,因此速效鉀含量有所升高。本研究中休耕前后AP含量顯著降低(p<0.05),這與趙其國等[17]對河北省地下水漏斗區的研究結果不一致,這可能是由于休耕前研究區耕地的主要種植結構以及實施的休耕模式不同所致,本研究中休耕調整了試點區域耕地的主要種植結構,將糧食作物改種為綠肥作物,減少了化肥施用,但種植綠肥作物初期仍需要養分提供,如箭筈豌豆在生長過程中對土壤磷素消耗較多,因而導致部分養分含量降低。本研究還發現經休耕土壤交換性鈣和交換性鎂含量顯著降低(p<0.001),這可能是由于豆科綠肥作物根系分泌或翻壓還田后腐解產生的較多有機酸性物質使土壤堿性程度降低的同時,加速交換性鈣鎂自耕作層向下淋溶,土壤陽離子交換性一定程度有所下降,有研究表明,當pH值升高到7.5以上時,土壤中原有交換性離子的含量一半以上轉變成非交換態[28],從而導致土壤中的交換性鈣鎂含量降低。

分析土壤基礎養分對農田土壤休耕養分變化幅度的影響發現,土壤SOM,TN,AP,AK和pH值的變化幅度與休耕前土壤基礎養分含量均呈顯著負相關函數關系(p<0.01),即各養分指標休耕后的變化幅度隨其基礎含量的增加而降低,表明初始肥力較高的土壤休耕前后各養分指標變化幅度不大,甚至降低。可以看出,該研究區采用休耕的種植模式對基礎養分較差的農田土壤有更好土壤養分提升效果。因此,實際生產中,應根據土壤初始地力水平的特性,有針對性地采取不同的休耕模式,以更好地發揮土地生產潛力,更高效合理地補充養分和維持土壤較高肥力水平[29]。當然,休耕后土壤養分的變化幅度也可能受氣候、土壤類型、水分狀況等其他因素影響,這有待進一步研究證實。

研究區采用休耕模式在一定程度上提高了監測點土壤地力,但是與對照監測點相比,提升幅度較小。究其原因,主要可能是受到本研究休耕年限較短的影響,翻入土壤內的綠肥并未完全分解。這一結果也可能與所選用的休耕養地作物有關,有些作物在短期內休耕的效果就有所體現,而有些可能需要較長時間才可以達到相較種植傳統作物模式下土壤肥力明顯提升的效果,姜小鳳等[30]研究發現采用“隴豌2號”豌豆平衡土壤肥力休耕一季后土壤有機質和全氮含量顯著高于種植一季馬鈴薯,而本研究采用毛苕子和箭筈豌豆兩種豆科綠肥休耕,在短期內對土壤質量的提升有一定限度。土壤生態系統的性狀提升和修復是一個長期的過程,因此,要實現區域農田土地肥力提升和土地可持續利用,需對該地區繼續進行長期監測分析并對其休耕模式進一步探索,再進行休耕成效的判定。

4 結 論

隴中旱農區農田土壤綠肥種植休耕模式實施3 a,SOM和TN平均含量分別顯著提高19.5%,23.0%,AK平均含量提高9.2%,AP和交換性鈣、鎂含量顯著降低,且土壤堿性程度降低;休耕區SOM,TN,AP和AK之間均呈顯著正相關關系,土壤pH值除與交換性鎂的相關性不顯著,與SOM,TN,AP,AK和交換性鈣均呈顯著負相關關系,且均比對照區土壤養分間的相關性強;土壤養分休耕前后的變化幅度受土壤基礎養分的影響,SOM,TN,AP,AK和pH值的變化幅度與休耕前土壤基礎養分含量均呈顯著負相關函數關系,采取綠肥種植休耕對基礎養分較差的農田土壤更有提高地肥的效果;采用綠肥種植休耕模式一定程度提高農田土壤肥力,但相較于馬鈴薯—玉米—馬鈴薯輪作種植地力提升幅度較小,休耕在短期內對土壤質量的提升有一定限度。因此,適宜該區域改良土壤和培肥地力效果更好的休耕模式仍需繼續探索,因地制宜確立適宜的休耕模式及土地管理策略是提高土壤肥力和促進農業可持續發展的關鍵措施。