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近30年我国典型水稻土肥力演变特征

武红亮 王士超 闫志浩 槐圣昌 马常宝 薛彦东 徐明岗 卢昌艾

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近30年我国典型水稻土肥力演变特征

    作者简介: 武红亮 E-mail: wuhonglianglj@163.com;
    通讯作者: 卢昌艾, E-mail:luchangai@caas.cn

Evolution characteristics of fertility of typical paddy soil in China in recent 30 years

    Corresponding author: LU Chang-ai, E-mail:luchangai@caas.cn
  • 摘要: 【目的】 水稻土是我国面积最大、分布最广的耕地土壤类型,水稻产量约占全国粮食总产量的二分之一,明确水稻土养分演变规律对其质量建设和生产力输出有重要意义。本研究拟以136个国家级水稻土长期定位监测点为平台,对20世纪80年代以来近30年的水稻土肥力和生产力水平进行分析,以期探明我国水稻土肥力和生产力的演变特征,为水稻土合理培肥管理提供科学依据和指导。 【方法】 利用时间趋势分析结合平均值及中值分析的方法对水稻土常规施肥下土壤养分和作物产量的变化趋势进行了分析,分别总结了水稻土有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH以及作物产量在不同监测时期的演变特征和总体变化趋势;运用主成分分析和冗余分析分别对上述5个肥力因子和作物产量进行分析,得出水稻土肥力演变的主要贡献因子和影响水稻土作物产量的主控肥力因子。 【结果】 近30年常规施肥下水稻土肥力监测结果显示,与监测初期相比,水稻土有机质 (31.3~32.2 g/kg) 和全氮 (1.88~1.92 g/kg) 含量基本稳定,土壤速效养分含量明显升高。2012—2016年间水稻土有效磷平均含量 (20.1 mg/kg),比监测初期平均值 (15.2 mg/kg) 显著提高了32.2%;2012—2016年间水稻土速效钾平均含量 (92.1 mg/kg) 比监测初期 (77.8 mg/kg) 提高了18.4%。经过近30年施肥,水稻土pH值下降了0.35个单位。主成分分析结果表明,水稻土肥力提高的两个决定因子是土壤速效钾和有效磷。冗余分析结果表明,影响作物产量的主要肥力因子是土壤速效钾、有效磷和有机质。 【结论】 近30年农民习惯施肥管理模式下,水稻土整体肥力略有提高,生产力水平明显提高,但土壤pH值降低,有酸化趋势;水稻土肥力演变的主要障碍因子是土壤有机质和全氮,所以水稻土培肥应该在平衡施用氮磷钾肥的基础上合理配施有机肥或秸秆。
  • 图 1  常规施肥下水稻土肥力和pH近30年的变化

    Figure 1.  Trends of soil fertility and pH under conventional fertilization in paddy soil for the past 30 years

    图 2  常规施肥区水稻、小麦产量30年变化趋势

    Figure 2.  Trend of rice and wheat yields during the past 30 years in tested area

    图 3  施肥区与无肥区作物产量关系

    Figure 3.  Relationship between crop yield in fertilization area and yield in no-fertilization area

    图 4  水稻土肥力演变主成分分析

    Figure 4.  Principal component analysis of fertility in black soil

    图 5  作物产量与土壤肥力响应关系

    Figure 5.  The response relationship between crop yield and soil fertility

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-14
  • 刊出日期:  2018-11-01

近30年我国典型水稻土肥力演变特征

    作者简介:武红亮 E-mail: wuhonglianglj@163.com
    通讯作者: 卢昌艾, luchangai@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 2. 农业部耕地质量监测保护中心,北京 100125

摘要:  目的 水稻土是我国面积最大、分布最广的耕地土壤类型,水稻产量约占全国粮食总产量的二分之一,明确水稻土养分演变规律对其质量建设和生产力输出有重要意义。本研究拟以136个国家级水稻土长期定位监测点为平台,对20世纪80年代以来近30年的水稻土肥力和生产力水平进行分析,以期探明我国水稻土肥力和生产力的演变特征,为水稻土合理培肥管理提供科学依据和指导。 方法 利用时间趋势分析结合平均值及中值分析的方法对水稻土常规施肥下土壤养分和作物产量的变化趋势进行了分析,分别总结了水稻土有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH以及作物产量在不同监测时期的演变特征和总体变化趋势;运用主成分分析和冗余分析分别对上述5个肥力因子和作物产量进行分析,得出水稻土肥力演变的主要贡献因子和影响水稻土作物产量的主控肥力因子。 结果 近30年常规施肥下水稻土肥力监测结果显示,与监测初期相比,水稻土有机质 (31.3~32.2 g/kg) 和全氮 (1.88~1.92 g/kg) 含量基本稳定,土壤速效养分含量明显升高。2012—2016年间水稻土有效磷平均含量 (20.1 mg/kg),比监测初期平均值 (15.2 mg/kg) 显著提高了32.2%;2012—2016年间水稻土速效钾平均含量 (92.1 mg/kg) 比监测初期 (77.8 mg/kg) 提高了18.4%。经过近30年施肥,水稻土pH值下降了0.35个单位。主成分分析结果表明,水稻土肥力提高的两个决定因子是土壤速效钾和有效磷。冗余分析结果表明,影响作物产量的主要肥力因子是土壤速效钾、有效磷和有机质。 结论 近30年农民习惯施肥管理模式下,水稻土整体肥力略有提高,生产力水平明显提高,但土壤pH值降低,有酸化趋势;水稻土肥力演变的主要障碍因子是土壤有机质和全氮,所以水稻土培肥应该在平衡施用氮磷钾肥的基础上合理配施有机肥或秸秆。

English Abstract

  • 水稻土是我国重要的土地资源,也是面积最大、分布最广的耕地土壤类型。目前,我国水稻种植面积3300多万公顷,占全国耕地面积的1/5,其产量约占全国粮食总产量的1/2[1],维持水稻土生产力的稳定输出对我国粮食生产和安全至关重要。而土壤生产力高低主要取决于土壤肥力水平及外源肥料的合理施用[2],因此分析并掌握水稻土养分演变特征和规律,对水稻土合理培肥和作物稳产增产有重要的指导作用。

    目前对水稻土养分含量、比例及动态变化已有较多报道。刘畅等[3]通过对亚热带稻田土壤有机碳和全氮演变特征的研究发现,长期不施肥处理水稻土有机碳和全氮含量略有下降,施化肥处理水稻土有机碳和全氮含量分别提高了13%和18%;徐明岗等[4]基于我国南方水稻土长期定位试验点发现土壤有机质及氮磷钾消长变化差异巨大,有机肥或有机无机肥配施可显著提高土壤有机质和养分含量,而单施或偏施化肥的土壤培肥效果不显著。郑圣先等[5]对湖南不同生产力水稻土肥力特征进行研究,结果表明,长期培肥下水稻土有机质、全氮和有效磷含量显著提高,有机质库和磷库均处于盈余状态,而高产稻田速效钾相对不足,需补充外源钾素;王伟妮[6]系统分析湖北水稻土肥力变化规律得出长期施肥促进土壤有机质和有效磷含量提高,但外源钾素供应不足及作物吸收导致土壤速效钾含量下降;而作物养分元素主要来自土壤,故改善土壤供肥能力是提高作物产量的关键。李忠芳等[7]的研究同样表明水稻土水热条件稳定,基础肥力对水稻产量贡献较大。所以水稻土肥力水平是保证作物稳产高产的重要指标。另外,近期研究结果发现我国农田土壤pH值显著下降[7],尤其是红壤性水稻土酸化严重。周晓阳等[8]研究发现,1988—2013年间中国南方6省水稻土pH值下降0.59个单位,酸化趋势可能成为土壤肥力和生产力合理演变的限制因素。

    有关水稻土肥力演变的研究大多基于较小空间或较短时间尺度,而在大区域尺度 (全国) 对水稻土肥力长期动态变化过程的研究和分析还比较缺乏,其演变特征和趋势尚不明确,尤其是对水稻土肥力演变的主控因子还少有报道。因此,本研究拟依托国家级水稻土长期定位监测点1988—2016年的监测数据,旨在揭示近30年来农民习惯施肥管理下,我国水稻土养分的长期演变特征和规律,为水稻土合理培肥和生产力高效输出提供更加科学的依据和指导。

    • 我国水稻土监测点广泛分布在湖南 (28)、湖北 (12)、安徽 (15)、福建 (11)、江苏 (9)、江西 (7)、广东 (9)、广西 (6)、河南 (5)、海南 (5)、四川 (8)、贵州 (5)、重庆 (3)、上海 (3)、浙江 (2)、云南 (1)、陕西 (1)、辽宁 (1)、吉林 (2) 和黑龙江 (3) 等省市,共136个。主要监测土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH值及水稻 (早稻、晚稻和单季稻) 和小麦产量等。水稻土监测点设于1987年,1997年和2003年新增部分监测点,各监测点均设无肥区、常规施肥区 (农民习惯施肥) 两个处理,种植制度以早稻−晚稻、小麦−水稻和单季稻为主。本研究主要分析了136个监测点常规施肥下土壤养分含量和生产力变化趋势,明确水稻土耕地质量变化情况和生产力水平随时间的变化规律,为水稻土的耕地质量建设和可持续生产提供科学依据和指导。

    • 各监测点设对照 (不施肥) 和常规施肥 (农民习惯施肥) 两个处理,并定位记录施肥种类和数量,作物产量以及管理措施等信息。各监测点每季作物秋季收获后分别采集对照区和常规施肥区耕层土壤 (0—20 cm) 样品,三次重复,土壤样品置阴凉通风处自然风干,人工除去肉眼可见根茬及秸秆碎屑,过2 mm筛,混匀后备用。

      监测点年度监测指标为土壤有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、pH值及作物产量。各指标测定方法依据《土壤分析技术规范》[9]和NY/T1121.1-18土壤检测方法[10]

    • 监测数据统一用Excel 2010整理及制表,运用SigmaPlot 12.5、R 3.4.4分析并作图,借助SPSS (19.0) 进行差异显著性检验[LSD,Duncan (D),P < 0.05]。

    • 对136个水稻土长期监测点监测结果的分析表明,近30年常规施肥下,水稻土2012—2016年土壤有机质含量平均值为32.2 g/kg,与1988—1991年土壤有机质含量 (31.3 g/kg) 无显著差异;长期施肥管理下水稻土有机质含量无显著变化 (图1)。

    • 水稻土监测点的监测结果表明,监测初期 (1988—1991年) 土壤全氮水平在0.75~3.33 g/kg之间,平均为1.89 g/kg;2012—2016年各监测点土壤全氮在0.66~3.96 g/kg之间,平均为1.92 g/kg,与初始年份相比,无显著变化 (图1)。

    • 各监测点长期监测结果表明,水稻土有效磷含量以年均0.18 mg/kg的速率显著升高。监测初期 (1988—1991年) 水稻土有效磷含量在0.8~74 mg/kg之间,平均水平为15.2 mg/kg;而2012—2016年监测点土壤有效磷含量在1.2~152 mg/kg之间,平均值为20.0 mg/kg,显著高于起始年份的平均水平,提高31.9 % (图1)。

    • 水稻土长期监测结果表明,水稻土速效钾含量呈显著上升趋势。2012—2016年土壤速效钾含量的平均水平 (92.1 mg/kg) 比1988—1991年监测初期的平均水平 (77.8 mg/kg) 提高18.4 % (图1)。

    • 水稻土长期监测结果表明,土壤pH值前期快速降低而后期趋于稳定,总体呈降低趋势。1988—1991年间,土壤pH值平均为6.42,2002—2006年间土壤pH值平均为5.96,较监测前期 (1988—1991) 年均下降0.025个单位;2007—2016年间,土壤pH值基本保持稳定,维持在6.04~6.07。水稻土pH值变化与周晓阳等[8]研究结果一致 (图1)。

      图  1  常规施肥下水稻土肥力和pH近30年的变化

      Figure 1.  Trends of soil fertility and pH under conventional fertilization in paddy soil for the past 30 years

    • 长期常规施肥管理下早稻产量稳中有升(图2)。监测数据显示水稻土早稻产量在外源肥料投入情况下有升高趋势,1988—1991年早稻产量平均水平为5990 kg/hm2,2012—2016年早稻产量平均水平为6847 kg/hm2,较监测初期 (1988—1991) 提高14.3%,年均增长29.6 kg/hm2,可见,常规施肥管理对作物产量的稳定和提高有重要影响。

    • 长期常规施肥管理下水稻土晚稻产量显著提高(图2)。监测点数据表明常规施肥区晚稻产量从1988—2016年间显著升高,1988—1991年晚稻平均产量为5820 kg/hm2,2012—2016年晚稻平均产量为6616 kg/hm2,较监测初期 (1988—1991) 提高13.7%,年均增长27.4 kg/hm2

      图  2  常规施肥区水稻、小麦产量30年变化趋势

      Figure 2.  Trend of rice and wheat yields during the past 30 years in tested area

    • 单季稻监测点长期监测数据显示,长期施肥管理下单季稻产量显著提升。常规施肥区单季稻产量随时间显著升高,1988—1991年单季稻平均产量为6435 kg/hm2,2012—2016年单季稻平均产量为7610 kg/hm2,较监测初期 (1988—1991年) 提高18.3%,年均增长40.5 kg/hm2。单季稻产量及增产效果明显高于早稻和晚稻(图2)。

    • 水稻土小麦产区长期监测数据表明,常规施肥下小麦产量呈显著上升趋势。1988—1991年小麦产量平均水平为3692 kg/hm2,2012—2016年小麦产量平均水平为5063 kg/hm2,较监测初期 (1988—1991) 提高37.1%,年均增长47.3 kg/hm2,施肥管理下小麦增产效果优于水稻(图2)。

    • 采用无肥区产量作为衡量土壤基础肥力对作物产量贡献率的指标,以常规施肥区产量与无肥区产量的相关性,说明土壤基础肥力与作物产量的关系。常规施肥下早稻、晚稻、单季稻和小麦产量 (y) 与无肥区相应作物产量 (x,基础肥力) 呈显著正相关 (图3),土壤基础肥力越高,作物产量越高。水稻土对早稻、晚稻、单季稻和小麦产量的肥力贡献率分别为0.46、0.50、0.47和0.38,土壤基础肥力对水稻产量的贡献率高于小麦,而外源肥料投入下小麦的增产效应优于水稻。

      图  3  施肥区与无肥区作物产量关系

      Figure 3.  Relationship between crop yield in fertilization area and yield in no-fertilization area

    • 图4中PC1轴和PC2轴对总方差的贡献率分别为80.48%和14.15%,两者对总方差的贡献率达到了94.63%,可见,利用主成分分析水稻土肥力及主要指标演变情况是可行的。由分析结果可以看出,近30年来,水稻土肥力演变的首要决定因子是土壤速效钾 (AK),其次是土壤有效磷 (AP),长期培肥下土壤有机质和全氮含量相对稳定,没有对土壤肥力演变产生主要影响作用,甚至可以说土壤有机质和全氮含量是土壤肥力演变的主要障碍因素。另外,水稻土pH值降低可能会阻碍土壤肥力的合理演变。

      图  4  水稻土肥力演变主成分分析

      Figure 4.  Principal component analysis of fertility in black soil

    • 经水稻土作物产量的冗余分析,RDA1轴和RDA2轴对总方差的贡献率分别为98.25%和1.49%,两者对总方差的贡献率达到了99.74% (图5)。冗余分析结果表明,影响水稻土作物产量的肥力因子主要有土壤速效钾、土壤有效磷和土壤有机质。其中,对早稻、晚稻和单季稻产量影响最大的肥力因子为土壤速效钾,而土壤有效磷对小麦产量影响最大。从图中还可以得出土壤pH值与作物产量呈负相关,即pH值的下降可能限制了作物产量,且对晚稻产量的影响最大。

      图  5  作物产量与土壤肥力响应关系

      Figure 5.  The response relationship between crop yield and soil fertility

    • 土壤养分盈亏是导致土壤肥力水平出现时空差异的主要因素,而外源养分投入是调控土壤养分供给平衡以及满足作物生产需求的高效管理途径[1112]。近30年常规施肥管理下,水稻土有机质 (31.3~32.2 g/kg) 和全氮 (1.88~1.92 g/kg) 含量总体稳定,速效养分 (有效磷、速效钾) 含量明显增加。外源肥料的投入提高了水稻土氮磷钾等养分含量及有效性,而有机质和全氮含量没有显著增加,这可能是由于本研究在全国层面上分析土壤养分演变,而有机质变化与气候因子、土壤理化因子及农业管理因子有关,导致不同区域有机质增减效果相互抵消。文炯等[13]同样发现不同区域水稻土有机质含量、活性和演变趋势明显不同,东北、华南和西南区土壤有机质平均含量呈下降趋势,而长江中下游地区土壤有机质平均水平明显提高。另外,外源养分投入数量与养分配比也会影响有机质消长变化,有机肥和无机肥配施可显著提高土壤有机质含量,氮磷钾肥配施下土壤有机质含量仅仅维持或略有提高,单施或偏施化肥导致土壤有机质含量降低[3]

      近30年来,水稻土速效养分含量总体呈上升趋势。现阶段 (2012—2016年) 水稻土有效磷含量平均水平为20.1 mg/kg,显著高于监测前期平均水平 (15.2 mg/kg)。大量研究显示目前我国大多数农田土壤磷素的输入输出平衡处于盈余状态[1415],且盈余量正以不同速度增长[16]。磷素不参与大气循环,磷肥施入土壤后转化形成难溶性的磷酸盐并迅速为土壤矿物吸附固定或为微生物固持[17],造成磷素移动性差,当季利用率低,在土壤中不断积累,提高了磷的容量和强度[18]。同时土壤中磷吸附位点被有机酸、有机阴离子等占据,降低对磷酸根的吸附固定,土壤有效磷含量也随之增加。另外,水稻土中有机质的矿化分解作用较强,仍会释放部分无机磷或低分子量活性有机磷[19]。长期肥料投入,尤其是有机肥的投入会带来丰富的养分元素,提高土壤有效态或活性养分含量,这些因素共同作用,促进土壤有效磷含量提高。目前水稻土速效钾含量的平均水平 (92.1 mg/kg) 较监测初期 (77.8 mg/kg) 提高了18.4 %。具体来说,土壤速效钾含量呈降低、升高再稳定的趋势。监测初期人们对钾肥及其贡献重视不足,施用量普遍较低,钾素来源主要取决于自身供应,速效钾含量只维持在前期较低水平,而作物收获和淋溶损失造成钾素进一步损失,从而引起土壤速效钾含量降低;监测中期钾肥的施用和效益得到人们的关注和认可,钾肥施用量逐年升高,且作物收获后秸秆及根茬大多还田,显著降低土壤对外源钾素的固定量,土壤速效钾含量和比例迅速提高[20]

      主成分分析结果表明,水稻土肥力演变的主控因子是土壤速效钾和有效磷,而土壤有机质和全氮可能是水稻土肥力提高演变的障碍因素。长期常规施肥条件下,土壤速效钾和有效磷含量显著提高,在满足作物生长需要的同时可以培肥地力,是土壤肥力的核心来源;而水稻土有机质和全氮含量基本稳定,培肥效果不显著,限制了水稻土肥力的改善和提升。因此,水稻土高效培肥是土壤肥力合理演变的关键前提。大量研究表明,施用有机肥或有机无机肥配施可以显著提高土壤有机质含量,其效果优于单施化肥[21]。因此,水稻土培肥应注重化肥有机肥平衡配施,同时结合秸秆还田来改善水稻土肥力。

    • 长期施肥管理下水稻土pH值总体呈先下降后平稳的趋势。前14年,土壤pH值由6.42显著下降到5.96,年均下降0.03个单位,后期土壤pH值稳定在6.0附近。该变化趋势与周晓阳[8]研究结果基本一致,长期施肥管理下,水稻土pH值在前期迅速降低,年均下降0.05个单位,与化肥尤其是氮肥的施用显著负相关。水稻土因富含铁、锰氧化物而具有较强的酸化缓冲能力[22],但是化肥的长期不平衡施用导致我国农田土壤面临明显的酸化趋势,尤其是化学氮肥的施用加速土壤酸化[23]。有研究者整合分析显示我国农田耕层土壤pH值在20年间显著下降0.13~0.76个单位[24],其中水稻土酸化趋势更为明显。有研究发现1984—2014年,广东省水稻土整体呈现明显的酸化趋势,期间水稻土pH下降0.33个单位,强酸性和酸性土壤的分布频率明显上升,重化肥而轻有机肥是导致水田土壤pH下降的主要原因[25]。蔡泽江等研究表明长期施用化学氮肥 (单施氮肥、氮磷配施和氮磷钾配施) 红壤pH值明显下降,单施氮肥降幅最大,18年降低了1.5个单位[26];而化肥配施有机肥,土壤pH值高于单施化肥处理,有机肥或秸秆还田对改善和抑制土壤酸化有较好效果[27]。水稻土酸化趋势明显,在培肥过程中,应提高有机肥投入量。

    • 就水稻土生产力而言,长期常规施肥大幅提升了作物 (早稻、晚稻、单季稻和小麦) 产量。自1988—2016年,早稻产量提高14.3%,年均增长29.6 kg/hm2,晚稻产量提高13.7%,年均增长27.4 kg/hm2,单季稻产量提高18.3%,年均增长40.5 kg/hm2,小麦产量提高37.1%,年均增长47.3 kg/hm2,施肥管理可以有效提高水稻土作物产量,确保水稻土生产力的稳定输出,这与前人研究结果一致[28],长期施肥可有效提高和维持作物产量稳定性和可持续性。水稻土对早稻、晚稻、单季稻和小麦产量的肥力贡献率分别为0.46、0.50、0.47和0.38,土壤基础肥力对水稻产量的贡献率高于小麦,但在外源肥料投入下小麦增产效应更明显。水稻土基础肥力与作物产量呈显著正相关,因此,土壤培肥是粮食产量提升的关键。大量的研究结果均证明有机肥与氮、磷、钾化肥配施对土壤生产力贡献居首,是提高生产力水平和培肥地力的最佳施肥结构[29]

      具体来说,水稻土长期施肥管理下,单季稻增产效果优于早稻和晚稻,而小麦增产效果优于水稻。王家嘉等[30]研究也同样发现,水稻土小麦季氮肥利用效率和增产率均显著提高。通过作物产量冗余分析发现影响作物产量的主要土壤肥力因子是土壤速效钾、有效磷和有机质。对小麦产量影响最大的是土壤有效磷。小麦对土壤磷素水平反应灵敏,磷素营养供应量的高低和迟早,可以促进或延续干物质积累和营养物质向分配中心转移的进程[31]。长期施肥情况下,小麦产量随着磷肥施用量增加而升高。刘建玲等[32]研究发现氮磷肥配合施用下小麦产量显著高于氮肥单施下小麦产量,氮磷肥配施表现出极显著的正交互作用。对水稻产量影响最大的肥力因子是土壤速效钾。我国钾肥资源相对缺乏,作物带走和长期氮磷钾配施下土壤钾素出现亏缺[33],水稻土缺钾及钾肥对水稻的增产效应已有较多研究[20, 34]。长期施用钾肥可提高水稻土钾素含量及有效性,提高水稻光合作用和同化产物运输,从而影响水稻产量。综上,水稻土小麦季应注重氮磷肥配施,水稻季需要适当提高钾肥供应,同时增加有机物料 (有机肥和秸秆) 投入量和比例。

    • 近30年来,在农民习惯施肥管理下,水稻土肥力水平总体得到改善。长期施肥下水稻土有机质和全氮含量基本稳定,而速效养分 (有效磷和速效钾) 含量明显提高。由于化肥的长期投入,水稻土pH值明显下降,应合理调控氮肥的施用量,注重平衡施肥 (无机氮磷钾肥配施,无机肥有机肥配施等)。水稻土基础肥力水平较高,作物产量连年增长,但是目前的培肥措施仅满足作物生长需要,而对土壤有机质和全氮水平的提升效果不明显,因此需要改善目前的施肥结构,在化肥施用基础上,增加外源有机物料 (有机肥和秸秆) 的投入。

参考文献 (34)

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