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土壤肥力显著影响土壤生产力，在农业生态系统中，作物种植体系、施肥和耕作方式等管理措施对耕地土壤肥力有显著影响。了解耕地土壤肥力的变化趋势可以直观了解农户施肥管理的结果，有利于今后指导农户合理施肥、提高养分利用率，并维持土壤可持续的生产力。在土壤化学肥力变化研究方面，众多单个点位长期定位施肥试验研究发现，有机无机肥配合施用及秸秆还田显著提升土壤有机质含量[1]，单施化肥也能够通过提高作物产量从而增加作物根茬碳输入，降低土壤有机质下降速度[2]，或提升土壤有机质含量[3]。土壤养分含量变化规律总体表现为化肥与有机肥配施或配合秸秆还田对土壤氮素、磷素含量增加的效果优于单施化肥[4]。以往的研究均发现，长期施肥耕层土壤的pH呈下降趋势。如Jackie等[5]报道，1971—2002年美国大平原中北部冬小麦种植区土壤pH在不同施肥处理下均有所下降；孟红旗等[6]报道，我国农田单施氮肥和磷钾配施氮肥情况下耕层土壤pH显著降低，且随着施肥量增加呈递减趋势。土壤物理肥力制约作物根系生长，因而土壤物理肥力变化成为不可忽视的问题。连续施用有机肥或有机无机肥料配施使土壤容重降低0.14～0.24 g/cm3，孔隙度增加9.4%～16.6%，增强了土壤通透性[7]，长期施用不同有机物配施化肥可以改善土壤的团聚结构[8]。
尽管大量研究揭示了土壤肥力演变的规律，提出了合理的施肥指导，但是我国农户分散经营且认识存在差异，区域农田土壤肥力变化仍存在很多不确定性。黄耀等[9]利用区域农田土壤有机碳变化的文献数据与全国第二次土壤普查 (1979—1985年) 数据进行比较，发现中国华北地区耕地土壤有机碳明显增加。周飞等[10]利用浙江省余姚市2020年农田土壤肥力数据与2008年测土配方数据进行比较，显示土壤pH、有机质和全氮含量呈下降趋势，有效磷和速效钾含量呈增加趋势。曹婧等[11]利用陕西省第二次土壤普查数据和2017年采集农户土样数据进行比较，发现各市2017年速效钾含量中值较1980年均存在不同程度的增加，其中关中平原增加最大。综上所述，不同地区间由于土壤类型、水肥管理和耕作制度差异较大，养分不一致性，土壤肥力变化研究结果也不相同。此外，以往关于区域尺度农田土壤肥力变化的研究主要是单个肥力指标或者两个时间点的对比，而从多个土壤化学或物理肥力要素的动态变化关注较少，未能很好地反映不同肥力要素的动态变化过程。
陕西省关中地区常用耕地面积为397.68万hm2，占全省耕地总面积的56.4%，粮食作物播种面积占陕西省粮食总播种面积的50.3%[12]，是陕西省的粮食主产区，对保障陕西省的粮食安全至关重要。自第二次普查以来，综合系统地分析关中地区耕地土壤化学、物理肥力变化趋势的研究还未见报道。基于此，本研究基于文献数据、测土配方施肥试验数据以及课题组农户土壤分析数据，评估陕西省关中地区自1980年以来近40年的土壤肥力要素的变化，分析关中地区耕地土壤肥力的变化趋势及其影响因素，为该区土壤可持续管理及合理施肥提供依据。
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关中地区位于中国陕西省中部(33°34′52″～35°52′05″N，106°18′25″～110°36′36″E)，属大陆性季风气候，年均气温11.3℃～15.2℃，年均降水量545.6～776.7 mm。行政区划包括五市一区，即西安市、铜川市、宝鸡市、咸阳市、渭南市和杨凌示范区，总面积5.56万km2，占陕西省省域面积的27%。种植粮食作物包括小麦、玉米、大豆、水稻等，主要以冬小麦–夏玉米轮作为主，一年两熟。
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本研究通过中国知网(CNKI)、《陕西土种志》、《陕西土壤》、《宝鸡土壤》、《岐山县综合农业区划报告集》、《眉县综合农业区划报告集》等收集关中地区耕地土壤肥力数据，结合2006—2011年陕西省3414肥效试验数据以及课题组2011年秋季农户土壤调查数据进行分析。文献数据筛选标准如下：1)试验地点位于陕西省关中地区；2)采样时间在1980—2020年；3)试验农田为粮田，试验中包含不施肥小区和定位试验开展前原始土壤性质分析结果；4)文献中至少包含土壤化学、物理肥力其中一项指标。本研究选择土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、pH及土壤容重9个指标作为研究对象。研究中以文字、表格展示的数据直接进行利用，仅以图形展现的数据则通过GetData软件数字化提取，最终获取16909组数据，其中有机质数据3197组，全氮数据1383组，碱解氮数据2048组，全磷数据924组，有效磷数据3009组，全钾数据348组，速效钾数据2703组，pH数据3149组及土壤容重数据148组。
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考虑到收集年限较长，故以10年为时间间隔划分样本数据，每10年样本(点)空间分布见图1。土壤各指标进行K-S (Kolmogorov-Smirnov)检验判断数据是否符合正态分布，结果表明各指标数据均不符合正态分布，因此采用非参数检验Kruskal-Wallis H单因素方差分析，进行不同年代之间中位数土壤物理、化学肥力要素的差异显著性分析，并进行多重比较(P<0.05)。此外，计算了土壤磷活化系数[P activation coefficient，PAC (%)=有效磷/全磷×100]，并分析了土壤磷活化与土壤有机质的线性关系。数据统计分析采用SPSS 26.0软件进行。
图 1 关中地区位置及采样点分布图
Figure 1. Location of Guanzhong area and the soil sampling points
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如图2所示，陕西省关中地区1980—1990年有机质含量介于1.6～29.0 g/kg，中值为11.0 g/kg；1991—2000年介于3.0～24.8 g/kg，中值为11.1 g/kg；2001—2010年介于1～51.6 g/kg，中值为13.6 g/kg；2011—2020年介于3.2～31.1 g/kg，中值为18.5 g/kg。关中地区耕地4个阶段的土壤有机质含量呈显著上升趋势。
图 2 土壤有机质含量年代变化
Figure 2. Change in soil organic matter content over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤全氮含量介于0.12～1.68 g/kg，中值为0.77 g/kg (图3)；1991—2000年，介于0.17～1.55 g/kg，中值为0.81 g/kg；2001—2010年，介于0.03～2.50 g/kg，中值为0.81 g/kg；2011—2020年，介于0.48～1.59 g/kg，中值为0.95 g/kg。关中地区2011—2020年耕地土壤全氮含量与前3个10年含量相比显著提高。
图 3 土壤全氮含量年际变化
Figure 3. Change in soil total nitrogen content over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤碱解氮含量介于16～101 mg/kg，中值为53 mg/kg (图4)；1991—2000年，介于14～89 mg/kg，中值为43 mg/kg；2001—2010年，介于6～189 mg/kg，中值为64 mg/kg；2011—2020年，介于16～153 mg/kg，中值为58 mg/kg。关中地区前20年土壤碱解氮含量显著低于2001—2010年，后20年两者土壤碱解氮含量相似。
图 4 土壤碱解氮含量年际变化
Figure 4. Change in soil available nitrogen content over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤全磷含量介于0.27～2.14 g/kg，中值为0.70 g/kg (图5)；1991—2000年，介于0.48～1.85 g/kg，中值为0.76 g/kg；2001—2010年，介于0.10～1.59 g/kg，中值为0.82 g/kg；2011—2020年，介于0.20～2.06 g/kg，中值为1.03 g/kg。关中地区2011—2020年耕地土壤全磷含量与前30年相比显著上升。
图 5 土壤全磷含量年际变化
Figure 5. Change in soil total phosphorus content over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤有效磷含量介于1.0～42.1 mg/kg (图6)，中值为8.5 mg/kg；1991—2000年，介于1.7～58.2 mg/kg，中值为8.5 mg/kg；2001—2010年，介于1.5～116 mg/kg，中值为18.7 mg/kg；2011—2020 年，介于3.0～85.4 mg/kg，中值为21.9 mg/kg。关中地区2011—2020年耕地土壤有效磷含量与前3个10年平均含量相比显著提高。
图 6 土壤有效磷含量年际变化
Figure 6. Change in soil Olsen-P phosphorus content over decades
土壤有效磷和全磷能够分别表征土壤的供磷水平和供磷潜力，其比值用以表征土壤全磷向有效磷的转化程度。土壤磷活化系数随着土壤有机质含量上升而显著升高(图7)，说明土壤有机质含量升高能促进磷素有效性。
图 7 土壤磷活化系数与土壤有机质关系
Figure 7. Relationship between soil P activation coefficient and organic matter content
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤全钾含量介于2.6～36.3 g/kg，中值为19.3 g/kg (图8)；1991—2000年，介于17.0～23.3 g/kg，中值为19.9 g/kg；2001—2010年，介于1.3～34.9 g/kg，中值为18.6 g/kg；2011—2020年，介于6.2～29.3 g/kg，中值为19.6 g/kg。整体而言，关中地区耕地土壤全钾含量40年基本维持稳定状态。
图 8 土壤全钾含量年际变化
Figure 8. Change in soil total potassium content over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤速效钾含量介于54～402 mg/kg，中值为163 mg/kg (图9)；1991—2000年，介于59～295 mg/kg，中值为149 mg/kg；2001—2010年，介于45～546 mg/kg，中值为158 mg/kg；2011—2020 年，介于91～602 mg/kg，中值为212 mg/kg。关中地区2011—2020年耕地土壤速效钾含量与前3个10年含量相比显著提高。
图 9 土壤速效钾含量年际变化
Figure 9. Change in soil available potassium content over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤pH 介于6.90～8.80，中值为8.10 (图10)；1991—2000年，土壤pH介于7.00～8.70 ，中值为7.90。2001—2010年，土壤pH介于6.80～8.90 ，中值为8.00。2011—2020 年，土壤pH介于6.27～8.76，中值为7.76。2011—2020年耕地土壤pH与前3个10年相比显著下降。
图 10 土壤pH年际变化
Figure 10. Change in soil pH over decades
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1980—1990年，陕西省关中地区耕地土壤容重介于1.03～1.48 g/cm3，中值为1.32 g/cm3 (图11)；1991—2000年，介于1.21～1.37 g/cm3，中值为1.31 g/cm3；2001—2010年，介于1.20～1.52 g/cm3，中值为1.32 g/cm3；2011—2020 年，介于1.05～1.53 g/cm3，中值为1.30 g/cm3。关中地区耕地土壤容重4个10年的平均含量无显著变化。
图 11 土壤容重年际变化
Figure 11. Change in soil bulk density over decades
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有机质是土壤的重要组成部分，其含量与土壤肥力紧密联系。有机质的变化受自然因素和人为作用的影响，最终体现在其输入与矿化的相对平衡上。关中地区农田土壤有机质随时间呈显著上升趋势(图2)，这与其他研究报道不同地区土壤有机质变化的结果相似。如刘芬等[13]报道陕西省渭北旱塬2010—2012年土壤有机质含量较20世纪80年代增加。杨帆等[14]报道，陕西省2005—2014年土壤有机质平均含量高于第二次普查结果。耕地土壤有机质增加主要与作物根茬还田、秸秆还田增加了土壤碳投入有关[15]。陕西省关中地区1987年小麦、玉米单位面积产量分别为2714和3868 kg/hm2, 到2020年产量分别为4570和5681 kg/hm2[12]。施肥以及品种改良提高了作物产量，从而增加作物根系、根系分泌物和残茬量，向土壤输入更多的有机碳[16]。同时，随着农民生活水平日益提高，秸秆不再作为生活燃料，大量农田秸秆能够有效覆盖归还土壤[17]。许多长期定位试验表明秸秆还田有利于土壤有机碳累积[18]，秸秆还田也能使土壤中大团聚体不受破坏[19]，利于保护有机碳，最终提升土壤有机碳含量。
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关中地区40年来土壤全氮呈显著上升趋势，碱解氮含量呈不显著上升趋势。土壤氮素累积主要与关中地区较高的施氮量有关。2000年后陕西省小麦氮投入量为183.0 kg/hm2，较1980年高了69.4%[20]，同时在2018—2019连续两年对渭河平原冬小麦施肥调查显示，农户平均氮投入量为196.3 kg/hm2，施氮过量的农户占39.4%[21]。土壤微生物固定无机氮为有机氮，使关中地区土壤全氮、碱解氮含量得到一定的积累。此外，全氮增加也与土壤有机质提升有关(图2)，土壤有机质在增加的过程中对土壤结构产生一定影响，进一步保护了土壤有机碳[18]，而土壤全氮中主要存在形式是有机氮，碱解氮也主要来自于有机质的矿化[22]，因而随着土壤有机质含量的上升，土壤全氮、碱解氮含量增加。土壤碱解氮含量反映当季作物可利用的氮，尽管关中地区氮的投入量高，但碱解氮含量没有显著增加，可能与土壤氮素损失和作物大量携出氮有关。
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本研究土壤全磷和有效磷含量呈显著上升趋势。杨学云等[23]报道陕西省扶风县1977—1997年农田磷素盈余量呈增加趋势，逐渐高于作物携出量，从−3.56 kg/hm2到14.6 kg/hm2。常艳丽等[24]报道2011—2012在陕西省关中平原冬小麦−夏玉米种植体系中，冬小麦农户平均P2O5投入量为(183±121) kg/hm2，夏玉米平均P2O5投入量为(45±88) kg/hm2，超过50%的农户磷肥投入量较高。杨凌小麦/玉米轮作体系长期定位试验表明施化学磷肥(PK、NP、NPK) 提高了耕层土壤全磷含量，其含量随施肥年限逐步上升[25]。
本研究中1980—1990年关中地区耕地土壤有效磷含量中值为8.5 mg/kg，与Li等[26]报道的我国1980年土壤大面积缺磷，平均有效磷含量仅为7.4 mg/kg相近。而2011—2020年关中地区土壤有效磷含量达到21.9 mg/kg，这与刘琳等[27]报道的2011年宝鸡、咸阳和渭南3个(地)市有效磷平均含量分别达26.09、27.50和21.53 mg/kg相似。土壤速效磷的增加也与大量的磷肥投入有关，其次与土壤有机质的显著增加有关。本研究中磷活化系数即土壤磷素的有效性随有机质的增加而增加，这是因为土壤有机碳促进了土壤中难溶态磷酸盐向缓效态磷库和活性态磷库的转化[28]，提高了土壤磷素有效性。另一方面，土壤有机质增加也伴随土壤有机磷增加，从而矿化提供更多的无机磷。此外，土壤磷素有效性也与pH有关，随着土壤pH降低，难溶性钙磷溶解，有利于土壤保持较高的有效磷库[29]。不过过高的土壤有效磷含量对环境有重要的影响。Khan等[30]报道在杨凌土冬小麦−夏玉米种植体系中，冬小麦获得最高产量的土壤Olsen-P农学阈值为(14±0.5) mg/kg，夏玉米为(14±0.9) mg/kg，本研究最近10年土壤有效磷含量超过农学阈值的样本量占80%，表明大部分农户施用磷肥对作物产量没有明显增产作用。当土壤有效磷含量超过37 mg/kg时，会显著增加水溶性磷的含量，从而增加磷素的淋洗，造成潜在的环境风险[31]，本研究最近10年数据中15%的样本量超过37 mg/kg的环境阈值。因而应鼓励关中地区农户适当降低磷肥用量，降低农业成本，避免资源浪费和潜在的环境风险。
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关中地区土壤母质为黄土母质，全钾含量高，40年来全钾含量基本稳定。尽管秸秆还田逐渐增加，但不足以影响到耕层土壤全钾的含量，而且明显改变了土壤速效钾的含量[32]。本研究中土壤速效钾含量最后10年阶段相较于前3个10年显著上升，主要归因于2008年陕西省开始制止秸秆焚烧，大力提倡秸秆还田。长期定位试验表明秸秆还田能够显著提高土壤速效钾含量[19]。其次，速效钾的增加也与土壤钾素转化有关，Yang等[15]在关中土长期定位试验表明，在施钾小区中，虽部分小区钾平衡为负，但土壤交换性钾含量在20年中保持不变或增加，这是由于作物所吸收利用的钾可能为非交换性钾或来源于底层土壤的钾，在大量非交换性钾含量降低的同时土壤钾素之间的动态平衡使水溶性钾和交换性钾增加。陕西省大田作物钾素临界值为110 mg/kg[33]，本研究2011—2020年土壤速效钾含量中99%样本量超过这一阈值，因此关中地区是富钾土壤，加之秸秆还田，粮食作物不推荐施用钾肥。
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土壤pH是对土壤化学性质的综合反映，影响土壤养分的有效性及土壤生物化学性质，在土壤肥力指标中占据重要地位。陕西关中地区2011—2020年耕地土壤pH与1980—1990年相比显著下降，下降了0.34个单位。Guo等[34]报道中国主要农田土壤pH平均下降了0.5个单位(1980—2000年)，其中陕西省所在华北地区农田土壤pH下降0.25个单位。韩天富等[35]也报道了2001—2010时期到2011—2018时期陕西省所在区域土壤pH下降了0.14个单位。关中地区土壤pH下降可能与长期过量施用氮肥以及作物产量增加从土壤携出的盐基养分物质有关[36]。此外，氮沉降可能也是造成土壤pH下降的原因之一[37]，有研究表明2008年西安市和杨凌区大气总氮沉降分别为14.9和16.1 kg/hm2，2010年则上升至25.8和31.9 kg/hm2[38]。有研究表明，在石灰性土壤中，土壤有效Fe、Mn和Zn含量随着土壤pH的降低而增加[39]。因此，关中地区土壤pH的降低有利于提升土壤微量元素有效性，缓解作物微量元素缺乏。
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关中地区土壤容重在1980—2020年变化不明显，且4个10年中值都在合理范围内。陕西省机械翻耕面积和机械播种面积比例1980年分别为33.04%和13.43%，2020年分别为84%和57%[12]，且包产到户政策实施后农户逐渐使用旋耕机替代深翻深耕，农业机具的普遍使用和耕作制度的改变可能造成一定的土壤压实作用，但随着秸秆还田，土壤有机质含量显著提升，有利于土壤结构的改善[7]，可能缓解了土壤压实的负面效应，使得关中地区40年来土壤容重维持在合理范围。为维持良好的土壤结构，防止关中地区土壤紧实，应考虑旋耕和行间深松等多种方式轮耕的耕作制度。
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陕西省关中地区耕地土壤40年来土壤有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾含量显著增加，pH显著下降，土壤全钾和土壤容重变化不明显。关中地区土壤养分含量上升有利于提高土壤生产力，保障粮食安全。但是近10年关中地区土壤有效磷含量数据80%均超过农学阈值(14 mg/kg)，为避免农业资源浪费，应该培训指导农户适当降低磷肥用量。目前土壤速效钾含量处于较高水平，加之秸秆还田，建议粮食作物不施用钾肥。土壤pH的降低有利于缓解关中地区石灰性土壤上作物微量元素缺乏。40年来土壤容重都在合理范围内。表明施肥是培肥沃土的有效工具，今后该地区的养分管理和耕作实践需要进一步调整，以提高养分利用率和土地生产力。
陕西省关中地区耕地土壤属性变化趋势研究
Change of soil properties in Guanzhong arable land in Shaanxi Province
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摘要:
【目的】 土壤肥力显著影响作物产量，了解区域耕地土壤肥力历史变化趋势有助于指导农户施肥，以提升耕地肥力，促进区域农业可持续发展。 【方法】 利用陕西省关中地区第二次土壤普查以来40年(1980—2020年)发表的文献、土壤志等相关数据，采用描述性统计方法，分析土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾 、速效钾、pH以及容重的变化趋势。 【结果】 1980—2020年，以10年为1个阶段，土壤有机质含量在4个阶段的中值依次为11.0、11.1、13.6和18.5 g/kg，整体呈显著上升趋势。土壤全氮含量在最后10年的中值为0.95 g/kg，与前3个10年相比显著提高。土壤碱解氮含量在最后10年的中值 (58 mg/kg) 与第一个10年 (53 mg/kg) 相比有提高。土壤全磷含量4个10年中值依次为0.70、0.76、0.82和1.03 g/kg，整体呈显著增加趋势。土壤有效磷含量在最后10年的中值为21.9 mg/kg，与前3个10年相比显著提高，且最后10年中80%含量数据均超过农学阈值(14 mg/kg)。土壤全钾含量4个10年中值依次为19.3、19.9、18.6和19.6 g/kg，整体变化不明显。土壤速效钾含量在2011—2020年的中值为212 mg/kg，与前3个10年含量(163、149、158 mg/kg)相比显著提高。土壤pH在最后10年的中值 (7.76) 与前3个10年(8.10、7.90、8.00)相比显著下降。而土壤容重4个10年中值依次为1.32、1.31、1.32和1.30 g/cm3，整体变化不明显。 【结论】 陕西省关中地区耕地土壤40年来化学肥力中仅全钾含量变化不明显，近10～20年土壤有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾含量均比前20年显著增加，pH显著下降；土壤容重变化不明显。今后关中地区养分管理和耕作制度需要进一步调整，以提升养分利用效率及土壤生产力。 Abstract:【Objectives】 The periodical change trend of arable land fertility reflects the outcome of fertilization practices. So we studied the change of soil fertility in recent four decades in Guanzhong area for sustainable agriculture. 【Methods】 We collected the published data from 1980 to 2020, the data from the Second Soil Census in 1980s, and the measured data by ourselves in Shaanxi Province, including soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), alkaline hydrolyzed nitrogen (AN), total phosphorus (TP), Olsen-P (AP), total potassium (TK), available potassium (AK), pH, and bulk density at topsoil layer. The change in soil fertility was summarized in 10-years scale, and compared among the four periods. 【Results】 From 1980 to 2020, using every 10-year as a group, the median values of SOM content in the four groups were 11.0 g/kg, 11.1 g/kg, 13.6 g/kg and 18.5 g/kg, respectively, with a significant higher increase in the latter two decades than the early two decades. The median TN content in the four ten-year groups was 0.77 g/kg, 0.81 g/kg and 0.81 g/kg, 0.95 g/kg, with the significantly higher TN in the latest ten-year than in the other three groups. The median content of AN in 2011−2020 (58 mg/kg) was significantly higher than in the first 20 years. The median TP content in the four groups were0.70 g/kg, 0.76 g/kg, 0.82 g/kg and 1.03 g/kg, respectively, with a significant increasing trend. The median AP content in 2011−2020 was 21.9 mg/kg, which was significantly higher than those in the first three groups (8.5 mg/kg, 8.5 mg/kg and 18.7 mg/kg), and 80% of the data exceeded the agronomic threshold of AP (14 mg/kg) in the last 10 years. The median TK contents in the four groups were 19.3 g/kg, 19.9 g/kg, 18.6 g/kg and 19.6 g/kg, respectively, and not significantly varied. The median AK content was 212 mg/kg in 2011−2020, which was significantly higher than those in the first three groups (163 mg/kg, 149 mg/kg, 158 mg/kg). The median value of soil pH during 2011−2020 (7.76) decreased significantly compared with the first three groups (8.10, 7.90 and 8.00). The median soil bulk density in the four groups was similar. 【Conclusions】 In the Guanzhong region of Shaanxi Province, the SOM, TN, TP, AP and AK increased, while the pH decreased significantly from 2001 to 2020, compared with those from 1980 to 2000. In conclusion, long term fertilization would not impact soil bulk density, but could increase the organic matter and total N and P storage, enhance the availability of N, P and K nutrient due to the decrease of soil pH. Modifications in nutrient management and tillage system should be studied for the culture of fertile farmland. -
图 7 土壤磷活化系数与土壤有机质关系
Figure 7. Relationship between soil P activation coefficient and organic matter content
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