四川省12县粮田土壤耕层结构和养分特征研究

田效琴,李 卓,刘永红,景 勇,唐 佳

(1. 四川省农业科学院作物研究所,成都 610066; 2. 南方丘区节水农业研究四川省重点实验室,成都 610066;3. 粮油作物绿色种质创新与遗传改良四川省重点实验室,成都 610066;4. 四川省农业科学院,成都 610066;5. 三台县农业农村局,四川 绵阳 621100)

【研究意义】粮油安全不仅是重大的经济问题,也是事关长治久安的政治问题。四川作为我国粮食主产区,不仅是产粮大省,也是人口大省。确保该省粮食平衡发展,不仅是国家对四川的要求,也是四川对国家粮油安全承担的重任。土壤是最基本的农业生产资料,其耕层结构和养分情况直接关系到粮油作物的高产稳产和可持续发展。【前人研究进展】国内外学者针对不同区域[1-2]、不同年份[3-4]、不同土壤类型[5-7]相继开展了大量研究,取得了丰硕成果。肖钰等[8]研究了四川10个植烟区的耕层土壤容重,发现其均值为1.10～1.38 g/cm3,差异不显著,且除全钾缺乏外,其余养分含量总体均处于适宜和丰富水平。李珊等[9]研究发现,近30年来川中丘陵县域土壤呈酸化趋势。王婉秋等[10]对普格县132个土壤样品进行养分含量分析,发现pH适宜;有机质较丰富,但区域间差异悬殊;除速效磷外,速效氮和速效钾含量低。【本研究切入点】在人口增加、经济建设占用耕地不可逆转的条件下,随着农业综合开发力度的加大和种植业结构的调整,及时并充分了解土壤耕层结构和养分现状及其变化规律,是确保农业可持续发展的重要举措。以往针对四川区域性土壤耕层结构和养分特征的研究时间均较早,且在指导农业生产时仍采用距今已有30多年的第二次土壤普查数据结果。【拟解决的关键问题】本研究选择四川玉米体系示范县平昌、仪陇、西充、广安、阆中和越西,院地合作重点县宣汉、简阳、广汉、彭州、雁江、隆昌共12个县的耕层土壤容重和养分状况进行采样调查与分析,并将其与2008年我国17个省的土壤耕层深度、容重[11]和2005年四川18个国家试点县的土壤养分调查数据[12]进行比较,阐明四川粮田土壤耕层结构现状、土壤养分水平及变化特征,为该省制定改土培肥的精准策略及科技攻关途径提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川玉米体系示范县的平昌、仪陇、西充、广安、阆中、越西,院地合作重点县宣汉、简阳、广汉、彭州、雁江、隆昌共12个县(104°08′～107°66′ E,29°37′31°42′ N),海拔277～4791 m,年均气温13.3～17.7 ℃,年均降雨量771.2～1230.0 mm。除越西属西昌巴塘亚热气候外,其余地区均为亚热带湿润季风气候。研究区土壤类型以红壤、紫色土为主,粮油作物以小麦、玉米、油菜为主,耕作模式有轮作、净作,具体信息见表1。

表1 四川粮田土壤基本信息Table 1 Soil basic information of grain fields in Sichuan

1.2 调查取样

于2022年5—6月,选择体系示范县和院地合作重点县的南充综合试验站5个示范县(平昌、仪陇、西充、广安、阆中)、西昌综合试验站1个示范县(越西)、宣汉、简阳、广汉、彭州、雁江、隆昌共12个县进行土壤耕层调查,每个县选取具有代表性的主要土壤类型,同时兼顾砂质(质地轻)和粘质(质地粘重)的土壤质地和粮田类型共5个点位,每个点位随机挖取3个剖面,每个县共计调查15个剖面,保证每个土壤样品具体到村、组、户、地块。调查基本信息(经纬度、土壤类型、土壤质地、耕作模式)、耕作层信息(厚度、5～10 cm容重、20～25 cm容重、35～40 cm 容重)和耕作层土壤基本养分情况(pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾)。

剖面挖取:在选定的地点上挖与垄向垂直的调查剖面。剖面的长度为2个完整垄的垄距(从垄沟开始),宽0.5 m,深0.4 m,挖掘的剖面横向要与垄向垂直,竖向要与地面垂直。

耕层深度:①垄作大田:分别测定2个垄的垄沟到犁底层和基准线(垄侧向下30 cm处)到犁底层的距离(图1中A、a,2垄3个垄沟共计3组数据),垄侧到犁底层和基准线到犁底层的距离(图1中B、b,2垄4个垄侧共计4组数据),垄顶到犁底层和基准线到犁底层的距离(图1中C、c,2垄2个垄顶共计2组数据)。②平做大田:测定2行平作剖面地表到犁底层的距离(7个点),其中,B、F均为作物生长位置,D为2行中点,A、C、E、G分别为1/4行距处,测量部位如图2所示。

图1 垄作剖面测量示意图Fig.1 Section diagram of ridge

图2 平作剖面测量示意图Fig.2 Section diagram of flat

土壤容重:采用环刀法,测定位置为5～10、20～25、35～40 cm(垄作大田距离从垄侧算起,平做大田距离从地表算起),每个剖面重复3次。采样后做好记录,注明时间、地点、编号、深度等,并将底土和表土按原层回填到采样坑中。

土壤养分:每个样点采集0～20 cm土壤样品,于实验室内风干测定土壤养分含量,pH用电位法(土液比1∶5)测定,土壤有机质用重铬酸钾外加热容量法测定,全氮用半微量凯氏定氮法测定,全钾用原子分光光度法测定,碱解氮用碱解扩散法测定,全磷和速效磷用钼锑抗比色法测定,速效钾用火焰光度法[13]测定。

1.3 数据分析

本研究除试验调查数据外,还通过文献查找收集了2008年我国17个省的土壤耕层深度、容重数据[11]和2005年四川18个国家试点县的土壤养分调查数据[12],并将其采用Microsoft Excel 2007进行分析和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤耕层深度

由图3可知,区县间土壤耕层深度存在明显差异,其中简阳最浅,耕层深度仅12 cm,其次是仪陇,为13 cm。耕层相对较深的有宣汉、广汉、彭州和隆昌,均为19 cm,但远低于农田耕作层最低厚度25 cm。

图3 典型县粮田土壤耕层深度Fig.3 Topsoil depth of grain fields in typical counties

由图4可知,此次在四川调查的体系示范县和院地合作重点县中粮田土壤平均耕层深度(17.0 cm)与2008年我国土壤平均耕层深度(16.5 cm)相比略微上升,但远低于农田耕作层最低标准(25.0 cm)。

对比数据来源于2008年全国17个省(市、自治区)31个玉米综合试验站151个示范县916个代表性样点的玉米农田土壤平均有效耕层深度。The comparative data is derived from the average effective topsoil depth of maize farmland soil at 916 representative sample sites in 151 demonstration counties of 31 maize comprehensive test stations in 17 provinces (cities, autonomous regions) in China in 2008.图4 土壤耕层深度对比Fig.4 Comparison of topsoil depth

2.2 土壤容重

此次在四川调查的体系示范县和院地合作重点县中(除宣汉、广汉、彭州外)粮田土壤5～10 cm深度的土壤容重均高于粮田土壤适宜的容重范围(1.10～1.30 g/cm3),土壤严重紧实,不利于作物根系生长(表2)。其中,平昌、仪陇、阆中的耕层容重最高,其次为简阳、西充、广安、隆昌、雁江,其余区县(宣汉、广汉、彭州)土壤容重处于作物适宜容重范围内,分别为1.30、1.26和1.22 g/cm3,有利于作物根系生长。20～25和35～40 cm深度的土壤容重平均分别为1.58和1.61 g/cm3,处于非常坚硬的状态,将严重阻碍作物根系向下伸展。

表2 典型县粮田土壤容重Table 2 Soil bulk density of grain fields in typical counties (g/cm3)

此次在四川调查的体系示范县和院地合作重点县中粮田土壤5～10 cm深度的土壤平均容重(1.39 g/cm3)与2008年我国土壤平均容重(1.39 g/cm3)相当,略高于2008年西南及南方土壤平均容重(1.37 g/cm3),均高于粮田土壤适宜的容重范围(图5)。

对比数据来源于2008年全国17个省(市、自治区)31个玉米综合试验站151个示范县916个代表性样点5～10 cm的玉米农田土壤平均容重。The comparative data is derived from the average bulk density of 5-10 cm corn farmland soil at 916 representative sample sites in 151 demonstration counties of 31 maize comprehensive test stations in 17 provinces (cities, autonomous regions) in China in 2008.图5 典型县粮田土壤容重对比Fig.5 Comparison of soil bulk density of grain fields in typical counties

2.3 耕层土壤基础肥力

对照表3中土壤肥力等级标准发现,越西除全钾和速效钾以外,有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量均达一级土壤肥力标准;仪陇和简阳各项养分含量指标均达三级土壤肥力标准及以上;其余区县(平昌、西充、广安、雁江、广汉、彭州、阆中、隆昌)部分指标处于四级土壤肥力标准(表4)。

表3 土壤肥力等级标准Table 3 Soil fertility grade standard

表4 典型县粮田土壤养分情况Table 4 Soil nutrient status of grain field in typical counties

从各养分指标的平均含量(图6)可以看出,此次在四川调查的体系示范县和院地合作重点县中粮田土壤总体肥力水平中等偏上,其中有机质、全氮、全钾含量中等(第三级),其余养分指标中等偏上(第二级)。土壤有机质含量平均为25.9 g/kg,与2005年四川省测土配方施肥的18个国家试点县土壤数据相比,提高21.03%,但仍处于中等水平;有效磷含量平均为35.9 mg/kg,较2005年提高1.38倍,从第三级提高到第二级;速效钾含量平均为163 mg/kg,较2005年提高1.30倍,从第四级提高到第二级;全钾和碱解氮含量均较2005年有所下降,分别降低3.31%和2.15%,但肥力等级不变;全氮和全磷较2005年相差不大。说明对比2005年四川土壤养分含量来说,土壤综合肥力水平有所提高,主要体现在有效磷和速效钾上,但总体肥力还需进一步增强,尤其在有机质和全量含量上。

对比数据来源于2005年四川省测土配方施肥的18个国家试点县(包括中江,绵竹,剑阁,通江,安县,武胜,仁寿,夹江,渠县,金堂,射洪,三台,简阳,都江堰,仪陇,富顺,南部,大竹),土壤类型包括紫色土、水稻土、黄壤、新积土、潮土等,共计土壤样品3183个。The comparative data are from 18 national pilot counties (including Zhongjiang, Mianzhu, Jian’ge, Tongjiang, Anxian, Wusheng, Renshou, Jiajiang, Quxian, Jintang, Shehong, Santai, Jianyang, Dujiangyan, Yilong, Fushun, Nanbu, Dazhu) of soil testing and formula fertilization in Sichuan province in 2005. The soil types include purple soil, paddy soil, yellow soil, newly accumulated soil, and chao soil, with a total of 3183 soil samples.图6 四川省土壤养分含量对比Fig.6 Comparison of soil nutrient content in Sichuan

3 讨 论

耕层深度是土壤条件的基本特征,也是农田土壤生产力的核心,农田耕作层厚度应大于25 cm,良好的耕层结构是确保农作物高产优质的必要条件[14-15]。根据本研究调查结果,四川粮田土壤平均耕层深度17 cm,虽然略高于2008年我国土壤平均耕层深度,但远低于农田耕作层最低标准,尤其是简阳和仪陇。在调查过程中发现,农村主要使用小型农机具进行田间作业,达不到耕层深度标准,大部分耕地20多年来未进行深松整地。

容重是土壤最重要的物理性质之一,直接或间接影响着土壤水肥气热的协调供应和土壤养分、水分的运移,对维持土壤肥力、保证作物高产稳产有重要意义[17]。一般作物根系生长适宜的土壤容重范围为1.10～1.30 g/cm3[16],当土壤容重>1.4 g/cm3时,根系生长开始受到影响;当土壤容重>1.5 g/cm3时,根系生长严重受阻[18]。调查结果显示,四川粮田土壤5～10 cm深度的土壤容重平均为1.39 g/cm3,略高于土壤适宜的容重范围,但20～25和35～40 cm深度的土壤容重平均分别为1.58和1.61 g/cm3,土壤严重紧实,作物根系将难以穿透犁底层,根系分布浅,吸收营养范围减少,肥水利用率下降,还易引起倒伏早衰,降低了土壤的抗逆减灾能力和产出能力,尤其是平昌、仪陇和阆中。说明由于小型农机具耕作深度浅,作业幅窄,拖拉机在田间反复碾压,导致土壤耕层容重增加,严重板结。

土壤养分是影响作物生长发育的重要因素之一,也是评价土壤肥力的重要指标,同时也是合理施肥的重要依据[19]。根据调查结果可以看出,虽然近20年四川粮田土壤综合肥力水平有所提高,主要体现在有效磷和速效钾上,但总体肥力还需进一步增强,尤其是有机质和全效含量,整体处于中等偏下水平。说明近20年四川粮田土壤重视磷钾肥施用,而有机质和全氮的比例相对缺乏,应引起重视。

因此,在未来数年或数十年建议:①积极主动开展粮田土壤耕层结构与养分状况调查与评价。距离第二次土壤普查已过40年之久,其数据与结果已不能反映当前粮田土壤现状。依据此次调查结果结合即将开展的第三次土壤普查数据,力争5年内摸清四川粮田土壤现状,并进行土壤质量评价。②建立完善粮田土壤质量监测预警体系。建立基于不同土壤类型、耕作模式、气候区等土壤耕层质量监测点,进行长期定位动态监控。同时,开展水肥、耕作方式等相关试验研究,明确田间管理措施对土壤耕层质量的影响,逐步形成针对不同区域的土壤耕层质量管理信息系统。③建设高标准农田。针对性地对障碍性土壤和贫瘠土壤进行改良和培肥。全面实施“增(增施有机肥)、提(提高肥料利用率)、改(改良土壤)、防(防止土壤退化)”等综合措施,积极采用“松土促根土壤改良技术”“深耕深松技术”“密植滴灌技术”“平衡施肥技术”“保护性耕作技术”等。④加大财政投入、建立监管机制。中央和地方各级财政加大对土壤耕层质量改良工作的支持力度,设立土壤改良专项资金;将对土壤耕层质量进行监管的执法主体明确写进法律,各司其责;依据农业部对土壤耕层质量管理的新要求,及时制定相对应的管理办法。⑤建立土壤耕层质量保护体系。采用最新农作技术,大量开展土壤耕层质量改良方面的试验研究,并积极示范推广,指导农民科学种田。

4 结 论

在现有耕作制度、施肥和管理水平下,四川省粮田土壤耕层仍存在“浅、实、低”的问题,即土壤耕层浅,土壤结构紧实,严重板结,土壤有机质含量稳定并略有上升,但总体水平仍低;有效磷、速效钾含量上升趋势明显,部分点位含量水平仍不高;全钾和碱解氮含量有下降趋势;土壤综合肥力水平仍不高,将严重阻碍作物产量潜力的正常发挥。各地相关部门应积极采取有效措施对土壤耕层质量进行改良。