關(guān)鈺，褚貴新*

（新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源環(huán)境系，新疆 石河子 832003）

土壤肥力直接關(guān)系著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。土壤肥力受氣候、植被、地形、土壤屬性及人類活動(dòng)等因素的綜合影響[1]。隨著近些年人類對(duì)黑鈣土資源開(kāi)墾時(shí)間的延伸與耕種強(qiáng)度的不斷提升，黑鈣土區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的功能與生物地球化學(xué)過(guò)程也相應(yīng)產(chǎn)生了一系列變化[2]。

黑鈣土是有機(jī)質(zhì)含量最高、肥力最高、最適宜耕作的土壤類型之一[3]，在我國(guó)主要集中在東北地區(qū)，另外在新疆也有少量分布。然而由于常年的自然侵蝕（風(fēng)力、水力侵蝕等）和人類不合理的利用，導(dǎo)致東北黑鈣土地區(qū)水土流失嚴(yán)重，土壤肥力銳減，糧食產(chǎn)量下降，直接威脅到了國(guó)家糧食安全[4-6]。目前國(guó)家正在采取秸稈還田、深松耕等措施，恢復(fù)重建東北黑鈣土地區(qū)退化的土壤肥力。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第四師駐于自治區(qū)伊犁州西南部，下轄七十四團(tuán)、七十五團(tuán)、七十六團(tuán)、七十七團(tuán)場(chǎng)等單位，屬于旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)種植區(qū)，是新疆糧食安全戰(zhàn)略的主要區(qū)域之一。該區(qū)黑鈣土主要分布在七十六和七十七團(tuán)所在的昭蘇縣，全縣總面積1.04×105km2，其中耕地面積為 1.01×105公頃，分布在1100-1800米的山地或丘陵緩坡上，土壤類型包括黑鈣土、草甸土、栗鈣土、沼澤土，其中黑鈣土面積占到了76%。與東北地區(qū)類似，昭蘇縣黑鈣土區(qū)近年來(lái)由于農(nóng)田重用輕養(yǎng)的掠奪性生產(chǎn)方式，導(dǎo)致耕層變淺、犁底層加厚、土壤緩沖能力減弱、水肥氣熱矛盾突出等耕層環(huán)境惡化、耕地質(zhì)量下降問(wèn)題日益顯現(xiàn)，由此引發(fā)作物產(chǎn)量低、年際產(chǎn)量變幅大、資源利用效率下降等問(wèn)題，已成為制約作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與資源高效利用的瓶頸。

目前對(duì)于農(nóng)四師黑鈣土肥力特征的長(zhǎng)期演變未見(jiàn)系統(tǒng)研究，土壤肥力受到耕作、施肥等人為因素影響的范圍和程度尚不明確。本研究對(duì)1987-2014年28年間農(nóng)四師土壤養(yǎng)分和肥料施用量等的歷史資料和公開(kāi)文獻(xiàn)進(jìn)行廣泛調(diào)研，并調(diào)查2015年農(nóng)四師76和77團(tuán)耕地土壤養(yǎng)分和施肥情況，系統(tǒng)揭示長(zhǎng)期耕作和施肥條件下農(nóng)四師黑鈣土土壤肥力特征與演化，以期為建立本區(qū)域合理耕層構(gòu)建技術(shù)，保護(hù)黑鈣土資源，保障糧食安全與農(nóng)產(chǎn)品有效供給提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于昭蘇縣 （80°-81°E，42°-43°N），平均海拔1783 m。屬寒溫帶亞干旱氣候區(qū)，年均氣溫2.9℃，年極端最高溫度33.5℃，最低溫度－32℃。全年無(wú)霜期平均為98 d，年均降水512毫米。水蒸發(fā)量大，年均為1261.6毫米。年平均日照總數(shù)為2699小時(shí)，全年太陽(yáng)總輻射能為1364卡/平方厘米。

1.2 研究方法

取樣點(diǎn)遍布新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)四師76和77兩個(gè)團(tuán)場(chǎng)各個(gè)連隊(duì)的數(shù)百塊條田。2015年收獲后采集0-20 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，并且調(diào)查農(nóng)戶施肥情況。

樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，用木棒壓碎挑出草根/礫石等雜物，研磨后過(guò)2和0.25 mm尼龍篩，備用。有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[7]。

農(nóng)四師歷年土壤肥力數(shù)據(jù)來(lái)源于1980-2016年中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)已發(fā)表文獻(xiàn)，肥料施用量數(shù)據(jù)來(lái)源于1989-2014年《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥演變

根據(jù)《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)，氮磷鉀肥及復(fù)合肥的施肥總量均隨年代推移而增加（圖1）。1989年四類肥料的施用量分別為 53、29、0.4、36 kg/hm2，占施肥總量的 45%、25%、0.4%、30%，2001 年分別增加到 87、31、13、91 kg/hm2，占施肥總量的39%、14%、6%、41%，2014年分別增加到 165、99、35、127 kg/hm2，占施肥總量的 39%、23%、8%、30%。1989-2014年的26年間分別提高了3.1、3.4、84.6、3.5倍。

圖1 1989-2014年農(nóng)四師肥料施用量Fig.1 Consumption of fertilizers of the Fourth Division during the year of 1989-2014

2.2 肥力演變

綜合張綺珠等[8]和郝麗娜等[9]的研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著年份的推移，伊犁地區(qū)有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，速效磷含量先降低后升高，速效鉀含量2012年之前迅速增加隨后又降低（表1）。

表1 歷年農(nóng)四師與76、77團(tuán)土壤肥力Tab.1 Soil fertility of the Fourth Division and the 76th and 77th Regiment in the past years

1984-2015年，有機(jī)質(zhì)和堿解氮分別從82 g/kg和 242 mg/kg降低到 15 g/kg和 82 mg/kg，降低了5.3和3.0倍；速效磷從 14 mg/kg增加到32 mg/kg，增加了2.3倍；速效鉀從96 mg/kg變?yōu)?02 mg/kg，基本沒(méi)有太大改變。2015年76、77團(tuán)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀分別為 71 g/kg、121、22、435 mg/kg，與整個(gè)伊犁黑鈣土區(qū)的對(duì)比，土壤肥力水平較高，除了速效磷水平略低以外，其他3個(gè)指標(biāo)均較高。

2.3 當(dāng)前土壤肥力

調(diào)查結(jié)果表明，76團(tuán)657個(gè)樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為70.17 g/kg，其中有73%的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量在50-90 g/kg之間，12.5%的土樣有機(jī)質(zhì)含量低于50 g/kg，而高于90 g/kg的僅占到14.5%。土壤堿解氮含量平均值為130.09 g/kg，其中有70.2%的土壤樣品堿解氮含量在100-200 g/kg之間，16.9%的土樣全氮含量低于100 g/kg，而高于200 g/kg的僅占到12.9%。土壤速效磷含量平均值為19.04 mg/kg，其中有85.1%的土壤樣品速效磷含量在10-30 mg/kg之間，7.9%的土樣速效磷含量低于10 mg/kg，而高于30 mg/kg的僅占到7%。土壤速效鉀含量平均值為480.63 mg/kg，其中有70.3%的土壤樣品速效鉀含量在200-600 mg/kg之間，3.2%的土樣速效鉀含量低于200 mg/kg，而高于600 mg/kg的占到 29.7%（圖 1）。

圖2 76團(tuán)土壤肥力頻度分布Fig.2 Frequency distribution of soil fertility of the 76th Regiment

77團(tuán)258個(gè)樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為72.4 6 g/kg，其中有82.6%的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量在30-120 g/kg之間，10.3%的土樣有機(jī)質(zhì)含量低于30 g/kg，而高于120 g/kg的僅占到7.1%。土壤堿解氮含量平均值為121.36 mg/kg，其中有81.4%的土壤樣品堿解氮含量在50-200 mg/kg之間，8.3%的土樣堿解氮含量低于50 mg/kg，而高于200 mg/kg的僅占到10.3%。土壤速效磷含量平均值為24.03 mg/kg，其中有70.5%的土壤樣品速效磷含量在10-30 mg/kg之間，3.2%的土樣速效磷含量低于10 mg/kg，而高于30 mg/kg的占到26.3%。土壤速效鉀含量平均值為389.49 mg/kg，其中有79.5%的土壤樣品速效鉀含量在200-600 mg/kg之間，11.5%的土樣速效鉀含量低于200 mg/kg，而高于600 mg/kg的僅占到 9%（圖 3）。

圖3 77團(tuán)土壤肥力正態(tài)分布圖Fig.3 Frequency distribution of soil fertility of the 77th Regiment

2.4 當(dāng)前施肥量

調(diào)查結(jié)果表明，76團(tuán)657個(gè)樣點(diǎn)小麥?zhǔn)┑科骄禐?174kg/hm2，其中有 63.3%的施氮量在100-200 kg/hm2之間，7.2%的施氮量不足 100 kg/hm2，而超過(guò)200 kg/hm2的占到29.5%。小麥?zhǔn)┝琢科骄禐?151kg/hm2，其中有 55.5%的施磷量在100-150 kg/hm2之間，7.8%的施磷量不足100 kg/hm2，而超過(guò)150 kg/hm2的占到36.7%。油菜氮肥施用量平均值為163 kg/hm2，其中有56.5%的施氮量在 100-200 kg/hm2之間，16.9%的施氮量不足 100 kg/hm2，而超過(guò)200 kg/hm2的占到26.6%。油菜磷肥施用量平均值為191 kg/hm2，其中有63.4%的施磷量在 100-200 kg/hm2之間，2.2%的施磷量不足 100 kg/hm2，而超過(guò) 200 kg/hm2的占到 34.4%（圖 4）。

77團(tuán)258個(gè)樣點(diǎn)小麥?zhǔn)┑科骄禐?00 kg/hm2，其中有34.9%的施氮量在100-150 kg/hm2之間，53.9%的施氮量不足 100 kg/hm2，超過(guò) 150 kg/hm2的占到11.2%。小麥?zhǔn)┝琢科骄禐?37 kg/hm2，其中有60.5%的施磷量在100-150 kg/hm2之間，11.2%的施磷量不足 100 kg/hm2，而超過(guò) 150 kg/hm2的占到28.3%。油菜施氮量平均值為107 kg/hm2，其中有41.9%的施氮量在100-150 kg/hm2之間，43.4%的施氮量不足 100 kg/hm2，而超過(guò) 150 kg/hm2的占到14.7%。油菜施磷用量平均值為139 kg/hm2，其中有71.3%的施磷量在100-150 kg/hm2之間，3.1%的施磷量不足 100 kg/hm2，而超過(guò) 150 kg/hm2的占到 25.6%（圖 5）。

圖4 76團(tuán)小麥、油菜施肥量正態(tài)分布圖Fig.4 Frequency distribution of fertilizer input for wheat and rape of the 76th Regiment

圖5 77團(tuán)小麥、油菜施肥量頻度分布圖Fig.5 Frequency distribution of fertilizer input for wheat and rape of the 77th Regiment

2.5 施肥量與土壤肥力的一元線性回歸分析

土壤有機(jī)質(zhì)含量與化肥施用量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.644），回歸方程為 y=-0.247x+113.1；土壤堿解氮含量與氮肥施用量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.760），回歸方程為 Y=-1.751X+360.6；土壤速效磷含量與磷肥施用量之間呈正相關(guān)關(guān)系（R2=0.057），回歸方程為Y=0.053X+6.965；土壤速效鉀與鉀肥施用量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.018），回歸方程為Y=-0.753X+225.2（圖 6）。

圖6 施肥量與土壤肥力的關(guān)系Fig.6 The correlation between fertilizer application rate and soil fertility

3 討論

土壤肥力變化是自然因素和人文因素共同作用的結(jié)果，人類的施肥、耕作措施的改變及土地利用變化都會(huì)對(duì)耕地土壤肥力變化趨勢(shì)產(chǎn)生影響。有機(jī)質(zhì)是反映土壤養(yǎng)分貯量的標(biāo)志，也是決定土壤綜合肥力水平的基礎(chǔ)。本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)得到整個(gè)伊犁地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)隨著年份的推移明顯下降，到2015年含量只有15 g/kg，不足全國(guó)第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)含量平均值的一半[10]，說(shuō)明當(dāng)前伊犁地區(qū)重用輕養(yǎng)的掠奪性生產(chǎn)方式已經(jīng)對(duì)土壤肥力產(chǎn)生了較大程度的破壞，不利于該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在美國(guó)及我國(guó)東北黑土區(qū)，也觀測(cè)到由于多年頻繁的耕作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)大量丟失的現(xiàn)象[11-14]。一方面較高的土壤耕作強(qiáng)度打破了原有的土壤物理結(jié)構(gòu)，使土壤有機(jī)質(zhì)因分解加快；另一方面，植物凋落物歸還量的降低導(dǎo)致外源性有機(jī)質(zhì)輸入不足[1]。而本文調(diào)查取樣的兩個(gè)團(tuán)場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量均大于70 g/kg，可能因?yàn)檫@兩個(gè)團(tuán)場(chǎng)的生產(chǎn)方式相對(duì)落后，耕種強(qiáng)度不大，尚未對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成大的干擾。加大復(fù)種指數(shù)、降低休耕頻率以及合理的輪作保護(hù)性種植制度可以有效提高土壤肥力[15]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化在昭蘇盆地黑鈣土區(qū)域的逐步推進(jìn)，未來(lái)需要制定合理的耕作種植制度，堅(jiān)持用養(yǎng)結(jié)合，保育并提升地力。

我國(guó)用占世界9%的耕地養(yǎng)活了世界21%的人口，糧食增產(chǎn)中肥料的貢獻(xiàn)占了40% 左右。但與此同時(shí)，不合理施肥造成的農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤酸化和土壤板結(jié)等問(wèn)題也逐漸凸顯[16]。例如，與第二次土壤普查相比，過(guò)量施用化肥使東北地區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量下降了35%左右[6]，新疆沙灣縣農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量也下降了30%[1]。本文研究表明近三十年間化肥施肥總量逐年增加，而土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過(guò)回歸分析可以看出，化肥施用量每增加1 kg/hm2，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量減少0.247 g/kg，氮肥施用量每增加1 kg/hm2，耕層土壤堿解氮含量減少1.751 mg/kg（圖 6）。速效鉀含量不斷起伏波動(dòng)，總體還是比較充足的。昭蘇盆地黑鈣土區(qū)域長(zhǎng)期采用重用輕養(yǎng)的掠奪性生產(chǎn)方式，大量施用化肥，忽略了有機(jī)肥的投入，從而降低了耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤有機(jī)質(zhì)的丟失會(huì)對(duì)土壤造成了破壞，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降、土壤養(yǎng)分流失、作物產(chǎn)量降低[2]。耕層土壤堿解氮含量下降的原因可能是由于不合理施肥破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更多的堿解氮淋洗到了深層土壤。已有多項(xiàng)研究表明化肥與有機(jī)肥配施是糧田持續(xù)高產(chǎn)和土壤培肥的有效措施[17-20]。為防止昭蘇盆地黑鈣土繼續(xù)退化，應(yīng)在適當(dāng)施用化肥同時(shí)增施有機(jī)肥，保持農(nóng)業(yè)系統(tǒng)養(yǎng)分的循環(huán)利用，緩解土壤養(yǎng)分收支赤字。

土壤有效磷是衡量土壤供磷能力、指導(dǎo)磷肥合理施用和評(píng)估磷損失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[20]。隨著磷肥施用量的增加，耕層土壤速效磷含量逐漸上升，通過(guò)回歸分析可以看出，磷肥施用量每增加1 kg/hm2，耕層土壤速效磷含量增加0.053 mg/kg，說(shuō)明施用磷肥對(duì)土壤速效磷含量的提升效果明顯（圖6）。每季作物施磷(P)20-33 kg/hm2，土壤全磷和有效磷即可維持平衡或表現(xiàn)出明顯增加[21-22]。第二次土壤普查的結(jié)果顯示，新疆農(nóng)田土壤缺氮少磷富鉀，因此在化肥的施用上重視氮磷肥。但是由于連續(xù)多年施用磷肥，農(nóng)田土壤中已出現(xiàn)了磷的積累，而本研究中調(diào)查取樣的兩個(gè)團(tuán)場(chǎng)農(nóng)民仍然保持著較高磷肥投入，不論種植小麥還是油菜，施磷量都大于130 kg/hm2，氮磷比超過(guò)了1∶1，這不僅會(huì)增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也是對(duì)資源的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

1989-2014年農(nóng)四師施肥量逐年上升，2014年氮、磷、鉀肥及復(fù)合肥的施肥總量分別為165、99、35、127 kg/hm2，比 1989 年提高了 3.1、3.4、84.6、3.5倍；1984-2015年耕層土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量明顯下降，速效磷略有增加，速效鉀2012年之前增加隨后又降低。2015年76和77團(tuán)黑鈣土耕層有機(jī)質(zhì)含量高，平均為70-73 g/kg，堿解氮和速效磷含量分別為121 mg/kg和13-19 mg/kg，氮磷肥力屬中等水平；速效鉀平均含量為389-481 mg/kg，土壤鉀素肥力很高，屬于豐富水平。種植小麥平均施N和施P量分別為 100-174 kg/hm2和 136-151 kg/hm2；種植油菜平均施N和施P量分別107-163 kg/hm2和139-157 kg/hm2，總體施N量偏低，施 P量偏高，氮磷比例不平衡。

綜上，今后在昭蘇盆地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必須堅(jiān)持用養(yǎng)結(jié)合，保育優(yōu)先，通過(guò)覆蓋、壟作、深松、平衡施肥等綜合管理措施構(gòu)建合理耕層，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)田基礎(chǔ)地力提升、農(nóng)田生產(chǎn)力和資源利用效率的提高。