張晉豐，郭雅飛，栗麗,2，李廷亮,2*，劉洋，陳婷，王嘉豪，呂卓呈

（1.山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801；2.山西農業(yè)大學農業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學示范中心，山西太谷 030801）

0 引言

【研究意義】根據2018 年山西省統計年鑒，山西省小麥種植面積為56 萬hm2，占全省糧食播種面積的16%，主要分布在晉南的運城、臨汾和長治地區(qū)，小麥生產對支撐當地糧食安全和面食文化均具有重要意義。小麥高產優(yōu)質與土壤養(yǎng)分協同供應能力密切相關，明確山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分特征可為推進當地小麥綠色生產及土壤肥力提升提供理論依據?！狙芯窟M展】全國第二次土壤普查結果表明，20 世紀90 年代山西省耕層土壤有機質量、全氮量、有效磷量和速效鉀量的加權平均值分別為 1.07%、0.68g/kg、7.76mg/kg、131.90mg/kg，其中有機質量和全氮量分布表現為以晉東南地區(qū)最高，晉西北地區(qū)最低[1]。陳明昌等[2]2000 年對山西省從南到北9 個地（市）農田土壤養(yǎng)分調查研究表明，與全國第二次土壤普查數據相比，隨施肥結構變化，土壤有效磷量有所提升，但速效鉀量呈下降趨勢。解文艷等[3]2007年對山西省主要農田土壤速效養(yǎng)分的研究表明，耕層土壤有效磷、速效鉀和堿解氮量平均值分別為14.15、141.80mg/kg 和63.29mg/kg，有效磷和速效鉀量較豐富，堿解氮量處于中等水平。董潔[4]進一步通過地統計方法和GIS 技術手段對山西省養(yǎng)分綜合狀況分析表明，土壤有機質量、全氮量、有效磷量、速效鉀量呈現西北低，東南高的空間分布格局，土壤養(yǎng)分水平隨地貌和土壤類型呈顯著變化。近年來許多研究也表明，隨著化肥用量的大幅度提高和有機肥用量的下降，土壤有機質量在持續(xù)降低[5-7]。土壤微量元素水平對提高作物產量和改善作物品質具有重要作用，史崇文等[8]研究發(fā)現山西省土壤微量元素背景值的分布特征為由南向北、由東南向西北逐漸降低，主要影響因素是土壤類型、土壤母質和土壤團粒結構，山西省土壤中Mn 元素值普遍較高，但Se 元素值較低。余存祖等[8]研究表明黃土高原地區(qū)有11%的土壤缺鐵，8%的土壤缺錳，56%的土壤缺鋅，21%的土壤缺銅，土壤微量元素供應不足已經影響到了該區(qū)的作物生長。

【切入點】近年來，化肥在我國農業(yè)生產中發(fā)揮了重要作用，但化肥增幅遠大于產量增幅，本研究團隊前期對晉南麥區(qū)700 多個農戶的調研表明，平均肥料用量為：N 152kg/hm2，P2O580kg/hm2，K2O 41kg/hm2，對應具體農戶產量評價表明45%～60%農戶氮、磷、鉀肥用量偏高。施肥、種植方式及氣候條件的變化必然會影響土壤養(yǎng)分供應情況，第二次土壤普查養(yǎng)分數據已不能有效指導農業(yè)施肥生產?！緮M解決的關鍵問題】通過對山西省小麥種植區(qū)典型縣域耕地土壤均勻布點采樣，分析小麥種植區(qū)耕層土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀、有機質以及Cu、Zn、Fe、Mn、Ni、Se6 種微量元素水平及分布規(guī)律，明確山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分供應能力，為當地小麥提質增效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省小麥種植主要集中在運城、臨汾和長治地區(qū)，本研究依據山西省統計年鑒2018 年數據，選取小麥種植面積最大的3 個縣為代表區(qū)域，分別是洪洞縣、襄汾縣和聞喜縣，小麥種植面積分別為40420、42278、40933hm2。當地屬溫帶季風性氣候，其中洪洞縣年均氣溫12.3℃，年平均降水量493.3mm，無霜期平均每年190d；襄汾縣年均氣溫11.5℃，年均降水量550mm 左右，無霜期平均每年185d；聞喜縣年均氣溫為8～14℃，無霜期平均每年200d 左右，年均降水量439.8mm。當地約70%的降雨量集中在6—9 月，土壤類型以褐土為主。水地小麥種植模式一般為冬小麥-夏玉米，旱地小麥種植模式一般為冬小麥-夏休閑。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集與處理

為避免季節(jié)性施肥對土壤養(yǎng)分的影響，本研究于2019 年7―9 月在小麥收獲后下季作物播種前，根據土壤類型、地形條件以及小麥種植區(qū)劃，分別在洪洞縣、聞喜縣和襄汾縣均勻布點100 個，并記錄經緯度，具體采樣點分布見圖1。每個點位的土壤樣品是根據所在地塊性狀大小特征，采用五點法或“S”形法采集的耕層混合樣品，樣品經四分法處理后留取1kg 左右?guī)Щ貙嶒炇?，除去枯枝落葉和石礫等雜物，取一部分新鮮樣品測定土壤水分和硝態(tài)氮量，其余土壤樣品自然風干后，分別過1mm 篩和0.149mm 篩，用于測定土壤有效磷、速效鉀、有機質和微量元素等指標。

3 個典型種植區(qū)所采集土壤樣品涉及的土壤類型包括棕壤（1 個）、褐土（224 個）、新積土（3 個）、石質土（5 個）、粗骨土（15 個）、潮土（48 個）、水稻土（4 個），地形特征包括山地（79 個）、平原（123 個）和丘陵（58 個）。

1.2.2 樣品測定及方法

土壤硝態(tài)氮的測定使用紫外分光光度法[9]；土壤有效磷的測定采用0.5mol/L 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[9]；土壤速效鉀的測定采用NH4OAc 浸提-火焰光度法[9]；土壤有機質的測定用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[9]。微量元素全量Cu、Zn、Fe、Mn、Ni 的測定經加硝酸-氫氟酸浸泡過夜高溫消煮后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，而全量Se 則用硝酸-高氯酸浸泡過夜后高溫消解，用氫化物發(fā)生-原子熒光法進行測定[10-12]。

1.2.3 數據處理與分析

所有數據采用Excel 2003 進行統計分析和整理，采用Origin 8 軟件進行制圖和用SPSS 軟件進行Pearson 相關分析。

2 結果與分析

2.1 小麥種植區(qū)速效養(yǎng)分特征分析

圖2 是山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤速效養(yǎng)分特征。當地耕層土壤硝態(tài)氮量在1.9～115.2mg/kg，空間差異較大，平均值為35.14mg/kg，3 個代表區(qū)域以聞喜縣耕層土壤硝態(tài)氮量最低，整體表現為洪洞縣、襄汾縣>聞喜縣。有效磷量在2.4～88mg/kg，平均值為26.9mg/kg，較第二次土壤普查全省土壤有效磷量平均值提高了2.98%，對照全國土壤養(yǎng)分分級標準[3]，處于二級水平。3 個代表區(qū)耕層土壤有效磷量整體表現為襄汾縣>聞喜縣>洪洞縣。速效鉀量在97.1～579.2mg/kg，平均值為297.9mg/kg，較第二次土壤普查山西省土壤速效鉀量平均值提高了1.26%，對照全國土壤養(yǎng)分分級標準，處于一級水平，3 個代表區(qū)以襄汾縣耕層土壤速效鉀量最高，屬于富鉀地區(qū)，整體表現為襄汾縣>聞喜縣>洪洞縣。

2.2 小麥種植區(qū)微量元素水平分析

典型小麥種植區(qū)耕層土壤6 種微量元素水平情況見表1。由表1 可知，土壤中Cu 全量范圍為16.09～59.71mg/kg，平均值為30.40mg/kg；土壤中Zn全量范圍為57.88～198mg/kg，平均值為90.04mg/kg；土壤中 Fe 全量范圍為 2.30%～6.66%，平均值為3.76%；土壤中Mn 全量范圍為426～926.1mg/kg，平均值為 660.24mg/kg；土壤中 Ni 全量范圍在23.31～47.75mg/kg 之間，平均值為34.80mg/kg；土壤中 Se 全量范圍為 0.017～1.354mg/kg，平均值為0.434mg/kg?？傮w表明，山西省小麥種植區(qū)耕層土壤6 種微量元素較對應的山西省土壤元素背景值高10.82%～141.11%，較對應中國土壤元素背景值高13.25%～49.66%。6 種微量元素總體水平較高，且表現為Fe>Mn>Zn>Ni>Cu>Se，進一步分析3 個典型種植區(qū)耕層土壤6 種微量元素的水平特征，總體以洪洞縣耕層土壤6 種微量元素最高，以聞喜縣最低。

2.3 小麥種植區(qū)耕層土壤有機質特征分析

表2 是山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤有機質量。由表2可知，當地土壤有機質量在5.61～64.28g/kg，空間差異較大，平均值為21.65g/kg，較第二次土壤普查山西省耕層土壤有機質平均值提高了109.4%。其中，有機質量<10g/kg 點位數占4.55%，10～20g/kg點 位 數 占 46.85% ， 20～30g/kg 點 位 數 占24.48%，>30g/kg 的點位數占24.13%，表明小麥種植區(qū)大部分區(qū)域有機質量是在10～20g/kg。另外，3 個代表區(qū)以洪洞縣土壤有機質量最高，平均值為26.75 g/kg，以聞喜縣土壤有機質量最低，平均值為15.10 g/kg。

2.4 小麥種植區(qū)土壤中各養(yǎng)分元素相關性分析

土壤中各養(yǎng)分元素相關性分析見表3。從表3 可以看出，山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤全量Cu、Fe、Mn、Ni 之間相互均存在極顯著相關性，全量Se與Fe、Cu、Mn 存在顯著或極顯著相關性，但全量Zn 與其他微量元素、有機質、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀均不存在顯著相關性，土壤有機質與全量Se、Cu、Fe、Mn、速效磷存在顯著或極顯著相關性，但土壤有機質與硝態(tài)氮、速效鉀相關性不顯著，土壤有效磷與Ni、Fe、Mn、Cu 呈負相關，且與Ni、Fe、Mn 的負相關性達極顯著水平。

表1 小麥種植區(qū)耕層土壤微量元素特征Table 1Characteristics of trace elements in topsoil of wheat planting area

表2 山西省典型小麥種植區(qū)耕層土壤有機質量Table 2Organic quality of topsoil in typical wheat growing areas of Shanxi Province

表3 山西省小麥種植區(qū)土壤元素相關系數Table 3 Correlation coefficient of soil elements in wheat planting area of Shanxi Province

3 討論

硝態(tài)氮是土壤礦質態(tài)氮的重要組成部分，同時也是作物獲取氮素的主要來源，土壤硝態(tài)氮量因施肥方式、耕作措施及土壤水熱條件差異而變化。研究表明，在相同灌水處理下，各土層硝態(tài)氮量隨施氮量的增加而增加，表明氮肥大量施用增加了土壤中硝態(tài)氮量，這也是土壤中硝態(tài)氮積累和淋溶的根本原因[13-14]；本研究中，山西省小麥種植區(qū)土壤硝態(tài)氮量平均值為35.14mg/kg，空間差異較大，最大值較最小值高達60倍，原因可能是不同樣點農民的施氮量差異比較大。有效磷是土壤磷庫中對作物最為有效的部分，也是評價土壤供磷水平的重要指標[15]。山西省小麥種植區(qū)土壤有效磷量在2.4～88mg/kg，平均值達26.9mg/kg，空間差異也比較大，一方面與農戶施磷量有關，另一方面與土壤磷形態(tài)轉化有關，因為山西省土壤屬石灰性土壤，土壤中鈣結合態(tài)磷分級和數量是影響土壤中速效磷量的重要因素。鉀是植物生長必需的營養(yǎng)元素，土壤中鉀的釋放和固定對土壤鉀的有效性具有重要影響[16-17]。山西省小麥種植區(qū)土層速效鉀量空間變化較大，但速效鉀總體量較高，本研究中山西省小麥種植區(qū)土壤平均值高達297.9mg/kg，對照全國土壤養(yǎng)分分級標準，處于一級水平。這與北方土壤成土母質多含長石類礦物以及近年來提倡秸稈還田有關[18]?？傮w來看，經過30 多年土壤耕作演替，山西省小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分狀況總體較第二次土壤普查數據呈提升狀態(tài)。此外，研究區(qū)內土壤主要為水澆地，輪作制度一年二熟或二年三熟，地區(qū)農民從事農業(yè)生產的積極性較高，農業(yè)投入也相對較多，因此土壤速效養(yǎng)分水平較高。小麥種植區(qū)土壤硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀量空間差異較大，一方面與土壤成土母質和氣候環(huán)境條件有關，另一方面也與農戶盲目施肥有關[19-20]。

土壤有機質是土壤的重要組成物質，也是各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，是土壤養(yǎng)分供應能力與肥力的重要指標之一[9],本研究發(fā)現山西典型小麥種植區(qū)土壤有機質量在5.61～64.28g/kg，空間差異較大，平均值為21.65g/kg，而第二次土壤普查數據為10.34g/kg，與之相比提高了109.4%，土壤有機質量提高的原因與有機肥的投入和秸稈還田有關。研究表明秸稈還田可有效提高土壤有機碳量[21]，1998 年以后，各級政府進一步加大了禁燒力度，秸稈還田的面積和數量穩(wěn)步增長，對培肥土壤提高土壤有機質量起到了推動作用[22]。

山西省典型小麥種植區(qū)土壤微量元素總體來說較為豐富，Mn、Zn、Cu、Fe、Ni、Se6 種微量元素較山西省土壤元素背景值提高10.82%～141.11%，原因可能與生產過程中有機肥的投入和測土培肥施肥技術推廣有關，有機肥含有大量的微量元素，比如銅、鋅等[23]，進而可增加土壤中微量元素。測土配方施肥技術的宣傳推廣使得微肥得到重視，維持了農作物需肥與土壤供肥的基本平衡[24-25]。

研究區(qū)土壤中有效磷與有機質相關性較好，原因可能是因為土壤有機質酸性基團可以活化土壤中的礦物態(tài)磷,增加了磷的有效性。常龍飛等[26]在巢湖低丘山區(qū)的研究也表明土壤有機質與總磷以及各形態(tài)磷均呈良好正相關關系。有機質對土壤硒具有固定和吸附作用,有機質量越豐富的土壤對硒的吸附能力也就越強。牛中磊等[27]在山東省淄川區(qū)的研究也表明土壤硒水平與有機質量具有顯著的相關性，相關系數達到0.7913。另一方面，土壤有機質與Se 元素相關性比較高，也說明當地土壤硒形態(tài)主要為有機態(tài)硒。但土壤有機質與土壤硝態(tài)氮、速效鉀相關性不顯著，原因應該是硝態(tài)氮、速效鉀是以無機態(tài)鹽分存在的。全量Zn 與其他微量元素、有機質、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀均不存在顯著相關性。原因可能是北方土壤Zn 主要以硅鋁酸鹽礦物態(tài)存在，鋅的離子半徑與鎂離子相近，易與硅鋁酸鹽片層中的鎂進行同晶交換而成為硅鋁酸鹽的成分[28]。土壤Fe 與Mn 元素的相關性較好，表明在小麥種植區(qū)，Fe 元素與Mn 元素之間具有較強的影響關系。原因可能是Mn、Fe 主要以多種氧化態(tài)存在于土壤中，其氧化物還原成Fe2+、Mn2+并在MnO2的催化下Fe2+快速氧化，沉積在MnO2表面；在土壤長期演化過程中，周圍的活性Fe2+、Mn2+又被氧化淀積在鐵、錳氧化物表面；干濕交替、氧化還原的反復進行[29]，因此Fe 與Mn 相關性高。魏孝榮[30]通過在黃土高原旱地連續(xù)進行了18 a 的長期定位試驗探討了土壤鋅、銅、錳、鐵有效性與其形態(tài)，其中也提到錳還以多種氧化態(tài)存在于土壤中，容易與Fe 共生形成混雜的或復合的氧化物共同存在于土壤中。土壤有效磷與土壤Ni、Fe、Mn、Cu 負相關，且與Ni、Fe、Mn 的負相關性達極顯著水平，原因可能是磷酸根離子與金屬離子的共沉淀作用引起的。

4 結論

1）山西省小麥種植區(qū)土壤硝態(tài)氮平均值為35.14mg/kg，有效磷平均值為26.9mg/kg，速效鉀平均值為297.9mg/kg，有機質平均值為21.65g/kg，總體較第二次土壤普查山西省耕層土壤對應養(yǎng)分數據提高了1.26%～109.4%。

2）土壤中Cu 平均值為30.40 mg/kg，Zn 平均值為90.04 mg/kg，Fe 平均值為3.76%，Mn 平均值為660.23 mg/kg，Ni 平均值為34.80 mg/kg，Se 平均值為0.434 mg/kg，對應較山西省土壤元素背景值提高10.82%～141.11%。

3）6 種微量元素總體表現為Fe>Mn>Zn>Ni>Cu>Se。當地土壤中有機質量與有效磷、全量Se 呈極顯著相關性。小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分縣域空間分布差異性表現為3 種大量元素上以襄汾縣最高，6 種微量元素以聞喜縣最低。