李玉浩,王紅葉,崔振嶺,營(yíng)浩,曲瀟琳,張駿達(dá),王新宇
我國(guó)主要糧食作物耕地基礎(chǔ)地力的時(shí)空變化
李玉浩1,王紅葉2,崔振嶺1,營(yíng)浩1,曲瀟琳2,張駿達(dá)2,王新宇2
1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193;2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心,北京 100125
【目的】耕地基礎(chǔ)地力是實(shí)現(xiàn)糧食作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基石,明確我國(guó)主要糧食作物耕地基礎(chǔ)地力時(shí)間變化趨勢(shì)及空間變異特征,為保障我國(guó)糧食安全、提升耕地質(zhì)量提供重要理論支撐?!痉椒ā炕?988—2019年國(guó)家耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),選取每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)自建點(diǎn)開(kāi)始前1—5年不施肥處理的空白區(qū)與農(nóng)民常規(guī)施肥處理的常規(guī)區(qū)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析我國(guó)玉米、水稻和小麥三大糧食作物產(chǎn)量以及基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的時(shí)空變化情況及其影響因素?!窘Y(jié)果】30多年來(lái)我國(guó)糧食作物產(chǎn)量和耕地基礎(chǔ)地力隨時(shí)間變化整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),作物產(chǎn)量年增長(zhǎng)速度呈無(wú)肥區(qū)<常規(guī)區(qū),水稻<小麥<玉米的變化規(guī)律。玉米、小麥、水稻無(wú)肥區(qū)產(chǎn)量分別從1988年的2 370、1 712、3 111 kg·hm-2增至2019年的4 852、3 258、4 167 kg·hm-2,增幅分別為104.7%、90.2%、34.0%;玉米、小麥、水稻常規(guī)區(qū)產(chǎn)量分別從1988年的5 356、3 296、5 970 kg·hm-2增至2019年的8 859、6 515、7 825 kg·hm-2,增幅分別為65.4%、97.6%、31.0%。我國(guó)三大糧食作物2015—2019年基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率為52.7%,相較1988—1994年的45.4%顯著增加了7.3個(gè)百分點(diǎn)。其中:玉米基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率為54.3%,比1988—1994年的42.1%顯著增加12.2個(gè)百分點(diǎn);水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率為53.3%,比1988—1994年的46.6%顯著增加6.7個(gè)百分點(diǎn);小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨年份整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且相較玉米和水稻整體偏低。三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布差異較大:東北區(qū)、黃淮海區(qū)較高,分別為56.5%、54.1%,西南區(qū)、華南區(qū)次之,分別為53.7%和52.9%;甘新區(qū)和青藏區(qū)最低,分別僅為38.7%和40.4%。利用隨機(jī)森林模型對(duì)三大糧食作物系統(tǒng)中影響基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的土壤因素進(jìn)行重要性分析,其中:土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量和土壤容重是影響玉米基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的關(guān)鍵因素;土壤有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量是影響小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的關(guān)鍵因素;土壤pH、有效磷和有機(jī)質(zhì)含量是影響水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的關(guān)鍵因素?!窘Y(jié)論】30多年來(lái),我國(guó)三大糧食作物耕地基礎(chǔ)地力不斷提升,但地區(qū)間差異較大、整體水平仍然較低,遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家水準(zhǔn);土壤速效鉀含量、土壤有效磷含量和土壤pH分別是影響玉米、小麥和水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的最關(guān)鍵的因素。
水稻;小麥;玉米;作物產(chǎn)量;耕地基礎(chǔ)地力
【研究意義】玉米、小麥、水稻是我國(guó)重要三大糧食作物,保障我國(guó)糧食安全與口糧供給。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)糧食人均占有量在2020年和2030年分別需要達(dá)到437和472 kg[1],才能滿足需求。因此,提高糧食作物產(chǎn)量仍是我國(guó)現(xiàn)階段亟待解決的重要問(wèn)題。我國(guó)主要糧食作物產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)是由優(yōu)良品種、養(yǎng)分管理以及耕地基礎(chǔ)地力三方面共同支撐,而缺乏堅(jiān)實(shí)耕地地力基礎(chǔ),僅依靠?jī)?yōu)良品種或者有效的養(yǎng)分管理手段均無(wú)法在實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到持續(xù)增產(chǎn)[2]。因此,要實(shí)現(xiàn)糧食作物產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng),耕地基礎(chǔ)地力的不斷提升需高度重視。【前人研究進(jìn)展】耕地基礎(chǔ)地力是指土壤內(nèi)在支撐作物生產(chǎn)以及提供各種生態(tài)服務(wù)功能的能力,是土壤內(nèi)在化學(xué)、物理以及生物特性的綜合反映[3]?;A(chǔ)地力貢獻(xiàn)率是指耕地基礎(chǔ)地力對(duì)作物生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)程度,通常用基礎(chǔ)地力產(chǎn)量占施肥作物產(chǎn)量的百分比來(lái)表示,這是耕地基礎(chǔ)地力常用的表征方法[4]。耕地基礎(chǔ)地力與土壤肥力聯(lián)系緊密,通常來(lái)講,較高的耕地基礎(chǔ)地力代表土壤肥力水平較高,對(duì)作物長(zhǎng)期保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作用極大[5-6]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于缺乏區(qū)域和國(guó)家尺度上長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),前人對(duì)耕地基礎(chǔ)地力的研究多集中在單點(diǎn)試驗(yàn)或者依托于統(tǒng)計(jì)模型的區(qū)域研究,基于全國(guó)尺度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的耕地基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的系統(tǒng)、全面研究尚未見(jiàn)報(bào)道[7]。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于1988—2019年長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)我國(guó)三大糧食作物產(chǎn)量、耕地基礎(chǔ)地力的時(shí)空變化及其影響因素進(jìn)行分析和探討,以期明確我國(guó)主要糧食作物30年來(lái)耕地基礎(chǔ)地力時(shí)間變化趨勢(shì)及空間分布現(xiàn)狀。
本研究基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心在全國(guó)布置的國(guó)家耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn),所用的數(shù)據(jù)均來(lái)源于30年來(lái)(1988—2019年)監(jiān)測(cè)工作期間所收集的我國(guó)主要糧食作物的數(shù)據(jù)。國(guó)家耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋我國(guó)九大綜合農(nóng)業(yè)區(qū)(表1)。監(jiān)測(cè)地塊的地理位置、耕作制度、土壤類型、作物類型、分布面積、管理水平等在各區(qū)域均有較好的代表性。為避免長(zhǎng)期不施肥導(dǎo)致的地力消耗對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果帶來(lái)影響,本研究選取每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)自建點(diǎn)開(kāi)始后前1—5年不施肥處理的空白區(qū)與農(nóng)民常規(guī)施肥處理的常規(guī)區(qū)的作物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的計(jì)算,不施肥處理和施肥處理除了施肥量不同外,其他管理措施均相同。施肥情況主要包括每一季作物的施肥日期、肥料品種、施肥次數(shù)和施肥用量等。
表1 九大綜合農(nóng)業(yè)區(qū)及縮寫(xiě)
耕地基礎(chǔ)地力高低一般用基礎(chǔ)地力產(chǎn)量和基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率來(lái)表征。基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率是指耕地基礎(chǔ)地力對(duì)作物生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)程度,通常用不施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量與施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量之比表示[8],是基于不施肥產(chǎn)量和施肥產(chǎn)量而言。
基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率(%)=不施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量/常規(guī)施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量×100。
利用單因素方差分析檢驗(yàn)評(píng)價(jià)不同時(shí)間尺度基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的差異顯著性(<0.05)。
利用隨機(jī)森林模型對(duì)耕地基礎(chǔ)地力影響因素進(jìn)行分析。隨機(jī)森林建模是一種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),它是基于多種因素組合來(lái)投射目標(biāo)變量。該模型的實(shí)現(xiàn)主要包含以下3個(gè)步驟。首先,對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)利用bootstrap的方法進(jìn)行重新采樣(稱為袋內(nèi)數(shù)據(jù)),大約有37%的初始數(shù)據(jù)不被選擇,這些數(shù)據(jù)被稱為袋外數(shù)據(jù)(OOB)。接下來(lái),每個(gè)解釋變量在回歸樹(shù)模型生成中隨機(jī)選擇m個(gè)特征值,在檢查了所有預(yù)測(cè)分割的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的分類和回歸樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)為每一步尋找最佳分割。在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,袋外的觀察值與袋內(nèi)存在的觀察值相等。在本研究中,目標(biāo)變量為基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率,分析其與土壤有機(jī)質(zhì)含量、耕層厚度、pH以及土壤容重等耕地基礎(chǔ)地力影響因素的相關(guān)關(guān)系,并采用十字交叉驗(yàn)證。
采用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用 SPSS17.0 進(jìn)行單因素方差分析,采用R 4.0.5和sigmaplot14.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理分析與圖形制作。
國(guó)家耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)三大糧食作物無(wú)肥區(qū)與常規(guī)區(qū)產(chǎn)量隨時(shí)間增加整體呈增加趨勢(shì)(圖1);三大糧食作物產(chǎn)量年增長(zhǎng)速度整體呈無(wú)肥區(qū)<常規(guī)區(qū),水稻<小麥<玉米的變化規(guī)律,玉米無(wú)肥區(qū)和常規(guī)區(qū)產(chǎn)量年增加量分別為83和101 kg·hm-2,小麥分別為51和94 kg·hm-2,水稻分別為29和48 kg·hm-2。玉米、小麥、水稻無(wú)肥區(qū)產(chǎn)量分別從1988年的2 370、1 712、3 111 kg·hm-2增加到2019年的4 852、3 258、4 167 kg·hm-2,增幅分別為104.7%、90.2%、34.0%。玉米、小麥、水稻常規(guī)區(qū)產(chǎn)量分別從1988年的5 356、3 296、5 970 kg·hm-2增加到8 859、6 515、7 825 kg·hm-2,增幅分別為65.4%、97.6%、31.0%。
基于國(guó)家耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨年際間變化整體呈上升的趨勢(shì)(圖2)。我國(guó)三大糧食作物2015—2019年基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率(52.7%)相較1988—1994年(45.4%)顯著增加了7.3個(gè)百分點(diǎn)。其中,玉米2015—2019年基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率(54.3%)相較1988—1994年(42.1%)顯著增加12.2個(gè)百分點(diǎn);水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率在1995—1999年至2015—2019年時(shí)間段差異不顯著,2015—2019年基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率(53.3%)相較1988— 1994年(46.6%)顯著增加6.7個(gè)百分點(diǎn);2005—2009年時(shí)間段水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率最高,為53.0%;小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨年份整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但變化幅度較小,各時(shí)間段基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率變化無(wú)顯著差異,且相較玉米和水稻,小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率整體偏低,均位于50%以下。
圖1 三大糧食作物無(wú)肥區(qū)和常規(guī)區(qū)產(chǎn)量時(shí)間變化趨勢(shì)
研究耕地基礎(chǔ)地力的空間變異及其分布特征和環(huán)境因子的關(guān)系,對(duì)于了解生態(tài)系統(tǒng)、開(kāi)展土壤管理和監(jiān)測(cè)、制定農(nóng)業(yè)政策具有重要意義。2019年我國(guó)三大糧食作物農(nóng)田基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率平均為53.1%,其中水稻、小麥、玉米基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率平均分別為53.4%、49.9%、54.9%;我國(guó)九大一級(jí)農(nóng)業(yè)區(qū)三大糧食作物耕地基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率如圖3所示,主要集中在35%— 60%的范圍內(nèi),其中東北區(qū)、黃淮海區(qū),分別為56.5%、54.1%;西南區(qū)、華南區(qū)次之,分別為53.7%和52.9%;甘新區(qū)和青藏區(qū)基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率最低,分別僅為38.7%和40.4%。利用隨機(jī)森林模型分別對(duì)三大糧食作物中影響基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的土壤因素進(jìn)行重要性排序并分析其與基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的偏相關(guān)性(圖3、4)。土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤容重是影響玉米基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的關(guān)鍵因素。玉米基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨土壤速效鉀含量的增加先增加后趨于穩(wěn)定,與土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤容重整體呈正相關(guān)性。土壤有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量是影響小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的關(guān)鍵因素。小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨土壤速效鉀含量呈增加-降低-增加趨勢(shì),最終趨于平緩,與土壤有效磷含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈正相關(guān)性。土壤pH、有效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量是影響水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布關(guān)鍵因素,水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率與土壤pH、土壤有效磷含量整體呈負(fù)相關(guān)性,與土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈正相關(guān)性。
箱式圖矩形盒中實(shí)線代表中值,虛線代表平均值,下四分位數(shù)(矩形盒下邊緣)和上四分位數(shù)(矩形盒上邊緣)分別代表全部數(shù)據(jù)的25%和75%,下邊緣線和上邊緣線分別代表全部數(shù)據(jù)的5%和95%,上下實(shí)心點(diǎn)代表異常值,不同字母表示不同監(jiān)測(cè)時(shí)期在5%水平差異顯著
隨著我國(guó)人口的日益增長(zhǎng),對(duì)糧食作物的需求愈來(lái)愈大,糧食作物產(chǎn)量亟待提升。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,玉米、小麥、水稻2019年無(wú)肥區(qū)產(chǎn)量和常規(guī)區(qū)產(chǎn)量相較1988年分別增長(zhǎng)104.7%、90.2%、34.0%和65.4%、97.6%、31.0%,變化趨勢(shì)與魏文良等[9]的研究結(jié)果一致。三大糧食作物產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)離不開(kāi)耕地基礎(chǔ)地力的不斷提升,長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率隨時(shí)間推移整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這主要是由于我國(guó)于1978年推出“家庭責(zé)任制”,同時(shí)實(shí)施了一系列化肥補(bǔ)貼,使農(nóng)民能夠負(fù)擔(dān)得起化肥的費(fèi)用[10-11],這種做法極大地調(diào)動(dòng)了農(nóng)民提高土壤肥力、提高糧食產(chǎn)量的積極性,化肥用量快速增加,使得土壤養(yǎng)分持續(xù)增加[12]。例如,在華北平原小麥-玉米種植系統(tǒng)中,土層90 cm的硝態(tài)氮積累量超過(guò)200 kg N·hm-2[13]。土壤磷方面,由于20世紀(jì)90年代以來(lái)磷的積累,21世紀(jì)初表層土壤Olsen-P約為20.7 mg·kg-1[14]。至2005年,國(guó)務(wù)院和中共中央發(fā)布的國(guó)家政策文件明確提到,要通過(guò)提高土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,具體的政策措施包括:實(shí)施測(cè)土配方施肥,促進(jìn)應(yīng)用糞肥以提高土壤有機(jī)質(zhì),進(jìn)一步提高耕地肥力。同時(shí),中低產(chǎn)田治理以及高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)初有成效[15-18],深松深耕、輪作休耕等耕地保護(hù)措施推廣皆對(duì)土壤物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)改良起到重要作用,成為我國(guó)耕地基礎(chǔ)地力的不斷提升的一大助力[19]。糧食作物品種的更替也是影響基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率不可忽視的因素,優(yōu)良品種的不斷應(yīng)用,使得糧食作物抗倒、抗病以及品質(zhì)等方面得到了極大改善,糧食作物地力產(chǎn)量不斷提高,糧食作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)得到了極大的保障[20]。
圖3 三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布情況及其影響因素重要性排序
30多年來(lái)我國(guó)三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率雖然不斷增加,但整體水平仍然較低,三大糧食作物農(nóng)田平均基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率僅為53.1%,相較湯勇華等[21]研究結(jié)果略有提升,但仍比歐美國(guó)家低了約20個(gè)百分點(diǎn)。基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間差異較大,地區(qū)限制因子突出,耕層淺薄、水土流失、鹽漬化、酸化等問(wèn)題長(zhǎng)期難以解決,制約著我國(guó)耕地基礎(chǔ)地力進(jìn)一步提高[22]。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)耕地基礎(chǔ)地力以東北區(qū)、黃淮海區(qū)域較高;西南區(qū)、華南區(qū)次之;甘新區(qū)和青藏區(qū)最低。東北區(qū)、黃淮海區(qū)域土壤相對(duì)肥沃,有利于作物生長(zhǎng)期光合作用和干物質(zhì)積累,有利于保證產(chǎn)量,基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率較高。西南區(qū)域由于土壤相對(duì)瘠薄,氣候條件的限制,作物產(chǎn)量對(duì)于養(yǎng)分投入的依賴性強(qiáng),基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率較低;甘新區(qū)和青藏區(qū)土壤鹽漬化嚴(yán)重,鹽漬化面積占比分別達(dá)到46.6%和48.7%[23],土壤鹽漬化導(dǎo)致土壤質(zhì)地黏重,有機(jī)質(zhì)難以累積,磷素大量流失[24];鉀素積累,對(duì)糧食作物產(chǎn)生毒害,進(jìn)而減產(chǎn)減收。黃土高原區(qū)和內(nèi)蒙古及長(zhǎng)城沿線區(qū)土壤沙化嚴(yán)重,植被覆蓋少,土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅減少;風(fēng)化嚴(yán)重,水土流失現(xiàn)象頻發(fā),土壤中的磷素、鉀素大量流失[25]。
圖4 三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布影響因素部分依賴圖
土壤養(yǎng)分的差異性是產(chǎn)生三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間差異的重要原因[26],區(qū)域土壤類型、氣候等條件的不同將導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量不同,進(jìn)而將導(dǎo)致基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率產(chǎn)生空間變異。綜合三大糧食作物隨機(jī)森林模型分析結(jié)果可知,土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的重要因素之一,均居三大糧食作物基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率影響因素重要性排序前三。隨躍宇等[27]研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤基礎(chǔ)地力的關(guān)鍵因素,與基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率存在正相關(guān)性關(guān)系,土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富,有助于促進(jìn)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)形成,提升土壤對(duì)養(yǎng)分的吸附能力[28-29]。土壤速效鉀是影響玉米基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布最重要因素,相關(guān)研究表明,玉米需鉀量較大,鉀素是影響玉米產(chǎn)量的重要因素[30]。土壤有效磷是限制小麥基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布最重要因素,馬清霞等[31]的研究表明,土壤有效磷含量與小麥產(chǎn)量關(guān)系密切,是對(duì)小麥產(chǎn)量影響的重要因素。土壤pH是影響水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的最關(guān)鍵因素,土壤pH的高低將影響土壤養(yǎng)分的有效性,土壤pH過(guò)高或過(guò)低將導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分的固定或流失;同時(shí),水稻對(duì)土壤pH較為敏感,適應(yīng)水稻生長(zhǎng)的pH為6.0—7.0。因此,土壤pH的差異將嚴(yán)重影響水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率的空間分布。
面對(duì)耕地基礎(chǔ)地力較低且制約因素較多的現(xiàn)狀,本文提出以下建議:(1)加強(qiáng)推廣科學(xué)施肥,減肥增效,以測(cè)土配方施肥成果為依托,依據(jù)作物目標(biāo)產(chǎn)量、土壤供肥能力及田間肥效試驗(yàn),合理確定作物化肥投入的最高限量標(biāo)準(zhǔn),控制作物生產(chǎn)化肥投入;推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用,增施有機(jī)肥,提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,提高土壤熟化度,培肥地力。(2)用養(yǎng)結(jié)合保護(hù)耕地,推進(jìn)耕地輪作休耕,統(tǒng)籌土、肥、水及栽培等要素,在有條件的區(qū)域開(kāi)展糧豆輪作、間作,利用冬閑田、秋閑田發(fā)展綠肥生產(chǎn),開(kāi)展深松深耕、保護(hù)性耕作。(3)加強(qiáng)耕地質(zhì)量保護(hù)法規(guī)建設(shè),針對(duì)我國(guó)當(dāng)前耕地基礎(chǔ)地力保護(hù)現(xiàn)狀,借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)相關(guān)法規(guī)制定,加大執(zhí)法力度,對(duì)于損害耕地基礎(chǔ)地力的行為嚴(yán)格打擊,形成從地方到中央的嚴(yán)格耕地地力監(jiān)管體系。
長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,30多年來(lái),我國(guó)三大糧食作物其產(chǎn)量及耕地基礎(chǔ)地力隨時(shí)間變化呈不斷增加的趨勢(shì)。我國(guó)九大一級(jí)農(nóng)業(yè)區(qū)三大糧食作物耕地基礎(chǔ)地力空間分布差異較大,東北區(qū)、黃淮海區(qū)、西南區(qū)、華南區(qū)基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率較高,甘新區(qū)和青藏區(qū)基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率最低。土壤速效鉀含量、土壤有效磷含量和土壤酸堿度分別是影響玉米、小麥和水稻基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率空間分布的最關(guān)鍵因素。
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Spatial-Temporal Variation of Cultivated Land Soil Basic Productivity for Main Food Crops in China
LI YuHao1, WANG HongYe2, CUI ZhenLing1, YING Hao1, QU XiaoLin2, ZHANG JunDa2, WANG XinYu2
1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193;2Cultivated Land Quality Monitoring and Protection Center, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125
【Objective】Soil basic productivity is the cornerstone of realizing high and stable yield for food crops. The temporal change trends and spatial variation characteristics of cultivated land productivity for main food crops were defined, so as to provide the important theoretical support for ensuring food security and improve cultivated land quality in China. 【Method】 In this study, based on the national long-term positioning monitoring network of cultivated land quality from 1988 to 2019, the long-term monitoring data of the check area were selected with non-fertilization treatment and the conventional area with farmers' fertilization treatment in the first 3-5 years since the establishment of each monitoring point. The temporal and spatial changes in yield of maize, rice and wheat and soil productivity contribution rates were analyzed in China. 【Result】In the past 30 years, the grain crops’ yield and soil productivity contribution rates showed an overall increasing trend with time, and the annual growth rate of crop yield showed the change law of non-fertilizer area < conventional area, rice < wheat < maize. The yield of maize, wheat and rice in the non-fertilizer area increased from 2 370, 1 712 and 3 111 kg·hm-2in 1988 to 4 852, 3 258 and 4 167 kg·hm-2in 2019, respectively, and increased by 104.7%, 90.2% and 34.0%, respectively. The yield of maize, wheat and rice in the conventional area increased from 5 356, 3 296 and 5 970 kg·hm-2in 1988 to 8 859, 6 515 and 7 825 kg·hm-2in 2019, respectively, with the increment of 65.4%, 97.6% and 31.0%, respectively. The contribution rate of soil productivity for the three major food crops in China from 2015 to 2019 was 52.7%, which was significantly increased by 7.3% compared with 45.4% in 1988-1994. Among them, the contribution rate from maize was 54.3%, which was 12.2% higher than that of 42.1% in 1988-1994. The contribution rate from rice was 53.3%, which was 6.7% higher than that of 46.6% in 1988-1994. The soil productivity contribution rate from wheat increased with the year as a whole, and was lower than that in maize and rice as a whole. The spatial distribution of soil productivity contribution rate for the three major grain crops was quite different. The Northeast region and Yellow River and Huaihai region were higher, which were 56.5% and 54.1%, respectively, followed by the Southwest region and South region, which were 53.7% and 52.9%, respectively. Gan Xin region and Qinghai-Tibet region were the lowest, only 38.7% and 40.4%, respectively. The random forest model was used to rank the soil factors affecting the basic soil productivity contribution rate in the three major grain crop systems. Among them, soil available potassium, organic matter content and soil bulk density were the key factors affecting the spatial distribution of maize basic soil fertility contribution rate; soil available phosphorus, available potassium and organic matter content were the key factors affecting the spatial distribution of wheat basic soil fertility contribution rate; soil pH, soil available phosphorus and organic matter content were the key factors affecting the spatial distribution of rice basic soil fertility contribution rate.【Conclusion】Over the past 30 years, the soil basic productivity for three major grain crops in China has been continuously improved, but there were great differences among regions and the overall level was still low, which was far lower than that of developed countries in Europe and United States. Soil available potassium content, soil available phosphorus content and soil pH are the most key factors affecting the spatial distribution of basic soil fertility contribution rate of maize, wheat and rice, respectively.
rice; wheat; maize; crop yield; soil basic productivity
10.3864/j.issn.0578-1752.2022.20.008
2021-08-23;
2021-11-16
青海農(nóng)區(qū)化肥農(nóng)藥減量增效綜合配套技術(shù)研究與集成應(yīng)用(2019-NK-A11)
李玉浩,E-mail:talyh2016@163.com。通信作者王紅葉,E-mail:wwwhhyy119@163.com
(責(zé)任編輯 李云霞)