1980—2010年安徽省耕地表層土壤養分變化特征①

趙明松，李德成，張甘霖，王世航

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1980—2010年安徽省耕地表層土壤養分變化特征①

趙明松1,2，李德成2*，張甘霖2，王世航1

(1 安徽理工大學測繪學院，安徽淮南 232001；2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008)

本研究利用安徽省第二次土壤普查數據和2010—2011年土壤調查數據，運用統計方法從省級和縣級兩個尺度研究1980—2010年安徽省耕地表層(0 ~ 20 cm)土壤有機質(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)等養分含量的變化特征。結果表明：1980—2010年全省耕地土壤養分變化趨勢不同，SOM平均含量由20.65 g/kg增加到23.30 g/kg，TP平均含量由0.58 g/kg增加到0.71 g/kg，TN含量總體保持不變，TK平均含量由19.00 g/kg減少到14.28 g/kg，4種養分含量的變異程度均降低。從養分含量的等級分布來看，全省耕地肥力總體上提高，SOM、TP和TN的高值比例均有不同程度的增加，TP含量的等級提升較大。在空間上，淮北平原和沿江平原的SOM和TN含量增加較多，淮北平原和皖南丘陵區TP含量增加較多，各地理區域TK含量減少程度相似。3個典型縣土壤養分變化趨勢與全省變化趨勢一致，除TK含量減少外其余養分含量均有不同程度的增加。典型縣耕地土壤養分變化與相應的地理區域養分變化趨勢基本一致。

土壤養分；變化特征；耕地；安徽省

耕地土壤的養分含量直接影響農作物生長和產量，同時對改善土壤理化性質、農業可持續發展等有著重要的意義。揭示耕地土壤養分的變化規律是評估區域耕地土壤肥力演變趨勢、改善土壤質量、提高農業生產的基礎。國內學者主要以20世紀80年代全國第二次土壤普查為參考，結合全國或重點區域耕地土壤肥力調查數據、收集公開發表的文獻數據、測土配方施肥數據、現階段研究者自主采樣調查數據等，研究不同區域不同時期內的土壤養分含量的時空變化。

在全國尺度上，一般采用經典統計方法研究土壤養分變化。如俞海等[1]利用全國第二次土壤普查和2000年中科院南京土壤研究所土壤質量演變調查數據，分析了我國東部耕地土壤肥力的變化趨勢。黃耀和孫文娟[2]、于嚴嚴等[3]通過收集已發表文獻的數據研究了我國大陸農田表層有機碳含量變化。省級尺度上，根據土壤樣點覆蓋程度，多采用經典統計學或經典統計學與空間插值方法相結合。劉建玲等[4]、羅由林等[5]利用經典統計方法研究了太行山麓平原、四川省中部丘陵土壤養分變化特征。張春華等[6]、Zhao等[7]利用統計學和Kriging插值分別研究了松嫩平原、江蘇省土壤有機質含量時空變化。趙小敏等[8]利用利用反距離權重插值研究了江西省耕地土壤全氮含量的變化?？h級尺度上，孔祥斌等[9]、胡克林等[10]利用Kriging插值方法，研究了1980—2000年北京市大興區等地土壤養分含量的時空變化。

根據第二次土壤普查統計，安徽省中低產土壤面積較大。全省約有31.1% 的耕地土壤的有機質含量低于15 g/kg；全氮含量在0.75 ~ 1.00 g/kg；51.4% 的耕地缺磷素，12.9% 的耕地缺鉀素，12.2% 的耕地同時缺磷素和鉀素[11]。土壤養分元素的大量缺乏，加之用養失調，制約了農業生產的發展。本研究利用安徽省2010—2011年土壤調查數據和第二次土壤普查數據，運用經典統計方法從省級和縣級兩個尺度研究1980—2010年安徽省耕地土壤有機質、氮磷鉀等養分含量的變化特征，以探討農業管理措施等因素對其變化的影響，為改善區域土壤肥力、提高農業生產等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安徽省位于長江、淮河中下游，介于114°54′ ~ 119°37′ E，29°41′ ~ 34°38′ N，總面積為13.96萬km2。全省地處亞熱帶與暖溫帶的過渡地區，年均氣溫14 ~ 16℃，年均降水量800 ~ 1 800 mm，年均日照1 800 ~ 2 500 h。全省地勢西南高、東北低，海拔6 ~ 1 865 m，由北至南分為淮北平原、江淮丘陵崗地、皖西大別山區、沿江平原區和皖南丘陵山區5個地理區域(圖1)。省內主要分布著潮土(潮濕雛形土)、水稻土(水耕人為土)、黃棕壤與黃褐土(濕潤淋溶土)、粗骨土(正常新成土)、草甸土(正常有機土)等土壤。全省淮河以北以小麥-玉米(大豆)輪作為主，長江、淮河流域以小麥(油菜)-晚稻輪作為主，皖西和皖南山區以林、茶為主。根據不同地理區域的農業耕作特點，從淮北平原、江淮丘陵崗地區和皖南低山丘陵區選取蒙城縣、定遠縣和宣州區3個典型縣，進一步研究分析不同地理區耕地土壤養分變化的特征。蒙城縣以旱作、麥-豆(玉米、棉花)輪作為主；定遠縣以水旱輪作、小麥(油菜)-水稻輪作為主；宣州區以水田、雙季稻(油菜-晚稻)為主。

(●為國家科技基礎性工作專項的樣點，▲中國科學院戰略性先導科技專項中典型縣的樣點；) I：淮北平原，II：江淮丘陵，III：沿江平原，IV：皖西大別山區，V：皖南丘陵山區)

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 安徽省第二次土壤普查采樣時間在1980年前后，本文將時間定為1980年。該時期的土壤數據來源于《安徽土種》[12]、蒙城縣、定遠縣和宣州市(今宣城市宣州區)土種志①中典型土壤剖面。2010年土壤數據來源于國家科技基礎性工作專項“我國土系調查與《中國土系志》編制”(2008FY 110600)、中國科學院戰略性先導科技專項子課題“華東農田固碳潛力與速率研究”(XDA05050503)中安徽省土壤數據集，采樣時間為2010—2011年。

2010—2011年采樣均在全省第二次土壤普查時期的典型剖面附近進行。采樣包括兩種尺度：①全省尺度。在全省范圍內基于地形-母質-土地利用等景觀要素組合采集的典型耕地土壤剖面，1980年158個，2010年161個(圖1A)。②縣級尺度。在蒙城、定遠和宣城3個典型縣，采集耕作土壤剖面和雙層樣點。1980年蒙城縣46個、定遠縣30個、宣州區41個；2010年蒙城縣70個(其中23個為省級尺度樣品)、定遠縣69個(其中23個為省級尺度樣品)、宣州區69個(其中22個為省級尺度樣品)(圖1B)。本研究以表層(0 ~ 20 cm)土壤養分含量為研究對象。典型土壤剖面按照發生層取樣，對于表層深度大于20 cm的數據，不做處理；對于表層小于20 cm的數據，以深度為權重取0 ~ 20 cm內所有土層的加權平均值。

1.2.2 樣品分析 土壤有機質(SOM)采用重鉻酸鉀氧化-滴定法測定，土壤全氮(TN)采用重鉻酸鉀、硫酸硝化-蒸餾法(凱氏蒸餾法)測定，全磷(TP)采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，全鉀(TK)采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定[13]。

1.2.3 數據處理 利用SPSS 13.0 for Windows對土壤養分含量進行描述性統計、方差分析等。利用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 全省土壤有機質含量變化

表1為安徽省1980年和2010年耕地SOM含量及其變化結果。1980—2010年，全省耕地SOM 平均值增加了2.65 g/kg，SOM含量極差和標準差均減小。1980年和2010年SOM變異系數分別為57.05% 和37.81%，均屬于中等變異強度，與1980年相比，2010年SOM的變異程度降低。1980—2010年，不同土地利用和地理區域的SOM含量變化差異較大。旱地的SOM含量增加較多，平均增加了5.17 g/kg，水田SOM含量增加1.36 g/kg。不同地理區域內，淮北平原SOM增加最多，平均增加了7.80 g/kg；其次是沿江平原，平均增加3.99 g/kg；皖南丘陵山區和江淮丘陵地區的耕地SOM含量基本不變。從空間上看，全省有機質含量增加幅度總體由北向南依次減少。比較SOM變化幅度與SOM初始含量的關系發現：不同地理區域(除江淮丘陵)和土地利用呈現相似的規律，即初始SOM含量高的區域，有機質含量增加較少；初始含量低的區域，有機質含量增加較快。這與Zhao等[7]、程先富等[14]和張春華等[15]的研究結果一致。這可能與土壤貧瘠地區往往需要投入更多的肥料和更加精細的管理以提高產量有關，而初始值高的地區人們更依賴于土壤原始較高的地力而忽視了投資與投入，致使土壤養分消耗。在農業生產中要注意“用”、“養”相結合，保證土壤肥力的穩定及提升。

表1 1980—2010年安徽省土壤SOM含量的統計值(g/kg)

注： 同列數值后不同小寫字母表示不同地理區域間差異顯著(<0.05)，下同。

圖2A為1980年和2010年SOM含量等級變化情況。根據第二次土壤普查標準，1980—2010年間全省屬于二級(30 ~ 40 g/kg)水平的樣點比例由9.49% 增加到16.15%，三級(20 ~ 30 g/kg)水平的樣點比例由29.11%增加到38.51%。一級(> 40 g/kg)、四級(10 ~ 20 g/kg)、五級(6 ~ 10 g/kg)和六級(≤ 6 g/kg)水平的樣點比例均有不同幅度的下降，其中五級水平樣點比例下降最多，為8.92%。結果表明，全省SOM含量高值比例增加，低值比例下降，總體上土壤肥力升高。

2.2 全省土壤全氮含量變化

全省1980年和2010年耕地TN含量及其變化結果見表2。1980—2010年全省耕地TN含量總體保持不變，極差和標準差均有不同程度的減少。與1980年相比，2010年TN變異程度降低，但任屬中等變異程度。1980—2010年，水田的TN含量略有增加，平均含量增加0.06 g/kg；旱地的TN含量略有下降，降低0.02 g/kg。不同地理區域內，沿江平原TN含量增加較多，平均增加0.22 g/kg，淮北平原增加了0.12 g/kg；皖西大別山區和江淮丘陵含量減少，皖西地區TN含量下降達0.96 g/kg。

圖2B為1980年和2010年TN含量等級變化情況。1980—2010年間全省屬于一級(> 2.00 g/kg)、二級(1.50 ~ 2.00 g/kg)和三級(1.00 ~ 1.50 g/kg)水平的樣點比例有不同程度的增加，其中三級水平增加最多，為13.81%。四級(0.75 ~ 1.00 g/kg)、五級(0.50 ~ 0.75 g/kg)和六級(≤0.50 g/kg)水平的樣點比例明顯下降。結果表明，近30年來全省TN含量分布趨于集中，含量等級有所增加。

2.3 全省土壤全磷含量變化

全省1980年和2010年TP含量及其變化結果見表3。1980—2010年，全省耕地TP含量平均值增加了0.13 g/kg，極差和標準差略有減小。1980年和2010年TP變異系數分別為74.14% 和40.85%，變異程度降低，仍均屬中等強度變異。1980—2010年，水田和旱地的平均含量均增加0.12 g/kg。不同地理區域，除皖西大別山區的TP含量下降0.18 g/kg外，其他區域TP含量均有不同程度的增加。皖南丘陵山區和淮北平原增加最多，增幅達0.17 g/kg和0.15 g/kg，沿江平原TP含量基本保持不變。

圖2 安徽省土壤養分含量等級變化圖

表2 1980—2010年安徽省土壤TN含量的統計值(g/kg)

圖2C為1980年和2010年TP含量等級變化情況。1980年全省耕地TP含量較低，集中分布在五級(0.40 ~ 0.80 g/kg)和六級(≤0.40 g/kg)水平，占總樣點比例的80%以上；2010年全省耕地TP含量有所增加，集中分布在四級(0.80 ~ 1.20 g/kg)和五級水平，占樣點比例的77.64%。1980—2010年間全省TP含量屬于一級(> 2.00 g/kg)、二級(1.60 ~ 2.00 g/kg)和三級(1.20 ~ 1.60 g/kg)水平的樣點比例略有下降；六級水平的樣點比例由36.08% 減少到19.25%，下降明顯。從TP含量的等級分布來看，全省TP含量總體上呈增加趨勢。

表3 1980—2010年安徽省土壤TP含量的統計值(g/kg)

2.4 全省土壤全鉀含量變化

表4為1980年和2010年TK含量及其變化結果。1980—2010年，全省耕地TK含量平均減少了4.72 g/kg，極差和標準差均減小。與1980年相比，2010年TK變異程度略有減小，變異系數由原來的28.05% 減少到22.90%。1980—2010年，旱地的TK含量下降稍多，達5.51 g/kg，水田的含量下降3.98 g/kg。不同地理區域內，皖西大別山區的TK含量下降最多，達7.05 g/kg；其余地理區域的耕地的TK含量變化相似，下降幅度介于4.03 ~ 4.63 g/kg。

圖2D為安徽省土壤第二次普查時期和2010年TK含量等級變化情況。1980年，全省耕地的TK含量集中分布在三級(18 ~ 24 g/kg)和四級(12 ~ 18 g/kg)水平，占總樣點比例的80% 以上；2010年，全省TK含量有所降低，集中分布在四級水平，占樣點比例的70.81%。1980—2010年，全省屬于一級(>30 g/kg)、二級(24 ~ 30 g/kg)和三級水平的樣點比例均有不同程度的下降，其中屬于三級水平的樣點比例變化最大，下降32.49%。結果表明，近30年來全省耕地的土壤TK含量呈下降趨勢。

表4 1980—2010年安徽省土壤TK含量的統計值(g/kg)

2.5 典型縣土壤養分含量變化

表5為3個典型縣1980年和2010年耕地土壤養分含量及變化結果。1980—2010年，蒙城縣耕地SOM和TP含量總體呈增加趨勢，TK和TN總體上呈降低趨勢，減幅達5.77 g/kg和0.05 g/kg。4種土壤養分含量的極差和標準差均減小。與1980年相比，2010年4種土壤養分的變異程度均有不同程度的降低。1980—2010年，定遠縣耕地SOM、TN和TP含量呈增加趨勢，TK含量總體上減少了1.13 g/kg。TN、TP和TK含量的標準差均減小。與1980年相比，2010年4種土壤養分的變異程度均有不同程度的降低。1980—2010年，宣州區耕地SOM、TN和TP含量總體呈增加趨勢，TK含量總體上減少了2.04 g/kg。與1980年相比，2010年SOM和TN含量的極差和標準差增加，TP和TK含量的極差和標準差減小。2010年宣州區SOM和TN含量的變異程度增大；TP和TK含量的變異程度降低。結果表明，自第二次土壤普查以來3個典型縣的耕地土壤肥力(除TK)總體增加。

與上文全省尺度上的耕地土壤養分變化結果對比發現，典型縣耕地土壤養分變化與不同地理區域養分變化趨勢基本一致。例如，蒙城縣和定遠縣的土壤養分的變化趨勢與淮北平原和江淮丘陵地區的耕地土壤養分變化趨勢基本一致(除TN)，宣州區耕地土壤變化與皖南丘陵山區耕地土壤養分變化趨勢一致。這些結果表明，所選的典型縣能夠反映所代表的地理區域的耕地土壤養分的變化情況。

表5 1980—2010年典型縣土壤養分含量的統計值(g/kg)

3 討論

1980—2010年，安徽省耕地SOM、TN和TP含量總體上呈增加態勢，但在不同地理區域這些養分的變化特征有所異同。全省SOM平均含量增加了2.65 g/kg，其中淮北平原和沿江平原的增幅高于全省的平均水平；其他3個地理區域增幅低于全省(表1)。在空間上，SOM的增幅由北向南降低。全省TN平均含量不變，淮北平原、沿江平原和皖南丘陵山區有不同幅度的增加，江淮丘陵和皖西大別山區減少(表2)。SOM和TN含量的變化在空間上基本相似，淮北和沿江平原的變化幅度均高于全省平均水平，江淮丘陵山區和皖西大別山區均低于全省平均水平。這主要與SOM和TN含量之間較強的相關性決定的。全省TP平均含量增加了0.13 g/kg，淮北平原和皖南丘陵山地的增幅高于全省平均水平，江淮丘陵、沿江平原和皖西大別山區的增幅低于全省平均水平，其中皖西大別山區TP含量減少(表3)。除皖南丘陵山區外，總體上TP含量增幅由北向南降低，與SOM含量變化的空間趨勢較相似?？傮w來說，淮北平原和沿江平原3種養分含量的增幅較高，其他地理區域3種養分變化幅度高低不一。全省TK平均含量減少4.72 g/kg，其中皖西大別山區降幅高于全省平均水平，其他區域均減少且略低于全省平均水平?？傮w來說，TK含量變化的空間趨勢與其他3種養分相異，除皖西大別山區外，其他區域TK含量的降幅基本相似。

大量使用肥料實現農業增產的同時，增加了作物的殘茬和根系的生物量，使得進入土壤的生物量不斷增加，促進了SOM和TN等養分的累積[16-20]。根據安徽省統計年鑒數據[21]，1980—2010年安徽省化肥使用總量(N/P2O5/K2O)由55萬t增加至320萬t，平均用量由123.48 kg/hm2增加至763.83 kg/hm2，其中氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥的使用總量和平均量均有不同程度的增加。1980—2010年間，全省復合肥用量增加幅度最大，平均量由3.82 kg/hm2增加到334.59 kg/hm2；鉀肥用量增加了約25倍，平均量由2.86 kg/hm2增加到76.05 kg/hm2；氮肥和磷肥的用量增加相對平穩，平均量由90.17、26.63 kg/hm2增加到268.10、85.86 kg/hm2。肥料的大量使用，使得1980—2010年間，安徽省糧食(稻、麥、豆、薯類)總產量總體呈增加趨勢，由1980年的1 453.90萬t增加到3 080.50萬t，相應的平均產量由3.27 t/hm2增加至7.37 t/hm2。在此期間，全省耕地的復種指數由1.26增加至1.58。根據Huang等[16]的估算方法，1980—2010年間，全省糧食作物根系的生物量由338.31 kg/hm2增加至762.21 kg/hm2，全部進入土壤中；秸稈的生物量由1 930.64 kg/hm2增加至4 349.75 kg/hm2，有利于SOM等養分的累積。

根據2010—2011年秸稈還田路線調查數據，全省小麥和水稻以機械收割為主，留茬較高。小麥平均留茬高度在20.2 cm，機械收割比例占95.2%；早、中、晚稻平均留茬高度在18.2、23.1、18.5 cm，機械收割比例45.3%、78.1%、52.4%；大豆留茬高度7.8 cm，機械收割比例85.3%；油菜和玉米機械收割比例較低，分別為21.3% 和4.9%，留茬高度在20.1 cm和11.3 cm?；旧细哂诎不帐∞r機作業質量標準中的15 cm留茬高度。全省嚴禁焚燒秸稈、積極推行秸稈還田，大部分作物留茬在機械耕作過程中被碾碎還田，增加了進入土壤的生物量，有利于耕地養分的累積。

4 結論

1) 1980—2010年，安徽省耕地土壤養分有不同程度的變化，SOM和TP含量呈增加趨勢，平均增加了2.65 g/kg和0.13 g/kg；TN含量總體保持不變，TK含量平均減少了4.72 g/kg。近30年來全省耕地肥力總體上提高，除TK外，SOM、TN和TP的高值比例均有不同程度的增加，其中TP含量的等級提升較大。

2) 各地理區域土壤養分變化程度差異較大，淮北平原和沿江平原的SOM和TN含量增加較多，淮北平原和皖南丘陵區TP含量增加較多，各地理區域TK含量減少程度相似。3個典型縣耕地土壤養分總體變化趨勢與全省變化趨勢一致，除TK含量減少外其余養分含量均有不同程度的增加。典型縣耕地土壤養分變化與不同地理區域養分變化趨勢基本一致。

3) 為提升區域耕地土壤肥力，安徽省應該平衡耕地土壤養分，增施有機肥和鉀肥，提高土壤供鉀能力，繼續推行秸稈還田。

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Changes of Soil Nutrient Contents of Cultivated Lands in Anhui Province from 1980 to 2010

ZHAO Mingsong1,2, LI Decheng2*, ZHANG Ganlin2, WANG Shihang1

(1 School of Geodesy and Geomatics, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China; 2State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Anhui Province located in East China was selected and comparative study was done based on the data of soil nutrient contents obtained in the Second National Soil Survey and in 2010 and 2011 in order to explore change characteristics of soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and total potassium (TK) in the surface layer (0–20 cm) of cultivated land in the province and county scales during the period (1980—2010). Results showed that soil nutrients presented different change trends in the whole province from 1980 to 2010. The mean SOM and TP contents increased from 20.65 g/kg to 23.30 g/kg and from 0.58 g/kg to 0.71 g/kg, respectively, TN contents remained almost unchanged, while TK content decreased from 19.00 g/kg to 14.28 g/kg. Variation coefficient of all soil nutrients decreased with different degrees from 1980 to 2010. The distribution of nutrient content levels indicated an overall improvement of cultivated land fertility in the whole province, the proportion of high contents in SOM, TP and TN increased with different degrees. Spatially, the changes of soil nutrients varied in different land use types and geographic areas with different degrees, SOM and TN contents increased considerably in Huaibei plain and Yangtze plain, TP contents increased considerably in Huaibei plain and Southern hilly mountains, TK contents presented the similar change trend in all geographic areas. The change trends of soil nutrients in three typical counties were consistent with the change trend in the province scale, but soil nutrient contents increased with different degrees except TK in typical counties.

Soil nutrient; Characteristic of change; Cultivated land; Anhui Province

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.023

S159

A

國家自然科學基金項目(41501226)、安徽省高校自然科學研究項目(KJ2015A034)、國家科技基礎性工作專項(2008FY110600)、土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金(Y412201431)和安徽理工大學人才引進項目(ZY020)資助。

(dcli@issas.ac.cn)

趙明松(1983—)，男，安徽淮南人，博士，副教授，主要從事數字土壤制圖和土壤空間變異研究。E-mail: zhaomingsonggis@163. com

①安徽省蒙城縣土壤普查辦公室. 蒙城土壤, 1985；安徽省定遠縣土壤普查辦公室. 定遠土壤, 1985；安徽省宣州市土壤普查辦公室, 宣州土壤, 1987