不同種植模式下農田耕層土壤肥力現狀比較
——以皖南宣州區為例①

王安琪 ，楊 平，趙燕洲，李賢勝，何小衛，李武進，李宏光，肖艷松，朱啟法，張 國，薛 琳，宋效東，李德成*

(1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；2 中國科學院大學，北京 100049；3 宣城市土肥站，安徽宣城 242000；4 宣城市宣州區土肥站，安徽宣城 242000；5湖南省煙草公司郴州市公司，湖南郴州 423000；6安徽皖南煙葉有限責任公司，安徽宣城 242000)

輪作是農田用養結合的途徑之一[1-2]，可以提高土壤肥力[3-4]、促進土壤團聚體組成及其有機碳含量[5]、提高微生物和酶活性[6]、降低雜草密度和作物發病率[7]、改善作物的長勢和提升作物產量和產值[8]。皖南宣城市的宣州區處于暖溫帶與亞熱帶過渡區，地貌地形包括低山、丘陵、平原圩區，農田土壤以水稻土為主，其他為潮土和紅壤①宣城市土壤普查辦公室. 宣城土壤. 1988.。2008年前種植模式單一，主要為雙季稻，可假設初始肥力相對一致[9]。之后由于氣候和土壤適宜焦甜香型優質烤煙種植(目前是安徽烤煙主要種植區)[10]，加上農戶對高種植收益的追求，種植模式趨向多元化，目前主要有煙稻輪作、單季稻、稻油輪作、稻麥輪作、中藥材(元胡、前胡、長春花等)等[8]。不同的種植模式對土壤肥力的影響也會存在差異[8]，但迄今尚缺乏皖南地區的相關報道。當地農業機構和種田大戶非常關注不同種植模式下的農田肥力現狀，為此，本研究選擇目前宣州區農田主要的種植模式，測定分析了代表性耕層(0 ~ 20 cm)pH、有機質(SOM)、有效磷(AP)和速效鉀(RAK)含量，并計算了綜合肥力指數(IFI)，旨在通過比較提出有利于土壤肥力提升的種植模式和相應的施肥建議，為當地和皖南地區農田土壤可持續利用提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

宣州區地處17°58′ ~ 119°40′E、29°57′ ~ 31°19′N，總面積2 533 km2，地勢上南部遍布低山，中部丘陵起伏，北部為平原圩區。本區地處暖溫帶向亞熱帶過渡區，年均氣溫15.9 ℃，日照時數1 500 h，降雨量1 430 mm，無霜期228 d。農田土壤類型以水稻土(水耕人為土)為主(4.98萬hm2，約占耕地面積的90%)①。目前種植模式主要包括煙稻輪作、單季稻、稻油輪作、稻麥輪作、油棉輪作等[11]。

1.2 代表性田塊確定和土樣采集與測試

2018年10月，依據種植模式、地形地貌、土壤類型(依據宣州區1∶50 000土種圖)和土地利用等，確定了稻麥輪作、雙季稻、單季稻、稻油輪作、煙稻輪作、中藥材6類種植模式，合計調查采樣了122個代表性田塊(圖1)，包括20個稻麥輪作田塊、20個雙季稻輪作田塊、20個單季稻田塊、20個稻油輪作田塊、20個煙稻輪作田塊、22個中藥材田塊。田間調查信息包括種植模式的年限(至少3 a以上)、施肥、產量、凈收益等。田間采樣方式為：S形隨機8 ~10個點采取耕層(0 ~ 20 cm)土樣，充分混勻后四分法留取1.5 kg備用。之所以僅采集耕層土樣，是因為不同土體層次中作物的產量主要由耕層決定。

土樣經室內自然風干、去雜、研磨后，分別過20目(0.85 mm)和100目(0.15 mm)篩，各指標測定方法為：pH，電位計法(土液比1︰2.5)；有機質，采用油浴加熱–重鉻酸鉀氧化容量法；有效磷，碳酸氫鈉浸提–鉬銻抗比色法；速效鉀，乙酸銨浸提–火焰光度計法[11]。之所以采用這4個指標，一是基于快速簡便的肥力評價考慮，二是因為這4個指標是土壤肥力評價中的重要指標[12]。沒有考慮氮素指標是因為對宣州區測土配方施肥工作的920個農田基礎數據分析表明[13]，有機質與全氮和堿解氮之間均存在顯著的相關性(Pearson相關系數分別為0.907**和0.254**，P<0.01)。

1.3 IFI計算方法

IFI主要的計算步驟包括[12-14]：①采用Mean±3σ法剔除各指標的異常值；②利用模糊數學隸屬函數計算各指標的隸屬度值，其中有機質、有效磷和速效鉀為S型，pH為拋物線型。4個指標的曲線拐點取值的確定根據耕地質量等級(GB/T 33469—2016)[15]及實際情況(表1)。③利用主成分分析法確定各評價指標的權重Wi[12]。④采用權重加權求和模型計算IFI[14](式1)。

表1 土壤指標隸屬度函數曲線拐點取值Table 1 Membership function and threshold values of soil indexes

式中：Wi為第i個因子的權重，Ni是第i個因子的隸屬度值。

1.4 農田土壤養分分級及植煙土壤適宜性分級

農田土壤指標分級(表2)依據全國土壤養分分級標準[16]，植煙土壤養分適宜性分級(表3)依據綜合分析目前的相關研究結果[17]。

表2 土壤養分含量分級標準Table 2 Grading standard of soil nutrients of 2nd national soil survey

表3 植煙土壤養分適宜性分級Table 3 Grading standard of soil nutrients for tobacco-growing farmland

1.5 土壤綜合肥力分級

參考相關的IFI分級結果[13,18]，采用等距法將IFI劃分為5個等級：高(IFI≥0.8)、較高(0.6≤IFI<0.8)、中(0.4≤IFI<0.6)、較低(0.2≤IFI<0.4)、低(IFI<0.2)。

1.6 數據分析方法

利用ArcGIS10.2繪制樣點分布圖，利用IBM Statistics SPSS 22.0 和Microsoft Excel 2016進行數據的常規描述性分析和單因素方差分析(ANOVA)，利用R 3.6.0和Origin 9.1對數據進行主成分分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對土壤pH的影響

由表4可以看出，煙稻輪作和單季稻土壤pH顯著高于其他種植模式，中藥材土壤pH顯著低于其他種植模式，而雙季稻、稻油輪作、稻麥輪作之間土壤pH差異不顯著。6種種植模式的變異系數均小于10%，為弱變異性。6種種植模式的耕層土壤均為酸性。

表4 不同種植模式下耕層土壤pHTable 4 Statistics of topsoil pH values under different planting patterns

2.2 不同種植模式對土壤有機質的影響

由表5可以看出，不同種植模式土壤有機質含量呈現較大差異，中藥材土壤顯著低于其他種植模式，雙季稻土壤顯著高于其他種植模式。6種種植模式變異系數介于19.66% ~ 34.08%，屬于中等強度變異性。根據表2，煙稻輪作和中藥材土壤有機質處于20 ~ 30 g/kg，達三級標準；其余種植模式土壤有機質均處于30 ~ 40 g/kg，達二級標準。

表5 不同種植模式下耕層土壤有機質含量(g/kg)Table 5 Statistics of topsoil SOM contents under different planting patterns

2.3 不同種植模式對土壤有效磷的影響

由表6可以看出，中藥材土壤有效磷含量顯著高于其他種植模式，單季稻土壤有效磷含量顯著低于其他種植模式。6種種植模式土壤有效磷含量均呈現正偏態特征；煙稻輪作和單季稻模式為負峰度。6種種植模式土壤有效磷變異系數為36.15% ~ 78.17%，屬于中等強度變異。根據表2，煙稻輪作和單季稻土壤有效磷處于20 ~ 40 mg/kg，達二級標準；其他模式的土壤有效磷則大于40 mg/kg，達一級標準。

表6 不同種植模式下耕層土壤有效磷含量(mg/kg)Table 6 Statistics of topsoil AP contents under different planting patterns

2.4 不同種植模式對土壤速效鉀的影響

由表7可以看出，不同種植模式之間土壤速效鉀含量差異明顯，中藥材土壤顯著偏高，稻油輪作土壤顯著偏低，均屬于中等強度變異。根據表2，中藥材土壤速效鉀處于一級標準，煙稻輪作和雙季稻土壤處于二級標準，單季稻、稻油輪作和稻麥輪作土壤處于中等水平。

表7 不同種植模式下耕層土壤速效鉀含量(mg/kg)Table 7 Statistics of topsoil RAK contents under different planting patterns

2.5 不同種植模式對土壤IFI的影響

表8為計算出的不同種植模式下土壤指標隸屬度值，各指標的權重見圖2，根據式(1)計算出IFI值(表9)。由表9可以看出，各種植模式間IFI為雙季稻(0.880)>煙稻輪作(0.821)>單季稻(0.817)>稻麥輪作(0.760)>中藥材(0.693)>稻油輪作(0.645)。總體上看，雙季稻、煙稻輪作、單季稻模式的IFI較高，均>0.8；稻麥輪作、中藥材、稻油輪作模式的IFI次之，介于0.6 ~ 0.8。

表9 不同種植模式土壤的IFI值Table 9 Soil IFI values under different planting patterns

3 討論

3.1 不同種植模式下土壤養分差異

田間調查表明，各類種植模式下所有作物的秸稈都采取還田措施，施肥和相應的養分投入見表10，生物量移出和相應的養分移出信息見表11，養分凈增減信息見表12。其中，移出田塊的作物器官的氮磷鉀含量數據來自參考文獻(取平均值)[19-20]。

表10 2018年不同種植模式下施肥與營養元素投入信息(kg/hm2)Table 10 Fertilization and nutrient input information under different planting patterns of 2018

表11 2018年不同種植模式下產出與營養元素移出信息Table 11 Output and nutrient removal information under different planting patterns of 2018

長期大量施用化肥以及酸沉降造成皖南農田土壤普遍酸化[21-22]。煙稻輪作土壤pH最高(5.47)，主要是由于烤煙生長的適宜pH為5.5 ~ 6.5，為此當地煙田多采用施用白云石粉改酸[23]。中藥材土壤pH最低(4.87)，單季稻、雙季稻、稻麥輪作、稻油輪作土壤pH差異不顯著。這主要是因為中藥材為旱作，而水田緩沖性能高，會緩解pH的降低[24]。

本研究表明，不同種植模式土壤有機質含量的平均值為雙季稻(38.46 g/kg)>單季稻(33.98 g/kg)>稻油輪作(31.18 g/kg)>稻麥輪作(30.70 g/kg)>中藥材(25.82 g/kg)>煙稻輪作(25.60 g/kg)，這與土壤水分狀況和秸稈還田有關。秸稈還田[25]、施肥(特別是氮肥)[26]以及土壤含水量高[27]，有利于提升土壤有機質含量。就雙季稻而言，其秸稈還田量大，土壤淹水時間長，故土壤有機質含量最高。優質烤煙要求土壤有機質為適中水平[28]，因此植煙期間一般嚴格控制肥料的投入，并且烤煙為旱作，有機質礦化分解快，因此煙稻輪作土壤有機質含量最低。種植中藥材模式，由于同樣為旱作且中藥材對有機質需求量大，因此土壤有機質含量也較低[29]。

表12 2018年不同種植模式下營養元素凈變化情況Table 12 Net changes of nutrients under different planting patterns of 2018

本研究表明，6種種植模式的土壤有效磷含量均偏高，這是由于磷肥價格低，加上農戶認為多施磷肥無害且會增產，往往施用過量鈣鎂磷肥或過磷酸鈣[30]，這也是雙季稻、稻油輪作、稻麥輪作、煙稻輪作土壤有效磷含量無顯著差異的主要原因。中藥材生長對養分的需求量大，因此施肥中普遍多施磷鉀肥，故土壤有效磷和速效鉀含量最高(平均值分別為95.92 mg/kg和200.6 mg/kg)。單季稻的肥料投入較少，加之秸稈還田量相對較少，故土壤有效磷含量最低(平均值30.09 mg/kg)。

6種種植模式的土壤速效鉀含量多處于正常范圍。中藥材土壤速效鉀含量最高(平均值200.6 mg/kg)，這是由于鉀是品質元素，農戶一般多施鉀肥以提升中藥材品質，且移出的鉀較少(表12)。烤煙嗜鉀，一般煙草專用肥配方中鉀含量最高[31]，但由于烤煙自身吸鉀多，且一些煙農在后茬晚稻種植時忽視施用鉀肥，煙稻輪作模式消耗鉀最多(約為56%)，降低了煙稻輪作土壤速效鉀含量。

3.2 不同種植模式下土壤綜合肥力差異

不同種植模式間IFI平均值由高到低依次為雙季稻(0.880)>煙稻輪作(0.821)>單季稻(0.817)>稻麥輪作(0.760)>中藥材(0.693)>稻油輪作(0.645)。雙季稻由于其長期厭氧條件，土壤有機質等養分富集，IFI值最高。煙稻輪作模式土壤pH和速效鉀含量分別處于6種模式中的第一位(5.47)和第三位(157.10 mg/kg)，因此其IFI也較高。種植中藥材模式由于pH和土壤有機質含量低，導致IFI較低。稻油輪作各養分指標普遍較低，導致IFI最低。

3.3 種植模式與土壤肥力提升的建議

雙季稻、煙稻輪作和單季稻的IFI均大于0.8(分別是0.880、0.821和0.817)，明顯高于稻麥輪作(0.760)、中藥材(0.693)和稻油輪作(0.645)。這在一定程度上說明雙季稻、煙稻輪作和單季稻3種模式更有利于維持土壤肥力和土壤可持續性，因此推薦這3種種植模式。

根據表2，約18% 單季稻田塊和15% 稻麥輪作田塊土壤有機質處于四級，其余土壤有機質均處于三級及以上，因此各種種植模式，尤其是單季稻和稻麥輪作應適當提升有機物料投入；稻麥輪作和單季稻的土壤有效磷含量最低，應適當增加磷肥；稻麥輪作有約65% 田塊土壤速效鉀處于三級水平及以下，而稻油輪作和單季稻分別有40% 和30% 的田塊土壤速效鉀處于四級，應增加鉀肥。從表12來看，雙季稻模式N、P、K凈增量均為負值，且P減少了約53%，應加大化肥的投入。對于煙稻種植模式，根據表3，尚有45% 田塊pH<5.5，應注意改酸；另外分別有15% 和10% 煙稻輪作田塊土壤有機質低于或高于植煙適宜范圍(20 ~ 35 g/kg)，60% 田塊土壤有效磷高于植煙適宜范圍(15 ~ 30 g/kg)，45% 煙稻輪作田塊土壤速效鉀低于植煙適宜范圍(150 ~ 220 g/kg)，分別酌情考慮增減有機肥或磷鉀肥。

依據調查獲取各類種植模式大致凈收益信息(表13)，其與網上查詢到凈收益數據有一定出入，故本文以實際調查獲取的數據為準。比較而言，中藥材種植模式最高(200元/hm2)，煙稻輪作次之(137元/hm2)，雙季稻中等(117元/hm2)，單季稻、稻油輪作和稻麥輪作相對較低(介于60 ~ 84元/hm2)，結合雙季稻、煙稻輪作和單季稻3種模式的IFI較高，因此推薦雙季稻和煙稻輪作模式。但需要指出：①雙季稻口感一般不如單季稻[32]，加之農業比較效益低，農戶種地積極性不高，因此雙季稻模式農戶難于接受；②中藥材一定要注意及時換地，因為中藥材存在明顯連作障礙，70% 根類藥材存在連作障礙[33]。③不推薦稻油與稻麥輪作的另外原因是居民很少食用菜籽油，南方小麥籽粒含水量偏高，易霉變，銷售風險大。

表13 不同種植模式凈收入Table 13 Annual net income of different planting patterns

由于難以獲取代表性田塊的肥力初始信息，因此本研究主要是依據現狀肥力狀況比較來推薦種植模式和施肥建議，這可能會對結果產生一定影響，因此有必要開展專門的定位監測研究來進一步驗證本研究得出的結果。

4 結論

宣州區農田在不同種植模式下土壤pH、養分以及肥力存在一定的差異，各種種植模式土壤均為酸性，土壤有機質、有效磷和速效鉀含量高低順序存在一定差異。依據綜合分析比較土壤指標、IFI、養分凈變化和凈收益，推薦雙季稻和煙稻輪作模式。稻麥輪作、單季稻和稻油輪作模式應注意適當增施磷鉀肥和有機肥；煙稻輪作需要依據定期的測土結果來酌情考慮增減有機肥和磷鉀肥的施用。

致謝：謹此感謝在調查采樣過程中給予支持和幫助的所有人員。