耕地有機質含量演變規律
——以新鄉市為例

張寶光,張超男,王向前,李曉雯,武志斌,鄭新娣,李豫惠

(1.原陽縣農業農村局,河南原陽 453500;2.中國農業大學,北京 100193;3.新鄉市土壤肥料工作站,河南新鄉 453000;4.延津縣土壤肥料工作站,河南延津 453200)

土壤有機質(soil organic matter,SOM)是土壤固相部分的重要組成成分,它不僅為植物提供礦質營養和有機營養,同時也是形成土壤結構的重要因素,土壤有機質直接影響著土壤的耐肥性、保墑性、緩沖性、耕性、通氣狀況和土壤溫度等,是評價土壤肥力和土地生產力不可或缺的重要指標[1-4]。我國農田土壤有機質含量在全國第二次土壤普查以來基本均呈現上升趨勢[5]。土壤有機質含量的高低主要取決于人們在單位面積上的生產活動,如施用有機肥的數量和質量及種植作物品種等[6],同時與有機質在土壤中的礦化速度和合成速率有關,而礦化和合成又受土壤溫度、濕度、微生物活動以及外界條件的影響,從而表現出不同地區、不同土壤類型之間土壤有機質含量存在差異[7]。

隨著統計學和信息學的發展,國內外利用更多的手段深入研究了耕地土壤有機質含量的時空變化,且主要通過定點觀測的方法來探究土壤有機質含量隨時間變化的特征[8]。楊剛等[9]研究表明土壤有機質的空間分布隨時間的改變而發生巨大變化。李玲等[7]通過統計學分析和地理信息系統(GIS)總結了河南省近30年間土壤有機質的增加及其原因。夏睿等[10]研究表明北京市順義區在20年間土壤有機質含量呈上升趨勢。李冬初等[11]通過對數百個國家監測點近30年的稻田有機質含量進行分析,得出我國稻田有機質含量具有增長趨勢。廖宇波等[12]利用GIS及相關統計學方法指出北京市大興區近40年的土壤有機質變化規律,雖然有短期下降的現象但整體趨于上升。該研究以新鄉市1982—2021年106個耕地養分長期監測點的耕地為研究對象,通過分析新鄉市土壤養分檢測網的監測結果,對耕地土壤有機質含量現狀及演變規律進行探討,對農業生產中制定培肥方案及耕地質量進行評價,以期為農業經濟的增長及農田生態的可持續發展提供科學的理論指導及實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況新鄉市是典型的暖溫帶大陸性季風氣候,四季分明,寒暑適中,春季干旱多風,夏季炎熱多雨,秋季晝暖夜涼,冬季寒冷干燥。全年多東北風和西南風,平均氣溫14.0 ℃,極端最高氣溫42.0 ℃,最低氣溫為-19.2 ℃;年降水量610.7 mm,北部太行山區年降水量656.5 mm左右,年最多降水量為1 168.4 mm。中南部平原年降水量592.6 mm左右;年日照時數2 323.9 h;年大風天數10.6 d,最大風速22.4 m/s,平均風速2.3 m/s;年無霜期205 d;年≥10 ℃積溫4 750 ℃·d。

新鄉市耕地土壤主要是潮土與褐土。北部是太行山及山前洪積扇,土壤類型主要為褐土,東南部是黃河洪沖積平原,以潮土為主。其中由西南至東北分布著以砂壤、輕壤為主的黃河故道。種植制度以小麥-玉米為主,占75%;在延津、封丘、原陽、新鄉等黃河故道的輕壤、砂壤土地上以小麥-花生為主,占20%;在原陽、封丘等縣黃河背河洼地上主要種植小麥-水稻,占5%。土壤養分含量差異較大,2021監測數據表明,耕地土壤有機質含量為19.77 g/kg、全氮1.32 g/kg、有效磷24.6 mg/kg、速效鉀188 mg/kg、pH為8.2。其中,土壤有機質含量隨著成土母質、栽培時間不同而變化。土壤有機質含量的分布趨勢大致是北部山地隨著海拔降低,自然植被稀疏,土壤有機質含量依次降低;由于地勢平坦,人口密集,且有機質施用量大、質量較好,中部平原耕作區土壤有機質含量較高;由于地廣人稀、旱澇災害較多,土壤改良利用較差,南部和東南部黃河故道風沙區的土壤有機質含量較低。

1.2 測定方法土壤有機質按照全國配方施肥技術規程[13],采用NY 525—2002重鉻酸鉀容量法進行測定。

1.3 資料來源該研究中所涉及的新鄉市相關資料主要通過全國第二次土壤普查資料《新鄉土壤》[14]、新鄉統計年鑒獲取,同時搜集整理新鄉市土壤養分監測網106個耕地養分長期監測點的監測結果。這個監測網是1987年全國第二次土壤普查結束后開始從全市選取有代表性的土壤種類而逐漸建立完善的,該監測網以固定地塊、自然監測的形式,主要在每年收麥、收秋前采集0～20 cm耕作層土壤樣品,并對所采集土壤樣品的有機質等常規項目進行檢測。在每年編寫檢測報告及農作物施肥意見時,有剔除極端非正常數據的情形。但因城市面積擴大等各種因素,至2021年,監測點位減少至96個。該研究啟用的初次監測結果采用的是全國第二次土壤普查1982—1986年5 500個農化樣平均檢測結果。所以監測年限為1982—2021年的大田有機質含量變化。此外,該研究還搜集了新鄉市測土配方施肥項目數據庫2020年750個樣品檢測結果(文中大田分析部分去除了菜地24個樣品數據)以及新鄉市測土配方施肥項目數據庫2005—2014年14 873個樣品檢測結果。

2 結果與分析

2.1 耕地有機質變化情況根據2021年全市養分監測網監測結果,新鄉市全市土壤有機質含量平均為19.77 g/kg,相比于第二次土壤普查(1982—1986年)的平均水平(9.91 g/kg),增加了9.86 g/kg,平均每年增加0.25 g/kg,增幅為99.50%。從圖1可以看出,40年間土壤有機質含量整體呈上升趨勢。研究表明,制度的變遷與技術的進步、經濟績效的增長息息相關,而這是農業高質量發展的內生動力,改革開放以后,我國農村由生產隊這種農業經濟組織形式轉變為家庭聯產承包責任制,農民獲得了經營自主權,生產積極性得到了巨大提升,農村生產力得以解放和發展,農民注重增施有機肥,培肥地力[15-16],從而導致1982—1994年土壤有機質含量有一個顯著增高的階段(從監測網點建立前的9.91 g/kg上升至1994年的13.98 g/kg)。進入20世紀90年代,城市大規模擴建,導致城市對勞動力的需求劇增,刺激了農民群眾不斷涌向城市,當時我國迎來了初生“農民工”時代,對耕地投入的熱情有所下降,土壤有機質含量下跌,至1997年降至11.59 g/kg。從2001年開始加快上升趨勢,2008—2019年逐漸穩定在17.47～17.94 g/kg,2020—2021年繼續上升至19.77 g/kg。這是由于國家嚴格禁止焚燒秸稈、實施秸稈還田政策的良好效應[17],同時,也是在農業技術綜合作用下,農作物產量逐年提升,生物產量不斷增加,還田的秸稈數量逐年增加,從而進入良性循環的過程。這一研究結果與宋小順等[18]的相關分析結論一致。

圖1 新鄉市大田土壤有機質含量變化及預測Fig.1 Change and prediction of soil organic matter content in Xinxiang City

基于40年間土壤有機質演變規律,對新鄉市土壤有機質發展前景進行預測,如圖1所示,到2030年全市土壤有機質含量達到21.96 g/kg,置信下限17.14 g/kg,上限26.79 g/kg,這一預測為后續近10年的施肥政策及農業措施提供了數據參考。

2.2 土壤有機質含量與糧食產量關系土壤有機質含量是土壤肥力的重要指標,與糧食生產能力有密切關系,是糧食估產的重要基礎[19]。但是,基于長期大田監測數據分析土壤有機質含量與糧食產量之間的數量關系以及糧食生物產量對土壤有機質的積累作用還有待深入研究。該研究通過分析新鄉市的相關數據,揭示了土壤有機質與糧食生產之間的互作關系和量化指標。

2.2.1糧食單產及預測。對1982—2020年糧食單季產量進行統計,從圖2可以看出,近39年糧食單季產量整體呈上升趨勢,產量由最初的3.35 t/hm2提高到當前的6.65 t/hm2。基于近39年的變化趨勢對糧食單季產量進行預測(圖2),從圖2可以看出,到2030年糧食單季產量預計可達到7.43 t/hm2,置信下限5.69 t/hm2,置信上限9.17 t/hm2。一般在糧食增產的同時,其生物產量也相應增長。因此,推測在大力推行秸稈還田的情況下,秸稈還田量會相應增加,使得糧食產量在一定程度上也可能會有所增加[20]。

圖2 新鄉市糧食單季產量與預測Fig.2 Grain yield and forecast of single season in Xinxiang City

2.2.2土壤有機質與糧食產量相互關系分析。

2.2.2.1土壤有機質對糧食產量的貢獻。使用IBM SPSS Statistics對1982—2020年糧食單產與同期土壤有機質含量進行相關性分析,分析糧食單季產量和土壤有機質含量這2個連續變量的Pearson相關性,相關系數(r)為0.793,充分說明糧食單季產量和土壤有機質含量在0.01水平上存在顯著的相關性,表明糧食產量與土壤有機質可以同步增長。這一相關性分析也證明了上述推測,實行秸稈還田可以有效培肥地力,同時促進了糧食生產的大力發展,而糧食產量的增加也促進作物生物量有所提高,進而增加了秸稈還田量,有益于培肥地力,培肥地力又可以對糧食產量的提高產生促進作用,兩者相輔相成,構成一個良性循環。

從圖3可以看出,作物產量整體是隨著土壤有機質含量的增加而增加的。1982—1999年土壤有機質含量在9.91～13.98 g/kg時,綜合糧食產量隨著土壤有機質含量的增加而有較多的增加,每單位土壤有機質會促進單季糧食產量最高增產0.49 t/hm2。而2003年以后,即土壤有機質含量達到14.63 g/kg后,增產效能逐漸趨于平衡,土壤有機質對糧食增產的貢獻維持在0.34～0.37 t/g。從這些數據來看,新鄉市大田土壤有機質的明顯增產節點為15.00 g/kg左右,超過該增產節點后,有機質含量對糧食增產的貢獻穩定在一定水平。農業農村部新修訂的高標準(GB/T 30600—2022)農田有機質指標為15.00 g/kg[21],由此證明該標準基本符合新鄉市的生產實際。1982—2020年單季糧食產量增加3.30 t/hm2,有機質含量提高了8.99 g,有機質對單季糧食增產貢獻為0.37 t/g。這一結果比徐明崗等[22]的研究結果低63%,同時這個結果也低于耶魯大學Oldfield等[23]的研究結果。究其原因,新鄉市有機質含量和糧食產量基礎水平較高,而糧食產量隨有機質的提高而增加也有一定的閾值,糧食產量并非是隨著有機質含量的增加而無限增加的,所以在貢獻率上就表現出較低水平。

圖3 新鄉市大田有機質對產量貢獻分析Fig.3 Analysis of contribution of organic matter to yield in Xinxiang City

提高有機質的濃度確實會在一定程度上增加糧食產量,但會有一個限度,產量并不會一直增加。研究表明,當有機碳濃度在0.1%～2.0%時,產量增幅最大,此時增加土壤有機碳可以有效提高糧食產量。例如,土壤有機碳濃度在1.0%時的糧食產量是濃度為0.5%時的1.2倍,但是當有機碳濃度達到2.0%時,此時的有機碳濃度基本趨于飽和,如果再增加土壤有機碳濃度,產量并沒有明顯提高,而是維持在穩定的水平,甚至會有所降低[23]。2%的有機碳曾被認為是一個臨界閾值。碳作為一種容易在土壤中識別和測量的元素,其含量通常被認為占有機質含量的50%～60%[24-25],近年來常采用公式“土壤有機碳含量=土壤有機質含量×0.58”來對二者進行換算[26],而新鄉市的監測結果比這一數值偏低。這意味著鼓勵提高土壤有機質的農業政策仍然具有巨大的潛力。

為了檢驗土壤有機質含量20.688 g/kg這個臨界閾值是否適應于新鄉市,該研究選取了獲嘉、衛輝、輝縣這3個土壤有機質含量較高的縣(市),使用IBM SPSS Statistics對其糧食產量與土壤有機質含量(表1)進行Pearson相關性分析,結果顯示,獲嘉縣的r值為0.666,該地區的有機質含量和糧食產量在0.05水平上顯著相關;而衛輝和輝縣這2個地區的土壤有機質含量與糧食產量在統計學上沒有呈現出顯著的相關性。對3個地區有機質含量和糧食產量的平均值進行相關性分析,r值為0.527,也沒有表現出統計學上的顯著相關性。充分說明了土壤有機質含量達到一定值后,糧食產量就會趨于穩定,并不會隨著有機質含量的提高而無限增大,表明土壤有機質20.866 g/kg臨界閾值基本適應新鄉市的實際情況。

表1 獲嘉、衛輝、輝縣高產區產量與土壤有機質含量

2.2.2.2秸稈還田對土壤有機質積累的貢獻。在當前農業生產條件下,90%以上的小麥-玉米作物秸稈被還田,農田土壤有機質的來源主要是農作物秸稈,而單獨施用有機肥的面積和數量可以忽略不計。采用土壤有機質含量與糧食產量之比來表示糧食產量對土壤有機質積累的貢獻,從圖4可以看到,作物產量(按小麥與谷草之比為1∶1計算)對形成土壤有機質的貢獻為2.04～3.49 g/t,平均2.78 g/t。在1988年前后,土壤有機質含量低于12 g/kg時,秸稈還田對形成土壤有機質的貢獻達到最大值(3.49 g/t)之后,實行家庭聯產承包責任制,隨著農民對土地熱情的高漲,增施有機肥的數量隨之增加,秸稈還田對土壤有機質含量的貢獻作用有所降低,到2000年以后,隨著秸稈還田政策的大力推行和全面實施,秸稈還田的數量也逐漸穩定,其對土壤有機質含量的貢獻也趨于平穩,基本維持在2.73～2.99 g/kg。

圖4 新鄉市大田糧食產量對土壤有機質的貢獻Fig.4 Contribution of grain yield to soil organic matter in Xinxiang City

2.3 不同地區土壤有機質含量分布情況從當前現狀看,位于黃河沖擊低洼平原的原陽縣、延津縣、封丘縣有機質含量較低(表2),2021年有機質含量在16.47～16.61 g/kg;而分布有太行山洪積扇的衛輝市、輝縣市及分布有郇封嶺高地且耕作水平較高的獲嘉縣耕地土壤有機質含量為22.65～24.41 g/kg;境內分布有黃河故道的新鄉縣居中,為19.88 g/kg。

表2 各縣(市)土壤有機質含量分布與演變情況

從近40年的土壤有機質含量演變情況來看,獲嘉縣年平均增量最大,可達到0.35 g/kg,長期以來該地區耕作水平最高、產量水平最高,且獲嘉縣的種植制度以小麥-玉米輪作為主;而延津縣的土壤有機質含量在1982—1986年處于各縣市最低水平,僅為6.49 g/kg,延津縣的黃河故道面積最大、所受風沙是最嚴重的,在大部分耕地為小麥-花生輪作的制度下,主要依靠小麥秸稈還田,該地區土壤有機質含量的增幅最高,達到155.93%。各縣市年平均增量為0.22～0.35 g/kg,平均值為0.25 g/kg。說明土壤有機質含量的增加是一個緩慢過程,土壤肥力的提高是多年耕作培肥的結果,短期內很難達到立竿見影的效果。因此,在生產實踐中,要對耕地耕作層嚴加保護,定期對耕地質量、土壤肥力進行評估,因地制宜地實行施肥政策,確保耕地質量逐年提高。

2.4 不同土壤類型耕地有機質含量分布情況2020年全市實施化肥減肥增效項目,按耕地及土壤類型,對其中750個定點取土的樣品進行分析。從不同土壤類型中有機質含量(表3)可以看出,菜地由于精耕細作,施肥量大,土壤有機質含量可達到37.45 g/kg,遠遠高于同年全市大田有機質含量(18.90 g/kg);不同土壤類型耕地中,水稻土有機質含量較高,這與其長期積水導致土壤處于厭氧還原狀態,從而促進有機質積累有關;潮土、褐土是大田的主要土壤類型,且土壤有機質含量按砂壤、輕壤、中壤、重壤、淤土順序上升,淤土最高可達到29.92 g/kg。前人的研究也表明土壤有機質含量與土壤細顆粒物質和黏位含量有關[27],該研究也證實了這一點,土壤的細顆粒物質含量越高、黏著性越強,具有更強的保肥能力,有機質含量相對來說也會更高。

表3 2020年新鄉市不同類型土壤中有機質含量

2.5 新鄉市耕地有機質含量級別劃分為了更有針對性地對全市各地區的土壤有機質含量進行分析,該研究對2005—2021年14 873個土壤樣品中有機質含量按照<10、10～<15、15～<20、≥20 g/kg的等級進行劃分,并制作了新鄉市耕層土壤有機質含量分布圖(圖5)。從圖5可以看出,近17年來,新鄉市全域大部分地區土壤有機質含量仍處于偏低水平,中部延津縣、東南部封丘縣的土壤有機質含量均較低,而輝縣市、原陽縣、長垣縣也有小部分地區的土壤有機質含量仍有待提高。整體來說,新鄉市目前仍然達不到高標準糧田建設對于土壤有機質的要求。

圖5 2005—2021年新鄉市耕層土壤有機質含量分布Fig.5 Distribution of topsoil organic matter content in Xinxiang City from 2005 to 2021

對2022年全市土壤耕層726個(共取土樣750個,去除了24個蔬菜地化驗結果,剩余結果主要代表了大田土壤有機質含量狀況)土壤樣品進行統計分析,發現新鄉市耕層有機質含量在2.60～36.30 g/kg,平均值為18.95 g/kg,這與2020年土壤養分檢測網監測的有機質含量(18.90 g/kg)高度吻合,說明土壤養分監測網監測結果基本能夠代表新鄉市大田土壤養分含量,該分析結果與李路平等[28]的研究結果相同。根據取樣點在各縣(市、區)的分布概況,按全國分級標準,將新鄉市土壤有機質含量劃分為6個等級(表4)。從表4可以看出,有機質含量在各等級均有分布,且全市土壤有機質含量差異較大,其中土壤有機質含量在15 g/kg以下(包括V級、Ⅵ級、Ⅶ級3個等級)的占比25.48%。

表4 新鄉市土壤有機質含量等級劃分

上述這些結果表明,農業生產過程中仍要堅持推行秸稈還田,同時在東南部黃河故道及黃河洪沖擊低洼平原等有機質含量較低的地區采取增施有機肥、異地秸稈還田等措施。對于土壤肥力的改良,要做到分區塊調查、分區塊制定政策,做到精準管理、精細施肥,才能達到培肥地力、建設高肥力糧田的目標。

3 討論

該研究通過調查分析統計,表明新鄉市1982—2021年土壤有機質含量整體呈上升趨勢,從9.91 g/kg增加至19.77 g/kg,已達到國家Ⅳ級水平。但是有機質含量的分布并非均勻,其在不同縣市、不同地域、不同土壤類型之間存在明顯差異。分析表明,土壤有機質含量在一定的范圍內與糧食產量存在相關關系,但糧食產量并不會隨著有機質含量的增加而無限增加。

土壤有機質含量的持續增加國家嚴格禁止焚燒秸稈、實施秸稈還田政策促使有機質含量持續增高,隨著科技的發展,農業技術也不斷改進,農作物產量和生物量隨之增加,這也促使了可還田的秸稈量增加,環環相扣形成良性循環。有機質含量的增產節點和臨界閾值在生產上至關重要,例如在編制高標準農田建設方案時,應當將有機肥料傾向施于低有機質含量耕地上,才能發揮更顯著的效應。在揭示有機質含量對糧食產量的增產節點和臨界閾值后,了解其地域和空間分布就顯得至關重要。只有掌握低含量分布地區,才能做到因地制宜,針對障礙因素,最大限度發揮改土培肥的作用。

對于土壤有機質含量遠超過增產節點或超過臨界閾值的地區,生產中應在全面秸稈還田的前提下,實施深耕深松、打破犁底層等障礙層次,改土培肥。對于土壤有機質含量較低的地區,要增施有機肥料,加強秸稈還田的實施力度。

對于一些不利于有機質積累的地塊,如土壤耕種歷史短、沙粒粗大、結構松散、礦化度高、有機物分解快以及一些主要種植棉花、花生的地塊,其秸稈常被作為燃料和飼料導致其無法還田被土地利用,這些地區有機質提高的主要限制因素是農作物秸稈等有機質資源匱乏。實際生產中,在實施秸稈全面還田基礎上,還應采取增施商品有機肥、腐殖酸復合肥,甚至采取異地秸稈還田的辦法來保證有機質資源的供應。

總之,土壤有機質的提升及土地肥力的改良需要充分利用土壤養分監測網所提供的科學依據,及時了解土壤狀況的發展趨勢,因地制宜、精準施肥,才能有效推進我國農業的經濟增長及農業生態的可持續發展。