李春林，陳敏旺，王 寅，李玉璽，張星宇，陳利東，焉 莉，馮國忠，高 強(qiáng)

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/吉林省商品糧基地土壤可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130118）

磷、鉀是重要的養(yǎng)分資源，對農(nóng)作物的生長、產(chǎn)量及品質(zhì)均具有重要影響［1］。我國作為磷、鉀肥消費(fèi)大國，每年使用約1 100萬t磷肥（P2O5）和600萬t鉀肥（K2O）［2］。與氮素不同，磷、鉀養(yǎng)分主要來自于礦產(chǎn)資源。盡管我國擁有豐富的磷礦石資源，但大多為中低品位磷礦，而按照目前的開采速度，我國已探明的磷礦將在100年左右耗盡［2］。我國鉀鹽儲(chǔ)量僅占全球總儲(chǔ)量的2%，是國土資源部定義的8種大宗緊缺礦產(chǎn)之一，尤其是可溶性鉀鹽資源嚴(yán)重不足［3］。國產(chǎn)鉀肥資源主要產(chǎn)自西部鹽湖地區(qū)，隨著鹽湖鉀的大量開發(fā)我國鉀肥自給率逐漸提高，但較長時(shí)間內(nèi)仍有一半左右需要進(jìn)口［4］。養(yǎng)分資源的有限供應(yīng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大需求，是我國目前面臨的重大問題［2，5］。而磷礦資源的不可再生性和鉀素資源大量依賴進(jìn)口，要求我國必須提高磷、鉀資源的利用效率，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷、鉀肥的高效利用。

土壤是支持作物生長發(fā)育的主要物質(zhì)載體與養(yǎng)分介質(zhì)，明確土壤養(yǎng)分分布狀況及變化趨勢是進(jìn)行科學(xué)施肥以滿足作物養(yǎng)分需求、合理培肥土壤的重要基礎(chǔ)［5-6］。Li等［7］研究顯示，1980～ 2007年間我國土壤磷素累積量平均達(dá)到242kg·hm-2，導(dǎo)致土壤速效磷平均含量由7.4 mg·kg-1大幅增加至24.7 mg·kg-1，增長近3.5倍，增幅較高的地區(qū)為東北、華北和華南地區(qū)。康日峰等［8］基于長期監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，黑土區(qū)農(nóng)田土壤經(jīng)過10～26年演變，土壤速效磷、鉀含量整體均呈上升趨勢，增幅分別為90.3%和11.8%，磷素提升更為顯著。王偉妮等［9］總結(jié)2008年測土配方施肥水田土壤數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，湖北省水稻土的速效磷含量相比第二次土壤普查時(shí)呈顯著上升趨勢，速效鉀含量則大幅下降。劉建玲等［10］研究表明，1978～2008年間太行山山麓平原地區(qū)土壤速效磷大幅提高，平均含量增加17.8 mg·kg-1，速效鉀含量總體呈下降趨勢，1978～1993年間降低14.5 mg·kg-1而1993～2008年期間增加9.27 mg·kg-1。陳濤等［11］研究表明，黃土高原南麓合陽縣耕地土壤速效磷含量在99.9%的區(qū)域內(nèi)增加，而速效鉀含量在59.7%的區(qū)域減少。以上不同地區(qū)、不同尺度上的研究表明，30年來我國農(nóng)田土壤磷素大量累積，鉀素則呈現(xiàn)普遍虧缺。吉林省作為我國主要的產(chǎn)糧大省，實(shí)現(xiàn)了糧食連年增產(chǎn)［12］，但農(nóng)戶在作物種植中普遍大量施磷而施鉀較少［13］，因此必然會(huì)對農(nóng)田土壤磷、鉀養(yǎng)分狀況造成影響。為明確吉林省農(nóng)田耕層土壤磷、鉀養(yǎng)分的時(shí)空變異特征，本研究整理2005～2013年間吉林省測土配方施肥項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)，分析省域、地區(qū)和縣域尺度及不同土類農(nóng)田耕層土壤的速效磷、鉀含量，與第二次土壤普查數(shù)據(jù)對比探討土壤速效磷、鉀養(yǎng)分的變化趨勢，為區(qū)域農(nóng)田土壤養(yǎng)分資源管理和作物優(yōu)化施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

如圖1所示，吉林省現(xiàn)轄長春市、吉林市、四平市、遼源市、通化市、白山市、白城市、松原市和延邊朝鮮族自治州（以下簡稱延邊州）9個(gè)地區(qū)，共48個(gè)縣級(jí)單位（市轄區(qū)、縣、縣級(jí)市）。本研究整理2005～2013年吉林省測土配方施肥項(xiàng)目中在各地區(qū)采集的農(nóng)田耕層基礎(chǔ)土壤樣品（記為2010s），分析速效磷和速效鉀含量，樣本數(shù)分別為3 880個(gè)和3 882個(gè)（圖1）。速效磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定則采用NH4OAc浸提-火焰光度法［14］。省域、地區(qū)和縣域的基本情況及氣候條件、土壤類型等與土壤氮素營養(yǎng)研究一致［15］。其中，本研究涉及的土壤類型主要包括黑土、黑鈣土、白漿土、暗棕壤、草甸土、水稻土、風(fēng)沙土7大類。

圖1 吉林省縣域圖及土壤速效磷、鉀樣本分布情況

第二次土壤普查數(shù)據(jù)來自吉林省土壤肥料總站編著的《吉林土壤》［16］，普查時(shí)間1979～1982年（記為1980s），數(shù)據(jù)包括全省及各地區(qū)的土壤速效磷、鉀含量分級(jí)比例數(shù)據(jù)和不同土類的均值及范圍數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)方法

采用拉依達(dá)法［17-18］對土壤速效磷、鉀含量數(shù)據(jù)的離群值進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除，以提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。速效磷、鉀數(shù)據(jù)分別剔除離群值63和15個(gè)，有效數(shù)據(jù)樣本分別為3 817和3 867個(gè)。為方便與1980s的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，參照第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［19］，將2010s的速效磷、鉀養(yǎng)分分為I～VI共6級(jí)，速效磷含量分別為＜ 4、4～6、6～10、10～20、20～40和＞ 40 mg·kg-1，速效鉀含量分別為＜ 30、30～50、50～100、100～150、150～200和 ＞ 200 mg·kg-1。

為提高數(shù)據(jù)的實(shí)用性和指導(dǎo)性，本研究以縣域邊界作為圖斑單元的劃分邊界，取縣域內(nèi)所有采樣點(diǎn)耕層土壤速效磷、鉀含量的算術(shù)平均值為縣域圖斑賦值，表征吉林省農(nóng)田速效磷、鉀養(yǎng)分在縣域尺度上的空間分布差異（圖1）。相似地，不同地區(qū)、土類的農(nóng)田土壤速效磷、鉀含量均值為該地區(qū)或土類所有土壤樣本的算術(shù)平均值。根據(jù)變異系數(shù)（CV）確定農(nóng)田土壤速效磷、鉀含量的離散程度:CV＜10%為弱變異，10%＜CV＜100%為中等變異，CV＞100% 為強(qiáng)變異［20-21］。

采用Excel 2013和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法比較不同地區(qū)或土類間土壤速效磷、鉀含量在0.05水平上的差異顯著性。利用ArcGIS 9.3軟件制作地圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林省農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的空間變異特征

目前，吉林省農(nóng)田耕層土壤速效磷含量分布在1.6～ 84.2 mg·kg-1之間，平均為25.4 mg·kg-1，速效鉀含量分布在24～299 mg·kg-1之間，平均為123.6 mg·kg-1，均處于較豐富水平（表1）。省域尺度上，土壤速效磷、鉀含量的變異系數(shù)為51.2%和26.8%，均屬中等變異程度。地區(qū)和縣域尺度上（表1和圖2），吉林省農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量呈明顯的空間分異，前者自東向西逐漸下降，而后者自北向南逐漸降低，具有顯著的地帶性空間變異特征。

表1 吉林省不同地區(qū)農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的描述性統(tǒng)計(jì)（2010s）

吉林省農(nóng)田耕層土壤速效磷含量在遼源市、白山市和延邊州西部地區(qū)呈現(xiàn)明顯的高值區(qū)域，而后兩側(cè)的長春市、吉林市、通化市和延邊州東部地區(qū)為次高值區(qū)域，中西部地區(qū)的松原市和白城市則相對較低，平均值均在20 mg·kg-1以下（表1和圖2）。各地區(qū)的土壤速效磷含量均屬中等變異程度，其中以長春市最高而吉林市最低?？h域尺度上（圖2），土壤速效磷以白山地區(qū)的靖宇縣最高（41.0 mg·kg-1）而白城地區(qū)的大安市最低（13.9 mg·kg-1），相差近3倍。大多數(shù)縣市的土壤速效磷分布在18.0～34.0 mg·kg-1之間，占總數(shù)的77.1%，超過34.0 mg·kg-1的6個(gè)縣市分布在中、東部地區(qū)，而低于18.0 mg·kg-1的5個(gè)縣市全部分布在西部地區(qū)。

與磷素營養(yǎng)不同，吉林省農(nóng)田耕層土壤速效鉀含量的高值主要出現(xiàn)在長春市、松原市和吉林市、延邊州的局部地區(qū)，東南地區(qū)的白山市則明顯低（表1和圖2）。各地區(qū)土壤速效鉀的變異程度均較低，其中以通化市相對較高而白城市最低。縣域尺度上（圖2），土壤速效鉀則以長春地區(qū)的農(nóng)安縣最高（152.4 mg·kg-1）而通化地區(qū)的集安市最低（94.7 mg·kg-1）。大多數(shù)縣市的土壤速效鉀分布在110～140 mg·kg-1之間，占總數(shù)的75%，4個(gè)縣市超過140 mg·kg-1，而低于100 mg·kg-1的縣市也有4個(gè)，全部分布在東部地區(qū)。

圖2 吉林省不同地區(qū)農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀的縣域分布狀況

2.2 吉林省不同地區(qū)農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的時(shí)間變化趨勢

表2顯示，20世紀(jì)80年代吉林省農(nóng)田耕層土壤速效磷含量主要集中于Ⅱ、Ⅲ級(jí)，共占比66.4%。30年后，吉林省速效磷含量低值比例顯著減少，而高值比例大幅增加，主要集中于Ⅳ和V級(jí)，共占比達(dá)到78.3%?？梢姡〕叨壬限r(nóng)田速效磷含量呈顯著提高趨勢。與全省總趨勢一致，地區(qū)尺度上各地市農(nóng)田土壤速效磷含量全部呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是中西部地市（白城市、松原市、四平市、長春市和吉林市），其Ⅳ、V級(jí)比例均普遍顯著增加。

表2 1980s與2010s年間吉林省不同地區(qū)農(nóng)田耕層土壤速效磷含量分級(jí)頻率的分布變化 （%）

與速效磷表現(xiàn)不同，吉林省農(nóng)田耕層土壤速效鉀含量的分級(jí)比例在1980s至2010s的30年間變化較?。ū?）。全省尺度上，土壤速效鉀V和VI級(jí)的比例有所下降而Ⅳ級(jí)提高，說明總體略有下降趨勢。地區(qū)尺度上，不同地市表現(xiàn)出不同的增減趨勢，長春市、吉林市、通化市和四平市有所提高，松原市、白城市、遼源市和延邊州有所下降，而白山市變化趨勢不明顯。

表3 1980s與2010s年間吉林省不同地區(qū)農(nóng)田耕層土壤速效鉀含量分級(jí)頻率的分布變化 （%）

2.3 吉林省不同土類農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的變異特征

吉林省不同土類的農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量差異顯著（圖3）。其中，土壤速效磷含量以白漿土最高，平均為32.5 mg·kg-1（3.3～82.6 mg·kg-1），而后依次為暗棕壤（29.9 mg·kg-1）＞黑土（28.0 mg·kg-1）＞水稻土（25.4 mg·kg-1）＞草甸土（24.8 mg·kg-1）＞風(fēng)沙土（19.2 mg·kg-1）＞黑鈣土（16.6 mg·kg-1）。變異程度上，以黑土速效磷含量的變異系數(shù)最高（59.6%）而暗棕壤最低（38.2%）。分布頻率上，白漿土、暗棕壤、草甸土、黑土和水稻土的速效磷含量主要分布于21～40 mg·kg-1（V級(jí)），占比分別為54.8%、72.1%、58.6%、40.6%和58.1%，而黑鈣土和風(fēng)沙土主要分布在11～21 mg·kg-1（Ⅳ級(jí)），占比分別為41.2%和41.8%。

圖3 吉林省不同土類農(nóng)田土壤速效磷和速效鉀含量的分布狀況

吉林省不同土類農(nóng)田耕層土壤速效鉀含量以黑土最高，平均為138.2 mg·kg-1（34.0～299.0 mg·kg-1），其后依次為草甸土（128.1 mg·kg-1）＞黑鈣土（126.6 mg·kg-1）＞暗棕壤（121.3 mg·kg-1）＞白漿土（119.1 mg·kg-1）＞風(fēng)沙土（117.6 mg·kg-1）＞水稻土（116.5 mg·kg-1）。變異程度上，水稻土速效鉀含量變異系數(shù)最高（33.6%）而草甸土最低（20.3%）。分布頻率上，所有土類速效鉀含量的主要分布區(qū)間均為100～150 mg·kg-1（Ⅲ級(jí)），占比范圍在54.6%～80.9%。

2.4 吉林省不同土類農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量的時(shí)間變化趨勢

1980s至2010s間，吉林省不同土類農(nóng)田耕層土壤的速效磷、鉀含量均發(fā)生了較大變化（圖4）。除黑土（-2.6 mg·kg-1）和暗棕壤（-3.1 mg·kg-1）略有下降外，大多數(shù)土類的速效磷含量均明顯提高，尤其是風(fēng)沙土、草甸土、黑鈣土和白漿土，平均分別增加了17.2、14.8、12.6和12.5 mg·kg-1，變幅分別達(dá)到862%、148.4%、314.7%和62.4%。各土類農(nóng)田耕層土壤速效鉀含量的變幅相比速效磷普遍較小。黑土、白漿土和水稻土的變化較小，變幅平均分別為-2.0%、0.9%和3.1%，風(fēng)沙土、黑鈣土增加明顯，平均增幅分別為40%和17%，而暗棕壤、草甸土則下降顯著，平均降幅分別為27%和12.9%。

圖4 1980s與2010s年間吉林省不同土類農(nóng)田耕層土壤速效磷和速效鉀含量均值的時(shí)間變化狀況

3 討論與結(jié)論

本研究顯示，吉林省農(nóng)田耕層土壤速效磷、鉀養(yǎng)分具有明顯的地帶性空間分異。土壤速效磷含量自東向西逐漸下降，速效鉀含量自西北向南逐漸降低。這與我國土壤速效磷東高西低、速效鉀北高南低的大趨勢是一致的［17-18］，而這種地帶性變異主要是由不同區(qū)域的自然氣候、地形特征、植被狀況等所決定的［6，8-9］。吉林省東部長白山區(qū)氣候冷涼濕潤，以森林植被系統(tǒng)為主，農(nóng)田開墾歷史較短，土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富。土壤速效磷主要源于有機(jī)磷礦化［19］，因此以暗棕壤為代表的東部農(nóng)田土壤速效磷含量相對較高。中部地區(qū)為半濕潤平原，雨熱適中，是主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，主要土壤類型為黑土、白漿土、水稻土等肥力較高土壤，再加上長期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中補(bǔ)充、添加了大量有機(jī)及無機(jī)磷源，土壤速效磷含量也相對豐富。西部地區(qū)為半干旱平原，降水較少，長期以草原植被為主，土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量均偏低，以黑鈣土、風(fēng)沙土為代表的西部農(nóng)田土壤速效磷含量相對較低。與速效磷相比，吉林省農(nóng)田土壤速效鉀含量總體處于豐富水平，且變異較小。東部地區(qū)土壤主要發(fā)育于巖石風(fēng)化物，鉀素含量相對較低［22］，而且長白山周邊較多的降水可能增加了土壤鉀素淋失［23］，因此東南部白山、通化地區(qū)土壤速效鉀含量相比其他地區(qū)偏低。

自1980s至2010s的30年間，吉林省農(nóng)田土壤速效磷含量顯著上升，速效鉀含量略有下降，這與我國土壤磷素累積、鉀素虧缺的大趨勢一致［7，9-11］，而這樣的變化趨勢主要與人為因素有關(guān)［8-9］。吉林省農(nóng)戶普遍重施氮、磷肥而忽視鉀肥投入，磷素由于其復(fù)雜的化學(xué)及生物轉(zhuǎn)化作用而大多被土壤固定，導(dǎo)致磷肥利用效率偏低，土壤磷素大量累積，速效磷含量提高。土壤適量的磷素供應(yīng)是作物獲得高產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，但過量的磷素累積可能會(huì)使磷素隨徑流、侵蝕或淋溶等途徑進(jìn)入水體而導(dǎo)致富營養(yǎng)化［24-25］，造成環(huán)境污染?，F(xiàn)代高產(chǎn)作物品種對鉀素的需求和吸收較高，而鉀肥補(bǔ)充的不足及秸稈資源的不合理利用導(dǎo)致土壤鉀素大量消耗，因此中、東部一些地區(qū)土壤速效鉀含量出現(xiàn)下降。對于西部地區(qū)的黑鈣土和風(fēng)沙土，土壤原有速效鉀含量較低，農(nóng)戶對鉀肥的重視程度和使用率也較高，土壤速效鉀也相應(yīng)提高。

綜上所述，吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期過量施用磷肥導(dǎo)致農(nóng)田土壤磷素大量富集，而高產(chǎn)作物品種增加的鉀素需求及農(nóng)戶對鉀肥施用的忽視造成一些地區(qū)土壤鉀素消耗而出現(xiàn)虧缺。地區(qū)間農(nóng)田土壤磷、鉀不同的空間分布狀況及變化趨勢，為吉林省區(qū)域作物養(yǎng)分管理策略與技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整提供了重要依據(jù)。建議適當(dāng)下調(diào)磷肥用量或改進(jìn)磷肥品種以減少土壤磷素累積，土壤鉀素虧缺地區(qū)應(yīng)合理補(bǔ)充鉀肥并積極推廣秸稈還田技術(shù)，從而優(yōu)化磷、鉀資源的合理投入，實(shí)現(xiàn)土壤健康、作物高產(chǎn)與養(yǎng)分高效的目標(biāo)。