摘" " 要：為揭示2017—2020年山西省耕地質(zhì)量的變化規(guī)律及其與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性，通過(guò)對(duì)2017—2020年山西省11個(gè)地級(jí)市下52個(gè)縣、市、區(qū)的耕地土壤進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查與監(jiān)測(cè)，分析有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀5項(xiàng)關(guān)鍵耕地質(zhì)量指標(biāo)，調(diào)查其對(duì)應(yīng)的玉米產(chǎn)量。結(jié)果表明，2017—2020年山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為10.00～29.95 mg·kg-1，全氮含量范圍為0.65～1.40 g·kg-1，有效磷含量范圍為5.75～22.40 mg·kg-1，速效鉀含量范圍為105.91.36～225.25 mg·kg-1，緩效鉀含量范圍為545.29～1 284.00 mg·kg-1，除有效磷與速效鉀之間呈負(fù)相關(guān)外，其余指標(biāo)之間均呈正相關(guān)。此外，將玉米產(chǎn)量（y）與有機(jī)質(zhì)（x1）、全氮（x2）、有效磷（x3）、速效鉀（x4）、緩效鉀（x5）進(jìn)行多元線性回歸分析，回歸模型為y=698.46-0.966 2x1+24.99x2+1.776x3-0.118 0x4-0.108 1x5，F(xiàn)=2.837 6（Fgt;2），P=0.017 41（Plt;0.05）。這表明模型具有統(tǒng)計(jì)顯著性，能夠根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀的含量預(yù)測(cè)玉米產(chǎn)量。綜上，山西省種植玉米應(yīng)采用高氮、中磷、低鉀的復(fù)合肥料配比，以促進(jìn)玉米增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)質(zhì)；全氮；有效磷；速效鉀；緩效鉀；玉米產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S513； S152" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.08.005

Study on the Status and Changes of Cultivated Land Quality in Shanxi Province and Corn Yield Prediction From 2017 to 2020

WANG Huijie

（Shanxi Province Farmland Quality Monitoring and Protection Center， Taiyuan， Shanxi 030001， China）

Abstract： In order to reveal the changes in cultivated land quality in Shanxi Province from 2017 to 2020 and their correlation with corn yield，a systematic survey and monitoring of the soil in 52 counties， cities， and districts across 11 prefecture-level cities in Shanxi Province were conducted， focusing on five key soil quality indicators： organic matter， total nitrogen， available phosphorus， available potassium， slow-release potassium，and the corn yield. The results showed that， during the 2017 to 2020 period， the organic matter content of cultivated land in Shanxi Province ranged from 10.0 to 29.95 g·kg-1， total nitrogen ranged from 0.65 to 1.40 g·kg-1， available phosphorus ranged from 5.75 to 22.40 mg·kg-1， available potassium ranged from 105.91 to 225.25 mg·kg-1， and slow-release potassium ranged from 545.29 to 1 284.00 mg·kg-1. Positive correlations were observed between most of these indicators， except for a negative correlation between available phosphorus and available potassium. Multiple linear regression analysis was conducted on the maize yield （y） with organic matter （x1）， total nitrogen （x2）， available phosphorus （x3）， available potassium （x4）， and slow-release potassium （x5）. The regression model was y=698.46-0.966 2x1+24.99x2+1.776x3-0.118 0x4-0.108 1x5， with F=2.837 6gt;2 and P=0.017 41lt;0.05， y=698.46-0.966 2x1 +24.99x2+1.776x3-0.118 0x4-0.108 1x5. The model's F value was 2.837 6（Fgt;2） and the P value was 0.017 41（Plt;0.05）， indicated statistical significance and the ability to predict corn yield based on the levels of organic matter， total nitrogen， available phosphorus， available potassium， and slow-release potassium in the soil. In conclusion， to enhance corn yield in Shanxi Province， a compound fertilizer ratio of high nitrogen， medium phosphorus， and low potassium should be adopted.

Key words： organic matter; total nitrogen; effective phosphorus; quick acting potassium; slow acting potassium; corn yield

2022年山西省糧食總產(chǎn)量達(dá)到1 464.3 萬(wàn)t，較2021年增長(zhǎng)3.0%[1]。糧食產(chǎn)量直接關(guān)系社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家安全，而耕地是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)資源，是中華民族永續(xù)發(fā)展的根基[2]。2022年山西省公布的第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，山西省耕地面積為387 萬(wàn)hm2，旱地、水澆地、水田面積占比依次為72.79%、27.08%、0.13%[3]。近年來(lái)，山西省大力開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，并積極采用相關(guān)技術(shù)措施提升耕地質(zhì)量[4-5]，以更好地保障糧食安全。

土壤養(yǎng)分變化不僅是評(píng)估土壤肥力的重要指標(biāo)，還直接反映了耕地質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。因此，明確山西省耕地土壤養(yǎng)分變化情況，可為提升耕地肥力和促進(jìn)糧食產(chǎn)量綠色高產(chǎn)提供重要參考[6-7]。第二次全國(guó)土壤普查時(shí)間較早，隨著各地加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，土壤肥力狀況也發(fā)生了顯著變化[8-9]。為進(jìn)一步了解山西省耕地土壤養(yǎng)分情況，本研究在山西省布設(shè)52個(gè)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2017年—2020年，本研究對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀5項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，以探究土壤肥力的變化趨勢(shì)，并為山西省的精準(zhǔn)施肥提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步分析了耕地養(yǎng)分指標(biāo)與農(nóng)作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。山西省玉米種植面積較大且種植廣泛，因此本研究選擇玉米產(chǎn)量作為研究對(duì)象[10]。通過(guò)分析玉米產(chǎn)量與耕地有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀5項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系，本研究建立多元線性回歸模型，用以預(yù)測(cè)玉米產(chǎn)量，以耕地養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)為依據(jù)制定科學(xué)的施肥策略[11]。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

考慮到山西省土壤類型、耕作制度、地力水平、耕地環(huán)境狀況、管理水平等因素，監(jiān)測(cè)點(diǎn)為山西省52個(gè)縣、區(qū)、市，將土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)按地市進(jìn)行整合分析。具體地點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。

1.2 土壤樣品的采集

土壤樣品的采集選用棋盤法，隨機(jī)均勻選取10～20個(gè)樣點(diǎn)，清除土壤表層的枯枝落葉，用土鉆鉆取0～20 cm表層土壤，將各個(gè)樣點(diǎn)的土樣充分混合并自然風(fēng)干，用四分法留取1 kg裝袋，以備后續(xù)測(cè)樣分析。

1.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及分析方法

耕地土壤樣品監(jiān)測(cè)內(nèi)容及其分析方法見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素的重要來(lái)源，能夠使土壤具有一定的緩沖作用，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的物理性狀，為土壤微生物提供碳源和能量[12]。此外，有機(jī)質(zhì)的主要成分為腐殖質(zhì)，其有助于減少農(nóng)藥和重金屬的污染，促進(jìn)微生物和植物的生理活性。土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，2017—2020年山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量如表2所示。

由表2可知，2017—2020年山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為10.00～29.95 g·kg-1，并且整體呈上升趨勢(shì)。盡管部分地區(qū)（呂梁和運(yùn)城）的有機(jī)質(zhì)含量在2019年達(dá)到峰值，但是其余9個(gè)地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)出2020年比2017年高的趨勢(shì)。其中，2019年山西省耕地土壤平均有機(jī)質(zhì)含量最高，為18.43 g·kg-1，較2017年提高18.98%。山西省11個(gè)地區(qū)中，太原、臨汾、長(zhǎng)治、晉中和晉城5個(gè)地區(qū)的耕地土壤有機(jī)碳含量在2020年達(dá)到峰值，其余6個(gè)地區(qū)的耕地土壤有機(jī)碳含量在2019年達(dá)到峰值。由此可知，山西省耕地保肥措施比較成功。

2.2 山西省耕地土壤全氮含量

土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量對(duì)土壤培肥至關(guān)重要，通常采用全氮量來(lái)衡量土壤氮素的基礎(chǔ)肥力。2017—2020年山西耕地土壤全氮含量見表3。

由表3可知，2017—2020年山西省耕地土壤全氮含量范圍為0.68～1.40 g·kg-1。其中，2019年山西省耕地土壤平均全氮含量達(dá)到最高值，為0.98 g·kg-1，較2017年增加13.92%。從數(shù)據(jù)中可以看出，山西省耕地土壤全氮含量總體上呈現(xiàn)出穩(wěn)中有升的趨勢(shì)，全氮含量在2019年達(dá)到頂峰。原因可能與近幾年大力推廣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和科學(xué)施肥有關(guān)。這說(shuō)明以上措施在提高土壤肥力方面取得了一定的成效。

2.3 山西省耕地土壤有效磷含量

當(dāng)季作物吸收的磷量為土壤有效磷含量。對(duì)于耕地土壤而言，土壤有效磷能夠反映土壤磷素肥力的供應(yīng)狀況，決定著農(nóng)田生產(chǎn)力，對(duì)施肥具有指導(dǎo)意義[13]。2017—2020年山西省耕地土壤有效磷含量見表4。

由表4可知，2017—2020年山西省耕地土壤有效磷含量范圍為5.75～22.40 mg·kg-1。其中，2018年山西省耕地土壤平均有效磷含量最低，為11.03 g·kg-1；2019年山西省耕地土壤平均有效磷含量最高，為22.04 g·kg-1，較2018年提高27.91%。2017—2020年臨汾地區(qū)耕地土壤有效磷含量高于太原、朔州、長(zhǎng)治、晉中、運(yùn)城、陽(yáng)泉和晉城7個(gè)地區(qū)。2017年大同、呂梁和忻州地區(qū)土壤有效磷含量高于臨汾地區(qū)，而2018—2021年大同、呂梁和忻州地區(qū)土壤有效磷含量低于臨汾地區(qū)。

2.4 山西省耕地土壤速效鉀含量

速效鉀是指土壤中易被作物吸收和利用的鉀素[14]。速效鉀含量是表征土壤鉀素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)之一。2017—2020年山西省耕地土壤中速效鉀的含量見表5。

由表5可知，2017—2020年山西省耕地土壤速效鉀含量范圍為105.91.36～225.25 mg·kg-1。其中，2017年山西省耕地土壤平均速效鉀含量最低，為145.20 mg·kg-1，2020年最高，較2017年提高7.16%。2017—2020年運(yùn)城地區(qū)耕地土壤有效磷含量高于臨汾、大同、呂梁、晉中、忻州和陽(yáng)泉6個(gè)地區(qū)。

2.5 山西省耕地土壤緩效鉀的分析

緩效鉀主要是指伊利石、蛭石、綠泥石等次生礦物所固定的鉀素，是土壤鉀供應(yīng)潛力的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)土壤交換性鉀因作物吸收和淋洗而減少時(shí)，非交換性的緩效鉀逐漸釋放出來(lái)，并在土壤鉀供應(yīng)中起到重要作用[15]。2017—2020年山西省耕地土壤緩效鉀含量見表6。

由表6可知，2017—2020年山西省耕地土壤緩效鉀含量范圍為545.29～1 284.00 mg·kg-1。其中，2017年山西省耕地土壤平均緩效鉀含量最低，為791.54 mg·kg-1，2020年土壤平均緩效鉀含量最高，為1 180.67 mg·kg-1，較2017年提高23.61%。2017—2020年臨汾地區(qū)耕地土壤緩效磷含量高于太原、朔州、大同、長(zhǎng)治、晉中、忻州和晉城7個(gè)地區(qū)。2017年臨汾地區(qū)耕地土壤緩效鉀含量低于呂梁和運(yùn)城地區(qū)，2020年臨汾地區(qū)耕地土壤緩效鉀含量低于陽(yáng)泉和運(yùn)城地區(qū)，其他年份臨汾地區(qū)的耕地土壤緩效鉀均高于呂梁、陽(yáng)泉和運(yùn)城3個(gè)地區(qū)。

2.6 玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析

2017—2019年玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)（175個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）如圖2所示。由圖2可知，玉米平均產(chǎn)量為9 176 kg·hm-2，并且有5個(gè)數(shù)據(jù)被判定為異常值，這里的異常值并不是指數(shù)據(jù)存在問題，而是5個(gè)點(diǎn)的玉米產(chǎn)量不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，屬于特例。因此，在探究玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系時(shí)，需要剔除5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本研究對(duì)玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀進(jìn)行了主成分分析[16]，具體情況如表7和圖3所示。相關(guān)性分析結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷成正相關(guān)，與速效鉀和緩效鉀呈負(fù)相關(guān)。原因可能是土壤中鉀肥供應(yīng)已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了作物的需求量，玉米產(chǎn)量隨著速效鉀和緩效鉀含量的增加而下降。

土壤養(yǎng)分之間也表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)與全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀之間呈正相關(guān)，并且有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)性最高。這與通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式將有機(jī)質(zhì)和全氮相互換算的結(jié)論一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。全氮與有效磷、速效鉀和緩效鉀之間也呈正相關(guān)，而速效鉀與緩效鉀之間盡管呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱。

由圖3可知，玉米產(chǎn)量、有效磷、有機(jī)質(zhì)、全氮4個(gè)指標(biāo)的累積百分比為88.5%，玉米產(chǎn)量與有效磷、有機(jī)質(zhì)、全氮與成分1相關(guān)度較高，而速效鉀和緩效鉀與成分2相關(guān)度較高。

通過(guò)多元線性回歸分析[17]，本研究將玉米產(chǎn)量（y）與有機(jī)質(zhì)（x1）、全氮（x2）、有效磷（x3）、速效鉀（x4）、緩效鉀（x5）進(jìn)行擬合，回歸模型為y=698.46-0.966 2x1+24.99x2+1.776x3-0.118 0x4-0.108 1x5，F(xiàn)=2.837 6（Fgt;2），P=0.017 41（Plt;0.05）。這表明該模型具有統(tǒng)計(jì)顯著性，能夠解釋玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土壤養(yǎng)分含量分布體現(xiàn)了自然因素和人為因素的雙重影響[18]。自然因素主要有地勢(shì)、光熱條件、水分條件、土壤質(zhì)地等。地勢(shì)平坦的地區(qū)，便于集中機(jī)械化耕作，農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)，農(nóng)民的投入和管理水平較高，土壤養(yǎng)分含量較高[19]；地勢(shì)崎嶇的地區(qū)如丘陵、坡地等，農(nóng)民投入較低，土壤養(yǎng)分含量較低[20]。光熱條件充足的地區(qū)，更有利于作物的光合作用[21]；光熱條件不足的地區(qū)，作物光合作用減弱，部分農(nóng)田土壤持續(xù)過(guò)濕，對(duì)作物生長(zhǎng)不利[22]。土壤水分充足而均勻時(shí)，農(nóng)作物生長(zhǎng)快，果實(shí)大小均勻，根系發(fā)達(dá)，有利于養(yǎng)分吸收和光合作用[23]；若土壤常年水分不足，季節(jié)性干旱頻繁，春季氣溫回升快，風(fēng)力強(qiáng)勁，加之冬季雨雪少，土壤水分貧乏，極易形成干旱，威脅作物生長(zhǎng)[24]。此外，調(diào)查地區(qū)土壤質(zhì)地多為中壤和重壤，土壤長(zhǎng)期處于嫌氣狀態(tài)，更利于土壤養(yǎng)分的積累與存儲(chǔ)[25]。而少部分地區(qū)為砂土和輕壤土，物理性砂粒大于50%，土壤通透性好，有機(jī)質(zhì)與氮素易被礦化，積累較少[26]。自2017年以來(lái)，山西省嚴(yán)格控制建設(shè)用地占用耕地[27]，加強(qiáng)耕地質(zhì)量建設(shè)，扎實(shí)推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，完善農(nóng)田灌排基礎(chǔ)設(shè)施，健全耕地保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制[28]等，這些政策的實(shí)施均有利于提高糧食產(chǎn)量和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

通過(guò)有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀的相關(guān)性分析可知，有機(jī)質(zhì)與全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀呈正相關(guān)，并且有機(jī)與全氮相度較高，有機(jī)質(zhì)和全氮可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行換算的結(jié)論[29]也印證了本研究的正確性。此外，在所有的相關(guān)性分析結(jié)果中，速效鉀與緩效鉀雖然呈正相關(guān)，但二者的相關(guān)度不高（相關(guān)系數(shù)低于0.5），這與實(shí)際土壤中緩效鉀可以轉(zhuǎn)化為速效鉀的情況[30]存在差異。原因可能是在測(cè)定土壤速效鉀時(shí)，部分農(nóng)民施用鉀肥造成速效鉀含量增加，緩效鉀無(wú)法有效轉(zhuǎn)化為速效鉀，從而影響了二者的相關(guān)性。

通過(guò)主成分分析以及玉米產(chǎn)量（y）與有機(jī)質(zhì)（x1）、全氮（x2）、有效磷（x3）、速效鉀（x4）、緩效鉀（x5）進(jìn)行多元線性回歸分析，回歸模型為y=698.46-0.966 2x1+24.99x2+1.776x3-0.118 0x4-0.108 1x5。這表明模型具有一定的擬合度和統(tǒng)計(jì)顯著性。由于沒有考慮氣象因素[31]、施肥狀況[32]、品種[33]等因素的影響，并不能精確預(yù)測(cè)出未來(lái)玉米的產(chǎn)量。但是，該模型能夠提供較為合理的評(píng)估值，對(duì)于玉米商業(yè)生產(chǎn)銷售具有重要的指導(dǎo)意義[34]?；诰€性模型的分析，筆者推薦采用高氮、中磷、低鉀的復(fù)合肥料，晉中市春玉米施肥推薦配方也驗(yàn)證了此結(jié)論。

3.2 結(jié)論

本研究對(duì)2017—2020年山西省52個(gè)縣、市、區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀5個(gè)指標(biāo)含量進(jìn)行系統(tǒng)分析，探討這些土壤養(yǎng)分與玉米產(chǎn)量之間的關(guān)系，得出以下主要結(jié)論：

（1）2017—2020年，山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為10.0～29.95 g·kg-1，全氮含量范圍為0.65～1.40 g·kg-1，有效磷含量范圍為5.75～22.40 mg·kg-1，速效鉀含量范圍為105.91～225.25 mg·kg-1，緩效鉀含量范圍為545.29～1 284.00 mg·kg-1。這些數(shù)據(jù)為評(píng)估山西省耕地土壤肥力提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

（2）本研究將玉米產(chǎn)量（y）與土壤有機(jī)質(zhì)（x1）、全氮（x2）、有效磷（x3）、速效鉀（x4）、緩效鉀（x5）進(jìn)行多元線性回歸分析，回歸模型為y = 698.46-0.966 2x1+24.99x2+1.776x3-0.118 0x4-0.108 1x5，F(xiàn)值為2.837 6（Fgt;2），P值為0.017 41（Plt;0.05）。這表明模型具有統(tǒng)計(jì)顯著性。在今后的生產(chǎn)中，研究人員可以通過(guò)測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量對(duì)玉米產(chǎn)量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

（3）通過(guò)對(duì)玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的主成分分析，筆者發(fā)現(xiàn)山西省耕地土壤中鉀肥含量充足，進(jìn)一步增加鉀肥不會(huì)顯著提高玉米產(chǎn)量。因此，筆者建議在未來(lái)的玉米生產(chǎn)中，采用高氮、中磷、低鉀的肥料配比，以便有效地促進(jìn)玉米增產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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