土壤肥力是农业可持续发展的基础资源，合理的土壤培肥是维持和提升土壤肥力水平的最主要措施，也是粮食持续稳产高产的保证^[1-2]。中国利用近 10% 的耕地养育了全球近 20% 的人口，自 1980 年至 2010 年，中国农业的集约化进程迅速增加，作物种植结构的改变和更多的化肥投入，使作物产量增加了 65%^[3]，但是这些改变也对土壤肥力的变化产生了巨大的影响。土壤肥力的变化不仅影响粮食安全，也会对水体、土壤健康、温室气体等造成影响^[4]，这些引起了政策制定者和科研人员的注意。因此，很多学者开展了对土壤肥力变化的相关研究。贾良良等^[5]发现河北省不同生态区农田自全国第二次土壤普查以来，土壤有机质和有效磷含量大幅提高，速效钾含量略有增加。单燕^[6]2016 年比较了陕西省测土配方施肥数据与 20 世纪 80 年代数据后发现，陕西省小麦耕地有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量显著上升。焉莉等^[7]在 2015 年的研究表明，与全国第二次土壤普查结果对比，吉林省农田土壤有机质含量明显下降，碱解氮和有效磷含量显著提高，速效钾含量略有降低。王伟妮等^[8]研究表明，与全国第二次土壤普查相比，湖北省水稻土有机质、碱解氮、有效磷含量增加，而土壤速效钾含量下降。山西省经济欠发达，但农耕历史悠久，地貌类型复杂导致土壤利用方式复杂多样，农作物品种资源也比较丰富。但是目前山西省农田土壤肥力状况及其动态变化的相关研究较为缺乏，尤其是缺少长期定位监测的常规生产管理水平下的土壤肥力变化的数据。为此，以山西省农田土壤为研究对象，根据全国第二次土壤普查典型剖面详细记录的位置，于 2007～2017 年设置农田土壤肥力定位监测点，分析山西省农田土壤肥力的变化规律及其变化原因，以期为山西省农田减肥增效及土壤培肥提供理论基础，并为当地农业生产提供服务。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

山西省纬度和经度介于 34°34′～40°44′N 和 110°14′～114°33′E 之间，总面积 15.67 万 km²，东、西、南北分别与河北、陕西、河南、内蒙古相邻。山西省地貌类型复杂多样，有山地、丘陵、台地、平原，山地和丘陵面积占总面积的 80.1%，是典型的黄土覆盖的山地高原，地势东北高西南低。山西省地处中纬度地带的内陆，属温带大陆性季风气候；各地年平均气温介于 4.2～14.2℃之间，总体分布趋势为由北向南升高，由盆地向高山降低；各地年降水量介于 358～621 mm 之间，季节分布不均，夏季 6～8 月降水相对集中，约占全年降水量的 60%，且省内降水分布受地形的影响较大。

由于山西省地貌及土壤类型复杂多样，农业生产方式丰富多样，南部地区一年两熟或两年三熟制，种植模式主要是小麦-玉米轮作，也是苹果、梨的主产区；中、北部地区是一年一熟制，主要种植玉米、马铃薯、谷子、燕麦、胡麻和杂豆等；东、西部地区海拔高、气候冷凉，适宜发展红枣、核桃、苹果、梨、葡萄等干鲜果和中药材。按地貌、土壤、气候等因素条件，大致将山西省分为 5 个地理区域类型，分别为晋南（运城市、临汾市）、晋中（晋中市、太原市、阳泉市）、晋北 （忻州市、大同市、朔州市）、晋东南（晋城市、长治市）、晋西北（吕梁市）。

1.2 样品采集与分析

基于中国科学院重要创新方向性项目，在山西省典型县域农田，结合各个采样县市的地形图、土地利用状况分布图、全国第二次土壤普查的土壤类型分布图等资料，共设定 75 个土壤肥力长期定位监测点，其中晋南 27 个、晋中 15 个、晋北 16 个、晋东南 7 个、晋西北 10 个。用 GPS 记录每个监测点的经纬度，详细记载样点的地理位置、土地利用历史、植被、土壤类型等信息。监测点依据当地农民习惯进行施肥、耕种以及田间管理，监测点位图如图1 所示。于 2007 和 2017 年秋收后采集 0～100 cm 土层（每 20 cm 一层）的土壤，混合均匀后，缩分至 1～2 kg 装袋。

采回土样在室温下风干，挑去细根，用木棒磨碎过筛，测定土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH 值等土壤理化性质。土壤全氮含量用 H₂SO₄-混合加速剂消解-全自动蒸氮仪 FOSS-Kjeltec8400 测定；其他土壤养分含量测定参照鲁如坤^[9]的方法。

1.3 数据分析

运用 Excel 2003 和 SPSS 20.0 进行数据统计分析，图表中的平均值均为算术平均值。为了方便与全国第二次土壤普查数据进行对比，本研究农田土壤指标分级依据全国第二次土壤普查山西省土壤养分分级标准^[10]。

2 结果与分析

2.1 山西省农田土壤有机质含量现状和变化分析

表1 为山西省农田耕层土壤 2017 年数据描述性统计情况。山西省农田耕层土壤有机质含量在 5.01～57.48 g·kg^-1 之间，平均值为 18.72 g·kg^-1，变异系数为 48.20%。山西省农田耕层土壤有机质含量在不同地区间呈现明显的地带性分布，晋中地区农田耕层土壤有机质含量最高，平均值为 22.50 g·kg^-1，晋东南和晋南地区的有机质含量属于第二阶梯，平均值分别为 20.37 和 20.07 g·kg^-1，晋西北地区有机质含量属于第三阶梯，平均值为 16.83 g·kg^-1，晋北地区有机质含量最低，平均值为 13.37 g·kg^-1。总体来说，山西省农田土壤有机质呈中部向四周逐渐降低的趋势，晋北低于晋南，晋西北低于晋东南。

注：同列中不同字母表示在 5% 水平上差异显著。CV 为变异系数。

山西省 75 个农田监测点的整体分析表明土壤有机质含量 10 年间整体上有所增加（图2）。2017 年全省平均有机质含量（18.72 g·kg^-1）比 2007 年全省平均有机质含量（17.70 g·kg^-1）提高了 5.76%（图2A）。不同地区间有机质含量增减变化不一。晋南地区土壤有机质含量呈现明显增加的趋势，从 2007 年的 16.69 g·kg^-1 增加到 2017 年的 20.07 g·kg^-1，增幅为 20.25%，主要表现在 10 年间晋南地区有机质含量在 3 级水平（20～30 g·kg^-1），所占比例上升了 14.82 个百分点（图2B）。晋中地区土壤有机质含量略有增加，从 2007 年的 21.73 g·kg^-1 增加到 2017 年的 22.50 g·kg^-1，增幅为 3.54%（图2C）。晋北地区土壤有机质含量基本维持不变（图2D）。晋东南和晋西北地区的土壤有机质含量则呈下降的趋势，从 2007 年的 22.73 和 17.81 g·kg^-1 下降到 2017 年的 20.37 和 16.83 g·kg^-1，降幅分别为 10.38% 和 5.50%（图2E、F）。

2.2 山西省农田土壤全氮含量现状和变化分析

由表1 可知，山西省农田土壤全氮含量在 0.46～2.08 g·kg^-1 之间，平均值为 1.07 g·kg^-1，变异系数为 28.44%，与有机质分布情况相同，5 个地区的全氮含量也表现为晋北地区最低。从全省来看，全氮含量具有南高北低的分布特征。由表2 可见，2017 年 5个地区的全氮含量均主要分布在 3 和 4 级水平区间。从全省来看，2017 年全氮含量在 3 级水平的所占比例最大，其次是在 4 和 5 级水平。

与 2007 年监测相比，2017 年全省全氮在 1、2 和 3 级水平所占比例分别提高了 1.33、9.33 和 21.33 个百分点，4、5 和 6 级水平所占比例则分别降低了 12.00、18.67 和 1.34 个百分点，说明全氮含量有所提升，从 2007 年的 0.85 g·kg^-1 增加到 2017 年的 1.07 g·kg^-1，平均增加 25.88%，不同地区的增加幅度在 12.04%～37.14% 之间。其中以晋北地区增加幅度最大，晋东南地区增加幅度最小。

注：A 代表全省；B 代表晋南地区；C 代表晋中地区；D 代表晋北地区；E 代表晋西北地区；F 代表晋东南地区。Min：最小值，Max：最大值；Mean：平均值；SD：标准方差。下同。

2.3 山西省农田土壤有效磷含量现状和变化分析

山西省农田土壤有效磷含量为 2.90～52.18 mg·kg^-1，平均值为 14.51 mg·kg^-1，变异系数为 71.82%（表1）。不同地区间有效磷含量差异明显。晋南和晋西北地区有效磷含量属于第一阶梯，有效磷平均含量分别为 17.01 和 16.39 mg·kg^-1，且 >20 mg·kg^-1 的比例分别为 37.03% 和 30.00%（图3B、 E）。晋北和晋东南地区有效磷含量属于第二阶梯，有效磷平均含量分别为 12.88 和 12.62 mg·kg^-1， >20 mg·kg^-1 的比例分别为 25.00% 和 14.29%（图3D、F）。晋中地区有效磷含量最低，平均含量为 11.16 mg·kg^-1，>20 mg·kg^-1 的比例仅为 7.14% （图3C）。

由图3 可知，山西省农田土壤有效磷含量 10 年间整体上略有降低，平均值由 2007 年的 15.02 mg·kg^-1 降低到 2017 年的 14.51 mg·kg^-1，降幅为 3.40%（图3A），但不同地区间有效磷含量变化差别较大。晋北和晋东南地区土壤有效磷呈明显增加的趋势，从 2007 年的 8.89 和 10.25 mg·kg^-1 分别增加到 2017 年的 12.88 和 12.62 mg·kg^-1，增幅分别为 44.88% 和 23.12%（图3D、F）。晋北地区土壤有效磷含量在 2、3、4 级水平所占比例分别提高了 18.75、6.25、12.5 个百分点，5、6 级水平所占比例均下降了 18.75 个百分点（图3D）。晋南地区有效磷含量变化不明显，2017 与 2007 年相比变化幅度为-0.29%（图3B）。晋中和晋西北地区有效磷含量则呈现明显下降的趋势，从 2007 年的 15.91 和 21.36 mg·kg^-1 分别下降到 2017 年 11.16 和 16.39 mg·kg^-1，降幅分别为 29.86% 和 23.27%（图3C、 E）。晋中地区有效磷含量 <5 mg·kg^-1（缺磷）的比例由 6.67% 上升到 21.43%（图3C）。

2.4 山西省农田土壤速效钾含量现状和变化分析

由表1 可知，山西省农田土壤速效钾含量在 68.42～451.00 mg·kg^-1 之间，平均值为 184.81 mg·kg^-1，变异系数为 45.24%。不同地区间速效钾含量差异明显，表现为晋南 >晋东南 >晋西北 >晋中≈晋北。从全省看，速效钾含量具有南高北低的分布特征。由表3 可知，2017 年晋南、晋中、晋北、晋西北和晋东南地区速效钾含量 >100 mg·kg^-1 的比例分别为 96.30%、78.57%、56.25%、90.00% 和 100.00%，各地区速效钾处于较丰富水平的土壤样本数均超过 1/2，说明山西省农田土壤速效钾较丰富。

由表3 可知，在 2007～2017 年的 10 年间，山西省农田土壤速效钾含量明显增加，平均值从 2007 年的 141.80 mg·kg^-1 增加到 2017 年的 184.81 mg·kg^-1，增幅为 30.33%。除晋中地区速效钾基本维持不变外，其余 4 个地区速效钾增幅明显。与 2007 年相比，2017 年全省土壤速效钾在 1、2 级水平的所占比例分别上升了 19.14、8.36 个百分点。

2.5 山西省农田土壤 pH 值现状和变化分析

由表1 可知，山西省农田土壤 pH 值在 7.60～8.69 之间，平均值为 8.32，变异系数为 1.98%。从全省来看，pH 值呈南低北高的趋势。晋西北和晋北地区的土壤 pH 值最高，平均值分别为 8.41 和 8.37；晋中和晋南地区土壤 pH 值属于第二阶梯，平均值分别为 8.31 和 8.30；晋东南地区土壤 pH 值最低，平均值为 8.18。由表4 可见，2017 年 5 个地区的农田土壤 pH 值均未出现 <7.5 的样本，即目前山西省农田土壤为碱性土壤。

在 2007～2017 年的 10 年间，山西省农田土壤 pH 值总体呈下降趋势，10 年内约下降了 0.14 个单位。与 2007 年相比，2017 年 pH 值在 2 级水平所占比例下降了 32.86 个百分点，在 3 级水平所占比例则有相应地上升。

3 讨论

2007～2017 年山西省农田耕层土壤有机质含量整体上呈增加的趋势，但各地区增加幅度不同，这主要与当地土地利用方式、农业耕作管理措施、有机肥及化肥投入量、秸秆还田技术推广执行等有关。其中气候条件影响土壤类型、耕作制度、管理水平等因素，导致各地区土壤有机质含量本底的差异性^[11]。近 10 年，晋南地区有机质含量增加幅度最大，晋中地区有所增加，晋北地区有机质含量维持不变，而晋西北和晋东南有机质含量却有所降低，究其原因主要是与化肥施用、有机物料投入的综合效应有关。自 1980 年开始山西省化肥施用较为普遍，且施肥量逐年增加，2007～2017 年全省化肥施用总量由 100.83 万 t 增加到 112.00 万 t，2017 年晋东南、晋中、晋南、晋北和晋西北的化肥施用量分别为 400.41、310.55、300.22、246.71 和 178.50 kg·hm^-2。晋南地区位于汾河平原，该区主要种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制度，光热充足、水资源丰富、秸秆资源量最高^[12]，土壤中高活性微生物使当季作物秸秆粉碎全量还田后可以快速腐解并促进有机质在土壤中的积累和转化，促进秸秆还田技术在该区大规模的推广应用； 同时，该区还大力发展果园、蔬菜等高经济产值作物，有机肥投入较其他地区高^[13]；虽然该区气温高导致有机质矿化率高，但是丰富的外源有机物料投入，使得有机质的固定和积累大于分解；因此， 2007～2017 年晋南地区有机质含量快速提升。晋中地区日照充足、温度较高、降水较少，经常出现干旱，种植制度为一年一作，秸秆资源量相对丰富^[12]，由于温度较高，使微生物的分解和代谢活动相对旺盛，外来有机质输入量的相对减少使该区有机质年均增加速度较慢。晋北地区为海拔相对较高的高寒地区，水资源匾乏、土壤风蚀及沙化严重，存在一定面积的盐碱土壤，施肥水平较低，土壤有机质本底值最低；受盐碱、干旱等自然环境影响，农田土壤有机质固持速度较慢，近 10 年土壤有机质含量变化不大。晋东南气温相对较低，降水充沛，土质粘重，历史习惯上施有机肥较多，导致土壤有机质本底值高；由于该区地处太行山区，田块较为破碎，主要以免耕秸秆覆盖还田为主，该秸秆还田方式提高土壤有机质含量的效果弱于秸秆粉碎还田方式^[11]，加之近 10 年有机肥的减施和重化肥轻有机肥的施肥习惯，使作物产量的不断提升，消耗了大量的土壤有机质，有机质入不敷出，所以近 10 年出现了有机质含量降低的现象。晋西北位于吕梁山区，风蚀、水蚀严重，施肥水平最低，土壤有机质含量较低且周转快，外源有机质输入量低^[12]，土壤用养失衡，导致有机质含量有所降低。

土壤有机质是土壤氮素的主要来源，有机质的矿化会释放大量氮素^[14]，加之化肥施用量的逐年增加，2007～2017 年山西省农田土壤全氮含量快速增加。2007 年山西省化肥施用量为 100.83 万 t，在 2013 年达到最高值 121.02 万 t，之后逐年下降， 2017 年全省化肥施用量为 112.00 万 t。粮食产量从 2007 年的 1007.05 万 t 增加到 2017 年的 1355.10 万 t，并没有随着化肥施用的减少而降低粮食产量。出现此现象的原因，一是得益于先进农业技术的推广使用，二是化肥的利用率得到提高。但是也应注意，氮肥施用过量，多余的氮素将通过硝酸根淋溶的形式输出生态系统，影响生态环境问题^[15-16]。因此，应适当控制氮肥施入量，降低面源污染的潜在威胁。

土壤有效磷含量的变化主要受速效磷肥投入量的影响^[17]。晋北和晋东南地区土壤有效磷呈明显增加的趋势，这主要与晋北、晋东南化肥投入量及氮、磷、钾投入比例有关。晋东南地区一是化肥施用强度最高，2017 年为 400.41 kg·hm^-2，远高于我国生态县建设规定中的化肥施用强度（250 kg·hm^-2）；二是化肥投入氮、磷、钾肥结构比例为 1∶0.74∶0.67，与目前我国 1∶0.49∶0.42、发达国家 1∶0.5∶0.5、世界 1∶0.46∶0.36 的比例相比^[18]，磷、钾肥施用比例偏高。晋北地区虽然化肥施用强度不高，但是化肥投入中氮、磷、钾结构比例为 1∶0.68∶0.59。2007 年以后进入社会化自由经营管理阶段，晋西北地区地处山区，土地流转多数种植核桃、大枣等经济作物，粗放式管理，山区坡耕地受到径流夹带作用，极易造成土壤流失，而磷素会随土粒迁移，进而导致土壤有效磷随径流流失。晋中地区位于山西省省会城市周边，大量种植水果蔬菜等经济作物，普遍追求高产，土壤磷素 “输入少”而“输出多”。

土壤母质、土地利用方式、秸秆处理方式、水肥管理措施等均会影响土壤速效钾含量的时空分布^[19-20]。2007～2017 年，山西省农田土壤速效钾含量明显增加，主要原因是钾肥投入及秸秆还田的影响。2007 年山西省钾肥（K₂O）投入量为 18.85 万 t，之后投入量持续增加，2017 年为 30.01 万 t。 2017 年晋东南、晋南、晋中、晋北和晋西北的钾肥施用强度分别为 111.41、83.73、79.97、66.07 和 35.51 kg·hm^-2，不同钾肥施用量对土壤速效钾含量的变化存在显著影响。作物秸秆中的钾含量较高^[21]，秸秆在还田条件下可以作为一种重要的钾素来源^[22]。山西省作物秸秆综合还田率由 2007 年的 40% 左右上升到 2017 年的 78% 左右，增加趋势显著，对土壤中速效钾含量保持动态平衡起着重要作用。化肥用量的增加促进作物产量的增加，秸秆资源量和根系残渣也在不断增加，同时随着秸秆还田量的增加，土壤速效钾含量呈上升的趋势。

综合来看，近 10 年山西省农田土壤有机质、全氮和速效钾含量的提高，一是归结于秸秆还田面积和数量的增加，二是由于肥料用量的不断增加，这与已有研究结果^[5-6]相似；近 10 年山西省农田土壤有效磷含量表现为略有降低，这与已有研究结果^[5-8]不同，因为已有研究均是与全国第二次土壤普查时期的数据相比，初始本底值较低。

土壤酸碱性（pH 值）是土壤形成过程中产生的一种自然属性，受到众多自然和人为因素的影响。山西省土壤 pH 值总体呈下降的趋势，这与已有研究结果^[5，23]一致，但目前山西省农田土壤未出现土壤酸化的现象。

4 结论

（1）山西省农田土壤有机质含量平均为 18.72 g·kg^-1，属 4 级中等水平；全氮含量平均为 1.07 g·kg^-1，属 3 级较丰富水平；有效磷含量平均为 14.51 mg·kg^-1，属 3 级较丰富水平；速效钾含量平均为 184.81 mg·kg^-1，属 2 级丰富水平；pH 值平均为 8.32，属碱性土壤。

（2）山西省不同地区间比较，有机质含量表现为晋中 >晋东南≈晋南 >晋西北 >晋北，全氮含量表现为晋东南 >晋南≈晋中 >晋西北≈晋北，有效磷含量表现为晋南 >晋西北 >晋北 >晋东南 >晋中，速效钾含量表现为晋南 >晋东南 >晋西北 >晋中≈晋北，pH 值表现为晋西北 >晋北 >晋中≈晋南 >晋东南。从全省来看，有机质含量具有由中部向四周逐渐降低的变化趋势，全氮和速效钾含量具有南高北低的变化趋势，有效磷含量中部地区低于其他地区，pH 具有南低北高的变化趋势。

（3）与 2007 年相比，2017 年山西省农田土壤有机质含量有所增加，全氮和速效钾含量大幅提高，pH 值和有效磷含量略有降低。就不同地区而言，同期晋南、晋中地区有机质呈增加的趋势，而晋东南、晋西北地区呈下降的趋势；晋中、晋西北地区有效磷含量明显下降，而晋北、晋东南地区则显著上升。

（4）在生产上要因地制宜采取有效措施培肥土壤，应增施有机肥，推广秸秆还田，在化肥施用上应根据不同区域采取平衡施氮、稳钾、因地补磷的施用原则。

参考文献