香蕉(Musa spp.)富含丰富的碳水化合物、矿质营养和维生素,是世界鲜果消费量最大的水果之一[1]。我国是世界重要的香蕉生产国,2019年总产量为1166万t,占世界总生产量的10%,位居世界第二。据国家统计局数据显示,全国香蕉种植面积为33万hm2,海南、广东、广西、福建、云南、贵州、四川和重庆都有香蕉种植,其中海南、广东、广西、福建、云南是我国香蕉主产区,这5个省（区）香蕉种植面积占我国总种植面积的97%,而贵州、四川和重庆3省（市）仅占3%。香蕉主产区受成土条件、高温多雨等自然条件的影响,造成土壤中钾、钙、镁等含量较低,有机质含量偏低,土壤酸性较强[2-3],影响了蕉园土壤肥力。而香蕉是一种多年生草本植物,对氮、磷、钾、钙、镁等营养元素吸收量较大[4]。香蕉适宜生长的pH在5.8~6.5,有机质含量在2%以上的高肥力土壤上[5]。高肥力土壤能持续供应作物生长所需的营养物质,维持土壤生物多样性[6],是生产优质高产香蕉的基础。随着香蕉生产集约化程度的加强,高投入高产出的生产模式使土壤肥力发生了巨大变化。因此,了解蕉园土壤肥力现状对明确土壤障碍因子,制定有效的消障措施,提升蕉园土壤健康,实现土壤可持续利用及香蕉产业绿色发展具有重要的意义。我国先后于1958—1960年和1979—1985年开展2次全国土壤普查工作,基本摸清了我国土壤养分现状[7]。2005年在全国启动的测土配方施肥工作对土壤养分现状有了更清楚的认识,但随着我国蕉园施肥量的增加[8],土壤养分含量是否发生了变化值得深入研究。我国学者在香蕉土壤肥力方面开展了大量研究工作。林电等[9]对海南西部65个香蕉园土壤肥力调查发现土壤pH（变化范围为4.05~6.86）和交换性镁含量低,且不同区域土壤养分含量存在较大差异。海南澄迈蕉园土壤肥力处于中等偏上水平[10]。魏守兴等[11]对广西15个蕉园土壤测定显示,土壤酸性强,有机质含量低,碱解氮、速效磷和中微量元素含量低。对云南和福建省蕉园调研发现,土壤酸性强、有机质含量低、中微量元素含量处于中等以上水平[12⇓⇓⇓-16]。虽然研究者对我国典型香蕉种植区域开展了土壤肥力调查工作,但缺乏对我国蕉园整体土壤肥力状况的分析,且不同种植区域土壤养分含量对比的报道较少。同时,香蕉受种植年限、种植海拔、施肥等因素的影响[17⇓-19],土壤存在明显差异。因此,明确我国蕉园土壤肥力现状,对指导蕉园科学合理施肥及提升香蕉产量和品质具有重要意义。本研究通过已发表文章及实地调研数据的整合分析,分省份整理土壤养分含量数据,明确我国蕉园土壤养分现状,分析不同省份土壤养分差异,并计算土壤综合肥力指数,明确我国不同香蕉种植区域土壤养分的主要障碍因子,为区域蕉园土壤合理施肥和土壤肥力提升提供重要的参考依据。
1 材料与方法
1.1 数据库建立
本研究数据库建立分为两部分,一部分来源于已发表的文献;一部分来源于海南大学热带作物学院热带耕地养分资源循环利用与质量保育课题组在广西、海南和云南香蕉主产区调查的土壤肥力数据及本课题组在广西蕉园调查的土壤肥力数据。通过Web of Sciences、CNKI、万方等检索工具,利用“香蕉”“蕉园”“土壤肥力”“土壤养分”等为关键词进行检索。文献筛选的标准如下：（1）研究工作必须在中国大陆进行,且为田间试验或土壤普查的文献;（2）田间试验必须以香蕉为研究对象,土壤普查样品必须取自蕉园。采用Excel 2016建立我国蕉园土壤养分数据库,内容主要包括文献信息（作者、文献来源、出版年份）、地理位置、土壤信息（土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌和有效硼）。从文献中提取土壤养分含量数据时,对于以图表形式呈现的数据,利用GetData软件将图片进行数据化转换。共查到242组数据。将文献中提取的土壤养分含量数据和普查数据按照海南、广东、广西、福建和云南5个种植省（区）进行划分,其中海南35组数据、广东15组数据、广西21组数据、福建108组数据、云南63组数据,分析不同香蕉种植区域土壤养分状况。
1.2 土壤综合肥力指数计算
土壤综合肥力指数采用全数据集进行计算,将土壤属性指标通过隶属函数法转化成0~1之间的无量纲数值。本研究中采用S型隶属函数和抛物线型隶属函数。S型隶属函数是指土壤属性指标与生产力呈正向相关关系（公式1）,有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌和有效硼属于这一类型[20]。土壤养分的分级标准参考第二次全国土壤普查制定的养分分级标准[7]。抛物线型隶属函数是指土壤属性指标在一定范围内有助于提高生产力,超过范围将不利于作物生长（公式2）,土壤pH符合这一类型,最适香蕉生长的pH为5.8~6.5[5]。土壤pH的a1、b1、b2、a2分别为3.5、5.8、6.5和8.5。
$f(x)=\left\{\begin{array}{ll}1 & \left(x \geqslant x_{0}\right) \\\frac{x}{x_{0}} & \left(x<x_{0}\right)\end{array}\right.$
其中f(x)为隶属函数,x为土壤属性测定值,x0为指标阈值的上限。
$f(x)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{x-a_{1}}{b_{1}-a_{1}} & \left(a_{1}<x<b_{1}\right) \\1 & \left(b_{1} \leqslant x \leqslant b_{2}\right) \\\frac{a_{2}-x}{a_{2}-b_{2}} & \left(b_{2}<x<a_{2}\right) \\0 & \left(x \leqslant a_{1} \text { 或 } x \geqslant a_{2}\right)\end{array}\right.$
其中f(x)为隶属函数,x为土壤属性测定值,a1、b1、b2、a2依次为4个转折点。
利用主成分分析法确定土壤属性指标权重,土壤某一属性指标的权重等于该属性指标的公因子方差与所有属性指标的公因子方差和的比值。采用加权综合法对土壤综合肥力指数（Soil integrated fertility index,IFI）进行计算[20]：
$\mathrm{IFI}=\sum_{n}^{i=1} K_{i} \times C_{i}$
其中IFI是土壤综合肥力指数,Ci是某一土壤属性指标的隶属度值,Ki是第i个土壤属性指标的权重,n是土壤属性指标的个数。土壤综合肥力指数范围在0~1.0之间,0~0.2表示土壤肥力极低,0.2~0.4表示土壤肥力低,0.4~0.6表示土壤肥力中等,0.6~0.8表示土壤肥力高,0.8~1.0表示土壤肥力极高。
1.3 数据处理
试验数据采用IBM SPSS 25.0进行正态分布检验,对于不符合正态分布的数据通过对数、倒数或开平方根进行转化使其符合正态分布。对不同省份土壤养分含量和土壤综合肥力指数进行差异性检验（P<0.05）。试验结果均采用平均值±标准误（SE）表示,图形采用SigmaPlot 12.5和Excel 2016作图。
2 结果与分析
2.1 我国蕉园土壤养分含量及分级
我国蕉园土壤养分含量及分级情况见表1和图1。我国蕉园土壤pH平均为5.3,变幅为3.9~ 7.8,pH<4.5的比例为12.7%,66.1%的蕉园土壤pH在4.5~5.8之间,最适宜香蕉生长的蕉园仅占11.0%。蕉园土壤有机质含量平均为14.90 g/kg,处于潜在缺乏水平,变化范围为7.23~44.50 g/kg,86.3%的蕉园土壤有机质处于潜在缺乏及以下水平。土壤碱解氮和有效磷平均含量分别为77.30 mg/kg和96.00 mg/kg,分别处于潜在缺乏和极高水平,97.1%的蕉园土壤碱解氮处于中等及以下水平,66.1%的蕉园土壤有效磷含量处于极高水平。土壤速效钾平均含量为227.00 mg/kg,变化范围为32.80~1214.00 mg/kg,变异系数为64.80%,27.7%蕉园土壤有效钾处于中等及以下水平,51.6%的蕉园处于极高水平。蕉园土壤交换性钙平均含量为1039.00 mg/kg,变幅为110.00~ 4624.00 mg/kg,35.6%的蕉园土壤交换性钙处于潜在缺乏及以下水平,41.3%的蕉园处于极高水平。土壤交换性镁含量平均为102.00 mg/kg,处于中等水平,60.8%的蕉园土壤交换性镁处于潜在缺乏及以下水平,32.6%的蕉园处于中等水平。蕉园土壤有效铁和有效锰平均含量分别为169.00 mg/kg和41.80 mg/kg,变异系数分别为89.00%和52.20%,98.9%的蕉园土壤有效铁处于高或极高水平,91.8%蕉园土壤有效锰处于高或极高水平。土壤有效铜含量平均为2.84 mg/kg,变化范围0.58~15.90 mg/kg,97.7%的蕉园土壤有效铜含量处于高或极高水平。土壤有效锌含量平均为4.82 mg/kg,94.2%蕉园土壤有效锌含量处于高或极高水平。土壤有效硼含量变化范围0.07~ 4.65 mg/kg,平均值为1.16 mg/kg,52.6%的蕉园土壤有效硼含量处于中等及以下水平。
表1 我国香蕉园土壤养分含量描述统计Tab. 1 Descriptive statistics of soil nutrient concentrations in banana orchards of China |
| 土壤养分 Soil nutrients | 最小值 Minimum | 最大值 Maximum | 平均值 Mean | 标准差 Standard deviation | 变异系数 Coefficient of variation/% |
|---|---|---|---|---|---|
| pH | 3.9 | 7.8 | 5.3 | 0.8 | 15.3 |
| 有机质/(g·kg‒1) | 7.23 | 44.50 | 14.90 | 5.77 | 38.80 |
| 碱解氮/(mg·kg‒1) | 11.40 | 166.00 | 77.30 | 24.00 | 31.00 |
| 有效磷/(mg·kg‒1) | 5.37 | 512.00 | 96.00 | 83.90 | 87.40 |
| 速效钾/(mg·kg‒1) | 32.80 | 1214.00 | 227.00 | 147.00 | 64.80 |
| 交换性钙/(mg·kg‒1) | 110.00 | 4624.00 | 1039.00 | 735.00 | 70.80 |
| 交换性镁/(mg·kg‒1) | 2.75 | 409.00 | 102.00 | 61.60 | 60.40 |
| 有效铁/(mg·kg‒1) | 9.15 | 962.00 | 169.00 | 150.00 | 89.00 |
| 有效锰/(mg·kg‒1) | 1.97 | 117.00 | 41.80 | 21.80 | 52.20 |
| 有效铜/(mg·kg‒1) | 0.58 | 15.90 | 2.84 | 2.15 | 75.40 |
| 有效锌/(mg·kg‒1) | 0.30 | 30.90 | 4.82 | 5.05 | 105.00 |
| 有效硼/(mg·kg‒1) | 0.07 | 4.65 | 1.16 | 0.79 | 68.60 |
2.2 不同省份蕉园土壤养分含量及分级
海南、广东、广西、福建和云南土壤pH平均值分别为5.1、5.4、5.7、4.9和5.9,福建蕉园土壤pH显著低于广东、广西和云南蕉园。广西蕉园土壤有机质含量为21.50 g/kg,显著高于其他省份蕉园土壤有机质,福建蕉园土壤有机质含量为12.20 g/kg,显著低于广东、广西和云南蕉园,广西47.6%的蕉园土壤有机质含量处于中等以下水平,其他省份75%以上蕉园土壤有机质含量处于中等以下水平。福建蕉园土壤碱解氮含量显著高于海南、广东和云南蕉园,与广西蕉园差异不显著,福建52.8%蕉园土壤碱解氮处于中等以下水平,其他省份80%以上蕉园土壤碱解氮处于中等以下水平。海南、广东、广西、福建和云南蕉园土壤有效磷含量分别为45.80 mg/kg、119.00 mg/kg、69.50 mg/kg、147.00 mg/kg和39.40 mg/kg,福建蕉园土壤有效磷含量显著高于海南、广西和云南蕉园,与广东蕉园土壤有效磷含量差异不显著（图2）,广西19%的蕉园土壤有效磷含量在中等以下水平,云南11.1%的蕉园土壤有效磷含量在中等以下水平,其他省份95%蕉园土壤有效磷含量在中等及以上水平。云南蕉园土壤速效钾含量为300.00 mg/kg,显著高于海南、广东、福建蕉园土壤速效钾含量,与广西蕉园速效钾含量差异不显著,海南和广西20%的蕉园土壤速效钾含量在中等以下水平,广东33%蕉园在中等以下水平,福建和云南90%以上的蕉园土壤速效钾含量在中等以上水平（表2）。
图2 我国不同省份香蕉园土壤养分含量不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig. 2 Soil nutrient concentrations of different provinces in banana orchards of China Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05). |
表2 我国不同省份香蕉园土壤养分处于中等以下水平所占比例Tab. 2 Proportion of soil nutrients under middle level of different provinces in banana orchards of China % |
| 土壤养分Soil nutrients | 标准Standard | 海南Hainan | 广东Guangdong | 广西Guangxi | 福建Fujian | 云南Yunnan |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 有机质/(g·kg‒1) | <20 | 94.3 | 80.0 | 47.6 | 97.2 | 77.8 |
| 碱解氮/(mg·kg‒1) | <90 | 94.3 | 80.0 | 81.0 | 52.8 | 82.5 |
| 有效磷/(mg·kg‒1) | <10 | 2.9 | 0 | 19.0 | 0 | 11.1 |
| 速效钾/(mg·kg‒1) | <100 | 20.0 | 33.3 | 19.0 | 5.6 | 3.2 |
| 交换性钙/(mg·kg‒1) | <700 | 62.9 | 33.3 | 47.6 | 20.4 | 42.9 |
| 交换性镁/(mg·kg‒1) | <100 | 80.0 | 40.0 | 85.7 | 64.8 | 39.7 |
| 有效铁/(mg·kg‒1) | <4.5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 有效锰/(mg·kg‒1) | <5.0 | 0 | 6.7 | 25.0 | 0 | 0 |
| 有效铜/(mg·kg‒1) | <0.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 有效锌/(mg·kg‒1) | <0.5 | 2.9 | 0 | 0 | 0.9 | 0 |
| 有效硼/(mg·kg‒1) | <0.5 | 25.7 | 40.0 | 57.1 | 12.0 | 25.0 |
云南蕉园土壤交换性钙含量为1371.00 mg/kg,显著高于海南、广西和福建蕉园,而与广东蕉园差异不显著,海南、广东、广西、福建和云南蕉园土壤交换性钙在中等以下水平分别占比62.9%、33.3%、47.6%、20.4%和42.9%。广东和云南蕉园土壤交换性镁含量显著高于其他省份蕉园,其他省份蕉园土壤交换性镁含量差异不显著,海南80.0%的蕉园、广东40%的蕉园、广西85.7%的蕉园、云南64.8%的蕉园和福建39.7%的蕉园土壤交换性镁含量在中等以下水平。不同省份95%以上的蕉园土壤有效铁、有效铜和有效锌含量在中等以上水平。广东蕉园土壤有效铁含量为361.00 mg/kg,显著高于其他省份蕉园,海南、广西和云南蕉园土壤有效铁含量差异不显著。海南、广东和福建蕉园土壤有效锰含量分别为45.10 mg/kg、45.70 mg/kg和47.60 mg/kg,显著高于广西和云南蕉园,广西25.0%的蕉园土壤有效锰含量在中等以下水平,海南、福建和云南蕉园土壤有效锰含量全部在中等及以上水平。广东蕉园土壤有效铜含量为9.03 mg/kg,显著高于其他省份,而其他省份间差异不显著。云南蕉园土壤有效锌含量为6.88 mg/kg,显著高于海南和福建蕉园,而与广东和广西蕉园差异不显著（图2）。福建蕉园土壤有效硼含量为1.59 mg/kg,显著高于其他省份蕉园,而其他省份间差异不显著。海南、广东、广西、福建和云南分别有25.7%、40.0%、57.1%、12.0%和25.0%的蕉园土壤有效硼含量在中等以下水平（表2）。
2.3 我国不同省份蕉园土壤综合肥力指数
我国蕉园土壤综合肥力指数平均为0.71,海南、广东、广西、福建和云南蕉园土壤综合肥力指数分别为0.62、0.71、0.61、0.78和0.69（图3）。
福建蕉园土壤肥力综合指数显著高于其他省份蕉园,广东和云南蕉园土壤综合肥力指数显著高于海南和广西,而海南和广西蕉园差异不显著。海南、广东、广西和云南分别有37.1%、13.3%、33.3%和14.3%的蕉园土壤综合肥力指数在中等以下水平。
3 讨论
我国蕉园土壤综合肥力指数平均为0.71,处于高水平,这主要跟蕉园土壤平均有效磷、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量处于极高水平有关,全国50%,甚至80%以上的蕉园土壤有效磷、速效钾和微量元素含量（除有效硼外）在极高水平以上。我国蕉园有效磷、速效钾含量高与磷肥、钾肥的过量投入有关,我国蕉园磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）的施用量分别为399 kg/hm2和1442 kg/hm2,而世界香蕉主产国（如印度、巴西等）磷肥和钾肥平均施用量为120 kg/hm2和887 kg/hm2[8]。蕉园土壤微量元素含量高与土壤pH有关,我国蕉园近80%的土壤pH在5.8以下,平均值为5.3（变化范围3.9~7.8）。在低pH条件下土壤对微量元素吸附能力下降,解吸能力增强,且微量元素含量会随着pH下降呈现急剧增加的趋势,一般认为土壤pH下降一个单位,微量元素的溶解度会增加十倍[21]。虽然我国蕉园土壤肥力指数较高,但蕉园土壤pH低、有机质含量低、交换性钙和镁含量处于中等偏下水平,需要结合农事措施消减障碍因子,提升蕉园土壤健康水平。
香蕉适宜生长的土壤pH为5.8~6.5[5],我国蕉园12.7%的蕉园pH<4.5,66.1%的蕉园土壤pH在5.8~6.5之间,且海南、广东和福建蕉园土壤pH均在5.8以下。前人研究也表明,海南省香蕉主产区88%以上的蕉园土壤pH在5.5以下[9],福建省香蕉主产区92%的蕉园土壤pH在5.0以下[16]。土壤pH较低与作物生长特性、自然成土及施肥管理关系密切,香蕉对钾、钙和镁等的吸收量较大[4],土壤中钾、钙和镁等盐基离子被香蕉吸收后会向根际土壤释放H+,造成根际土壤酸化[22]。香蕉生长在高温多雨的热带亚热带地区,长期的脱硅富铝化作用造成盐基离子大量淋失,造成土壤酸性变强[23]。海南、广东和福建的降雨量高于广西和云南,盐基离子的淋失量更大,使土壤酸性更强。同时,在香蕉施肥管理过程中,我国香蕉氮肥平均用量为755 kg/hm2[8],是香蕉氮肥需求量的2~3倍[24],过量氮肥的施用会加剧土壤酸化,进一步降低土壤pH[25]。调查中发现海南、广东和福建蕉园氮肥用量高于广西和云南[8],这可能也是海南、广东和福建蕉园土壤pH低于广西和云南的原因之一。在香蕉施肥中,可以通过施用碱性肥料[26]或增施石灰[27]可以有效的提高土壤pH,为香蕉生长创造良好的土壤环境。
我国蕉园平均土壤有机质含量为14.9 g/kg,处于潜在缺乏水平。广西近50%的蕉园、其他省份75%以上的蕉园土壤有机质含量处于中等以下水平。一般认为有机质含量在20 g/kg以上适宜香蕉生长[5],有机质含量低不利于香蕉生长。已有报道显示,海南省儋州、临高、东方、昌江和乐东65个香蕉园中89%土壤有机质在20 g/kg以下[9],广西南宁、崇左、玉林、钦州、北海等15个蕉园中,53%的蕉园土壤有机质在20 g/kg以下[11],云南省德宏州、西双版纳州、红河州等31个蕉园64%的蕉园土壤有机质含量低于20 g/kg[14]。我国蕉园土壤有机质含量普遍偏低,一方面与过量氮肥投入有关。有研究显示,过量氮肥投入会提高土壤中碳循环基因的丰度,从而增加对土壤中不稳定性和稳定性有机碳分解,降低土壤中有机质（碳）的含量[28]。另一方面,与香蕉生产中有机肥物料施用少有关。对我国香蕉主产区调研发现,种植户有机肥施用量严重不足,仅为化肥施用量的10~20%,有些种植户甚至不施用[8,29 -30]。研究者在广西蕉园研究发现,每公顷施用18.8 t有机肥可以显著提高土壤有机质含量,增加香蕉根系空间分布,产量提高13.9~ 72.3%,果实可溶性固形物含量由17.1oBrix提高到19.7oBrix[27,31]。同时,也可以通过绿肥残体还田提高土壤有机质含量[32]。此外,有机物料在改善土壤物理结构、提高土壤酶和微生物活性、增强土壤缓冲能力等方面发挥着重要作用。因此在香蕉生产中应注重有机物料的施用,提高蕉园土壤的生产力,促进土壤可持续利用。
我国蕉园土壤碱解氮平均含量分别为77.30 mg/kg（表1）,处于潜在缺乏状态;福建52.8%蕉园和其他省份80%以上蕉园土壤碱解氮处于中等以下水平。虽然我国不同省份蕉园氮肥施用量远高于吸收量[8],但施肥方式多以撒施或喷施为主,再加上降雨量较大,氮肥通过淋洗、挥发的方式损失掉,造成土壤氮含量较低。通过施用缓控释氮肥或采用水肥一体化技术可以有效的降低氮肥施用量,减少损失,提高氮肥利用效率[26,33]。除氮磷钾外,钙和镁是香蕉生长必不可少的两大营养元素。但我国35.5%的蕉园土壤交换性钙、60.8%的蕉园土壤交换性镁处于潜在缺乏及以下水平,不同省份蕉园土壤交换性钙含量在中等以下水平占比20%~63%;海南、广东、广西、云南和福建分别有80.0%、40%、85.7%、64.8%和39.7%的蕉园土壤交换性镁含量在中等以下水平。这是因为在香蕉生产中一般会投入大量的氮磷钾肥,而会忽视钙镁等中微量元素和有机肥的投入[8,30]。土壤中交换性钙和镁的含量较低会影响根系对钙、镁的吸收,香蕉缺钙会使果皮开裂,影响香蕉的品质[5],镁是植物生长发育所必需的营养元素,它在作物光合作用及碳水化合物的运输方面起着重要作用[34]。缺镁会导致碳水化合物在叶片积累,阻止其向果实运输[35]。有研究表明蕉园施用硅钙钾镁肥、钙镁磷肥等含钙镁的肥料可以显著提高土壤有效钙和有效镁的含量,增加香蕉叶片中钙和镁含量,提升香蕉的产量和品质[27,36 -37]。因此,在香蕉生产管理中要注重钙、镁肥的施用,提升蕉园土壤交换性钙和镁的含量,从而提高香蕉产量和品质。
4 结论
我国香蕉园土壤综合肥力指数处于较高水平,大部分区域土壤有效磷、速效钾、交换性钙、微量元素（除有效硼外）处于中等偏上水平。但86.3%的土壤有机质处于潜在缺乏及以下水平,97.1%的土壤碱解氮处于中等以下水平,60.8%的土壤交换性镁处于潜在缺乏及以下水平。土壤pH偏低,有机质、碱解氮、交换性镁和有效硼处于中等或缺乏水平,成为蕉园土壤肥力潜在限制因子。因此,我国香蕉生产中,应重视有机肥、镁肥和硼肥的施用,同时结合土壤改良、测土配方施肥、滴灌施肥等技术,提升蕉园土壤肥力和土壤健康水平,促进香蕉产业绿色发展。