高密市耕地表層土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)地球化學(xué)特征

姜冰，張海瑞，劉陽(yáng)，郝志文

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261021)

0 引言

土壤元素有效量可被作物直接吸收利用，與土壤元素全量相比，能夠更有效地反映植物營(yíng)養(yǎng)元素的供給能力[1-2]。有效量和有效度同時(shí)受多種因素的影響，如元素全量、土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、土壤類(lèi)型等[3-6]，同時(shí)反映不同地球表生環(huán)境下元素有效態(tài)的特征和影響因素[7-8]。研究土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)，為指導(dǎo)科學(xué)施肥，提高土壤肥力，提供重要依據(jù)[9]，而重金屬元素有效量的分析，對(duì)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義[10]。

1 研究區(qū)概況

高密市地處濰坊市東部，山東半島中部，膠萊平原腹地，地理極值坐標(biāo)東經(jīng)119°26′16″至120°00′38″，北緯36°08′44″至36°41′20″，南北長(zhǎng)60.1km，東西寬51.2km，面積1525.7km2(圖1)?？傮w地勢(shì)南高北低，地面總坡度約1/600。屬季風(fēng)區(qū)暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫12℃，年平均降水量689.1mm，年蒸發(fā)量1227.6mm。地層僅在南部出露中生代白堊紀(jì)萊陽(yáng)群和青山群，面積約占25%，中部及北部為大面積新生代第四紀(jì)松散堆積物，巖漿巖不發(fā)育。土壤分為5種土壤類(lèi)型，即潮土、砂姜黑土、粗骨土、褐土、棕壤(圖2)。表層土壤pH值背景值為7.48，總體呈中性，有機(jī)質(zhì)背景值為15.79×10-3,總體較缺乏[11]。

1—研究區(qū)；2—行政區(qū)界線

1—棕壤；2—褐土；3—粗骨土；4—砂姜黑土；5—潮土；6—取樣點(diǎn)

2 材料與方法

2.1 樣品采集及加工

本次研究調(diào)查介質(zhì)為耕地中0～20cm的表層土壤，面積性采樣密度為1件/4km2。以采樣點(diǎn)為中心在周?chē)?0～100m范圍內(nèi)等量采集4～6個(gè)子樣等量混合成樣，采集時(shí)挑出植物根系、石塊等雜物，充分混勻后不少于1kg裝入干凈的棉布樣袋，置于通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干，并經(jīng)木棒壓碎后全部過(guò)2mm孔徑的尼龍篩，過(guò)篩后混勻取不少于500g移交實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定pH值、有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素全量及其有效量。

2.2 樣品處理與測(cè)試

樣品測(cè)試分析由山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。根據(jù)《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》，土壤樣品pH值測(cè)定采用離子電極法，有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用氧化還原法；元素全量采用酸堿容量法測(cè)定N，X射線熒光光譜法測(cè)定P，K，Cu，Zn，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定Mo，發(fā)射光譜法測(cè)定B；元素有效量采用酸堿滴定法測(cè)定堿解N，采用等離子體光譜法測(cè)定有效P、速效K、有效Cu、有效Zn、有效Mo、有效B。對(duì)樣品數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)控，包括樣品報(bào)出率、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)準(zhǔn)確度及精密度、樣品內(nèi)部密碼抽查合格率等，質(zhì)控結(jié)果為報(bào)出率均為100%，元素全量和有機(jī)質(zhì)的準(zhǔn)確度、精密度合格率均為100%，pH值絕對(duì)偏差小于0.1，元素有效量絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差均不超差，合格率為100%，按樣品總數(shù)隨機(jī)抽取10%試樣進(jìn)行密碼抽查，合格率大于98%。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算元素地球化學(xué)背景值，反復(fù)剔除平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差的離散值后，以算術(shù)平均值作為背景值。當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足30個(gè)時(shí)，以中位值作為背景值。計(jì)算土壤元素有效度平均值采用先計(jì)算單點(diǎn)有效度再逐步剔除異常值的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便更加客觀地反映土壤元素的有效度狀況。變量之間的相關(guān)性采用SPSS軟件pearson相關(guān)系數(shù)和雙尾顯著性檢驗(yàn)完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 元素有效態(tài)地球化學(xué)特征

根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理結(jié)果，有效P、速效K、有效Cu、有效Zn的變異系數(shù)高，均大于1.5，分布極不均勻，表明含量變化范圍大，局部易缺乏或富集；其他有效量0.4≤變異系數(shù)<1.0，分布較不均勻。有效量與全量的比值為有效度，它是衡量元素在土壤環(huán)境中的活性程度或植物可吸收水平的指標(biāo)[12]，有效度由大到小排序?yàn)橛行o>堿解N>有效Cu>有效P>有效Zn>有效B>速效K，最大有效Mo為16.90%，最小速效K為0.72%，各元素之間有效度差異顯著，全量含量水平對(duì)有效度的控制程度各不相同，元素表生地球化學(xué)性質(zhì)是決定其有效度的重要內(nèi)因(表1)[13-14]。

表1 土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[15]，將土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效量進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，由表2和圖3可知，有效Mo缺乏的樣本331個(gè)，占88.03%，而從有效量參數(shù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，其有效度16.90%為最高，表明其全量含量水平也較低，區(qū)內(nèi)有效Mo整體處于缺乏狀態(tài)，影響土壤營(yíng)養(yǎng)水平，應(yīng)引起重視；有效B較缺乏樣本176個(gè)，占46.81%，中等樣本151個(gè)，占40.16%，其他等級(jí)樣本少，表明區(qū)內(nèi)有效B整體處于中等—較缺乏狀態(tài)，其有效度僅1.37%，所以全量含量對(duì)有效量的影響并不是決定性因素。其他營(yíng)養(yǎng)元素有效量以中等以上為主，養(yǎng)分水平相對(duì)較高，僅堿解N和速效K的較缺乏樣本個(gè)數(shù)相對(duì)較多，分別為114個(gè)和127個(gè)，分別占比30.32%和33.78%，而堿解N的有效度達(dá)10.42%，表明全量含量水平是控制堿解N含量水平的重要因素，速效K有效度僅為0.72%，表明全量含量水平對(duì)速效K含量水平的影響甚微。

表2 土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效量分級(jí)統(tǒng)計(jì)表

3.2 元素全量對(duì)有效態(tài)的影響

采用SPSS軟件計(jì)算表層土壤元素全量與有效態(tài)的相關(guān)性及顯著性差異檢驗(yàn)。按相關(guān)系數(shù)的大小表述相關(guān)性強(qiáng)弱，相關(guān)系數(shù)取絕對(duì)值后，小于0.1為不相關(guān)，0.1～0.3為弱相關(guān)，0.3～0.5為中等相關(guān)，0.5～1.0為強(qiáng)相關(guān)。由表3可知，各元素全量與其有效量的相關(guān)性在0.01水平均為顯著，且呈正相關(guān)，其中B，K全量與其有效量弱正相關(guān)，其他元素全量與其有效量強(qiáng)正相關(guān)，按其相關(guān)系數(shù)大小排序?yàn)镃u(0.932)>P(0.875)>Zn(0.773)>Mo(0.715)>N(0.510)>B(0.187)>K(0.179)，表明元素全量對(duì)有效量是最直觀的制約影響[16]，所以土壤營(yíng)養(yǎng)元素全量的高低對(duì)土壤肥力評(píng)價(jià)及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)具有重要的指示意義。而全量與有效度的相關(guān)性有很大不同，Cu，Zn全量與其有效度中等正相關(guān)，P，K全量與其有效度弱正相關(guān)，其他元素全量與有效度沒(méi)有相關(guān)性，相關(guān)性顯著的元素按其相關(guān)系數(shù)大小排序?yàn)閆n(0.462)>Cu(0.379)>P(0.148)>K(0.142)，表明不同元素全量向有效量轉(zhuǎn)化的差異性和不均勻性。此外，某些元素全量與不同元素有效量、有效度強(qiáng)相關(guān)，如N全量與P有效量，P全量與K，Cu，Zn有效量，Cu全量與P，Zn有效量，Zn全量與P，Cu有效量，P全量與K有效度，表明某些元素全量與不同元素有效量、有效度的協(xié)同作用。

圖3 土壤元素有效量分級(jí)占比柱形圖

表3 土壤營(yíng)養(yǎng)元素全量與有效態(tài)相關(guān)系數(shù)表

3.3 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)對(duì)元素有效態(tài)的影響

有研究表明，土壤pH值與多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素的有效量和有效度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，陽(yáng)離子型元素的有效性隨pH值上升而降低[17-19]。由表4可知，土壤pH值與N，P的有效量呈弱負(fù)相關(guān)，與B的有效量呈中等正相關(guān)，存在線性關(guān)系(圖4)，與其他元素有效量無(wú)相關(guān)性；土壤pH值與P的有效度呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，與N，Cu，Mo的有效度呈中等負(fù)相關(guān)，與Zn的有效度呈弱負(fù)相關(guān)，與B的有效度呈中等正相關(guān)，存在線性關(guān)系(圖5)，與K的有效度無(wú)相關(guān)性?？傮w來(lái)看，除K，B外，多數(shù)元素的有效量和有效度隨土壤pH值的升高而降低，與前人得出的結(jié)論相似[20]。有研究認(rèn)為，土壤pH值會(huì)影響溶液和膠體的離子組成，并且與元素形態(tài)有密切關(guān)系，對(duì)元素有效性產(chǎn)生影響[21-22]。另有研究認(rèn)為土壤酸化會(huì)引起某些元素的有效量增加[23]。

表4 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)與元素有效量及有效度相關(guān)性

圖4 土壤pH值與N，P，B元素有效量相關(guān)性散點(diǎn)圖

與土壤pH值不同的是，有機(jī)質(zhì)總體與元素有效量和有效度呈正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與7種元素的有效量均呈正相關(guān)，具良好的線性關(guān)系(圖6),相關(guān)性弱至中等，表明有機(jī)質(zhì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的有效量有一定的促進(jìn)作用，增施有機(jī)肥可以不同程度的增加營(yíng)養(yǎng)元素的有效量。有機(jī)質(zhì)與N，K，Zn，B的有效度呈良好的線性關(guān)系(圖7)，與K，Zn，B的有效度呈弱正相關(guān)，若從施肥角度考慮，增施有機(jī)肥可適當(dāng)減少K，Zn，B肥的施用；與N的有效度呈弱負(fù)相關(guān)，所以有機(jī)質(zhì)的增加積累會(huì)導(dǎo)致N有效度的降低，與土壤有機(jī)殘?bào)w(如還田之秸稈)分解慢，土壤碳氮比過(guò)大有關(guān)[24]，所以增加土壤有機(jī)質(zhì)(如秸稈還田)的同時(shí)，應(yīng)增施N肥[25]，或者進(jìn)行秸稈堆漚還田等[26]。

3.4 土壤類(lèi)型對(duì)元素有效態(tài)的影響

不同土壤類(lèi)型理化性質(zhì)有所差異，會(huì)對(duì)土壤元素地球化學(xué)行為產(chǎn)生影響[27-28]。表5和表6分別描述了研究區(qū)內(nèi)不同土壤類(lèi)型營(yíng)養(yǎng)元素的有效量和有效度特征參數(shù)。變異系數(shù)反映了有效量和有效度的空間分布差異，P，Cu，Zn，B有效量在褐土中分布最不均勻，N，K有效量在砂姜黑土中分布最不均勻，Mo有效量在潮土中分布最不均勻，Zn，B有效度在褐土中差異最大，N，P，K，Mo有效度在砂姜黑土中差異最大，Cu有效度在潮土中差異最大。棕壤中多數(shù)元素(除B外)有效量和有效度高于全區(qū)；褐土中多數(shù)元素(除K，B外)有效量和有效度高于全區(qū)；粗骨土中P，Cu，Mo有效量和有效度高于全區(qū)，其他低于全區(qū)；砂姜黑土中K，B具有相對(duì)全區(qū)較高的有效量和有效度，N有效量略高于全區(qū)但有效度略低于全區(qū)，其他元素有效量和有效度均不同程度低于全區(qū)；潮土中N，Cu，Mo有效量低于全區(qū)但有效度高于全區(qū)，P，Zn具有相對(duì)全區(qū)較高的有效量和有效度，而K，B有效量和有效度低于全區(qū)。

研究區(qū)內(nèi)棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土5種土壤類(lèi)型的pH值背景值分別為5.39，6.41，6.63，7.70，7.05，有機(jī)質(zhì)背景值分別為12.63×10-3，17.48×10-3，17.86×10-3，17.51×10-3，12.64×10-3，通過(guò)分析不同土壤類(lèi)型中pH值和有機(jī)質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)(表7)，土壤pH值與不同土壤類(lèi)型中N，P有效量總體呈負(fù)相關(guān)(與褐土中P有效量不相關(guān))，與不同土壤類(lèi)型中營(yíng)養(yǎng)元素(除B外)有效度呈負(fù)相關(guān)或不相關(guān)，與不同土壤類(lèi)型中B有效量和有效度均呈正相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與不同土壤類(lèi)型中多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素有效量和有效度呈正相關(guān)，少數(shù)不相關(guān)，但與N有效度總體呈負(fù)相關(guān)。粗骨土的樣本數(shù)太少，不具參考意義。總體與全區(qū)的土壤pH值和有機(jī)質(zhì)對(duì)有效態(tài)的影響大致相同，反映的是不同土壤類(lèi)型的不同理化性質(zhì)對(duì)元素有效態(tài)的差異影響[29]。土壤酸性能夠提高N，P，Cu，Zn，Mo元素的有效量和有效度，堿性土壤能提高B元素的有效量和有效度，有機(jī)質(zhì)是促進(jìn)土壤營(yíng)養(yǎng)元素活化的重要因素，與前人研究結(jié)果一致[5,7,30]。

表5 不同土壤類(lèi)型營(yíng)養(yǎng)元素有效量特征參數(shù)

表6 不同土壤類(lèi)型營(yíng)養(yǎng)元素有效度特征參數(shù)

表7 不同土壤類(lèi)型pH值、有機(jī)質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)相關(guān)系數(shù)表

4 結(jié)論

(1)元素全量對(duì)有效態(tài)具有最直觀的制約影響，元素全量與其有效量相關(guān)性均為顯著，部分元素全量(P，K，Cu，Zn)與其有效度相關(guān)性顯著，某些元素全量與不同元素有效量、有效度還表現(xiàn)出協(xié)同作用。土壤pH值對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的生物有效性有重要影響，酸性土壤能夠提高N，P，Cu，Zn，Mo元素的有效量和有效度，堿性土壤能提高B元素的有效量和有效度。有機(jī)質(zhì)增加有利于土壤營(yíng)養(yǎng)元素活化，對(duì)有效量有一定的促進(jìn)作用，并不同程度提高K，Zn，B元素的有效度，但會(huì)降低N元素的有效度。

(2)Mo元素的有效度雖然較高，但其全量和有效量含量低，有效Mo在研究區(qū)內(nèi)整體缺乏，有效B整體處于較缺乏。土壤元素全量、有效量及有效度的高低對(duì)土壤肥力評(píng)價(jià)及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)具有重要的指示意義。