石嘴山市土壤元素有效態(tài)含量及影響因素研究

楊建鋒， 魏麗馨， 石天池， 馬貴林， 曹園園， 王志強(qiáng)

(1.寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)勘查院，銀川 750004；2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)博物館,銀川 750001)

0 引言

土壤是植物生長(zhǎng)的載體，植物生長(zhǎng)發(fā)育需從土壤中吸收氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、硼、鋅、鉬、銅、硒等養(yǎng)分，其中尤以氮、磷、鉀的需要最多[1-2]。土壤元素含量反映了土壤對(duì)植物礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的供給水平，任何一種元素缺乏或過(guò)量，都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[3-5]。土壤元素的總含量稱為全量，其中能被植物吸收利用的部分稱為“有效態(tài)含量”，而土壤中元素缺乏與否，通?？从行B(tài)含量，有些土壤元素的全量比較高，有效量卻比較低[6]。元素有效態(tài)含量與其在土壤中的化學(xué)存在形態(tài)有關(guān)[7-10]。成土母質(zhì)是土壤物質(zhì)的主要來(lái)源，是決定元素含量及分布的主要因素[11-12]。此外，大氣沉降、降雨和灌溉也是土壤微量元素的來(lái)源之一[13]。土壤中微量元素的含量、形態(tài)分布和有效性不僅與成土母質(zhì)和成土過(guò)程等有關(guān)，還受耕作制度、施用肥料和種植作物等人為因素的影響[1]。不同種植系統(tǒng)所種植的作物在根系活動(dòng)、分泌物組成及特性等方面都存在著很大的差異，因此也影響著微量元素的形態(tài)和有效性[14-17]。在長(zhǎng)期作物連作和輪作條件下，土壤中微量元素的形態(tài)和分布已較原來(lái)土壤發(fā)生了很大變化，其較為典型的特點(diǎn)便是在耕層土壤的淋溶和深層土壤的相對(duì)富集[18]。土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效態(tài)含量主要受到土壤微量元素全量、有機(jī)C、pH、交換性陽(yáng)離子含量的影響[19-20],植物對(duì)微量元素的吸收還受到土壤中各種微量元素有效態(tài)含量、元素比值以及微量元素間拮抗作用等的影響[11]。

研究區(qū)位居黃河中游上段，銀川平原北部，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市境內(nèi)。地勢(shì)西高東低相對(duì)平坦，按地形地貌類型為賀蘭山東麓洪積扇、洪積平原及河沖積平原。研究區(qū)主要分布于黃河與賀蘭山之間銀川平原內(nèi)，地處我國(guó)西北內(nèi)陸，屬典型的中溫帶大陸性干旱氣候，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)，空氣干，光照足，輻射強(qiáng)，光照長(zhǎng)。農(nóng)業(yè)灌溉以引黃河自流灌溉為主，局部輔以地下水灌溉。石嘴山市2019年農(nóng)作物種植面積為164.44×104畝，糧食作物為100.05×104畝，其中：小麥為28.6×104畝；玉米為48.32×104畝；水稻為23.13×104畝。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

1 樣品采集及分析

樣品采集于農(nóng)作物成熟后的農(nóng)田中，野外多點(diǎn)采集組合成樣，采樣深度為0 cm～20 cm。共采集水稻根系土為30件，小麥根系土為30件，玉米根系土為40件(圖1)。樣品在研究區(qū)風(fēng)干后過(guò)20目篩，取500克裝瓶送實(shí)驗(yàn)室。

樣品分析方法，其中Mn、P、K、Fe采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法進(jìn)行分析，Cu、Zn、Mo采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行分析，Se采用原子熒光光譜法進(jìn)行分析，B采用交流電弧-發(fā)射光譜法進(jìn)行分析，N、有機(jī)質(zhì)采用容量法進(jìn)行分析。

有效態(tài)樣品的制備，土壤樣品經(jīng)混勻后，取200 g樣品裝袋用作pH及水解性氮、水溶性鹽、速效鉀、陽(yáng)離子交換量、有效磷、有效硒、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效鉬、有效銅、有效硼分析。先進(jìn)行pH值分析，按pH<6.50為酸性土，pH介于6.50～7.50為中性土，pH>7.50為堿性土進(jìn)行分類，針對(duì)不同分析項(xiàng)目，采用不同提取劑浸提后采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、容量法(VOL)進(jìn)行分析。具體分析方法見(jiàn)表1。

統(tǒng)計(jì)分析：樣品分析指標(biāo)共23項(xiàng)，用于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)共計(jì)2 300個(gè)，通過(guò)EXCEL軟件對(duì)采集的樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，SPSS分析統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)獲取的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

表1 有效態(tài)樣品分析配套方案

表2 土壤元素全量及有效態(tài)參數(shù)特征統(tǒng)計(jì)

表3 不同作物根系土元素及有效態(tài)參數(shù)特征

2 結(jié)果與分析

2.1 根系土元素及有效態(tài)含量特征

由表2可以看出，石嘴山市根系土整體處于堿性強(qiáng)堿性環(huán)境，pH介于7.84～9.17之間。硼、銅、錳、鉬、硒、鋅、鐵、氮、磷、鉀元素全量及有機(jī)質(zhì)含量均高于銀川平原土壤元素背景值，尤其是有機(jī)質(zhì)、氮、磷、硒元素超過(guò)銀川平原地區(qū)背景值的1.5倍(圖2)。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》所規(guī)定的土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，各元素及有效態(tài)平均含量所對(duì)應(yīng)的養(yǎng)分等級(jí)達(dá)到豐富水平的為：硒(寧夏富硒土壤標(biāo)準(zhǔn))、有效硼、有效銅、有效鐵、速效鉀；較豐富水平有：B、Mn、Mo、P、有效鋅、有效磷；中等水平的有：Cu、Zn、Fe、K、有效錳；較缺乏水平的有：N、堿解氮、有機(jī)質(zhì)；有效鉬處于缺乏狀態(tài)。其中B、Cu、Fe、K有效態(tài)含量均為豐富水平而其對(duì)應(yīng)的元素全量為較豐富或中等水平，說(shuō)明該地區(qū)堿性環(huán)境條件下B、Cu、Fe、K等元素有效態(tài)含量比例較高，有利于植物吸收。

2.2 農(nóng)作物根系土元素全量及有效態(tài)含量特征

分別統(tǒng)計(jì)了石嘴山市小麥、水稻、玉米根系土中各元素的含量，從表3及圖3和圖4可以看出，由于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間淹水，水稻根系土元素含量與玉米、小麥根系土明顯不同。水稻根系土B、Cu、Mn、Mo、N、P、Se、Zn、Fe、K、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)明顯低于小麥和玉米根系土含量，水稻根系土相對(duì)貧瘠。在元素有效態(tài)含量方面：Fe、Cu、Mo、Mn元素有效態(tài)含量在水稻根系土壤中明顯高于小麥和玉米，尤其是有效鐵含量達(dá)到了玉米根系土含量的3.8倍，是小麥根系土含量的4.5倍；N、P、K有效態(tài)含量在水稻根系土壤中明顯低于小麥和玉米。將位于黃河附近的水稻根系土樣品單獨(dú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)與遠(yuǎn)離黃河的水稻根系土元素含量無(wú)明顯變化，說(shuō)明元素含量特征與農(nóng)作物種植方式及不同作物土壤水化學(xué)條件有關(guān)。研究區(qū)水稻相對(duì)于玉米及小麥對(duì)土壤中Fe、Cu、Mo、Mn的轉(zhuǎn)化吸收能力較強(qiáng)，玉米及小麥對(duì)土壤中N、P、K的轉(zhuǎn)化吸收能力強(qiáng)于水稻。

3 討論

從表4可以看出，石嘴山市根系土元素全量與有效態(tài)之間并非全部為明顯的正相關(guān)關(guān)系，僅N、P、K、Se、Mn、Zn、Cu、B元素全量與有效態(tài)含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，N、P、K為強(qiáng)相關(guān)水平，Se、Mn、Zn、Cu呈弱相關(guān)水平；Mo元素全量與有效態(tài)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；Fe元素全量與有效態(tài)含量無(wú)相關(guān)性。說(shuō)明根系土元素有效態(tài)含量不僅與元素全量有關(guān)，還與土壤其他理化性質(zhì)有關(guān)。

表4 土壤元素全量與有效態(tài)相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 不同作物根系土元素含量對(duì)比圖Fig.2 Comparison of total contents of elements in root soils for different crops

圖3 不同作物根系土元素有效態(tài)含量對(duì)比圖Fig.3 Comparison of available contents of elements in root soils for different crops

表5 土壤有機(jī)質(zhì)、酸堿度、水溶性鹽與元素及有效態(tài)相關(guān)關(guān)系(n=100)

表6 不同作物根系土有機(jī)質(zhì)、酸堿度、水溶性鹽參數(shù)特征

圖4 土壤有機(jī)質(zhì)與元素有效量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between organic matter and available contents of elements in soil(a)有機(jī)質(zhì)與速效鉀散點(diǎn)圖;(b)有機(jī)質(zhì)與堿解氮散點(diǎn)圖;(c)有機(jī)質(zhì)與有效磷散點(diǎn)圖;(d)有機(jī)質(zhì)與有效硒散點(diǎn)圖

圖5 土壤水溶性鹽與元素有效量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between water-soluble salts and available contents of elements in soil(a)土壤水溶性鹽與有效鋅散點(diǎn)圖;(b)土壤水溶性鹽與有效硒散點(diǎn)圖

有機(jī)質(zhì)、土壤酸堿度、水溶性鹽與元素及其有效態(tài)之間存在復(fù)雜的地球化學(xué)關(guān)系。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、酸堿度、水溶性鹽與元素及有效態(tài)相關(guān)關(guān)系(表5)，不同作物根系土有機(jī)質(zhì)、酸堿度、水溶性鹽參數(shù)特征(表6)。

有機(jī)質(zhì)不僅從源上直接向土壤中帶入各種元素，而且也影響著元素在土壤中的吸附—解析過(guò)程[21]。此外有機(jī)質(zhì)也會(huì)間接地影響土壤pH值，進(jìn)而影響土壤氧化還原環(huán)境，最終影響元素在土壤中的形態(tài)，這與微量元素有效性有著密切的關(guān)系[22]。

由表4可以看出，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)與N、P、Se、B、Cu、Zn、Fe、Mn、K、Mo等元素全量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中N、P、Se與有機(jī)質(zhì)呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增高，這些元素含量也在增高；有機(jī)質(zhì)與Se、Zn、N、P、K等元素有效態(tài)含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖4)，與Mo元素有效態(tài)含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

在堿性土壤中，淹水后由于CO2分壓增高和某些有機(jī)酸的作用使pH降低[23]，故研究區(qū)水稻根系土pH低于小麥及玉米根系土。pH降低，各種金屬化合物的溶解度增加，元素有效態(tài)含量同時(shí)增高。

研究區(qū)土壤酸堿度與P全量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)較小，其余元素與土壤酸堿度相關(guān)性較差；土壤酸堿度與Se、Fe、Mn、N、B等元素有效態(tài)含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，Se、Fe、Mn有效態(tài)與土壤酸堿度為中等相關(guān)水平,說(shuō)明隨著土壤酸堿度的增高，研究區(qū)Se、Fe、Mn有效態(tài)含量呈下降趨勢(shì)。

石嘴山市土壤鹽漬化嚴(yán)重，土壤水溶性鹽直接反映土壤的鹽漬化水平，研究區(qū)土壤水溶性鹽與Mo全量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其余元素與土壤水溶性鹽相關(guān)性較差；土壤水溶性鹽與Zn、Se、Fe、Mo、Mn、B等元素有效態(tài)含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，Zn有效態(tài)含量與土壤水溶性鹽為強(qiáng)相關(guān)水平(圖5)，Se、Fe有效態(tài)含量與土壤水溶性鹽為中等相關(guān)水平。

4 結(jié)論

石嘴山市土壤整體處于堿性強(qiáng)堿性環(huán)境，土壤養(yǎng)分高于銀川平原背景值，該地區(qū)B、Cu、Fe、K等元素有效態(tài)含量比例較高，有利于植物吸收。土壤元素有效態(tài)含量不僅與元素全量有關(guān)，還與種植農(nóng)作物、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤酸堿度及土壤水溶性鹽等存在一定的關(guān)系。

由于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間淹水，水稻根系土元素含量明顯不同于玉米、小麥根系土。水稻根系土B、Cu、Mn、Mo、N、P、Se、Zn、Fe、K、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)的含量明顯低于小麥和玉米根系土，水稻根系土相對(duì)貧瘠。通過(guò)分析元素有效態(tài)含量發(fā)現(xiàn)，水稻相對(duì)于玉米及小麥對(duì)土壤Fe、Cu、Mo、Mn的轉(zhuǎn)化吸收能力較強(qiáng)，玉米及小麥對(duì)土壤N、P、K的轉(zhuǎn)化吸收能力強(qiáng)于水稻。

研究區(qū)根系土有機(jī)質(zhì)含量與N、P、Se的含量呈極顯著強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系；Se、Fe、Mn等元素有效態(tài)與土壤酸堿度呈中等極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著土壤酸堿度的增高，研究區(qū)Se、Fe、Mn有效態(tài)含量呈下降趨勢(shì)；土壤水溶性鹽與Zn有效態(tài)含量呈強(qiáng)的極顯著正相關(guān)關(guān)系，Se、Fe有效態(tài)含量與土壤水溶性鹽為中等極顯著正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤水溶性鹽含量的增高，土壤Zn、Se、Fe的生物有效性明顯增大。