原平市玉米種植區(qū)土壤微量元素與有機質(zhì)和pH 的關系分析

陳 婷 ，李廷亮 ，2，3，張晉豐 ，劉 洋

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801；2.黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801）

土壤與農(nóng)業(yè)的關系至為密切，土壤肥力影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤有機質(zhì)是植物的養(yǎng)分來源和土壤微生物生命活動的能量來源，與土壤的發(fā)生演變、肥力水平和許多理化生物學屬性都有密切的關系，有機質(zhì)是土壤肥力的核心，有機質(zhì)含量的高低在某種程度上代表著土壤肥力水平［1］。土壤pH不僅能改變土壤溶液中H+濃度，還能影響土壤酶活性［2］，影響土壤養(yǎng)分的有效性。在不同的pH 條件下，植物營養(yǎng)元素存在形態(tài)及其有效性不同，影響微量元素的存在形態(tài)［3］，進而影響微量元素在土壤中的富集狀況。土壤微量元素含量可以影響到作物的生長發(fā)育及品質(zhì)，在植物體內(nèi)一般多為酶和輔酶維生素以及生長激素的組成成分，對植物干物質(zhì)積累起著至關重要的作用。盡管植物對微量元素的需求很小，但任何一種微量元素過量或缺乏都會影響作物的生長發(fā)育［4，5］，如缺鋅使某些組織中酶活性降低，從而導致光合作用、糖的合成、生長素水平降低，生物膜的滲透性增加，從而影響植物生長發(fā)育［6］。有研究表明，成土母質(zhì)是土壤中微量元素的主要來源，是決定土壤微量元素含量與分布格局的最主要因素，但在某一區(qū)域范圍內(nèi)，相同母質(zhì)上發(fā)育的土壤微量元素含量與土壤pH、有機質(zhì)等性質(zhì)密切相關［7］。學者們對土壤微量元素的研究較多，杜娟等［8］研究了山西省堯都區(qū)當?shù)馗麑油寥牢⒘吭赜行B(tài)銅、鋅、鐵、錳含量的空間變異特征和豐缺狀況，結(jié)果表明，當?shù)?8.8%的土樣缺乏有效鐵，有效錳和有效鋅分別有19.2%和0.8%的樣品處于臨界值以下。洪松等［9］研究了湖北省黃棕壤的微量元素硼、錳、鐵、銅、鋅和鉬的總含量、有效態(tài)含量以及它們在土壤剖面中的遷移分布等環(huán)境地球化學特征及其影響因素，結(jié)果表明湖北省黃棕壤硼、錳、鐵、銅的總含量較豐富，鋅的總含量中等，鉬的總含量缺乏，硼、銅、鋅、鉬的有效態(tài)含量較缺。穆桂珍等［10］研究了廣東省揭西縣土壤中微量元素全量銅、鋅、錳、鉬、硼和硒含量以及有機質(zhì)和pH 對土壤中微量元素全量的影響，結(jié)果表明廣東省鋅、錳和硒的平均值高于背景值，銅、鉬和硼的平均值低于廣東省背景值。鄧邦良等［11］分析了武功山山地草甸土壤有效態(tài)微量元素鐵、錳、鋅、銅與有機質(zhì)和pH 的相關性。結(jié)果表明當?shù)赝寥烙行B(tài)微量元素鐵、錳、鋅的含量隨有機質(zhì)的增加而顯著增加。隨著土壤pH 的增大，土壤有效態(tài)微量元素鐵的含量顯著降低，土壤有效態(tài)微量元素錳、鋅的含量顯著增加。

山西省的玉米種植由來已久，由于自然條件優(yōu)越，玉米的產(chǎn)量較高，約占全省糧食產(chǎn)量的2/3［12］。原平市位于山西省北中部，據(jù)2020 年山西統(tǒng)計年鑒，2019 年原平市種植玉米面積42 449 hm2，是忻州市玉米種植面積最大的縣（市）［13］。土壤的肥力和生產(chǎn)力至關重要，有關原平市玉米耕層土壤中微量元素的研究鮮有報道。本研究以原平市為研究區(qū)，對土壤中7 種微量元素的含量及pH、有機質(zhì)進行測定，并分析了原平市土壤中微量元素全量與有機質(zhì)和pH 的關系，探索有機質(zhì)和pH 對微量元素的影響，為提高原平市土壤生產(chǎn)力、提升玉米種植科學合理施肥水平提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

山西省原平市地處山西省北中部，全市國土面積2 571 km2。境內(nèi)東西高，以丘陵、山地為主，中部由滹沱河橫貫全市沖擊形成盆地，屬于溫帶季風性氣候。地跨東經(jīng) 112°17′—113°35′，北緯 38°35′—39°09′，因地勢起伏顯著，境內(nèi)各地氣候差異甚大，一般年均氣溫8 ℃左右，1 月-9 ℃，7 月23 ℃。年降雨量500 mm 左右，霜凍期為10 月上旬至次年4 月中旬，無霜期160 d。原平市的海拔在800～2 400 m，耕地面積所占比重較大，中部地勢平坦，有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，耕地土壤主要為褐土類型。

1.2 樣品采集及處理

為避免季節(jié)性施肥對土壤養(yǎng)分的影響，本研究于2019 年10—11 月在玉米收獲后進行采樣。結(jié)合地形、土壤類型和玉米種植分布情況，將采樣地點精確到每個縣的行政村，并記錄經(jīng)緯度，采樣點分布見圖1。采用五點法或“S”形法，用土鉆采集0～20 cm耕層混合樣品，樣品經(jīng)四分法處理后留取1 kg 帶回實驗室，共采104 個土樣。將采集到的土壤樣品去除植物根系、有機殘渣以及可見侵入體，自然風干后研磨過1 mm 尼龍網(wǎng)篩，用于測定土壤pH；再細磨過0.149 mm 尼龍網(wǎng)篩，用以測定土壤有機質(zhì)、微量元素全量含量。

圖1 原平市玉米種植區(qū)耕層土壤采樣點分布

1.3 測定項目及方法

土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法外加熱法測定；pH 采用電位法（水土比為 2.5∶1.0）測定［14］。土壤全硒含量測定采用HNO3-HClO4高溫消解HGAFS 法（氫化物發(fā)生-原子熒光法）；土壤全量銅、鋅、鐵、錳、鎳、鈣含量采用HNO3-HF 高溫消解ICP-MS法（電感耦合等離子體發(fā)射光譜法）測定［15-17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010 軟件整理、繪圖，用IBM SPSS Statistics25 軟件對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計和Pearson 相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 原平市土壤中微量元素含量

表1 為原平市土壤中全量微量元素、有機質(zhì)和pH 描述性統(tǒng)計情況。由表1 可知，原平市土壤pH為7.50～8.66，平均值為8.08；土壤中有機質(zhì)含量為4.10～53.98 g/kg，平均值為 17.29 g/kg。根據(jù)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分含量分級標準［18］，土壤有機質(zhì)含量分為6級：一級＞40 g/kg、二級30～40 g/kg、三級20～30 g/kg、四級10～20 g/kg、五級6～10 g/kg、六級＜6 g/kg。原平市土壤有機質(zhì)含量小于10 g/kg 的土樣占16.35%，10～20 g/kg 的土樣占 57.69%，20～30 g/kg 的土樣占16.34%，大于30 g/kg 的土樣占9.62%，可知原平市土壤中有機質(zhì)含量總體處于中等偏低水平。土壤中微量元素銅、鋅、鎳、鐵、錳、硒和鈣含量平均值 分 別 為 20.61 mg/kg、68.47 mg/kg、33.30 mg/kg、2.92%、578.13 mg/kg、0.28 mg/kg 和 4.07%。其中，鋅、鎳、錳、硒的平均含量高于背景值，分別是對應背景值的 1.03、1.06、1.06、1.56 倍，而銅、鐵、鈣的平均含量低于山西省對應元素土壤背景值。從變異系數(shù)來看，原平市玉米種植區(qū)pH、有機質(zhì)及土壤全量微量元素含量變異系數(shù)均屬于中等變異程度［19］。7 種微量元素變異程度從大到小依次為硒、鈣、銅、鋅、鎳、鐵、錳。

表1 原平市土壤微量元素、有機質(zhì)和pH 描述性統(tǒng)計

2.2 土壤中微量元素與pH 的一元線性關系分析

圖2 為土壤微量元素全量與pH 的一元線性相關分析。由圖2 可看出，原平市玉米種植區(qū)土壤中的微量元素含量除鈣元素以外均隨pH 的升高而下降。其中鎳和錳與pH 呈負相關關系，但相關性不顯著，銅、鋅、硒含量與pH 呈極顯著（P＜0.01）負相關關系，對應的相關系數(shù)分別為-0.255、-0.334、-0.364，鐵含量與pH 呈顯著（P＜0.05）負相關關系，相關系數(shù)為-0.205。土壤中鈣含量隨pH 升高而增加，并為極顯著水平（P＜0.01），相關系數(shù)為0.379。由此可見，原平市玉米種植區(qū)土壤中微量元素除鎳和錳與pH相關性不顯著以外，其余微量元素與pH 均呈顯著或極顯著相關關系。

圖2 土壤微量元素全量與pH 的關系

2.3 土壤中微量元素與有機質(zhì)的一元線性關系分析

圖3 為土壤中微量元素與有機質(zhì)的一元線性關系分析。由圖3 可看出，原平市土壤中微量元素除鈣元素以外均與土壤有機質(zhì)含量呈正相關關系。其中，鋅與有機質(zhì)呈極顯著（P＜0.01）正相關關系，相關系數(shù)為0.389；銅、硒與有機質(zhì)呈顯著（P＜0.05）正相關關系，相關系數(shù)分別為0.201、0.251，鈣則與有機質(zhì)呈極顯著（P＜0.01）負相關關系，相關系數(shù)為-0.263。鎳、錳和鐵與有機質(zhì)含量呈正相關關系但相關性不顯著。綜上可知，原平市玉米種植區(qū)土壤中微量元素除鎳、錳和鐵與有機質(zhì)相關性不顯著以外，其余微量元素均與有機質(zhì)呈顯著或極顯著相關關系。

圖3 土壤微量元素全量與有機質(zhì)的關系

2.4 土壤中微量元素之間的相關性分析

表2 為土壤中微量元素之間的相關性分析。由表2 可知，土壤中鈣元素與各微量元素均呈負相關關系，其余各微量元素兩兩之間均呈正相關關系。其中，銅與鋅、鎳、鐵、錳均呈極顯著（P＜0.01）正相關關系，相關系數(shù)分別為 0.71、0.87、0.84、0.74，與硒呈正相關關系但其相關性不顯著；鋅與鎳、鐵、錳、硒均呈極顯著（P＜0.01）正相關關系，相關系數(shù)分別為0.57、0.62、0.59、0.30；鎳與鐵、錳均呈極顯著（P＜0.01）正相關關系，相關系數(shù)分別為0.83、0.68，與硒呈正相關但其相關性不顯著；鐵與錳呈極顯著（P＜0.01）正相關關系，與硒呈顯著（P＜0.05）正相關關系，相關系數(shù)分別為0.82、0.19；錳與硒之間呈正相關但相關性不顯著。鈣與其余全量元素均呈負相關關系，其中，鈣與銅、鋅、鐵呈極顯著（P＜0.01）負相關關系，相關系數(shù)分別為-0.25、-0.30、-0.33，與硒呈顯著（P＜0.05）負相關關系，相關系數(shù)為-0.20，與鎳、錳相關性不顯著。

表2 土壤中微量元素之間的相關性分析（n=104）

3 討論

3.1 原平市玉米種植區(qū)土壤pH、有機質(zhì)及全量微量元素含量

土壤pH 為土壤重要的理化性質(zhì)之一，反映土壤的酸堿平衡體系，是土壤養(yǎng)分循環(huán)的一個主控因子［20］。本研究對原平市玉米種植區(qū)土壤有代表性批量采樣測定后得出，土壤pH 在7.50～8.66，均值為8.08，說明該玉米種植區(qū)土壤為中性到弱堿性，較適宜玉米的生長發(fā)育。土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要衡量指標。研究結(jié)果表明原平市玉米種植區(qū)有機質(zhì)平均含量為17.29 g/kg，主要集中在10～20 g/kg，占比為57.69%，表明原平市玉米種植區(qū)土壤有機質(zhì)含量總體處于中等偏低水平，但較第二次土壤普查山西省耕層土壤有機質(zhì)平均值提高了61.6%。土壤微量元素對作物生長發(fā)育有重要意義，微量元素對作物的作用具有兩面性，其缺乏或者過量均會影響作物正常生長［21，22］。研究結(jié)果表明，原平市土壤微量元素鋅、鎳、錳和硒的含量均值高于山西省背景值，原因可能是原平市玉米種植區(qū)經(jīng)過多年連續(xù)耕作與肥料的施入，導致土壤中微量元素含量有不同程度的提高；同時，有機肥（或復合肥）的施用對土壤微量元素含量的增加有顯著效果［23］，有機肥含有大量的微量元素，比如銅、鋅等，因而可增加土壤中微量元素。

3.2 pH、有機質(zhì)與微量元素及微量元素間相關性分析

土壤中H+含量增加或減少是pH 變化的主要體現(xiàn)，土壤中微量元素的活性隨H+含量的增減發(fā)生變化，改變了微量元素在土壤中的存在形態(tài)，進而影響了土壤中植物吸收微量元素的情況［24］。本研究表明，原平市玉米種植區(qū)土壤pH 與除鈣之外的其他微量元素均呈顯著負相關關系，其中與銅、鋅、硒呈極顯著負相關關系。金媛等［25］對陜南茶園進行土壤pH 與微量元素相關性研究得出，土壤有效鐵、有效錳、有效鋅、有效銅含量與土壤pH 呈負相關關系。穆桂珍等［10］對廣東省揭西縣土壤微量元素與pH 相關性分析也得出硒與pH 呈顯著負相關，與本研究結(jié)果一致。本研究土壤中鈣含量與pH 呈正相關關系。陳菁等［26］研究表明pH 與鈣元素間呈極顯著正相關關系，鈣含量隨著pH 的增大在土壤中累積量增大，與本研究結(jié)果一致。

土壤中有機質(zhì)含量的高低影響著土壤對微量元素的吸附能力，通過降低微量元素的活性［27］，吸附、沉淀或絡合土壤中的微量元素進而影響它們在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化能力［28-30］。本研究表明，鋅與有機質(zhì)呈極顯著正相關關系，相關系數(shù)為0.389；銅、硒與有機質(zhì)呈顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.201、0.251，與穆桂珍等［10］的研究結(jié)果一致。鈣與有機質(zhì)呈極顯著負相關關系，其原因可能是受pH 等因素的影響，土壤中鈣與有機質(zhì)存負相關關系。

土壤中銅與鋅、鎳、鐵、錳均呈極顯著正相關，鋅與鎳、鐵、錳、硒均呈極顯著正相關。鎳與鐵、錳均呈極顯著正相關，鐵與錳呈極顯著正相關，與硒呈顯著性正相關。由此可見，鋅、鎳、鐵、錳4 種元素間兩兩相關性極顯著，其原因可能是鐵、鎳均屬于鐵族元素，它們具有相似的原子結(jié)構(gòu)，在自然界中有相近的存在形式和遷移、沉淀的物理化學條件，并且元素錳與鐵族元素性質(zhì)非常接近，所以具有較高的相關性［31］。同時，土壤中銅與鋅、鎳、鐵、錳均呈極顯著正相關，與硒相關性不顯著，說明在研究區(qū)內(nèi)土壤中銅與鋅、鎳、鐵、錳可能具有相似的來源，而硒的來源與其他元素不同。硒與鐵顯著正相關，可能是由于鐵氧化物對硒具有強的吸附能力，且強于黏土礦物，因此硒與鐵相關性顯著［32］，該結(jié)果與林乃武等［33］研究結(jié)果一致。土壤中全量鈣與其他全量元素均呈負相關關系，其中，鈣與銅、鋅、鐵呈極顯著負相關，與硒呈顯著負相關。其原因可能與土壤pH 有關，土壤中鈣含量隨pH 的升高而增加，其他微量元素含量則隨pH 上升而下降。相關性分析表明由于不同元素具有的地球化學性質(zhì)不同，微量元素間既有相互促進的關系，也有拮抗的關系。

4 小結(jié)

本研究分析了原平市玉米種植區(qū)土壤中微量元素與有機質(zhì)和pH 的關系。結(jié)果表明，原平市土壤中有機質(zhì)的平均值為17.29 g/kg，pH 的平均值為8.06，銅、鋅、鎳、鐵、錳、硒和鈣含量的平均值分別為20.61 mg/kg、68.47 mg/kg、33.30 mg/kg、2.92%、578.13 mg/kg、0.28 mg/kg 和 4.07%，其中鋅、鎳、錳和硒含量的平均值高于山西省背景值，銅、鐵和鈣含量的平均值低于山西省對應元素土壤背景值。隨著pH 增大，土壤中銅、鋅、鎳、鐵、錳和硒的含量隨之下降，鈣含量增加；隨著土壤中有機質(zhì)的積累，銅、鋅、鎳、鐵、錳和硒的含量增加，但鈣含量減少。土壤中微量元素之間既有共生的關系，也有互相拮抗的關系。因此，調(diào)節(jié)土壤中有機質(zhì)含量和pH，并結(jié)合微量元素間的作用機制，可以有效改變土壤中微量元素的含量，進而改善土壤的生產(chǎn)力和肥力，提高作物生產(chǎn)水平。