浙江省濱海平原土壤中微量元素隨利用時間的演變研究

張 劍，章明奎，謝國雄

（1溫州市植物保護與土壤肥料管理站，浙江 溫州 325600；2浙江大學環(huán)境與資源學院，杭州 310058；3杭州市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，杭州 310020）

0 引言

植物生長必需的微量元素主要包括銅、鋅、鐵、錳、鉬和硼等元素。雖然植物對其的吸收量很少，但它在植物生長發(fā)育和品質(zhì)構成中起著重要的作用[1-4]。一般來說，土壤中的微量元素主要來源于成土母質(zhì)，但其他成土因素（包括人為對土壤的利用方式和管理方式）都可對其產(chǎn)生影響[5-9]。因此，在土壤形成過程和土地利用過程中，土壤中的微量元素可隨時間發(fā)生變化。土壤中的大部分微量元素并不能被植物吸收利用，只有小部分活性較高的微量元素（常稱為有效態(tài)微量元素）才能被植物利用。影響土壤中的微量元素含量除其全量外，還包括土壤酸堿度（影響元素的溶解性）、氧化還原條件（改變元素存在的化學形態(tài)）、質(zhì)地和有機質(zhì)（影響元素的吸附固定）等[10-12]，這些因素既與土壤形成過程有關，也受農(nóng)業(yè)活動的影響[13-15]。中國自20世紀60年代以來，對不同類型土壤微量元素含量及有效態(tài)微量元素的影響因素作了較為廣泛的研究[16-20]，初步明確了土壤微量元素的區(qū)域分異規(guī)律[18,21-23]，研究成果在指導微量元素肥料的推廣應用中起著重要的作用[24-26]。許多研究表明，長期施用有機肥可提高土壤微量元素水平，避免作物產(chǎn)生微量元素缺乏癥[27-29]；相反，若長期施用化肥可導致某些微量元素的缺乏[29-31]，例如土壤缺硼導致油菜、桔子“花而不實”。

中國東部分布著由淺海沉積物形成的土壤，這些土壤是不同時代圍墾形成的，由于成土時間相對較短，這些土壤隨圍墾時間的變化較為明顯[32-34]，其中脫鈣、脫鹽和有機質(zhì)積累是這一地區(qū)土壤的主要形成過程，其結果是土壤酸度增加、有機質(zhì)積累和肥力提高[35-37]。為了了解這些變化對土壤微量元素的影響，本研究以浙東濱海平原為例，采樣探討了濱海平原土壤中微量元素隨利用時間的演變規(guī)律。

1 材料與方法

根據(jù)浙江省濱海平原沉積物北砂南粘的分布特點[38]，研究于2018年分別在浙北杭州灣（包括蕭山、紹興、上虞、慈溪）和浙南（平陽、瑞安、溫嶺）采集了不同時間圍墾的濱海平原土壤。采集的土壤樣品分2類，一類為耕作層樣品，浙北和浙南的圍墾時間段數(shù)分別為8和6個，采樣深度為0～15 cm，每一圍墾時間段采樣數(shù)分別為4～5個；另一類為剖面分層土樣，浙北和浙南的剖面數(shù)分別各為3個，分層深度分別為0～15、15～30、30～45、45～60、60～90 cm。根據(jù)海涂圍墾時間，浙北樣區(qū)采集樣品的土壤形成時間分別為0、15、35、40、55、80、100、200年，浙南樣區(qū)采集樣品的土壤形成時間分別為0、10、30、50、120、550年。研究區(qū)圍墾時間30年之內(nèi)的土地利用方式主要為旱作，時間較長的主要種植水稻。土壤經(jīng)室溫風干后，過2 mm土篩，部分樣品進一步研磨過0.125 mm土篩，用于分析。

土壤基本性狀和微量元素全量按常規(guī)分析方法測定[39]。土壤有效銅、鋅、鐵、錳用DTPA提取-原子吸收法測定[40]；有效鉬用草酸-草酸銨提取-極譜法測定；土壤有效硼采用沸水提取，姜黃素比色法測定[40]。

2 結果與分析

2.1 表土pH和有機質(zhì)隨圍墾時間的變化

表1結果表明，隨著圍墾時間的增加，浙北和浙南二地的土壤pH均呈現(xiàn)下降趨勢，土壤的pH由初期的微堿性逐漸轉變?yōu)橹行?；與此同時，土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)明顯的積累，在浙北區(qū)至圍墾200年時土壤有機質(zhì)含量約為初期的3.4倍；在浙南區(qū)至圍墾時間為550年時土壤有機質(zhì)含量約為初期的3.2倍。

表1 土壤中微量元素全量的變化

2.2 圍墾時間對表層土壤微量元素全量的影響

表1可知，隨著圍墾時間的增加土壤中微量元素全量發(fā)生了明顯的變化，但變化方式因微量元素種類不同有所差別。對于土壤中Cu和Zn而言，在圍墾時間55年內(nèi)，其含量變化不大；但當圍墾時間超過100年后，它們呈現(xiàn)增加的趨勢；在浙北區(qū)至圍墾時間200年時，土壤Cu和Zn含量分別比初期增加了27%和7%；在浙南區(qū)至圍墾時間550年時，土壤Cu和Zn含量分別比初期增加了10%和23%。土壤中Fe和Mn隨圍墾時間呈現(xiàn)下降的趨勢，但在圍墾的前80年內(nèi)下降不明顯，至圍墾時間100年后，F(xiàn)e和Mn呈現(xiàn)明顯的下降。土壤中B和Mo總體上也呈現(xiàn)下降趨勢，它們的變化主要出現(xiàn)在圍墾時間30～40年后。在浙北區(qū)至圍墾時間200年時，土壤Fe、Mn、B和Mo含量分別比初期下降了20%、16%、27%和6%；在浙南區(qū)至圍墾時間550年時，土壤Fe、Mn、B和Mo含量分別比初期下降了17%、14%、19%和7%。

2.3 圍墾時間對有效態(tài)微量元素含量的影響

土壤有效態(tài)微量元素含量隨時間的變化與其全量有所差別（表2）。其中，Cu、Zn、Fe和Mn有效態(tài)含量在圍墾時間10～15年后就呈現(xiàn)出明顯的增加，增幅隨時間增加。在浙北區(qū)至圍墾時間200年時，土壤Cu、Zn、Fe和Mn有效態(tài)含量分別約為初期的8.09、4.21、5.87、16.84倍；在浙南區(qū)至圍墾時間550年時，土壤Cu、Zn、Fe和Mn有效態(tài)含量分別約為初期的5.80、7.59、6.09、10.29倍。以有效態(tài)Mn的增幅最為明顯。土壤有效態(tài)B和Mo含量的變化與有效態(tài)Cu、Zn、Fe和Mn含量的變化相反，呈現(xiàn)出下降的趨勢，其變化在19～15年后已顯現(xiàn)，在浙北區(qū)至圍墾時間200年時，土壤有效態(tài)B和Mo含量僅約為初期的20%和74%；在浙南區(qū)至圍墾時間550年時，土壤有效態(tài)B和Mo含量僅約為初期的27%和87%；有效態(tài)B的下降明顯大于Mo。

表2 土壤中有效態(tài)微量元素含量的變化

2.4 圍墾時間對微量元素的剖面垂直分布的影響

隨著圍墾利用時間的增加，土壤基本性狀和微量元素含量在剖面中的分布也發(fā)生了明顯的變化（表3）。其中，土壤pH呈現(xiàn)明顯的下降，由于深層土壤的pH變化較小，因此隨著圍墾時間的增加剖面上下層間土壤pH差異逐漸增大。隨著圍墾利用時間的增加，表層土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)明顯的積累，上下層土壤間有機質(zhì)含量差異逐漸增大，同時有機質(zhì)積累逐漸向深層土壤發(fā)展。在圍墾初期，多數(shù)微量元素含量一般是隨剖面深度增加而下降，但上下土層間的差異不大；但隨著圍墾利用時間的增加，表層土壤Cu和Zn含量趨向增加，因此剖面上下之間Cu和Zn含量之間的差距逐漸增大，則Fe、Mn和B含量隨圍墾利用時間的增加呈現(xiàn)相反的趨勢，呈現(xiàn)出向中下部集中、上層下降的變化。剖面中Mo含量垂直分布隨圍墾利用時間的變化影響相對較小，但總體上，隨著時間的增加，逐漸顯現(xiàn)出上高下低的剖面分布規(guī)律。

表3 土壤剖面中微量元素含量的分布的變化

3 結論

研究結果表明，濱海平原圍墾后由于土壤性狀的變化及利用方式的改變，土壤中的微量元素可隨利用時間發(fā)生明顯的變化，主要表現(xiàn)為隨著圍墾利用時間的增加，土壤中銅、鋅含量呈現(xiàn)增加，而鐵、錳、硼、鉬含量呈現(xiàn)下降；有效態(tài)銅、鋅、鐵、錳都呈現(xiàn)明顯的增加，而有效態(tài)硼、鉬含量呈現(xiàn)明顯的下降；由于表層土壤微量元素的變化及部分微量元素發(fā)生垂直遷移，圍墾時間的增長也增加了上下層土壤之間微量元素含量的差異，表現(xiàn)為剖面由上至下銅、鋅和鉬含量呈現(xiàn)下降，而鐵、錳和硼呈現(xiàn)出向中下層增加的變化。研究認為，在圍墾初期，濱海平原土壤微量元素較為充足，一般不用施用微肥；但隨著圍墾時間的增加，有效硼和鉬逐漸下降，應在施用其他肥料的同時，配合施用硼肥和鉬肥，以滿足作物生長的需要。

4 討論

土壤中的微量元素主要來源于成土母質(zhì)，但人為活動和土壤性狀的變化可改變微量元素的平衡，從而影響土壤中微量元素的含量。上文結果可知，隨著圍墾利用時間的增加，土壤中銅、鋅含量呈現(xiàn)增加，而鐵、錳、硼含量呈現(xiàn)下降，土壤剖面由上至下銅和鋅含量呈現(xiàn)下降，而鐵、錳和硼呈現(xiàn)出向中下層增加。一般來說，海水中含有較高含量的硼[41]，相應地受海水浸泡的海相沉積物（即土壤形成的初期）中也含有較高含量的硼[42]，但由于硼較溶于水[43]，海涂圍墾后土壤脫離了海水的影響后，其中的硼因受淋溶作用逐漸下降，因此，隨著圍墾時間的增加，土壤中硼將逐漸下降，在土壤剖面中呈現(xiàn)上低下高的特征。而土壤中鐵和錳的下降可能與利用方式改變有關，浙江沿海土壤的利用方式常常隨圍墾時間發(fā)生變化，在圍墾初期主要用于旱作，隨后逐漸改變利用方式種植水稻。種植水稻后，由于長期淹水種植，使耕層土壤產(chǎn)生還原條件，大大促進了變價元素鐵和錳的還原，導致耕層中鐵和錳活性急劇增加，促進鐵和錳向下遷移，從而導致耕層鐵和錳含量的下降，而剖面中下層鐵和錳因淀積呈現(xiàn)增加的趨勢。隨著耕作時間的增加，表層土壤中銅、鋅含量呈現(xiàn)增加可能與長期農(nóng)用的施肥有關，特別是施用有機肥，這是因為有機肥料中含有較高含量的銅和鋅[44-45]，有機肥料的施用可增加表層土壤中銅和鋅的積累，而因銅和鋅在土壤剖面中垂直遷移有限，向下淋失不明顯，因此，銅和鋅呈現(xiàn)表聚特征，土壤剖面由上至下銅和鋅含量呈現(xiàn)下降。

影響土壤微量元素有效性的因素有土壤酸堿度、土壤的氧化還原條件和固定作用等[10-11]。濱海平原成土時間相對較短，礦物質(zhì)改變不明顯，因此土壤礦物質(zhì)對重金屬的固定作用隨時間的變化較小。土壤的酸堿條件可直接影響微量元素的溶解性及有效性，鐵、錳、鋅、銅等溶解度隨土壤pH下降而增加，因此，隨著圍墾時間的增加，土壤pH下降，它們的有效性隨之提高。硼的有效性與土壤pH也是密切相關，在酸性條件下主要以H3BO3形態(tài)存在于土壤溶液中，容易隨土壤溶液發(fā)生遷移，因此隨著圍墾時間的增加，因硼流失增強，其有效性逐漸下降。而鉬因在酸性條件下容易產(chǎn)生沉淀，土壤中鉬的有效性也會隨圍墾時間的增加逐年降低?？梢?，圍墾利用時間對微量元素的影響主要與土壤基本性狀發(fā)生變化、長期種植水稻發(fā)生淋溶作用等綜合作用的結果。

從以上濱海平原微量元素的變化特征可知，在圍墾初期，濱海平原土壤微量元素較為充足，一般不用施用微肥；但隨著圍墾時間的增加，有效硼和鉬逐漸下降，應在施用其他肥料的同時，配合施用硼肥和鉬肥，以滿足作物生長的需要。微肥的施用可采用土施法作基肥、種肥或追肥施入土壤，通常采用條施或穴施。也可采用植物體施肥法，包括拌種、浸種、蘸根、根外噴施等。