土壤有效態(tài)微量營養(yǎng)元素空間變異特征及對(duì)稻米品質(zhì)的影響

江勝國，詹華明*，劉廣明，盧東琪，鄭愛軍，王志剛，王西玉

（1．天津市地質(zhì)研究和海洋地質(zhì)中心，天津 300170；2．天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300061；3．中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008）

土壤微量營養(yǎng)元素通常指有益于作物生長且需要量微小的元素，主要來源于土壤礦物質(zhì)，以活動(dòng)態(tài)形式賦存，是鑒定土壤質(zhì)量的重要因子［1-2］。掌握稻田土壤微量營養(yǎng)元素有效態(tài)的空間變異特征和分布規(guī)律，研究其與稻谷品質(zhì)之間的相關(guān)性，對(duì)指導(dǎo)微肥合理配施和實(shí)現(xiàn)稻米提質(zhì)增產(chǎn)意義重大［3-4］。土壤是非均一性的連續(xù)體，屬性隨空間位置變化而發(fā)生變異，對(duì)其空間變異特性的研究難以定量化，隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，這一難題逐漸得到解決。20世紀(jì)90年代，我國把地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用到土壤領(lǐng)域，取得較多成果［5］。張朝生等［6］認(rèn)為天津平原區(qū)土壤微量元素含量的空間變異具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，且具有不同程度的空間自相關(guān)性；徐尚平等［7］認(rèn)為天津土壤中微量元素含量主要受成土母質(zhì)的影響，空間縱向分異不明顯。很多學(xué)者針對(duì)不同的土地利用方式也開展了較多土壤微量元素空間分布規(guī)律及主要影響因素分析的研究工作［8-10］。但前人針對(duì)稻田土壤微量營養(yǎng)元素的空間特征研究較少，且未結(jié)合稻米品質(zhì)進(jìn)行分析，特別是對(duì)天津稻田土壤微量元素空間變異性的研究還未見報(bào)道。因此，本次研究運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合GIS軟件，把復(fù)雜的空間變異特性定量化，系統(tǒng)探討了天津小站稻種植區(qū)土壤6種微量營養(yǎng)元素的空間變異特征和分布規(guī)律，并結(jié)合稻米品質(zhì)進(jìn)行了討論。

1 材料與方法

研究區(qū)位于天津?qū)氎鎱^(qū)東南部，小站稻產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃區(qū)內(nèi)（圖1），坐標(biāo)為：117°46′～117°59′ E、39°41′～39°53′ N（圖1），面積約160 km2，主要包括黃莊鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域，屬于河流沖積型和濱海型平原地貌，地勢(shì)比較平坦，地形趨勢(shì)為北高南低，高程2～7 m（大沽高程）。全區(qū)屬溫帶濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，全年光、熱、水資源豐富，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2566.5 h，太陽總輻射量502.9 kJ，年平均氣溫11.3 ℃，年平均降水量492.2 mm，無霜期平均194 d。全年大于0℃積溫4507.9 ℃，大于10 ℃積溫4116.3 ℃，熱量條件有利于喜溫作物水稻的生長。區(qū)內(nèi)水稻為一年一熟，種植歷史較長，土地利用程度高。土壤類型多為鹽化潮土，質(zhì)地粘重，為中-重壤質(zhì)，適合水稻生長。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布圖

1.1 樣品采集與制備

共采集40個(gè)樣品（n=40），采集層位為耕作層，采集深度為20 cm。區(qū)內(nèi)每4 km2設(shè)1個(gè)采樣區(qū)，每個(gè)采樣區(qū)內(nèi)選定1個(gè)代表性點(diǎn)位，然后以代表性點(diǎn)位為中心等距（200 m）選定4個(gè)點(diǎn)位，采用“梅花采樣法”多點(diǎn)取樣，最后組合成一個(gè)樣品，樣品原始重量大于1000 g。把采集的土樣放置于陰涼通風(fēng)處，干燥后敲碎成小塊，挑揀出雜質(zhì)，然后研碎過0.85 mm篩，裝入樣袋貼好標(biāo)簽，待測(cè)。水稻成熟后，選取采樣區(qū)代表性地塊采集水稻樣品，品種主要為津原U89，設(shè)置重復(fù)樣，樣品自然風(fēng)干，水分降至15%，送至農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行品質(zhì)分析。

1.2 分析測(cè)定方法

共測(cè)定6個(gè)微量營養(yǎng)元素指標(biāo)（Cu、Mn、B、Mo、Ni和S，全量和有效量），5個(gè)稻米品質(zhì)指標(biāo)（透明度、整精米率、膠稠度、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)）。全Cu、全Mo和全Ni采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定；全Mn采用X-射線熒光光譜法測(cè)定；全B采用交流電弧-發(fā)射光譜法測(cè)定；全S采用EDTA間接滴定法測(cè)定。有效Cu、Mn和Ni采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定；有效Mo采用Tammi試劑提取-等離子體質(zhì)譜法測(cè)定；有效B采用沸水提取-等離子體光譜法測(cè)定；有效S采用酸性溶液浸提-硫酸鋇比濁法測(cè)定。pH值用水浸提樣品，采

用電位法測(cè)定。稻谷樣品采用韓國制造的SY-88-TH型礱谷機(jī)脫穎殼，用日本制造的CBS300AS型精米機(jī)碾成精米，精糙比控制在90%；稻米外觀指標(biāo)采用日本生產(chǎn)的RJQI20型顆粒評(píng)定儀測(cè)定；稻米成分采用日本生產(chǎn)的RLTA1082-K型食味分析計(jì)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性研究以及正態(tài)分布檢驗(yàn)；應(yīng)用GS+9.0進(jìn)行微量營養(yǎng)元素有效態(tài)的半方差函數(shù)及擬合參數(shù)的分析；應(yīng)用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的克里格插值法進(jìn)行空間分布規(guī)律的研究。

1.3.1 地統(tǒng)計(jì)分析

本次選取6種微量營養(yǎng)元素，運(yùn)用半方差變異函數(shù)方法進(jìn)行空間變異特性的研究。該方法首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析，選取適合的半方差函數(shù)模型，再運(yùn)用克里格法進(jìn)行空間插值。半方差函數(shù)主要的屬性模型包括：球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型和線狀模型，表1為模型中的主要參數(shù)及反應(yīng)的信息情況［11］。克里格插值法是在對(duì)土壤原始數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合半方差函數(shù)分析對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理的方法之一。該方法可以對(duì)研究區(qū)內(nèi)未調(diào)查取樣部位的土壤信息進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)［10］，并可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)信息向面信息的轉(zhuǎn)化，更直觀地呈現(xiàn)出元素的空間分布規(guī)律。

表1 半方差函數(shù)模型主要參數(shù)及反映的信息情況

1.3.2 稻米品質(zhì)分析

本次選取透明度、整精米率、膠稠度、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)5個(gè)指標(biāo)（表2），應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行微量營養(yǎng)元素Cu、Mn、B、Mo、Ni和S有效態(tài)與稻米品質(zhì)的相關(guān)性研究。分析認(rèn)為，區(qū)內(nèi)稻米透明度和整精米率達(dá)到了我國農(nóng)業(yè)行業(yè)食用稻品種品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 593-2013）所規(guī)定的一等級(jí)，而膠稠度和直鏈淀粉（干基）為二等級(jí)。蛋白質(zhì)含量較高，均值為7.56%，有相關(guān)研究認(rèn)為蛋白質(zhì)含量在6%～7%質(zhì)量最優(yōu)［12］。

表2 主要稻米指標(biāo)值的描述性統(tǒng)計(jì)特征

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微量營養(yǎng)元素有效態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過文獻(xiàn)檢索，整理了土壤中S、Mn、B、Cu、Mo和Ni有效態(tài)含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［13-17］（表3）。對(duì)比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果（表4），可知研究區(qū)有效S、Mn和B含量極為豐富，有效Cu和Ni含量較高，有效Mo含量中等水平。有效S含量均值210.10 mg/kg，處于極高水平，遠(yuǎn)超出全國最高均值（25 mg/kg），這與研究區(qū)特殊的硫酸鹽-氯化物鹽漬土類型有關(guān)；有效Mn含量均值41.73 mg/kg，處于極高水平；有效B含量均值2.29 mg/kg，處于極高水平；有效Cu含量均值5.68 mg/kg，處于高水平；有效Mo含量均值0.20 mg/kg，處于中等水平；有效Ni含量均值0.55 mg/kg，處于高水平。從變異系數(shù)角度分析，有效S、Mn和Mo的變異程度較高，有效B、Cu和Ni的變異程度較低，說明有效S、Mn和Mo的含量分布不均，具有相對(duì)較高的空間異質(zhì)性。

表3 土壤有效態(tài)微量元素含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) （mg/kg）

表4 研究區(qū)6種土壤有效態(tài)微量元素含量統(tǒng)計(jì)特征

2.2 空間變異性研究

元素?cái)?shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)只能概略說明含量的整體變化趨勢(shì)，不能具體表明空間變異的結(jié)構(gòu)特征、分布規(guī)律及相關(guān)性、獨(dú)立性、隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性等［9］，因此需要應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)一步研究。

2.2.1 空間結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)半方差函數(shù)分析的結(jié)果（表5，圖2），選取了擬合效果最好的模型參數(shù)（R2接近于1，RSS最小）。結(jié)果顯示，有效S和Cu擬合效果最好的模型為指數(shù)模型，有效Mn、B和Ni為高斯模型，有效Mo為球狀模型。從塊金值分析，有效Mo和Ni主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，而有效B和Cu的變異在一定程度上還受隨機(jī)性因素的影響。有效S和Mn的基臺(tái)值較高，說明兩種元素的總變異程度高。6種元素的塊基比都＜25%，說明樣本間的變異總體主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，空間自相關(guān)性強(qiáng)烈［6］。有效Cu和S變程值最大，說明在較大的范圍內(nèi)具有空間相關(guān)性，而有效Ni變程值最小，說明在較小的范圍內(nèi)具有空間相關(guān)性。有效S、Mn、Mo和Ni的決定系數(shù)值最接近于1，擬合效果最理想，說明相關(guān)參數(shù)的選擇能較好地反映這些元素的空間結(jié)構(gòu)特征。

表5 土壤有效態(tài)微量元素半方差函數(shù)及擬合參數(shù)

圖2 土壤有效態(tài)微量元素半方差函數(shù)

2.2.2 空間分布規(guī)律

依據(jù)半方差函數(shù)分析的結(jié)果，借助ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)分析模塊，選取普通克里格插值法繪制了6種土壤微量營養(yǎng)元素有效態(tài)的空間分布規(guī)律圖（圖3）。

圖3 土壤有效態(tài)微量元素含量空間分布規(guī)律

研究區(qū)微量營養(yǎng)元素有效態(tài)含量分布規(guī)律性較強(qiáng)，為面狀展布，除了有效S外（雙向異性），都在一定方向呈遞增或遞減的趨勢(shì)，這與前期數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果基本一致。有效S、Cu和Mo連續(xù)分布，基本呈北高南低的分布規(guī)律；有效Mn和Ni含量基本呈南高北低的分布規(guī)律；有效B含量呈東高西低的分布規(guī)律。在八里莊和小傾店區(qū)域有效S含量有雙向遞增的趨勢(shì)，這與農(nóng)田的水稻種植年限有關(guān)，該區(qū)2018年實(shí)施的旱改水工程，水稻種植年限短，土壤的鹽漬化程度相對(duì)較高。有效Cu在局部區(qū)域呈異常相對(duì)高的斑塊狀，這可能由人為活動(dòng)對(duì)土壤造成的污染所致［11］。有效Mn分布相對(duì)復(fù)雜，局部呈島狀，最高值分布在南部里自沽、東白莊和小傾店3個(gè)區(qū)域。有效B面狀分布規(guī)律性最為明顯，最大值分布在東部的八里莊和小傾店區(qū)域，最小值分布在西部的北里自沽和苑洪橋區(qū)域。

2.3 微量營養(yǎng)元素與稻米品質(zhì)的相關(guān)性

稻米品質(zhì)與肥料的施用關(guān)系較為密切［18］，研究認(rèn)為微量營養(yǎng)元素肥的調(diào)控可產(chǎn)生稻米品質(zhì)的差異（表6，圖4）。透明度是稻米外觀品質(zhì)中最直觀的指標(biāo)，與有效S呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。整精米率是稻米加工品質(zhì)最重要的指標(biāo)之一，與有效Mo呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。膠稠度、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)與稻米蒸煮食味品質(zhì)關(guān)系較為密切，其中，膠稠度與有效Cu呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與有效Mo呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與有效Mn呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；直鏈淀粉與有效Mo呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；蛋白質(zhì)與有效B呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表6 土壤有效態(tài)微量元素含量與稻米品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

圖4 有效態(tài)微量元素含量與稻米品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性圖

3 討論

研究區(qū)耕地土壤為不同程度的鹽化潮土，成土母質(zhì)主要來源于河流沉積物和海湖沉積物。土壤中各種微量營養(yǎng)元素初始含量豐富，有效態(tài)含量相對(duì)較高（表4）。與全國第二次土壤普查［19］的數(shù)據(jù)對(duì)比，區(qū)內(nèi)有效S、Mn、B、Cu、Ni和Mo含量較豐富，說明了多年的作物種植和精耕細(xì)作顯著提升了土壤的肥力水平。這6種元素的塊基比值（表5）都小于25%，說明空間自相關(guān)性強(qiáng)烈［6］，空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響，受人為耕作和管理等因素的影響較小。土壤各元素分布規(guī)律性較強(qiáng)，多呈面狀展布，而有效S卻在兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)高值，有雙向異性的特征。分析認(rèn)為，有效S受天津?yàn)I海區(qū)硫酸鹽-氯化物類型鹽漬化土壤內(nèi)在屬性的影響較大。有機(jī)質(zhì)和pH值對(duì)區(qū)內(nèi)稻田土壤微量營養(yǎng)元素空間變異特征的影響起主導(dǎo)作用，土壤中有機(jī)質(zhì)與微量營養(yǎng)元素有效態(tài)多呈正相關(guān)，而與pH值呈負(fù)相關(guān)［20］。

研究認(rèn)為，研究區(qū)有效S與透明度呈顯著正相關(guān)，有效Mo與整精米率呈顯著負(fù)相關(guān)，有效Cu和Mo與膠稠度呈顯著正相關(guān)，有效Mo與直鏈淀粉呈顯著負(fù)相關(guān)，有效B與蛋白質(zhì)呈顯著正相關(guān)。由數(shù)據(jù)分析可知，研究區(qū)土壤S、Mo、Cu、B元素的含量較為豐富，水稻的有效吸收量較好。從而，使得小站稻米的品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異。前人對(duì)天津小站稻米的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了深入研究，且與稻花香米和中日泰優(yōu)質(zhì)稻米在品質(zhì)上進(jìn)行了對(duì)比［12］，也證明了小站稻米的透明度、整精米率、膠稠度和蛋白質(zhì)指標(biāo)都相對(duì)較高。然而，較高的蛋白質(zhì)含量對(duì)小站稻米的食味品質(zhì)影響較大，前人研究認(rèn)為，稻米蛋白質(zhì)含量在6%～7%之間最好，超過7%食味就會(huì)降低［21］。研究區(qū)稻米蛋白質(zhì)含量平均為7.56%，最高可達(dá)8.4%，嚴(yán)重影響了食味品質(zhì)。通過實(shí)地調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)稻田在前期底肥和水稻生長期3次追肥的施加中，都有較多的氮肥，且土壤B 含量豐富，能提高作物的固氮能力［22-23］，使得水稻的有效吸收量也較高，直接導(dǎo)致了蛋白質(zhì)含量的增加。因此，未來還需要進(jìn)一步研究合理的施肥方法，在提升小站稻米食味品質(zhì)的同時(shí)達(dá)到節(jié)肥增效的目的。

4 結(jié)論

本次研究對(duì)指導(dǎo)天津小站稻種植區(qū)土壤的施肥工作和進(jìn)一步提升稻米品質(zhì)具有較高的參考價(jià)值。研究區(qū)土壤有效S、Mn和B含量極為豐富，有效Cu和Ni含量較高，有效Mo含量為中等水平；有效S、Mn和Mo的變異程度較高，具有相對(duì)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性；有效S和Cu擬合效果最好的模型為指數(shù)模型，有效Mn、B和Ni為高斯模型，有效Mo為球狀模型；6種元素的塊基比值都＜25%，有效Cu和S變程值最大，有效Ni變程值最小，有效S、Mn、Mo和Ni的決定系數(shù)值最接近于1，擬合效果最理想；元素空間分布規(guī)律性較強(qiáng)，有效S、Cu和Mo呈北高南低的分布規(guī)律，有效Mn和Ni呈南高北低的分布規(guī)律，有效B呈東高西低的分布規(guī)律；土壤中S、Cu、B、Mo的有效量與稻米透明度、精米率、蛋白質(zhì)、膠稠度和直鏈淀粉等品質(zhì)指標(biāo)具有顯著相關(guān)性。