不同風化程度下紫色土營養元素特性比較研究

黃寶玉，李紹才，龍 鳳，孫海龍，邱利平，李付斌

(1.四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064；2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610064；3.四川沃爾宜環?？萍加邢薰?，四川 成都 610031)

紫色土是中國南方，特別是四川、湖南等省的重要耕地土壤[1]。雖然紫色土營養元素含量豐富，具有較高的肥力，但是由于長期以來的不合理開發利用，加上紫色土本身不耐侵蝕，土地再生能力弱，植被破壞后很難恢復，因而這一地區植被稀疏，水土流失劇烈，土地退化嚴重[2-6]。紫色土屬典型的巖性土[7]，土壤肥力與性質繼承其母巖的特性[8]，而紫色土的高肥力特性被稱為母質肥力[9-10]。在土壤養分循環中，碳、氮、磷元素作為生命元素驅動著其他養分的循環與轉化，是養分循環的核心，而微量元素是很多植物體內酶或輔酶的重要組成部分，因此研究巖石邊坡不同風化程度下養分元素的動態變化，對了解不同紫色土邊坡的土壤肥力和營養元素循環機制具有重要意義。本研究擬通過野外調查采樣和分析，綜合應用土壤地理學、分析化學等研究手段，對遂寧廣德寺及龍泉山的紫色土巖石邊坡營養元素養分特征進行背景分析，以期為紫色土巖石邊坡生態恢復及植物元素需求量提供一個科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗研究中A組紫色土樣采自遂寧廣德寺，該地區位于遂寧城西3 km的臥龍山，其周圍存在大量的紫色泥巖，氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候，全年氣候溫和，光照較少，雨量充沛，四季分明。受工程及旅游開發的影響，大量紫色泥巖邊坡的植被受到破壞，紫色土分布于侏羅系遂寧組(J3sn)。B組土樣采自柏合鎮新建的成簡快速通道龍泉山一號隧道出口處，龍泉山地區位于川中地區成都平原東側,紫色土主體位于龍泉山背斜的南東翼,分布于白堊系下統蒼溪組(K1c)，地層巖性總體表現為紫紅色黏土巖與各類砂巖、粉砂巖互層，研究區境內低山、淺丘、平壩兼有，以平壩為主，年均氣溫16 ℃，年降水量920 mm，降水季節分配不均，主要集中在7、8月份，11月至次年4月干旱少雨。

1.2 樣品采集

采樣時間為2013年2月。以試驗區的巖石、風化物、成土為研究對象，每個采樣點按土壤形態的主要特點，把土壤劃分為不同的區域，然后用土壤采樣器進行采集，完成后按四分法將每個點采集的土樣取5 kg裝入塑料袋內，并把記有編號、采樣地點、日期的記錄卡片一同裝入袋內，帶回實驗室，在室內自然風干后, 揀去植物的根莖, 然后將其放在瑪瑙研缽中研碎，過20目尼龍篩。之后經120 ℃殺青30 min，在105 ℃條件下烘至恒重。剔除雜質、研磨、過0.149 mm 尼龍篩，用于分析土壤的養分含量，每個樣品含量做3個重復，最后取平均值。

1.3 土壤養分指標的測定

全氮：凱氏定氮法；速效氮：氧化鎂浸提-擴散法；有機質：重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全磷：堿熔-鉬銻抗比色法；有效磷：0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提法；全鉀：堿熔-火焰原子吸收分光光度法；速效鉀：乙酸銨浸提-火焰原子分光光度法；微量元素：火焰原子分光光度法。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS和Excel軟件進行處理,差異顯著性分析為0.05水平。A組代表遂寧組廣德寺土樣，A1代表遂寧組巖石，A2代表遂寧組風化物，A3代表遂寧組成土；B組代表蒼溪組龍泉山土樣，B1代表蒼溪組巖石，B2代表蒼溪組風化物，B3代表蒼溪組成土。

2 結果與分析

土壤侵蝕是全球土壤退化的主要原因之一[11-12]，而不同風化程度下的紫色土侵蝕程度不同，這可能導致一系列營養元素流失量的差異性。

2.1 有機質含量

土壤有機質含量是衡量土壤肥力高低的重要指標之一，它能促使土壤形成結構，改善土壤物理、化學及生物學過程的條件，提高土壤的吸收性能和緩沖性能，同時它本身又含有植物所需要的各種養分，如碳、氮、磷、硫等，通過礦化作用，它也可以釋放一部分的養分。圖1為不同風化程度下土壤有機質的含量直方圖，經分析A、B兩組中不同風化程度下的樣品之間有機質含量差異均為顯著(P<0.05)。兩組紫色土的巖石階段有機質含量在本組均為最低，平均值分別為9.67和9.23 g/kg；風化物有機質含量分別為40.18和32.63 g/kg；成土的有機質含量最豐富，分別為56.66和57.67 g/kg。整體上，隨風化程度增加(從巖石→風化物→成土)，兩組紫色土的有機質含量都呈逐漸上升的趨勢(巖石<風化物<成土)，說明隨著風化程度的增加，有機質逐漸積累，成土更有利于植物的生長。

圖1 不同風化程度下的土壤有機質含量

2.2 氮含量

2.2.1 全氮含量

研究區兩種紫色土的全氮含量都偏低(圖2)，變化范圍為0.123～0.463 g/kg，A、B兩組中不同風化程度下的樣品之間全氮含量差異均顯著(P<0.05)。兩組樣品的全氮含量都隨風化程度的增加而逐漸升高，與有機質的含量呈較好的正相關性。A組全氮含量與有機質含量的直線回歸方程為：y(全氮)=0.007 1x+0.046 5(r=0.993 2)；B組全氮含量與有機質含量的直線回歸方程為：y(全氮)=0.004 6x+0.107 9(r=0.997)。

圖2 不同風化程度下的土壤全氮含量

2.2.2 有效氮含量

研究區兩種紫色土的有效氮含量都偏低(圖3)，A組隨風化程度的增加有效氮含量依次為0.52、39.34、64.61 mg/kg，B組隨風化程度的增加依次為0.34、5.53、31.16 mg/kg，兩組中不同風化程度下的樣品之間有效態含量差異均顯著(P<0.05)，總體趨勢為巖石<風化物<成土。A組有效氮與全氮含量的直線回歸方程為：y(有效氮)=189.19x-21.619(r=0.99)；B組有效氮與全氮含量的直線回歸方程為：y(有效氮)=135.33x-22.797(r=0.91)。

圖3 不同風化程度下的土壤有效氮含量

2.3 磷含量

2.3.1 全磷含量

研究區樣品的全磷含量變化較小(見圖4)，范圍為3.50～5.79 g/kg。A組中不同風化程度的樣品間差異不顯著(P>0.05)，B組間差異顯著(P<0.05)。兩組樣品全磷含量都隨風化程度的增加而降低，總體趨勢為巖石>風化物>成土。

圖4 不同風化程度下的土壤全磷含量

2.3.2 有效磷含量

供試樣品的有效磷含量普遍偏低，均為缺磷土壤(圖5)。兩組樣品的有效磷含量都隨風化程度的增加而增高，兩組中不同風化程度的有效磷含量差異都顯著(P<0.05)。A組樣品有效磷與全磷含量的直線回歸方程為：y(有效磷)=-3.193 5x+13.171(r=-0.92)；B組樣品有效磷與全磷含量的直線回歸方程為：y(有效磷)=-1.694x+10.558(r=-0.99)。兩組樣品的有效磷含量都是成土中最高，說明成土中可供植物利用的磷素含量最高，但全量磷隨風化程度的增加而逐漸降低，說明從巖石到成土的過程中磷的總量有一定流失。

圖5 不同風化程度下的土壤有效磷含量

2.4 鉀含量

2.4.1 全鉀含量

研究區樣品的全鉀含量都較高(見圖6)。A組和B組的全鉀含量都隨風化程度的增加而降低，A組含量分別為19.55、18.15、16.89 g/kg，B組含量分別為30.83、29.96、27.18 g/kg。A、B兩組中不同風化程度的樣品間全鉀含量差異均不顯著(P>0.05),但均隨風化程度的增加而降低(巖石>風化物>成土)，這可能與土壤侵蝕較為嚴重有關，從而使全量鉀呈現降低的趨勢。

圖6 不同風化程度下的土壤全鉀含量

2.4.2 速效鉀含量

紫色土中的原生礦物與次生礦物的云母含量可達到30%以上，其中鉀易在物理及化學風化中釋放成速效鉀和緩效鉀，從而被植物利用[13]，而速效鉀是植物營養元素的主要供給源，和植物的生長關系密切。通過圖7可以看出，兩組樣品的速效鉀含量均隨風化程度的增加而增高，與全量呈負相關，說明在風化過程中可以供植物利用的鉀素逐漸釋放出來，而速效量越高鉀的流失量越大，釋放出來的一部分可能被植物利用，另外一部分隨水土流失耗掉，從而使全鉀含量降低。A組速效鉀與全鉀的直線回歸方程為：y(速效鉀)=-4.308 5x+92.498(r=-0.95)；B組速效鉀與全鉀的直線回歸方程為：y(速效鉀)=-5.713 2x+191.36(r=-0.98)。

圖7 不同風化程度下的土壤速效鉀含量

2.5 5種微量元素含量

研究表明，植物體內含量小于1‰的微量營養元素有硼、鐵、錳、銅、鋅、氯、鉬共7種，這些元素直接參與植物的營養和代謝過程，與大量元素一樣重要，缺乏任何一種微量元素都會使植物生長發育不良，對用于邊坡恢復的植物來說十分重要。本文主要研究其中的5種關鍵微量元素。研究區土樣5種微量元素有效態平均含量詳見表1。各組土樣中只有B組的有效鉬不同風化程度樣品間差異不顯著，其他都差異顯著(P<0.05)。根據劉錚[14]及“中國科學院微量元素組的土壤有效態微量元素評價標準”(見表2)中所給出的土壤微量元素有效態含量分級標準，元素有效態可分為極缺、缺乏、適中、豐富、很豐富5個等級。將研究區土樣微量元素有效態平均含量與標準對照可以得出表3中的分級結果，從中可以得出：遂寧組和龍泉山組的紫色成土都是有效錳含量極豐富，有效硼缺乏，有效鉬、有效鋅、有效銅含量則極其缺乏，應該在植被恢復過程中適量增施富含硼、鉬、鋅和銅的微肥。

表1 5種植物必需微量元素的有效態含量 mg/kg

表2 微量元素有效態含量分級標準[14]

表3 研究區微量元素有效態含量分級結果

研究區5種微量元素的有效態含量變化趨勢為：兩組樣品有效硼和有效錳含量均隨風化程度的增加而逐漸升高，表現趨勢為巖石<風化物<成土。遂寧組的有效銅含量先增加后減少(巖石<成土<風化物)，這可能與成土的土壤被侵蝕而造成有效態銅過度流失有關；蒼溪組的有效銅含量則是隨風化程度增加逐漸增高(風化物<巖石<成土)。遂寧組的有效鋅含量隨風化程度的增加而增高(巖石<風化物<成土)；蒼溪組的有效鋅含量則是先升高后降低(巖石<成土<風化物)，說明從風化物到成土有效量有一定的損失。兩組樣品有效鉬含量均為先增加后減少，風化物中有效量最高(巖石<成土<風化物)。

2.6 紫色土微量元素有效性的可能影響因素

影響土壤中微量元素有效性的因素有很多，包括土壤含水率、pH值、有機質、氧化還原電位、土壤質地、成土母質、植物吸收、微生物活動[15]，以及人類活動等。本研究涉及的因素可能有以下幾個方面：

(1)成土母質。成土母質是土壤微量元素的主要來源，紫色土成土母質類型有多種，不同成土母質發育的土壤，其微量元素含量和有效態含量均有明顯差異。具體到這兩個紫色土研究區，其母質發育的土壤有效態微量元素含量均低，尤其是遂寧組土壤微量元素缺失嚴重。

(2)有機質。有機質對土壤微量元素的影響有兩方面不同的作用。一是有機質的富集作用，有機質在分解過程中可釋放微量元素，因此有機質含量高的表層土壤其微量元素大多含量較高；二是有機質對微量元素又有固定作用，因此在有機質含量多的土壤中，也常出現缺素癥狀。

(3)人為活動。兩個研究區均人為活動頻繁，A組的廣德寺是旅游景區，人為開發了一部分工程邊坡，B組是龍泉山的一號隧道口空曠地帶，工程施工造成大面積的裸露地帶，加上降雨較多，淋溶強烈，水土流失帶走了很大一部分微量元素。

3 結 語

土壤中有機質、氮、磷、鉀等元素含量多少是土壤肥力高低的重要指標。研究區土壤因風化程度等的影響，土壤侵蝕程度不一，養分狀況差異明顯。通過對遂寧廣德寺和龍泉山不同風化程度的紫色土進行表層采樣和分析, 結果表明：

(1)成土中有機質和氮含量最高，磷、鉀含量則相對較低，說明隨著風化程度的增加，氮元素越來越豐富，而鉀和磷則逐漸減少。研究區由于土壤侵蝕作用相對較強, 土壤被沖刷剝離、搬運擴散，養分狀況較差，金屬元素流失較多，這可能是全磷、全鉀等大量元素隨風化程度增加而逐漸減少的原因。

(2)研究區成土的微量元素有效量表現為：有效錳極豐富，有效硼缺乏，銅、鋅和鉬則極缺，說明微量元素匱乏是影響該區植被恢復的一個重要因素。

(3)有效養分在巖石風化的過程中被釋放出來，即釋放過程為：巖石→風化物→成土，最后在成土中聚集。由于紫色土的養分容易被侵蝕，而植被能有效防止水土流失，所以建議在植被恢復時采取從土壤到風化物再到巖石邊坡的策略，并根據研究區養分的虧缺程度，給予適當的養分補充。

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