東北蘆葦濕地土壤有效硅與pH值及物質組成的關系

摘 要：為探究土壤有效硅與土壤pH值及物質組成的關系，在東北地區選12個樣點，采集1 195個土壤樣品，運用硅鉬藍比色法進行有效硅含量測定，用重鉻酸鉀-硫酸溶液對有機質進行測定，用pH計對酸堿度進行測定，運用ICP法進行陽離子測定。研究結果表明：在濕潤地區土壤pH值與有效硅為正相關，在半濕潤半干旱地區，pH值與有效硅為負相關；有機質在濕潤地區和雨季時間段與有效硅呈現正相關，在半干旱地區與有效硅為負相關，但關系復雜并非簡單線性相關關系；鉀鈉比與有效硅正相關，而鈣鎂比與有效硅負相關。

關鍵詞：土壤有效硅；有機質；pH值；東北地區

中圖分類號： D564+.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.05.14

硅是地殼中含量第2的元素，是絕大多數植物的礦質基質[1]。硅素不僅是禾本科植物必需的營養元素，也是部分非硅富集作物的有益營養元素[2]。

植物種類不同，植物體內硅元素的含量有所差異，單子葉植物體內硅元素的含量大于雙子葉植物，一般有：水田禾本科植物>旱地類型植物>豆科等雙子葉植物[1，3-4]。硅素在植物體內不同器官的分布狀況也因植物種類而異，硅含量高的植物，硅元素在地上部集中；硅含量低的植物硅素在根部和地上部分布均勻；而其他植物則在根部集中[2]。植物體內硅元素的形態可分為3類： 不溶性水化無定形SiO2、可溶性膠狀硅酸、游離單硅酸。以第1種形態居多。

植物對硅素的運輸存在2種機制，大多數學者認為植物對硅素的吸收是通過對蒸騰流內單硅酸的被動運輸完成的，而有些學者認為植物對硅的吸收也存在著另外一種方式，即受根代謝影響下的主動運輸硅素的過程[1，5]。這2種方式的選擇與植物的種類相關，富硅植物對硅的吸收是通過主動運輸完成的，受蒸騰速率影響并不大。而非富硅植物對硅的吸收則是通過蒸騰流被動運輸完成的。

前人研究表明，硅素可以促進水稻根系生長，增加根系活力，改善通氣組織和氧化能力，提高植物對于水分養分的吸收[1，6]，有助于水稻體型挺拔，提高甘蔗的產量[7]，對大豆萌發速率和幼苗生長有明顯的促進作用[8]，促進黃瓜種子萌發和幼苗生長代謝[9]；提高植物的呼吸速率，增強植物的生命活力，一旦缺少硅素，就會使植物出現褐斑、生長不良等一些非典型的環境脅迫。硅和磷還存在著一定的交互作用，硅可以抑制鐵錳的毒害，部分取代磷的作用，根據洛桑實驗報告表明，缺磷條件下硅酸鹽可增加大麥產量[4]。

硅素對于植物生長有重要的作用。植物主要從土壤中吸收硅素為己所用，雖然土壤中硅元素含量很豐富，但大都難以利用，只有部分能溶于水的單分子硅酸能夠被植物吸收，這一部分的硅就被稱為有效硅。有效硅含量的高低是作物是否需要施硅肥的主要依據[10]。有效硅主要來源于母質的風化作用和高能硅化合物的分解作用[10]。前人研究表明，有效硅含量受土壤黏粒的影響較大，土壤黏粒含量越高，有效硅的含量就越豐富[11-12]。質地粗土層薄淋溶作用強烈的土壤供硅能力不強。對于有效硅的測定，前人也曾研究過很多方法。早在1958年，日本學者今泉吉郎、吉田昌一提出pH4的醋酸緩沖液法至今仍為有效硅測定的主要方法[13]。前人對于南方土壤研究的較多，而對東北地區特別是東北濕地土壤研究的較少，因此本研究以東北地區12個地點的濕地土壤樣品作為研究對象，探究土壤有效硅的影響因素。

1 材料和方法

1.1 研究區自然概況

東北地區位于我國東北部， 地處亞歐大陸東緣，西起東經115°37′的內蒙古新巴爾虎右旗以西與蒙古人民共和國交界處， 東至東經135°5′的黑龍江省撫遠以東烏蘇里江匯入黑龍江處的耶字碑東角，南起38°40′N ，北至53°30′N黑龍江省漠河縣以北的黑龍江主航道中心線（圖1）。區內東、北、西三面為低山、中山環繞， 中部為廣闊的東北大平原。由于本地區氣溫較低，蒸發微弱，降水量雖不十分豐富，但濕度仍較高，從而使本地區在氣候上具有冷濕的特征。本地區有大面積的針葉林、針闊葉混交林和草甸草原，肥沃的黑色土壤，廣泛分布的凍土和沼澤等自然景觀。

1.2 研究方法

分別從東北地區12個地點不同生境條件下采集土壤樣品（圖1），其中土壤的采集分別來自于0～10 cm和10～20 cm的上下兩層。采集土壤樣品共計1 195個。樣品采集后稱質量，自然風干保存。

首先進行樣品的預處理：對土壤樣品進行研磨，過篩孔直徑0.8 mm的篩，按水土比例5∶1配制土壤溶液，振蕩3 min，靜置20 min，過濾，按9 000轉·min-1高速離心15 min，取上清液。植物樣品經粉碎機研磨后，按1/20配制溶液，100 ℃水浴2 h，取上清液。然后采用北京普析通用有限公司Super 990F型原子吸收分光光度計進行陽離子的測定。用pH計對土壤酸堿度進行測定。

土壤有機質測定：在加熱條件下，用一定量的標準重鉻酸鉀-硫酸溶液，氧化土壤有機質，多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵溶液滴定，由消耗的重鉻酸鉀量計算出有機碳量，再乘以常數1.724，即為土壤有機質量。

有效硅的測定：在pH值為1.2～1.3的溶液中，可溶硅與鉬酸銨反應生成硅鉬黃，再用氯化亞錫還原生成硅鉬藍，此藍色的色度與水樣中可溶性硅的含量有關。磷酸鹽對本法的干擾可用調整酸度及加草酸或酒石酸的方法加以消除。最后，水樣中硅含量X（mg·L-1，以二氧化硅計）按下式計算：

X=C×a/V×1 000

式中：C是配標準色用的二氧化硅工作溶液濃度，mg·mL-1；a是與水樣顏色相當的標準色中二氧化硅工作溶液加入量，mL；V是水樣體積，mL。

2 結果與分析

采集了東北地區12個不同地點的土壤樣品，由西部、中部、東部分成了3個子區域。在地理分布上具有地帶性規律，而在時間上又從6月取到10月，橫跨作物生長的不同階段，并選取T（岸上）、M（中心）、 W-D（水陸交匯）的典型生境，從時間差異、生境差異和地點差異3個方面對所測得的數據進行相關分析，以探求不同指標對土壤有效硅含量影響，下面對數據處理的結果進行分析與討論。

2.1 pH值與有效硅之間的相關關系

土壤pH值是土壤的一個重要化學指標，土壤的pH值影響土壤礦物質的分解速度和土壤有機質的轉化，影響土壤溶液中化合物的溶解和沉淀，影響土壤的離子交換作用，也影響植物養分的有效性。本試驗測得pH值與有效硅含量并作相關分析，結果如表1。下面按照子區域差異、時間差異、生境差異3個角度來探討pH值與有效硅的相關關系。

2.1.1 不同子區域內pH值與有效硅的相關關系 子區域的劃分在上文已經說明，不同子區域的pH值與有效硅的相關分析結果見圖2的三角形部分。

由圖2的三角形點及表1可知，東部地區pH值與有效硅呈顯著正相關，中部地區相關性不明顯，而西部地區pH值與有效硅的關系則為顯著負相關。東部和西部的顯著性水平都小于0.01，表現為極顯著關系。

對于pH值與有效硅的關系，國內很多學者都對不同地區的土壤做了相應的研究，華中農業大學的賀立源等[12]對湖北省20個縣水稻土的有效硅與pH值的關系的研究表明，pH值與有效硅呈現顯著正相關關系，湖北農業大學的胡定金和王富華[14]在水稻硅素營養中也指出，在酸性、中性和微堿性土壤條件下，土壤的有效硅與pH值呈現正相關關系，向萬勝等[15]對湖南省土壤中硅的形態與土壤性質的關系進行研究，也得出相似結論，可見pH值與有效硅確實存在著很強的相關關系，并且本文在對東部地區進行相關分析時也得出有效硅與pH值呈正相關的規律，這與前人的研究結果是一致的。

東部地區土壤淋溶程度大，土壤呈酸性、中性，土壤pH值越大則淋溶作用越弱，硅越不容易被淋失，因此呈現正相關關系。本文與前人觀點所不同的是在東北地區的西部區域pH值與有效硅的關系呈現的是強烈的負相關，通過比較分析可知，上述學者的研究也都集中在較濕潤地區，降水量豐富，土壤淋溶作用強，并且土壤呈現酸性、弱酸性或中性。東北地區西部的長嶺、通遼、大慶等地由于地處內陸地區，降水量較少，土壤呈現堿性，只有具備一定的酸度才會使硅從巖石中分離出來，pH值越大，巖石中的硅越不容易分離，因此與前面各位學者研究得出的正相關關系有所出入。

酸堿度的大小對于巖石風化和土壤元素的遷移有著很重要的影響，巖石中的硅元素必須通過風化作用形成土壤中的可溶性硅素才能被植物吸收，同時土壤中可溶性的硅素又必須被土壤吸持住才不會被淋失，否則有效性就會降低。

由此看來，有效硅與pH值并不是在任何限度內都是促進的關系，只有pH值在適宜的范圍內才會對有效硅產生促進作用。李家書和謝振翅[16]對湖北省土壤有效硅含量分布的研究得出，pH值在6～8的范圍內，隨著pH值的增加有效硅含量增加，而當pH值大于8的時候，有效硅隨著pH值升高呈現降低的趨勢，這與本文的結果相一致。

綜上所述，在干燥堿性土壤地區，pH值與有效硅呈現負相關，在濕潤酸性中性地區，pH值與有效硅則為正相關關系。

2.1.2 不同時間內pH值與有效硅相關關系 不同月內pH值與有效硅相關關系結果如圖3的三角形點。

由圖3的三角形點可知，不同月份的pH值與有效硅的相關關系并不明顯，由相關系數可知6、7、8、9月份有效硅與pH值有微弱的負相關關系，而10月份則呈現正相關關系。各個月份的相關系數大致相近，這種相關關系在不同月份上的時間分異體現的不明顯。

2.1.3 不同生境內pH值與有效硅關系 不同生境內pH值與有效硅相關分析結果如圖4三角形點。

由圖4的三角形點及表1結果可知，在3種不同的生境內，有效硅與pH值均呈現負相關關系，然而相關程度卻存在差異，這是由于取樣點只有東部地區為濕潤地區，而大部分的地點為中部和西部的半濕潤半干旱地區，因此在把這些地點放在一起做比較時，西部地區pH值對有效硅的抑制作用大于東部地區的促進作用，因此呈現為負相關關系。在W-D生境，由于干濕季交替明顯，土壤存在一定的淋溶作用，因此抑制程度不明顯，而在T、M 兩個生境內由于處于濕度極小的區域硅素只有在一定酸度的條件下才能夠從母質中釋放，因此pH值與有效硅的負相關關系更加明顯。

2.2 有機質對于土壤有效硅的相關關系

土壤有機質是指土壤中的各種含碳有機化合物，包括動植物殘體、微生物體以及這些生物殘體不同分解階段的產物和有機化合物。有機質雖然在土壤中所占的比重不大，但對于成土過程及土壤物理、化學、生物性質具有重大的影響，是土壤肥力產生的物質基礎。有機質與有效硅的相關分析結果見表2，下面從區域、時間、生境3個方面加以討論。

2.2.1 不同子區域內有機質對于土壤有效硅的相關關系 不同子區域內有機質與有效硅的相關系數如圖2的方形顯示。由圖4的方形點及表2可見，東部濕潤區有機質與有效硅呈現負相關，而中部和西部地區有機質與有效硅呈現正相關，其相關性不很明顯，可能是由于自然地理環境的復雜性，有機質和有效硅單一的相關關系在區域差異上表現的不夠明顯。

國內學者對于有機質與有效硅的相關關系也存在著爭議，代革聯等[17]在研究陜西省耕地土壤有效硅分布的影響因素中，得到了有機質與有效硅呈現明顯正相關的結論，馬同生[18]在《我國水稻土中硅素豐缺原因》一文中也指出，土壤的有機質含量低則土壤缺硅，而李家書和謝振翅[16]在研究湖北省土壤有效硅含量分布時發現有效硅和有機質的關系并不明顯，向萬勝等[15]在研究湖南省土壤中硅的形態與土壤性質的關系中卻發現有機質與有效硅之間呈現負相關的關系，各個學者觀點不一，可見有機質與有效硅的關系并不是簡單的線性關系，它可能受到很多因素的影響。

在本文的研究中，不同區域內有機質與有效硅呈現的相關關系雖然不顯著，但是不同的區域所呈現出來的相關方向卻也存在一定的規律，東部地區為濕潤區，有效硅與有機質呈現負相關，而西部的半干旱區卻呈現正相關，可見有機質與有效硅的關系可能存在兩重性，一方面有機質的存在使土壤黏粒含量增加，吸附性能較好，保護了土壤硅素使其不被淋失，但另一方面有機質在微生物的分解作用下又會產生一些有機酸類，酸度的增大又會加大土壤的淋溶作用，使有效硅含量下降。因此，有效硅與有機質的相關關系比較復雜，東部濕潤區微生物分解作用較為旺盛，產生的有機酸很多，故與有效硅產生負相關的關系，而西部干旱區淋溶作用不強，有機質分解不夠徹底，土壤黏力大，從巖石風化出的硅固持在土壤中不會被淋失，并且蒙脫類礦物升高，使得有效硅含量增高。

2.2.2 不同時間有機質與有效硅的相關關系 不同時間有機質與有效硅的相關系數如圖3的方形點顯示。由圖3方形點及表2可見，6月份和10月份土壤有效硅與有機質呈現正相關，其中6月份呈現顯著正相關，而7、8、9月份則呈現負相關。6月份和10月份，生物對有機質的分解作用不旺盛，有機質對于土壤的作用主要是增加土壤的吸持力。由于生物作用不強，酸度小，土壤的礦物分解緩慢，礦物主要以蒙脫類為主，更加增大了對硅素的吸持。故與有效硅呈現的是正相關的關系，而到了雨季，硅素淋失，同時生物活動旺盛，有機質大量分解產生有機酸，增大了土壤的酸度，進一步促進了硅素淋失。所以有機質與有效硅在7—9月呈現負相關關系，但是相關程度較弱，因為生物分解作用除了與有機質含量有關外，還與很多因素有關，這正體現了地表自然地理系統的復雜性。有機質與有效硅，8月份的相關系數大于7月份和9月份，可能由于8月份生物作用最強，而7月份和9月份雖然也有生物對有機質的分解，但是相對較弱的緣故。

2.2.3 不同生境下有機質對有效硅的相關關系 不同生境內有機質與有效硅相關系數如圖4的方形點部分。在濕度較小的岸上生境，有機質與有效硅呈現正相關，而在濕度較大的中心和水陸生境則呈現負相關，這與前文不同區域內有機質與有效硅的關系相一致，而從表2顯著性來看，3種生境下有機質與有效硅之間的相關關系程度卻都很弱，這是因為自然系統本身具有復雜性，有機質與有效硅的關系可能不是簡單的線性關系，在張玉龍等[19]對于溫室土壤硅素釋放動力學特征的研究中，將土壤硅素與時間的關系擬合成 y=kxm的關系，而k，m，km都有隨著有機質的增加而增加的趨勢，可見有機質與硅素的關系可能不是簡單的線性關系，故線性相關程度較弱。

2.3 土壤陽離子對于有效硅的相關關系

土壤陽離子是土壤物質組成中的重要部分，對土壤溶液的酸堿度、電導率、鹽基飽和度等理化性質有重要影響，并且對植物的生長發育起到重要的作用，由于元素與元素之間會存在相互作用，陽離子可能會對土壤有效硅的釋放、遷移轉化和吸收起到一定作用，因此本文以鉀鈉比、鈣鎂比為指標探討陽離子與有效硅的關系。

2.3.1不同子區域內鉀鈉比、鈣鎂比與有效硅之間的相關關系。表3和表4反映了硅元素和土壤中陽離子相關關系在不同區域上的表現。由表可見，鉀鈉比與有效硅呈現正相關關系，這種正相關關

系在東部為極顯著，西部則不是顯著相關。而鈣鎂比與有效硅是負相關的關系，西部和東部都是極顯著的相關程度。

2.3.2 不同月份鉀鈉比、鈣鎂比對于有效硅的相關關系 由表5和表6可知，鉀鈉比與有效硅在6月份和10月份為極顯著正相關關系，但在7、8、9月份關系并不顯著。而鈣鎂比與有效硅在6月份、10月份呈現顯著負相關，7、8、9月份關系不顯著。

由上述分析可見，在鈣、鎂這2種離子中，鎂與硅可能存在更大的相似性和協同作用，鎂離子在砂質土壤中含量低在富含蒙脫石礦物的土壤中含量高， 并且鎂在土壤中的有效性同樣受到pH值、母巖和氣候的制約，鎂的這些特點都與硅相似[20]，因此土壤中鎂離子可能會對硅起到促進作用。前人有關鈣離子的研究發現，鈣離子在土壤中的吸附作用強于鎂離子，在干旱地區形成的鈣膠體對于硅的吸附作用會使得硅無法釋放被植物利用，因此鈣可能會抑制有效硅的釋放。對于鉀和鈉這兩種元素而言，鉀元素可能會促進有效硅含量的提高，而鈉可能相反。不過這種作用在東北半濕潤、半干旱地區表現的不明顯，而在濕潤地區則表現明顯，從時間角度來說，在植物生長旺盛的7、8月份表現的不明顯。而在植物幼苗期和衰老期表現的比較明顯。至于為什么鉀鈉比與有效硅呈現如此顯著的正相關關系目前還沒有前人的研究作為依據，或許這與鉀鈉對于植物的不同生理作用有關，鉀與硅或許存在一定的協同生理作用，不過這還需要通過以后的研究進一步驗證。

3 結 論

pH值與有效硅的關系在濕潤的淋溶地區為正相關，在半濕潤半干旱的非淋溶地區為負相關。只有pH值在適宜的條件下對于有效硅才有促進的作用，超過或低于適宜范圍都會使有效硅的含量降低。

有機質與有效硅并不呈現簡單的線性相關關系，而可能為復雜的函數關系：從時間角度來看，6月份、10月份有機質與有效硅正相關，7、8、9月份呈現負相關；從區域角度來看，東部為負相關，中部和西部為正相關；從生境角度來看，岸上生境為正相關，水中水陸生境為負相關。

鈣鎂比與有效硅呈負相關，可能鈣離子對硅有抑制作用，鎂離子有促進作用；鉀鈉比與有效硅呈正相關，可能鉀離子對硅有促進作用，鈉離子對硅有抑制作用，但是目前還無法解釋根本原因。

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