仙桃市西南部耕層土壤中養分元素有效量和有效度研究

徐宏林, 付 豪, 葉 島, 張明杰, 胡江龍

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

仙桃市西南部耕層土壤中養分元素有效量和有效度研究

徐宏林1, 付 豪1, 葉 島1, 張明杰2, 胡江龍1

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

對仙桃市西南部耕層土壤中12種養分元素的有效量和有效度進行研究,工作區耕層土壤中Ca、Fe、Mn、Cu、Si等元素有效量完全不缺;Mg、Zn等元素有效量基本不缺;P、Mo、K、N等元素有效量部分缺乏;B元素有效量很缺乏。研究表明,農業生產中肥料的施用對農作物的生長有直接的作用,不同養分元素的有效度相差十分懸殊,為提高耕層土壤中養分元素有效量,不僅可以通過增加該元素的全量,還可以通過提高該元素的有效度。工作區耕層土壤中養分元素在現有的含量水平下,土壤中養分元素有效度對有效量的影響大于土壤全量對有效量的影響。大多數養分元素有效度與pH值、有機質含量、CEC有關,在仙桃市西南部弱堿性耕層土壤中,土壤堿性越弱,N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等元素的有效度越大;有機質的積累可導致K、Ca、Mg、Mn、Cu、B等元素有效度的提高;土壤CEC越大,K、Ca、Mg、Mo、Si等元素的有效度越大。此研究為保證耕層土壤中養分元素有充足的有效量,及提高其有效度提供了對策。

耕層土壤;養分元素;有效量;有效度;仙桃市

仙桃市土地質量地球化學評價是湖北省“金土地”工程——高標準基本農田地球化學調查的工作項目,耕層土壤中的養分元素是該項目的重要調查和評價內容。土壤中的養分元素含量是評價土壤可利用性的重要因子,包括土壤中的植物營養元素(即植物體內必需的營養元素)及有益元素(即對某些植物的生長發育能產生有利的影響的元素)[1]。土壤植物營養及有益元素通常用全量和有效量來表示,土壤元素全量是指該元素在土壤中總的含量;土壤元素有效量是土壤元素有效態的含量,指以相對活動態存在于土壤中,能被植物直接吸收利用的那部分元素含量;土壤中某元素的有效度是指土壤中該元素有效量與其全量的百分比[2-3]。有效量和有效度的研究能夠反映不同地球表生環境下土壤中元素有效態的特征和影響因素[4-6]。通過對仙桃市西南部工作區(包括仙桃市通海口鎮、沔城回族鎮、陳場鎮、剅河鎮、九合垸原種場共494 km2)147個耕層土壤采樣點的12種養分元素的全量及有效態含量的研究分析,為當地耕層土壤中養分元素的豐缺評價、養分元素利用率的提高、土壤改良、科學施肥等提供有益的依據。

1 材料采集與分析

1.1 樣品采集與加工

在仙桃市西南部工作區范圍內,采集典型耕地耕層土壤,采樣點總體上較均勻分布在工作區,采集深度20 cm,每個樣品在直徑50 cm范圍內按梅花點法選擇3～5個子樣混合組成,樣重為2 kg,采樣避開溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、糞堆及微地形高低不平無代表性地段。采樣時間為2015年7月14日—8月15日,共采集土壤樣品147件。土壤樣品風干、敲碎,除去石塊、根系、秸桿、蟲體等雜物,用四分法分成兩份樣:一份過20目篩后,送實驗室進一步加工,測定元素全量;另一份直接送實驗室,進一步加工后測定元素有效量。

1.2 檢測與分析方法

土壤元素全量和有效量的分析測定由湖北省地質實驗測試中心完成。各項元素和指標測試依據中華人民共和國國土資源部《多目標區域地球化學調查規范(1∶25萬)》(DZ/T 0258—2014)、中國地質調查局《生態地球化學評價樣品分析技術要求(試行)》(DD2005—03)等相關規定執行。其中土壤全量測定,Cu、Zn、Mo等元素采用電感耦合等離子質譜法,CaO、MgO、Mn等元素采用電感全譜耦合直讀光譜法,SiO2、TFe2O3、K2O、P等指標采用X射線熒光光譜法,B元素采用粉末發射光譜法,N元素采用酸堿容量法,OrgC采用氧化還原法。土壤元素有效量浸提及測定方法見表1。

表1 土壤元素有效量提取與測定方法Table 1 Nutrient element available content extraction and determination method

注:表中計量單位為mg/kg;CEC為mmol/L;pH為無量綱。

2 土壤中養分元素有效量及有效度特征統計

2.1 土壤中養分元素的有效態含量和有效度

將147件耕層土壤樣品測試的養分元素的全量和有效量數據進行統計,并計算各個元素的有效度,見表2。

分析測試數據表明,147件樣品中養分元素全量

依次(中值,單位均為10-6):Si為288 194,Fe為41 698,K為22 736,Ca為13 814,Mg為13 074,N為1 495,Mn為850,P為830.6,Zn為100.85,B為52.13,Cu為34.52,Mo為0.96,反映了仙桃工作區土壤養分元素豐度特征。土壤有效態測試結果統計得到的元素有效量依次(中值,單位均為10-6):Ca為5 404,Si為353,Mg為336.32,K為144.59,N為104.78,Fe為57.51,Mn為25.15,P為20.50,Cu為3.37,Zn為0.95,B為0.34,Mo為0.22(表2)。對比元素全量與有效量排序可以發現,仙桃工作區耕層土壤中養分元素全量與有效量的變化趨勢并不一致,反映了土壤元素豐度和元素表生地球化學性質等因素的共同作用。由表2,仙桃工作區耕層土壤中養分元素有效度(中值,單位為%)從大到小的順序是:Ca為38.58,Mo為22.28,Cu為9.97,N為6.87,Mn為3.04,Mg為2.82,P為2.58,Zn為1.00,B為0.66,K為0.63,Fe為0.14,Si為0.12,可見不同元素的有效度相差十分懸殊。為提高耕層土壤中養分元素有效量,不僅可以通過增加該元素的全量,還可以通過提高該元素的有效度。

2.2 耕層土壤中養分元素有效態含量分級統計

將147件耕層土壤樣品有效態含量數據與土壤有效態含量分級標準進行對比,統計各元素有效態含量對應的級別,達到初步判斷土壤中該元素有效態含量的豐缺。土壤養分有效態含量的分級標準主要參照全國第二次土壤普查養分分級標準,其中劃分為六級的養分分級標準,將第五級與第六級標準進行了合并[7],各養分元素有效態含量分級標準見表3。

樣品統計見表3。結果表明,土壤有效量很豐—適中比例從大到小依次為:有效鈣100%,有效鐵100%,有效錳100%,有效銅100%,有效硅100%,有效鎂99.32%,有效鋅93.20%,有效磷87.76%,有效鉬81.63%,有效鉀72.79%,有效氮66.67%,有效硼18.37%。由此可見,工作區耕層土壤中Ca、Fe、Mn、Cu、Si等元素有效量完全不缺;Mg、Zn等元素有效量基本不缺;P、Mo、K、N等元素有效量部分缺乏;B元素有效量較低,其中五級缺乏占17.69%,四級稍缺占63.95%,總體上很缺乏。工作區需結合農業種植情況,通過合理途徑提高耕層土壤中B、N、K、Mo、P等養分元素的有效量,以保證農作物的生產。

表2 仙桃市工作區土壤元素有效量與有效度Table 2 Nutrient elements available content and availability of working area in Xiantao City

表3 土壤樣品養分元素有效量分級與比例統計Table 3 Statistics of nutrient element available content classification and proportion in soil samples

注:表中分級單位為mg/kg;比例單位為%。

2.3 地質單元與耕層土壤中元素有效量、有效度

根據仙桃工作區的地質單元情況,將耕層土壤元素有效量和有效度按全新世郭河組沖積層(Qhgal)、全新世郭河組沖湖積層(Qhgal-l)、全新世郭河組湖沼積層(Qhghl)三種不同的地質單元進行分類統計(見表4)。各地質單元土壤中有機質含量(算術平均值,單位為%)分別是:Qhgal為2.41,Qhgal-l為2.65,Qhghl為3.12。各類土壤pH 值(中值)分別是:Qhgal為8.13,Qhgal-l為7.92,Qhghl為7.83。

對此三種不同的地質單元上形成的土壤,其有效量和全量大小順序不一致,有效量和有效度大小順序非常一致,其中P、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、B、Mo、Si等元素的有效量與有效度大小順序完全一致,N、Mn等元素的有效量與有效度大小順序基本一致,反映了此三種地質單元上的土壤有效度對有效量的影響明顯。其中N元素的有效度在Qhgal形成的土壤中最大,K、Fe、Zn、B、Si等元素有效度在Qhgal-l形成的土壤中最大,P、Ca、Mg、Mn、Cu、Mo等元素有效度在Qhghl形成的土壤中最大。在Qhghl形成的土壤,質地適宜,相對富含有機質,土壤pH值相對較小,是導致P、Ca、Mg、Mn、Cu、Mo等元素有效度相對較高的重要原因。

2.4 土壤類型與元素有效量、有效度

根據仙桃工作區的土壤類型分布情況,將土壤元素有效量和有效度按灰潮土田、灰青泥田、爛泥田、砂土型灰潮土、壤土型灰潮土五種不同的土壤類型進行分類統計,結果見表5 。各類土壤中有機質含量(算術平均值,單位為%)分別是:灰潮土田為3.00,灰青泥田為2.38,爛泥田為2.34,砂土型灰潮土為1.91,壤土型灰潮土為2.19,其中灰潮土田最富含有機質,砂土型灰潮土有機質最低。各類土壤pH 值(算術平均值)分別是:灰潮土田為8.06,灰青泥田為7.98,爛泥田為8.00,砂土型灰潮土為8.33,壤土型灰潮土為8.15,各種類型的土壤都呈弱堿性。

表4 不同地質單元土壤元素有效量與有效度Table 4 Soil elements available content and availability in different geological units

對比不同類型的土壤間養分元素,其有效量和全量大小順序不一致,有效量和有效度的變化趨勢基本一致,其中K、Fe、Mn、Zn、B、Si等元素的有效量與有效度大小順序完全一致,N、P、Ca、Mg、Cu、Mo、Se等元素的有效量與有效度大小順序基本一致;Ca元素有效度在灰潮土田中最大,Si元素有效度在灰青泥田中最大,P、Mg、Fe、Mn、Cu、Mo、Se等元素有效度在爛泥田中最大,N元素有效度在砂土型灰潮土中最大,K、Zn、B等元素有效度在壤土型灰潮土中最大。總體上,Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Mo、Si等元素的有效量和有效度都是水稻土大于潮土,K、Zn、B、Se等元素的有效量和有效度都是潮土大于水稻土,N元素有效度潮土大于水稻土,P元素有效度水稻土大于潮土;反映了水耕熟化有利于提高耕層土壤中P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Mo、Si等養分元素的有效度,旱耕熟化有利于提高耕層土壤中N、K、Zn、B、Se等養分元素的有效度。

表5 不同土壤類型土壤元素有效量與有效度Table 5 Soil elements available content and availability in different soil types

3 有效量和有效度的影響因素分析

3.1 耕層土壤中元素全量與有效量的關系

仙桃工作區147件耕層土壤樣品統計分析表明,各元素全量與有效量相關系數分別是:N為0.726 8,P為0.756 7,K為0.481 1,Ca為0.633 8,Mg為0.343 8,Fe為0.119 2,Mn為0.183 3,B為0.077 5,Mo為0.490 7,Cu為0.471 8,Zn為0.297 7,Se為-0.117 9,Si為-0.464 2。即N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Mo等元素有效量總體上受總量的明顯影響,因此農業生產中N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Mo等肥料的施用對農作物的生長有直接的作用。

3.2 土壤pH值對有效度的影響

統計分析表明,元素有效度和土壤pH值的相關系數分別是:N為-0.346 8,P為-0.114 9,K為-0.214 9,Ca為0.119 6,Mg為-0.390 5,Fe為-0.609 0,Mn為-0.664 0,B為-0.213 1,Mo為-0.250 4,Cu為-0.448 7,Zn為-0.685 3,Se為0.154 9,Si為0(置信度α=0.01時,顯著相關臨界值約為0.228)。反映了大多數養分元素有效度受土壤pH值影響明顯,其中N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等養分元素的有效度與土壤pH值顯著負相關,在仙桃市西南部弱堿性耕層土壤中,土壤堿性越弱,N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等養分元素的有效度越大(圖1)。

3.3 土壤有機質對有效度的影響

統計分析表明,元素有效度和土壤有機質的相關系數分別是:N為-0.212 6,P為0,K為0.368 5,Ca為0.349 3,Mg為0.598 8,Fe為0.261 0,Mn為0.472 3,B為0.397 1,Mo為0.142 8,Cu為0.412 7,Zn為0.167 9,Se為-0.371 2,Si為0.244 9(置信度α=0.01時,顯著相關臨界值約為0.228;置信度α=0.05時,顯著相關臨界值約為0.174)。其中K、Ca、Mg、Mn、Cu、B的有效度與有機質呈正相關性,表明耕層土壤對有機質的積累可導致K、Ca、Mg、Mn、Cu、B等元素有效度的提高,使土壤中這些元素的生物有效量增加,有利于作物對這些元素吸收利用。相反,土壤中N元素有效度與有機質含量呈負相關性,表明土壤有機殘體分解較慢時,土壤碳氮比過大,造成微生物與農作物爭奪土壤中的有效氮,不利于農作物的生長,故秸稈直接還田時應該增施氮肥,或者增加秸稈堆漚還田、過腹還田。

圖1 土壤pH值對元素有效度的影響Fig.1 Effect of soil pH on element availability

3.4 土壤陽離子交換量對有效度的影響

統計分析表明,元素有效度和土壤CEC的相關系數分別是:N為-0.215 4,P為0.097 5,K為0.322 5,Ca為0.656 9,Mg為0.627 9,Fe為0.072 8,Mn為0.262 5,B為0.093 8,Mo為0.317 6,Cu為0.116 6,Zn為0,Se為-0.160 3,Si為0.804 9(置信度α=0.01時,顯著相關臨界值約為0.228)。其中K、Ca、Mg、Mo、Si的有效度與有機質呈正相關性,表明耕層土壤CEC越大,K、Ca、Mg、Mo、Si等元素的有效度越大。

4 結論

(1) 工作區耕層土壤中Ca、Fe、Mn、Cu、Si等養分元素有效量完全不缺;Mg、Zn等養分元素有效量基本不缺;P、Mo、K、N等養分元素有效量部分缺乏;B元素有效量很缺乏。

(2) 工區內,N元素的有效度在Qhgal形成的土壤中最大,K、Fe、Zn、B、Si等元素有效度在Qhgal-l形成的土壤中最大,P、Ca、Mg、Mn、Cu、Mo等元素有效度在Qhghl形成的土壤中最大。

(3) 水耕熟化有利于提高耕層土壤中P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Mo、Si等養分元素的有效度,旱耕熟化有利于提高耕層土壤N、K、Zn、B等養分元素的有效度。農業生產中需加強耕作管理,防止旱澇災害的發生。工作區現有的土壤養分水平下,耕層土壤中養分元素有效度對有效量的影響大于土壤全量對有效量的影響。

(4) 農業生產中N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Mo等肥料的施用對農作物的生長有直接的作用,不同養分元素的有效度相差十分懸殊,為提高耕層土壤中養分元素有效量,不僅可以通過增加該元素的全量,還可以通過提高該元素的有效度。仙桃市西南部為保證耕層土壤中養分元素充足的有效量,需要持續補充N、P、K、Mo等肥料。

(5) 大多數養分元素有效度與pH值、有機質含量、CEC有關,在仙桃市西南部弱堿性耕層土壤中,土壤堿性越弱,N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等元素的有效度越大;有機質的積累可能導致K、Ca、Mg、Mn、Cu、B有效度的提高,使土壤中這些元素的生物有效量增加,有利于作物對這些元素吸收利用;土壤CEC越大,K、Ca、Mg、Mo、Si等元素的有效度越大。因此,要通過增加土壤有機質改善土壤理化性質來提高耕層土壤中養分元素的有效度。

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(責任編輯：于繼紅)

Research on Available Content and Availability of TopsoilNutrient Elements in Southwest Xiantao City

XU Honglin1, FU Hao1, YE Dao1, ZHANG Mingjie2, HU Jianglong1

(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiProvinceGeologicalExperimentTestingCenter,Wuhan,Hubei430034)

In the research on available content and availability of 12 topsoil nutrient elements in southwest Xiantao City,it shows that availability in working area topsoil enrich completely of Ca,Fe,Mn,Cu,Si;basically enrich of Mg and Zn;partially lack of P,Mo,K,N;and seriously lack of B. The research results infer that the fertilizer application of P,K,Ca,Mg,Cu,Zn,Mo in agricultural production has direct effect on crop growth,and the availability of different nutrient element has great disparity. In order to improve the available content of topsoil nutrient elements,it can not only improve the total content,but improve the availability. Under the existing content level of topsoil nutrient element in working area,the effect of availability on available content is bigger than the total content on available content. Most nutrient element availability is relate to pH,organic content and CEC content. In alkalescence topsoil of southwest Xiantao,the weaker soil alkalinity,the bigger availability of N,Mg,Fe,Mn,Cu,Zn;the accumulation of organic matter may lead to the improvement of K,Ca,Mg,Mn,Cu,B;and the bigger soil CEC,the bigger availability of K,Ca,Mg,Mo,Si. For proving the topsoil nutrient element availability enough,southwest Xiantao should continue to replenish the fertilizer of N,P,K,Mo,strengthen farming management,and prevent the occurrence of drought and flood disasters;and it should through improve organic matter,soil physical and chemical properties to increase the topsoil nutrient element availability of B,N,K,Mo,P.

topsoil; nutrient elements; available content; availability; Xiantao City

2016-11-02;改回日期:2016-12-23

湖北省仙桃市土地質量地球化學評價(二期)(項目編號:HBJTD20150101)。

徐宏林(1975-),男,高級工程師,碩士,第四紀地質專業,從事應用地球化學方面的研究工作。E-mail:xhlingeo@qq.com

S158

A

1671-1211(2017)03-0278-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.009

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1555.034.html 數字出版日期:2017-05-16 15:55