山東省青州市土壤養分元素有效量及其影響因素①

姜 冰，王松濤，孫增兵，張海瑞*，劉 陽，劉 倩

山東省青州市土壤養分元素有效量及其影響因素①

姜 冰1,2，王松濤1,2，孫增兵1,2，張海瑞1,2*，劉 陽1,2，劉 倩1,2

(1山東省第四地質礦產勘查院，山東濰坊 261021；2山東省地質礦產勘查開發局海岸帶地質環境保護重點實驗室，山東濰坊 261021)

為研究山東省青州市土壤養分元素有效量及其影響因素，通過系統采集分析390件表層土壤樣品，獲得了N、P、K、Cu、Zn、Mo、B 7種土壤養分元素全量和有效量以及pH和有機質數據，并對其進行了相關性和差異性分析。結果表明：研究區土壤Mo、B元素有效量低，總體表現為缺乏和較缺乏；N元素有效量背景值略高于臨界值，分布不規律；P、K、Cu、Zn元素有效量變異系數均大于100%，呈現西低東高的空間分布趨勢。相關性分析表明，N、P、K、Cu、Zn、B 6種元素全量與有效量呈顯著正相關，測試的7種元素有效量與pH均呈顯著負相關，N、K、Zn、B 4種元素有效量與有機質含量呈顯著正相關。不同成土母質中，奧陶系和寒武系土壤pH、奧陶系土壤有機質含量顯著高于全區，養分有效量在奧陶系土壤中總體較低。不同土壤類型中，粗骨土土壤pH和有機質含量顯著高于全區，養分有效量在粗骨土中總體較低。研究區土壤養分元素有效量不僅與元素全量水平關系密切，同時受土壤pH和有機質含量的影響。

養分元素；有效量；青州市

土壤元素有效量，指的是元素易溶于水的形態組分，其活性程度強，可以直接被植物吸收[1]?？傮w來說，與土壤元素總量相比，有效量具有更直接的生態環境意義，能夠更有效地反映植物營養元素的供給能力[2]。元素有效量受多種因素的影響，如元素全量、土壤pH、有機質、地質背景、土壤類型等[3-5]，同時反映不同地球表生環境下元素有效量的特征和影響因素[6-7]。研究土壤養分元素有效量，可為指導科學施肥、提高土壤肥力提供重要依據[8]。Cu和Zn既是養分元素，又是重金屬元素，而重金屬元素有效量的分析，對生態環境評價具有指導意義[9]。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

青州市是山東省濰坊市轄區的縣級市，地理極值坐標118°10′20″ ～ 118°46′30″ E，36°24′27″ ～ 36°57′25″N，總面積1 561.9 km2，地處魯西隆起區的東南部邊緣、魯中山區和魯北平原交接處，總的地勢是西南高、東北低。其西南部發育古生代寒武紀、奧陶紀地層，地貌以上升剝蝕為主；東南部小面積發育新生代新近紀地層，地貌以剝蝕夷平為主；其他區域廣布新生代第四系，表現為堆積地形，系由山前、山間坳陷，處于下降或相對下降所形成的坡洪積裙、沖洪積扇組成的傾斜平原。土壤類型包括潮土、砂姜黑土、粗骨土、褐土4類[10](圖1)。

1.2 樣品采集與加工

在研究區內均勻布設土壤采樣點，每4 km2采集土樣1件，實際共采集樣品390件，采樣深度0 ～ 20 cm。采樣時，在布設的采樣點上，以GPS定位點為中心，向四周輻射50 ～ 100 m范圍內等量采集3 ～ 5個子樣混合成1件土樣。采集的各分樣點土壤掰碎，挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物，充分混合后，四分法留取1 kg裝入干凈結實的棉布袋。樣品懸掛在木質樣品架上自然風干，用木棍或塑料棍碾壓，并將植物殘體、石塊等侵入體剔除干凈，全部過2 mm孔徑的尼龍篩，混勻后取不少于500 g移交實驗室。

1.3 樣品處理與測試

樣品測試工作由山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室完成。測試項目包括土壤pH、有機質及N、P、K、Cu、Zn、Mo、B 7種養分元素的全量和有效量，并嚴格按照《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)[11]進行樣品處理與測試，樣品處理和分析方法見表1。測試中，樣品報出率為100%；采用國家一級標準物質控制準確度及精密度，絕對偏差和相對偏差均不超差，合格率為100%。測試同時進行了樣品內部密碼抽查，合格率為100%。

1.4 數據處理

以原始數據的標準離差與平均值之比計算變異系數。利用Microsoft Excel 2010軟件，反復剔除平均值±3倍標準離差的離散值后的算術平均值作為研究區背景值。pH值在進行統計前，先將土壤pH值換算成[H+]濃度進行統計計算，然后再換算成pH值。變量之間采用SPSS 22.0軟件做Pearson相關性分析。利用MapGIS 6.7中的泛克立格法進行養分空間分布制圖。

圖1 研究區地質單元和土壤類型

表1 土壤樣品處理與分析方法

2 結果

2.1 土壤養分元素全量、pH和有機質含量

表2列出了研究區表層土壤養分元素全量、pH和有機質含量。變異系數(CV)反映數據的離散程度，變異系數越大，數據空間分布差異性越大[12-13]。研究區養分元素全量、pH和有機質含量變異性依次為：有機質>N>Mo>P>Cu>Zn>B>K>pH。與山東省表層土壤背景值相比[14]，比值為0.93 ～ 1.34，研究區N、P、Zn、B、有機質相對豐富，K、Cu、Mo相對缺乏，pH以堿性為主。

2.2 土壤養分元素有效量及分級

以《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)[11]中養分指標有效量等級劃分標準的中等下限為臨界值，結合統計描述結果(表3)來衡量研究區土壤養分元素有效量背景值的大小，可見，有效鉬和有效硼的背景值低于臨界值，總體含量低，而其他元素的有效量背景值高于臨界值，總體含量高。有效量變異性依次為：有效鋅>有效磷>有效銅>速效鉀>堿解氮>有效鉬>有效硼，其中除有效硼屬于中等變異外，其他元素有效量均為強變異，離散程度高，分布極不均勻。

基于上述評價規范，將土壤養分元素有效量劃分為5個等級(表4)，利用泛克立格法對有效量進行空間插值，空間分布見圖2。堿解氮各分級區域主要呈斑狀或點狀不規律分布，豐富區在研究區南部相對集中，缺乏區主要呈斑狀分布于研究區西部；有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅總體上呈現西低東高的空間分布趨勢；有效鉬和有效硼在研究區內處于偏低水平，與表3的統計描述結果相對應。

表2 土壤養分元素全量、pH和有機質含量的描述性統計

注：表中N、P、K、有機質含量單位為g/kg，pH無量綱，其余含量單位為mg/kg。

表3 土壤養分元素有效量的描述性統計

表4 土壤養分元素有效量分級(mg/kg)[11]

圖2 土壤元素有效量分級空間分布

2.3 土壤養分元素有效量在不同成土母質中的變化規律

根據研究區地層分布情況(圖1)，統計有效量在不同母質中的變化規律，由表5可知，研究區內不同成土母質中的土壤有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅含量具有顯著性差異，第四系、新近系土壤有效磷、有效銅含量顯著高于其他母質，第四系土壤速效鉀含量顯著高于其他母質，新近系土壤有效鋅含量顯著高于其他母質，而堿解氮、有效鉬、有效硼含量在不同成土母質中沒有顯著性差異。研究區土壤不同成土母質的土壤pH、有機質含量亦有顯著性差異，奧陶系、寒武系土壤pH顯著高于其他母質，奧陶系土壤有機質含量顯著高于其他母質，即不同成土母質發育的土壤理化性質不同，與前人研究結論一致[15]，其也是間接影響土壤養分元素有效量的重要因素[16]。

表5 不同地質單元土壤養分元素有效量、pH和有機質含量的對比

注：表中同行不同小寫字母表示不同地質單元土壤間差異顯著(<0.05)。

2.4 土壤養分元素有效量在不同土壤類型中的變化規律

根據研究區土壤類型分布情況(圖1)，表6統計了有效量在不同土壤類型中的變化規律。研究區內不同土壤類型中的土壤養分元素有效量多具有顯著性差異，有效鉬在褐土中含量最高，堿解氮在粗骨土中含量最高，速效鉀、有效銅在砂姜黑土中含量最高，有效磷、有效鋅、有效硼在潮土中含量最高。土壤類型不同，其理化性質也各不相同，研究區內粗骨土中的土壤pH和有機質均顯著高于其他土壤類型。

表6 不同土壤類型土壤養分元素有效量、pH和有機質含量的對比

注：表中同行不同小寫字母表示不同土壤類型土壤間差異顯著(<0.05)。

3 討論

元素全量通常對有效量具有制約影響[17]。通過計算研究區內土壤元素全量與有效量的相關性，除Mo元素不相關外，其他元素全量與其有效量均在< 0.01水平呈顯著正相關，按相關系數大小排序為P(0.796)> N(0.716)>Zn(0.694)>Cu(0.433)>K(0.167)>B(0.139)>Mo (–0.018)，表明有效量很大程度上受全量的影響明顯，且不同元素全量向有效量轉化具有差異性。

pH和有機質是影響土壤養分元素有效量的重要因素[18]。由表7可知，土壤pH與7種元素的有效量均呈顯著負相關。有研究認為，土壤pH的降低甚至酸化會引起某些元素的有效量增加[19]。另外，pH會影響溶液、膠體中的離子組成和元素形態，進而對元素有效性產生影響[20]。有機質含量與堿解氮、速效鉀、有效鋅、有效硼含量呈顯著正相關，與其他元素有效量相關性不顯著。隨著有機質的積累，伴隨有機質的絡合固定作用[21]，使這些元素有效量增加，尤其與堿解氮含量達極顯著正相關，堿解氮包括礦物態氮和有機質中易分解的有機態氮，所以有機質含量高，則土壤熟化程度高，堿解氮含量也就高。

表7 土壤養分元素有效量與pH和有機質含量的相關性

注：** 相關性在<0.01顯著；* 相關性在<0.05顯著。

成土母質和土壤類型是分析土壤元素空間變異的主要因素[22-23]，成土母質和土壤類型不同，土壤理化性質也各不相同，影響著土壤養分元素有效量。研究區西南部寒武紀和奧陶紀碳酸鹽巖系地層，成土母質碳酸鹽、鹽基離子含量較高，使得土壤pH較高；另外西南部為山地丘陵區，植被發育，有利于土壤有機質的積累；東北部為平原區，主要發育新近紀和第四紀地層，也是主要工農業生產區，人為擾動對土壤酸堿度產生影響，同時缺少有機質的積累。研究區內褐土發育在低山丘陵坡麓、近山階地和山前平原，粗骨土發育在西南部山地丘陵區的碳酸鹽巖坡積風化物上，砂姜黑土發育在大型洼地，潮土發育在河流沉積物上，不同土壤類型的成土條件不同，導致了土壤理化性質的差異。粗骨土的土層淺薄、成土過程微弱，受成土母質和植被的影響大，使其pH和有機質顯著高于其他土壤類型；潮土和砂姜黑土耕性好，質地適中，是農作物的高產穩產區，受人為擾動大(如耕作、施肥)，使得多數元素的有效量高于其他土壤類型。因此，結合有效量與pH、有機質含量的相關性分析結果可知，不同成土母質和土壤類型土壤養分元素有效量的差異，是由其土壤pH和有機質含量的差異導致的。

4 結論

研究區土壤養分元素有效鉬和有效硼總體含量低，分別存在缺乏和較缺乏現象；堿解氮背景值略高于臨界值，但分布不規律；有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅含量變異系數均大于100%，分布極不均勻，呈現西低東高的空間分布趨勢。有效量除了受全量水平影響外，還受控于土壤其他理化性質，而不同成土母質和土壤類型導致了土壤理化性質的差異，最終對土壤養分元素有效量形成了差異性影響。

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Available Contents of Soil Nutrient Elements and Their Influencing Factors in Qingzhou City, Shandong Province

JIANG Bing1,2, WANG Songtao1,2, SUN Zengbing1,2, ZHANG Hairui1,2*, LIU Yang1,2, LIU Qian1,2

(1 Shandong Provincial No.4 Institute of Geological and Mineral Survey, Weifang, Shandong 261021, China; 2 Key Laboratory of Coastal Zone Geological Environment Protection, Shandong Geology and Mineral Exploration and Development Bureau, Weifang, Shandong 261021, China)

In order to study the available content of soil nutrient elements and their influencing factors in Qingzhou City, Shandong Province, 390 topsoil samples were systematically collected and analyzed. The total and available contents of soil nutrient elements such as N, P, K, Cu, Zn, Mo and B, as well as pH and organic matter content were obtained, and the correlation and difference were analyzed. The results showed that the available contents of soil Mo, B elements in the study area were low, and the overall performance was lack and relatively lack. The background value of N element available content was slightly higher than the critical value, and its distribution was irregular. The variation coefficients of P, K, Cu, Zn elements available contents were greater than 100%, showed a spatial distribution trend of low west and high east. The correlation analysis showed that the total contents of N, P, K, Cu, Zn, B elements were significantly positively correlated with available contents, and the available contents of the 7 elements tested were significantly negatively correlated with pH. In addition, the available contents of N, K, Zn, B elements had a significant positive correlation with organic matter content. In different parent materials, pH of Ordovician and Cambrian soil and organic matter content of Ordovician soil were significantly higher than the whole area, but the available contents of soil nutrient elements were generally lower in Ordovician soil. In different soil types, pH and organic matter content of coarse bone soil were obviously higher than the whole area, while the available contents of soil nutrient elements were generally lower. The available content of soil nutrient elements in the study area was not only closely related to the total content of elements, but also affected by soil pH and organic matter content.

Nutrient element; Available content; Qingzhou City

S151.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.016

姜冰, 王松濤, 孫增兵, 等. 山東省青州市土壤養分元素有效量及其影響因素. 土壤, 2021, 53(6): 1221–1227.

山東省地質礦產勘查開發局局控地質勘查和科技創新項目(KC201903、202005)資助。

通訊作者(sdzhr8557@126.com)

姜冰(1984—)，男，山東濰坊人，碩士，高級工程師，主要從事生態環境地球化學研究。E-mail: jbing08@163.com