土壤有效態(tài)微量營養(yǎng)元素空間變異特征及對稻米品質(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，對指導(dǎo)微肥合理配施和實現(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，對其空間變異特性的研究難以定量化，隨著地統(tǒng)計學方法應(yīng)用到土壤學領(lǐng)域，這一難題逐漸得到解決。20世紀90年代，我國把地統(tǒng)計學應(yīng)用到土壤領(lǐng)域，取得較多成果［5］。張朝生等［6］認為天津平原區(qū)土壤微量元素含量的空間變異具有隨機性和結(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。很多學者針對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)進行分析，特別是對天津稻田土壤微量元素空間變異性的研究還未見報道。因此，本次研究運用地統(tǒng)計學方法，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，地勢比較平坦，地形趨勢為北高南低，高程2～7 m（大沽高程）。全區(qū)屬溫帶濕潤季風型大陸性氣候，全年光、熱、水資源豐富，年日照時數(shù)達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)位置及采樣點分布圖

1.1 樣品采集與制備

共采集40個樣品（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個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)內(nèi)選定1個代表性點位，然后以代表性點位為中心等距（200 m）選定4個點位，采用“梅花采樣法”多點取樣，最后組合成一個樣品，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，裝入樣袋貼好標簽，待測。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)督檢驗測試中心進行品質(zhì)分析。

1.2 分析測定方法

共測定6個微量營養(yǎng)元素指標（Cu、Mn、B、Mo、Ni和S，全量和有效量），5個稻米品質(zhì)指標（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)譜法測定；全Mn采用X-射線熒光光譜法測定；全B采用交流電弧-發(fā)射光譜法測定；全S采用EDTA間接滴定法測定。有效Cu、Mn和Ni采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法測定；有效Mo采用Tammi試劑提取-等離子體質(zhì)譜法測定；有效B采用沸水提取-等離子體光譜法測定；有效S采用酸性溶液浸提-硫酸鋇比濁法測定。pH值用水浸提樣品，采

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

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析、相關(guān)性研究以及正態(tài)分布檢驗；應(yīng)用GS+9.0進行微量營養(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)計分析模塊中的克里格插值法進行空間分布規(guī)律的研究。

1.3.1 地統(tǒng)計分析

本次選取6種微量營養(yǎng)元素，運用半方差變異函數(shù)方法進行空間變異特性的研究。該方法首先要對數(shù)據(jù)進行半方差函數(shù)分析，選取適合的半方差函數(shù)模型，再運用克里格法進行空間插值。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)分析對數(shù)據(jù)優(yōu)化處理的方法之一。該方法可以對研究區(qū)內(nèi)未調(diào)查取樣部位的土壤信息進行線性無偏最優(yōu)估計［10］，并可實現(xiàn)點信息向面信息的轉(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個指標（表2），應(yīng)用SPSS 22.0進行微量營養(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。分析認為，區(qū)內(nèi)稻米透明度和整精米率達到了我國農(nóng)業(yè)行業(yè)食用稻品種品質(zhì)標準（NY/T 593-2013）所規(guī)定的一等級，而膠稠度和直鏈淀粉（干基）為二等級。蛋白質(zhì)含量較高，均值為7.56%，有相關(guān)研究認為蛋白質(zhì)含量在6%～7%質(zhì)量最優(yōu)［12］。

表2 主要稻米指標值的描述性統(tǒng)計特征

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)計分析

通過文獻檢索，整理了土壤中S、Mn、B、Cu、Mo和Ni有效態(tài)含量評價標準［13-17］（表3）。對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(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，具有相對較高的空間異質(zhì)性。

表3 土壤有效態(tài)微量元素含量評價標準 （mg/kg）

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

2.2 空間變異性研究

元素數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計只能概略說明含量的整體變化趨勢，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、獨立性、隨機性和結(jié)構(gòu)性等［9］，因此需要應(yīng)用地統(tǒng)計學方法進一步研究。

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性因素的影響。有效S和Mn的基臺值較高，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，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，這與前期數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計分析結(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，這與農(nóng)田的水稻種植年限有關(guān)，該區(qū)2018年實施的旱改水工程，水稻種植年限短，土壤的鹽漬化程度相對較高。有效Cu在局部區(qū)域呈異常相對高的斑塊狀，這可能由人為活動對土壤造成的污染所致［11］。有效Mn分布相對復(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，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)最重要的指標之一，與有效Mo呈極顯著負相關(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呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；直鏈淀粉與有效Mo呈顯著負相關(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)含量相對較高（表4）。與全國第二次土壤普查［19］的數(shù)據(jù)對比，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，多呈面狀展布，而有效S卻在兩個區(qū)域出現(xiàn)高值，有雙向異性的特征。分析認為，有效S受天津濱海區(qū)硫酸鹽-氯化物類型鹽漬化土壤內(nèi)在屬性的影響較大。有機質(zhì)和pH值對區(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值呈負相關(guān)［20］。

研究認為，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)指標表現(xiàn)優(yōu)異。前人對天津小站稻米的品質(zhì)指標進行了深入研究，且與稻花香米和中日泰優(yōu)質(zhì)稻米在品質(zhì)上進行了對比［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)指標都相對較高。然而，較高的蛋白質(zhì)含量對小站稻米的食味品質(zhì)影響較大，前人研究認為，稻米蛋白質(zhì)含量在6%～7%之間最好，超過7%食味就會降低［21］。研究區(qū)稻米蛋白質(zhì)含量平均為7.56%，最高可達8.4%，嚴重影響了食味品質(zhì)。通過實地調(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)的同時達到節(jié)肥增效的目的。

4 結(jié)論

本次研究對指導(dǎo)天津小站稻種植區(qū)土壤的施肥工作和進一步提升稻米品質(zhì)具有較高的參考價值。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，具有相對較強的空間異質(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，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)指標具有顯著相關(guān)性。