防護林區土壤酸堿度與礦質元素質量分數的關系分析

AnalysisoftheRelationshipBetweenSoilpH and Mass Fraction of Mineral Elements in Shelter Forest Areas

Zhang Lingling1，Li Jing2＊ ，Du Hongzhi3 （Heilongjiang Province Aquatic Animal Resources Conservation Center，Qiqihar 161oo5，China; 2.Heilongjiang Qiqihar Wetland Nature Reserve Protection Center，Qiqihar l6loo6，China; 3.Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Forestry，Qiqihar 16loo5，China）

Abstract In order to understand the relationship between soil pH and the mass fraction of mineral nutrients in the shelter forest areas，and theefects of soil pHand mineral elements onthe productivityand ecologicalfunctionof the shelter forest，the shelter forest of Dongfanghong Forest Farmin Tailai County was taken as the research area，and 30 sampling points were set up. Soil samples were collected from 0-20cmandgt;20-40cm soil layers. The soil pH and the massfractions of organic mater，total nitrogen，available phosphorus and available potassium，as wellas the molar mass concentrations of exchangeable calcium and exchangeable magnesium were determined，and the correlation analysis was carried out. The results showed that the pH of the test area was 6.5-7.2 that was neutral to slightly alkaline on the whole，the mass fraction of total nitrogen was 10-35g?kg^-1 ，which had good nitrogen supply capacity. The mass fraction of available phosphorus was 10.9-15.2mg?kg^-1 ，which was generally low. The mass fraction of available potassium was 102-115mg ?kg^-1 ，which was moderately available. The mass molar concentrations of exchangeable calcium and exchangeable magnesium were 7.8-9.8cmol?kg^-1 and 3.0-4.1 cmol kg^-1 ，respectively，which were generally high. There was a positive correlation between pH and total nitrogen，available phosphorus，available potassium，exchangeablecalcium and exchangeable magnesium，and the corelation coefficient was 0.82-0.90 . With the increase of pH ，the mass molar concentrations of exchangeable calcium and exchangeable magnesium increase，which is beneficial to the release and absorption of calcium and magnesium.

Keywordsshelterforestarea;soil pH ;mineral nutrient elements;correlation analysis;soil improvement

土壤酸堿度與礦質營養元素含量是影響防護林區土壤質量和生態功能的重要因素。本研究以典型防護林區為研究對象，對土壤的酸堿度分布特征及其對礦質營養元素的質量分數與有效性的影響進行系統分析。通過采集不同土壤酸堿度條件下的樣品，對其氮、磷、鉀、鈣和鎂等主要礦質營養元素進行測定，采用相關性分析與回歸分析的方法，揭示其耦合關系。本研究還對土壤酸堿度變化的驅動因素及其生態效應進行了探討，并就土壤改良提出了針對性的建議。

1研究區概況

選取黑龍江西部的齊齊哈爾市泰來縣東方紅林場防護林區作為研究區域。該地區地處我國東北平原腹地，地勢平坦，地理位置為 46^°20^′19^′′-46^°29^′ 11^′′N，123^°23^′53^′′-123^°29^′46^′′E ，氣候屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為 3～5°C ，降水多集中于夏季，年降水量 400～600mm 。區域內土壤類型以沙土為主，具備較高的肥力和顯著的礦質營養差異性，是典型的農林復合生態系統。防護林廣泛分布于農田周邊和水土流失易發區，主要樹種包括楊樹、樟子松、柳樹和榆樹等，具有較強的生態適應性和防護功能。由于人類活動和自然環境的綜合作用，該區域土壤質量面臨一定程度的退化和酸化風險，為研究土壤酸堿度與礦質營養元素關系提供了條件。

2研究方法

2. 1 采樣與測定

在研究區域內，按照土壤類型和植被分布特點設置30個采樣點，將區域劃分成不同板塊，按比例在各板塊內隨機選定采樣起始位置，以其為中心，向四周輻射，各采樣點再依五點取樣法，即采集中心點與4個方向邊點的土壤樣品，具體方法流程見圖1。

圖1采樣與測定方法流程

采樣深度分為 0～20cm 和 gt;20～40cm 兩層，使用土鉆采集表層土和亞表層土樣，土樣采集后立即裝入密封袋，標記編號并運輸至實驗室。每個采樣點混合后形成一份均質樣品，樣品總量為60份。在實驗室中，將土壤樣品自然風干后，過 2mm 篩，除去石塊和植物殘體備用。

土壤酸堿度（pH）采用 1：2.5 土水懸液法，用精密 pH 計測定；有機質質量分數通過重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全氮（N）采用凱氏定氮法，速效磷（P）采用 0.5mol?L^-1NaHCO₃ 浸提一鉬銻抗比色法；速效鉀（K）通過 1mol?L^-1 中性醋酸銨浸提一火焰光度法測定 [1-2] ;交換性鈣（Ca）和鎂（ Mg 通過乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法測定。所有測定嚴格按照國家土壤質量檢測標準進行，平行樣品重復測定3次，計算平均值，確保數據可靠性和精確性。最終將各采樣點的測試數據匯總，用于后續統計分析和相關性研究。

2.2 數據分析

采用多種統計與數學分析方法，以探討防護林區土壤酸堿度與礦質營養元素質量分數之間的關系。利用描述性統計分析計算土壤酸堿度（pH）和礦質營養元素（如全氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣和鎂）的均值、標準差及變異系數，揭示樣品的分布特征。通過皮爾遜相關性分析，評估 pH 與各礦質營養元素質量分數之間的相關程度，計算相關系數 r 其公式如下

式中： x_i 和 y_i 分別為 pH 和礦質營養元素的觀測值， 和 為其均值； r 取值范圍為 [-1，1] ，表示正相關、負相關或無相關性。運用一元線性回歸模型分析 pH 對礦質營養元素有效性變化的影響，回歸方程為

y=β₀+β₁x+ε

式中： y 為礦質元素有效性； x 為 pH;β₀ 和 β₁ 分別為截距和回歸系數； ε 為誤差項。結合方差分析（ANOVA）檢驗不同 pH 區間內礦質營養元素差異的顯著性，探索土壤酸堿度在礦質元素供給中的調控作用。通過多層次的統計分析，揭示防護林區土壤環境的生態機制。

3結果與分析

通過對研究區域內采樣點的土壤酸堿度和礦質營養元素質量分數進行分析，探討了各指標之間的關系以及不同因素對土壤特征的影響。

3.1土壤酸堿度的分布特征

由表1可知，黑龍江西部泰來防護林區土壤的pH 為 6.5～7.2 ，整體呈現中性至微堿性的特征。其中， pH 最低為6.5，出現在采樣點3；最高為7.2，出現在采樣點2，表明區域內土壤酸堿度存在一定的空間變異性。多數采樣點的pH集中在 6.7～ 7.0，顯示區域土壤酸堿度相對穩定且均衡。這種酸堿度的分布特征可能與區域內土壤的礦質組成、植被類型及水分循環狀況密切相關，為土壤中礦質營養元素的有效性及其分布規律奠定了基礎。同時，pH對土壤養分的吸收和轉化起到關鍵作用，對防護林生態系統的穩定性具有重要影響。

表1數據分析結果

3.2 礦質營養元素質量分數特征

根據表1分析，研究區域土壤中的礦質營養元素質量分數存在一定的空間差異。全氮質量分數為10～35g?kg^-1 ，采樣點3的全氮質量分數最高，顯示該區域土壤有較好的氮素供應能力；而采樣點2的全氮質量分數最低，可能與植被覆蓋及土壤有機質分布有關。速效磷質量分數為 10.9～ 15.2mg?kg^-1 ，整體偏低，說明區域內土壤速效磷的有效性可能受到一定限制，尤其在采樣點5表現出最低值，需要通過施肥改良。速效鉀質量分數為102.0～115. 0mg?kg^-1 ，具有中等可供性，其中采樣點3的速效鉀質量分數最高，表明該點土壤中鉀離子交換能力較強。交換性鈣和交換性鎂的質量摩爾濃度分別為 7.8～9.5 cmol·kg^-1 和 3.0～ 4.1cmol?kg^-1 ，整體呈現較高水平，尤其是采樣點2的交換性鈣和鎂質量摩爾濃度最高，說明區域內土壤鈣鎂供應能力較強。相關分析顯示， pH 與各礦質元素呈顯著正相關，表明土壤酸堿度對礦質元素的可供性具有重要影響。

3.3土壤酸堿度與礦質營養元素含量的相關性

研究區域土壤酸堿度（pH）與礦質營養元素質量分數之間存在顯著的相關性，具體見表1。從礦質營養元素綜合相關系數看， pH 與全氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂均呈現正相關關系，相關系數為 0.82～0.90 。表明土壤pH對礦質營養元素的可供性具有重要影響。隨著 pH 的升高，交換性鈣和鎂的質量摩爾濃度增加明顯，例如，采樣點2的 pH 為7.2，其交換性鈣和鎂質量摩爾濃度分別為 9.5.4.1cmol?kg^-1 ，均為最高值，這表明中性偏堿的土壤更有利于鈣鎂元素的釋放和吸收。同樣，速效鉀和速效磷在偏中性土壤中的質量分數也較高，但相關性相對較弱，這可能與區域內土壤類型及元素本身的化學行為有關?？傮w上， pH 是調控土壤礦質營養元素可供性的重要因素，優化土壤酸堿度對于改善土壤肥力具有積極意義。

3.4不同土壤酸堿度條件下礦質元素的有效性變化

根據表1分析，不同 pH 條件下土壤中礦質營養元素的有效性呈現一定的變化規律。隨著土壤pH 的升高，交換性鈣和鎂的質量摩爾濃度顯著增加，表明中性偏堿環境更有利于鈣鎂元素的釋放和吸收。而速效磷和速效鉀的含量在pH偏中性（6.7～6.8） 時較高， pH 進一步升高時，這些元素的有效性略有下降，這可能與磷鉀在堿性條件下的化學結合或固定作用增強有關。全氮含量與pH關系不明顯，但在 pH 相對較低的6.5時達到最高值（35g?kg^-1 ），表明酸性土壤可能更適合氮素的積累。總體看，土壤酸堿度顯著影響礦質元素的有效性，不同元素在不同 pH 條件下的行為特征應作為土壤肥力管理的重要依據。

4討論

4.1 防護林區土壤酸堿度變化的驅動因素

多種因素共同影響，使防護林區土壤酸堿度發生變化。1）土壤酸堿度受氣候因素影響較大。通過影響土壤水分和蒸發量，土壤溶液中的離子濃度發生變化，進而影響土壤的酸堿度，形成降水、溫度和濕度等氣候要素的變化。如降水過多，可能造成土壤水分飽和，進而使土壤酸性反應增加，而堿性物質則可能促使土壤在干旱條件下蓄積，使土壤pH升高。2）土壤類型和母質對土壤酸堿度的變化也起著至關重要的作用。不同類型的土壤礦物成分和化學性質不同，如沙質土壤或石灰巖土壤通常pH較高，而黏土或腐殖質含量較高的土壤則可能呈現較低的pH 。3）植物的影響也是一個重要因素，特別是防護林的植物種類和覆蓋度。防護林通過根系的分泌物和植物殘體的分解，會直接影響土壤中的酸性物質釋放，某些植物的根系分泌物如有機酸可以降低土壤的pH。4）人類活動也不可忽視，農業活動中施用的化肥，尤其是含氮化肥，會使王壤酸化；而有機肥的使用則有助于提升土壤的 pH 。5）土壤的水文狀況、施肥管理以及林業管理措施等也會對土壤的酸堿度變化產生長期影響。因此，防護林區土壤酸堿度的變化是多種因素共同作用的結果，涉及自然因素與人為因素的復雜互動。

4.2土壤酸堿度與礦質營養元素交互作用的生態效應

土壤酸堿度顯著地影響著礦質營養元素的可用性，也影響著植物對養分的吸收。在酸性土壤中，較高的氫離子濃度會導致某些礦質元素（如鋁、鐵）的溶解度升高，從而使這些元素毒性增強，對植物生長產生抑制作用。同時，較低的 pH 會降低鈣、鎂、鉀等元素的有效性，植物根系對這些營養成分難以有效吸收，從而造成植物生長受到限制。另一方面，氫離子濃度較低的堿性土壤會造成磷、鐵等元素形成不易溶解的化合物，使其有效性下降，從而影響植物吸收這些元素。土壤 pH 也會影響礦質元素的離子交換過程，使鈣、鎂等元素釋放到土壤溶液中，提高其可利用性，氫離子會取代其他營養元素在酸性土壤中的交換位置，但這一過程也有可能造成對環境污染的某些有害元素的釋放。因此，土壤酸堿度不僅影響植物生長，而且對生態系統的長期穩定性和生產力產生深遠影響。

4.3 改良建議

針對防護林區土壤酸堿度對礦質營養元素有效性的影響，提出以下改良建議：1）定期施用石灰、石膏等堿性物質中和酸性土壤，提高pH，提高土壤礦質元素的可用性，以加強土壤酸堿度的調控，以緩解土壤酸化現象。2）對土壤中pH過高的地區，要保證磷、鐵等元素的溶解度，以硫黃等酸性物質的施用來降低 pH ，促進植物吸收。3）土壤營養平衡可通過合理施肥的方式進行調節，避免單元肥施用過多，造成土壤酸化或營養物質不均衡的現象發生。尤其是在土壤速效鉀、鈣質量分數較低的地區，為了提高植物吸收礦質營養的能力，可以適當增加這些元素的補充量。4）結合合理的作物輪作和間作模式，根據不同區域的土壤特征，增強土壤的生物活性和結構穩定性，制定個性化的改良方案，以提高土壤改良效果。5）通過科學評估土壤酸堿度與礦質元素質量分數之間的關系，及時調整改善措施，實現生態治理和農業生產可持續發展，持續的土壤監測和數據分析至關重要。

5結論

本研究揭示了防護林區土壤酸堿度與礦質營養元素質量分數之間的復雜關系。土壤pH的變化顯著影響礦質元素的有效性，進而影響植被生長和生態系統穩定性。通過對土壤pH與各礦質營養元素關聯性分析發現，中性的土和微酸性土中鈣、磷等元素有效率較高，并且抑制了鉀、鎂在酸性土壤中的有效性。展望未來，需要加強防護林區土壤的長期監測，針對不同土壤類型提出細化的改良措施，為區域生態保護和農業可持續發展提供科學依據。

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