仙桃市西南部耕层土壤中养分元素有效量和有效度研究

徐宏林, 付 豪, 叶 岛, 张明杰, 胡江龙

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

仙桃市西南部耕层土壤中养分元素有效量和有效度研究

徐宏林1, 付 豪1, 叶 岛1, 张明杰2, 胡江龙1

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

对仙桃市西南部耕层土壤中12种养分元素的有效量和有效度进行研究,工作区耕层土壤中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,农业生产中肥料的施用对农作物的生长有直接的作用,不同养分元素的有效度相差十分悬殊,为提高耕层土壤中养分元素有效量,不仅可以通过增加该元素的全量,还可以通过提高该元素的有效度。工作区耕层土壤中养分元素在现有的含量水平下,土壤中养分元素有效度对有效量的影响大于土壤全量对有效量的影响。大多数养分元素有效度与pH值、有机质含量、CEC有关,在仙桃市西南部弱碱性耕层土壤中,土壤碱性越弱,N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等元素的有效度越大;有机质的积累可导致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。此研究为保证耕层土壤中养分元素有充足的有效量,及提高其有效度提供了对策。

耕层土壤;养分元素;有效量;有效度;仙桃市

仙桃市土地质量地球化学评价是湖北省“金土地”工程——高标准基本农田地球化学调查的工作项目,耕层土壤中的养分元素是该项目的重要调查和评价内容。土壤中的养分元素含量是评价土壤可利用性的重要因子,包括土壤中的植物营养元素(即植物体内必需的营养元素)及有益元素(即对某些植物的生长发育能产生有利的影响的元素)[1]。土壤植物营养及有益元素通常用全量和有效量来表示,土壤元素全量是指该元素在土壤中总的含量;土壤元素有效量是土壤元素有效态的含量,指以相对活动态存在于土壤中,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该元素有效量与其全量的百分比[2-3]。有效量和有效度的研究能够反映不同地球表生环境下土壤中元素有效态的特征和影响因素[4-6]。通过对仙桃市西南部工作区(包括仙桃市通海口镇、沔城回族镇、陈场镇、剅河镇、九合垸原种场共494 km2)147个耕层土壤采样点的12种养分元素的全量及有效态含量的研究分析,为当地耕层土壤中养分元素的丰缺评价、养分元素利用率的提高、土壤改良、科学施肥等提供有益的依据。

1 材料采集与分析

1.1 样品采集与加工

在仙桃市西南部工作区范围内,采集典型耕地耕层土壤,采样点总体上较均匀分布在工作区,采集深度20 cm,每个样品在直径50 cm范围内按梅花点法选择3～5个子样混合组成,样重为2 kg,采样避开沟渠、林带、田埂、路边、旧房基、粪堆及微地形高低不平无代表性地段。采样时间为2015年7月14日—8月15日,共采集土壤样品147件。土壤样品风干、敲碎,除去石块、根系、秸杆、虫体等杂物,用四分法分成两份样:一份过20目筛后,送实验室进一步加工,测定元素全量;另一份直接送实验室,进一步加工后测定元素有效量。

1.2 检测与分析方法

土壤元素全量和有效量的分析测定由湖北省地质实验测试中心完成。各项元素和指标测试依据中华人民共和国国土资源部《多目标区域地球化学调查规范(1∶25万)》(DZ/T 0258—2014)、中国地质调查局《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005—03)等相关规定执行。其中土壤全量测定,Cu、Zn、Mo等元素采用电感耦合等离子质谱法,CaO、MgO、Mn等元素采用电感全谱耦合直读光谱法,SiO2、TFe2O3、K2O、P等指标采用X射线荧光光谱法,B元素采用粉末发射光谱法,N元素采用酸碱容量法,OrgC采用氧化还原法。土壤元素有效量浸提及测定方法见表1。

表1 土壤元素有效量提取与测定方法Table 1 Nutrient element available content extraction and determination method

注:表中计量单位为mg/kg;CEC为mmol/L;pH为无量纲。

2 土壤中养分元素有效量及有效度特征统计

2.1 土壤中养分元素的有效态含量和有效度

将147件耕层土壤样品测试的养分元素的全量和有效量数据进行统计,并计算各个元素的有效度,见表2。

分析测试数据表明,147件样品中养分元素全量

依次(中值,单位均为10-6):Si为288 194,Fe为41 698,K为22 736,Ca为13 814,Mg为13 074,N为1 495,Mn为850,P为830.6,Zn为100.85,B为52.13,Cu为34.52,Mo为0.96,反映了仙桃工作区土壤养分元素丰度特征。土壤有效态测试结果统计得到的元素有效量依次(中值,单位均为10-6):Ca为5 404,Si为353,Mg为336.32,K为144.59,N为104.78,Fe为57.51,Mn为25.15,P为20.50,Cu为3.37,Zn为0.95,B为0.34,Mo为0.22(表2)。对比元素全量与有效量排序可以发现,仙桃工作区耕层土壤中养分元素全量与有效量的变化趋势并不一致,反映了土壤元素丰度和元素表生地球化学性质等因素的共同作用。由表2,仙桃工作区耕层土壤中养分元素有效度(中值,单位为%)从大到小的顺序是:Ca为38.58,Mo为22.28,Cu为9.97,N为6.87,Mn为3.04,Mg为2.82,P为2.58,Zn为1.00,B为0.66,K为0.63,Fe为0.14,Si为0.12,可见不同元素的有效度相差十分悬殊。为提高耕层土壤中养分元素有效量,不仅可以通过增加该元素的全量,还可以通过提高该元素的有效度。

2.2 耕层土壤中养分元素有效态含量分级统计

将147件耕层土壤样品有效态含量数据与土壤有效态含量分级标准进行对比,统计各元素有效态含量对应的级别,达到初步判断土壤中该元素有效态含量的丰缺。土壤养分有效态含量的分级标准主要参照全国第二次土壤普查养分分级标准,其中划分为六级的养分分级标准,将第五级与第六级标准进行了合并[7],各养分元素有效态含量分级标准见表3。

样品统计见表3。结果表明,土壤有效量很丰—适中比例从大到小依次为:有效钙100%,有效铁100%,有效锰100%,有效铜100%,有效硅100%,有效镁99.32%,有效锌93.20%,有效磷87.76%,有效钼81.63%,有效钾72.79%,有效氮66.67%,有效硼18.37%。由此可见,工作区耕层土壤中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元素有效量较低,其中五级缺乏占17.69%,四级稍缺占63.95%,总体上很缺乏。工作区需结合农业种植情况,通过合理途径提高耕层土壤中B、N、K、Mo、P等养分元素的有效量,以保证农作物的生产。

表2 仙桃市工作区土壤元素有效量与有效度Table 2 Nutrient elements available content and availability of working area in Xiantao City

表3 土壤样品养分元素有效量分级与比例统计Table 3 Statistics of nutrient element available content classification and proportion in soil samples

注:表中分级单位为mg/kg;比例单位为%。

2.3 地质单元与耕层土壤中元素有效量、有效度

根据仙桃工作区的地质单元情况,将耕层土壤元素有效量和有效度按全新世郭河组冲积层(Qhgal)、全新世郭河组冲湖积层(Qhgal-l)、全新世郭河组湖沼积层(Qhghl)三种不同的地质单元进行分类统计(见表4)。各地质单元土壤中有机质含量(算术平均值,单位为%)分别是:Qhgal为2.41,Qhgal-l为2.65,Qhghl为3.12。各类土壤pH 值(中值)分别是:Qhgal为8.13,Qhgal-l为7.92,Qhghl为7.83。

对此三种不同的地质单元上形成的土壤,其有效量和全量大小顺序不一致,有效量和有效度大小顺序非常一致,其中P、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、B、Mo、Si等元素的有效量与有效度大小顺序完全一致,N、Mn等元素的有效量与有效度大小顺序基本一致,反映了此三种地质单元上的土壤有效度对有效量的影响明显。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,质地适宜,相对富含有机质,土壤pH值相对较小,是导致P、Ca、Mg、Mn、Cu、Mo等元素有效度相对较高的重要原因。

2.4 土壤类型与元素有效量、有效度

根据仙桃工作区的土壤类型分布情况,将土壤元素有效量和有效度按灰潮土田、灰青泥田、烂泥田、砂土型灰潮土、壤土型灰潮土五种不同的土壤类型进行分类统计,结果见表5 。各类土壤中有机质含量(算术平均值,单位为%)分别是:灰潮土田为3.00,灰青泥田为2.38,烂泥田为2.34,砂土型灰潮土为1.91,壤土型灰潮土为2.19,其中灰潮土田最富含有机质,砂土型灰潮土有机质最低。各类土壤pH 值(算术平均值)分别是:灰潮土田为8.06,灰青泥田为7.98,烂泥田为8.00,砂土型灰潮土为8.33,壤土型灰潮土为8.15,各种类型的土壤都呈弱碱性。

表4 不同地质单元土壤元素有效量与有效度Table 4 Soil elements available content and availability in different geological units

对比不同类型的土壤间养分元素,其有效量和全量大小顺序不一致,有效量和有效度的变化趋势基本一致,其中K、Fe、Mn、Zn、B、Si等元素的有效量与有效度大小顺序完全一致,N、P、Ca、Mg、Cu、Mo、Se等元素的有效量与有效度大小顺序基本一致;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等元素有效度在烂泥田中最大,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。总体上,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层土壤中P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Mo、Si等养分元素的有效度,旱耕熟化有利于提高耕层土壤中N、K、Zn、B、Se等养分元素的有效度。

表5 不同土壤类型土壤元素有效量与有效度Table 5 Soil elements available content and availability in different soil types

3 有效量和有效度的影响因素分析

3.1 耕层土壤中元素全量与有效量的关系

仙桃工作区147件耕层土壤样品统计分析表明,各元素全量与有效量相关系数分别是:N为0.726 8,P为0.756 7,K为0.481 1,Ca为0.633 8,Mg为0.343 8,Fe为0.119 2,Mn为0.183 3,B为0.077 5,Mo为0.490 7,Cu为0.471 8,Zn为0.297 7,Se为-0.117 9,Si为-0.464 2。即N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Mo等元素有效量总体上受总量的明显影响,因此农业生产中N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Mo等肥料的施用对农作物的生长有直接的作用。

3.2 土壤pH值对有效度的影响

统计分析表明,元素有效度和土壤pH值的相关系数分别是:N为-0.346 8,P为-0.114 9,K为-0.214 9,Ca为0.119 6,Mg为-0.390 5,Fe为-0.609 0,Mn为-0.664 0,B为-0.213 1,Mo为-0.250 4,Cu为-0.448 7,Zn为-0.685 3,Se为0.154 9,Si为0(置信度α=0.01时,显著相关临界值约为0.228)。反映了大多数养分元素有效度受土壤pH值影响明显,其中N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等养分元素的有效度与土壤pH值显著负相关,在仙桃市西南部弱碱性耕层土壤中,土壤碱性越弱,N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等养分元素的有效度越大(图1)。

3.3 土壤有机质对有效度的影响

统计分析表明,元素有效度和土壤有机质的相关系数分别是:N为-0.212 6,P为0,K为0.368 5,Ca为0.349 3,Mg为0.598 8,Fe为0.261 0,Mn为0.472 3,B为0.397 1,Mo为0.142 8,Cu为0.412 7,Zn为0.167 9,Se为-0.371 2,Si为0.244 9(置信度α=0.01时,显著相关临界值约为0.228;置信度α=0.05时,显著相关临界值约为0.174)。其中K、Ca、Mg、Mn、Cu、B的有效度与有机质呈正相关性,表明耕层土壤对有机质的积累可导致K、Ca、Mg、Mn、Cu、B等元素有效度的提高,使土壤中这些元素的生物有效量增加,有利于作物对这些元素吸收利用。相反,土壤中N元素有效度与有机质含量呈负相关性,表明土壤有机残体分解较慢时,土壤碳氮比过大,造成微生物与农作物争夺土壤中的有效氮,不利于农作物的生长,故秸秆直接还田时应该增施氮肥,或者增加秸秆堆沤还田、过腹还田。

图1 土壤pH值对元素有效度的影响Fig.1 Effect of soil pH on element availability

3.4 土壤阳离子交换量对有效度的影响

统计分析表明,元素有效度和土壤CEC的相关系数分别是:N为-0.215 4,P为0.097 5,K为0.322 5,Ca为0.656 9,Mg为0.627 9,Fe为0.072 8,Mn为0.262 5,B为0.093 8,Mo为0.317 6,Cu为0.116 6,Zn为0,Se为-0.160 3,Si为0.804 9(置信度α=0.01时,显著相关临界值约为0.228)。其中K、Ca、Mg、Mo、Si的有效度与有机质呈正相关性,表明耕层土壤CEC越大,K、Ca、Mg、Mo、Si等元素的有效度越大。

4 结论

(1) 工作区耕层土壤中Ca、Fe、Mn、Cu、Si等养分元素有效量完全不缺;Mg、Zn等养分元素有效量基本不缺;P、Mo、K、N等养分元素有效量部分缺乏;B元素有效量很缺乏。

(2) 工区内,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层土壤中P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Mo、Si等养分元素的有效度,旱耕熟化有利于提高耕层土壤N、K、Zn、B等养分元素的有效度。农业生产中需加强耕作管理,防止旱涝灾害的发生。工作区现有的土壤养分水平下,耕层土壤中养分元素有效度对有效量的影响大于土壤全量对有效量的影响。

(4) 农业生产中N、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Mo等肥料的施用对农作物的生长有直接的作用,不同养分元素的有效度相差十分悬殊,为提高耕层土壤中养分元素有效量,不仅可以通过增加该元素的全量,还可以通过提高该元素的有效度。仙桃市西南部为保证耕层土壤中养分元素充足的有效量,需要持续补充N、P、K、Mo等肥料。

(5) 大多数养分元素有效度与pH值、有机质含量、CEC有关,在仙桃市西南部弱碱性耕层土壤中,土壤碱性越弱,N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等元素的有效度越大;有机质的积累可能导致K、Ca、Mg、Mn、Cu、B有效度的提高,使土壤中这些元素的生物有效量增加,有利于作物对这些元素吸收利用;土壤CEC越大,K、Ca、Mg、Mo、Si等元素的有效度越大。因此,要通过增加土壤有机质改善土壤理化性质来提高耕层土壤中养分元素的有效度。

[1] 黄凌云,黄锦法.测土壤配方施肥使用技术[M].北京:中国农业出版社,2014.

[2] 周国华,吴小勇,周建华.浙北地区土壤元素有效量及其影响因素研究[J].第四纪研究,2005,25(3):316-322.

[3] 何振立,章明奎,黄昌勇,等.嵊县几种主要土壤硒的状况及有效度评价[J].生态学报,1994,14(1):51-56.

[4] 唐丽静,王冬艳,宋诚亮.山东省沂源县耕层土壤营养元素有效态含量及其影响因素研究[J].山东农业科学,2014,46(8):71-74.

[5] 王雪梅,柴仲平,毛东雷.不同质地耕层土壤有效态微量元素含量特征[J].水土保持通报,2015,35(2):189-192.

[6] 张智,任意,鲁剑巍.长江中游农田土壤微量养分空间分布特征[J].土壤学报,2016,53(6):1489-1496.

[7] 中华人民共和国国土资源部.土地质量地球化学评价规范:DZ/T 0295—2016[S].北京:地质出版社,2016.

(责任编辑：于继红)

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

湖北省仙桃市土地质量地球化学评价(二期)(项目编号:HBJTD20150101)。

徐宏林(1975-),男,高级工程师,硕士,第四纪地质专业,从事应用地球化学方面的研究工作。E-mail:xhlingeo@qq.com

S158

A

1671-1211(2017)03-0278-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.009

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1555.034.html 数字出版日期:2017-05-16 15:55