县域尺度农田生态系统土壤养分特征研究

周进财，杨 苗，杨萍果

（1.山西师范大学生命科学学院，山西临汾041000；2.山西农业大学文理学院，山西太谷030801）

土壤养分作为土壤重要的化学特征，受母质、气候、地形、施肥、耕作措施等诸多因素的影响，呈现出特定的规律和分布特征[1-6]。县域是国家行政管理的基本单元，县域尺度下的土壤养分变异规律研究，将有利于区域的农业技术推广、合理施肥和农业的可持续发展[7-10]。

本试验以国家小麦产业技术体系山西综合试验站基地襄汾县为研究区域，探讨小麦—玉米轮作下耕作层土壤养分及Fe，Mn，Cu，Zn，B和S这6种中、微量元素含量的分布特征及变化规律，旨在为该区域农业可持续发展、合理施肥、农田生态系统恢复及评价提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

襄汾县位于山西中南部，地处东经111°04′～111°39′，北纬35°42′～36°02′，总面积1 034 km2，有13个乡镇，50万人口，6万hm2耕地。该区地貌类型复杂，包括山地、丘陵、平川，土壤为黄土及黄土状母质，土壤类型以碳酸盐褐土、山地淋溶褐土、草甸土为主；属暖温带半干旱大陆性气候，年均气温12.6℃，温度由北向南递增，沿汾河两岸向东西两山递减，年降水量420～650 mm；汾河是该县的主要河流，由北向南纵贯全境，将全县分为河东、河西2个部分。

1.2 土样采集和分析

用GPS定位并记录取样点的经纬度，布点时主要考虑土壤类型、土地利用状况、样点分布均匀性等因素，全县共采集100个土样。采样时间为2009年6月，采集农田耕作层0～20 cm土样，以每个取样点为中心，用土钻在直径10 m范围内随机取8～10个土样组成一个混合土样，作为待测品装入袋中，带回实验室分析备用。

在实验室将土壤自然风干，去除杂质磨细过筛备用。用电位法测定pH值，有机质测定采用重铬酸钾油浴外加热法，全氮用半微量开氏定氮法测定，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰分光光度法，Fe，Mn，Cu，Zn，B和S用原子吸收分光光度法测定。为了确保分析结果的可靠性和准确性，每批样品、每个项目均有2个标准样、2个空白平行全程和20%的平行样待测。

1.3 数据处理

土壤理化性质的描述性统计、正态分布性检验和主成分分析均采用SPSS13.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质的描述性统计分析

由表1可知，研究区土壤pH值为7.60～9.00，平均值为8.12，表明土壤呈弱碱性，这与北方石灰性土壤有关，变异系数为2.57%，小于10%，呈弱变异，表明pH值的均匀分布程度较高；土壤有机质的含量范围为0.90～34.54 g/kg，极差为33.64 g/kg，平均值为11.41 g/kg，变异系数为58.12%，按照1980年全国第二次土壤普查的养分分级标准，其属中等水平；土壤全氮含量的范围为0.36～2.40 g/kg，极差为2.04 g/kg，平均值为1.01 g/kg，变异系数为41.31%，有机质和全氮在耕层土壤含量范围的变化幅度均较大，说明有机质和全氮含量在土壤中存在明显差异。

研究区土壤速效磷含量的范围为2.80～111.10 mg/kg，均值为15.55 mg/kg，变异系数为107.52%，属于强变异，说明表层土壤生物有效磷供应水平较高，且呈现明显的不均匀性分布。速效钾含量范围90～420 mg/kg，均值201.75 mg/kg，变异系数为39.01%，属于中等变异程度。

表1 土壤理化性质描述性统计

全县耕层Fe，Mn，Cu，Zn这4种微量元素全量含量分别为1.06～11.90，0.86～17.27，0.48～5.01，0.02～7.74 mg/kg，变异系数分别为53.33%，54.63%，55.96%和87.10%，表明除Zn元素属于强变异外，Fe，Mn，Cu元素都属于中等变异程度，其含量均值分别为4.55，6.74，1.14，1.33 mg/kg，远低于全国平均水平。这主要是由于Fe，Mn，Cu，Zn这4种阳离子在碱性条件下呈氢氧化物形态，溶解度大减，其含量有效态也随之而下降，说明襄汾县土壤普遍缺乏微量元素。

B元素的含量变幅为0.28～1.48 mg/kg，均值为0.69 mg/kg，变异系数为33.76%，属于中等变异；S元素的含量变幅为10.63～759.03 mg/kg，均值为71.07 mg/kg，变异系数为137.14%，属于强变异，说明县域耕层S含量差异很大。

2.2 土壤理化性质的相关分析

由表2可知，土壤pH值与有机质、全氮、S含量呈显著负相关，相关系数分别为-0.375，-0.276，-0.529；有机质与Mn、全氮、S含量呈极显著正相关，与速效磷和Zn含量呈显著正相关；有机质是反映土壤肥力的重要指标，其通过吸附、络合对土壤元素在表层的富集起重要作用。全氮与速效磷、有效硫含量呈极显著正相关；速效磷与Cu，Zn呈极显著正相关，与速效钾呈显著正相关；Fe与Mn和Cu呈极显著正相关；而B与表层土壤养分有弱的正相关，与Mn，Cu，Zn呈弱的负相关，但都未达显著水平。有效硫与有机质、全氮呈极显著正相关，与pH值呈极显著负相关。

表2 土壤理化性质的相关性分析

2.3 土壤理化性质的主成分分析

为了解土壤理化性质之间的关系，特别是植物所必需的大量元素与中、微量元素的关系，判断其来源，将所有样品土壤元素含量进行了主成分分析。当设定特征值大于1时，提取到4个主成分，累积贡献率达到了63%。由主成分分析结果（表3）可知，土壤有机质、速效磷、全铜含量在主成分1上有较大的正载荷，可以说明土壤有机质、速效磷和全铜含量密切相关，而pH值和B的含量在主成分分析上有负载荷。类似的研究表明，肥料的大量施用成为农业土壤中重金属积累的主要途径，特别是有机肥（土壤重金属输入量的绝大部分（例如Cu为92%）来自畜禽粪便或以畜禽粪便为原料生产的有机肥在田间的施用）[11-16]。

表3 土壤理化性质的主成分分析

主成分2的变量中，土壤pH值具有较高的正载荷，而土壤S元素的含量具有较高的负载荷；主成分3中，仅元素B具有较高的正载荷。

3 结论

全县耕作层土壤有机质和全氮含量呈中等偏上水平，速效钾含量高，土壤肥力较高。pH值属于弱变异强度，速效磷，Zn，S属于强变异，说明这3种元素空间变异较大，在整个县域范围内呈现明显的不均匀分布，可能与磷在土壤中移动性较小、当季利用率较低有关；而其他元素属于中等变异程度，说明在整个县域范围内呈现较均匀的分布。主要由于襄汾县多为黄土状母质发育形成的典型碳酸盐褐土，土壤质地细，多为轻壤至中壤，降雨量少，养分流失少；还与从2005年开始大面积推广秸秆还田、增施氮肥关系密切。

畜禽粪便等有机肥是土壤锌、铜等微量元素的良好肥源。襄汾县耕作层土壤普遍缺乏中、微量元素，主要是由于经济利益的驱使，90%的大田不施或很少施有机肥。农业耕作方式、施肥等人类活动主要集中于耕作层，强烈影响到农田耕作层土壤元素的含量，土壤元素之间的交互作用还有待进一步研究。

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