不同风化程度下紫色土营养元素特性比较研究

黄宝玉，李绍才，龙 凤，孙海龙，邱利平，李付斌

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610064；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610064；3.四川沃尔宜环保科技有限公司，四川 成都 610031)

紫色土是中国南方，特别是四川、湖南等省的重要耕地土壤[1]。虽然紫色土营养元素含量丰富，具有较高的肥力，但是由于长期以来的不合理开发利用，加上紫色土本身不耐侵蚀，土地再生能力弱，植被破坏后很难恢复，因而这一地区植被稀疏，水土流失剧烈，土地退化严重[2-6]。紫色土属典型的岩性土[7]，土壤肥力与性质继承其母岩的特性[8]，而紫色土的高肥力特性被称为母质肥力[9-10]。在土壤养分循环中，碳、氮、磷元素作为生命元素驱动着其他养分的循环与转化，是养分循环的核心，而微量元素是很多植物体内酶或辅酶的重要组成部分，因此研究岩石边坡不同风化程度下养分元素的动态变化，对了解不同紫色土边坡的土壤肥力和营养元素循环机制具有重要意义。本研究拟通过野外调查采样和分析，综合应用土壤地理学、分析化学等研究手段，对遂宁广德寺及龙泉山的紫色土岩石边坡营养元素养分特征进行背景分析，以期为紫色土岩石边坡生态恢复及植物元素需求量提供一个科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验研究中A组紫色土样采自遂宁广德寺，该地区位于遂宁城西3 km的卧龙山，其周围存在大量的紫色泥岩，气候属亚热带湿润季风气候，全年气候温和，光照较少，雨量充沛，四季分明。受工程及旅游开发的影响，大量紫色泥岩边坡的植被受到破坏，紫色土分布于侏罗系遂宁组(J3sn)。B组土样采自柏合镇新建的成简快速通道龙泉山一号隧道出口处，龙泉山地区位于川中地区成都平原东侧,紫色土主体位于龙泉山背斜的南东翼,分布于白垩系下统苍溪组(K1c)，地层岩性总体表现为紫红色黏土岩与各类砂岩、粉砂岩互层，研究区境内低山、浅丘、平坝兼有，以平坝为主，年均气温16 ℃，年降水量920 mm，降水季节分配不均，主要集中在7、8月份，11月至次年4月干旱少雨。

1.2 样品采集

采样时间为2013年2月。以试验区的岩石、风化物、成土为研究对象，每个采样点按土壤形态的主要特点，把土壤划分为不同的区域，然后用土壤采样器进行采集，完成后按四分法将每个点采集的土样取5 kg装入塑料袋内，并把记有编号、采样地点、日期的记录卡片一同装入袋内，带回实验室，在室内自然风干后, 拣去植物的根茎, 然后将其放在玛瑙研钵中研碎，过20目尼龙筛。之后经120 ℃杀青30 min，在105 ℃条件下烘至恒重。剔除杂质、研磨、过0.149 mm 尼龙筛，用于分析土壤的养分含量，每个样品含量做3个重复，最后取平均值。

1.3 土壤养分指标的测定

全氮：凯氏定氮法；速效氮：氧化镁浸提-扩散法；有机质：重铬酸钾氧化-外加热法；全磷：碱熔-钼锑抗比色法；有效磷：0.5 mol/L碳酸氢钠浸提法；全钾：碱熔-火焰原子吸收分光光度法；速效钾：乙酸铵浸提-火焰原子分光光度法；微量元素：火焰原子分光光度法。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS和Excel软件进行处理,差异显著性分析为0.05水平。A组代表遂宁组广德寺土样，A1代表遂宁组岩石，A2代表遂宁组风化物，A3代表遂宁组成土；B组代表苍溪组龙泉山土样，B1代表苍溪组岩石，B2代表苍溪组风化物，B3代表苍溪组成土。

2 结果与分析

土壤侵蚀是全球土壤退化的主要原因之一[11-12]，而不同风化程度下的紫色土侵蚀程度不同，这可能导致一系列营养元素流失量的差异性。

2.1 有机质含量

土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标之一，它能促使土壤形成结构，改善土壤物理、化学及生物学过程的条件，提高土壤的吸收性能和缓冲性能，同时它本身又含有植物所需要的各种养分，如碳、氮、磷、硫等，通过矿化作用，它也可以释放一部分的养分。图1为不同风化程度下土壤有机质的含量直方图，经分析A、B两组中不同风化程度下的样品之间有机质含量差异均为显著(P<0.05)。两组紫色土的岩石阶段有机质含量在本组均为最低，平均值分别为9.67和9.23 g/kg；风化物有机质含量分别为40.18和32.63 g/kg；成土的有机质含量最丰富，分别为56.66和57.67 g/kg。整体上，随风化程度增加(从岩石→风化物→成土)，两组紫色土的有机质含量都呈逐渐上升的趋势(岩石<风化物<成土)，说明随着风化程度的增加，有机质逐渐积累，成土更有利于植物的生长。

图1 不同风化程度下的土壤有机质含量

2.2 氮含量

2.2.1 全氮含量

研究区两种紫色土的全氮含量都偏低(图2)，变化范围为0.123～0.463 g/kg，A、B两组中不同风化程度下的样品之间全氮含量差异均显著(P<0.05)。两组样品的全氮含量都随风化程度的增加而逐渐升高，与有机质的含量呈较好的正相关性。A组全氮含量与有机质含量的直线回归方程为：y(全氮)=0.007 1x+0.046 5(r=0.993 2)；B组全氮含量与有机质含量的直线回归方程为：y(全氮)=0.004 6x+0.107 9(r=0.997)。

图2 不同风化程度下的土壤全氮含量

2.2.2 有效氮含量

研究区两种紫色土的有效氮含量都偏低(图3)，A组随风化程度的增加有效氮含量依次为0.52、39.34、64.61 mg/kg，B组随风化程度的增加依次为0.34、5.53、31.16 mg/kg，两组中不同风化程度下的样品之间有效态含量差异均显著(P<0.05)，总体趋势为岩石<风化物<成土。A组有效氮与全氮含量的直线回归方程为：y(有效氮)=189.19x-21.619(r=0.99)；B组有效氮与全氮含量的直线回归方程为：y(有效氮)=135.33x-22.797(r=0.91)。

图3 不同风化程度下的土壤有效氮含量

2.3 磷含量

2.3.1 全磷含量

研究区样品的全磷含量变化较小(见图4)，范围为3.50～5.79 g/kg。A组中不同风化程度的样品间差异不显著(P>0.05)，B组间差异显著(P<0.05)。两组样品全磷含量都随风化程度的增加而降低，总体趋势为岩石>风化物>成土。

图4 不同风化程度下的土壤全磷含量

2.3.2 有效磷含量

供试样品的有效磷含量普遍偏低，均为缺磷土壤(图5)。两组样品的有效磷含量都随风化程度的增加而增高，两组中不同风化程度的有效磷含量差异都显著(P<0.05)。A组样品有效磷与全磷含量的直线回归方程为：y(有效磷)=-3.193 5x+13.171(r=-0.92)；B组样品有效磷与全磷含量的直线回归方程为：y(有效磷)=-1.694x+10.558(r=-0.99)。两组样品的有效磷含量都是成土中最高，说明成土中可供植物利用的磷素含量最高，但全量磷随风化程度的增加而逐渐降低，说明从岩石到成土的过程中磷的总量有一定流失。

图5 不同风化程度下的土壤有效磷含量

2.4 钾含量

2.4.1 全钾含量

研究区样品的全钾含量都较高(见图6)。A组和B组的全钾含量都随风化程度的增加而降低，A组含量分别为19.55、18.15、16.89 g/kg，B组含量分别为30.83、29.96、27.18 g/kg。A、B两组中不同风化程度的样品间全钾含量差异均不显著(P>0.05),但均随风化程度的增加而降低(岩石>风化物>成土)，这可能与土壤侵蚀较为严重有关，从而使全量钾呈现降低的趋势。

图6 不同风化程度下的土壤全钾含量

2.4.2 速效钾含量

紫色土中的原生矿物与次生矿物的云母含量可达到30%以上，其中钾易在物理及化学风化中释放成速效钾和缓效钾，从而被植物利用[13]，而速效钾是植物营养元素的主要供给源，和植物的生长关系密切。通过图7可以看出，两组样品的速效钾含量均随风化程度的增加而增高，与全量呈负相关，说明在风化过程中可以供植物利用的钾素逐渐释放出来，而速效量越高钾的流失量越大，释放出来的一部分可能被植物利用，另外一部分随水土流失耗掉，从而使全钾含量降低。A组速效钾与全钾的直线回归方程为：y(速效钾)=-4.308 5x+92.498(r=-0.95)；B组速效钾与全钾的直线回归方程为：y(速效钾)=-5.713 2x+191.36(r=-0.98)。

图7 不同风化程度下的土壤速效钾含量

2.5 5种微量元素含量

研究表明，植物体内含量小于1‰的微量营养元素有硼、铁、锰、铜、锌、氯、钼共7种，这些元素直接参与植物的营养和代谢过程，与大量元素一样重要，缺乏任何一种微量元素都会使植物生长发育不良，对用于边坡恢复的植物来说十分重要。本文主要研究其中的5种关键微量元素。研究区土样5种微量元素有效态平均含量详见表1。各组土样中只有B组的有效钼不同风化程度样品间差异不显著，其他都差异显著(P<0.05)。根据刘铮[14]及“中国科学院微量元素组的土壤有效态微量元素评价标准”(见表2)中所给出的土壤微量元素有效态含量分级标准，元素有效态可分为极缺、缺乏、适中、丰富、很丰富5个等级。将研究区土样微量元素有效态平均含量与标准对照可以得出表3中的分级结果，从中可以得出：遂宁组和龙泉山组的紫色成土都是有效锰含量极丰富，有效硼缺乏，有效钼、有效锌、有效铜含量则极其缺乏，应该在植被恢复过程中适量增施富含硼、钼、锌和铜的微肥。

表1 5种植物必需微量元素的有效态含量 mg/kg

表2 微量元素有效态含量分级标准[14]

表3 研究区微量元素有效态含量分级结果

研究区5种微量元素的有效态含量变化趋势为：两组样品有效硼和有效锰含量均随风化程度的增加而逐渐升高，表现趋势为岩石<风化物<成土。遂宁组的有效铜含量先增加后减少(岩石<成土<风化物)，这可能与成土的土壤被侵蚀而造成有效态铜过度流失有关；苍溪组的有效铜含量则是随风化程度增加逐渐增高(风化物<岩石<成土)。遂宁组的有效锌含量随风化程度的增加而增高(岩石<风化物<成土)；苍溪组的有效锌含量则是先升高后降低(岩石<成土<风化物)，说明从风化物到成土有效量有一定的损失。两组样品有效钼含量均为先增加后减少，风化物中有效量最高(岩石<成土<风化物)。

2.6 紫色土微量元素有效性的可能影响因素

影响土壤中微量元素有效性的因素有很多，包括土壤含水率、pH值、有机质、氧化还原电位、土壤质地、成土母质、植物吸收、微生物活动[15]，以及人类活动等。本研究涉及的因素可能有以下几个方面：

(1)成土母质。成土母质是土壤微量元素的主要来源，紫色土成土母质类型有多种，不同成土母质发育的土壤，其微量元素含量和有效态含量均有明显差异。具体到这两个紫色土研究区，其母质发育的土壤有效态微量元素含量均低，尤其是遂宁组土壤微量元素缺失严重。

(2)有机质。有机质对土壤微量元素的影响有两方面不同的作用。一是有机质的富集作用，有机质在分解过程中可释放微量元素，因此有机质含量高的表层土壤其微量元素大多含量较高；二是有机质对微量元素又有固定作用，因此在有机质含量多的土壤中，也常出现缺素症状。

(3)人为活动。两个研究区均人为活动频繁，A组的广德寺是旅游景区，人为开发了一部分工程边坡，B组是龙泉山的一号隧道口空旷地带，工程施工造成大面积的裸露地带，加上降雨较多，淋溶强烈，水土流失带走了很大一部分微量元素。

3 结 语

土壤中有机质、氮、磷、钾等元素含量多少是土壤肥力高低的重要指标。研究区土壤因风化程度等的影响，土壤侵蚀程度不一，养分状况差异明显。通过对遂宁广德寺和龙泉山不同风化程度的紫色土进行表层采样和分析, 结果表明：

(1)成土中有机质和氮含量最高，磷、钾含量则相对较低，说明随着风化程度的增加，氮元素越来越丰富，而钾和磷则逐渐减少。研究区由于土壤侵蚀作用相对较强, 土壤被冲刷剥离、搬运扩散，养分状况较差，金属元素流失较多，这可能是全磷、全钾等大量元素随风化程度增加而逐渐减少的原因。

(2)研究区成土的微量元素有效量表现为：有效锰极丰富，有效硼缺乏，铜、锌和钼则极缺，说明微量元素匮乏是影响该区植被恢复的一个重要因素。

(3)有效养分在岩石风化的过程中被释放出来，即释放过程为：岩石→风化物→成土，最后在成土中聚集。由于紫色土的养分容易被侵蚀，而植被能有效防止水土流失，所以建议在植被恢复时采取从土壤到风化物再到岩石边坡的策略，并根据研究区养分的亏缺程度，给予适当的养分补充。

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