高密市耕地表层土壤营养元素有效态地球化学特征

姜冰，张海瑞，刘阳，郝志文

(山东省第四地质矿产勘查院，山东省地质矿产勘查开发局海岸带地质环境保护重点实验室，山东 潍坊 261021)

0 引言

土壤元素有效量可被作物直接吸收利用，与土壤元素全量相比，能够更有效地反映植物营养元素的供给能力[1-2]。有效量和有效度同时受多种因素的影响，如元素全量、土壤pH值、有机质、土壤类型等[3-6]，同时反映不同地球表生环境下元素有效态的特征和影响因素[7-8]。研究土壤营养元素有效态，为指导科学施肥，提高土壤肥力，提供重要依据[9]，而重金属元素有效量的分析，对生态环境评价具有指导意义[10]。

1 研究区概况

高密市地处潍坊市东部，山东半岛中部，胶莱平原腹地，地理极值坐标东经119°26′16″至120°00′38″，北纬36°08′44″至36°41′20″，南北长60.1km，东西宽51.2km，面积1525.7km2(图1)。总体地势南高北低，地面总坡度约1/600。属季风区暖温带大陆性半湿润气候，年平均气温12℃，年平均降水量689.1mm，年蒸发量1227.6mm。地层仅在南部出露中生代白垩纪莱阳群和青山群，面积约占25%，中部及北部为大面积新生代第四纪松散堆积物，岩浆岩不发育。土壤分为5种土壤类型，即潮土、砂姜黑土、粗骨土、褐土、棕壤(图2)。表层土壤pH值背景值为7.48，总体呈中性，有机质背景值为15.79×10-3,总体较缺乏[11]。

1—研究区；2—行政区界线

1—棕壤；2—褐土；3—粗骨土；4—砂姜黑土；5—潮土；6—取样点

2 材料与方法

2.1 样品采集及加工

本次研究调查介质为耕地中0～20cm的表层土壤，面积性采样密度为1件/4km2。以采样点为中心在周围50～100m范围内等量采集4～6个子样等量混合成样，采集时挑出植物根系、石块等杂物，充分混匀后不少于1kg装入干净的棉布样袋，置于通风阴凉处自然风干，并经木棒压碎后全部过2mm孔径的尼龙筛，过筛后混匀取不少于500g移交实验室，用于测定pH值、有机质、营养元素全量及其有效量。

2.2 样品处理与测试

样品测试分析由山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心完成。根据《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》，土壤样品pH值测定采用离子电极法，有机质测定采用氧化还原法；元素全量采用酸碱容量法测定N，X射线荧光光谱法测定P，K，Cu，Zn，电感耦合等离子体质谱法测定Mo，发射光谱法测定B；元素有效量采用酸碱滴定法测定碱解N，采用等离子体光谱法测定有效P、速效K、有效Cu、有效Zn、有效Mo、有效B。对样品数据质量进行严格质控，包括样品报出率、标准物质准确度及精密度、样品内部密码抽查合格率等，质控结果为报出率均为100%，元素全量和有机质的准确度、精密度合格率均为100%，pH值绝对偏差小于0.1，元素有效量绝对偏差和相对偏差均不超差，合格率为100%，按样品总数随机抽取10%试样进行密码抽查，合格率大于98%。

2.3 数据处理

利用Excel软件对数据进行处理，计算元素地球化学背景值，反复剔除平均值加减3倍标准差的离散值后，以算术平均值作为背景值。当统计数据不足30个时，以中位值作为背景值。计算土壤元素有效度平均值采用先计算单点有效度再逐步剔除异常值的方法进行统计，以便更加客观地反映土壤元素的有效度状况。变量之间的相关性采用SPSS软件pearson相关系数和双尾显著性检验完成。

3 结果与分析

3.1 元素有效态地球化学特征

根据以上数据处理结果，有效P、速效K、有效Cu、有效Zn的变异系数高，均大于1.5，分布极不均匀，表明含量变化范围大，局部易缺乏或富集；其他有效量0.4≤变异系数<1.0，分布较不均匀。有效量与全量的比值为有效度，它是衡量元素在土壤环境中的活性程度或植物可吸收水平的指标[12]，有效度由大到小排序为有效Mo>碱解N>有效Cu>有效P>有效Zn>有效B>速效K，最大有效Mo为16.90%，最小速效K为0.72%，各元素之间有效度差异显著，全量含量水平对有效度的控制程度各不相同，元素表生地球化学性质是决定其有效度的重要内因(表1)[13-14]。

表1 土壤营养元素有效态参数统计表

参照《土地质量地球化学评价规范》[15]，将土壤营养元素有效量进行分级统计，由表2和图3可知，有效Mo缺乏的样本331个，占88.03%，而从有效量参数统计来看，其有效度16.90%为最高，表明其全量含量水平也较低，区内有效Mo整体处于缺乏状态，影响土壤营养水平，应引起重视；有效B较缺乏样本176个，占46.81%，中等样本151个，占40.16%，其他等级样本少，表明区内有效B整体处于中等—较缺乏状态，其有效度仅1.37%，所以全量含量对有效量的影响并不是决定性因素。其他营养元素有效量以中等以上为主，养分水平相对较高，仅碱解N和速效K的较缺乏样本个数相对较多，分别为114个和127个，分别占比30.32%和33.78%，而碱解N的有效度达10.42%，表明全量含量水平是控制碱解N含量水平的重要因素，速效K有效度仅为0.72%，表明全量含量水平对速效K含量水平的影响甚微。

表2 土壤营养元素有效量分级统计表

3.2 元素全量对有效态的影响

采用SPSS软件计算表层土壤元素全量与有效态的相关性及显著性差异检验。按相关系数的大小表述相关性强弱，相关系数取绝对值后，小于0.1为不相关，0.1～0.3为弱相关，0.3～0.5为中等相关，0.5～1.0为强相关。由表3可知，各元素全量与其有效量的相关性在0.01水平均为显著，且呈正相关，其中B，K全量与其有效量弱正相关，其他元素全量与其有效量强正相关，按其相关系数大小排序为Cu(0.932)>P(0.875)>Zn(0.773)>Mo(0.715)>N(0.510)>B(0.187)>K(0.179)，表明元素全量对有效量是最直观的制约影响[16]，所以土壤营养元素全量的高低对土壤肥力评价及生态环境评价具有重要的指示意义。而全量与有效度的相关性有很大不同，Cu，Zn全量与其有效度中等正相关，P，K全量与其有效度弱正相关，其他元素全量与有效度没有相关性，相关性显著的元素按其相关系数大小排序为Zn(0.462)>Cu(0.379)>P(0.148)>K(0.142)，表明不同元素全量向有效量转化的差异性和不均匀性。此外，某些元素全量与不同元素有效量、有效度强相关，如N全量与P有效量，P全量与K，Cu，Zn有效量，Cu全量与P，Zn有效量，Zn全量与P，Cu有效量，P全量与K有效度，表明某些元素全量与不同元素有效量、有效度的协同作用。

图3 土壤元素有效量分级占比柱形图

表3 土壤营养元素全量与有效态相关系数表

3.3 土壤pH值和有机质对元素有效态的影响

有研究表明，土壤pH值与多数营养元素的有效量和有效度呈负相关关系，阳离子型元素的有效性随pH值上升而降低[17-19]。由表4可知，土壤pH值与N，P的有效量呈弱负相关，与B的有效量呈中等正相关，存在线性关系(图4)，与其他元素有效量无相关性；土壤pH值与P的有效度呈强负相关，与N，Cu，Mo的有效度呈中等负相关，与Zn的有效度呈弱负相关，与B的有效度呈中等正相关，存在线性关系(图5)，与K的有效度无相关性。总体来看，除K，B外，多数元素的有效量和有效度随土壤pH值的升高而降低，与前人得出的结论相似[20]。有研究认为，土壤pH值会影响溶液和胶体的离子组成，并且与元素形态有密切关系，对元素有效性产生影响[21-22]。另有研究认为土壤酸化会引起某些元素的有效量增加[23]。

表4 土壤pH值和有机质与元素有效量及有效度相关性

图4 土壤pH值与N，P，B元素有效量相关性散点图

与土壤pH值不同的是，有机质总体与元素有效量和有效度呈正相关。有机质与7种元素的有效量均呈正相关，具良好的线性关系(图6),相关性弱至中等，表明有机质对营养元素的有效量有一定的促进作用，增施有机肥可以不同程度的增加营养元素的有效量。有机质与N，K，Zn，B的有效度呈良好的线性关系(图7)，与K，Zn，B的有效度呈弱正相关，若从施肥角度考虑，增施有机肥可适当减少K，Zn，B肥的施用；与N的有效度呈弱负相关，所以有机质的增加积累会导致N有效度的降低，与土壤有机残体(如还田之秸秆)分解慢，土壤碳氮比过大有关[24]，所以增加土壤有机质(如秸秆还田)的同时，应增施N肥[25]，或者进行秸秆堆沤还田等[26]。

3.4 土壤类型对元素有效态的影响

不同土壤类型理化性质有所差异，会对土壤元素地球化学行为产生影响[27-28]。表5和表6分别描述了研究区内不同土壤类型营养元素的有效量和有效度特征参数。变异系数反映了有效量和有效度的空间分布差异，P，Cu，Zn，B有效量在褐土中分布最不均匀，N，K有效量在砂姜黑土中分布最不均匀，Mo有效量在潮土中分布最不均匀，Zn，B有效度在褐土中差异最大，N，P，K，Mo有效度在砂姜黑土中差异最大，Cu有效度在潮土中差异最大。棕壤中多数元素(除B外)有效量和有效度高于全区；褐土中多数元素(除K，B外)有效量和有效度高于全区；粗骨土中P，Cu，Mo有效量和有效度高于全区，其他低于全区；砂姜黑土中K，B具有相对全区较高的有效量和有效度，N有效量略高于全区但有效度略低于全区，其他元素有效量和有效度均不同程度低于全区；潮土中N，Cu，Mo有效量低于全区但有效度高于全区，P，Zn具有相对全区较高的有效量和有效度，而K，B有效量和有效度低于全区。

研究区内棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土5种土壤类型的pH值背景值分别为5.39，6.41，6.63，7.70，7.05，有机质背景值分别为12.63×10-3，17.48×10-3，17.86×10-3，17.51×10-3，12.64×10-3，通过分析不同土壤类型中pH值和有机质与营养元素有效态的相关性发现(表7)，土壤pH值与不同土壤类型中N，P有效量总体呈负相关(与褐土中P有效量不相关)，与不同土壤类型中营养元素(除B外)有效度呈负相关或不相关，与不同土壤类型中B有效量和有效度均呈正相关；有机质与不同土壤类型中多数营养元素有效量和有效度呈正相关，少数不相关，但与N有效度总体呈负相关。粗骨土的样本数太少，不具参考意义。总体与全区的土壤pH值和有机质对有效态的影响大致相同，反映的是不同土壤类型的不同理化性质对元素有效态的差异影响[29]。土壤酸性能够提高N，P，Cu，Zn，Mo元素的有效量和有效度，碱性土壤能提高B元素的有效量和有效度，有机质是促进土壤营养元素活化的重要因素，与前人研究结果一致[5,7,30]。

表5 不同土壤类型营养元素有效量特征参数

表6 不同土壤类型营养元素有效度特征参数

表7 不同土壤类型pH值、有机质与营养元素有效态相关系数表

4 结论

(1)元素全量对有效态具有最直观的制约影响，元素全量与其有效量相关性均为显著，部分元素全量(P，K，Cu，Zn)与其有效度相关性显著，某些元素全量与不同元素有效量、有效度还表现出协同作用。土壤pH值对营养元素的生物有效性有重要影响，酸性土壤能够提高N，P，Cu，Zn，Mo元素的有效量和有效度，碱性土壤能提高B元素的有效量和有效度。有机质增加有利于土壤营养元素活化，对有效量有一定的促进作用，并不同程度提高K，Zn，B元素的有效度，但会降低N元素的有效度。

(2)Mo元素的有效度虽然较高，但其全量和有效量含量低，有效Mo在研究区内整体缺乏，有效B整体处于较缺乏。土壤元素全量、有效量及有效度的高低对土壤肥力评价及生态环境评价具有重要的指示意义。