土壤与花椒各器官中主要矿质元素的研究

Kuanysh Kassen 张正青 李孟楼

（西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100）

花椒（Zanthoxylum bungeanum） 是特种经济林树种，除黑龙江、吉林、内蒙、宁夏、新疆、西藏和南方数省外，我国大多数省份均有栽培，全国栽培面积达200万hm2以上[1]。提高花椒产量的方式之一就是科学施肥，科学施肥的方式很多，肥料、作物和树种不同施肥方式也有差别[2-3]。针对花椒等栽培植物的科学施肥，其核心在于既满足花椒生长和结实对营养的需求，也要避免矿质元素的过剩和浪费、及施肥对栽培环境的污染[4-5]。施肥的目的在于使花椒的果穗及果实获得更多、更均衡的营养，提高花椒产量。要通过科学施肥方式提高花椒产量，则必须确定土壤中各矿质元素与花椒各器官中矿质元素的分布比例和规律[6-7]。

土壤与栽培植物间营养的研究报道甚多，主要多集中在农作物方面[8-11]；对于树木、经济林的研究以苹果（Malus pumila）所开展的最多，在苹果上进行了施肥，土壤与叶片、果实营养和产量等研究[12-13]。开展土壤与栽培营养研究的最终目标都是揭示不同栽培植物对营养的需求规律，明确增加产量应使用的肥料种类和施肥方式[14-16]。在已有的土壤与栽培植物营养研究中，有关花椒林地土壤和花椒各器官的营养分布研究甚少，对于大红袍花椒，仅开展了果实中无机矿质元素和中微量元素含量研究，明确了花椒果实中大、中量和微量矿质元素的含量[17-20]；对于竹叶椒（青花椒），研究了花椒林地土壤及花椒叶无机矿质元素的物候动态[21-22]。以上研究表明，现有研究的缺憾在于未能揭示花椒林地土壤与花椒植株枝、叶和果实矿质元素含量的变动关系，其研究结果在用于花椒园施肥管理及配置花椒专用肥方面存在不少弊端。因此，本研究通过测定土壤及花椒各器官的矿质元素含量，确定花椒植株对各矿质元素的需求规律，进而为研制专用肥提供基础。

1 材料与方法

1.1 采样方法

2017年7月下旬，在韩城、合阳、澄城、白水、蒲城、富平、岐山及潼关、华阴、华州区和凤县陕西花椒栽培县（市），确定有代表性的17个盛果期花椒园（如表1），然后选取面积不小于0.33 hm2成片花椒林地，采集土壤及花椒枝、叶和果实样[1]。 所选样地均为平地，树龄8～15 a，株行距3 m×4.5 m，每年秋末或来年开春开沟施肥1次，施肥量3 600～4 000 kg/hm2，氮（N）、磷（P）、钾（K）平均质量比为20%、10%、15%。

表 1 花椒林地土壤和花椒采样地点Table 1 Sampling sites of forest soil andZ. bungeanum

1.2 矿质元素测定方法

所采集的花椒枝条、叶、果皮、种子以及土壤样，送西北农林科技大学测试中心进行土壤有效矿质元素N、P、K、钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）、锌（Zn）、硼（B）、钼（Mo）及花椒样中各元素含量测定；其中N、P、K、Ca为大量元素，Mg为中量元素，Cu、Zn、B、Mo为微量元素。各矿质元素含量的测定方法分别为，土壤速效N、P和K分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法、原子吸收光谱法（AAS）；土壤中的Mo、花椒样中的P和Mo采用分光光度法；其余样中的K、Ca、Mg、Cu、Zn采用AAS法，B采用电耦合等粒子质谱法（ICP−MS），N采用全自动定氮仪法[10,19-24]。

1.3 分析方法

采用Microsoft Excel软件进行数据处理、做图，同时进行相关性拟合、建立相关方程式。按公式（1）计算富集系数。各元素的丰欠分级为很丰富、丰富、中等、缺乏、很缺乏。由于本研究进行的土壤和植株矿质元素分析，取样地均是花椒林地，难以设立对照林地，因此各元素含量丰欠程度的均以全国耕地类型区耕地地力等级划分为依据[25-26]。

2 结果与分析

2.1 花椒林地土壤及花椒各器官矿质元素的变化趋势

由图1可知，各矿质元素的丰欠等级为K、Cu、Zn含量很丰富，Mo含量丰富，B含量中等，Mg、Ca含量缺乏，N含量很缺乏。土壤中各 元 素 含 量 表 现 为K＞Zn＞N＞Ca＞Cu＞Mg＞P＞B＞Mo，在枝皮中表现为Ca＞K＞P＞Mg＞N＞Zn＞B＞Cu＞Mo，在叶片中表现为Ca＞K＞Mg＞N＞P＞B＞Zn＞Cu＞Mo，在果皮中表现为K＞Ca＞P＞N＞Mg＞B＞Zn＞Cu＞Mo，在种子中表现为K＞Ca＞Mg＞P＞N＞Zn＞B＞Cu＞Mo。对花椒生长而言，花椒林地土壤中K、Zn、N、Ca、Cu含量较高，P、Mg、B、Mo养分较缺乏；枝皮、叶片、果皮和种子中K、Ca、P、N、Mg含量较高，Zn、B、Cu含量较低，Mo含量最低，在花椒各器官中含量由大到小表现为K＞Ca＞Mg＞P＞N＞Zn＞B＞Cu＞Mo。

图 1 花椒林地土壤及花椒各器官中不同元素含量的变化趋势Fig.1 Changes of different elements in soil and organs ofZ. bungeanumfrom forest area

2.2 花椒林地土壤与花椒各器官中矿质元素的相关性

2.2.1 花椒各器官中大量元素的相关性

在本研究的17个样地中，花椒各器官中N、P、K含量的丰度水平大于土壤；土壤与花椒各器官中N元素含量均呈正相关，相关性大小表现为果皮＞叶＞枝皮＞种子；71%样地土壤N元素含量偏低，29%样地土壤N含量位于中高范围（图2）。土壤与花椒枝皮、叶和果皮中P和K元素含量呈正相关，但与种子中的P和K元素含量呈负相关，76%样地土壤P和K元素含量偏低，24%样地土壤P和K含量位于中高范围（图3～ 4）。这说明，土壤中N、P、K含量与花椒果实发育相关，所研究样地71%以上土壤中N、P、K含量难以满足花椒树生长和果实发育的需求。此外，土壤与花椒各器官中Ca元素含量呈负相关，花椒各器官中Ca含量的丰度水平显著大于土壤（图5），虽然土壤与花椒各器官中的Ca含量无直接关系，但47%样地土壤Ca含量位于中高范围，53%样地土壤Ca元素含量偏低。说明，在约1/2样地土壤中花椒树和果实发育需求的Ca元素含量偏低。

图 2 土壤碱解氮含量与花椒各器官N含量的相关性Fig.2 Correlation between soil and tissue N content ofZ. bungeanum

图 3 土壤与花椒各器官P含量的相关性Fig.3 Correlation between soil and tissue P content ofZ. bungeanum

图 4 土壤与花椒各器官K含量的相关性Fig.4 Correlation between soil and tissue K content ofZ. bungeanum

图 5 土壤与花椒各器官Ca含量的相关性Fig.5 Correlation between soil and tissue Ca content ofZ. bungeanum

2.2.2 花椒各器官中中量元素的相关性

在17个样地中，土壤与花椒各器官中Ca及花椒枝皮中的Mg元素含量均呈负相关，土壤与花椒叶、果皮和种子中的Mg元素含量呈正相关，花椒各器官中的Mg、Ca含量的丰度水平大于土壤（图6），29%样地土壤Mg元素含量偏低，71%样地土壤Mg含量位于中高范围。虽然土壤与花椒各器官中的Ca含量无直接关系，但53%样地土壤Ca元素含量偏低，47%样地土壤Ca含量位于中高范围。说明，Mg与花椒果实发育相关，在约1/3和1/2样地土壤中花椒树和果实发育需求的Mg和Ca元素含量偏低。

图 6 土壤与花椒各器官Mg含量的相关性Fig.6 Correlation between soil and tissue Mg content ofZ. bungeanum

2.2.3 花椒各器官中微量元素的相关性

在调查样地中，土壤与花椒各器官中Cu元素含量具有正相关关系，土壤和花椒各器官Cu元素含量的丰度水平接近，35%样地土壤的Cu含量水平较低（图7）。除花椒叶外，各样地土壤与花椒器官中Zn含量存在正相关关系，土壤中Zn含量的丰度水平稍高于花椒各器官（图8）。说明，Cu与花椒果实发育相关，花椒林地土壤中Cu、Zn元素含量能够满足花椒树的生长和果实的发育。

土壤与花椒枝皮和叶中B元素含量有正相关，与花椒果皮和种子中B元素含量有负相关关系，花椒各器官中B元素含量的丰度水平显著大于土壤，35%样地土壤的B含量水平较低（图9）。土壤与花椒各器官中Mo元素含量有正相关关系，花椒各器官中Mo元素含量的丰度水平稍大于土壤，71%样地土壤的Mo含量水平较低（图10）。说明在花椒树和果实发育中需要自土壤中吸收大量的B元素，土壤中Mo元素与花椒各器官中的含量水平相关。

图 7 土壤与花椒各器官Cu含量的相关性Fig.7 Correlation between soil and tissue Cu content ofZ. bungeanum

图 8 土壤与花椒各器官Zn含量的相关性Fig.8 Correlation between soil and tissue Zn content ofZ. bungeanum

图 9 土壤与花椒各器官B含量的相关性Fig.9 Correlation between soil and tissue B content ofZ. bungeanum

图 10 土壤与花椒各器官Mo含量的相关性Fig.10 Correlation between soil and tissue Mo content ofZ. bungeanum

2.3 林地土壤及花椒各器官矿质元素的变化趋势

2.3.1 土壤及器官中大量元素的变化趋势

由图11可知，与土壤中N元素含量相比较，花椒叶中的N含量和比例表现为果皮＞种子＞枝皮＞土壤，花椒各器官中N元素含量高于土壤32.6～66.1倍；花椒果皮中P含量和比例表现为种子＞枝皮＞叶＞土壤，花椒各器官中P元素含量高于土壤165.7～297.7倍；花椒种子中K含量和比例表现为果皮＞叶＞枝皮＞土壤，花椒各器官中K元素含量高于土壤37.3～88.0倍；花椒枝皮中Ca含量和比例表现为叶＞果皮＞种子，花椒各器官中Ca元素含量高于土壤208.3～4 501.0倍。说明花椒树和果实生长及发育对大量元素的需求规律是Ca＞P＞K＞N，其中对Ca的需求量约是P、K和N的1.3～15.1、5.5～51.1、6.4～68.1倍，对P的需求量约是K和N的5.5～6倍。

图 11 土壤与花椒各器官N、P、K元素含量及比例的变化趋势Fig.11 Changes of N,P and K elements in soil and tissue ofZ. bungeanum

2.3.2 土壤及器官中中量元素变化趋势

与花椒林地土壤中Mg元素含量相比较，Mg在花椒叶中的富集系数表现为种子＞果皮＞枝皮＞土壤（表2），花椒各器官中Mg元素含量高于土壤154.9～382.9倍（图12）。说明在花椒树和果实发育中需求的中量元素Mg较大。

表 2 花椒器官中个元素的富集系数Table 2 Enrichment coefficient of elements inZ. bungeanum

2.3.3 土壤及器官中微量元素的变化趋势

花椒林地土壤Cu和Zn含量均小于花椒各器官、富集系数小于1（表2），表明花椒林地土壤可满足花椒树生长和发育对Cu和Zn元素的需求（图13）。B在花椒叶中含量及其富集系数表现为果皮＞种子＞枝皮＞土壤，花椒器官中B含量是土壤的23.9～64.5倍；Mo在花椒叶中的含量及其富集系数表现为枝皮＞果皮＞种子＞土壤，花椒器官中Mo含量仅是土壤的0.98～6.2倍；说明在花椒树和果实发育中对B元素的要求水平高，对Mo元素的需求水平较低。

图 12 土壤与花椒各器官Mg元素含量及比例的变化趋势Fig.12 Changes of Mg in soil and tissue ofZ. bungeanum

图 13 土壤与花椒各器官Cu、Zn、B、Mo元素含量及比例的变化趋势Fig.13 Changes of Cu,Zn,B and Mo elements in soil and tissue ofZ. bungeanum

3 结论与讨论

对17个花椒样地土壤矿质元素含量分析表明，K、Cu、Zn含量很丰富，Mo含量丰富，B含量中等，Mg、Ca含量缺乏，N含量很缺乏；土壤中Cu、Zn及部分样地的K元素含量能够满足花椒树的生长和果实的发育，B含量适中，Mo含量丰富，71%样地土壤中N和P、1/3和1/2样地的Mg和Ca含量偏低、难以满足花椒树生长和果实发育的需求。

在花椒各器官中含量由大到小为K、Ca、Mg、P、N、Zn、B、Cu、Mo；各元素积累量由小到大排序，N为枝皮、种子、果皮、叶，P为叶、枝皮、种子、果皮，K为枝皮、叶、果皮、种子， Mg为枝皮、果皮、种子、叶，Ca为种子、果皮、叶、枝皮，B和Mo为枝皮、种子、果皮、叶。由于土壤中N、P、K、B、Mo含量与花椒和发育相关，Mg、Cu与花椒果实发育相关，因此除土壤中不缺乏Cu元素外，土壤中P、N、K、Mg、B、Mo含量的丰度水平，则直接与花椒果实发育和产量相关。

本研究除分析花椒林地土壤大量元素N、P、K外，还选择性的对其他研究中与植物果实发育相关的Mg、Ca、Cu、Zn、B、Mo进行了分析[27-30]。N主要在于促使植物营养生长等，P促使花芽分化、果实发育等，K提高植物抗性和果实膨大和着色等[31]。本研究表明，花椒树和果实发育从土壤中对大量元素的吸收规律是P＞K＞N，对土壤中P的吸收量约是K和N的5.5～6倍。说明对影响花椒产量最大的元素是P、其次是K，但其对花椒产量构成的作用程度还需要进一步试验研究。

中量元素中的Mg是叶绿素的组成成分、参与脂肪和蛋白质等合成、促进生长发育、影响果实的品质等[32]，Ca参与细胞构成、调控内源激素、果实膨大和影响品质等[33]。在本研究中，花椒树和果实Mg含量是土壤的154.9～382.9倍、达0.131 1～0.323 9 mg/kg，Ca含量是208.3～4 501.0倍、达0.007 9～0.170 6 mg/kg，显然Mg、Ca元素对花椒产量的形成具有重要作用。与高钙植物想比较，干旱和高钙环境植物的Ca含量最高0.004～0.04 mg/kg[34]、高钙果酸角Ca含量0.123 0～0.214 0 mg/kg[35]，表明花椒属于高钙含量植物之一，但Ca元素在花椒各器官中的作用还待研究。

微量元素中的Cu影响开花、结实、器官分化和发育等[36]，Zn参与碳水化合物、蛋白质、内源激素代谢及花芽和果实发育等[37]，B对多种生理活性化合物、花粉管发育、果实膨大等有重要作用[38]，Mo影响植物生长、产量和品质[39]。在本研究中，土壤中的Cu和Zn、B、Mo与花椒器官中这4种元素的比值分别为＜1、23.9～64.5、0.98～6.2；说明土壤中的Cu和Zn含量很丰富，B和Mo含量达中等和丰富等级，但研究花椒生长及果实发育中对B和Mo的需求特性，能够为提高花椒产量和品质提供依据。上述研究和分析结果，可用于指导花椒配方施肥和设计专用肥。