济南市历城区典型土壤类型N、P、K养分元素的有效态分布特征

冷旭勇，刘连，景晓东，朱文峰

(山东省第一地质矿产勘查院，山东省地矿局富铁矿找矿与资源评价重点实验室，山东 济南 250100)

0 引言

农作物生长需要多种养分元素，包括植物必需营养元素和有益元素，植物必需营养元素包括C、H、O、N、P、K、Ca、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo等，有益元素包括Si、Na、Co、V、Al等[1],养分的有效性及分布特征对植物生态系统的生产力具有很强的控制作用[2-3]。土壤元素有效量是指土壤中呈相对活动状态，能被植物直接吸收利用或易溶于水体迁移的那部分元素组分。与土壤元素总量相比，有效量具有更直接的生态环境意义，能够更有效地反映植物营养元素的供给能力[4]。土壤元素有效度是指土壤中该元素有效量与全量的百分比[5]，有效度越高，元素活化能力越强，越易被植物吸收[6]，研究有效度影响因素，是确定土壤环境容量、预测评价土壤污染生态效应[7]、土壤污染防治以及科学施肥的重要依据。N、P、K是农作物生长所必须的大量元素，近年来，国内外围绕3种元素对农作物的影响研究较多，但对于不同土壤类型间三种元素有效态分布的研究很少，本文依托“山东省济南市历城区1∶5万土地质量地球化学调查与评价项目”(以下简称历城土调项目)所取得的200件浅层(采样深度为0～20cm)土壤有效态元素基础数据，对N、P、K元素有效态地球化学背景值及在不同类型土壤中的分布特征进行分析研究。

1 研究区概况

济南市历城区面积约1300km2，位于济南市东南部，南依泰山，北临黄河，地势南高北低，海拔高度20～975m。南部为泰山褶皱山地的北翼，向北的山丘主要为寒武纪和奥陶纪石灰岩构成。北部主要为黄河冲积平原，其下隐伏石炭—二叠纪地层。自南向北地貌类型主要为山地、丘陵、平原。浅层土壤有5个土类(棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土)，12个亚类(潮褐土、潮土、褐土、褐土性土、棕壤性土、棕壤、淋溶褐土、褐土化潮土、盐化潮土、砂姜黑土、淹育水稻土、粗骨钙质土)。其中棕壤发育不完全，土壤呈微酸性，土层浅薄，分布在柳埠、西营等镇，占总面积的7.74%；褐土土层深厚，土体发育完全，土壤呈中性到微碱性，耕性较好，分布在全区的山区、丘陵、平原广大地区，占总面积的66.71%；潮土土层深厚，土体构型复杂，耕性和通透性良好，保肥、保水性弱，分布在董家镇、唐王镇北部、遥墙镇大部，占总面积的23.84%；砂姜黑土保水、保肥性能较强，适宜种植柳树、槐树等，分布在唐王镇白云湖一带，占总面积的0.81%；水稻土类主要分布在华山镇和王舍人镇一带，占总面积的0.89%。

2 样品采集及分析方法

根据《山东省1∶5万土地质量地球化学调查评价技术要求》，采样密度为1点/36km2，共采集并测试有效态样品200件，采样时间为2017年5月3日—20日。以GPS定位点为中心，向四周辐射50～100m确定分样点，等份组合成一个混合样。采样深度0～20cm，采样地块为长方形时，采用“S”形布设分样点；采样地块近似正方形时，采用“X”形或棋盘形布设分样点。

样品分析工作由湖北省地质实验测试中心承担。分析方法主要电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)、容量法(VOL)等方法的多元素分析配套方法(表1)，准确度和精密度合格率均为100%。

表1 有效态样品分析方法

3 有效量与有效度统计特征

土壤元素有效量背景值统计方法：在反复剔除平均值加减3倍标准离差的离散值后，以算术平均值作为有效量背景值。当统计数据较少(不足30个)时，用中位值作为土壤元素有效量背景值。计算土壤元素有效度平均值采用先计算单点有效度(有效量除以全量)再逐步剔除异常值的方法进行统计，以更加客观地反映土壤元素的有效度状况。

由表2、图1可知，历城区N、P、K元素有效态含量高于山东省土壤平均值，有效磷、碱解氮和速效钾K值分别为4.18、1.65和1.36，说明供肥能力较强，从变异系数来看，碱解氮和速效钾CV≤0.35分布较均匀，有效磷CV≥0.35，为高度变异[8]，分布不均匀。

表2 历城区浅层土壤N、P、K元素有效态参数统计表 单位：mg/kg

统计表明，历城区浅层土壤N、P、K元素有效量从高到低依次为(均值，mg/kg)：K(123.834)、N(90.582)、P(23.425)；全量从高到低依次为(均值，mg/kg)：K(15101.71)、N(1167.29)、P(640.027)。对比有效量和全量两者间的排序，可以发现元素有效量与全量总体排序一致，全量高的元素一般其有效量也高，反映了土壤元素全量对有效量的重要控制作用。有效度(%计)(由大到小)顺序为：N(7.76)、P(3.66)、K(0.82)。可见不同元素的有效度相差十分悬殊，有效量和全量最高的K元素有效度反而最低，因此，元素的有效度主要受元素表生地球化学性质影响。

4 不同土壤类型中的分布特征

本文根据不同土壤类型、取样点空间分布等特点，选择有主要的潮褐土、潮土、褐土、褐土性土、棕壤性土5种典型土壤类型进行分析研究(图1)，这5种土壤类型分别占研究区面积的3.91%、7.26%、50.95%、15.11%、5.50%。从表3可以看出，不同土壤类型间元素有效度差异较大,这种差异性，反映了土壤有机质、pH等对土壤元素地球化学行为的规律性作用(表3)[4]。

图1 研究区浅层土壤N、P、K元素有效量地球化学图

表3 不同土壤类型N、P、K元素有效量、全量及有效度统计表

N有效度(%)变化规律为：潮土(11.120)>潮褐土(10.659)>褐土(8.431)>棕壤性土(6.380)>褐土性土(5.250)；P有效度(%)变化规律为：潮土(4.230)>潮褐土(4.172)>褐土性土(3.904)>棕壤性土(3.584)>褐土(3.234)；K有效度(%)变化规律为：潮褐土(0.995)>潮土(0.952)>褐土性土(0.893)>褐土(0.746)>棕壤性土(0.446)。

潮褐土中P全量在5种土壤类型中最大，N、P、K有效量在5种土类中均最高，K有效度最大，P、N有效度仅次于潮土；潮土中P全量仅次于潮褐土，N全量最小，N、P、K有效量仅次于潮褐土，P、N的有效度最大，K有效度仅次于潮褐土；褐土中K全量最大，P有效量最小，N、K有效量仅比棕壤性土大，P有效度最小；褐土性土中N全量最大，P全量最小，P有效量较小，N有效度最低；棕壤性土中K的全量最低，N、K有效量均最低，K有效度最低，P全量、有效量、有效度均较低。

综合分析可知，不同土壤类型间P、K全量、有效量和有效度变化趋势基本一致，而N全量、有效量和有效度大小顺序不一致。在5种土壤类型中，潮褐土、潮土不管N、P、K元素的有效量还是有效度都明显高于其他土壤类型，其他3种土壤类型之间则相差不多，需要注意的是褐土性土中N全量最高，但有效度反而最低；棕壤性土K全量、有效量、有效度均最低，且比其他土壤类型有较大差距。

5 元素有效度差异性原因分析

土壤是成土母质、地形地貌、气候、植被与时间等多种因素综合作用的产物，不同类型土壤有着其独特的理化性质、元素含量以及元素分配特征，从而决定土壤元素有效量及有效度[9]。对于同一土壤类型，元素有效度主要受全量、pH、有机质含量、成土母质、人为耕作管理、产业布局、黏粒组成、根际效应、氧化还原电位、微生物组成、植物吸收作用等许多因素[10-11]所制约。绝大部分情况下，全量、土壤pH和有机质含量是影响有效量最大的因素，它们不但影响元素的离子组成，同时也影响胶体上交换性离子的组成[12-16]。

本次选取的5种典型土壤类型，其中潮褐土、潮土、褐土、褐土性土pH均值为8左右，呈弱碱性，只有棕壤性土pH为5.658，呈酸性；而褐土性土有机质均值明显比其他土类偏大，有机质含量最低的是潮土，为1.94%(表4)。

表4 不同土壤类型pH、有机质平均值统计表

5.1 元素全量的影响分析

土壤中N，P，K等元素全量是其有效量的重要控制影响因素[9]。N、P、K 3种元素有效度与全量相关系数分别为0.182、0.23、0.037(样品数200件、置信度α=0.05)。

从图2可以看出，P、K除了褐土等个别土壤类型外，全量与有效度的变化趋势基本一致，潮褐土中P、K全量较高，有效度也高；而N全量与有效度的变化趋势却相反，潮褐土、潮土中N全量较低，有效度反而最高，反映了有效度受土壤元素丰度和其他多种因素的共同作用[17]。区内肥料的施用有利于提高元素全量、有效量，对农作物的生长有直接的作用，但要注意监测N元素的有效度变化情况。因此，元素全量对于不同土壤类型中元素有效度的差异性具有一定的影响作用。

图2 不同土壤类型N、P、K元素有效度与全量变化趋势对比图

5.2 土壤酸碱性(pH)的影响分析

土壤酸碱性(pH)是土壤的重要化学性质，是土壤肥力的一项重要指标，对土壤微生物的活性、矿物质的有效性和有机质的分解起到重要作用，因而影响土壤养分释放、固定和迁移过程[18]。多数元素有效度和pH有关[19]。N、P、K 3种元素有效度与pH相关系数分别为-0.141、-0.289、-0.107(样品数200件、置信度α=0.05)。

根据图3，3种元素的有效度在中性和偏酸性土壤中受pH的影响变化不大，而在弱碱性土壤中与pH主要呈负相关。主要由于这些元素的可溶度随土壤pH上升而逐渐下降，而土壤对这些元素的固定和吸附却是随着土壤pH的上升而增加[20]，pH低的土壤中有效度较高。

图3 N、P、K元素有效度与pH关系散点图

不同土壤类型pH大小顺序为：潮土(8.149)>褐土性土(8.061)>潮褐土(8.004)>褐土(7.867)>棕壤性土(5.658)。潮土、褐土性土、潮褐土pH较大，P、K有效度也较高，而N在潮土、潮褐土中有效度较高，在褐土性土中有效度却最低。从图4分析，对于P、K，除了褐土，不同土壤类型中有效度与pH变化趋势基本一致，对于N，除了褐土性土，有效度与pH变化趋势也基本一致。这与根据pH与有效度相关系数及关系散点图分析的结果并不完全符合，说明土壤酸碱性(pH)不是引起不同土壤类型间元素有效度差异性的主要原因，而是与其他因素共同作用，比如在酸性棕壤性土中，N、P、K有效度均处于较低水平，应主要与其全量较低有关[21-22]。

图4 不同土壤类型N、P、K元素有效度与pH变化趋势对比图

5.3 有机质含量的影响分析

有机质最显著特征之一就是能与金属离子、氧化物、氢氧化物、矿物质等发生相互作用，形成具有不同化学和生物学稳定性的溶于水或不溶于水的物质[23]，从而对土壤养分元素有效性产生重要影响。N、P、K 3种元素有效度与有机质相关系数分别为-0.397、0.023、0.304(样品数200件、置信度α=0.05)。K有效度与有机质含量呈正相关，有研究表明，有机质丰富的土壤含磷亦较多[24]，有机质与P有效度有一定的正相关关系。有机质的积累使土壤中K元素的生物有效量增加，有利于作物的这些元素吸收利用。土壤中N有效度与有机质含量呈负相关性，可能是土壤有机残体分解较慢，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[25]。因此，增施有机肥的同时要防止N元素有效度的降低，适当补施N肥[26]。

不同土壤类型有机质含量(%)大小顺序为：褐土性土(3.694)>棕壤性土(2.524)>潮褐土(2.167)>潮土(1.94)>褐土(1.937)。褐土性土有机质含量最高，P、K有效度也较高，N有效度却最低。从图5分析，对于P、K，除了潮土不同土壤类型中有效度与有机质变化趋势基本一致；而对于N，有效度与pH变化趋势不同。这与根据有机质与有效度相关系数及关系散点图(图6)分析的结果一致，说明土壤有机质含量的影响是不同土壤类型中元素有效度差异性的重要原因。

图5 不同土壤类型N、P、K元素有效度与有机质变化趋势对比图

图6 N、P、K元素有效度与有机质关系散点图

6 结论

(1)历城区N、P、K元素有效量与全量排序总体一致，说明土壤元素全量对有效量的重要控制作用。不同元素的有效度相差十分悬殊，元素表生地球化学性质是决定其有效度的根本原因。

(2)不同土壤类型间元素有效度差异较大，潮褐土、潮土N、P、K元素的有效量和有效度都明显高于其他土壤类型，褐土性土中N全量最高，有效度反而最低；棕壤性土K全量、有效量、有效度均最低，且比其他土壤类型有较大差距。

(3)P、K除了褐土外，在其他土壤类型中全量与有效度的变化趋势基本一致，而N全量与有效度的变化趋势却相反，全量对于不同土壤类型间元素有效度的差异性具有一定的影响作用；N、P、K元素的有效度在弱碱性土壤中与pH呈负相关，而不同土壤类型间有效度与pH变化趋势却基本一致，说明酸碱性并不是有效度差异性的主要原因；P、K有效度与有机质含量呈正相关，N与有机质含量呈负相关性，除了潮土外其他土壤类型间P、K有效度与有机质变化趋势基本一致，N有效度与pH变化趋势不同，说明有机质含量是不同土壤类型间有效度差异性的重要原因。

(4)不同土壤类型间元素有效度的差异性除了主要受全量、有机质影响外，还与产业布局、人为耕作管理、成土母质、根际效应等综合作用有关。开展系统研究，对于在农业生产中有针对性地施用肥料以改善土壤肥力，提高作物产量和品质，将具有重要的指导意义。