石嘴山市土壤元素有效態含量及影響因素研究

楊建鋒， 魏麗馨， 石天池， 馬貴林， 曹園園， 王志強

(1.寧夏回族自治區地球物理地球化學勘查院，銀川 750004；2.寧夏回族自治區地質博物館,銀川 750001)

0 引言

土壤是植物生長的載體，植物生長發育需從土壤中吸收氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、硼、鋅、鉬、銅、硒等養分，其中尤以氮、磷、鉀的需要最多[1-2]。土壤元素含量反映了土壤對植物礦物質營養的供給水平，任何一種元素缺乏或過量，都會影響植物的生長發育[3-5]。土壤元素的總含量稱為全量，其中能被植物吸收利用的部分稱為“有效態含量”，而土壤中元素缺乏與否，通?？从行B含量，有些土壤元素的全量比較高，有效量卻比較低[6]。元素有效態含量與其在土壤中的化學存在形態有關[7-10]。成土母質是土壤物質的主要來源，是決定元素含量及分布的主要因素[11-12]。此外，大氣沉降、降雨和灌溉也是土壤微量元素的來源之一[13]。土壤中微量元素的含量、形態分布和有效性不僅與成土母質和成土過程等有關，還受耕作制度、施用肥料和種植作物等人為因素的影響[1]。不同種植系統所種植的作物在根系活動、分泌物組成及特性等方面都存在著很大的差異，因此也影響著微量元素的形態和有效性[14-17]。在長期作物連作和輪作條件下，土壤中微量元素的形態和分布已較原來土壤發生了很大變化，其較為典型的特點便是在耕層土壤的淋溶和深層土壤的相對富集[18]。土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效態含量主要受到土壤微量元素全量、有機C、pH、交換性陽離子含量的影響[19-20],植物對微量元素的吸收還受到土壤中各種微量元素有效態含量、元素比值以及微量元素間拮抗作用等的影響[11]。

研究區位居黃河中游上段，銀川平原北部，寧夏回族自治區石嘴山市境內。地勢西高東低相對平坦，按地形地貌類型為賀蘭山東麓洪積扇、洪積平原及河沖積平原。研究區主要分布于黃河與賀蘭山之間銀川平原內，地處我國西北內陸，屬典型的中溫帶大陸性干旱氣候，降水少，蒸發強，空氣干，光照足，輻射強，光照長。農業灌溉以引黃河自流灌溉為主，局部輔以地下水灌溉。石嘴山市2019年農作物種植面積為164.44×104畝，糧食作物為100.05×104畝，其中：小麥為28.6×104畝；玉米為48.32×104畝；水稻為23.13×104畝。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

1 樣品采集及分析

樣品采集于農作物成熟后的農田中，野外多點采集組合成樣，采樣深度為0 cm～20 cm。共采集水稻根系土為30件，小麥根系土為30件，玉米根系土為40件(圖1)。樣品在研究區風干后過20目篩，取500克裝瓶送實驗室。

樣品分析方法，其中Mn、P、K、Fe采用電感耦合等離子體原子發射光譜法進行分析，Cu、Zn、Mo采用電感耦合等離子體質譜法進行分析，Se采用原子熒光光譜法進行分析，B采用交流電弧-發射光譜法進行分析，N、有機質采用容量法進行分析。

有效態樣品的制備，土壤樣品經混勻后，取200 g樣品裝袋用作pH及水解性氮、水溶性鹽、速效鉀、陽離子交換量、有效磷、有效硒、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效鉬、有效銅、有效硼分析。先進行pH值分析，按pH<6.50為酸性土，pH介于6.50～7.50為中性土，pH>7.50為堿性土進行分類，針對不同分析項目，采用不同提取劑浸提后采用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)、容量法(VOL)進行分析。具體分析方法見表1。

統計分析：樣品分析指標共23項，用于統計分析的數據共計2 300個，通過EXCEL軟件對采集的樣品進行統計，SPSS分析統計軟件對獲取的分析數據進行相關分析。

表1 有效態樣品分析配套方案

表2 土壤元素全量及有效態參數特征統計

表3 不同作物根系土元素及有效態參數特征

2 結果與分析

2.1 根系土元素及有效態含量特征

由表2可以看出，石嘴山市根系土整體處于堿性強堿性環境，pH介于7.84～9.17之間。硼、銅、錳、鉬、硒、鋅、鐵、氮、磷、鉀元素全量及有機質含量均高于銀川平原土壤元素背景值，尤其是有機質、氮、磷、硒元素超過銀川平原地區背景值的1.5倍(圖2)。根據《土地質量地球化學調查評價規范》所規定的土壤養分等級劃分標準，各元素及有效態平均含量所對應的養分等級達到豐富水平的為：硒(寧夏富硒土壤標準)、有效硼、有效銅、有效鐵、速效鉀；較豐富水平有：B、Mn、Mo、P、有效鋅、有效磷；中等水平的有：Cu、Zn、Fe、K、有效錳；較缺乏水平的有：N、堿解氮、有機質；有效鉬處于缺乏狀態。其中B、Cu、Fe、K有效態含量均為豐富水平而其對應的元素全量為較豐富或中等水平，說明該地區堿性環境條件下B、Cu、Fe、K等元素有效態含量比例較高，有利于植物吸收。

2.2 農作物根系土元素全量及有效態含量特征

分別統計了石嘴山市小麥、水稻、玉米根系土中各元素的含量，從表3及圖3和圖4可以看出，由于經過長時間淹水，水稻根系土元素含量與玉米、小麥根系土明顯不同。水稻根系土B、Cu、Mn、Mo、N、P、Se、Zn、Fe、K、有機質等指標明顯低于小麥和玉米根系土含量，水稻根系土相對貧瘠。在元素有效態含量方面：Fe、Cu、Mo、Mn元素有效態含量在水稻根系土壤中明顯高于小麥和玉米，尤其是有效鐵含量達到了玉米根系土含量的3.8倍，是小麥根系土含量的4.5倍；N、P、K有效態含量在水稻根系土壤中明顯低于小麥和玉米。將位于黃河附近的水稻根系土樣品單獨進行統計分析，發現與遠離黃河的水稻根系土元素含量無明顯變化，說明元素含量特征與農作物種植方式及不同作物土壤水化學條件有關。研究區水稻相對于玉米及小麥對土壤中Fe、Cu、Mo、Mn的轉化吸收能力較強，玉米及小麥對土壤中N、P、K的轉化吸收能力強于水稻。

3 討論

從表4可以看出，石嘴山市根系土元素全量與有效態之間并非全部為明顯的正相關關系，僅N、P、K、Se、Mn、Zn、Cu、B元素全量與有效態含量呈極顯著的正相關關系，N、P、K為強相關水平，Se、Mn、Zn、Cu呈弱相關水平；Mo元素全量與有效態含量呈顯著的正相關關系；Fe元素全量與有效態含量無相關性。說明根系土元素有效態含量不僅與元素全量有關，還與土壤其他理化性質有關。

表4 土壤元素全量與有效態相關系數統計

圖2 不同作物根系土元素含量對比圖Fig.2 Comparison of total contents of elements in root soils for different crops

圖3 不同作物根系土元素有效態含量對比圖Fig.3 Comparison of available contents of elements in root soils for different crops

表5 土壤有機質、酸堿度、水溶性鹽與元素及有效態相關關系(n=100)

表6 不同作物根系土有機質、酸堿度、水溶性鹽參數特征

圖4 土壤有機質與元素有效量之間的關系Fig.4 Relationship between organic matter and available contents of elements in soil(a)有機質與速效鉀散點圖;(b)有機質與堿解氮散點圖;(c)有機質與有效磷散點圖;(d)有機質與有效硒散點圖

圖5 土壤水溶性鹽與元素有效量之間的關系Fig.5 Relationship between water-soluble salts and available contents of elements in soil(a)土壤水溶性鹽與有效鋅散點圖;(b)土壤水溶性鹽與有效硒散點圖

有機質、土壤酸堿度、水溶性鹽與元素及其有效態之間存在復雜的地球化學關系。研究區土壤有機質、酸堿度、水溶性鹽與元素及有效態相關關系(表5)，不同作物根系土有機質、酸堿度、水溶性鹽參數特征(表6)。

有機質不僅從源上直接向土壤中帶入各種元素，而且也影響著元素在土壤中的吸附—解析過程[21]。此外有機質也會間接地影響土壤pH值，進而影響土壤氧化還原環境，最終影響元素在土壤中的形態，這與微量元素有效性有著密切的關系[22]。

由表4可以看出，研究區有機質與N、P、Se、B、Cu、Zn、Fe、Mn、K、Mo等元素全量呈極顯著的正相關關系，其中N、P、Se與有機質呈強相關關系，說明隨著土壤有機質含量的增高，這些元素含量也在增高；有機質與Se、Zn、N、P、K等元素有效態含量呈極顯著的正相關關系(圖4)，與Mo元素有效態含量呈顯著的正相關關系。

在堿性土壤中，淹水后由于CO2分壓增高和某些有機酸的作用使pH降低[23]，故研究區水稻根系土pH低于小麥及玉米根系土。pH降低，各種金屬化合物的溶解度增加，元素有效態含量同時增高。

研究區土壤酸堿度與P全量呈極顯著的負相關關系，相關系數較小，其余元素與土壤酸堿度相關性較差；土壤酸堿度與Se、Fe、Mn、N、B等元素有效態含量呈極顯著的負相關關系，Se、Fe、Mn有效態與土壤酸堿度為中等相關水平,說明隨著土壤酸堿度的增高，研究區Se、Fe、Mn有效態含量呈下降趨勢。

石嘴山市土壤鹽漬化嚴重，土壤水溶性鹽直接反映土壤的鹽漬化水平，研究區土壤水溶性鹽與Mo全量呈顯著的正相關關系，其余元素與土壤水溶性鹽相關性較差；土壤水溶性鹽與Zn、Se、Fe、Mo、Mn、B等元素有效態含量呈極顯著的正相關關系，Zn有效態含量與土壤水溶性鹽為強相關水平(圖5)，Se、Fe有效態含量與土壤水溶性鹽為中等相關水平。

4 結論

石嘴山市土壤整體處于堿性強堿性環境，土壤養分高于銀川平原背景值，該地區B、Cu、Fe、K等元素有效態含量比例較高，有利于植物吸收。土壤元素有效態含量不僅與元素全量有關，還與種植農作物、土壤有機質、土壤酸堿度及土壤水溶性鹽等存在一定的關系。

由于經過長時間淹水，水稻根系土元素含量明顯不同于玉米、小麥根系土。水稻根系土B、Cu、Mn、Mo、N、P、Se、Zn、Fe、K、有機質等指標的含量明顯低于小麥和玉米根系土，水稻根系土相對貧瘠。通過分析元素有效態含量發現，水稻相對于玉米及小麥對土壤Fe、Cu、Mo、Mn的轉化吸收能力較強，玉米及小麥對土壤N、P、K的轉化吸收能力強于水稻。

研究區根系土有機質含量與N、P、Se的含量呈極顯著強正相關關系；Se、Fe、Mn等元素有效態與土壤酸堿度呈中等極顯著的負相關關系,隨著土壤酸堿度的增高，研究區Se、Fe、Mn有效態含量呈下降趨勢；土壤水溶性鹽與Zn有效態含量呈強的極顯著正相關關系，Se、Fe有效態含量與土壤水溶性鹽為中等極顯著正相關關系，隨著土壤水溶性鹽含量的增高，土壤Zn、Se、Fe的生物有效性明顯增大。