海南島典型水稻土硅形態(tài)空間分布特征及其有效性的影響因素

呂烈武，王朝弼，吳蔚東，吳治澎

（1.海南省土壤肥料站，海南 海口 571500；2.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，海南 海口 570228）

【研究意義】硅（Si）被列為繼氮、磷、鉀影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)的第四類重要元素。硅為植物生長必不可少的有益元素，尤其在禾本科作物（如水稻）生長發(fā)育中發(fā)揮至關(guān)重要作用，甚至可等同于必需元素的地位。大量研究表明，硅能使作物表皮細(xì)胞硅質(zhì)化、莖葉挺直，顯著促進(jìn)光能吸收、根系生長活力、呼吸速率，提高作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用，增強(qiáng)作物抗旱、抗病、抗蟲、抗鹽害和抗重金屬脅迫作用，也可通過植硅體的形式調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[1-3]。因此，深入研究土壤硅養(yǎng)分狀況對(duì)促進(jìn)硅肥開發(fā)與提高喜硅作物產(chǎn)量水平都具有重要意義。【研究進(jìn)展】盡管硅在地殼中的豐度居第2位，土壤中硅約占50%～70%，但大部分硅是難溶性的，植物不能直接從土壤中吸收如鋁硅酸鹽中的硅，只能通過植物根系以單硅酸的形式吸收所需的有效態(tài)硅營養(yǎng)[4]。實(shí)際上，我國有近一半耕地土壤存在缺硅問題，土壤有效硅含量為15.7～725.5 mg/kg，低于100 mg/kg的土壤占農(nóng)業(yè)土壤面積的40%以上[5]；對(duì)水稻土而言，有效硅含量低于臨界指標(biāo)的土壤占總面積的50%以上，約3 330萬hm2。從不同成土母質(zhì)來看，我國南方主要母質(zhì)發(fā)育的水稻土包括紅砂巖、花崗巖、花崗片麻巖、輕質(zhì)第四紀(jì)紅色粘土和淺海沉積物等母質(zhì)發(fā)育的水稻土，有效硅含量均低于80 mg/kg[6-7]。【本研究切入點(diǎn)】許多作物在生長過程中，僅依靠自然循環(huán)供給的硅元素養(yǎng)分是不夠的，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中補(bǔ)充有效硅顯得十分必要[8]。然而，硅形態(tài)直接影響到土壤中硅素的植物有效性、吸附-解吸以及淋溶損失行為，這為表征土壤溶液中硅的庫-源轉(zhuǎn)化提供重要依據(jù)[9]。因此，研究區(qū)域典型水稻土中硅素形態(tài)與植物有效性特征是指導(dǎo)高效硅施肥與養(yǎng)分調(diào)控的重要基礎(chǔ)。海南島作為我國最大的熱帶島嶼，大部分地區(qū)高溫多雨，風(fēng)化和淋溶作用劇烈，土壤粘土礦物以 1∶1 型為主，保肥能力差，回歸土壤的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量和有效性迅速下降。目前有關(guān)土壤硅素形態(tài)研究方面尚顯不足。【擬解決的關(guān)鍵問題】 本研究開展海南島典型水稻土硅形態(tài)的空間分布特征及其有效性的影響因素分析，為建立海南水稻土硅養(yǎng)分的高效施肥與有效硅調(diào)控提供科學(xué)指導(dǎo)，以進(jìn)一步全面推進(jìn)海南省高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)發(fā)展和硅肥合理開發(fā)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島是中國南方的熱帶島嶼，面積3.39萬km2，為國內(nèi)僅次于臺(tái)灣島的第二大島。島嶼呈拳頭狀，介于108.62°～111.05°E、18.17°～20.17°N之間，北與廣東、廣西隔海相望，西與越南隔海相望，東為臺(tái)灣、呂宋島，南臨南海諸島。海南島地形成斗笠型，中間以五指山、鸚哥嶺為核心隆起，四周低平。島上熱帶雨林茂密，海水清澈蔚藍(lán)，河網(wǎng)水系密布，境內(nèi)形成了以南渡江、萬泉河、昌化江為干流的流域系統(tǒng)。年平均氣溫為23.8℃，雨量充沛，無酷夏與嚴(yán)冬，干濕季分明，具有得天獨(dú)厚的氣候優(yōu)勢(shì)。在暖濕氣流的環(huán)境條件影響下，海南島上土壤類型豐富，共劃分為15個(gè)土類87個(gè)土屬，其中水稻土是海南島較為常見的土壤類型，在全島所有市縣均有分布[10]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤采樣采集 采用GPS定位、“S”型采樣法，每個(gè)樣點(diǎn)在直徑100 m ×100 m 范圍內(nèi)選擇15～20個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm的表層土混合均勻，用四分法棄取，使各混合土樣保留1 kg 左右?guī)Щ厥覂?nèi)進(jìn)行處理與檢測。樣品采集于2019年5—8月進(jìn)行，采樣點(diǎn)布設(shè)充分考慮地形地貌、成土母質(zhì)等，共設(shè)采樣點(diǎn)95個(gè)，主要涵蓋在海相沉積物（20個(gè)）、河流沖積物（20個(gè)）、玄武巖（17個(gè)）、花崗巖（21個(gè)）、砂頁巖（17個(gè)）上發(fā)育的海南島最為典型水稻土，然后分析其有效硅和理化性質(zhì)。不同縣市采樣點(diǎn)分布為：海口市12個(gè)、文昌市11個(gè)、澄邁縣6個(gè)、臨高縣4個(gè)、定安縣6個(gè)、瓊海市7個(gè)、屯昌縣6個(gè)、儋州市10個(gè)、昌江縣3個(gè)、東方市3個(gè)、白沙縣5個(gè)、瓊中縣5個(gè)、萬寧市4個(gè)、陵水縣1個(gè)、樂東縣7個(gè)、保亭縣2個(gè)、三亞市3個(gè)。

1.2.2 土壤指標(biāo)測定 樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后備用。土壤 pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷、有效硅、全硅、游離氧化鐵等含量測定方法參照《農(nóng)化分析》。采用改進(jìn)的逐級(jí)化學(xué)提取流程測定土壤中可提取態(tài)硅的存在形態(tài)[11]：（1）醋酸-醋酸鈉緩沖液提取有效態(tài)硅（Available Si）；（2）雙氧水提取有機(jī)態(tài)硅（Organic Si）；（3）鹽酸羥胺提取鐵錳（氫）氧化物結(jié)合態(tài)硅（Fe/Mn -oxide Si）；（4）氫氧化鈉提取無定形硅（Amorphous Si）。

某種形態(tài)硅所占比例（%）=單位質(zhì)量土壤中該種形態(tài)硅含量/單位質(zhì)量土壤中4種形態(tài)硅含量之和×100。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用軟件Excel2013、SPSS19.0 處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用軟件ArcGIS10繪制采樣點(diǎn)分布圖和土壤硅含量空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻土硅含量的空間分布特征

由表1可見，從最大值來看，海南島水稻土硅含量最大的出現(xiàn)在砂頁巖母質(zhì)發(fā)育的水稻土（542.11 mg/kg），其次為海相沉積物發(fā)育的水稻土（534.21 mg/kg），最小是玄武巖發(fā)育的水稻土（378.43 mg/kg）。不同成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土的平均硅含量依次是海相沉積物＞花崗巖＞河流沖積物＞砂頁巖＞玄武巖。玄武巖發(fā)育的水稻土硅含量的平均值和中位數(shù)最低（分別為285.72 mg/kg 和285.32 mg/kg），海相沉積物母質(zhì)發(fā)育的水稻土硅含量平均值最高（351.91 mg/kg）。如圖1所示，海南島主要的水稻土硅含量為198.32～542.11 mg/kg，平均為326.66 mg/kg，最高值為最低值的2.73倍，各采樣點(diǎn)硅含量差異相對(duì)較小。從空間上看，土壤硅含量較高的區(qū)域主要分布在海南島東北部（文昌）、西南部（三亞、樂東）；瓊海、屯昌、西部（東方、昌江沿海）等地分布的水稻土硅含量處于較高水平；海口、澄邁、臨高、定安、文昌西南部等地分布的水稻土硅含量處于較低水平。

表1 海南島典型水稻土各形態(tài)硅含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of contents of different silicon fractions in typical paddy soils in Hainan Island

圖1 海南島典型水稻土全硅含量空間分布特征Fig.1 Spatial distribution of total silicon content in typical paddy soils in Hainan Island

2.2 水稻土有效硅含量的空間分布特征

從表1可知，玄武巖發(fā)育的水稻土有效硅含量的平均值與中位數(shù)最高（分別為63.67、67.32 mg/kg），花崗巖發(fā)育的水稻土有效硅含量的平均值與中位數(shù)最低（分別為19.32、19.94 mg/kg），其他成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量的平均值處于中間水平（43.59～46.20 mg/kg）；水稻土有效硅含量的平均值大小依次為玄武巖＞海相沉積物＞河流沖積物＞砂頁巖＞花崗巖。如圖2所示，海南主要的水稻土有效硅含量范圍為12.34～94.32 mg/kg， 平 均 為 44.79 mg/kg，最高值為最低值的7.64倍，各采樣點(diǎn)有效硅含量差異較大。從空間上看，土壤有效硅與硅含量的空間分布特征大致相反，含量較高的區(qū)域主要分布在海南島北部地區(qū)的海口、澄邁、臨高、屯昌、文昌西部等地；萬寧、陵水以及中部五指山、瓊中、白沙等地土壤有效硅含量較低。另外，根據(jù)現(xiàn)有農(nóng)田土壤有效硅的分級(jí)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2），調(diào)查區(qū)所有水稻土樣點(diǎn)的有效硅含量都小于臨界值100 mg/kg，均處于缺乏狀態(tài)。處于嚴(yán)重缺乏和中度缺乏樣點(diǎn)數(shù)分別占46.32%和32.63%，缺乏和潛在缺乏分別占17.89%和3.16%。

圖2 海南島典型水稻土有效硅含量空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of available silicon content in typical paddy soils in Hainan Island

表2 海南島典型水稻土有效硅的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及比例Table 2 Classification standards and proportion of available silicon in typical paddy soils in Hainan Island

2.3 水稻土其他硅形態(tài)組成及空間分布特征

從表1可見，所有成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有機(jī)態(tài)硅含量的平均值大小依次為玄武巖＞花崗巖＞河流沖積物＞砂頁巖＞海相沉積物；土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅含量的平均值大小依次為玄武巖＞海相沉積物＞砂頁巖＞花崗巖＞河流沖積物；土壤無定形態(tài)硅含量的平均值大小依次為花崗巖＞海相沉積物＞河流沖積物＞砂頁巖＞玄武巖。如圖3～圖5所示，海南主要的水稻土有機(jī)態(tài)硅含量為8.54～25.90 mg/kg，平均為17.82 mg/kg，最高值為最低值的3.03倍；水稻土鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅含量為23.99～75.42 mg/kg，平均為42.81 mg/kg，最高值為最低值的3.14倍；水稻土無定形態(tài)硅含量為71.41～456.97 mg/kg，平均為221.24 mg/kg，最高值為最低值的6.4倍。從空間上看，土壤有機(jī)態(tài)硅含量的空間分布特征與鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅分布趨勢(shì)大致相似，含量較高的區(qū)域主要分布在海南島的北部地區(qū)海口、澄邁、臨高等；其中有機(jī)態(tài)硅在東部及東南部的瓊海、東方、陵水、萬寧等地水稻土中含量較高，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅在瓊海、三亞及五指山等地水稻土中含量較高；但無定形態(tài)硅含量分布趨勢(shì)與有效態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)及鐵錳氧化結(jié)合態(tài)分布的趨勢(shì)相反，其高含量主要分布在東方、樂東、瓊海和文昌東北部沿海地帶。

圖3 海南島典型水稻土有機(jī)硅含量空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of organic silicon content in typical paddy soils in Hainan Island

圖4 海南島典型水稻土鐵錳氧化物Fig.4 Spatial結(jié) di合str態(tài)ibu硅tio含n o量f F空e/間Mn-分oxi布de 特sil征icon content in typical paddy soils in Hainan Island

圖5 海南島典型水稻土無定形硅含量空間分布特征Fig.5 Spatial distribution of amorphous silicon content in typical paddy soils in Hainan Island

由表3可知，海南主要的水稻土有效硅占比為3.84%～35.86 %，平均為15.20%，最高值為最低值的9.34倍；土壤有機(jī)態(tài)硅占比為2.20%～12.88%，平均為5.88%，最高值為最低值的6.44倍；土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅占比為5.85%～29.37%，平均為14%，最高值為最低值的5.02倍；土壤無定形態(tài)硅占比為35.97%～75.27%，平均為46.93%，最高值為最低值的6.01倍。不同成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效態(tài)硅占比的平均值大小依次是玄武巖＞砂頁巖＞河流沖積物＞海相沉積物＞花崗巖，有機(jī)態(tài)硅占比的平均值大小依次是玄武巖＞花崗巖＞河流沖積物＞砂頁巖＞海相沉積物，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅占比的平均值大小依次是玄武巖＞砂頁巖＞海相沉積物＞花崗巖＞河流沖積物；無定形態(tài)硅占比的平均值大小依次花崗巖＞河流沖積物＞海相沉積物＞砂頁巖＞玄武巖。

2.4 水稻土有效硅的影響因素

除了成土母質(zhì)外，土壤有效硅含量與采樣點(diǎn)的海拔、無定形硅、有效磷含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（R2值分別為0.128、0.351和0.295，P＜ 0.01），與有機(jī)態(tài)硅、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅、 pH、有機(jī)質(zhì)、游離氧化鐵和速效氮均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（R2值分別為0.117、0.204、0.128、0.319、0.302和0.303，P＜0.01）；而與全磷、全鉀、全硅含量均無顯著相關(guān)。由于各因素間存在線性相關(guān)，需采用逐步回歸深入分析有效硅與土壤各理化性質(zhì)的內(nèi)在因果關(guān)系。在逐步回歸過程中，設(shè)定在α= 0.05水平引入變量和α= 0.10水平剔除變量為臨界值，依據(jù)R2來表征影響因子對(duì)自變量影響大小。由表4可知，基于所有樣品分析，海南島水稻土pH是影響土壤植物有效硅的最主要因素（解釋65%的變異），其次為土壤游離氧化鐵、速效氮、有效磷含量。從不同成土母質(zhì)來看，海相沉積物發(fā)育的水稻土有效硅含量與土壤速效氮和pH密切相關(guān)，速效氮解釋其79%的變異；在玄武巖發(fā)育的水稻土中，速效氮解釋其58%的變異，其次為土壤pH、有效磷；在花崗巖發(fā)育的水稻土中，速效氮解釋其67%的變異，其次由土壤pH、游離氧化鐵來解釋；在流水沖積母質(zhì)發(fā)育的水稻土中，速效氮解釋84%的變異，其次由土壤pH來解釋；在砂頁巖母質(zhì)發(fā)育的水稻土中，土壤pH解釋87%的變異，速效氮解釋剩下變異。

表3 不同成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土硅形態(tài)比例描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Descriptive statistics of the proportion of silicon fractions in paddy soils from different parent materials

3 討論

本研究采集海南島典型水稻土樣品分析，結(jié)果表明，土壤有效硅含量為12.34～ 94.32 mg/kg，平均為44.79 mg/kg，顯著低于海南島農(nóng)田土壤（63.9 mg/kg[7]）、四川省沙巖黃壤土等母質(zhì)發(fā)育的水稻土（69.64 mg/kg）以及我國南方稻田土壤（80～120 mg/kg[6,12]）；水稻土有效硅含量低于100 mg/kg，屬于缺乏水平，其中處于嚴(yán)重缺乏和中度缺乏樣點(diǎn)數(shù)分別占46.32%和32.63%。有關(guān)研究表明，湖北、江西、浙江和安徽等南方省份水稻土有效硅含量低于100 mg/kg的比例達(dá)50%～90%，均屬于硅的中度缺乏地區(qū)[13-15]；而東北、石河子、山東等北方地區(qū)稻田有效硅含量較高，屬不缺乏水平[16-19]。我國南方亞熱帶、熱帶地區(qū)稻田有效硅含量處于缺乏水平，其中熱區(qū)海南省最為嚴(yán)重，這主要由于熱帶濕熱多雨條件下土壤淋溶及流失引起的脫硅化過程以及農(nóng)田灌溉水體硅含量較低等原因所造成的[20]。基于逐級(jí)化學(xué)提取方法，海南主要的水稻土不同形態(tài)硅素占比平均值大小依次為無定形態(tài)硅＞有效硅＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅＞有機(jī)態(tài)硅，說明土壤中以酸衍生物或以硅-碳鍵聯(lián)結(jié)形成的有機(jī)硅的豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無機(jī)硅。從空間上看，海南島主要的水稻土有效性、有機(jī)態(tài)硅與鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅分布趨勢(shì)大致相似，在海南島北部地區(qū)的海口、澄邁、臨高及東南部等區(qū)域含量較高；而全硅與無定形態(tài)硅高含量主要分布在西部和西南部，分布趨勢(shì)與有效態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)及鐵錳氧化結(jié)合態(tài)相反。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤有效硅與全硅相關(guān)性不顯著，說明土壤全硅并不能指示土壤硅素營養(yǎng)的有效性，進(jìn)而無法為硅肥的合理使用提供科學(xué)依據(jù)。土壤有效硅與無定形態(tài)硅含量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明這兩種硅庫是此消彼長的關(guān)系。通常認(rèn)為，土壤有效態(tài)硅庫主要受無定形硅庫調(diào)控，生物源蛋白石分解和無定形氧化鐵對(duì)單硅酸解吸附成為有效態(tài)硅主要來源[21]。土壤有效硅與鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅、有機(jī)態(tài)硅含量都呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，說明土壤有機(jī)質(zhì)和粘土礦物吸附部分交換態(tài)硅是有效硅的重要來源[11]。

表4 土壤性質(zhì)與有效硅之間的逐步回歸模型Table 4 Stepwise regression models for predicting parameters of soil properties and soil available silicon

不同成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效態(tài)、有機(jī)態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅占比以玄武巖最高；無定形態(tài)硅占比以花崗巖最高，以玄武巖最低。這是因?yàn)榻Y(jié)晶態(tài)硅酸鹽的分解風(fēng)化是無定形硅的主要來源。本研究中，相同氣候條件下花崗巖性較易風(fēng)化，補(bǔ)充無定形硅庫；而玄武巖發(fā)育的水稻土鐵錳氧化物的粘土礦物和有機(jī)質(zhì)含量更高，顯著提高了這兩種形態(tài)硅的豐度。土壤硅的有效性隨著海拔降低而緩慢升高，這可能是因?yàn)榈秃０蔚貐^(qū)地下水位較高，加上不斷完善的水利設(shè)施，導(dǎo)致土壤有效硅含量略高[15]。另外，土壤理化性質(zhì)也是影響土壤硅有效性的重要因素。土壤有效磷與有效硅含量呈負(fù)相關(guān)，說明土壤活性的磷素與硅素爭奪土壤礦物表面的結(jié)合位點(diǎn)，利于有效硅的釋放[23]。為了進(jìn)一步分析有效硅與土壤各理化性質(zhì)的內(nèi)在因果關(guān)系，基于所有樣品逐步回歸分析顯示，土壤pH是影響海南島水稻土植物有效硅的最主要因素，因?yàn)橥寥纏H通過影響土壤溶液組成和土壤粘粒的性質(zhì)來提高有效硅的釋放。通常在酸性或中性水稻土中，在一定范圍內(nèi)，土壤有效硅含量隨pH值升高而提高，而在堿性或富含碳酸鈣的土壤中，得出的結(jié)論并不一致[23]。從不同母質(zhì)來看，除砂頁巖母質(zhì)外，其他4種母質(zhì)發(fā)育的水稻土的有效硅主要受到土壤速效氮的調(diào)控，這說明不同母質(zhì)巖性的差異已經(jīng)從根本上影響水稻土的酸堿性，進(jìn)而影響土壤硅形態(tài)的轉(zhuǎn)化與分布，最終影響土壤硅素的有效性。在同一母質(zhì)發(fā)育的水稻土中，速效氮是判斷土壤供硅水平和指導(dǎo)施用硅肥的指示指標(biāo)。土壤溶液中速效氮包括氨態(tài)氮和硝態(tài)氮，這些離子的存在反映水稻土的氧化還原電位和酸堿度較高，有利于有效硅釋放。

4 結(jié)論

海南島主要的水稻土有效硅含量屬缺乏水平，顯著低于海南農(nóng)田和其他南方省份水稻土。處于中度到嚴(yán)重缺乏的樣點(diǎn)數(shù)約占79%，處于潛在缺乏和缺乏的樣點(diǎn)數(shù)約占21%。海南島典型水稻土不同形態(tài)硅素占比平均值大小依次為無定形態(tài)硅＞有效硅＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅＞有機(jī)態(tài)硅。從不同成土母質(zhì)來看，玄武巖發(fā)育的水稻土有效態(tài)硅、有機(jī)態(tài)硅和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅占比最高，花崗巖發(fā)育水稻土有效態(tài)硅最低，無定形硅最高。從空間上看，土壤有效硅與硅含量的空間分布特征大致相反，含量較高的區(qū)域主要分布在海南島北部地區(qū)的海口、澄邁、臨高、屯昌、文昌西部等；含量較低的區(qū)域主要分布在萬寧、陵水以及中部五指山、瓊中、白沙等地。土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硅和有機(jī)態(tài)硅空間分布特征與有效硅較相似，與無定形硅的空間分布相互補(bǔ)。海南島典型水稻土植物有效硅主要受土壤pH調(diào)控，土壤游離氧化鐵、速效氮、有效磷含量也起一定作用。除砂頁巖母質(zhì)外，在不同成土母質(zhì)發(fā)育水稻土內(nèi)部，土壤速效氮是影響土壤硅有效性的主要因子。土壤有效性的影響因素存在尺度差異性。