山東省青州市土壤養(yǎng)分元素有效量及其影響因素①

姜 冰，王松濤，孫增兵，張海瑞*，劉 陽(yáng)，劉 倩

山東省青州市土壤養(yǎng)分元素有效量及其影響因素①

姜 冰1,2，王松濤1,2，孫增兵1,2，張海瑞1,2*，劉 陽(yáng)1,2，劉 倩1,2

(1山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濰坊 261021；2山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261021)

為研究山東省青州市土壤養(yǎng)分元素有效量及其影響因素，通過(guò)系統(tǒng)采集分析390件表層土壤樣品，獲得了N、P、K、Cu、Zn、Mo、B 7種土壤養(yǎng)分元素全量和有效量以及pH和有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)性和差異性分析。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤Mo、B元素有效量低，總體表現(xiàn)為缺乏和較缺乏；N元素有效量背景值略高于臨界值，分布不規(guī)律；P、K、Cu、Zn元素有效量變異系數(shù)均大于100%，呈現(xiàn)西低東高的空間分布趨勢(shì)。相關(guān)性分析表明，N、P、K、Cu、Zn、B 6種元素全量與有效量呈顯著正相關(guān)，測(cè)試的7種元素有效量與pH均呈顯著負(fù)相關(guān)，N、K、Zn、B 4種元素有效量與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。不同成土母質(zhì)中，奧陶系和寒武系土壤pH、奧陶系土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于全區(qū)，養(yǎng)分有效量在奧陶系土壤中總體較低。不同土壤類(lèi)型中，粗骨土土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量顯著高于全區(qū)，養(yǎng)分有效量在粗骨土中總體較低。研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素有效量不僅與元素全量水平關(guān)系密切，同時(shí)受土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響。

養(yǎng)分元素；有效量；青州市

土壤元素有效量，指的是元素易溶于水的形態(tài)組分，其活性程度強(qiáng)，可以直接被植物吸收[1]。總體來(lái)說(shuō)，與土壤元素總量相比，有效量具有更直接的生態(tài)環(huán)境意義，能夠更有效地反映植物營(yíng)養(yǎng)元素的供給能力[2]。元素有效量受多種因素的影響，如元素全量、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、地質(zhì)背景、土壤類(lèi)型等[3-5]，同時(shí)反映不同地球表生環(huán)境下元素有效量的特征和影響因素[6-7]。研究土壤養(yǎng)分元素有效量，可為指導(dǎo)科學(xué)施肥、提高土壤肥力提供重要依據(jù)[8]。Cu和Zn既是養(yǎng)分元素，又是重金屬元素，而重金屬元素有效量的分析，對(duì)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義[9]。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

青州市是山東省濰坊市轄區(qū)的縣級(jí)市，地理極值坐標(biāo)118°10′20″ ～ 118°46′30″ E，36°24′27″ ～ 36°57′25″N，總面積1 561.9 km2，地處魯西隆起區(qū)的東南部邊緣、魯中山區(qū)和魯北平原交接處，總的地勢(shì)是西南高、東北低。其西南部發(fā)育古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)地層，地貌以上升剝蝕為主；東南部小面積發(fā)育新生代新近紀(jì)地層，地貌以剝蝕夷平為主；其他區(qū)域廣布新生代第四系，表現(xiàn)為堆積地形，系由山前、山間坳陷，處于下降或相對(duì)下降所形成的坡洪積裙、沖洪積扇組成的傾斜平原。土壤類(lèi)型包括潮土、砂姜黑土、粗骨土、褐土4類(lèi)[10](圖1)。

1.2 樣品采集與加工

在研究區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)土壤采樣點(diǎn)，每4 km2采集土樣1件，實(shí)際共采集樣品390件，采樣深度0 ～ 20 cm。采樣時(shí)，在布設(shè)的采樣點(diǎn)上，以GPS定位點(diǎn)為中心，向四周輻射50 ～ 100 m范圍內(nèi)等量采集3 ～ 5個(gè)子樣混合成1件土樣。采集的各分樣點(diǎn)土壤掰碎，挑出根系、秸稈、石塊、蟲(chóng)體等雜物，充分混合后，四分法留取1 kg裝入干凈結(jié)實(shí)的棉布袋。樣品懸掛在木質(zhì)樣品架上自然風(fēng)干，用木棍或塑料棍碾壓，并將植物殘?bào)w、石塊等侵入體剔除干凈，全部過(guò)2 mm孔徑的尼龍篩，混勻后取不少于500 g移交實(shí)驗(yàn)室。

1.3 樣品處理與測(cè)試

樣品測(cè)試工作由山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。測(cè)試項(xiàng)目包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)及N、P、K、Cu、Zn、Mo、B 7種養(yǎng)分元素的全量和有效量，并嚴(yán)格按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[11]進(jìn)行樣品處理與測(cè)試，樣品處理和分析方法見(jiàn)表1。測(cè)試中，樣品報(bào)出率為100%；采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制準(zhǔn)確度及精密度，絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差均不超差，合格率為100%。測(cè)試同時(shí)進(jìn)行了樣品內(nèi)部密碼抽查，合格率為100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)離差與平均值之比計(jì)算變異系數(shù)。利用Microsoft Excel 2010軟件，反復(fù)剔除平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)離差的離散值后的算術(shù)平均值作為研究區(qū)背景值。pH值在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)前，先將土壤pH值換算成[H+]濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后再換算成pH值。變量之間采用SPSS 22.0軟件做Pearson相關(guān)性分析。利用MapGIS 6.7中的泛克立格法進(jìn)行養(yǎng)分空間分布制圖。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)單元和土壤類(lèi)型

表1 土壤樣品處理與分析方法

2 結(jié)果

2.1 土壤養(yǎng)分元素全量、pH和有機(jī)質(zhì)含量

表2列出了研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分元素全量、pH和有機(jī)質(zhì)含量。變異系數(shù)(CV)反映數(shù)據(jù)的離散程度，變異系數(shù)越大，數(shù)據(jù)空間分布差異性越大[12-13]。研究區(qū)養(yǎng)分元素全量、pH和有機(jī)質(zhì)含量變異性依次為：有機(jī)質(zhì)>N>Mo>P>Cu>Zn>B>K>pH。與山東省表層土壤背景值相比[14]，比值為0.93 ～ 1.34，研究區(qū)N、P、Zn、B、有機(jī)質(zhì)相對(duì)豐富，K、Cu、Mo相對(duì)缺乏，pH以堿性為主。

2.2 土壤養(yǎng)分元素有效量及分級(jí)

以《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[11]中養(yǎng)分指標(biāo)有效量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的中等下限為臨界值，結(jié)合統(tǒng)計(jì)描述結(jié)果(表3)來(lái)衡量研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素有效量背景值的大小，可見(jiàn)，有效鉬和有效硼的背景值低于臨界值，總體含量低，而其他元素的有效量背景值高于臨界值，總體含量高。有效量變異性依次為：有效鋅>有效磷>有效銅>速效鉀>堿解氮>有效鉬>有效硼，其中除有效硼屬于中等變異外，其他元素有效量均為強(qiáng)變異，離散程度高，分布極不均勻。

基于上述評(píng)價(jià)規(guī)范，將土壤養(yǎng)分元素有效量劃分為5個(gè)等級(jí)(表4)，利用泛克立格法對(duì)有效量進(jìn)行空間插值，空間分布見(jiàn)圖2。堿解氮各分級(jí)區(qū)域主要呈斑狀或點(diǎn)狀不規(guī)律分布，豐富區(qū)在研究區(qū)南部相對(duì)集中，缺乏區(qū)主要呈斑狀分布于研究區(qū)西部；有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅總體上呈現(xiàn)西低東高的空間分布趨勢(shì)；有效鉬和有效硼在研究區(qū)內(nèi)處于偏低水平，與表3的統(tǒng)計(jì)描述結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

表2 土壤養(yǎng)分元素全量、pH和有機(jī)質(zhì)含量的描述性統(tǒng)計(jì)

注：表中N、P、K、有機(jī)質(zhì)含量單位為g/kg，pH無(wú)量綱，其余含量單位為mg/kg。

表3 土壤養(yǎng)分元素有效量的描述性統(tǒng)計(jì)

表4 土壤養(yǎng)分元素有效量分級(jí)(mg/kg)[11]

圖2 土壤元素有效量分級(jí)空間分布

2.3 土壤養(yǎng)分元素有效量在不同成土母質(zhì)中的變化規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)地層分布情況(圖1)，統(tǒng)計(jì)有效量在不同母質(zhì)中的變化規(guī)律，由表5可知，研究區(qū)內(nèi)不同成土母質(zhì)中的土壤有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅含量具有顯著性差異，第四系、新近系土壤有效磷、有效銅含量顯著高于其他母質(zhì)，第四系土壤速效鉀含量顯著高于其他母質(zhì)，新近系土壤有效鋅含量顯著高于其他母質(zhì)，而堿解氮、有效鉬、有效硼含量在不同成土母質(zhì)中沒(méi)有顯著性差異。研究區(qū)土壤不同成土母質(zhì)的土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量亦有顯著性差異，奧陶系、寒武系土壤pH顯著高于其他母質(zhì)，奧陶系土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他母質(zhì)，即不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤理化性質(zhì)不同，與前人研究結(jié)論一致[15]，其也是間接影響土壤養(yǎng)分元素有效量的重要因素[16]。

表5 不同地質(zhì)單元土壤養(yǎng)分元素有效量、pH和有機(jī)質(zhì)含量的對(duì)比

注：表中同行不同小寫(xiě)字母表示不同地質(zhì)單元土壤間差異顯著(<0.05)。

2.4 土壤養(yǎng)分元素有效量在不同土壤類(lèi)型中的變化規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)土壤類(lèi)型分布情況(圖1)，表6統(tǒng)計(jì)了有效量在不同土壤類(lèi)型中的變化規(guī)律。研究區(qū)內(nèi)不同土壤類(lèi)型中的土壤養(yǎng)分元素有效量多具有顯著性差異，有效鉬在褐土中含量最高，堿解氮在粗骨土中含量最高，速效鉀、有效銅在砂姜黑土中含量最高，有效磷、有效鋅、有效硼在潮土中含量最高。土壤類(lèi)型不同，其理化性質(zhì)也各不相同，研究區(qū)內(nèi)粗骨土中的土壤pH和有機(jī)質(zhì)均顯著高于其他土壤類(lèi)型。

表6 不同土壤類(lèi)型土壤養(yǎng)分元素有效量、pH和有機(jī)質(zhì)含量的對(duì)比

注：表中同行不同小寫(xiě)字母表示不同土壤類(lèi)型土壤間差異顯著(<0.05)。

3 討論

元素全量通常對(duì)有效量具有制約影響[17]。通過(guò)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)土壤元素全量與有效量的相關(guān)性，除Mo元素不相關(guān)外，其他元素全量與其有效量均在< 0.01水平呈顯著正相關(guān)，按相關(guān)系數(shù)大小排序?yàn)镻(0.796)> N(0.716)>Zn(0.694)>Cu(0.433)>K(0.167)>B(0.139)>Mo (–0.018)，表明有效量很大程度上受全量的影響明顯，且不同元素全量向有效量轉(zhuǎn)化具有差異性。

pH和有機(jī)質(zhì)是影響土壤養(yǎng)分元素有效量的重要因素[18]。由表7可知，土壤pH與7種元素的有效量均呈顯著負(fù)相關(guān)。有研究認(rèn)為，土壤pH的降低甚至酸化會(huì)引起某些元素的有效量增加[19]。另外，pH會(huì)影響溶液、膠體中的離子組成和元素形態(tài)，進(jìn)而對(duì)元素有效性產(chǎn)生影響[20]。有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮、速效鉀、有效鋅、有效硼含量呈顯著正相關(guān)，與其他元素有效量相關(guān)性不顯著。隨著有機(jī)質(zhì)的積累，伴隨有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合固定作用[21]，使這些元素有效量增加，尤其與堿解氮含量達(dá)極顯著正相關(guān)，堿解氮包括礦物態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)中易分解的有機(jī)態(tài)氮，所以有機(jī)質(zhì)含量高，則土壤熟化程度高，堿解氮含量也就高。

表7 土壤養(yǎng)分元素有效量與pH和有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性

注：** 相關(guān)性在<0.01顯著；* 相關(guān)性在<0.05顯著。

成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型是分析土壤元素空間變異的主要因素[22-23]，成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型不同，土壤理化性質(zhì)也各不相同，影響著土壤養(yǎng)分元素有效量。研究區(qū)西南部寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)碳酸鹽巖系地層，成土母質(zhì)碳酸鹽、鹽基離子含量較高，使得土壤pH較高；另外西南部為山地丘陵區(qū)，植被發(fā)育，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累；東北部為平原區(qū)，主要發(fā)育新近紀(jì)和第四紀(jì)地層，也是主要工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，人為擾動(dòng)對(duì)土壤酸堿度產(chǎn)生影響，同時(shí)缺少有機(jī)質(zhì)的積累。研究區(qū)內(nèi)褐土發(fā)育在低山丘陵坡麓、近山階地和山前平原，粗骨土發(fā)育在西南部山地丘陵區(qū)的碳酸鹽巖坡積風(fēng)化物上，砂姜黑土發(fā)育在大型洼地，潮土發(fā)育在河流沉積物上，不同土壤類(lèi)型的成土條件不同，導(dǎo)致了土壤理化性質(zhì)的差異。粗骨土的土層淺薄、成土過(guò)程微弱，受成土母質(zhì)和植被的影響大，使其pH和有機(jī)質(zhì)顯著高于其他土壤類(lèi)型；潮土和砂姜黑土耕性好，質(zhì)地適中，是農(nóng)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)，受人為擾動(dòng)大(如耕作、施肥)，使得多數(shù)元素的有效量高于其他土壤類(lèi)型。因此，結(jié)合有效量與pH、有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性分析結(jié)果可知，不同成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型土壤養(yǎng)分元素有效量的差異，是由其土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的差異導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素有效鉬和有效硼總體含量低，分別存在缺乏和較缺乏現(xiàn)象；堿解氮背景值略高于臨界值，但分布不規(guī)律；有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅含量變異系數(shù)均大于100%，分布極不均勻，呈現(xiàn)西低東高的空間分布趨勢(shì)。有效量除了受全量水平影響外，還受控于土壤其他理化性質(zhì)，而不同成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型導(dǎo)致了土壤理化性質(zhì)的差異，最終對(duì)土壤養(yǎng)分元素有效量形成了差異性影響。

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Available Contents of Soil Nutrient Elements and Their Influencing Factors in Qingzhou City, Shandong Province

JIANG Bing1,2, WANG Songtao1,2, SUN Zengbing1,2, ZHANG Hairui1,2*, LIU Yang1,2, LIU Qian1,2

(1 Shandong Provincial No.4 Institute of Geological and Mineral Survey, Weifang, Shandong 261021, China; 2 Key Laboratory of Coastal Zone Geological Environment Protection, Shandong Geology and Mineral Exploration and Development Bureau, Weifang, Shandong 261021, China)

In order to study the available content of soil nutrient elements and their influencing factors in Qingzhou City, Shandong Province, 390 topsoil samples were systematically collected and analyzed. The total and available contents of soil nutrient elements such as N, P, K, Cu, Zn, Mo and B, as well as pH and organic matter content were obtained, and the correlation and difference were analyzed. The results showed that the available contents of soil Mo, B elements in the study area were low, and the overall performance was lack and relatively lack. The background value of N element available content was slightly higher than the critical value, and its distribution was irregular. The variation coefficients of P, K, Cu, Zn elements available contents were greater than 100%, showed a spatial distribution trend of low west and high east. The correlation analysis showed that the total contents of N, P, K, Cu, Zn, B elements were significantly positively correlated with available contents, and the available contents of the 7 elements tested were significantly negatively correlated with pH. In addition, the available contents of N, K, Zn, B elements had a significant positive correlation with organic matter content. In different parent materials, pH of Ordovician and Cambrian soil and organic matter content of Ordovician soil were significantly higher than the whole area, but the available contents of soil nutrient elements were generally lower in Ordovician soil. In different soil types, pH and organic matter content of coarse bone soil were obviously higher than the whole area, while the available contents of soil nutrient elements were generally lower. The available content of soil nutrient elements in the study area was not only closely related to the total content of elements, but also affected by soil pH and organic matter content.

Nutrient element; Available content; Qingzhou City

S151.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.016

姜冰, 王松濤, 孫增兵, 等. 山東省青州市土壤養(yǎng)分元素有效量及其影響因素. 土壤, 2021, 53(6): 1221–1227.

山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局局控地質(zhì)勘查和科技創(chuàng)新項(xiàng)目(KC201903、202005)資助。

通訊作者(sdzhr8557@126.com)

姜冰(1984—)，男，山東濰坊人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail: jbing08@163.com