濱海輕度鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素空間變化特征及其影響因子分析

摘要：為探究濱海鹽堿苜蓿（Medicago sativa）種植地土壤微量元素空間變化特征及其影響因子，本研究采集河北濱海輕度鹽堿苜蓿種植地不同深度土壤樣品，分析土壤微量元素含量和土壤性狀的變化規律以及二者之間的關系。結果表明：0～10 cm土層的土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量分別為11.4，21.8，1.3和1.5 mg·kg-1。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均隨土壤深度的增加而減小。土壤pH值隨土壤深度的增加而增加，土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量均隨土壤深度的增加而減小。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量與土壤pH值負相關，與土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量正相關。濱海輕度鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素變化受到土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量的共同作用。

關鍵詞：濱海鹽堿地；苜蓿；微量元素；土層

中圖分類號：S153.6""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）09-2777-07

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2024.09.011

引用格式：

譚琦亓， 劉禮博， 劉" 蕾，等.濱海輕度鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素空間變化特征及其影響因子分析［J］.草地學報，2024，32（9）：2777-2783

TAN Qi-qi， LIU Li-bo， LIU Lei，et al.Spatial Variations and Influencing Factors of Soil Micronutrients in Coastal Mild Saline-alkali Alfalfa （Medicago sativa） Planting Area［J］.Acta Agrestia Sinica，2024，32（9）：2777-2783

Spatial Variations and Influencing Factors of Soil Micronutrients in Coastal

Mild Saline-alkali Alfalfa （Medicago sativa） Planting Area

TAN Qi-qi1*， LIU Li-bo1， LIU Lei1， LIU Zhen-yu2， LIU Zhong-kuan2， HUANG Ding1*

（1. College of Grassland Science and Technology， China Agricultural University， Beijing 100193， China; 2. Institute of Agricultural

Resources and Environment， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang， Hebei Province 050051， China）

Abstract：To explore the spatial variations and influencing factors of soil micronutrients in coastal saline-alkali alfalfa （Medicago sativa） planting area，this study collected soil samples of different depths in coastal mild saline-alkali alfalfa field in Hebei Province. We analyzed the changes in soil micronutrient contents and soil properties and the relationships between them. The results showed that the contents of soil available Fe，Mn，Cu and Zn in 0-10 cm soil layer were 11.4，21.8，1.3 and 1.5 mg·kg-1. Soil available Fe，Mn，Cu and Zn contents decreased with increased soil depth. Soil pH value increased with the increase in soil depth，whereas soil organic matter content，soil clay content and soil silt content decreased with increased soil depth. Soil available Fe，Mn，Cu and Zn contents were negatively correlated with soil pH value，and they were positively correlated with soil organic matter content，soil clay content and soil silt content. The variations of soil micronutrients in coastal mild saline-alkali alfalfa field were jointly controlled by soil organic matter content，soil clay content and soil silt content.

Key words：Coastal saline-alkali soil;Alfalfa;Micronutrient;Soil layer

收稿日期：2024-01-04；修回日期：2024-04-21

基金項目：財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系（CARS-34）；國家自然科學基金項目（32301498）資助

作者簡介：

譚琦亓（1991-），男，土家族，湖北建始人，博士，副教授，主要從事草地資源管理與生態保護研究，E-mail： cautanqiqi133@cau.edu.cn；*通信作者 Author for correspondence， E-mail： cautanqiqi133@cau.edu.cn; huangding@263.net

土壤鹽堿化嚴重限制土地生產力，但是，鹽堿地是重要的后備土地資源，在保障我國糧食安全和生態安全等方面具有重大潛力［1-2］。目前，我國約有3.5×108 hm2的鹽堿地，占世界鹽堿地總面積的4%左右，其中濱海鹽堿地是我國鹽堿地的重要組成部分，總面積約有1×106 hm2，主要分布在我國渤海西岸、東南沿海各省市地區［3-4］。濱海地區受潮汐和地下水的影響，鹽堿地含鹽量高、土壤pH高，有機質含量低［5］。因此，治理濱海鹽堿地對于高效利用邊際土地和緩解濱海地區人地緊張關系具有重要意義。

生物改良鹽堿地主要是通過種植耐鹽植物來達到降低鹽堿，提高地力的目的，具有投入成本低、有效、環保等優點，是鹽堿地改良“治標亦治本”的措施［6-8］。紫花苜蓿（Medicago sativa）是多年生優質蛋白型牧草，產草量高、適口性好、耐刈割，具有極高的飼用品質和經濟價值，被譽為“牧草之王”。紫花苜蓿耐鹽堿，含鹽量0.1%～0.8%的土壤中均能良好生長，鹽堿地種植紫花苜蓿能夠有效降低土壤鹽堿性，達到改良土壤的目的［9-11］。董曉霞等［12］在濱海鹽堿地種植紫花苜蓿，研究紫花苜蓿地建植7年后土壤性狀的變化，發現種植紫花苜蓿能夠顯著降低土壤可溶性鹽總量，顯著提高土壤有機質含量和全氮含量。

目前濱海鹽堿地紫花苜蓿種植研究主要集中在紫花苜蓿品種篩選、栽培措施對紫花苜蓿產量的影響以及種植紫花苜蓿對濱海鹽堿地土壤大量元素含量的影響等方面［12-16］，很少關注濱海鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素空間變化特征及其影響因子。相較于大量元素，微量元素在植物體內含量較低，但它們對于植物的生長發育和生理生化功能具有重要作用，是植物必須的營養元素［17-18］。比如鐵元素在植物的氧化還原反應和光合作用中起著關鍵作用，錳元素是植物體光合系統中錳蛋白和超氧化物歧化酶的組成元素。銅元素能夠參與植物的碳水化合物、脂肪和氮代謝，鋅元素對于植物體維持生物膜的完整性具有重要作用，并且參與蛋白質的合成［19-20］。微量元素對紫花苜蓿的生長發育同樣具有關鍵作用，比如施用錳肥或鋅肥能顯著提高紫花苜蓿干草產量和品質［21-23］。濱海鹽堿地較高的土壤pH值和較低的土壤有機質含量可能會影響土壤微量元素的有效性，從而影響紫花苜蓿的產量和品質。因此，研究濱海鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素空間變化特征及其影響因子具有重要意義。本研究依托河北省滄州市的國家牧草產業技術體系滄州綜合試驗站，以建植3年的濱海鹽堿苜蓿種植地為研究對象，分析不同深度土壤樣品的有效態鐵、錳、銅、鋅含量，探究濱海鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素空間分布特征；通過運用相關分析和方差分解等方法解析土壤pH值、土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量等土壤理化性狀對土壤微量元素變化的影響，進而揭示濱海鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素變化的影響因子，以期為濱海鹽堿地的綜合利用提供科學依據。

1" 材料與方法

1.1" 試驗地概況

土壤采樣地點位于河北省滄州市黃驊市羊二莊鎮國家牧草產業技術體系滄州綜合試驗站（117°58′E，38°31′N）。試驗站位于環渤海缺水鹽漬區，屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。該地區年平均降雨量為600 mm，約65%的降水集中在7至8月，年平均氣溫13℃，年平均日照時數2700 h，無霜期210 d。試驗站土壤為鹽化潮土，耕層土壤有機質含量為12.3 g·kg-1，土壤堿解氮含量為19.7 mg·kg-1，土壤速效鉀含量為146.0 mg·kg-1，土壤速效磷含量為8.9 mg·kg-1，含鹽量0.2%，輕度鹽堿，土壤pH值7.6［15］。

1.2" 試驗設計與土壤取樣

國家牧草產業技術體系滄州綜合試驗站內苜蓿種植地的總面積約2.3 ha，屬于當地苜蓿生產企業租賃用于苜蓿生產的種植地，由多塊長方形苜蓿田組成，每塊苜蓿田面積約0.3 ha。2022年9月，根據試驗站內苜蓿種植地管理情況，隨機選取5塊建植年限（3年）和管理措施相同的苜蓿田按照“S”形取樣法進行不同深度的土壤樣品采集，使用土鉆分別鉆取0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，50～70 cm和70～90 cm六個土層的土壤樣品，將土壤樣品裝入塑封袋內帶回實驗室。在實驗內將土壤樣品風干，并過2 mm篩用于土壤理化指標的分析，其中，用于土壤有機質含量測定的土壤樣品過0.149 mm篩。

1.3" 測定指標與方法

考慮到植物吸收的是土壤中可移動的微量元素離子，本研究對土壤樣品用DTPA浸提，采用ICP-AES法測定土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量［24］。土壤pH值（水土比=1∶2.5）使用pH計進行測定。土壤有機質含量采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定［24］。土壤粘粒含量和粉粒含量采用激光粒度分析儀法測定。

1.4" 數據分析

數據整理采用Microsoft Excel 2021軟件；數據統計分析采用SPSS20.0和Canoco5軟件，使用單因素方差分析方法比較不同土層土壤有效態微量元素含量和土壤性狀的差異，使用相關分析方法評估土壤pH值、土壤有機質含量和土壤粘粉粒含量對土壤微量元素變化的作用關系，使用方差分解方法解析土壤pH值、土壤有機質含量和土壤粘粉粒含量及其交互作用對土壤微量元素變化的影響大小；繪圖采用Origin2022軟件。

2" 結果與分析

2.1" 不同土層土壤微量元素變化特征

土壤深度對土壤微量元素變化有顯著影響（圖1）。0～10 cm土層的土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量分別為11.4，21.8，1.3和1.5 mg·kg-1。隨著土壤深度的增加，土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均呈現下降趨勢，依次從0～10 cm土層的11.4，21.8，1.3和1.5 mg·kg-1下降到70～90 cm土層的7.3，8.9，0.9和0.2 mg·kg-1。土壤有效態鐵、錳、鋅含量在20～30 cm土層與土壤有效態銅含量在50～70 cm土層的下降幅度最大。0～20 cm土層土壤的微量元素含量均顯著高于70～90 cm土層土壤的微量元素含量。

2.2" 不同土層土壤性狀變化特征

土壤深度對土壤性狀變化影響顯著。0～10 cm土層的土壤pH值為7.1，隨著土壤深度的增加，土壤pH值呈現出增加的變化趨勢，從7.1增加到70～90 cm土層的8.4，70～90 cm土層的土壤pH值的增幅最大，0～20 cm土層的土壤pH值顯著低于70～90 cm土層的土壤pH值（圖2a）。0～10 cm土層的土壤有機質含量為1.3%，隨著土壤深度的增加，土壤有機質含量呈現出下降趨勢，從1.3%下降到70～90 cm土層的0.4%，0～20 cm土層的土壤有機質含量顯著高于70～90 cm土層的土壤有機質含量（圖2b）。0～10 cm土層的土壤粘粒含量和土壤粉粒含量為7.5%和40.0%，土壤粘粒含量和土壤粉粒含量均隨著土壤深度的增加而減小，0～20 cm土層的土壤粘粒含量和土壤粉粒含量均顯著高于70～90 cm土層的土壤粘粒含量和土壤粉粒含量（圖2c，d）。

2.3" 不同土壤性狀對土壤微量元素變化的影響

土壤性狀變化與土壤微量元素變化顯著相關。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均與土壤pH值呈顯著的負相關關系，相關關系的顯著性水平依次為Plt;0.05，Plt;0.01，Plt;0.001和Plt;0.01，相關系數依次為-0.41，-0.50，-0.60和-0.51（圖3，4）。土壤有效態鐵、錳、鋅含量均與土壤有機質含量值顯著正相關，相關關系的顯著性水平依次為Plt;0.01，Plt;0.01和Plt;0.001，相關系數依次為0.51，0.53和0.78，而土壤有效態銅含量與土壤有機質含量不相關。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均與土壤粘粒含量呈顯著的正相關關系，相關關系的顯著性水平均為Plt;0.001，相關系數依次為0.62，0.64，0.61和0.78。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均與土壤粉粒含量呈顯著的正相關關系，相關關系的顯著性水平均為Plt;0.001，相關系數依次為0.71，0.68，0.60和0.65。

土壤pH值、土壤有機質含量和土壤粘粉粒含量單獨解釋了0%，0%和12.1%的土壤微量元素的變化（圖5）。土壤pH值與土壤有機質含量的交互作用、土壤有機質含量與土壤粘粉粒含量的交互作用以及土壤粘粉粒含量與土壤pH值的交互作用對土壤微量元素變化的解釋度依次為0.2%，11.2%和1.7%。土壤pH值、土壤有機質含量和土壤粘粉粒含量三者的交互作用對土壤微量元素變化的解釋度為20.2%。

3" 討論

本研究調查了濱海輕度鹽堿苜蓿種植地不同土壤深度的土壤微量元素含量的變化特征，發現隨著土壤深度的增加，土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均呈現下降趨勢，0～20 cm土層土壤的微量元素含量均顯著高于70～90 cm土層土壤的微量元素含量（圖1）。0～10 cm土層土壤的有效態鐵、錳、銅、鋅含量為11.4，21.8，1.3和1.5 mg·kg-1，根據《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295-2016）中土壤有效態微量元素含量的評價標準，該土層土壤的有效態鐵、錳、銅、鋅含量均處于較豐富的范圍。相類似的，10～20 cm土層土壤的有效態鐵、錳、銅、鋅含量也均處于較豐富的范圍。考慮到建植5年以內的苜蓿根系主要分布在0～20 cm土層［25-26］，并且研究區域的紫花苜蓿利用年限多為5年，故而本研究區域土壤的有效態微量元素可能不會限制苜蓿的生長發育，不需要增施微量元素肥料。李滿紅等［27-28］發現紫花苜蓿對鐵的需求高于其對錳、銅、鋅的需求，因此，高年限的苜蓿建植地可能需要更多關注土壤有效態鐵含量的變化。此外，從土壤重金屬安全性的角度考慮，根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018），0～10 cm土層土壤有效態銅、鋅含量均未超出標準規定的相應閾值（該標準中銅含量和鋅含量的閾值分別為100 mg·kg-1和300 mg·kg-1）。

土壤酸堿度的變化能夠影響土壤微量金屬元素的有效性，一般情況下，土壤微量金屬元素的有效性隨著土壤pH值的增加而下降［29］。本研究也發現苜蓿種植地的土壤微量元素含量與土壤pH值之間存在類似關系，即土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均與土壤pH值顯著負相關（圖3）。土壤有機質對土壤微量元素具有吸附作用，土壤有機質含量越高，其吸附的土壤微量元素就越多，故而土壤微量元素含量隨著土壤有機質含量的增加而增加［30］。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均與土壤有機質含量存在正相關關系（圖3）。在濱海鹽堿苜蓿種植地，隨著土壤深度的增加，土壤有機質含量逐漸減小，從而減弱土壤有機質對土壤微量元素的吸附能力，導致土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量隨土壤深度的增加而減小。土壤粘粒和粉粒同樣能夠吸附保護土壤微量元素，土壤微量元素含量隨著土壤粘粒含量和粉粒含量的增加而增加［30-31］。土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量均與土壤粘粒含量和粉粒含量顯著正相關（圖3）。沿著土壤剖面，土壤粘粒含量和粉粒含量均隨土壤深度的增加而下降，這削弱了土壤粘粒和粉粒對土壤微量元素的吸附能力，使得土壤有效態鐵、錳、銅、鋅含量隨土壤深度增加而減小。

土壤粘粉粒含量、土壤有機質含量與土壤粘粉粒含量二者的交互作用以及土壤pH值、土壤有機質含量和土壤粘粉粒含量三者的交互作用對土壤微量元素變化的解釋度較高，共解釋了43.5%的土壤微量元素變化（圖5），表明土壤有機質、土壤粘粒和土壤粉粒對土壤微量元素有較強吸附作用［30-31］，其中，土壤有機質和土壤粘粉粒是濱海鹽堿苜蓿種植地土壤微量元素變化的重要影響因素。沿著土壤剖面，土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量均隨土壤深度的增加而下降，使土壤有機質、土壤粘粒和土壤粉粒對土壤微量元素的吸附能力減弱，進而導致土壤微量元素含量減小。0～70 cm土層內土壤pH值變化范圍為7.1～7.4（圖2a），屬于中性土壤pH值變化范圍，因此土壤pH值對土壤微量元素變化的影響較小。此外，54.6%的土壤微量元素變化未被解釋，這可能與土壤微生物的活動有關。因為微量元素在土壤微生物的繁殖和新陳代謝中起著關鍵作用［32-33］，所以有機質分解和有機酸分泌等微生物活動能夠影響土壤微量元素變化［29］。建議未來進一步關注土壤微生物量和土壤微生物群落結構組成等土壤微生物屬性對土壤微量元素變化的影響。

4" 結論

濱海輕度鹽堿苜蓿種植地0～20 cm土層土壤的有效態鐵、錳、銅、鋅含量均處于較豐富的范圍，苜蓿生產管理中可能不需要增施微量元素肥料。隨著土壤深度的增加，土壤微量元素含量呈現出下降的變化趨勢。土壤微量元素變化受到土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量的共同影響。隨著土壤深度增加，土壤有機質含量、土壤粘粒含量和土壤粉粒含量均減小，導致土壤微量元素含量下降。未來需進一步關注土壤微生物屬性對土壤微量元素變化的影響。

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（責任編輯" 彭露茜）