縣域尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征研究

周進(jìn)財，楊 苗，楊萍果

（1.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷030801）

土壤養(yǎng)分作為土壤重要的化學(xué)特征，受母質(zhì)、氣候、地形、施肥、耕作措施等諸多因素的影響，呈現(xiàn)出特定的規(guī)律和分布特征[1-6]。縣域是國家行政管理的基本單元，縣域尺度下的土壤養(yǎng)分變異規(guī)律研究，將有利于區(qū)域的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣、合理施肥和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7-10]。

本試驗以國家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系山西綜合試驗站基地襄汾縣為研究區(qū)域，探討小麥—玉米輪作下耕作層土壤養(yǎng)分及Fe，Mn，Cu，Zn，B和S這6種中、微量元素含量的分布特征及變化規(guī)律，旨在為該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、合理施肥、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

襄汾縣位于山西中南部，地處東經(jīng)111°04′～111°39′，北緯35°42′～36°02′，總面積1 034 km2，有13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，50萬人口，6萬hm2耕地。該區(qū)地貌類型復(fù)雜，包括山地、丘陵、平川，土壤為黃土及黃土狀母質(zhì)，土壤類型以碳酸鹽褐土、山地淋溶褐土、草甸土為主；屬暖溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫12.6℃，溫度由北向南遞增，沿汾河兩岸向東西兩山遞減，年降水量420～650 mm；汾河是該縣的主要河流，由北向南縱貫全境，將全縣分為河?xùn)|、河西2個部分。

1.2 土樣采集和分析

用GPS定位并記錄取樣點的經(jīng)緯度，布點時主要考慮土壤類型、土地利用狀況、樣點分布均勻性等因素，全縣共采集100個土樣。采樣時間為2009年6月，采集農(nóng)田耕作層0～20 cm土樣，以每個取樣點為中心，用土鉆在直徑10 m范圍內(nèi)隨機取8～10個土樣組成一個混合土樣，作為待測品裝入袋中，帶回實驗室分析備用。

在實驗室將土壤自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)磨細(xì)過篩備用。用電位法測定pH值，有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀油浴外加熱法，全氮用半微量開氏定氮法測定，速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰分光光度法，F(xiàn)e，Mn，Cu，Zn，B和S用原子吸收分光光度法測定。為了確保分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，每批樣品、每個項目均有2個標(biāo)準(zhǔn)樣、2個空白平行全程和20%的平行樣待測。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤理化性質(zhì)的描述性統(tǒng)計、正態(tài)分布性檢驗和主成分分析均采用SPSS13.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)的描述性統(tǒng)計分析

由表1可知，研究區(qū)土壤pH值為7.60～9.00，平均值為8.12，表明土壤呈弱堿性，這與北方石灰性土壤有關(guān)，變異系數(shù)為2.57%，小于10%，呈弱變異，表明pH值的均勻分布程度較高；土壤有機質(zhì)的含量范圍為0.90～34.54 g/kg，極差為33.64 g/kg，平均值為11.41 g/kg，變異系數(shù)為58.12%，按照1980年全國第二次土壤普查的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，其屬中等水平；土壤全氮含量的范圍為0.36～2.40 g/kg，極差為2.04 g/kg，平均值為1.01 g/kg，變異系數(shù)為41.31%，有機質(zhì)和全氮在耕層土壤含量范圍的變化幅度均較大，說明有機質(zhì)和全氮含量在土壤中存在明顯差異。

研究區(qū)土壤速效磷含量的范圍為2.80～111.10 mg/kg，均值為15.55 mg/kg，變異系數(shù)為107.52%，屬于強變異，說明表層土壤生物有效磷供應(yīng)水平較高，且呈現(xiàn)明顯的不均勻性分布。速效鉀含量范圍90～420 mg/kg，均值201.75 mg/kg，變異系數(shù)為39.01%，屬于中等變異程度。

表1 土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計

全縣耕層Fe，Mn，Cu，Zn這4種微量元素全量含量分別為1.06～11.90，0.86～17.27，0.48～5.01，0.02～7.74 mg/kg，變異系數(shù)分別為53.33%，54.63%，55.96%和87.10%，表明除Zn元素屬于強變異外，F(xiàn)e，Mn，Cu元素都屬于中等變異程度，其含量均值分別為4.55，6.74，1.14，1.33 mg/kg，遠(yuǎn)低于全國平均水平。這主要是由于Fe，Mn，Cu，Zn這4種陽離子在堿性條件下呈氫氧化物形態(tài)，溶解度大減，其含量有效態(tài)也隨之而下降，說明襄汾縣土壤普遍缺乏微量元素。

B元素的含量變幅為0.28～1.48 mg/kg，均值為0.69 mg/kg，變異系數(shù)為33.76%，屬于中等變異；S元素的含量變幅為10.63～759.03 mg/kg，均值為71.07 mg/kg，變異系數(shù)為137.14%，屬于強變異，說明縣域耕層S含量差異很大。

2.2 土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

由表2可知，土壤pH值與有機質(zhì)、全氮、S含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.375，-0.276，-0.529；有機質(zhì)與Mn、全氮、S含量呈極顯著正相關(guān)，與速效磷和Zn含量呈顯著正相關(guān)；有機質(zhì)是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，其通過吸附、絡(luò)合對土壤元素在表層的富集起重要作用。全氮與速效磷、有效硫含量呈極顯著正相關(guān)；速效磷與Cu，Zn呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著正相關(guān)；Fe與Mn和Cu呈極顯著正相關(guān)；而B與表層土壤養(yǎng)分有弱的正相關(guān)，與Mn，Cu，Zn呈弱的負(fù)相關(guān)，但都未達(dá)顯著水平。有效硫與有機質(zhì)、全氮呈極顯著正相關(guān)，與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表2 土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

2.3 土壤理化性質(zhì)的主成分分析

為了解土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，特別是植物所必需的大量元素與中、微量元素的關(guān)系，判斷其來源，將所有樣品土壤元素含量進(jìn)行了主成分分析。當(dāng)設(shè)定特征值大于1時，提取到4個主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了63%。由主成分分析結(jié)果（表3）可知，土壤有機質(zhì)、速效磷、全銅含量在主成分1上有較大的正載荷，可以說明土壤有機質(zhì)、速效磷和全銅含量密切相關(guān)，而pH值和B的含量在主成分分析上有負(fù)載荷。類似的研究表明，肥料的大量施用成為農(nóng)業(yè)土壤中重金屬積累的主要途徑，特別是有機肥（土壤重金屬輸入量的絕大部分（例如Cu為92%）來自畜禽糞便或以畜禽糞便為原料生產(chǎn)的有機肥在田間的施用）[11-16]。

表3 土壤理化性質(zhì)的主成分分析

主成分2的變量中，土壤pH值具有較高的正載荷，而土壤S元素的含量具有較高的負(fù)載荷；主成分3中，僅元素B具有較高的正載荷。

3 結(jié)論

全縣耕作層土壤有機質(zhì)和全氮含量呈中等偏上水平，速效鉀含量高，土壤肥力較高。pH值屬于弱變異強度，速效磷，Zn，S屬于強變異，說明這3種元素空間變異較大，在整個縣域范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的不均勻分布，可能與磷在土壤中移動性較小、當(dāng)季利用率較低有關(guān)；而其他元素屬于中等變異程度，說明在整個縣域范圍內(nèi)呈現(xiàn)較均勻的分布。主要由于襄汾縣多為黃土狀母質(zhì)發(fā)育形成的典型碳酸鹽褐土，土壤質(zhì)地細(xì)，多為輕壤至中壤，降雨量少，養(yǎng)分流失少；還與從2005年開始大面積推廣秸稈還田、增施氮肥關(guān)系密切。

畜禽糞便等有機肥是土壤鋅、銅等微量元素的良好肥源。襄汾縣耕作層土壤普遍缺乏中、微量元素，主要是由于經(jīng)濟利益的驅(qū)使，90%的大田不施或很少施有機肥。農(nóng)業(yè)耕作方式、施肥等人類活動主要集中于耕作層，強烈影響到農(nóng)田耕作層土壤元素的含量，土壤元素之間的交互作用還有待進(jìn)一步研究。

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