不同質(zhì)地耕層土壤有效態(tài)微量元素含量特征

王雪梅， 柴仲平， 毛東雷

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054；

2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室， 新疆

烏魯木齊 830054； 3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

不同質(zhì)地耕層土壤有效態(tài)微量元素含量特征

王雪梅1,2， 柴仲平3， 毛東雷1,2

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054；

2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室， 新疆

烏魯木齊 830054； 3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新疆渭干河流域土地利用/土地覆蓋生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)警研究”(41261051)； 新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”開放基金項(xiàng)目 (XJDX0909-2010-08)

第一作者：王雪梅(1976—),女(漢族),江蘇省銅山縣人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師，主要從事干旱區(qū)資源環(huán)境遙感技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail:502529672@qq.com。

摘要：[目的] 研究不同土壤質(zhì)地下耕層土壤有效態(tài)微量元素含量特征，為合理制定農(nóng)田土壤施肥方案和提高土壤養(yǎng)分資源利用率提供依據(jù)。[方法] 以庫車縣不同質(zhì)地耕層土壤(0—20 cm)為調(diào)查對(duì)象，采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)土壤微量元素有效態(tài)含量特征進(jìn)行分析。[結(jié)果] (1) 土壤有效態(tài)微量元素在壤土、砂壤土、黏土、黏壤土及砂土中含量差異顯著(p<0.05)，且壤土和砂壤土的有效態(tài)微量元素含量相對(duì)較高； (2) 土壤微量元素有效性綜合指數(shù)排列順序依次為：砂壤土(1.51)>砂土(1.44)>黏土(1.42)>壤土(1.41)>黏壤土(1.27)； (3) 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤有效態(tài)微量元素均具有極其顯著的相關(guān)性(p<0.01)，pH值則與有效銅和有效錳相關(guān)顯著(p<0.05)。[結(jié)論] 在不同土壤質(zhì)地下，微量元素鐵和鋅含量較為缺乏，錳和銅含量則相對(duì)較為豐富，故應(yīng)依據(jù)這一特性進(jìn)行土地科學(xué)管理和施肥。

關(guān)鍵詞：耕層土壤； 微量元素； 有效性指數(shù)； 土壤質(zhì)地； 庫車縣

土壤微量元素是土壤肥力必不可少的組成部分，是表征土壤環(huán)境質(zhì)量的重要因子。土壤微量元素的組成及空間變化特征直接反映了土壤發(fā)育、成土及其演化過程[1]。在土壤微量元素中，以相對(duì)活動(dòng)態(tài)存在于土壤中，能被植物吸收利用的部分稱為有效態(tài)含量，其在促進(jìn)作物生長代謝、提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)等方面具有十分重要的作用[2]。大量的研究[3-5]表明，土壤中微量元素的含量、形態(tài)分布、有效性和遷移轉(zhuǎn)化不僅與耕作制度、施用化肥和種植作物類型等人為因素有關(guān)，還受成土母質(zhì)、成土過程以及土壤質(zhì)地影響；在不同的地區(qū)和時(shí)段內(nèi)，土壤有效態(tài)微量元素含量特征具有明顯的區(qū)域特性。劉洪來等人[6]研究指出在農(nóng)牧交錯(cuò)帶開墾草地將導(dǎo)致土壤微量元素有效態(tài)含量的降低，建議退耕還草和建立基于土壤微量元素密度的評(píng)價(jià)體系。朱靜[7]對(duì)江蘇省如皋地區(qū)農(nóng)田在不同耕作時(shí)間和管理措施下，土壤有效態(tài)微量元素含量變化進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示隨著時(shí)間的變化，土壤有效態(tài)微量元素總體上呈增長趨勢。李海峰[8]則對(duì)策勒綠洲不同利用強(qiáng)度下農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素的含量特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明人為耕作管理強(qiáng)度會(huì)對(duì)土壤微量元素有效態(tài)含量產(chǎn)生重要影響，綠洲內(nèi)部農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素含量要高于綠洲邊緣和新墾綠洲。

由于土壤微量元素與土壤顆粒組成具有密切關(guān)系，因此，在不同土壤質(zhì)地下，微量元素含量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。特別是在干旱地區(qū)，由于土壤發(fā)育十分微弱，沖積新成土的土壤質(zhì)地對(duì)土壤性狀有明顯影響[9]。劉衍君[10]對(duì)山東省聊城地區(qū)耕地土壤微量元素富集狀態(tài)進(jìn)行了研究，指出不同土壤質(zhì)地對(duì)土壤微量的富集能力不同，土壤微量元素與土壤有機(jī)質(zhì)存在顯著的相關(guān)性，各微量元素之間存在著復(fù)合富集的現(xiàn)象。陳凌靜等[11]對(duì)比分析了三峽庫區(qū)重慶段開縣土壤顆粒、養(yǎng)分及其耦合效應(yīng)的移土培肥響應(yīng)特征，結(jié)果表明土壤養(yǎng)分在不同土壤顆粒分布條件下差異顯著。李井軍等[12]也通過對(duì)湖南省嘉禾縣植煙土壤主要肥力因子與土壤物理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)一步表明有效性微量元素與土壤顆粒組成之間具有顯著的相關(guān)性。

為了掌握耕地土壤肥力因子的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)預(yù)測和調(diào)控耕地土壤肥力的發(fā)展與作物的需求，以取得作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，對(duì)干旱區(qū)綠洲耕層土壤有效態(tài)微量元素特征展開調(diào)查和研究顯得意義重大[13]。本研究以塔里木盆地北緣綠洲庫車縣耕層土壤為研究對(duì)象，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)不同質(zhì)地條件下綠洲耕層土壤主要微量元素有效態(tài)含量特征進(jìn)行研究，旨在為合理制定該縣農(nóng)田土壤施肥方案，提高養(yǎng)分資源利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

庫車縣地處天山中部南麓，塔里木盆地北緣。縣境北與和靜縣沿南天山山脊線為界，東與輪臺(tái)、尉犁縣相鄰，南至塔克拉瑪干大沙漠并與沙雅接壤，西與新和縣隔渭干河相望。地理坐標(biāo)位置在東經(jīng)82°34′—84°25′，北緯40°49′—42°38′之間。該縣土地總面積1.54×106hm2，其中山地面積7.31×105hm2，占總面積的47.5%；平原面積8.07×105hm2，占總面積的52.5%。該縣耕地面積達(dá)5.27×104hm2，農(nóng)作物以小麥、玉米和棉花等類型為主。全縣平均氣溫7.1 ℃，其中山區(qū)平均氣溫3.4 ℃，平原區(qū)平均氣溫10.5 ℃。平均年降水達(dá)135.2 mm，降水總態(tài)勢為：北多南少，西多東少，夏季多冬季少。境內(nèi)實(shí)有大小河流十余條，其中能產(chǎn)生常年徑流的河流主要有4條：渭干河、庫車河、二八臺(tái)河和塔里木河，地表河川徑流量為1.48×109m3。

2材料與方法

2.1　調(diào)查和取樣

基于庫車縣耕地地力評(píng)價(jià)與測土配方施肥工作要求[14]，根據(jù)該縣耕地實(shí)地分布情況，以采樣點(diǎn)分布圖為向?qū)?，?010年10—11月在庫車縣13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)場選取面積不小于1 hm2的典型樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查取樣。每個(gè)樣點(diǎn)以對(duì)角線采樣法取20個(gè)點(diǎn)0—30 cm土樣進(jìn)行混合，混合均勻后約取500 g作為一個(gè)土樣裝入貼好標(biāo)簽的塑料袋中用于室內(nèi)指標(biāo)的測定，最終采集土壤樣本1 592份。在采樣過程中，為保證每個(gè)土壤樣品具體到村、組、戶及地塊，故采用GPS定位取土。在取樣的同時(shí)，采用實(shí)地測量和農(nóng)戶走訪等多種形式，詳細(xì)調(diào)查該樣點(diǎn)的坡度、坡向、土層厚度、土地利用方式、植被類型、耕作制度及人為干擾情況等信息，填寫土壤樣本調(diào)查表。

2.2　土樣處理與測試

將采集的土樣在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔出土壤以外的侵入體(如植物殘茬、石粒、磚塊等雜質(zhì))，適當(dāng)磨細(xì)過篩，充分混合均勻，采用《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》對(duì)樣品進(jìn)行常規(guī)測試[15]。土壤有效態(tài)微量元素(鋅、錳、銅、鐵)采用DTPA浸提—原子吸收光譜法進(jìn)行測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；土壤pH值采用土水比1∶2.5電位法測定法。

2.3　統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)野外實(shí)測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析結(jié)果，采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，利用單因素方差(one-way ANOVY)方法對(duì)不同土壤質(zhì)地土壤微量元素有效態(tài)含量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，并利用最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行多重比較確定各組之間土壤有效態(tài)微量元素差異的顯著性。同時(shí)，還利用Pearson相關(guān)系數(shù)及雙尾檢驗(yàn)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值與土壤有效態(tài)微量元素進(jìn)行相關(guān)分析。

2.4　土壤微量元素有效性指數(shù)

研究采用單項(xiàng)指數(shù)(Ei)和綜合指數(shù)(Ec)相結(jié)合的方法。首先，計(jì)算出各微量元素有效性指數(shù)，再采用均方根法計(jì)算綜合有效性指數(shù)，計(jì)算公式[8]為：

式中：Ci——實(shí)測的第i種土壤微量元素有效態(tài)含量； Si——第i種土壤微量元素有效態(tài)含量的臨界值； n——土壤類型數(shù)目。

根據(jù)研究顯示，由新疆自治區(qū)各地肥料試驗(yàn)結(jié)果和新疆農(nóng)科院土壤肥料研究所提出的新疆農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)對(duì)指導(dǎo)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和科學(xué)施肥方面具有重要意義[16]，故本研究取該評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最低分級(jí)作為各微量元素有效態(tài)含量的臨界值。

表1　土壤有效態(tài)微量元素的評(píng)價(jià)指標(biāo)　mg/kg

3結(jié)果與討論

3.1　不同質(zhì)地條件下土壤有效態(tài)微量元素含量特征

由表2可以看出，在不同土壤質(zhì)地下，土壤有效態(tài)微量元素(Zn，Mn，Cu，F(xiàn)e)的平均含量差異顯著(p<0.05)，其中，壤土和砂壤土的有效態(tài)微量元素相對(duì)較其它土壤質(zhì)地含量高。有效鋅在不同土壤質(zhì)地下，有“平”有“缺”。在壤土和砂壤土質(zhì)地下，耕層土壤有效鋅的平均含量無顯著差異，且具有較高的含量水平；而在黏土、黏壤土與砂土質(zhì)地下，有效鋅的平均含量存在顯著差異，且相對(duì)水平較低。在不同土壤質(zhì)地下，有效錳的含量有“豐”、“平”、“缺”這3種不同水平，其含量水平在砂壤土和黏壤土中無顯著差異，而在壤土、黏土和砂土中則具有顯著差異性。有效銅在不同土壤質(zhì)地下，有“平”有“缺”，在壤土和砂壤土中含量較高且無顯著差異，在黏土、黏壤土和砂土中含量相對(duì)較低并具有顯著的差異性。微量元素有效鐵表現(xiàn)為“豐”、“平”、“缺”3種含量水平，在不同土壤質(zhì)地下，具有顯著差異性，在砂壤土中含量最高，而在壤土中含量最低。分析可知，耕層土壤有效態(tài)微量元素在不同土壤質(zhì)地下存在著顯著差異，這也進(jìn)一步說明在人類活動(dòng)的作用下，土壤的物理性質(zhì)發(fā)生了改變，同時(shí)也改變了土壤中微量元素的有效性。

表2　土壤微量元素有效態(tài)含量平均值與臨界值　mg/kg

注：不同小寫字母代表0.05水平下差異顯著，相同字母表示在此水平下無顯著差異。

3.2　土壤微量元素有效性分析

根據(jù)土壤微量元素有效性評(píng)價(jià)計(jì)算公式得到各微量元素的單項(xiàng)有效性指數(shù)(Ei)和綜合指數(shù)(Ec)，結(jié)果見表3和圖1。從結(jié)果中可以看出，有效錳和有效銅在不同土壤質(zhì)地下其含量均高于臨界值，有效性指數(shù)相對(duì)較高；有效態(tài)微量元素鐵的含量及有效性相對(duì)較低，其有效性指數(shù)在不同土壤質(zhì)地下呈不同變化水平；除砂壤土外，各土壤質(zhì)地有效鋅的含量均處于較低水平，其有效性指數(shù)均小于1。分析結(jié)果表明，在不同質(zhì)地條件下，土壤微量元素鐵和鋅的含量較為缺乏，而微量元素錳和銅的含量則相對(duì)較為豐富。通過對(duì)土壤微量元素有效性綜合指數(shù)進(jìn)行分析，以砂壤土最高(1.51)，黏壤土最低(1.27)，排列順序依次為：砂壤土>砂土>黏土>壤土>黏壤土。

表3　土壤微量元素有效性指數(shù)

圖1　土壤微量元素有效性綜合指數(shù)

3.3　土壤有效態(tài)微量元素與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)的相關(guān)分析

通過對(duì)相關(guān)系數(shù)矩陣(表4)進(jìn)行分析可知，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤微量元素有效鋅、有效銅和有效鐵有極其顯著的正相關(guān)性(p<0.01)，與有效錳有極其顯著的負(fù)相關(guān)性(p<0.01)；pH值與有效鋅和有效鐵的相關(guān)關(guān)系不顯著，而與有效銅有極其顯著的正相關(guān)性(p<0.01)，與有效錳具有顯著的負(fù)相關(guān)性(p<0.05)。總體來說，土壤有機(jī)質(zhì)與有效態(tài)微量元素之間均存在極顯著的相關(guān)性，而pH值則與有效錳、有效銅具有顯著的相關(guān)性。

表4　相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； 樣本數(shù)為1 592。

4結(jié) 論

近年來，土壤微量元素有效態(tài)含量的高低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用已得到廣泛關(guān)注，對(duì)于優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展意義十分重大。通過對(duì)庫車縣耕層土壤微量元素有效性進(jìn)行分析和研究表明，土壤有效態(tài)微量元素在壤土、砂壤土、黏土、黏壤土及砂土中含量差異顯著(p<0.05)，其中，壤土和砂壤土的有效態(tài)微量元素相對(duì)較其它土壤質(zhì)地含量高。通過對(duì)土壤微量元素有效性綜合指數(shù)進(jìn)行分析，以砂壤土最高(1.51)，黏壤土最低(1.27)，排列順序依次為：砂壤土>砂土>黏土>壤土>黏壤土。進(jìn)一步通過相關(guān)分析認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤微量元素有效鋅、有效銅和有效鐵有極其顯著的正相關(guān)性(p<0.01)，與有效錳有極其顯著的負(fù)相關(guān)性(p<0.01)；pH值與有效鋅和有效鐵的相關(guān)關(guān)系不顯著，而與有效銅有極其顯著的正相關(guān)性(p<0.01)，與有效錳具有顯著的負(fù)相關(guān)性(p<0.05)。通過分析發(fā)現(xiàn)在不同土壤質(zhì)地下，微量元素鐵和鋅含量較為缺乏，而微量元素錳和銅含量則相對(duì)較為豐富，故在耕地利用和施肥管理上應(yīng)依據(jù)這一特性進(jìn)行科學(xué)管理和施肥。

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Characteristics of Topsoil Available Trace Elements with Different Textures

WANG Xuemei1,2, CHAI Zhongping3, MAO Donglei1,2

(1.CollegeofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054，China; 2.XinjiangUygurAutonomousRegionKeyLaboratory，XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone，Urumqi,Xinjiang830054，China;3.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,XinjiangAgricultureUniversity,Urumqi,Xinjiang830052，China)

Abstract：[Objective] To study the characteristics of topsoil available trace elements in different soil textures, for establishing reasonable fertilization scheme of farmland soil and improving the utilization rate of soil nutrient resources. [Methods] The topsoil(0—20 cm) of different soil textures in Kuqa County were sampled and the trace elements in it were measured. The characteristics of topsoil available trace elements in different soil textures were analyzed statistically. [Results] (1) The contents of available trace elements in the loam, sandy loam, clay, clay loam and sand soils were significantly different(p<0.05). And the contents of available trace elements in the loam and sandy loam were relatively higher than the contents of others; (2) The comprehensive effectiveness index of soil trace elements ranked as: sandy loam(1.51)>sand(1.44)>clay(1.42)>loam(1.41)>clay loam(1.27); (3) Soil organic matter and soil available trace elements had an extremely significant correlation (p<0.01), pH value was significantly correlated with the effective copper and manganese (p<0.05). [Conclusion] For all of the different soil textures, the contents of trace elements iron and zinc were more lack, the contents of manganese and copper were relatively more abundant. Consequently, scientific management and reasonable fertilization should be carried out according to the available trace elements in different lands.

Keywords:topsoil; trace elements; available indices; soil textures; Kuqa County

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0189-04

中圖分類號(hào)：S158.2， S158.5

收稿日期：2014-03-26修回日期：2014-04-13