中國農(nóng)田土壤的有效鋅含量及影響因素分析

王子騰，耿元波，梁 濤

（1．中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2．中國科學院大學，北京 100049）

土壤中有效Zn 指的是分別用二乙三胺五醋酸即DTPA 和0.1mol/L 的HCl 溶液來提取石灰性土壤和酸性土壤中的Zn，提取的量即為土壤有效態(tài)Zn 的含量，可以反映土壤的供Zn 能力［1］，其含量狀況對植物的生長發(fā)育具有重要作用，缺Zn 會導致植物的葉綠體合成受阻，光合速率下降［2-3］，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)［4-5］，最終會對人類健康產(chǎn)生影響［6-7］。例如，缺Zn 會導致處于生長發(fā)育期的兒童營養(yǎng)不良，易患呆小癥［8-9］；降低人體免疫力，使人體更易患?。?0］；削弱人體的抗氧化脅迫能力［11］等。據(jù)報道，中國約有40%的土壤缺Zn［1］，加上農(nóng)戶對Zn 肥補施的關注度不高及農(nóng)作物對土壤Zn 的持續(xù)吸收，打破了土壤Zn 的輸入與輸出平衡，加劇了土壤缺Zn 的狀況。土壤中有效Zn 的含量受多種因素的影響，例如土壤理化性質(zhì)、成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用方式等［12-14］。

目前有關土壤有效Zn 含量及其影響因素的研究已有報告［15-19］，但是研究區(qū)域比較小，多集中于某個地區(qū)、地級市、縣級市或者是某個田間試驗，對全國范圍內(nèi)土壤有效Zn 含量的分布及其影響因素的分析探討還比較欠缺。本研究以國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡科技資源服務系統(tǒng)的21 個農(nóng)業(yè)生態(tài)站監(jiān)測點的數(shù)據(jù)為基礎，系統(tǒng)分析了中國土壤有效Zn 含量在全國范圍內(nèi)的分布及其在時間上的變化趨勢，整理歸納了不同土類及土地利用方式下土壤有效Zn 含量差異。從而明確全國范圍內(nèi)土壤有效Zn 含量的分布情況，富Zn 和缺Zn 的土壤類型及土地利用方式，不同土壤理化指標對土壤Zn有效性的影響，最終為提高土壤有效Zn 含量，實現(xiàn)微量元素精準施肥，提升農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國農(nóng)田土壤有效Zn 含量數(shù)據(jù)來自國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡科技資源服務系統(tǒng)的21 個農(nóng)業(yè)生態(tài)站監(jiān)測點［20］，分別為2005 年、2010 年和2015 年3 個時間段。其中，2005 年涵蓋了17 個農(nóng)業(yè)生態(tài)站的土壤有效Zn 含量數(shù)據(jù)（阿克蘇站、環(huán)江站、千煙洲站和桃源站的數(shù)據(jù)缺失），合計86個采樣點，除三江站和鷹潭站采用0.1mol/L 的HCl溶液浸提之外，其余站點均采用DTPA 浸提；2010年涵蓋了20 個農(nóng)業(yè)生態(tài)站的土壤有效Zn 含量數(shù)據(jù)（欒城站數(shù)據(jù)缺失），合計130 個采樣點，均采用的是DTPA 浸提；2015 年只涵蓋了4 個農(nóng)業(yè)生態(tài)站的數(shù)據(jù)（包括策勒站、常熟站、拉薩站和三江站），合計22 個采樣點，均采用的是DTPA 浸提。農(nóng)業(yè)生態(tài)站的具體分布如圖1 所示。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

將原始數(shù)據(jù)進行整理，得到不同年份、不同采樣點、不同生態(tài)站的平均土壤有效Zn 含量，依據(jù)不同的浸提方法分為DTPA 浸提有效Zn 和鹽酸浸提有效Zn；把土壤有效Zn 含量與相應的土壤理化指標（包括土壤有機質(zhì)、pH 值、有效氮、有效磷、有效鉀和CEC 等）、土類和土地利用方式等，根據(jù)各采樣點的樣地編號一一對應，分析其對土壤有效Zn 含量的具體影響；探討不同土壤類型、不同土地利用方式下土壤有效Zn 含量的差異情況，分析不同因素對土壤有效Zn 含量的影響差異；基于農(nóng)業(yè)生態(tài)站的經(jīng)緯度坐標，利用Arc GIS10.2 繪制農(nóng)業(yè)生態(tài)站的分布圖和2010 年各農(nóng)業(yè)生態(tài)站的土壤有效Zn 含量圖；利用OriginPro2017 繪制相關圖件，相關的統(tǒng)計學分析利用SPSS21 來完成，均值的比較通過單因素方差分析-LSD（L）來進行（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 土壤有效Zn 含量與理化指標的基本統(tǒng)計特征

2005 年，DTPA 浸提有效Zn 和鹽酸浸提有效Zn 的 平 均 值 分 別 為0.96 和1.69mg/kg；2010 年，DTPA 浸提有效Zn 的平均值為1.64mg/kg；2015 年，DTPA 浸提有效Zn 的平均值為2.03mg/kg，具體如表1 所示。根據(jù)土壤有效Zn 含量分級標準（表2）［1］，2005 年的土壤有效Zn 含量大部分處于低水平，三江站和鷹潭站（0.1mol/L 的鹽酸浸提）處于中等水平；2010 年的土壤有效Zn 含量整體上處于中等水平；2015 年位于高水平，但是其含量剛剛超過2mg/kg，并且樣本量較少，難以反映中國的整體情況。根據(jù)變異系數(shù)的大小，可以粗略預測變量的變異程度，變異系數(shù)＜10%時為弱變異性，＞100%時為強變異性［21-23］；農(nóng)田土壤有效Zn 均位于中等程度變異。

表1 土壤有效鋅及理化指標統(tǒng)計值

表2 土壤有效Zn 含量分級標準［1］

2.2 各農(nóng)業(yè)生態(tài)站土壤有效Zn 含量的變化

根據(jù)2010 年各農(nóng)業(yè)生態(tài)站的平均土壤有效Zn含量及其地理位置繪制了全國范圍內(nèi)各農(nóng)業(yè)生態(tài)站的平均土壤有效Zn 含量分布圖（圖2）。從全國范圍看，整體上呈南高北低東高西低的一個分布趨勢，不僅與全國土壤南酸北堿的分布趨勢具有很高的相關性，與全國土壤從東南沿海向西北的干濕區(qū)劃分也是緊密聯(lián)系的。從不同年代來看，2005～2015年，其土壤有效Zn 含量是逐漸升高的，這一點從表1 中可以看出來。但是2015 年只有4 個農(nóng)業(yè)生態(tài)站的值，籠統(tǒng)地進行比較不具說服力，而策勒站、拉薩站、常熟站和三江站在這3 個時間段的數(shù)據(jù)均比較齊全，因此可以將其單獨拿出來進行分析（圖3）。其中，拉薩站的土壤有效Zn 含量，2015年顯著高于2010 年和2005 年，土壤有效Zn 含量在2005 年和2010 年處于中等水平，在2015 年處于2.0～5.0mg/kg 的高水平區(qū)間；三江站在2005 年采用的是0.1mol/L 的鹽酸浸提，會提高土壤有效Zn的含量值，但在3 個年份中，2005 年仍然是最低的，處于低水平，稍低于2010 年，顯著低于2015 年，并且2015 年土壤的有效Zn 含量達到了高水平；策勒站在2015 年和2010 年之間未達到顯著差異，但是2010年和2015 年的土壤有效Zn 含量顯著高于2005 年，土壤有效Zn 含量由2005 年的極低變?yōu)榈退?，?015年要稍高于2010 年；常熟站的土壤有效Zn 含量在3個年份之間未達到顯著性差異，均位于中等水平。

圖2 2010 年各農(nóng)業(yè)生態(tài)站的平均土壤有效Zn 含量

圖3 不同年份農(nóng)業(yè)生態(tài)站的土壤有效Zn 含量差異

2.3 不同土壤類型的土壤有效Zn 含量

不同土類的土壤有效Zn 含量存在顯著差異，2005 年不同土類的土壤有效Zn 含量在0.25～2.52mg/kg 之 間，2010 年 在0.50～2.84mg/kg 之 間，2015 年在0.66～2.82mg/kg 之 間（表3）。以2010 年 為例：水稻土和紅壤等土類的土壤有效Zn 含量均較高，而有效Zn 含量較低的土類主要為草甸風沙土、石灰性紫色土和灌耕土等；2005 年的水稻土、紅壤和草甸白漿土有效Zn 的浸提方法為0.1mol/L 的鹽酸，土壤有效Zn 含量為水稻土＞紅壤＞草甸白漿土，但沒有達到顯著性差異，剩余采用DTPA 浸提的土類，土壤有效Zn 含量為灰漠土、黃綿土和草甸風沙土等土類的有效Zn 含量較低。時間序列上，不同土類的土壤有效Zn 含量整體上呈增加趨勢（圖4）。潮土的有效Zn 含量在2015 年顯著高于2010 年和2005 年，潮土的土壤有效Zn 含量由開始的低水平變?yōu)橹械人?，?015 年升高到高水平；草甸白漿土在2005 年雖然采用的是鹽酸浸提，稍高于2010 年，但是顯著低于2015 年，由低水平變?yōu)?010 年的中等水平，在2015 年升高到高水平；風沙土和脫潛水稻土的土壤有效Zn 含量在2005 年、2010 年和2015 年這3 個年份雖然有所變化，但是并沒有達到顯著性差異，有效Zn 含量分級水平也沒有發(fā)生變化。

表3 不同年份的不同土類土壤有效Zn 含量（mg/kg）

圖4 不同年份各土類土壤有效Zn 含量差異

2.4 不同土地利用方式下的土壤有效Zn 含量

各農(nóng)業(yè)生態(tài)站的土地利用方式主要為旱地、水澆地、水田和林草地，土地利用方式不同，土壤有效Zn 含量存在顯著差異，具體如圖5 所示。2005年，林草地的土壤有效Zn 含量最高，顯著高于其它土地利用方式，其次是水田，有效Zn 含量較低的是旱地和水澆地，由于2005 年林草地的采樣點經(jīng)過處理后只剩下一個，因此難以具有代表性；2010 年水田的有效Zn 含量最高，與其它土地利用方式之間達到了顯著性差異，旱地、水澆地和林草地之間差異不顯著；2015 年數(shù)據(jù)量較少，林草地的數(shù)據(jù)缺失，并且各土地利用方式下有效Zn 含量不具有顯著性差異。在時間序列上，各土地利用方式的土壤有效Zn 含量也存在增加的趨勢。

圖5 不同年份各土地利用方式下的土壤有效Zn 含量

2.5 土壤有效Zn 含量與土壤理化指標的相關性分析

將土壤有效Zn 含量與有機質(zhì)、pH 值、CEC、有效N、有效P 和有效K 等進行Pearson 相關分析（表4）。土壤有效Zn 含量與土壤pH 值呈顯著負相關，并在2005 年和2010 年達到極顯著水平；與土壤有機質(zhì)含量呈正相關，在2005 年和2010 年達到極顯著水平，但是在2015 年相關性不顯著；與陽離子交換量相關性不高。此外，土壤有效N 與土壤有效Zn 在2005 年和2010 年達到了極顯著正相關，但是在2015 年相關性卻不高；土壤有效P 與土壤有效Zn 之間存在正相關，在2005 年達到了顯著水平，并在2015 年達到了極顯著水平；土壤有效K 與土壤有效Zn 之間存在負相關，并在2010 年和2015 年達到了顯著水平。

表4 土壤有效Zn 含量與土壤理化指標的Pearson 相關性分析

3 討論

土壤有效Zn 含量可以反映土壤Zn 的整體營養(yǎng)狀況，對于作物正常生長有重大影響。大量研究發(fā)現(xiàn)［24-26］，主要糧食作物，例如水稻和玉米，在土壤有效Zn 含量低于1mg/kg 的缺Zn 臨界值時，會導致農(nóng)作物減產(chǎn)［5］，對以糧食作物為主食的發(fā)展中國家來說，人們極易出現(xiàn)缺Zn 狀況［27］。

3.1 土壤有效Zn 含量的時空差異變化

通過描述性統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，中國農(nóng)田土壤的有效Zn 含量整體上處于中等水平，需要通過補施Zn 肥來提高土壤Zn 的供給能力。變異系數(shù)可以反映人為因素對土壤有效Zn 含量的影響程度，當土壤的變異系數(shù)＞100%時，說明土壤受到了較強的人為干擾［28］。土壤有效Zn 含量均處于中等程度變異，說明農(nóng)田耕地雖然會受到頻繁的人為因素干擾，但是從全國范圍看，人為因素對土壤有效Zn含量的影響并不是最主要的驅(qū)動因子。從時間序列上看，從2005 年到2015 年，土壤有效Zn 含量整體上是上升的，這一點從各農(nóng)業(yè)生態(tài)站、土類及土地利用方式的平均土壤有效Zn 含量均可以看出來，土壤有效Zn 含量逐年升高，甚至由2005 年的低水平升高到2015 年的高水平，例如三江站。一方面原因可能是因為種植模式和管理理念的科學轉(zhuǎn)變，保持甚至提高了農(nóng)田土壤的整體肥力；另一方面也不排除長期的施肥導致土壤酸化，因為從2005 年到2015 年的土壤pH 值是逐漸降低的（表1），土壤pH 值降低可以提高土壤Zn 的有效性［29-31］。

農(nóng)業(yè)生態(tài)站的分布區(qū)域不同，土類亦不同，土壤有效Zn 含量存在顯著差異（表3）。中國的土壤類型分布具有明顯的地帶性差異，在我國東部形成了濕潤海洋氣候土壤地帶譜，由北向南依次為暗棕壤-棕壤-黃棕壤-紅壤與黃壤-赤紅壤-磚紅壤；在中國北部的溫帶地區(qū)，由東至西形成了干旱內(nèi)陸性土壤地帶譜，依次分布著黑土-灰褐土-栗鈣土-灰鈣土-灰漠土［32］，這與土壤有效Zn 含量在全國范圍內(nèi)的分布變化也是緊密聯(lián)系的，由北向南，東向西逐漸遞減。不同的土類是不同的成土母質(zhì)在不同的成土條件下生成的［33-34］。因此，不同土類土壤有效Zn 含量的差異情況也反映了成土母質(zhì)和成土過程對其的一個間接影響。與土類類似，不同農(nóng)業(yè)生態(tài)站的土地利用方式不同，土壤有效Zn 含量存在顯著差異（圖5）。以2005 年和2010 年為例（2015 年樣本量太少，在此分析上不具代表性），土地利用方式中，水田的有效Zn 含量是最高的（2005 年林草地的采樣點只有一個，亦不考慮），這與相關的研究結論一致［35］。土地利用方式反映了人為因素對土壤性質(zhì)的擾動作用，例如施肥、灌溉和種植模式等，因此不同土地利用方式下土壤有效Zn 含量差異是人為因素對其間接的影響。

3.2 土壤理化指標對土壤有效Zn 含量的影響

Pearson 相關性分析可以反映兩個變量之間的密切程度，相關系數(shù)可以描述線性關系的強弱和方向，進而可以分析兩個變量之間聯(lián)系的緊密程度［36］。從表4 可以看出，土壤有效Zn 含量與土壤pH 值存在負相關，與土壤有機質(zhì)存在正相關，并在2005 年和2010 年達到了極顯著水平。土壤pH 值是土壤理化指標中的一個重要構成因素，Wang 等［37］研究發(fā)現(xiàn)土壤pH 值對土壤有效Zn 含量的影響非常顯著，pH 值升高會降低土壤Zn 的有效性；Pardo 等［38］分析了土壤pH 值對于土壤有效Zn 吸附解吸的影響，發(fā)現(xiàn)土壤Zn 隨著pH 值的上升，吸附量上升，解吸量下降；隨著pH 值的下降，吸附量下降，解吸量上升。例如，本研究中，紅壤、水稻土的土壤有效Zn 含量較高，這與土壤pH 值變化關系密切，2005 年紅壤、水稻土的土壤pH 值是最低的，分別為4.95±0.18 和5.62±0.57，遠低于年平均值7.57±1.24 及有效Zn含量較低的土類，例如黃綿土（8.43±0.09）、風沙土（8.12±0.42）等；2010 年紅壤（4.55±0.20）和水稻土（5.77±1.08）的pH 值也遠低于年平均值（7.07±1.51）、黃綿土（8.59±0.13）和風沙土（7.91±0.06）。此外，不同土地利用方式的土壤pH 值，2010 年不同土地利用方式下，水田pH 值（5.91±1.03）顯著小于旱地（6.84±1.58），旱地顯著小于水澆地（8.16±0.63）；2005 年水田pH 值（7.16±0.99）與旱地（7.08±1.50）沒有顯著性差異，但是兩者均顯著大于水澆地（8.24±0.45）。

土壤有機質(zhì)含量不僅反映了土壤肥力的大小，而且會影響土壤中金屬元素的有效性，有機質(zhì)含量較高的土壤會增加土壤中金屬元素的植物可利用性［39-40］。在本研究中，水田的土壤有效Zn 含量大于旱地，旱地大于水澆地，與之相對應，土壤有機質(zhì)含量在2005 年和2010 年均為水田顯著大于旱地，旱地顯著大于水澆地（P＜0.05）。2005 年和2010 年的土壤有效N 含量與有效Zn 之間存在著極顯著的相關關系，研究發(fā)現(xiàn)，元素N 與元素Zn 在肥-土-作物系統(tǒng)中存在協(xié)同作用［41］，所以有效N 與有效Zn 之間存在顯著正相關；也有可能是因為土壤中的N90%為有機N［42］，因此有機質(zhì)與有效N 之間具有顯著的正相關性，從而間接與有效Zn 之間存在顯著的正相關關系。土壤有效K 與有效Zn 之間也存在著負相關，并且在2010年和2015 年達到了顯著水平，目前還沒有查閱到針對這兩種元素之間相互作用的研究。但是，紅壤、水稻土等有效Zn 含量較高的土類，其土壤有效K 含量比較低（以土壤標準物質(zhì)為例），分別 為180±10mg/kg［GB W07416a（ASA-5a）］和250±20mg/kg［GB W07415a（ASA-4a）］；黃綿土等土壤有效Zn 含量較低的土類，其土壤有效K 含量 為330±20mg/kg［GB W07460（ASA-9）］， 所以土壤有效K 與土壤有效Zn 的負相關可能與土類有關；土壤有效Zn 在全國范圍內(nèi)呈南高北低、東高西低的分布趨勢，而土壤有效K 含量在全國范圍內(nèi)是由東南向西北遞增的一個分布趨勢［43］，所以地理位置分布因素也可以解釋兩者之間存在負相關的現(xiàn)象。此外，土壤有效P 與有效Zn 之間呈正相關，這與一些研究存在矛盾。例如，研究發(fā)現(xiàn)［44-45］，土壤有效P 含量的增加會促進Zn3（PO4）2沉淀的生成，從而降低土壤Zn 的有效性，并且Zhang 等［46］進一步研究發(fā)現(xiàn)，過量的施用磷肥不僅降低了土壤Zn 的有效性，小麥中Zn 的生物利用率也會降低，所以土壤有效P 與有效Zn 之間應存在拮抗作用。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤Zn 的有效性與土壤有效P 之間存在正相關關系［37］。所以P 與Zn 之間的相互作用還需要進一步的深入探討，以做出合理解釋。

4 結論

本研究重點分析了土壤有效Zn 含量的時空差異情況及相關的影響因素，得出的具體結論如下：

（1）中國農(nóng)田土壤的有效Zn 含量整體上呈南高北低，東高西低的分布趨勢，這與全國范圍內(nèi)土壤pH 值的分布、干濕區(qū)的劃分及土類的地帶性差異具有很高的相關性。

（2）從2005 年到2015 年之間，土壤有效Zn含量是上升的，反映了土壤Zn 營養(yǎng)狀態(tài)的提高，但是土壤缺Zn 情況依然存在，需要進一步的改善。

（3）土壤理化指標中，土壤pH 值和有機質(zhì)含量對土壤有效Zn 含量均有著顯著的影響，可以作為改善缺Zn 土壤的兩個出發(fā)點，例如，施用土壤pH 調(diào)理劑及增施有機肥等。但是中國土壤南酸北堿的整體趨勢不會發(fā)生改變，農(nóng)家肥料的施用也要考慮環(huán)境效應等具體的問題，例如糞肥中的重金屬污染。因此，需要更加深入的研究來將土壤有效Zn 含量的影響因素進行進一步的歸納總結，分類整理，并針對性的提出具體可行的措施。