山東省耕層土壤交換性鎂含量分布特征及影響因素

唐文慧，隋寶森，遲瑞萍，劉樹堂，梁斌，陳延玲

（1.青島農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東 青島 266109；2.青島西海岸新區(qū)紅石崖街道辦事處，山東 青島 266426；3.萊西市蔬菜技術(shù)推廣站，山東 萊西 266600）

鎂作為植物生長所必需的營養(yǎng)元素，不僅以葉綠素的組成成分參與光合作用，也是植物體內(nèi)多種酶的活化劑［1］。當作物缺鎂時，葉綠素不能合成，光合作用受到抑制，作物不能正常生長發(fā)育，嚴重影響產(chǎn)量和品質(zhì)［2］。作物對鎂的吸收利用與其在土壤中的交換性含量有很好的相關(guān)關(guān)系［3］。土壤交換性鎂是指被土壤膠體表面電荷吸附并且能夠被一般交換劑交換下來的鎂，占土壤全鎂含量的1% ～20%［4］，是衡量土壤鎂豐缺程度和鎂肥效應(yīng)大小的重要指標［1］。

盧麗萍等［5］對1983—1986年山東省1 028個耕層土壤樣本的研究發(fā)現(xiàn)，山東土壤交換性鎂含量在6～1 164 mg/kg之間，平均為320 mg/kg，并且分土類、地貌區(qū)域介紹了土壤交換性鎂的含量和分布，表明土壤交換性鎂含量受地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和人為因素的影響，指出成土母質(zhì)、pH值、碳酸鈣、有機質(zhì)及粘粒是影響土壤交換性鎂含量的主要因子。而楊力等［6］對1994—1997年山東省1 105個耕層土樣的研究發(fā)現(xiàn)，山東土壤交換性鎂含量范圍增至20～2 410 mg/kg，平均含量為480 mg/kg，并在分析不同地貌類型區(qū)土壤交換性鎂含量及分布規(guī)律后得出，各土類交換性鎂含量相較于9年前，除鹽土交換性鎂含量有下降，其他土類均有不同程度的累積。

2000年以后，山東農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，但近20年的土壤交換性鎂分布特征及其影響因素缺乏系統(tǒng)研究。為探明耕層交換性鎂累積的原因，剖析土壤交換性鎂的內(nèi)部反應(yīng)機理，加強鎂與其他養(yǎng)分元素間交互作用的研究，以便在現(xiàn)有土地資源基礎(chǔ)上充分利用土壤養(yǎng)分，本研究對山東省土壤交換性鎂含量分布及其影響因素進行系統(tǒng)分析，旨在為合理施用鎂肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

2018年，在山東省107個縣（區(qū)）0～20 cm土層采集914個土壤樣本。測定其土壤交換性鎂鈣、速效鉀含量及pH值。

1.2 樣品采集與處理

樣品采集前，用手機準確定位記錄取樣位點經(jīng)緯度和種植作物。按“S”形取樣，取樣深度為0～20 cm土層。每個取樣點均為作物行間，每個位點的5次重復(fù)混合為一個復(fù)合樣本，除去土壤表面雜質(zhì)。采樣完成以后，四分法留取0.5 kg左右鮮土，裝袋、填寫標簽。將采回的土樣置于陰涼、干燥、通風、無污染的室內(nèi)，風干后，過2 mm篩，在分析前進行均質(zhì)化。

1.3 測定指標與方法

土壤交換性鈣鎂含量采取1 mol/L乙酸銨溶液浸提，原子吸收分光光度法測定，所用波長分別為422.7 nm（鈣）和285.2 nm（鎂）；土壤速效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨溶液浸提，火焰光度法測定；土壤pH值采用電位法測定，水土比為5∶1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010處理。山東省土壤pH值及鉀鈣鎂含量分布圖基于土樣測定數(shù)據(jù)，采用Arcgis 10.2軟件利用簡單克里金插值法獲得；箱式圖采用Sigmaplot 12.2軟件作圖，全省分魯東、魯西、魯南、魯北和魯中5個區(qū)域，其中魯東包括青島、煙臺及威海，魯西包括德州和聊城，魯南包括菏澤、濟寧、棗莊、臨沂及日照，魯北包括濱州（除鄒平市）和東營，魯中包括濟南、泰安、萊蕪、淄博、濰坊及鄒平。采用DPS 7.05進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省土壤交換性鎂鈣、速效鉀含量分布及pH值

山東省土壤交換性鎂含量普遍較高，最高達3 916 mg/kg，平均含量為632 mg/kg，高青縣交換性鎂含量相對較高；交換性鈣含量普遍在1 000 mg/kg以上，平均含量為2 283 mg/kg，除山東半島地區(qū)，全省有超過三分之二的地區(qū)交換性鈣含量在2 000 mg/kg以上；速效鉀含量豐富，普遍在200 mg/kg以上，平均含量為243 mg/kg，僅有日照部分地區(qū)含量相對較低，在150 mg/kg以下。山東省土壤pH值在4.0～9.0之間，平均為7.0。全省土壤酸堿度差異較大：西北內(nèi)陸至東南沿海地區(qū)pH值由高到低；以泰安市為中心的盆地地區(qū)pH值較周邊地區(qū)差異較大，在5.5～6.5之間；威海乳山市及日照、濰坊、青島三市交界處pH值相對較低，在4.5～5.5之間（圖1）。

圖1 山東省土壤交換性鎂鈣、速效鉀含量分布及pH值

2.2 山東省不同區(qū)域、土壤類型及種植體系中土壤交換性鎂鈣、速效鉀含量分布及pH值

不同區(qū)域中魯中和魯北土壤交換性鎂含量相對較高，平均值分別為837 mg/kg和852 mg/kg，魯東、魯西和魯南交換性鎂含量相對較低，平均為472～520 mg/kg。魯西土壤交換性鈣含量相對較高，平均為2 821 mg/kg，其次為魯南、魯北和魯中地區(qū)，平均含量在2 374～2 461 mg/kg之間，魯東交換性鈣含量相對較低，平均為1 501 mg/kg。魯西土壤速效鉀含量相對較高，平均為291 mg/kg，其次是魯北和魯中，平均含量分別為290 mg/kg和258 mg/kg，魯東和魯南的含量相對較低，均為216 mg/kg。山東省各地區(qū)中，魯東地區(qū)土壤pH值相對較低，平均為6.1，其次是魯中和魯南地區(qū)，分別為6.9和7.1；魯西和魯北地區(qū)相對較高，魯西平均為8.0，魯北為7.5（圖2）。

圖2 山東省各區(qū)域土壤交換性鎂鈣、速效鉀含量分布及pH值

各土壤類型中，濱海鹽土、褐土、黃壚土的交換性鎂含量相對較高，平均為775～868 mg/kg，其次是潮土和棕壤，分別為609 mg/kg和563 mg/kg，黃堰土含量相對較低，平均為505 mg/kg。褐土交換性鈣含量相對較高，平均為2 991 mg/kg，其次是潮土和黃壚土，分別為2 517 mg/kg和2 129 mg/kg，濱海鹽土、黃堰土和棕壤的含量相對較低，分別為2 059、1 728 mg/kg和1 940 mg/kg。潮土的速效鉀含量相對較高，平均為278 mg/kg，其次為褐土，平均為275 mg/kg，濱海鹽土、黃壚土、黃堰土和棕壤的含量相對較低，平均為168～235 mg/kg。濱海鹽土、潮土與褐土的pH值相對較高，分別平均為7.3、7.5和7.5，黃壚土、黃堰土與棕壤的pH值相對較低，分別平均為6.5、6.4和6.2（圖3）。

各種植體系土壤中，農(nóng)田、蔬菜地和裸地的交換性鎂含量相對較高，平均值分別為661、660 mg/kg和700 mg/kg，其次是草地及其他種植體系，平均值為588～618 mg/kg，果園土壤交換性鎂含量相對較低，平均為488 mg/kg。草地、林地、農(nóng)田、蔬菜地、裸地及其他種植體系交換性鈣含量相對較高，平均含量在2 274～2 453 mg/kg之間，果園的含量相對較低，平均為1 860 mg/kg。蔬菜地和裸地的速效鉀含量相對較高，平均為291 mg/kg，草地、果園、林地、農(nóng)田及其他種植體系含量相對較低，平均為216～251 mg/kg。果園pH值相對較低，平均為6.5，裸地pH值相對較高，平均為7.3，草地、林地、農(nóng)田、蔬菜地及其他種植體系pH值平均為7.0～7.1（圖4）。

圖3 山東省各土壤類型交換性鎂鈣、速效鉀含量分布及pH值

圖4 山東省各種植體系土壤交換性鎂鈣、速效鉀含量分布及pH值

2.3 山東省不同區(qū)域、土壤類型及種植體系中土壤交換性鎂與交換性鈣、速效鉀及pH值的相關(guān)性分析

由表1看出，魯東地區(qū)的土壤pH值與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，速效鉀和交換性鎂呈顯著正相關(guān)，而交換性鈣與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。魯西地區(qū)土壤交換性鈣和交換性鎂呈極顯著負相關(guān)，速效鉀、pH值與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。魯南地區(qū)土壤速效鉀和交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，交換性鈣和交換性鎂呈顯著正相關(guān)，而pH值和交換性鎂相關(guān)不顯著。魯北地區(qū)土壤交換性鈣、速效鉀、pH值與交換性鎂均無顯著相關(guān)性。魯中地區(qū)土壤交換性鈣和交換性鎂呈極顯著負相關(guān)，速效鉀和交換性鎂呈顯著正相關(guān)，而pH值和交換性鎂相關(guān)不顯著。

表1 各區(qū)域土壤交換性鎂與交換性鈣、速效鉀及pH值的相關(guān)性

由表2看出，各土壤類型中，濱海鹽土的交換性鈣與交換性鎂呈極顯著負相關(guān)，速效鉀和pH值與交換性鈣沒有顯著相關(guān)性。潮土交換性鈣與交換性鎂呈極顯著負相關(guān)，而速效鉀與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，pH值與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。褐土交換性鈣和pH值與交換性鎂呈極顯著負相關(guān)，而速效鉀與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。黃壚土速效鉀與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，交換性鈣和pH值與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。黃堰土中三者與交換性鎂均無顯著相關(guān)性。棕壤中三者與交換性鎂都呈極顯著正相關(guān)。

表2 各土壤類型交換性鎂與交換性鈣、速效鉀及pH值的相關(guān)性

由表3看出，研究區(qū)草地土壤速效鉀與交換性鎂呈顯著正相關(guān)，而交換性鈣和pH值與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。果園土壤速效鉀與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，而交換性鈣和pH值與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。林地中三者與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。農(nóng)田土壤速效鉀與交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，交換性鈣與交換性鎂呈顯著負相關(guān)。蔬菜種植體系土壤pH值與交換性鎂呈顯著正相關(guān)，交換性鈣和速效鉀與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。裸地中三者與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。其他種植體系中，土壤速效鉀和pH值與交換性鎂呈顯著正相關(guān)，而交換性鈣與交換性鎂沒有顯著相關(guān)性。

表3 各種植體系土壤交換性鎂與交換性鈣、速效鉀及pH值的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

白由路等［7］的研究表明，全國范圍內(nèi)土壤有效鎂含量的主要影響因素是氣候類型和土壤母質(zhì)，耕作管理措施對其影響較小。王亮等［8］的研究發(fā)現(xiàn)棕壤交換性鎂含量既受自然條件的影響，也受耕作措施的影響。侯玲利［9］、于群英［10］等的研究表明，土壤交換性鎂含量與pH值、有機質(zhì)含量、土壤粒級含量、CEC及土壤全鎂含量呈正相關(guān)。

從地域分布來看，本研究中山東省土壤交換性鎂含量空間差異顯著，魯東低山丘陵區(qū)、魯西平原和魯南平原及低山丘陵區(qū)交換性鎂含量相對較低，而魯北平原及魯中山地丘陵區(qū)交換性鎂含量相對較高。這可能由地形、氣候以及pH值綜合作用影響所致（圖2）。姜勇等［11］研究表明，沈陽市郊耕地土壤（0～20 cm）交換性鎂含量具有中等的空間相關(guān)性，影響其空間變異的結(jié)構(gòu)性因子主要是成土母質(zhì)、河流走向以及土壤類型。山東氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L氣候類型，年平均降水量由東南向西北遞減，降水季節(jié)分布很不均衡，雨熱同季，土壤中交換態(tài)鎂極易隨土壤水分淋失。毛輝［12］和張英鵬［13］等的研究也表明交換性鎂受降水的強淋溶作用會富集到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中的坡下平原。

各土類中交換性鎂含量也有一定的差異，這與李春英等［14］的研究結(jié)果一致。造成土類含量差異的因素可能是成土母質(zhì)、土壤淋溶和風化程度。交換性鎂在土壤中的含量取決于成土母質(zhì)及土壤發(fā)生學特性［15，16］。一般認為，以石灰?guī)r和紫色砂巖發(fā)育的土壤交換性鎂含量最高；玄武巖、第四紀紅土、砂頁巖、第三紀紅砂巖發(fā)育的土壤交換性鎂含量中等；以淺海沉積物、花崗巖酸性巖成分高的母質(zhì)發(fā)育的土壤交換性鎂含量較低［17］。本研究中濱海鹽土主要分布在沿海地區(qū)，交換性鎂含量相對較高，這可能是由于海相沉積中母質(zhì)含鎂量高。發(fā)育在魯中南及魯東河流沖積物母質(zhì)上的潮土母質(zhì)來源于山地丘陵的各種巖石風化物，加之較強的淋溶作用，交換性鎂含量相對較低，發(fā)育在魯西北的黃河沖積性潮土交換性鎂含量也相對較低。褐土母質(zhì)為不同地質(zhì)時期的石灰?guī)r和紅土、黃土及鈣質(zhì)砂頁巖類的風化殘積、坡積、洪積物，交換性鎂含量相對較高。黃壚土成土母質(zhì)多為黃土性物質(zhì)及黃土性洪積沖積物，表土為疏松的褐色土層，心土為稍粘實的棕褐色土層，土層深厚，排水良好，交換性鎂含量相對較高。黃堰土主要發(fā)育在丘陵中上部及傾斜平地上，成土母質(zhì)主要是酸性母巖風化物，由于淋溶性強，交換性鎂隨粘粒向下層移動和淀積，而且耕作層以下，質(zhì)地粘重緊實，土壤通氣透水性不良，交換性鎂難以上移，所以黃堰土耕層交換性鎂含量相對較低。棕壤主要分布在魯東低山丘陵區(qū)及魯中南山地丘陵區(qū)，成土母質(zhì)主要為片麻巖、花崗巖、正長巖和少量砂頁巖等酸性母質(zhì)風化物，在母巖風化過程中產(chǎn)生的鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基成分，由于成土過程中強烈的淋溶作用而被淋失，導致交換性鎂含量相對較低［5，6］。此外，各土類形成過程中淋溶和風化程度的不同也是造成交換性鎂含量不同的可能因素。由殘積物進一步侵蝕風化形成的坡積物礦物顆粒更細，釋放礦質(zhì)元素的能力更強，因而交換性鎂含量更高［12］。土壤粘粒對鎂有代換和吸附能力，交換性鎂含量隨粘粒含量的增加而提高［5］。土壤交換性鎂含量與不同類型的土壤質(zhì)地有關(guān)：土壤質(zhì)地較輕，土壤交換性鎂容易淋失，而質(zhì)地粘重的土壤交換性鎂則易累積［18］。

姜勇等［19］研究表明，與露地土壤相比，保護地土壤交換性鎂平均含量上升4.74%。這與本研究中菜地土壤交換性鎂含量較高結(jié)果一致。菜農(nóng)為了保證蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，會施入一定量的有機肥和鎂肥，這對土壤交換性鈣鎂含量有較大影響［20-23］。陳建國等［24］研究得出，長期施肥對交換性鎂含量的影響隨肥料種類、土壤不同而表現(xiàn)不同。危鋒等［25］的研究表明，不同種植體系交換性鎂在土壤剖面上分布與累積差異的原因主要是由作物和種植方式的不同引起的。本研究中果園土壤交換性鎂含量較低，而林地土壤表層交換性鎂含量相對較高，這可能是因為果實收獲從土壤中帶走了大量的鎂，而林地中的一部分生物量（如枯枝落葉）會殘落到地表，從而增加表層土壤的交換性鎂含量。另外，樹木較深的根可以把剖面深層非交換性鹽基轉(zhuǎn)化為交換性鹽基，從而提高林地土壤交換性鎂含量，這說明交換性鎂含量與作物種類有一定關(guān)系。張玉革等［20］的研究也指出不同土地利用方式的土壤交換性鎂含量不同，0～40 cm土層土壤交換性鎂含量高低依次為林地、撂荒地、玉米地和水稻地。

姜勇等［11］的研究中提到交換性鎂含量低可能與土壤類型及交換性鈣含量過高有關(guān)。交換性鎂含量與速效鉀含量在魯南區(qū)域和潮土、黃壚土、棕壤及果園和農(nóng)田種植體系中呈極顯著正相關(guān)，這與傅海平等［26］在茶園土壤0～20 cm土層中的研究結(jié)果一致。此外，傅海平等［26］的研究表明交換性鈣、交換性鎂、速效鉀之間存在密切關(guān)系。交換性鎂含量與pH值在魯東區(qū)域以及棕壤中呈極顯著正相關(guān)，但在褐土中呈極顯著負相關(guān)。這表明不同土壤類型交換性鎂含量與土壤pH值的相關(guān)性不盡一致。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是不同土壤類型的成土母質(zhì)不同，由此形成不同的土壤理化特性，影響了土壤交換性鎂含量，這與許自成等［27］的研究結(jié)果一致。徐暢等［28］的研究也同樣提到鎂的有效性與土壤pH值存在相關(guān)性。當土壤pH值在6.0以下時，鎂的可交換性強，而當土壤pH值在6.5以上時，交換態(tài)鎂水平降低，部分交換態(tài)鎂轉(zhuǎn)變成非交換態(tài)，而當pH值升高到7.5以上時，土壤中原有交換態(tài)鎂的一半以上轉(zhuǎn)變成非交換態(tài)［29］。此外，交換性鎂含量可能與土壤水分狀況、土壤碳酸鈣含量［5］、土壤EC值、堿解氮含量［30］、其他大量營養(yǎng)元素［27］有一定的相關(guān)性。酸性土壤由于氫離子濃度高，抑制植物對Mg2+的吸收。

綜上所述，區(qū)域、土類及種植體系均對山東省耕層交換性鎂含量產(chǎn)生一定影響，具體的影響因子有地形、氣候、水熱條件、母質(zhì)、風化程度、耕作、施肥及作物種類等。山東省土壤耕層交換性鎂含量近30年來累積了一倍，這可能是由近年來農(nóng)戶更積極地種植經(jīng)濟作物而致化肥量持續(xù)增多、忽視有機肥投入造成。王擎運等［31］研究表明，不同施肥條件下耕層土壤鈣、鎂元素含量持續(xù)累積，在有機質(zhì)含量相對較低的情況下，鈣、鎂遷移能力較弱，更易于累積在耕層土壤中。同時，山東省耕地土壤pH平均值由1984年的7.6降至2015年的7.2，酸性耕地面積明顯增加，弱堿性和中性耕地面積相對減少，局部耕地酸化［32］，這可能促進了耕層土壤非交換態(tài)鎂向交換態(tài)的轉(zhuǎn)化。

山東土壤交換性鎂含量范圍為39～3 916 mg/kg，與30年前相比，濃度升高一倍，平均含量由320 mg/kg升高到632 mg/kg。山東省土壤交換性鈣鎂及速效鉀的含量普遍較高，不同區(qū)域、不同土壤類型、不同種植體系的土壤交換性鎂含量不同。造成土壤交換性鎂含量差異的原因有很多。對山東省交換性鎂含量主要影響因素分析發(fā)現(xiàn)，地域、土壤類型、植物收獲均有一定影響，且交換性鎂含量與鈣、鉀含量及pH值有一定的相關(guān)性。