土壤與花椒各器官中主要礦質(zhì)元素的研究

Kuanysh Kassen 張正青 李孟樓

（西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

花椒（Zanthoxylum bungeanum） 是特種經(jīng)濟(jì)林樹種，除黑龍江、吉林、內(nèi)蒙、寧夏、新疆、西藏和南方數(shù)省外，我國大多數(shù)省份均有栽培，全國栽培面積達(dá)200萬hm2以上[1]。提高花椒產(chǎn)量的方式之一就是科學(xué)施肥，科學(xué)施肥的方式很多，肥料、作物和樹種不同施肥方式也有差別[2-3]。針對花椒等栽培植物的科學(xué)施肥，其核心在于既滿足花椒生長和結(jié)實(shí)對營養(yǎng)的需求，也要避免礦質(zhì)元素的過剩和浪費(fèi)、及施肥對栽培環(huán)境的污染[4-5]。施肥的目的在于使花椒的果穗及果實(shí)獲得更多、更均衡的營養(yǎng)，提高花椒產(chǎn)量。要通過科學(xué)施肥方式提高花椒產(chǎn)量，則必須確定土壤中各礦質(zhì)元素與花椒各器官中礦質(zhì)元素的分布比例和規(guī)律[6-7]。

土壤與栽培植物間營養(yǎng)的研究報(bào)道甚多，主要多集中在農(nóng)作物方面[8-11]；對于樹木、經(jīng)濟(jì)林的研究以蘋果（Malus pumila）所開展的最多，在蘋果上進(jìn)行了施肥，土壤與葉片、果實(shí)營養(yǎng)和產(chǎn)量等研究[12-13]。開展土壤與栽培營養(yǎng)研究的最終目標(biāo)都是揭示不同栽培植物對營養(yǎng)的需求規(guī)律，明確增加產(chǎn)量應(yīng)使用的肥料種類和施肥方式[14-16]。在已有的土壤與栽培植物營養(yǎng)研究中，有關(guān)花椒林地土壤和花椒各器官的營養(yǎng)分布研究甚少，對于大紅袍花椒，僅開展了果實(shí)中無機(jī)礦質(zhì)元素和中微量元素含量研究，明確了花椒果實(shí)中大、中量和微量礦質(zhì)元素的含量[17-20]；對于竹葉椒（青花椒），研究了花椒林地土壤及花椒葉無機(jī)礦質(zhì)元素的物候動(dòng)態(tài)[21-22]。以上研究表明，現(xiàn)有研究的缺憾在于未能揭示花椒林地土壤與花椒植株枝、葉和果實(shí)礦質(zhì)元素含量的變動(dòng)關(guān)系，其研究結(jié)果在用于花椒園施肥管理及配置花椒專用肥方面存在不少弊端。因此，本研究通過測定土壤及花椒各器官的礦質(zhì)元素含量，確定花椒植株對各礦質(zhì)元素的需求規(guī)律，進(jìn)而為研制專用肥提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣方法

2017年7月下旬，在韓城、合陽、澄城、白水、蒲城、富平、岐山及潼關(guān)、華陰、華州區(qū)和鳳縣陜西花椒栽培縣（市），確定有代表性的17個(gè)盛果期花椒園（如表1），然后選取面積不小于0.33 hm2成片花椒林地，采集土壤及花椒枝、葉和果實(shí)樣[1]。 所選樣地均為平地，樹齡8～15 a，株行距3 m×4.5 m，每年秋末或來年開春開溝施肥1次，施肥量3 600～4 000 kg/hm2，氮（N）、磷（P）、鉀（K）平均質(zhì)量比為20%、10%、15%。

表 1 花椒林地土壤和花椒采樣地點(diǎn)Table 1 Sampling sites of forest soil andZ. bungeanum

1.2 礦質(zhì)元素測定方法

所采集的花椒枝條、葉、果皮、種子以及土壤樣，送西北農(nóng)林科技大學(xué)測試中心進(jìn)行土壤有效礦質(zhì)元素N、P、K、鈣（Ca）、鎂（Mg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、硼（B）、鉬（Mo）及花椒樣中各元素含量測定；其中N、P、K、Ca為大量元素，Mg為中量元素，Cu、Zn、B、Mo為微量元素。各礦質(zhì)元素含量的測定方法分別為，土壤速效N、P和K分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉法、原子吸收光譜法（AAS）；土壤中的Mo、花椒樣中的P和Mo采用分光光度法；其余樣中的K、Ca、Mg、Cu、Zn采用AAS法，B采用電耦合等粒子質(zhì)譜法（ICP?MS），N采用全自動(dòng)定氮儀法[10,19-24]。

1.3 分析方法

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、做圖，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)性擬合、建立相關(guān)方程式。按公式（1）計(jì)算富集系數(shù)。各元素的豐欠分級為很豐富、豐富、中等、缺乏、很缺乏。由于本研究進(jìn)行的土壤和植株礦質(zhì)元素分析，取樣地均是花椒林地，難以設(shè)立對照林地，因此各元素含量豐欠程度的均以全國耕地類型區(qū)耕地地力等級劃分為依據(jù)[25-26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 花椒林地土壤及花椒各器官礦質(zhì)元素的變化趨勢

由圖1可知，各礦質(zhì)元素的豐欠等級為K、Cu、Zn含量很豐富，Mo含量豐富，B含量中等，Mg、Ca含量缺乏，N含量很缺乏。土壤中各 元 素 含 量 表 現(xiàn) 為K＞Zn＞N＞Ca＞Cu＞Mg＞P＞B＞Mo，在枝皮中表現(xiàn)為Ca＞K＞P＞Mg＞N＞Zn＞B＞Cu＞Mo，在葉片中表現(xiàn)為Ca＞K＞Mg＞N＞P＞B＞Zn＞Cu＞Mo，在果皮中表現(xiàn)為K＞Ca＞P＞N＞Mg＞B＞Zn＞Cu＞Mo，在種子中表現(xiàn)為K＞Ca＞Mg＞P＞N＞Zn＞B＞Cu＞Mo。對花椒生長而言，花椒林地土壤中K、Zn、N、Ca、Cu含量較高，P、Mg、B、Mo養(yǎng)分較缺乏；枝皮、葉片、果皮和種子中K、Ca、P、N、Mg含量較高，Zn、B、Cu含量較低，Mo含量最低，在花椒各器官中含量由大到小表現(xiàn)為K＞Ca＞Mg＞P＞N＞Zn＞B＞Cu＞Mo。

圖 1 花椒林地土壤及花椒各器官中不同元素含量的變化趨勢Fig.1 Changes of different elements in soil and organs ofZ. bungeanumfrom forest area

2.2 花椒林地土壤與花椒各器官中礦質(zhì)元素的相關(guān)性

2.2.1 花椒各器官中大量元素的相關(guān)性

在本研究的17個(gè)樣地中，花椒各器官中N、P、K含量的豐度水平大于土壤；土壤與花椒各器官中N元素含量均呈正相關(guān)，相關(guān)性大小表現(xiàn)為果皮＞葉＞枝皮＞種子；71%樣地土壤N元素含量偏低，29%樣地土壤N含量位于中高范圍（圖2）。土壤與花椒枝皮、葉和果皮中P和K元素含量呈正相關(guān)，但與種子中的P和K元素含量呈負(fù)相關(guān)，76%樣地土壤P和K元素含量偏低，24%樣地土壤P和K含量位于中高范圍（圖3～ 4）。這說明，土壤中N、P、K含量與花椒果實(shí)發(fā)育相關(guān)，所研究樣地71%以上土壤中N、P、K含量難以滿足花椒樹生長和果實(shí)發(fā)育的需求。此外，土壤與花椒各器官中Ca元素含量呈負(fù)相關(guān)，花椒各器官中Ca含量的豐度水平顯著大于土壤（圖5），雖然土壤與花椒各器官中的Ca含量無直接關(guān)系，但47%樣地土壤Ca含量位于中高范圍，53%樣地土壤Ca元素含量偏低。說明，在約1/2樣地土壤中花椒樹和果實(shí)發(fā)育需求的Ca元素含量偏低。

圖 2 土壤堿解氮含量與花椒各器官N含量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between soil and tissue N content ofZ. bungeanum

圖 3 土壤與花椒各器官P含量的相關(guān)性Fig.3 Correlation between soil and tissue P content ofZ. bungeanum

圖 4 土壤與花椒各器官K含量的相關(guān)性Fig.4 Correlation between soil and tissue K content ofZ. bungeanum

圖 5 土壤與花椒各器官Ca含量的相關(guān)性Fig.5 Correlation between soil and tissue Ca content ofZ. bungeanum

2.2.2 花椒各器官中中量元素的相關(guān)性

在17個(gè)樣地中，土壤與花椒各器官中Ca及花椒枝皮中的Mg元素含量均呈負(fù)相關(guān)，土壤與花椒葉、果皮和種子中的Mg元素含量呈正相關(guān)，花椒各器官中的Mg、Ca含量的豐度水平大于土壤（圖6），29%樣地土壤Mg元素含量偏低，71%樣地土壤Mg含量位于中高范圍。雖然土壤與花椒各器官中的Ca含量無直接關(guān)系，但53%樣地土壤Ca元素含量偏低，47%樣地土壤Ca含量位于中高范圍。說明，Mg與花椒果實(shí)發(fā)育相關(guān)，在約1/3和1/2樣地土壤中花椒樹和果實(shí)發(fā)育需求的Mg和Ca元素含量偏低。

圖 6 土壤與花椒各器官M(fèi)g含量的相關(guān)性Fig.6 Correlation between soil and tissue Mg content ofZ. bungeanum

2.2.3 花椒各器官中微量元素的相關(guān)性

在調(diào)查樣地中，土壤與花椒各器官中Cu元素含量具有正相關(guān)關(guān)系，土壤和花椒各器官Cu元素含量的豐度水平接近，35%樣地土壤的Cu含量水平較低（圖7）。除花椒葉外，各樣地土壤與花椒器官中Zn含量存在正相關(guān)關(guān)系，土壤中Zn含量的豐度水平稍高于花椒各器官（圖8）。說明，Cu與花椒果實(shí)發(fā)育相關(guān)，花椒林地土壤中Cu、Zn元素含量能夠滿足花椒樹的生長和果實(shí)的發(fā)育。

土壤與花椒枝皮和葉中B元素含量有正相關(guān)，與花椒果皮和種子中B元素含量有負(fù)相關(guān)關(guān)系，花椒各器官中B元素含量的豐度水平顯著大于土壤，35%樣地土壤的B含量水平較低（圖9）。土壤與花椒各器官中Mo元素含量有正相關(guān)關(guān)系，花椒各器官中Mo元素含量的豐度水平稍大于土壤，71%樣地土壤的Mo含量水平較低（圖10）。說明在花椒樹和果實(shí)發(fā)育中需要自土壤中吸收大量的B元素，土壤中Mo元素與花椒各器官中的含量水平相關(guān)。

圖 7 土壤與花椒各器官Cu含量的相關(guān)性Fig.7 Correlation between soil and tissue Cu content ofZ. bungeanum

圖 8 土壤與花椒各器官Zn含量的相關(guān)性Fig.8 Correlation between soil and tissue Zn content ofZ. bungeanum

圖 9 土壤與花椒各器官B含量的相關(guān)性Fig.9 Correlation between soil and tissue B content ofZ. bungeanum

圖 10 土壤與花椒各器官M(fèi)o含量的相關(guān)性Fig.10 Correlation between soil and tissue Mo content ofZ. bungeanum

2.3 林地土壤及花椒各器官礦質(zhì)元素的變化趨勢

2.3.1 土壤及器官中大量元素的變化趨勢

由圖11可知，與土壤中N元素含量相比較，花椒葉中的N含量和比例表現(xiàn)為果皮＞種子＞枝皮＞土壤，花椒各器官中N元素含量高于土壤32.6～66.1倍；花椒果皮中P含量和比例表現(xiàn)為種子＞枝皮＞葉＞土壤，花椒各器官中P元素含量高于土壤165.7～297.7倍；花椒種子中K含量和比例表現(xiàn)為果皮＞葉＞枝皮＞土壤，花椒各器官中K元素含量高于土壤37.3～88.0倍；花椒枝皮中Ca含量和比例表現(xiàn)為葉＞果皮＞種子，花椒各器官中Ca元素含量高于土壤208.3～4 501.0倍。說明花椒樹和果實(shí)生長及發(fā)育對大量元素的需求規(guī)律是Ca＞P＞K＞N，其中對Ca的需求量約是P、K和N的1.3～15.1、5.5～51.1、6.4～68.1倍，對P的需求量約是K和N的5.5～6倍。

圖 11 土壤與花椒各器官N、P、K元素含量及比例的變化趨勢Fig.11 Changes of N,P and K elements in soil and tissue ofZ. bungeanum

2.3.2 土壤及器官中中量元素變化趨勢

與花椒林地土壤中Mg元素含量相比較，Mg在花椒葉中的富集系數(shù)表現(xiàn)為種子＞果皮＞枝皮＞土壤（表2），花椒各器官中Mg元素含量高于土壤154.9～382.9倍（圖12）。說明在花椒樹和果實(shí)發(fā)育中需求的中量元素Mg較大。

表 2 花椒器官中個(gè)元素的富集系數(shù)Table 2 Enrichment coefficient of elements inZ. bungeanum

2.3.3 土壤及器官中微量元素的變化趨勢

花椒林地土壤Cu和Zn含量均小于花椒各器官、富集系數(shù)小于1（表2），表明花椒林地土壤可滿足花椒樹生長和發(fā)育對Cu和Zn元素的需求（圖13）。B在花椒葉中含量及其富集系數(shù)表現(xiàn)為果皮＞種子＞枝皮＞土壤，花椒器官中B含量是土壤的23.9～64.5倍；Mo在花椒葉中的含量及其富集系數(shù)表現(xiàn)為枝皮＞果皮＞種子＞土壤，花椒器官中Mo含量僅是土壤的0.98～6.2倍；說明在花椒樹和果實(shí)發(fā)育中對B元素的要求水平高，對Mo元素的需求水平較低。

圖 12 土壤與花椒各器官M(fèi)g元素含量及比例的變化趨勢Fig.12 Changes of Mg in soil and tissue ofZ. bungeanum

圖 13 土壤與花椒各器官Cu、Zn、B、Mo元素含量及比例的變化趨勢Fig.13 Changes of Cu,Zn,B and Mo elements in soil and tissue ofZ. bungeanum

3 結(jié)論與討論

對17個(gè)花椒樣地土壤礦質(zhì)元素含量分析表明，K、Cu、Zn含量很豐富，Mo含量豐富，B含量中等，Mg、Ca含量缺乏，N含量很缺乏；土壤中Cu、Zn及部分樣地的K元素含量能夠滿足花椒樹的生長和果實(shí)的發(fā)育，B含量適中，Mo含量豐富，71%樣地土壤中N和P、1/3和1/2樣地的Mg和Ca含量偏低、難以滿足花椒樹生長和果實(shí)發(fā)育的需求。

在花椒各器官中含量由大到小為K、Ca、Mg、P、N、Zn、B、Cu、Mo；各元素積累量由小到大排序，N為枝皮、種子、果皮、葉，P為葉、枝皮、種子、果皮，K為枝皮、葉、果皮、種子， Mg為枝皮、果皮、種子、葉，Ca為種子、果皮、葉、枝皮，B和Mo為枝皮、種子、果皮、葉。由于土壤中N、P、K、B、Mo含量與花椒和發(fā)育相關(guān)，Mg、Cu與花椒果實(shí)發(fā)育相關(guān)，因此除土壤中不缺乏Cu元素外，土壤中P、N、K、Mg、B、Mo含量的豐度水平，則直接與花椒果實(shí)發(fā)育和產(chǎn)量相關(guān)。

本研究除分析花椒林地土壤大量元素N、P、K外，還選擇性的對其他研究中與植物果實(shí)發(fā)育相關(guān)的Mg、Ca、Cu、Zn、B、Mo進(jìn)行了分析[27-30]。N主要在于促使植物營養(yǎng)生長等，P促使花芽分化、果實(shí)發(fā)育等，K提高植物抗性和果實(shí)膨大和著色等[31]。本研究表明，花椒樹和果實(shí)發(fā)育從土壤中對大量元素的吸收規(guī)律是P＞K＞N，對土壤中P的吸收量約是K和N的5.5～6倍。說明對影響花椒產(chǎn)量最大的元素是P、其次是K，但其對花椒產(chǎn)量構(gòu)成的作用程度還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

中量元素中的Mg是葉綠素的組成成分、參與脂肪和蛋白質(zhì)等合成、促進(jìn)生長發(fā)育、影響果實(shí)的品質(zhì)等[32]，Ca參與細(xì)胞構(gòu)成、調(diào)控內(nèi)源激素、果實(shí)膨大和影響品質(zhì)等[33]。在本研究中，花椒樹和果實(shí)Mg含量是土壤的154.9～382.9倍、達(dá)0.131 1～0.323 9 mg/kg，Ca含量是208.3～4 501.0倍、達(dá)0.007 9～0.170 6 mg/kg，顯然Mg、Ca元素對花椒產(chǎn)量的形成具有重要作用。與高鈣植物想比較，干旱和高鈣環(huán)境植物的Ca含量最高0.004～0.04 mg/kg[34]、高鈣果酸角Ca含量0.123 0～0.214 0 mg/kg[35]，表明花椒屬于高鈣含量植物之一，但Ca元素在花椒各器官中的作用還待研究。

微量元素中的Cu影響開花、結(jié)實(shí)、器官分化和發(fā)育等[36]，Zn參與碳水化合物、蛋白質(zhì)、內(nèi)源激素代謝及花芽和果實(shí)發(fā)育等[37]，B對多種生理活性化合物、花粉管發(fā)育、果實(shí)膨大等有重要作用[38]，Mo影響植物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)[39]。在本研究中，土壤中的Cu和Zn、B、Mo與花椒器官中這4種元素的比值分別為＜1、23.9～64.5、0.98～6.2；說明土壤中的Cu和Zn含量很豐富，B和Mo含量達(dá)中等和豐富等級，但研究花椒生長及果實(shí)發(fā)育中對B和Mo的需求特性，能夠?yàn)樘岣呋ń樊a(chǎn)量和品質(zhì)提供依據(jù)。上述研究和分析結(jié)果，可用于指導(dǎo)花椒配方施肥和設(shè)計(jì)專用肥。