濟(jì)南市歷城區(qū)典型土壤類型N、P、K養(yǎng)分元素的有效態(tài)分布特征

冷旭勇，劉連，景曉東，朱文峰

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省地礦局富鐵礦找礦與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

農(nóng)作物生長需要多種養(yǎng)分元素，包括植物必需營養(yǎng)元素和有益元素，植物必需營養(yǎng)元素包括C、H、O、N、P、K、Ca、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo等，有益元素包括Si、Na、Co、V、Al等[1],養(yǎng)分的有效性及分布特征對(duì)植物生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力具有很強(qiáng)的控制作用[2-3]。土壤元素有效量是指土壤中呈相對(duì)活動(dòng)狀態(tài)，能被植物直接吸收利用或易溶于水體遷移的那部分元素組分。與土壤元素總量相比，有效量具有更直接的生態(tài)環(huán)境意義，能夠更有效地反映植物營養(yǎng)元素的供給能力[4]。土壤元素有效度是指土壤中該元素有效量與全量的百分比[5]，有效度越高，元素活化能力越強(qiáng)，越易被植物吸收[6]，研究有效度影響因素，是確定土壤環(huán)境容量、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)土壤污染生態(tài)效應(yīng)[7]、土壤污染防治以及科學(xué)施肥的重要依據(jù)。N、P、K是農(nóng)作物生長所必須的大量元素，近年來，國內(nèi)外圍繞3種元素對(duì)農(nóng)作物的影響研究較多，但對(duì)于不同土壤類型間三種元素有效態(tài)分布的研究很少，本文依托“山東省濟(jì)南市歷城區(qū)1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目”(以下簡稱歷城土調(diào)項(xiàng)目)所取得的200件淺層(采樣深度為0～20cm)土壤有效態(tài)元素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)N、P、K元素有效態(tài)地球化學(xué)背景值及在不同類型土壤中的分布特征進(jìn)行分析研究。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市歷城區(qū)面積約1300km2，位于濟(jì)南市東南部，南依泰山，北臨黃河，地勢(shì)南高北低，海拔高度20～975m。南部為泰山褶皺山地的北翼，向北的山丘主要為寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)石灰?guī)r構(gòu)成。北部主要為黃河沖積平原，其下隱伏石炭—二疊紀(jì)地層。自南向北地貌類型主要為山地、丘陵、平原。淺層土壤有5個(gè)土類(棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土)，12個(gè)亞類(潮褐土、潮土、褐土、褐土性土、棕壤性土、棕壤、淋溶褐土、褐土化潮土、鹽化潮土、砂姜黑土、淹育水稻土、粗骨鈣質(zhì)土)。其中棕壤發(fā)育不完全，土壤呈微酸性，土層淺薄，分布在柳埠、西營等鎮(zhèn)，占總面積的7.74%；褐土土層深厚，土體發(fā)育完全，土壤呈中性到微堿性，耕性較好，分布在全區(qū)的山區(qū)、丘陵、平原廣大地區(qū)，占總面積的66.71%；潮土土層深厚，土體構(gòu)型復(fù)雜，耕性和通透性良好，保肥、保水性弱，分布在董家鎮(zhèn)、唐王鎮(zhèn)北部、遙墻鎮(zhèn)大部，占總面積的23.84%；砂姜黑土保水、保肥性能較強(qiáng)，適宜種植柳樹、槐樹等，分布在唐王鎮(zhèn)白云湖一帶，占總面積的0.81%；水稻土類主要分布在華山鎮(zhèn)和王舍人鎮(zhèn)一帶，占總面積的0.89%。

2 樣品采集及分析方法

根據(jù)《山東省1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》，采樣密度為1點(diǎn)/36km2，共采集并測(cè)試有效態(tài)樣品200件，采樣時(shí)間為2017年5月3日—20日。以GPS定位點(diǎn)為中心，向四周輻射50～100m確定分樣點(diǎn)，等份組合成一個(gè)混合樣。采樣深度0～20cm，采樣地塊為長方形時(shí)，采用“S”形布設(shè)分樣點(diǎn)；采樣地塊近似正方形時(shí)，采用“X”形或棋盤形布設(shè)分樣點(diǎn)。

樣品分析工作由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心承擔(dān)。分析方法主要電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)、容量法(VOL)等方法的多元素分析配套方法(表1)，準(zhǔn)確度和精密度合格率均為100%。

表1 有效態(tài)樣品分析方法

3 有效量與有效度統(tǒng)計(jì)特征

土壤元素有效量背景值統(tǒng)計(jì)方法：在反復(fù)剔除平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)離差的離散值后，以算術(shù)平均值作為有效量背景值。當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較少(不足30個(gè))時(shí)，用中位值作為土壤元素有效量背景值。計(jì)算土壤元素有效度平均值采用先計(jì)算單點(diǎn)有效度(有效量除以全量)再逐步剔除異常值的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以更加客觀地反映土壤元素的有效度狀況。

由表2、圖1可知，歷城區(qū)N、P、K元素有效態(tài)含量高于山東省土壤平均值，有效磷、堿解氮和速效鉀K值分別為4.18、1.65和1.36，說明供肥能力較強(qiáng)，從變異系數(shù)來看，堿解氮和速效鉀CV≤0.35分布較均勻，有效磷CV≥0.35，為高度變異[8]，分布不均勻。

表2 歷城區(qū)淺層土壤N、P、K元素有效態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 單位：mg/kg

統(tǒng)計(jì)表明，歷城區(qū)淺層土壤N、P、K元素有效量從高到低依次為(均值，mg/kg)：K(123.834)、N(90.582)、P(23.425)；全量從高到低依次為(均值，mg/kg)：K(15101.71)、N(1167.29)、P(640.027)。對(duì)比有效量和全量兩者間的排序，可以發(fā)現(xiàn)元素有效量與全量總體排序一致，全量高的元素一般其有效量也高，反映了土壤元素全量對(duì)有效量的重要控制作用。有效度(%計(jì))(由大到小)順序?yàn)椋篘(7.76)、P(3.66)、K(0.82)?？梢姴煌氐挠行Ф认嗖钍謶沂猓行Я亢腿孔罡叩腒元素有效度反而最低，因此，元素的有效度主要受元素表生地球化學(xué)性質(zhì)影響。

4 不同土壤類型中的分布特征

本文根據(jù)不同土壤類型、取樣點(diǎn)空間分布等特點(diǎn)，選擇有主要的潮褐土、潮土、褐土、褐土性土、棕壤性土5種典型土壤類型進(jìn)行分析研究(圖1)，這5種土壤類型分別占研究區(qū)面積的3.91%、7.26%、50.95%、15.11%、5.50%。從表3可以看出，不同土壤類型間元素有效度差異較大,這種差異性，反映了土壤有機(jī)質(zhì)、pH等對(duì)土壤元素地球化學(xué)行為的規(guī)律性作用(表3)[4]。

圖1 研究區(qū)淺層土壤N、P、K元素有效量地球化學(xué)圖

表3 不同土壤類型N、P、K元素有效量、全量及有效度統(tǒng)計(jì)表

N有效度(%)變化規(guī)律為：潮土(11.120)>潮褐土(10.659)>褐土(8.431)>棕壤性土(6.380)>褐土性土(5.250)；P有效度(%)變化規(guī)律為：潮土(4.230)>潮褐土(4.172)>褐土性土(3.904)>棕壤性土(3.584)>褐土(3.234)；K有效度(%)變化規(guī)律為：潮褐土(0.995)>潮土(0.952)>褐土性土(0.893)>褐土(0.746)>棕壤性土(0.446)。

潮褐土中P全量在5種土壤類型中最大，N、P、K有效量在5種土類中均最高，K有效度最大，P、N有效度僅次于潮土；潮土中P全量僅次于潮褐土，N全量最小，N、P、K有效量僅次于潮褐土，P、N的有效度最大，K有效度僅次于潮褐土；褐土中K全量最大，P有效量最小，N、K有效量僅比棕壤性土大，P有效度最??；褐土性土中N全量最大，P全量最小，P有效量較小，N有效度最低；棕壤性土中K的全量最低，N、K有效量均最低，K有效度最低，P全量、有效量、有效度均較低。

綜合分析可知，不同土壤類型間P、K全量、有效量和有效度變化趨勢(shì)基本一致，而N全量、有效量和有效度大小順序不一致。在5種土壤類型中，潮褐土、潮土不管N、P、K元素的有效量還是有效度都明顯高于其他土壤類型，其他3種土壤類型之間則相差不多，需要注意的是褐土性土中N全量最高，但有效度反而最低；棕壤性土K全量、有效量、有效度均最低，且比其他土壤類型有較大差距。

5 元素有效度差異性原因分析

土壤是成土母質(zhì)、地形地貌、氣候、植被與時(shí)間等多種因素綜合作用的產(chǎn)物，不同類型土壤有著其獨(dú)特的理化性質(zhì)、元素含量以及元素分配特征，從而決定土壤元素有效量及有效度[9]。對(duì)于同一土壤類型，元素有效度主要受全量、pH、有機(jī)質(zhì)含量、成土母質(zhì)、人為耕作管理、產(chǎn)業(yè)布局、黏粒組成、根際效應(yīng)、氧化還原電位、微生物組成、植物吸收作用等許多因素[10-11]所制約。絕大部分情況下，全量、土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量是影響有效量最大的因素，它們不但影響元素的離子組成，同時(shí)也影響膠體上交換性離子的組成[12-16]。

本次選取的5種典型土壤類型，其中潮褐土、潮土、褐土、褐土性土pH均值為8左右，呈弱堿性，只有棕壤性土pH為5.658，呈酸性；而褐土性土有機(jī)質(zhì)均值明顯比其他土類偏大，有機(jī)質(zhì)含量最低的是潮土，為1.94%(表4)。

表4 不同土壤類型pH、有機(jī)質(zhì)平均值統(tǒng)計(jì)表

5.1 元素全量的影響分析

土壤中N，P，K等元素全量是其有效量的重要控制影響因素[9]。N、P、K 3種元素有效度與全量相關(guān)系數(shù)分別為0.182、0.23、0.037(樣品數(shù)200件、置信度α=0.05)。

從圖2可以看出，P、K除了褐土等個(gè)別土壤類型外，全量與有效度的變化趨勢(shì)基本一致，潮褐土中P、K全量較高，有效度也高；而N全量與有效度的變化趨勢(shì)卻相反，潮褐土、潮土中N全量較低，有效度反而最高，反映了有效度受土壤元素豐度和其他多種因素的共同作用[17]。區(qū)內(nèi)肥料的施用有利于提高元素全量、有效量，對(duì)農(nóng)作物的生長有直接的作用，但要注意監(jiān)測(cè)N元素的有效度變化情況。因此，元素全量對(duì)于不同土壤類型中元素有效度的差異性具有一定的影響作用。

圖2 不同土壤類型N、P、K元素有效度與全量變化趨勢(shì)對(duì)比圖

5.2 土壤酸堿性(pH)的影響分析

土壤酸堿性(pH)是土壤的重要化學(xué)性質(zhì)，是土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)土壤微生物的活性、礦物質(zhì)的有效性和有機(jī)質(zhì)的分解起到重要作用，因而影響土壤養(yǎng)分釋放、固定和遷移過程[18]。多數(shù)元素有效度和pH有關(guān)[19]。N、P、K 3種元素有效度與pH相關(guān)系數(shù)分別為-0.141、-0.289、-0.107(樣品數(shù)200件、置信度α=0.05)。

根據(jù)圖3，3種元素的有效度在中性和偏酸性土壤中受pH的影響變化不大，而在弱堿性土壤中與pH主要呈負(fù)相關(guān)。主要由于這些元素的可溶度隨土壤pH上升而逐漸下降，而土壤對(duì)這些元素的固定和吸附卻是隨著土壤pH的上升而增加[20]，pH低的土壤中有效度較高。

圖3 N、P、K元素有效度與pH關(guān)系散點(diǎn)圖

不同土壤類型pH大小順序?yàn)椋撼蓖?8.149)>褐土性土(8.061)>潮褐土(8.004)>褐土(7.867)>棕壤性土(5.658)。潮土、褐土性土、潮褐土pH較大，P、K有效度也較高，而N在潮土、潮褐土中有效度較高，在褐土性土中有效度卻最低。從圖4分析，對(duì)于P、K，除了褐土，不同土壤類型中有效度與pH變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)于N，除了褐土性土，有效度與pH變化趨勢(shì)也基本一致。這與根據(jù)pH與有效度相關(guān)系數(shù)及關(guān)系散點(diǎn)圖分析的結(jié)果并不完全符合，說明土壤酸堿性(pH)不是引起不同土壤類型間元素有效度差異性的主要原因，而是與其他因素共同作用，比如在酸性棕壤性土中，N、P、K有效度均處于較低水平，應(yīng)主要與其全量較低有關(guān)[21-22]。

圖4 不同土壤類型N、P、K元素有效度與pH變化趨勢(shì)對(duì)比圖

5.3 有機(jī)質(zhì)含量的影響分析

有機(jī)質(zhì)最顯著特征之一就是能與金屬離子、氧化物、氫氧化物、礦物質(zhì)等發(fā)生相互作用，形成具有不同化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性的溶于水或不溶于水的物質(zhì)[23]，從而對(duì)土壤養(yǎng)分元素有效性產(chǎn)生重要影響。N、P、K 3種元素有效度與有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)分別為-0.397、0.023、0.304(樣品數(shù)200件、置信度α=0.05)。K有效度與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，有研究表明，有機(jī)質(zhì)豐富的土壤含磷亦較多[24]，有機(jī)質(zhì)與P有效度有一定的正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)的積累使土壤中K元素的生物有效量增加，有利于作物的這些元素吸收利用。土壤中N有效度與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)性，可能是土壤有機(jī)殘?bào)w分解較慢，土壤碳氮比過大，造成微生物與農(nóng)作物爭奪土壤中的有效氮，不利于農(nóng)作物的生長[25]。因此，增施有機(jī)肥的同時(shí)要防止N元素有效度的降低，適當(dāng)補(bǔ)施N肥[26]。

不同土壤類型有機(jī)質(zhì)含量(%)大小順序?yàn)椋汉滞列酝?3.694)>棕壤性土(2.524)>潮褐土(2.167)>潮土(1.94)>褐土(1.937)。褐土性土有機(jī)質(zhì)含量最高，P、K有效度也較高，N有效度卻最低。從圖5分析，對(duì)于P、K，除了潮土不同土壤類型中有效度與有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)基本一致；而對(duì)于N，有效度與pH變化趨勢(shì)不同。這與根據(jù)有機(jī)質(zhì)與有效度相關(guān)系數(shù)及關(guān)系散點(diǎn)圖(圖6)分析的結(jié)果一致，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響是不同土壤類型中元素有效度差異性的重要原因。

圖5 不同土壤類型N、P、K元素有效度與有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)對(duì)比圖

圖6 N、P、K元素有效度與有機(jī)質(zhì)關(guān)系散點(diǎn)圖

6 結(jié)論

(1)歷城區(qū)N、P、K元素有效量與全量排序總體一致，說明土壤元素全量對(duì)有效量的重要控制作用。不同元素的有效度相差十分懸殊，元素表生地球化學(xué)性質(zhì)是決定其有效度的根本原因。

(2)不同土壤類型間元素有效度差異較大，潮褐土、潮土N、P、K元素的有效量和有效度都明顯高于其他土壤類型，褐土性土中N全量最高，有效度反而最低；棕壤性土K全量、有效量、有效度均最低，且比其他土壤類型有較大差距。

(3)P、K除了褐土外，在其他土壤類型中全量與有效度的變化趨勢(shì)基本一致，而N全量與有效度的變化趨勢(shì)卻相反，全量對(duì)于不同土壤類型間元素有效度的差異性具有一定的影響作用；N、P、K元素的有效度在弱堿性土壤中與pH呈負(fù)相關(guān)，而不同土壤類型間有效度與pH變化趨勢(shì)卻基本一致，說明酸堿性并不是有效度差異性的主要原因；P、K有效度與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，N與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)性，除了潮土外其他土壤類型間P、K有效度與有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)基本一致，N有效度與pH變化趨勢(shì)不同，說明有機(jī)質(zhì)含量是不同土壤類型間有效度差異性的重要原因。

(4)不同土壤類型間元素有效度的差異性除了主要受全量、有機(jī)質(zhì)影響外，還與產(chǎn)業(yè)布局、人為耕作管理、成土母質(zhì)、根際效應(yīng)等綜合作用有關(guān)。開展系統(tǒng)研究，對(duì)于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有針對(duì)性地施用肥料以改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，將具有重要的指導(dǎo)意義。