天津?yàn)I海新區(qū)鹽堿土壤鈣素形態(tài)特征研究

趙 杰，肖 輝，王立艷，李夢(mèng)琦，張 慧，王曉風(fēng)

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192）

天津?yàn)l臨渤海，海拔低、地下水位高、礦化度大，土壤鹽漬化嚴(yán)重。由于受土壤鹽漬化的影響，作物吸收養(yǎng)分困難、生長(zhǎng)受到抑制、產(chǎn)量明顯偏低，長(zhǎng)期以來(lái)，一直是限制天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。

鈣是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、生理代謝和應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫中起著重要的調(diào)控作用［1］。地殼中平均含鈣量3.25%，含量列于第5 位［2］。土壤含鈣量可以從痕量到4%以上，其決定于母質(zhì)、氣候及其他成土因素，土壤中全鈣含量決定著土壤的潛在供鈣能力。土壤中鈣有4 種存在形態(tài)，即有機(jī)物中的鈣、礦物態(tài)鈣、代換態(tài)鈣和水溶性鈣［3］。有機(jī)物中的鈣主要存在于動(dòng)植物殘?bào)w中，占全鈣的0.1%～1.0%。礦物態(tài)鈣占全鈣量的40%～90%，是主要鈣形態(tài)。土壤含鈣礦物主要是硅酸鹽礦物，如方解石碳酸鈣及石膏硫酸鈣等，這些礦物易于風(fēng)化或具一定的溶解度，并以鈣離子形態(tài)進(jìn)入溶液，其中大部分被淋失，一部分被土壤膠體吸附成為代換鈣，代換鈣占全鈣量的20%～30%。代換鈣占鹽基總量的大部分，對(duì)作物有效性好［4］。水溶性鈣含量為每公斤幾毫克到幾百毫克。土壤的有效鈣一般指交換性鈣和水溶性鈣。水溶性鈣指存在于土壤溶液中的鈣，是植物可直接利用的有效態(tài)鈣。

大多數(shù)土壤含鈣量較高，表土平均含鈣量可達(dá)1.37%，土壤溶液中鈣的含量約為0.01 mol/L，正常條件下能夠滿足大部分作物的需要［5］。一般大田作物缺鈣的現(xiàn)象并不多見，但在含鈣較少的酸性沙質(zhì)土壤上，種植需鈣多的花生、蔬菜、果樹等作物時(shí)應(yīng)重視鈣的供應(yīng)。此外，石灰性土壤上的果樹、蔬菜也出現(xiàn)了缺鈣現(xiàn)象，如蘋果的苦痘病或水心病，鴨梨的黑心病和桃樹缺鈣果實(shí)的頂腐病及缺鈣造成的大量落葉［6］，蔬菜中的番茄［7，8］、甜椒臍腐?。?］，大白菜干燒心［10］等，也很常見，不僅影響產(chǎn)量，而且會(huì)使果實(shí)品質(zhì)變差，且不耐貯藏。

針對(duì)濱海鹽堿土壤中鈣素缺乏的問(wèn)題研究較為鮮見，因此，本研究針對(duì)濱海新區(qū)蔬菜缺鈣現(xiàn)象，研究濱海新區(qū)鹽堿地區(qū)土壤鹽堿對(duì)鈣素形態(tài)的影響，以期為濱海新區(qū)植物鈣素營(yíng)養(yǎng)的調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

供試土壤均取自天津?yàn)I海新區(qū)大港農(nóng)場(chǎng)，該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，濱海沖積平原，年降雨量為570～690 mm，但分布不均，70%集中在6—8 月，年均蒸發(fā)量為1 100 mm，地下水位為0.9～1.5 m；土壤屬中壤、氯化物型鹽漬化土壤。2018 年9 月在大港農(nóng)場(chǎng)選擇7 個(gè)代表性樣地，每個(gè)樣地間距超過(guò)150 m。每個(gè)樣地間隔20 m 隨機(jī)選取4 個(gè)1 m×1 m樣方，采用直徑5 cm 的土鉆采集0～20 cm 的表層土壤，共得到28 個(gè)土壤樣品。土樣經(jīng)風(fēng)干后，磨細(xì)過(guò)2 mm 篩備用。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤全鹽采用5∶1 水土比（質(zhì)量比）浸提，殘?jiān)娓煞y(cè)定；pH 采用2.5∶1 水土比（質(zhì)量比）懸液電位法測(cè)定；土壤全鈣采用HNO3-HClO4消煮法；交換性鈣采用1 mol/L 乙酸銨浸提；水溶性鈣采用5∶1 水土比（質(zhì)量比）浸提；溶液中鈣素含量測(cè)定均采用原子吸收分光光度計(jì)法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析包括線性相關(guān)、回歸分析等均由Microsoft Excel 軟件和SPSS 21.0 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤不同形態(tài)鈣素的含量

對(duì)采集的28個(gè)土樣進(jìn)行分析測(cè)定，結(jié)果如表1所示。濱海新區(qū)鹽堿土壤全鈣含量為23.25～42.73 g/kg，平 均 值 為32.23 g/kg。23.25～30.00 g/kg 與30.00～42.73 g/kg 所占比例均約為50%，表明濱海新區(qū)鹽堿地全鈣含量較豐富。交換性鈣含量變化范圍較小，為5.00～7.28 g/kg，占全鈣比例為16.03%～25.41%；水溶性鈣含量變化較大，變化范圍為11.80～562.40 mg/kg，占全鈣比例為0.050%～1.930%。

表1 不同鹽分梯度鹽堿土壤全鈣、交換性鈣、水溶性鈣的含量

2.2 全鹽含量和pH 對(duì)鹽堿土壤鈣素形態(tài)的影響

2.2.1 全鹽含量對(duì)鹽堿土壤鈣素形態(tài)的影響 如圖1所示，全鈣含量與土壤全鹽含量無(wú)顯著關(guān)系。鈣是易移動(dòng)的元素，土壤全鈣含量主要受地球化學(xué)作用的影響，僅與成土過(guò)程、母質(zhì)有關(guān)［2］。

圖1 全鹽含量與鈣素形態(tài)的關(guān)系

全鹽含量與水溶性鈣含量呈極顯著正相關(guān)，這說(shuō)明鹽漬化程度越高的土壤中，溶液中的鈣含量越高。全鹽含量與水溶性鈣含量之間的關(guān)系可用方程y= 431.8x-69.21（R2=0.794 5**）加以擬合。土壤溶液中鈣的濃度在石灰性土壤中受土壤空氣中二氧化碳分壓所左右，在非石灰性土壤中，鈣離子則受土壤鹽基交換作用所制約［11］。因而在鹽漬化土壤中，水溶性鈣含量較高。

全鹽含量與交換性鈣含量呈顯著正相關(guān)，全鹽含量與交換性鈣含量之間的關(guān)系可用方程y=1.21x+5.84（R2=0.306 4）加以擬合。鈣吸附解吸與土壤環(huán)境的關(guān)系密切，土壤溶液中鈣濃度通常通過(guò)與土壤膠體上吸附的交換性鈣的平衡來(lái)調(diào)節(jié)。鈣在陽(yáng)離子交換位上的飽和度、陪伴離子、鈣與交換位結(jié)合的特性，以及溶液中陰離子濃度都會(huì)影響溶液中鈣的濃度。一價(jià)代換性K+和Na+存在時(shí)可顯著抑制代換鈣的解吸，而二價(jià)Mg2+的抑制作用則不明顯［12，13］。因而鹽漬化條件下盡管土壤交換性鈣含量充足，但有效性小。

2.2.2 pH 對(duì)鹽堿土壤鈣素形態(tài)的影響 由圖2 所示，土壤pH 與全鈣和交換性鈣含量無(wú)顯著關(guān)系，而與水溶性鈣含量呈極顯著關(guān)系。用二次方程y=1 332x2-22 956x+98 940（R2=0.554 7）模擬可知，土壤pH 在8.00～8.65 時(shí)，水溶性鈣含量隨著pH 降低而顯著增高，這是因?yàn)橥寥乐袣潆x子含量增加導(dǎo)致土壤中含鈣物質(zhì)的溶解。當(dāng)pH 超過(guò)8.65 時(shí)，水溶性鈣含量則呈一定的上升趨勢(shì)。

圖2 pH 與鈣素形態(tài)的關(guān)系

2.3 土壤全鈣、交換性鈣、水溶性鈣之間的相關(guān)性

如圖3 所示，水溶性鈣含量與全鈣含量顯著相關(guān)，擬合方程為y= -2.182x2+143.17x-2 114.1（R2=0.201 0）。當(dāng)全鈣含量在33 g/kg 以下時(shí)，水溶性鈣含量與全鈣含量呈顯著正相關(guān)；當(dāng)全鈣含量在33 g/kg 以上時(shí)，水溶性鈣含量與全鈣含量呈顯著負(fù)相關(guān)。交換性鈣含量與全鈣含量極顯著相關(guān)，可用方程y= -0.009 4x2+0.707 6x-6.231 9（R2=0.748 1）加以擬合。當(dāng)全鈣含量在37 g/kg 以下時(shí)，交換性鈣含量隨全鈣含量的增加而升高；當(dāng)全鈣含量在37 g/kg以上時(shí)，交換性鈣含量則呈緩慢下降趨勢(shì)。水溶性鈣含量與交換性鈣含量呈極顯著正相關(guān)，可用方程y= 0.004 5x5.297（R2=0.319 2）加以擬合。本研究中，土壤全鈣、交換性鈣、水溶性鈣三者兩兩之間均呈顯著相關(guān)性，因?yàn)槿}是補(bǔ)充不同形態(tài)鈣的基礎(chǔ)。礦物態(tài)鈣是鈣的主要形態(tài)，是交換性鈣的重要來(lái)源，因此土壤全鈣與交換性鈣呈顯著正相關(guān)［14］。土壤中的交換態(tài)鈣和水溶態(tài)鈣保持著動(dòng)態(tài)平衡，交換態(tài)鈣易于遷移和被植物吸收利用，當(dāng)水溶態(tài)鈣因被植物吸收或淋失而濃度降低時(shí)，交換態(tài)鈣即釋放到土壤中進(jìn)行補(bǔ)充。

圖3 土壤全鈣、交換性鈣、水溶性鈣的關(guān)系

3 討論與小結(jié)

鈣在植物中起著不可估量的作用。鈣能穩(wěn)定細(xì)胞膜、細(xì)胞壁，還參與第二信使傳遞，調(diào)節(jié)滲透作用，具有酶促作用等；鈣對(duì)生物膜的完整性具有重要作用［15］。土壤交換性鈣含量是評(píng)價(jià)土壤供鈣能力的一個(gè)重要指標(biāo)，它與植株葉片的含鈣量和植株葉片的吸鈣量存在一定的相關(guān)性。導(dǎo)致植物鈣缺乏有2個(gè)原因，一是土壤缺鈣，主要發(fā)生于酸性沙質(zhì)土壤，導(dǎo)致水稻、小麥、玉米和棉花生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)受阻，花生空殼等。另一個(gè)原因是生理缺鈣，盡管土壤含鈣豐富，但是果樹和蔬菜常出現(xiàn)鈣缺乏現(xiàn)象。對(duì)于大多數(shù)作物和土壤而言，交換性鈣高于2.0 cmol（1/2Ca2+）/kg時(shí)土壤不至于缺鈣，小于1.4 cmol（1/2Ca2+）/kg 時(shí)，鈣肥對(duì)花生有增產(chǎn)效果［16］，但也有一些并不一致。植物根系從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，各元素間存在拮抗作用和協(xié)同作用，一般來(lái)說(shuō)，陽(yáng)離子與陽(yáng)離子之間、陰離子與陰離子之間存在拮抗作用，低價(jià)位離子Na+和K+對(duì)高價(jià)位離子Ca2+具有明顯的拮抗作用［12］。研究表明，小麥根在含NaCl 的培養(yǎng)液中吸收大量的Na+和Cl-，而對(duì)Ca2+的吸收減少。補(bǔ)充CaCl2后細(xì)胞內(nèi)的Cl-和Na+含量明顯減少，質(zhì)膜相對(duì)透性下降，Ca2+吸收增加［17］。

本研究中濱海鹽堿地交換性鈣含量與全鹽含量呈顯著正相關(guān)，且含量充足，但同時(shí)鈣吸收受到高含量鹽分離子的抑制，導(dǎo)致能被植物吸收利用的量減少，可通過(guò)增施外源鈣以防止植物缺鈣。交換性鈣含量與土壤pH 無(wú)顯著關(guān)系，而水溶性鈣含量在一定范圍內(nèi)隨pH 降低而增加，建議通過(guò)改良鹽堿地降低pH［18］，減緩缺素癥狀。