防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度與礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系分析

AnalysisoftheRelationshipBetweenSoilpH and Mass Fraction of Mineral Elements in Shelter Forest Areas

Zhang Lingling1，Li Jing2＊ ，Du Hongzhi3 （Heilongjiang Province Aquatic Animal Resources Conservation Center，Qiqihar 161oo5，China; 2.Heilongjiang Qiqihar Wetland Nature Reserve Protection Center，Qiqihar l6loo6，China; 3.Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Forestry，Qiqihar 16loo5，China）

Abstract In order to understand the relationship between soil pH and the mass fraction of mineral nutrients in the shelter forest areas，and theefects of soil pHand mineral elements onthe productivityand ecologicalfunctionof the shelter forest，the shelter forest of Dongfanghong Forest Farmin Tailai County was taken as the research area，and 30 sampling points were set up. Soil samples were collected from 0-20cmandgt;20-40cm soil layers. The soil pH and the massfractions of organic mater，total nitrogen，available phosphorus and available potassium，as wellas the molar mass concentrations of exchangeable calcium and exchangeable magnesium were determined，and the correlation analysis was carried out. The results showed that the pH of the test area was 6.5-7.2 that was neutral to slightly alkaline on the whole，the mass fraction of total nitrogen was 10-35g?kg^-1 ，which had good nitrogen supply capacity. The mass fraction of available phosphorus was 10.9-15.2mg?kg^-1 ，which was generally low. The mass fraction of available potassium was 102-115mg ?kg^-1 ，which was moderately available. The mass molar concentrations of exchangeable calcium and exchangeable magnesium were 7.8-9.8cmol?kg^-1 and 3.0-4.1 cmol kg^-1 ，respectively，which were generally high. There was a positive correlation between pH and total nitrogen，available phosphorus，available potassium，exchangeablecalcium and exchangeable magnesium，and the corelation coefficient was 0.82-0.90 . With the increase of pH ，the mass molar concentrations of exchangeable calcium and exchangeable magnesium increase，which is beneficial to the release and absorption of calcium and magnesium.

Keywordsshelterforestarea;soil pH ;mineral nutrient elements;correlation analysis;soil improvement

土壤酸堿度與礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量是影響防護(hù)林區(qū)土壤質(zhì)量和生態(tài)功能的重要因素。本研究以典型防護(hù)林區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)土壤的酸堿度分布特征及其對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有效性的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。通過采集不同土壤酸堿度條件下的樣品，對(duì)其氮、磷、鉀、鈣和鎂等主要礦質(zhì)營養(yǎng)元素進(jìn)行測(cè)定，采用相關(guān)性分析與回歸分析的方法，揭示其耦合關(guān)系。本研究還對(duì)土壤酸堿度變化的驅(qū)動(dòng)因素及其生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了探討，并就土壤改良提出了針對(duì)性的建議。

1研究區(qū)概況

選取黑龍江西部的齊齊哈爾市泰來縣東方紅林場(chǎng)防護(hù)林區(qū)作為研究區(qū)域。該地區(qū)地處我國東北平原腹地，地勢(shì)平坦，地理位置為 46^°20^′19^′′-46^°29^′ 11^′′N，123^°23^′53^′′-123^°29^′46^′′E ，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫為 3～5°C ，降水多集中于夏季，年降水量 400～600mm 。區(qū)域內(nèi)土壤類型以沙土為主，具備較高的肥力和顯著的礦質(zhì)營養(yǎng)差異性，是典型的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。防護(hù)林廣泛分布于農(nóng)田周邊和水土流失易發(fā)區(qū)，主要樹種包括楊樹、樟子松、柳樹和榆樹等，具有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性和防護(hù)功能。由于人類活動(dòng)和自然環(huán)境的綜合作用，該區(qū)域土壤質(zhì)量面臨一定程度的退化和酸化風(fēng)險(xiǎn)，為研究土壤酸堿度與礦質(zhì)營養(yǎng)元素關(guān)系提供了條件。

2研究方法

2. 1 采樣與測(cè)定

在研究區(qū)域內(nèi)，按照土壤類型和植被分布特點(diǎn)設(shè)置30個(gè)采樣點(diǎn)，將區(qū)域劃分成不同板塊，按比例在各板塊內(nèi)隨機(jī)選定采樣起始位置，以其為中心，向四周輻射，各采樣點(diǎn)再依五點(diǎn)取樣法，即采集中心點(diǎn)與4個(gè)方向邊點(diǎn)的土壤樣品，具體方法流程見圖1。

圖1采樣與測(cè)定方法流程

采樣深度分為 0～20cm 和 gt;20～40cm 兩層，使用土鉆采集表層土和亞表層土樣，土樣采集后立即裝入密封袋，標(biāo)記編號(hào)并運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)采樣點(diǎn)混合后形成一份均質(zhì)樣品，樣品總量為60份。在實(shí)驗(yàn)室中，將土壤樣品自然風(fēng)干后，過 2mm 篩，除去石塊和植物殘?bào)w備用。

土壤酸堿度（pH）采用 1：2.5 土水懸液法，用精密 pH 計(jì)測(cè)定；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定；全氮（N）采用凱氏定氮法，速效磷（P）采用 0.5mol?L^-1NaHCO₃ 浸提一鉬銻抗比色法；速效鉀（K）通過 1mol?L^-1 中性醋酸銨浸提一火焰光度法測(cè)定 [1-2] ;交換性鈣（Ca）和鎂（ Mg 通過乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法測(cè)定。所有測(cè)定嚴(yán)格按照國家土壤質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，平行樣品重復(fù)測(cè)定3次，計(jì)算平均值，確保數(shù)據(jù)可靠性和精確性。最終將各采樣點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)匯總，用于后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性研究。

2.2 數(shù)據(jù)分析

采用多種統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)分析方法，以探討防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度與礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。利用描述性統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算土壤酸堿度（pH）和礦質(zhì)營養(yǎng)元素（如全氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣和鎂）的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)，揭示樣品的分布特征。通過皮爾遜相關(guān)性分析，評(píng)估 pH 與各礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)程度，計(jì)算相關(guān)系數(shù) r 其公式如下

式中： x_i 和 y_i 分別為 pH 和礦質(zhì)營養(yǎng)元素的觀測(cè)值， 和 為其均值； r 取值范圍為 [-1，1] ，表示正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或無相關(guān)性。運(yùn)用一元線性回歸模型分析 pH 對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素有效性變化的影響，回歸方程為

y=β₀+β₁x+ε

式中： y 為礦質(zhì)元素有效性； x 為 pH;β₀ 和 β₁ 分別為截距和回歸系數(shù)； ε 為誤差項(xiàng)。結(jié)合方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)不同 pH 區(qū)間內(nèi)礦質(zhì)營養(yǎng)元素差異的顯著性，探索土壤酸堿度在礦質(zhì)元素供給中的調(diào)控作用。通過多層次的統(tǒng)計(jì)分析，揭示防護(hù)林區(qū)土壤環(huán)境的生態(tài)機(jī)制。

3結(jié)果與分析

通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)的土壤酸堿度和礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，探討了各指標(biāo)之間的關(guān)系以及不同因素對(duì)土壤特征的影響。

3.1土壤酸堿度的分布特征

由表1可知，黑龍江西部泰來防護(hù)林區(qū)土壤的pH 為 6.5～7.2 ，整體呈現(xiàn)中性至微堿性的特征。其中， pH 最低為6.5，出現(xiàn)在采樣點(diǎn)3；最高為7.2，出現(xiàn)在采樣點(diǎn)2，表明區(qū)域內(nèi)土壤酸堿度存在一定的空間變異性。多數(shù)采樣點(diǎn)的pH集中在 6.7～ 7.0，顯示區(qū)域土壤酸堿度相對(duì)穩(wěn)定且均衡。這種酸堿度的分布特征可能與區(qū)域內(nèi)土壤的礦質(zhì)組成、植被類型及水分循環(huán)狀況密切相關(guān)，為土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)元素的有效性及其分布規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，pH對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化起到關(guān)鍵作用，對(duì)防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要影響。

表1數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.2 礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

根據(jù)表1分析，研究區(qū)域土壤中的礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的空間差異。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～35g?kg^-1 ，采樣點(diǎn)3的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，顯示該區(qū)域土壤有較好的氮素供應(yīng)能力；而采樣點(diǎn)2的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，可能與植被覆蓋及土壤有機(jī)質(zhì)分布有關(guān)。速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10.9～ 15.2mg?kg^-1 ，整體偏低，說明區(qū)域內(nèi)土壤速效磷的有效性可能受到一定限制，尤其在采樣點(diǎn)5表現(xiàn)出最低值，需要通過施肥改良。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為102.0～115. 0mg?kg^-1 ，具有中等可供性，其中采樣點(diǎn)3的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，表明該點(diǎn)土壤中鉀離子交換能力較強(qiáng)。交換性鈣和交換性鎂的質(zhì)量摩爾濃度分別為 7.8～9.5 cmol·kg^-1 和 3.0～ 4.1cmol?kg^-1 ，整體呈現(xiàn)較高水平，尤其是采樣點(diǎn)2的交換性鈣和鎂質(zhì)量摩爾濃度最高，說明區(qū)域內(nèi)土壤鈣鎂供應(yīng)能力較強(qiáng)。相關(guān)分析顯示， pH 與各礦質(zhì)元素呈顯著正相關(guān)，表明土壤酸堿度對(duì)礦質(zhì)元素的可供性具有重要影響。

3.3土壤酸堿度與礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的相關(guān)性

研究區(qū)域土壤酸堿度（pH）與礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在顯著的相關(guān)性，具體見表1。從礦質(zhì)營養(yǎng)元素綜合相關(guān)系數(shù)看， pH 與全氮、速效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為 0.82～0.90 。表明土壤pH對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的可供性具有重要影響。隨著 pH 的升高，交換性鈣和鎂的質(zhì)量摩爾濃度增加明顯，例如，采樣點(diǎn)2的 pH 為7.2，其交換性鈣和鎂質(zhì)量摩爾濃度分別為 9.5.4.1cmol?kg^-1 ，均為最高值，這表明中性偏堿的土壤更有利于鈣鎂元素的釋放和吸收。同樣，速效鉀和速效磷在偏中性土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，但相關(guān)性相對(duì)較弱，這可能與區(qū)域內(nèi)土壤類型及元素本身的化學(xué)行為有關(guān)。總體上， pH 是調(diào)控土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素可供性的重要因素，優(yōu)化土壤酸堿度對(duì)于改善土壤肥力具有積極意義。

3.4不同土壤酸堿度條件下礦質(zhì)元素的有效性變化

根據(jù)表1分析，不同 pH 條件下土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)元素的有效性呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。隨著土壤pH 的升高，交換性鈣和鎂的質(zhì)量摩爾濃度顯著增加，表明中性偏堿環(huán)境更有利于鈣鎂元素的釋放和吸收。而速效磷和速效鉀的含量在pH偏中性（6.7～6.8） 時(shí)較高， pH 進(jìn)一步升高時(shí)，這些元素的有效性略有下降，這可能與磷鉀在堿性條件下的化學(xué)結(jié)合或固定作用增強(qiáng)有關(guān)。全氮含量與pH關(guān)系不明顯，但在 pH 相對(duì)較低的6.5時(shí)達(dá)到最高值（35g?kg^-1 ），表明酸性土壤可能更適合氮素的積累?？傮w看，土壤酸堿度顯著影響礦質(zhì)元素的有效性，不同元素在不同 pH 條件下的行為特征應(yīng)作為土壤肥力管理的重要依據(jù)。

4討論

4.1 防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度變化的驅(qū)動(dòng)因素

多種因素共同影響，使防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度發(fā)生變化。1）土壤酸堿度受氣候因素影響較大。通過影響土壤水分和蒸發(fā)量，土壤溶液中的離子濃度發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤的酸堿度，形成降水、溫度和濕度等氣候要素的變化。如降水過多，可能造成土壤水分飽和，進(jìn)而使土壤酸性反應(yīng)增加，而堿性物質(zhì)則可能促使土壤在干旱條件下蓄積，使土壤pH升高。2）土壤類型和母質(zhì)對(duì)土壤酸堿度的變化也起著至關(guān)重要的作用。不同類型的土壤礦物成分和化學(xué)性質(zhì)不同，如沙質(zhì)土壤或石灰?guī)r土壤通常pH較高，而黏土或腐殖質(zhì)含量較高的土壤則可能呈現(xiàn)較低的pH 。3）植物的影響也是一個(gè)重要因素，特別是防護(hù)林的植物種類和覆蓋度。防護(hù)林通過根系的分泌物和植物殘?bào)w的分解，會(huì)直接影響土壤中的酸性物質(zhì)釋放，某些植物的根系分泌物如有機(jī)酸可以降低土壤的pH。4）人類活動(dòng)也不可忽視，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中施用的化肥，尤其是含氮化肥，會(huì)使王壤酸化；而有機(jī)肥的使用則有助于提升土壤的 pH 。5）土壤的水文狀況、施肥管理以及林業(yè)管理措施等也會(huì)對(duì)土壤的酸堿度變化產(chǎn)生長期影響。因此，防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度的變化是多種因素共同作用的結(jié)果，涉及自然因素與人為因素的復(fù)雜互動(dòng)。

4.2土壤酸堿度與礦質(zhì)營養(yǎng)元素交互作用的生態(tài)效應(yīng)

土壤酸堿度顯著地影響著礦質(zhì)營養(yǎng)元素的可用性，也影響著植物對(duì)養(yǎng)分的吸收。在酸性土壤中，較高的氫離子濃度會(huì)導(dǎo)致某些礦質(zhì)元素（如鋁、鐵）的溶解度升高，從而使這些元素毒性增強(qiáng)，對(duì)植物生長產(chǎn)生抑制作用。同時(shí)，較低的 pH 會(huì)降低鈣、鎂、鉀等元素的有效性，植物根系對(duì)這些營養(yǎng)成分難以有效吸收，從而造成植物生長受到限制。另一方面，氫離子濃度較低的堿性土壤會(huì)造成磷、鐵等元素形成不易溶解的化合物，使其有效性下降，從而影響植物吸收這些元素。土壤 pH 也會(huì)影響礦質(zhì)元素的離子交換過程，使鈣、鎂等元素釋放到土壤溶液中，提高其可利用性，氫離子會(huì)取代其他營養(yǎng)元素在酸性土壤中的交換位置，但這一過程也有可能造成對(duì)環(huán)境污染的某些有害元素的釋放。因此，土壤酸堿度不僅影響植物生長，而且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和生產(chǎn)力產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

4.3 改良建議

針對(duì)防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素有效性的影響，提出以下改良建議：1）定期施用石灰、石膏等堿性物質(zhì)中和酸性土壤，提高pH，提高土壤礦質(zhì)元素的可用性，以加強(qiáng)土壤酸堿度的調(diào)控，以緩解土壤酸化現(xiàn)象。2）對(duì)土壤中pH過高的地區(qū)，要保證磷、鐵等元素的溶解度，以硫黃等酸性物質(zhì)的施用來降低 pH ，促進(jìn)植物吸收。3）土壤營養(yǎng)平衡可通過合理施肥的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免單元肥施用過多，造成土壤酸化或營養(yǎng)物質(zhì)不均衡的現(xiàn)象發(fā)生。尤其是在土壤速效鉀、鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的地區(qū)，為了提高植物吸收礦質(zhì)營養(yǎng)的能力，可以適當(dāng)增加這些元素的補(bǔ)充量。4）結(jié)合合理的作物輪作和間作模式，根據(jù)不同區(qū)域的土壤特征，增強(qiáng)土壤的生物活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，制定個(gè)性化的改良方案，以提高土壤改良效果。5）通過科學(xué)評(píng)估土壤酸堿度與礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，及時(shí)調(diào)整改善措施，實(shí)現(xiàn)生態(tài)治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，持續(xù)的土壤監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。

5結(jié)論

本研究揭示了防護(hù)林區(qū)土壤酸堿度與礦質(zhì)營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的復(fù)雜關(guān)系。土壤pH的變化顯著影響礦質(zhì)元素的有效性，進(jìn)而影響植被生長和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過對(duì)土壤pH與各礦質(zhì)營養(yǎng)元素關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn)，中性的土和微酸性土中鈣、磷等元素有效率較高，并且抑制了鉀、鎂在酸性土壤中的有效性。展望未來，需要加強(qiáng)防護(hù)林區(qū)土壤的長期監(jiān)測(cè)，針對(duì)不同土壤類型提出細(xì)化的改良措施，為區(qū)域生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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