姜冰，張海瑞，劉陽，郝志文

(山東省第四地質礦產勘查院，山東省地質礦產勘查開發(fā)局海岸帶地質環(huán)境保護重點實驗室，山東 濰坊 261021)

0 引言

土壤元素有效量可被作物直接吸收利用，與土壤元素全量相比，能夠更有效地反映植物營養(yǎng)元素的供給能力[1-2]。有效量和有效度同時受多種因素的影響，如元素全量、土壤pH值、有機質、土壤類型等[3-6]，同時反映不同地球表生環(huán)境下元素有效態(tài)的特征和影響因素[7-8]。研究土壤營養(yǎng)元素有效態(tài)，為指導科學施肥，提高土壤肥力，提供重要依據[9]，而重金屬元素有效量的分析，對生態(tài)環(huán)境評價具有指導意義[10]。

1 研究區(qū)概況

高密市地處濰坊市東部，山東半島中部，膠萊平原腹地，地理極值坐標東經119°26′16″至120°00′38″，北緯36°08′44″至36°41′20″，南北長60.1km，東西寬51.2km，面積1525.7km2(圖1)?？傮w地勢南高北低，地面總坡度約1/600。屬季風區(qū)暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫12℃，年平均降水量689.1mm，年蒸發(fā)量1227.6mm。地層僅在南部出露中生代白堊紀萊陽群和青山群，面積約占25%，中部及北部為大面積新生代第四紀松散堆積物，巖漿巖不發(fā)育。土壤分為5種土壤類型，即潮土、砂姜黑土、粗骨土、褐土、棕壤(圖2)。表層土壤pH值背景值為7.48，總體呈中性，有機質背景值為15.79×10-3,總體較缺乏[11]。

1—研究區(qū)；2—行政區(qū)界線

1—棕壤；2—褐土；3—粗骨土；4—砂姜黑土；5—潮土；6—取樣點

2 材料與方法

2.1 樣品采集及加工

本次研究調查介質為耕地中0～20cm的表層土壤，面積性采樣密度為1件/4km2。以采樣點為中心在周圍50～100m范圍內等量采集4～6個子樣等量混合成樣，采集時挑出植物根系、石塊等雜物，充分混勻后不少于1kg裝入干凈的棉布樣袋，置于通風陰涼處自然風干，并經木棒壓碎后全部過2mm孔徑的尼龍篩，過篩后混勻取不少于500g移交實驗室，用于測定pH值、有機質、營養(yǎng)元素全量及其有效量。

2.2 樣品處理與測試

樣品測試分析由山東省第四地質礦產勘查院實驗測試中心完成。根據《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求(試行)》，土壤樣品pH值測定采用離子電極法，有機質測定采用氧化還原法；元素全量采用酸堿容量法測定N，X射線熒光光譜法測定P，K，Cu，Zn，電感耦合等離子體質譜法測定Mo，發(fā)射光譜法測定B；元素有效量采用酸堿滴定法測定堿解N，采用等離子體光譜法測定有效P、速效K、有效Cu、有效Zn、有效Mo、有效B。對樣品數據質量進行嚴格質控，包括樣品報出率、標準物質準確度及精密度、樣品內部密碼抽查合格率等，質控結果為報出率均為100%，元素全量和有機質的準確度、精密度合格率均為100%，pH值絕對偏差小于0.1，元素有效量絕對偏差和相對偏差均不超差，合格率為100%，按樣品總數隨機抽取10%試樣進行密碼抽查，合格率大于98%。

2.3 數據處理

利用Excel軟件對數據進行處理，計算元素地球化學背景值，反復剔除平均值加減3倍標準差的離散值后，以算術平均值作為背景值。當統(tǒng)計數據不足30個時，以中位值作為背景值。計算土壤元素有效度平均值采用先計算單點有效度再逐步剔除異常值的方法進行統(tǒng)計，以便更加客觀地反映土壤元素的有效度狀況。變量之間的相關性采用SPSS軟件pearson相關系數和雙尾顯著性檢驗完成。

3 結果與分析

3.1 元素有效態(tài)地球化學特征

根據以上數據處理結果，有效P、速效K、有效Cu、有效Zn的變異系數高，均大于1.5，分布極不均勻，表明含量變化范圍大，局部易缺乏或富集；其他有效量0.4≤變異系數<1.0，分布較不均勻。有效量與全量的比值為有效度，它是衡量元素在土壤環(huán)境中的活性程度或植物可吸收水平的指標[12]，有效度由大到小排序為有效Mo>堿解N>有效Cu>有效P>有效Zn>有效B>速效K，最大有效Mo為16.90%，最小速效K為0.72%，各元素之間有效度差異顯著，全量含量水平對有效度的控制程度各不相同，元素表生地球化學性質是決定其有效度的重要內因(表1)[13-14]。

表1 土壤營養(yǎng)元素有效態(tài)參數統(tǒng)計表

參照《土地質量地球化學評價規(guī)范》[15]，將土壤營養(yǎng)元素有效量進行分級統(tǒng)計，由表2和圖3可知，有效Mo缺乏的樣本331個，占88.03%，而從有效量參數統(tǒng)計來看，其有效度16.90%為最高，表明其全量含量水平也較低，區(qū)內有效Mo整體處于缺乏狀態(tài)，影響土壤營養(yǎng)水平，應引起重視；有效B較缺乏樣本176個，占46.81%，中等樣本151個，占40.16%，其他等級樣本少，表明區(qū)內有效B整體處于中等—較缺乏狀態(tài)，其有效度僅1.37%，所以全量含量對有效量的影響并不是決定性因素。其他營養(yǎng)元素有效量以中等以上為主，養(yǎng)分水平相對較高，僅堿解N和速效K的較缺乏樣本個數相對較多，分別為114個和127個，分別占比30.32%和33.78%，而堿解N的有效度達10.42%，表明全量含量水平是控制堿解N含量水平的重要因素，速效K有效度僅為0.72%，表明全量含量水平對速效K含量水平的影響甚微。

表2 土壤營養(yǎng)元素有效量分級統(tǒng)計表

3.2 元素全量對有效態(tài)的影響

采用SPSS軟件計算表層土壤元素全量與有效態(tài)的相關性及顯著性差異檢驗。按相關系數的大小表述相關性強弱，相關系數取絕對值后，小于0.1為不相關，0.1～0.3為弱相關，0.3～0.5為中等相關，0.5～1.0為強相關。由表3可知，各元素全量與其有效量的相關性在0.01水平均為顯著，且呈正相關，其中B，K全量與其有效量弱正相關，其他元素全量與其有效量強正相關，按其相關系數大小排序為Cu(0.932)>P(0.875)>Zn(0.773)>Mo(0.715)>N(0.510)>B(0.187)>K(0.179)，表明元素全量對有效量是最直觀的制約影響[16]，所以土壤營養(yǎng)元素全量的高低對土壤肥力評價及生態(tài)環(huán)境評價具有重要的指示意義。而全量與有效度的相關性有很大不同，Cu，Zn全量與其有效度中等正相關，P，K全量與其有效度弱正相關，其他元素全量與有效度沒有相關性，相關性顯著的元素按其相關系數大小排序為Zn(0.462)>Cu(0.379)>P(0.148)>K(0.142)，表明不同元素全量向有效量轉化的差異性和不均勻性。此外，某些元素全量與不同元素有效量、有效度強相關，如N全量與P有效量，P全量與K，Cu，Zn有效量，Cu全量與P，Zn有效量，Zn全量與P，Cu有效量，P全量與K有效度，表明某些元素全量與不同元素有效量、有效度的協(xié)同作用。

圖3 土壤元素有效量分級占比柱形圖

表3 土壤營養(yǎng)元素全量與有效態(tài)相關系數表

3.3 土壤pH值和有機質對元素有效態(tài)的影響

有研究表明，土壤pH值與多數營養(yǎng)元素的有效量和有效度呈負相關關系，陽離子型元素的有效性隨pH值上升而降低[17-19]。由表4可知，土壤pH值與N，P的有效量呈弱負相關，與B的有效量呈中等正相關，存在線性關系(圖4)，與其他元素有效量無相關性；土壤pH值與P的有效度呈強負相關，與N，Cu，Mo的有效度呈中等負相關，與Zn的有效度呈弱負相關，與B的有效度呈中等正相關，存在線性關系(圖5)，與K的有效度無相關性?？傮w來看，除K，B外，多數元素的有效量和有效度隨土壤pH值的升高而降低，與前人得出的結論相似[20]。有研究認為，土壤pH值會影響溶液和膠體的離子組成，并且與元素形態(tài)有密切關系，對元素有效性產生影響[21-22]。另有研究認為土壤酸化會引起某些元素的有效量增加[23]。

表4 土壤pH值和有機質與元素有效量及有效度相關性

圖4 土壤pH值與N，P，B元素有效量相關性散點圖

與土壤pH值不同的是，有機質總體與元素有效量和有效度呈正相關。有機質與7種元素的有效量均呈正相關，具良好的線性關系(圖6),相關性弱至中等，表明有機質對營養(yǎng)元素的有效量有一定的促進作用，增施有機肥可以不同程度的增加營養(yǎng)元素的有效量。有機質與N，K，Zn，B的有效度呈良好的線性關系(圖7)，與K，Zn，B的有效度呈弱正相關，若從施肥角度考慮，增施有機肥可適當減少K，Zn，B肥的施用；與N的有效度呈弱負相關，所以有機質的增加積累會導致N有效度的降低，與土壤有機殘體(如還田之秸稈)分解慢，土壤碳氮比過大有關[24]，所以增加土壤有機質(如秸稈還田)的同時，應增施N肥[25]，或者進行秸稈堆漚還田等[26]。

3.4 土壤類型對元素有效態(tài)的影響

不同土壤類型理化性質有所差異，會對土壤元素地球化學行為產生影響[27-28]。表5和表6分別描述了研究區(qū)內不同土壤類型營養(yǎng)元素的有效量和有效度特征參數。變異系數反映了有效量和有效度的空間分布差異，P，Cu，Zn，B有效量在褐土中分布最不均勻，N，K有效量在砂姜黑土中分布最不均勻，Mo有效量在潮土中分布最不均勻，Zn，B有效度在褐土中差異最大，N，P，K，Mo有效度在砂姜黑土中差異最大，Cu有效度在潮土中差異最大。棕壤中多數元素(除B外)有效量和有效度高于全區(qū)；褐土中多數元素(除K，B外)有效量和有效度高于全區(qū)；粗骨土中P，Cu，Mo有效量和有效度高于全區(qū)，其他低于全區(qū)；砂姜黑土中K，B具有相對全區(qū)較高的有效量和有效度，N有效量略高于全區(qū)但有效度略低于全區(qū)，其他元素有效量和有效度均不同程度低于全區(qū)；潮土中N，Cu，Mo有效量低于全區(qū)但有效度高于全區(qū)，P，Zn具有相對全區(qū)較高的有效量和有效度，而K，B有效量和有效度低于全區(qū)。

研究區(qū)內棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土5種土壤類型的pH值背景值分別為5.39，6.41，6.63，7.70，7.05，有機質背景值分別為12.63×10-3，17.48×10-3，17.86×10-3，17.51×10-3，12.64×10-3，通過分析不同土壤類型中pH值和有機質與營養(yǎng)元素有效態(tài)的相關性發(fā)現(xiàn)(表7)，土壤pH值與不同土壤類型中N，P有效量總體呈負相關(與褐土中P有效量不相關)，與不同土壤類型中營養(yǎng)元素(除B外)有效度呈負相關或不相關，與不同土壤類型中B有效量和有效度均呈正相關；有機質與不同土壤類型中多數營養(yǎng)元素有效量和有效度呈正相關，少數不相關，但與N有效度總體呈負相關。粗骨土的樣本數太少，不具參考意義?？傮w與全區(qū)的土壤pH值和有機質對有效態(tài)的影響大致相同，反映的是不同土壤類型的不同理化性質對元素有效態(tài)的差異影響[29]。土壤酸性能夠提高N，P，Cu，Zn，Mo元素的有效量和有效度，堿性土壤能提高B元素的有效量和有效度，有機質是促進土壤營養(yǎng)元素活化的重要因素，與前人研究結果一致[5,7,30]。

表5 不同土壤類型營養(yǎng)元素有效量特征參數

表6 不同土壤類型營養(yǎng)元素有效度特征參數

表7 不同土壤類型pH值、有機質與營養(yǎng)元素有效態(tài)相關系數表

4 結論

(1)元素全量對有效態(tài)具有最直觀的制約影響，元素全量與其有效量相關性均為顯著，部分元素全量(P，K，Cu，Zn)與其有效度相關性顯著，某些元素全量與不同元素有效量、有效度還表現(xiàn)出協(xié)同作用。土壤pH值對營養(yǎng)元素的生物有效性有重要影響，酸性土壤能夠提高N，P，Cu，Zn，Mo元素的有效量和有效度，堿性土壤能提高B元素的有效量和有效度。有機質增加有利于土壤營養(yǎng)元素活化，對有效量有一定的促進作用，并不同程度提高K，Zn，B元素的有效度，但會降低N元素的有效度。

(2)Mo元素的有效度雖然較高，但其全量和有效量含量低，有效Mo在研究區(qū)內整體缺乏，有效B整體處于較缺乏。土壤元素全量、有效量及有效度的高低對土壤肥力評價及生態(tài)環(huán)境評價具有重要的指示意義。