江勝國，詹華明，劉廣明，鄭愛軍，盧東琪，王志剛，宮少軍

天津小站稻種植區(qū)土壤主要微量營養(yǎng)元素的有效量及其影響因素①

江勝國1，詹華明1，劉廣明2*，鄭愛軍3，盧東琪3，王志剛1，宮少軍1

(1天津市地質(zhì)研究和海洋地質(zhì)中心，天津 300170；2中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；3天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300061)

土壤調(diào)查研究表明，天津小站稻種植區(qū)土壤的微量元素全量中，F(xiàn)e、Mn、Zn、S豐富，Cu中等，B、Mo和Se偏低；有效態(tài)含量中，F(xiàn)e、Cu、Mn、S豐富，Zn和B中等偏上，較普遍缺Se，少部分土壤缺Mo。Cu、Mn、B、Mo、Se和S的有效量受全量的影響較大，F(xiàn)e和Zn的有效量與其全量相關(guān)性不明顯。Cu、Fe、Mo、Se、S和Mn的有效量受有機質(zhì)含量的影響顯著，pH對Mn和Se有效量的影響明顯，水溶性鹽含量與Fe、B和S呈顯著正相關(guān)。天津稻田土壤需要針對性施用微肥、配施有機肥并適當調(diào)理土壤酸堿度。本研究對于稻田土壤改良和水稻品質(zhì)提升具有重要理論與實用價值。

天津小站稻；土壤；微量營養(yǎng)元素；有效量；影響因素

土壤微量營養(yǎng)元素通常指有益于作物生長且需要量微小的元素，主要來源于土壤礦物中能夠被作物直接吸收利用的部分，即有效量，以活動態(tài)存在于土壤中。有學者研究認為土壤微量元素有效量不但影響作物的生長發(fā)育，而且影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量[1-4]。以水稻為例，生長優(yōu)質(zhì)水稻的土壤通常具有高K、Mg、Ca、Mn、Cu、Zn和Se，低P、Fe和Si的特征[5]；在水稻生長過程中進行科學的Cu、Zn、Mg等元素調(diào)控，可以實現(xiàn)產(chǎn)量增加，外觀、營養(yǎng)、蒸煮食味品質(zhì)均有一定改善[6]。土壤微量營養(yǎng)元素的有效含量主要受土壤有機質(zhì)含量、pH、鹽分含量及耕作方式等因素的影響[7-9]。隨著有機質(zhì)的積累，土壤中生物酶的含量增多，酶活性增強，在有機質(zhì)分解過程中將直接影響土壤微量營養(yǎng)元素的有效性[10]；土壤pH主要通過化學反應對土壤微量營養(yǎng)元素的有效性產(chǎn)生影響[11-13]；由于溶質(zhì)勢等原因土壤鹽分會影響作物根部吸收微量營養(yǎng)元素的數(shù)量[14-16]；不同土地利用方式及人為的耕作、灌溉和施肥等，會導致土壤微量營養(yǎng)元素的有效量產(chǎn)生較大分異[7-9, 17]。

目前天津地區(qū)尚缺乏土壤微量營養(yǎng)元素有效量特征及其對作物影響方面的研究，未見針對稻田土壤微量營養(yǎng)元素全量、有機質(zhì)含量、pH及鹽分含量等對有效量影響的報道。本研究系統(tǒng)性探討了研究區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素全量和有效量的相關(guān)性，分析了有機質(zhì)含量、pH和水溶性鹽對土壤微量營養(yǎng)元素有效量的影響，旨在為天津小站稻種植區(qū)內(nèi)的土壤地力提升及全面實現(xiàn)天津小站稻振興戰(zhàn)略提供理論及決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津小站稻產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃區(qū)內(nèi)(圖1)，主體屬于寶坻區(qū)黃莊鎮(zhèn)，屬大陸性–暖溫帶半干旱、半濕潤季風氣候，光照較為充足，晝夜溫差大，夏季為水稻的生長期，雨水較為集中，土壤溫度和濕度適宜，有利于水稻的種植。地形以平原為主，其次為洼地，海拔平均2 ～ 7 m，從北部到南部有逐漸下降的趨勢。區(qū)內(nèi)主要水系為潮白河，水質(zhì)較好，為稻作農(nóng)田的主要灌溉水源。

研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征單一，以第四系地層為主，上部為全新統(tǒng)天津組(Qh)，巖性以沖積–湖沼相粉質(zhì)黏土沉積為主，上部夾深灰色黏性土、黃色粉土及粉細砂，局部見淺海相深灰色淤泥質(zhì)黏土夾粉砂沉積。研究區(qū)耕地土壤主要為黏土和粉質(zhì)黏土，土層厚，總體質(zhì)地黏重，成土母質(zhì)以第四系湖沼相沉積物為主。

1.2 樣品采集與制備

在研究區(qū)約160 km2的范圍內(nèi)，共采集40個樣品(= 40)，采集層位為耕作層，采集深度為20 cm。區(qū)內(nèi)每4 km2設(shè)1個采樣區(qū)，由于土壤本身存在著空間分布的不均一性，為了更好地代表采樣區(qū)的土壤性狀，在每個采樣區(qū)內(nèi)，選定代表性點位，然后以代表性點位為中心等距(200 m) 選定4個點位，采用“梅花采樣法”多點取樣，最后組合成一個樣品，樣品原始重量大于1 000 g。把采集的土樣放置陰涼通風處，干燥后敲碎成小塊，挑揀出雜質(zhì)，然后研碎過20目篩，裝入樣袋貼好標簽，待測。樣品采集日期為2020年9月20日。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖

1.3 分析測定方法

測定土壤中的Cu、Fe、Mn、Zn、B、Mo、Se和S等8種微量營養(yǎng)元素的全量和有效量。全量的分析測定方法：Cu、Mo、Zn和Se采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定；Mn和Fe采用X-射線熒光光譜法測定；B采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定；S采用原子熒光光譜法測定。有效量的分析測定方法：Cu、Mn、Zn、Fe和Se，用0.1 mol HCl提取，采用火焰原子吸收法測定；Mo用Tammi試劑提取，采用等離子體質(zhì)譜法測定；B用沸水提取，采用等離子體光譜法測定；S用一米平面光柵攝譜，采用紅外碳硫分析法測定。pH用水浸提樣品，采用電位法測定，并與pH計測定值對比。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化還原容量法測定。水溶性鹽采用烘干殘渣法測定。由華北有色地質(zhì)勘查局燕郊中心實驗室測試，經(jīng)標樣和重復樣檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量合格。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻作農(nóng)田土壤理化性質(zhì)

2.1.1 土壤機械組成和pH 研究區(qū)土壤質(zhì)地相對黏重，以黏土為主，局部為重黏土。土壤機械組成檢測數(shù)據(jù)(采用甲種比重計法)統(tǒng)計結(jié)果表明，黏粒(<0.002 mm)含量范圍為47% ～ 70%，平均58%；粉粒(0.002 ～ 0.02 mm)含量范圍為20% ～ 47%，平均32%；砂粒(0.02 ～ 2 mm)含量范圍為0 ～ 27%，平均10%；吸濕水平均值4.33%。

土壤pH的統(tǒng)計結(jié)果表明，最低值7.80，最高值8.42，平均8.04。根據(jù)《中國土壤》[18]的分級標準，為堿性土壤。

2.1.2 土壤有機質(zhì)和鹽分含量 研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量屬中等水平。經(jīng)統(tǒng)計分析，研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量最小值為12.10 g/kg，最大值為31.40 g/kg，均值為20.10 g/kg。本批次土壤樣品中的19個樣品有機質(zhì)含量大于20 g/kg，占總樣品數(shù)的47.50%。

據(jù)統(tǒng)計分析，研究區(qū)泡田土壤鹽分含量范圍為0.73 ～ 1.33 g/kg，平均0.97 g/kg；其中17個樣品的土壤鹽分含量大于1 g/kg，占總樣品數(shù)的42.50%，為輕度鹽漬化土壤。

2.2 稻作農(nóng)田土壤微量營養(yǎng)元素全量和有效量含量

表1為土壤微量營養(yǎng)元素全量數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析可知：全Cu含量平均為28.06 mg/kg，與全國土壤平均含量基本一致；地殼中Fe的含量豐富[19]，研究區(qū)土壤Fe含量均值為55.73 g/kg，較為豐富；全Mn含量均值為783.83 mg/kg，最高可達1 041.00 mg/kg，為中國土壤平均含量的2倍；全Zn含量平均為88.76 mg/kg，最高為108.00 mg/kg，高出全國土壤平均含量約35%；全B含量平均為55.27 mg/kg，低于全國土壤平均值(62.60 mg/kg)；全Mo含量低，平均為0.74 mg/kg，不到全國土壤均值的50%；全Se含量平均為0.20 mg/kg，低于全國土壤平均值(0.29 mg/kg)；全S含量豐富，平均值為584.85 mg/kg，約為全國土壤平均含量的2倍?？梢?，對研究區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素全量而言，F(xiàn)e、Mn、Zn、S含量豐富，Cu含量中等，B、Mo和Se含量偏低。

表2為土壤微量營養(yǎng)元素有效量數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析可知：有效Cu含量豐富，最大值為7.41 mg/kg，最小值為3.81 mg/kg，均值5.68 mg/kg，遠高于土壤缺素臨界值和中國土壤均值(1.61 mg/kg)；有效Fe含量均值為123.79 mg/kg，遠遠超過缺素臨界值；有效Mn含量均值為41.73 mg/kg，超過缺素臨界值，高于中國土壤均值(25.80 mg/kg)；有效Zn含量平均為1.74 mg/kg，超過缺素臨界值，高出中國土壤均值(0.84 mg/kg)；有效B含量均值為2.29 mg/kg，超過缺素臨界值和中國土壤均值(0.45 mg/kg)；有效Mo含量均值為0.20 mg/kg，略高于缺素臨界值(0.15 mg/kg)，其中研究區(qū)南部稻田土壤普遍低于缺素臨界值；有效Se含量均值為0.02 mg/kg，遠低于缺素臨界值(0.10 mg/kg)；有效S含量均值為210.05 mg/kg，遠高于缺素臨界值(14.10 mg/kg)。從有效量的角度分析，研究區(qū)土壤大面積缺Se，也有部分土壤缺Mo，而Zn和B含量中等偏上，F(xiàn)e、Cu、Mn、S含量比較豐富。

表1 研究區(qū)土壤微量元素全量(mg/kg)

表2 研究區(qū)土壤微量元素有效量(mg/kg)

注：微量營養(yǎng)元素有效系數(shù)=有效量均值/全量均值。

從有效系數(shù)角度分析，Cu、Mo和S的有效系數(shù)高，F(xiàn)e、Zn和B的有效系數(shù)較低。從變異系數(shù)角度分析，全量的變異系數(shù)總體上都小于有效量，表明研究區(qū)稻作農(nóng)田土壤的成土礦物組成較為均勻，而有效量受到多種因素的影響導致空間差異較大。由于元素全量向有效量轉(zhuǎn)化具有復雜性和不均一性，土壤礦物構(gòu)成、土地利用方式及年限、人為耕作管理習慣等都可能是造成該變異系數(shù)差異的原因。

2.3 稻作農(nóng)田土壤微量營養(yǎng)元素有效量的影響因素

2.3.1 微量營養(yǎng)元素全量 根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可知研究區(qū)土壤中微量元素全量與有效量的總體變化趨勢相似，說明了土壤微量營養(yǎng)元素豐度是水稻對微量營養(yǎng)元素吸收的主要控制因素[20]。Cu、Mn、B、Mo、Se和S的全量和有效量呈顯著正相關(guān)性(圖2)，相關(guān)系數(shù)分別為0.830、0.620、0.835、0.911、0.502和0.869，F(xiàn)e和Zn的全量與有效量相關(guān)性不明顯?？傮w上，研究區(qū)土壤中微量元素有效量主要受到其總量的控制，個別元素明顯受到其他因子的影響。

2.3.2 土壤有機質(zhì) 如表3所示，研究區(qū)土壤中有機質(zhì)和有效Cu、Fe、Mo、Se和S呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.807、0.399、0.697、0.541和0.655，說明有機質(zhì)可以促進這些元素全量向有效量的轉(zhuǎn)化，進而促進水稻對這些微量元素的吸收，提高其有效利用率，這進一步證明了這些微量元素受到了有機質(zhì)吸附作用和固定作用的影響。有學者的研究表明，有機質(zhì)含量明顯影響Cu、Fe、Mo、Se和S的有效量，有機質(zhì)在分解過程中可增強這些元素的活化作用，提高有效利用量[8-10]。有機質(zhì)與有效Mn呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為–0.670，可能是土壤中Mn與有機配位體所形成的絡(luò)合物不夠穩(wěn)定[21]。

圖2 土壤微量營養(yǎng)元素有效態(tài)和全量關(guān)系

表3 研究區(qū)土壤有機質(zhì)、pH和水溶性鹽與微量元素有效量的相關(guān)性

注：*、**分別表示相關(guān)性達<0.05和<0.01顯著水平(= 40)。

有機質(zhì)含量與有效Cu、Mo、Se和S之間相關(guān)性極顯著，說明有機物的螯合作用可以促進水稻對這些微量元素的吸收，可溶的低分子螯合物(有機酸、氨基酸、糖酸及酚類等)的螯合作用增加了這些微量元素的有效性，而難溶的有機質(zhì)如腐殖質(zhì)等與某些微量元素結(jié)合會限制其有效性[22]。

2.3.3 土壤pH 如表3所示，土壤微量元素有效量與pH的關(guān)系較為明顯。pH對有效態(tài)Se呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為–0.469；pH對有效態(tài)Mn呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.331。表明中酸性土壤有利于促進水稻對Se的吸收，而偏堿性土壤有利于Mn有效量的提高。

有研究認為，在堿性條件下，有效Fe可逐漸被轉(zhuǎn)換為氫氧化鐵、磷酸鐵等被固定；pH可影響無機Zn化合物的溶解度，通過影響土壤其他性質(zhì)而控制Zn的吸附作用和絡(luò)合作用[23]。本研究的結(jié)果，pH對有效態(tài)Fe呈負相關(guān)，對有效態(tài)Zn呈正相關(guān)，但二者相關(guān)性均不明顯，可能受樣品數(shù)量限制，有待進一步研究。

2.3.4 土壤鹽分含量 如表3所示，水溶性鹽與有效態(tài)Fe、B和S呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.339、0.424和0.621。本研究測試的為泡田土壤的鹽分含量，最高值為1.33 g/kg，均值為0.97 g/kg，多為輕度鹽漬化程度。本研究表明，輕度鹽漬化條件下的土壤鹽分含量可促進水稻對Fe、B和S等微量元素的吸收，這可能亦是土壤輕度鹽漬化條件下的稻米品質(zhì)較為優(yōu)異的原因之一。

3 結(jié)論

1) 與中國土壤微量元素均值相比，研究區(qū)土壤Fe、Mn、Zn、S的有效態(tài)含量豐富，Cu中等，B、Mo和Se偏低；對比土壤中有效態(tài)含量的土壤缺素臨界值，有效量Fe、Cu、Mn、S含量較為豐富，有效Zn和B處于中等偏上水平，有效Se含量整體較低，有效Mo含量北部土壤略高于臨界值，南部土壤較低。針對研究區(qū)土壤中個別營養(yǎng)元素缺乏的現(xiàn)狀，建議有針對性地施用微量元素肥。

2) 天津小站稻種植區(qū)的土壤質(zhì)地相對黏重；土壤pH為7.80 ～ 8.42，平均值為8.04，為弱堿性；有機質(zhì)含量范圍為12.10 ～ 31.40 g/kg，平均20.10 g/kg，屬中等水平；泡田土壤鹽分含量范圍為0.73 ～ 1.33 g/kg。

3) 土壤微量營養(yǎng)元素全量對有效量的控制作用較為明顯，有機質(zhì)含量、pH及水溶性鹽含量等對微量營養(yǎng)元素的有效利用率具有重要影響。Cu、Mn、B、Mo、Se和S的全量對有效量有重要的控制作用，有機質(zhì)含量對Cu、Fe、Mo、Se和S的有效量具有正效應，適量配施有機肥可以增強這些元素的活化作用，提高其有效利用率；偏酸性土壤更有利于水稻對微量營養(yǎng)元素Cu、Fe、Mo、Se和S的吸收，土壤改良過程中配施微肥時需適當考慮對土壤酸堿度的調(diào)理。

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Available Contents of Microelements and Factors Influencing Their Availability in Soils of Tianjin Xiaozhan Rice Planting Area

JIANG Shengguo1, ZHAN Huaming1, LIU Guangming2*, ZHENG Aijun3, LUDongqi3, WANG Zhigang1, GONG Shaojun1

(1 Tianjin Geology Research and Marine Geological Center, Tianjin 300170, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 Tianjin Agricultural Development Service Center, Tianjin 300061, China)

The investigation on soil microelements in Tianjin Xiaozhan Rice Planting Area found that the total contents of Fe, Mn, Zn and S were in the high levels while B, Mo and Se were in the low levels; The available contents of Fe, Cu, Mn and S were greater than their critical values, Mo was in the medium level, whereas Se was in the low level. Correlation analysis found positive correlation existed between the total and available contents of Cu, Mn, B, Mo, Se and S except for Fe and Zn. Significant correlation was found between organic matter with available Cu, Fe, Mo, Se, S and Mn, pH played an important role in changing the availabilities of Mn and Se, and there was significantly positive correlation between water soluble salts with Fe, B and S. For paddy soil in Tianjin, it is necessary to apply microelement fertilizers combined with organic fertilizer and properly regulating soil pH. This study can provide important theoretical and practical instructions for the improvement of paddy soil and rice quality.

Tianjin Xiaozhan Rice; Soil; Microelements; Available contents; Influencing factors

S153.61

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.015

江勝國, 詹華明, 劉廣明, 等. 天津小站稻種植區(qū)土壤主要微量營養(yǎng)元素的有效量及其影響因素. 土壤, 2021, 53(6): 1215–1220.

戰(zhàn)略性國際科技創(chuàng)新合作重點專項(2018YFE0206403)和天津華北地質(zhì)勘查局科研項目(HK2020-B1Z)資助。

通訊作者(gmliu@issas.ac.cn)

江勝國(1982—)，男，山東濟寧人，碩士，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查研究和土壤改良工作。E-mail: 273212714@qq.com