李鐵鑫，吳德祥，趙 鵬，范文靜，劉 明,靳 容,張愛君,唐忠厚

(1.安徽農業(yè)大學，合肥 230036；2.江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇 徐州 221131)

【研究意義】甘薯屬于一年生草本植物旋花科，是重要的糧食作物，具有耐瘠薄的優(yōu)點，對土壤要求不高，但不同的環(huán)境中甘薯通常具有不同的生產潛力[1]。土壤為農作物提供生長所必需的水分、養(yǎng)分以及生長環(huán)境，是農業(yè)生產的基礎。因此，對土壤性質進行分析及改良，是提高甘薯產量及改善品質的重要環(huán)節(jié)?！厩叭搜芯窟M展】不同地區(qū)的土地在土壤類型和土壤肥力上的差異，導致作物產量及品質的不同。王秋菊等[2]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型土壤對水稻產量有極顯著的影響，水稻產量在黑土、草甸土和沖級型土上較高，在白漿土和石灰性土壤上較低；魏鑫等[3]研究得出，在黑土種植下，小麥的株高、穗長、穗粒數(shù)和籽粒產量均顯著高于潮土和紅土。丁祎等[4]研究表明，在所選土壤類型中，鈣紫石骨土種植的橘紅肉甘薯產量最高，極顯著高于其他3種土種，石灰黃泥土的產量最低；張宇航等[5]選擇3種土壤類型，發(fā)現(xiàn)在沙壤土上的甘薯產量最高，黑鈣土的產量最低?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，隨著電腦圖像處理技術、掃描電鏡技術(SEM)以及CT掃描技術的發(fā)展，材料微觀結構方面的研究日趨深入[6]，但土壤微結構方面研究較少，同時，生產實踐表明，不同土壤類型顯著影響甘薯產量和品質[7]。【擬解決的關鍵問題】選用不同甘薯種植區(qū)土壤樣品進行分析，包含黑鈣土、草甸土、棕壤、褐土、潮土、黃褐土、灰潮土、黃棕壤、黃壤、紅壤、磚紅壤、赤紅壤、沙土、灰漠土等不同的土壤類型，利用傳統(tǒng)土壤農業(yè)化學分析方法測定不同地區(qū)土壤的理化性質，從微結構等方面初步分析甘薯與土壤關系，為下一步從土壤微結構方面解析甘薯產量與品質形成提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品來源

30個不同甘薯種植地區(qū)土壤樣品的來源地及其土壤類型見表1。

1.2 樣品制備

將土壤自然風干后過60目篩用于速效磷(AP)、速效鉀(AK)和pH的測定，過100目篩用于土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)的測定。每次測定設置3個重復。

電鏡樣品制備：將過100目篩的風干土壤樣品均勻、平整的撒落到樣品臺上，再用洗耳球吹散樣品臺表面上多余的土壤顆粒，使土壤顆粒盡量分布在同一平面上，土樣放置好后，將樣品臺放入真空鍍膜儀(型號：Leica EM ACE600)中，鍍膜20 min，放入掃描電子顯微鏡(型號：Teneo LoVac 1068566)觀察。

1.3 測定方法

1.3.1 基本養(yǎng)分 土壤有機碳(SOC)的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，土壤全氮(TN)的測定采用開氏常量定氮法，土壤速效磷(AP)的測定采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法，土壤速效鉀(AK)的測定采用醋酸銨浸提火焰光度法，土壤pH值的測定采用電位法[8]。

1.3.2 土壤粒徑分析 粒徑分布計算：將JPG格式圖片用 Nano Measurer 1.2 打開，先根據(jù)原始圖片比例尺劃線，點擊設置標尺，選擇標尺單位和標尺實際長度，然后在每個土粒的最大直徑上劃線(附著在大顆粒上的小土粒也要單獨劃線)，結束后查看結果，使用Excel中處理數(shù)據(jù)，得到土壤樣品的粒徑分布特征。Nano Measurer 可識別的圖形最小長度為0.01 μm，人眼識別可滿足實驗要求，以美國制為土壤粒級分級標準，分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細砂粒和細砂粒(0.05～0.25 mm)。

表1 土壤樣品來源地及土壤類型

1.3.3 土壤孔隙度分析 用 ImageJ圖片分析軟件。打開TIF格式圖片，利用 Wand Tool 工具計算選中區(qū)域的面積，用Analyze Selection Tools計算整體觀測區(qū)域面積，選中面積與整體觀測面積的比值即土壤樣品的孔隙占有率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0處理數(shù)據(jù)的方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 基本養(yǎng)分分析

由表2可知，不同種植區(qū)的TN含量、AP含量、AK含量、SOC含量和pH均有顯著差異。福建連城土壤TN含量最高，為1.45 g/kg，江蘇鹽城、寧夏金沙林場和新疆葉城等土壤含量低，含量分別為0.20、0.13、0.06 g/kg，約為連城TN含量的9%；福建漳浦土壤AP含量最高，為108.04 mg/kg，江蘇鹽城、新疆葉城和安徽明光等土壤含量低，分別為8.75、7.23、4.03 mg/kg，約為漳浦AP含量的7%；云南建水土壤AK含量最高，為536 mg/kg，新疆葉城、山東泗水和福建清流等土壤含量低，分別為60.5、58、40 mg/kg，約占建水AK含量的11%；福建連城土壤SOC含量最高，為19.77 g/kg，寧夏金沙林場和新疆葉城等土壤含量低，分別為1.41、1.18 g/kg，約占連城SOC含量的7%；江蘇鹽城土壤pH最高，達到8.80，遼寧綏中最低，為3.66。

表2 不同地區(qū)土壤養(yǎng)分差異分析

2.2 不同地區(qū)土壤孔隙特征和粒徑特征分析

從微觀角度觀測土壤結構，一定程度上表征粒級分布特征和土壤孔隙狀況。如表3所示，不同地區(qū)土壤指標差異分析表明：不同地區(qū)間樣本黏粒占比，粉粒占比，(極)細砂粒占比，顆粒總數(shù)全部均呈現(xiàn)出顯著性差異。

本研究利用計算機圖像處理軟件，通過計算圖像中陰影部分與整體觀測面積的比值，來間接表征該地區(qū)土壤的孔隙占有率。如圖1所示，浙江溫嶺和福建漳浦的孔隙占有率分別高達47.81%和46.69%，河南漯河和河北臨西孔隙占有率分別低至8.68%和8.59%，平均孔隙占有率為26.30%，大部分土壤孔隙狀況良好。

通過計算機軟件分析放大1200倍電鏡圖片，可知不同地區(qū)土壤的粒徑組成占比情況和觀測區(qū)域內的平均顆?？倲?shù)。由于土樣過0.25 mm土篩，所以土粒的最大直徑為250 nm，由圖2可知，大部分土壤以粉粒(0.002～0.05 mm)為主，黏粒(<0.002 mm)含量高的、(極)細砂粒(0.05～0.25 mm)含量低的土壤，其平均顆?？倲?shù)也較高，如云南、福建等地平均顆粒總數(shù)較高，黏粒占比也較大。新疆烏魯木齊土壤平顆粒總數(shù)最多，為1684個，黏粒(<0.002 mm)占比最高，為32.87%。新疆澤普、新疆葉城和寧夏金沙林場平均顆粒總數(shù)較低，分別為141、78和35個，且(極)細砂粒(0.05～0.25 mm)占比較高，分別為11.91%、23.56%和28.46%，黏粒(<0.002 mm)含量極低，分別為2.20%、0.35%和1.55%，由此可知砂質土的土粒粒徑較大，同一觀察范圍內顆粒較少。

表3 不同地區(qū)土壤微結構指標差異分析

圖1 不同地區(qū)土壤孔隙情況Fig.1 The pore condition in different regions

圖2 不同地區(qū)土壤平均粒徑分布情況Fig.2 The average particle size distribution in different regions

綜合土壤孔隙占有率和粒徑分布特征，有19個地區(qū)的土壤微結構良好。

2.3 典型地區(qū)掃描電鏡圖像分析

利用掃描電鏡將過100目篩的土壤樣品放大1200和5000倍，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的土壤微結構差異很大，大部分地區(qū)土壤樣品中粉粒(0.002～0.05 mm)占比大，黏粒(<0.002 mm)和細砂粒(0.05～0.25 mm)占比小，但是，不同地區(qū)的土壤在孔隙狀況、粒級特征和團聚體特征等方面存在較大差異。

如圖3所示，所測土壤均來自甘薯生產地，大部分土壤均具有農田土的特征，土壤顆粒粒級跨度大，孔隙狀況適中，土粒表面及土粒之間有作物根系及團聚體的存在。安徽定遠、河南商丘、河北臨西、黑龍江肇源、江蘇徐州、江蘇鹽城、遼寧錦州和山東泗水等地的土壤質地均勻，河北臨西(土壤孔隙占有率8.59%)、山東泗水(土壤孔隙占有率16.01%)等地土壤顆粒之間較為緊密，孔隙狀況差，保水保肥效果好，排水通氣效果差，易形成旱澇災害。而云南、浙江、新疆等地土壤孔隙發(fā)達，吸水通氣能力強，但保水保肥性能相對較差。福建清流、廣東惠州、陜西咸陽和云南等地土壤顆粒粒徑較小，黏粒占比較大，毛管孔隙發(fā)達。福建清流、黑龍江肇源、山東柳新等地土壤顆粒之間相互膠結，表面有大量膠狀團聚體的存在，其中福建清流的黏粒含量多，膠結程度高，黑龍江肇源黏粒含量少，膠結程度相對較低。從放大5000倍的電鏡圖像上看，安徽定遠、遼寧錦州、江蘇鹽城、山東泗水等地土壤顆粒形狀不規(guī)則，棱角分明，表面附生部分黏團，其中山東泗水的土粒表面可以看到明顯的片層狀結構，有些片層狀結構已經斷裂、解體，并逐漸脫離土粒。福建清流、廣東惠州、黑龍江肇源、山東柳新和新疆烏魯木齊等地土壤單粒表面有大量羽翼狀膠體附生，并伴有明顯的裂隙及孔隙。新疆澤普、新疆葉城和寧夏金沙林場的土壤，砂粒含量高，土粒直徑大，表明磨圓程度高，風化嚴重。

2.4 相關性分析

通過計算各省份典型土壤的各個指標，與該省2018年甘薯產量數(shù)據(jù)相關聯(lián)[9]，計算不同省份土壤指標與產量的相關性。

從表4可知，利用相關分析去研究TN、速效磷、速效鉀、SOC、pH、孔隙占有率、黏粒、粉粒、(極)細砂粒、平均顆?？倲?shù)、產量共11項之間的相關關系，使用Pearson相關系數(shù)去表示相關關系的強弱情況。具體分析可知，TN與SOC呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與黏粒含量、平均顆粒總數(shù)為顯著正相關(P<0.05)，與粉粒含量、(極)細砂粒含量為顯著負相關；AK與土壤孔隙占有率呈顯著正相關關系；黏粒含量與平均顆粒總數(shù)為極顯著正相關，與粉粒含量為極顯著負相關，與(極)細砂粒含量為顯著負相關；平均顆?？倲?shù)與(極)細砂粒含量也為極顯著負相關；pH、AP與其他所有指標都不具有相關關系。

3 討 論

掃描電子顯微鏡(SEM)應用領域廣泛，除了生物樣品外，新型材料、食品、土壤地質等領域也會應用掃描電鏡來進行超微結構的表征。土體微觀結構的研究，已經發(fā)展到了從定性到定量的轉變，不同地區(qū)土壤的微觀結構差異顯著，同一地區(qū)不同地點的土壤微結構也有差異，如新疆烏魯木齊的土壤黏粒含量高，土壤顆粒表面分布大量膠體，生理生化現(xiàn)象顯著，養(yǎng)分狀況好，而新疆葉城和新疆澤普的土壤砂粒含量高，土壤顆粒直徑大，表面光滑且磨圓程度高，顆粒間流動性大，養(yǎng)分狀況較差，有些數(shù)據(jù)顯示同一地區(qū)不同地點土壤微結構差異較小，如云南建水和云南嵩明的土壤，顆?？倲?shù)都較大，土粒細小且彼此膠結，土壤孔隙占有率大，土力肥沃。東北地區(qū)緯度跨越大，新疆地區(qū)經度跨度大，土壤類型豐富，微結構及養(yǎng)分含量差異也較大。從SEM圖像中還可以看出，各個地區(qū)甘薯生產地的土壤在培育甘薯的過程中形成了許多穩(wěn)定的團聚結構，這些團聚結構可能是由細小顆粒(如黏粒)的膠結作用及土壤動物、根際微生物的團聚作用形成的，對耕地采用合理的整地措施也會促進土壤團聚體的形成，有利于耕層土壤的良性發(fā)展。其中云南建水土壤孔隙占有率高達41.8%，速效鉀含量高達536 mg/kg，其顆粒細小殘碎，結合5000倍電鏡圖像能清晰的看見附著在土壤顆粒上面的黏團，每一個細小土粒上都附著著大量的黏團，使該地區(qū)土壤即使在孔隙發(fā)達的前提下，仍然能保證肥力的充分供應。我國的西北部地域遼闊，土壤類型豐富，荒漠區(qū)土壤風化嚴重、養(yǎng)分含量低，綠洲區(qū)由于河流等自然因素的沖擊作用，上游土壤堆積到下游河流沿岸，土壤比較肥沃，西北地區(qū)土壤養(yǎng)分狀況兩極分化大，水土資源利用嚴重失衡。新疆烏魯木齊和寧夏孫家灘土壤顆粒細小，黏粒含量高，粉粒、砂粒分配合理，結合5000倍電鏡圖像，可觀察到其單粒上由大量膠結狀態(tài)的集聚體，且表面凹凸不平，分布有微小孔隙，能有效吸附住養(yǎng)分及水分，保水保肥效果好。反觀新疆澤普、新疆葉城和寧夏金沙林場的土壤，砂粒含量高，僅存在少量黏粒，土粒之間縫隙較大，無黏結，流動性強，高倍鏡下，單粒粒徑較大，磨圓程度高，尖銳棱角少，表面聚集零星黏粒，無裂隙及孔隙存在，可見其風化程度高，土壤疏松易散，土壤動物及微生物活動力弱，植物難以扎根，透水性強，保肥能力差。

a為放大1200倍，b為放大5000倍 a is 1200 times magnification,b is 5000 times magnification圖3 典型地區(qū)土壤掃描電鏡圖Fig.3 SEM picture of soil in typical area

表4 不同地區(qū)土壤指標相關性分析

土壤粒徑分布揭示了土壤中不同粒級土粒的占比情況，是一項基礎的土壤物理性質，能影響水的流動、土壤結構的變化及養(yǎng)分含量的組成，是估算土壤的水力特征和堆積密度的重要參數(shù)[10-13]。目前常用激光衍射技術來測定土壤粒徑分布，本實驗利用掃描電鏡觀察土壤的微觀結構，能直觀、清晰的表征土壤粒徑分布特征。土壤孔隙是考量土壤耕性的重要物理指標，能真實反映土壤內部的孔隙狀況[14]。土壤中的孔隙是各種氣體液體以及土壤動植物微生物的棲息流動空間，適宜的孔隙狀況能促進土壤內氣體和液體的循環(huán)，加速土壤對養(yǎng)分的固定和吸附，確保植物根系正常生理功能的運作。傳統(tǒng)農化方法只能對土壤宏觀的孔隙狀況進行測定，并不能在微觀層面對其進行表征，本實驗利用掃描電鏡定量對土樣進行微觀層面孔隙特征分析，是土壤孔隙結構定量分析的有效手段之一[15-16]。制作SEM電鏡切片時，土壤顆粒之間會發(fā)生不可避免的重疊、粘連，因此應盡量選擇在同一平面土粒集群進行拍攝，受Photoshop、ImageJ和Nano Measurer等圖像分析軟件圖像分辨率的影響，土壤孔隙占有率、黏粒占比會有所低估，但對研究不同地區(qū)土壤間的微觀差異性影響較小[17-19]。

許多研究表明，農田土壤的理化性質存在關聯(lián)性[20]。SOC與TN呈極顯著正相關。SOC是土壤養(yǎng)分的重要來源，本試驗結果表明，不同地區(qū)土壤中SOC含量越高，TN含量也越高，TN與土壤顆粒大小關聯(lián)顯著，顆粒越小、越多，TN含量越高，這些與以往的研究結果類似[21-23]。AK與孔隙占有率呈顯著正相關，這些結果與大多數(shù)學者研究一致[24-25]。與王暉等研究結果類似，pH與TN、速效磷、速效鉀、SOC關系不顯著[26]。本試驗結果表明，平均顆?？倲?shù)與黏粒含量呈極顯著正相關，與(極)細砂粒含量呈極顯著負相關，同時，黏粒含量與粉粒含量和(極)細砂粒含量為負相關，說明土壤顆粒的粒徑大小決定著土壤顆?？倲?shù)的多少，土壤顆粒越小，其顆粒總數(shù)就越多。

需要指明的是，2018年甘薯產量數(shù)據(jù)選自《中國農村統(tǒng)計年鑒》[27]。本研究為初步探索甘薯產量與土壤微結構及養(yǎng)分之間的相關性奠定基礎，下一步我們將通過多點多年試驗，開展土壤與甘薯產量、品質形成等方面研究，為研究甘薯產量與土壤理化性質之間的關聯(lián)機制提供思路與參考。

4 結 論

(1)不同地區(qū)土壤養(yǎng)分和土壤微觀結構差別較大，北方薯區(qū)和西南薯區(qū)土壤養(yǎng)分綜合指標比長江中下游和南方薯區(qū)好，北方薯區(qū)和西南薯區(qū)土壤呈弱堿性，長江中下游薯區(qū)和南方薯區(qū)土壤呈弱酸性；在土壤孔隙狀況、粒級特征和團聚體特征等方面，北方薯區(qū)、長江中下游薯區(qū)、南方薯區(qū)和西南薯區(qū)土壤微結構狀況總體優(yōu)于西北地區(qū)土壤，南方薯區(qū)土壤孔隙度較高，長江中下游薯區(qū)土壤孔隙度較低，西北地區(qū)土壤平均顆?？倲?shù)少，砂礫含量高，黏粒含量少。

(2)同一地區(qū)不同取樣點土壤養(yǎng)分和土壤微觀結構也有差別，西北地區(qū)新疆烏魯木齊的灰鈣土綜合養(yǎng)分含量極高，平均顆?？倲?shù)和黏粒含量均較高，而新疆澤普和新疆葉城的灰漠土綜合養(yǎng)分含量極低，平均顆粒總數(shù)和黏粒含量均較少。