石嘴山市土壤元素有效态含量及影响因素研究

杨建锋， 魏丽馨， 石天池， 马贵林， 曹园园， 王志强

(1.宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院，银川 750004；2.宁夏回族自治区地质博物馆,银川 750001)

0 引言

土壤是植物生长的载体，植物生长发育需从土壤中吸收氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、硼、锌、钼、铜、硒等养分，其中尤以氮、磷、钾的需要最多[1-2]。土壤元素含量反映了土壤对植物矿物质营养的供给水平，任何一种元素缺乏或过量，都会影响植物的生长发育[3-5]。土壤元素的总含量称为全量，其中能被植物吸收利用的部分称为“有效态含量”，而土壤中元素缺乏与否，通常看有效态含量，有些土壤元素的全量比较高，有效量却比较低[6]。元素有效态含量与其在土壤中的化学存在形态有关[7-10]。成土母质是土壤物质的主要来源，是决定元素含量及分布的主要因素[11-12]。此外，大气沉降、降雨和灌溉也是土壤微量元素的来源之一[13]。土壤中微量元素的含量、形态分布和有效性不仅与成土母质和成土过程等有关，还受耕作制度、施用肥料和种植作物等人为因素的影响[1]。不同种植系统所种植的作物在根系活动、分泌物组成及特性等方面都存在着很大的差异，因此也影响着微量元素的形态和有效性[14-17]。在长期作物连作和轮作条件下，土壤中微量元素的形态和分布已较原来土壤发生了很大变化，其较为典型的特点便是在耕层土壤的淋溶和深层土壤的相对富集[18]。土壤中Fe、Mn、Cu、Zn的有效态含量主要受到土壤微量元素全量、有机C、pH、交换性阳离子含量的影响[19-20],植物对微量元素的吸收还受到土壤中各种微量元素有效态含量、元素比值以及微量元素间拮抗作用等的影响[11]。

研究区位居黄河中游上段，银川平原北部，宁夏回族自治区石嘴山市境内。地势西高东低相对平坦，按地形地貌类型为贺兰山东麓洪积扇、洪积平原及河冲积平原。研究区主要分布于黄河与贺兰山之间银川平原内，地处我国西北内陆，属典型的中温带大陆性干旱气候，降水少，蒸发强，空气干，光照足，辐射强，光照长。农业灌溉以引黄河自流灌溉为主，局部辅以地下水灌溉。石嘴山市2019年农作物种植面积为164.44×104亩，粮食作物为100.05×104亩，其中：小麦为28.6×104亩；玉米为48.32×104亩；水稻为23.13×104亩。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling points

1 样品采集及分析

样品采集于农作物成熟后的农田中，野外多点采集组合成样，采样深度为0 cm～20 cm。共采集水稻根系土为30件，小麦根系土为30件，玉米根系土为40件(图1)。样品在研究区风干后过20目筛，取500克装瓶送实验室。

样品分析方法，其中Mn、P、K、Fe采用电感耦合等离子体原子发射光谱法进行分析，Cu、Zn、Mo采用电感耦合等离子体质谱法进行分析，Se采用原子荧光光谱法进行分析，B采用交流电弧-发射光谱法进行分析，N、有机质采用容量法进行分析。

有效态样品的制备，土壤样品经混匀后，取200 g样品装袋用作pH及水解性氮、水溶性盐、速效钾、阳离子交换量、有效磷、有效硒、有效锌、有效铁、有效锰、有效钼、有效铜、有效硼分析。先进行pH值分析，按pH<6.50为酸性土，pH介于6.50～7.50为中性土，pH>7.50为碱性土进行分类，针对不同分析项目，采用不同提取剂浸提后采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、容量法(VOL)进行分析。具体分析方法见表1。

统计分析：样品分析指标共23项，用于统计分析的数据共计2 300个，通过EXCEL软件对采集的样品进行统计，SPSS分析统计软件对获取的分析数据进行相关分析。

表1 有效态样品分析配套方案

表2 土壤元素全量及有效态参数特征统计

表3 不同作物根系土元素及有效态参数特征

2 结果与分析

2.1 根系土元素及有效态含量特征

由表2可以看出，石嘴山市根系土整体处于碱性强碱性环境，pH介于7.84～9.17之间。硼、铜、锰、钼、硒、锌、铁、氮、磷、钾元素全量及有机质含量均高于银川平原土壤元素背景值，尤其是有机质、氮、磷、硒元素超过银川平原地区背景值的1.5倍(图2)。根据《土地质量地球化学调查评价规范》所规定的土壤养分等级划分标准，各元素及有效态平均含量所对应的养分等级达到丰富水平的为：硒(宁夏富硒土壤标准)、有效硼、有效铜、有效铁、速效钾；较丰富水平有：B、Mn、Mo、P、有效锌、有效磷；中等水平的有：Cu、Zn、Fe、K、有效锰；较缺乏水平的有：N、碱解氮、有机质；有效钼处于缺乏状态。其中B、Cu、Fe、K有效态含量均为丰富水平而其对应的元素全量为较丰富或中等水平，说明该地区碱性环境条件下B、Cu、Fe、K等元素有效态含量比例较高，有利于植物吸收。

2.2 农作物根系土元素全量及有效态含量特征

分别统计了石嘴山市小麦、水稻、玉米根系土中各元素的含量，从表3及图3和图4可以看出，由于经过长时间淹水，水稻根系土元素含量与玉米、小麦根系土明显不同。水稻根系土B、Cu、Mn、Mo、N、P、Se、Zn、Fe、K、有机质等指标明显低于小麦和玉米根系土含量，水稻根系土相对贫瘠。在元素有效态含量方面：Fe、Cu、Mo、Mn元素有效态含量在水稻根系土壤中明显高于小麦和玉米，尤其是有效铁含量达到了玉米根系土含量的3.8倍，是小麦根系土含量的4.5倍；N、P、K有效态含量在水稻根系土壤中明显低于小麦和玉米。将位于黄河附近的水稻根系土样品单独进行统计分析，发现与远离黄河的水稻根系土元素含量无明显变化，说明元素含量特征与农作物种植方式及不同作物土壤水化学条件有关。研究区水稻相对于玉米及小麦对土壤中Fe、Cu、Mo、Mn的转化吸收能力较强，玉米及小麦对土壤中N、P、K的转化吸收能力强于水稻。

3 讨论

从表4可以看出，石嘴山市根系土元素全量与有效态之间并非全部为明显的正相关关系，仅N、P、K、Se、Mn、Zn、Cu、B元素全量与有效态含量呈极显著的正相关关系，N、P、K为强相关水平，Se、Mn、Zn、Cu呈弱相关水平；Mo元素全量与有效态含量呈显著的正相关关系；Fe元素全量与有效态含量无相关性。说明根系土元素有效态含量不仅与元素全量有关，还与土壤其他理化性质有关。

表4 土壤元素全量与有效态相关系数统计

图2 不同作物根系土元素含量对比图Fig.2 Comparison of total contents of elements in root soils for different crops

图3 不同作物根系土元素有效态含量对比图Fig.3 Comparison of available contents of elements in root soils for different crops

表5 土壤有机质、酸碱度、水溶性盐与元素及有效态相关关系(n=100)

表6 不同作物根系土有机质、酸碱度、水溶性盐参数特征

图4 土壤有机质与元素有效量之间的关系Fig.4 Relationship between organic matter and available contents of elements in soil(a)有机质与速效钾散点图;(b)有机质与碱解氮散点图;(c)有机质与有效磷散点图;(d)有机质与有效硒散点图

图5 土壤水溶性盐与元素有效量之间的关系Fig.5 Relationship between water-soluble salts and available contents of elements in soil(a)土壤水溶性盐与有效锌散点图;(b)土壤水溶性盐与有效硒散点图

有机质、土壤酸碱度、水溶性盐与元素及其有效态之间存在复杂的地球化学关系。研究区土壤有机质、酸碱度、水溶性盐与元素及有效态相关关系(表5)，不同作物根系土有机质、酸碱度、水溶性盐参数特征(表6)。

有机质不仅从源上直接向土壤中带入各种元素，而且也影响着元素在土壤中的吸附—解析过程[21]。此外有机质也会间接地影响土壤pH值，进而影响土壤氧化还原环境，最终影响元素在土壤中的形态，这与微量元素有效性有着密切的关系[22]。

由表4可以看出，研究区有机质与N、P、Se、B、Cu、Zn、Fe、Mn、K、Mo等元素全量呈极显著的正相关关系，其中N、P、Se与有机质呈强相关关系，说明随着土壤有机质含量的增高，这些元素含量也在增高；有机质与Se、Zn、N、P、K等元素有效态含量呈极显著的正相关关系(图4)，与Mo元素有效态含量呈显著的正相关关系。

在碱性土壤中，淹水后由于CO2分压增高和某些有机酸的作用使pH降低[23]，故研究区水稻根系土pH低于小麦及玉米根系土。pH降低，各种金属化合物的溶解度增加，元素有效态含量同时增高。

研究区土壤酸碱度与P全量呈极显著的负相关关系，相关系数较小，其余元素与土壤酸碱度相关性较差；土壤酸碱度与Se、Fe、Mn、N、B等元素有效态含量呈极显著的负相关关系，Se、Fe、Mn有效态与土壤酸碱度为中等相关水平,说明随着土壤酸碱度的增高，研究区Se、Fe、Mn有效态含量呈下降趋势。

石嘴山市土壤盐渍化严重，土壤水溶性盐直接反映土壤的盐渍化水平，研究区土壤水溶性盐与Mo全量呈显著的正相关关系，其余元素与土壤水溶性盐相关性较差；土壤水溶性盐与Zn、Se、Fe、Mo、Mn、B等元素有效态含量呈极显著的正相关关系，Zn有效态含量与土壤水溶性盐为强相关水平(图5)，Se、Fe有效态含量与土壤水溶性盐为中等相关水平。

4 结论

石嘴山市土壤整体处于碱性强碱性环境，土壤养分高于银川平原背景值，该地区B、Cu、Fe、K等元素有效态含量比例较高，有利于植物吸收。土壤元素有效态含量不仅与元素全量有关，还与种植农作物、土壤有机质、土壤酸碱度及土壤水溶性盐等存在一定的关系。

由于经过长时间淹水，水稻根系土元素含量明显不同于玉米、小麦根系土。水稻根系土B、Cu、Mn、Mo、N、P、Se、Zn、Fe、K、有机质等指标的含量明显低于小麦和玉米根系土，水稻根系土相对贫瘠。通过分析元素有效态含量发现，水稻相对于玉米及小麦对土壤Fe、Cu、Mo、Mn的转化吸收能力较强，玉米及小麦对土壤N、P、K的转化吸收能力强于水稻。

研究区根系土有机质含量与N、P、Se的含量呈极显著强正相关关系；Se、Fe、Mn等元素有效态与土壤酸碱度呈中等极显著的负相关关系,随着土壤酸碱度的增高，研究区Se、Fe、Mn有效态含量呈下降趋势；土壤水溶性盐与Zn有效态含量呈强的极显著正相关关系，Se、Fe有效态含量与土壤水溶性盐为中等极显著正相关关系，随着土壤水溶性盐含量的增高，土壤Zn、Se、Fe的生物有效性明显增大。