不同甘薯种植区的土壤特征

李铁鑫，吴德祥，赵 鹏，范文静，刘 明,靳 容,张爱君,唐忠厚

(1.安徽农业大学，合肥 230036；2.江苏徐州甘薯研究中心，江苏 徐州 221131)

【研究意义】甘薯属于一年生草本植物旋花科，是重要的粮食作物，具有耐瘠薄的优点，对土壤要求不高，但不同的环境中甘薯通常具有不同的生产潜力[1]。土壤为农作物提供生长所必需的水分、养分以及生长环境，是农业生产的基础。因此，对土壤性质进行分析及改良，是提高甘薯产量及改善品质的重要环节。【前人研究进展】不同地区的土地在土壤类型和土壤肥力上的差异，导致作物产量及品质的不同。王秋菊等[2]研究发现，不同类型土壤对水稻产量有极显著的影响，水稻产量在黑土、草甸土和冲级型土上较高，在白浆土和石灰性土壤上较低；魏鑫等[3]研究得出，在黑土种植下，小麦的株高、穗长、穗粒数和籽粒产量均显著高于潮土和红土。丁祎等[4]研究表明，在所选土壤类型中，钙紫石骨土种植的橘红肉甘薯产量最高，极显著高于其他3种土种，石灰黄泥土的产量最低；张宇航等[5]选择3种土壤类型，发现在沙壤土上的甘薯产量最高，黑钙土的产量最低。【本研究切入点】近年来，随着电脑图像处理技术、扫描电镜技术(SEM)以及CT扫描技术的发展，材料微观结构方面的研究日趋深入[6]，但土壤微结构方面研究较少，同时，生产实践表明，不同土壤类型显著影响甘薯产量和品质[7]。【拟解决的关键问题】选用不同甘薯种植区土壤样品进行分析，包含黑钙土、草甸土、棕壤、褐土、潮土、黄褐土、灰潮土、黄棕壤、黄壤、红壤、砖红壤、赤红壤、沙土、灰漠土等不同的土壤类型，利用传统土壤农业化学分析方法测定不同地区土壤的理化性质，从微结构等方面初步分析甘薯与土壤关系，为下一步从土壤微结构方面解析甘薯产量与品质形成提供参考。

1 材料与方法

1.1 土壤样品来源

30个不同甘薯种植地区土壤样品的来源地及其土壤类型见表1。

1.2 样品制备

将土壤自然风干后过60目筛用于速效磷(AP)、速效钾(AK)和pH的测定，过100目筛用于土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)的测定。每次测定设置3个重复。

电镜样品制备：将过100目筛的风干土壤样品均匀、平整的撒落到样品台上，再用洗耳球吹散样品台表面上多余的土壤颗粒，使土壤颗粒尽量分布在同一平面上，土样放置好后，将样品台放入真空镀膜仪(型号：Leica EM ACE600)中，镀膜20 min，放入扫描电子显微镜(型号：Teneo LoVac 1068566)观察。

1.3 测定方法

1.3.1 基本养分 土壤有机碳(SOC)的测定采用重铬酸钾容量法—外加热法，土壤全氮(TN)的测定采用开氏常量定氮法，土壤速效磷(AP)的测定采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法，土壤速效钾(AK)的测定采用醋酸铵浸提火焰光度法，土壤pH值的测定采用电位法[8]。

1.3.2 土壤粒径分析 粒径分布计算：将JPG格式图片用 Nano Measurer 1.2 打开，先根据原始图片比例尺划线，点击设置标尺，选择标尺单位和标尺实际长度，然后在每个土粒的最大直径上划线(附着在大颗粒上的小土粒也要单独划线)，结束后查看结果，使用Excel中处理数据，得到土壤样品的粒径分布特征。Nano Measurer 可识别的图形最小长度为0.01 μm，人眼识别可满足实验要求，以美国制为土壤粒级分级标准，分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、极细砂粒和细砂粒(0.05～0.25 mm)。

表1 土壤样品来源地及土壤类型

1.3.3 土壤孔隙度分析 用 ImageJ图片分析软件。打开TIF格式图片，利用 Wand Tool 工具计算选中区域的面积，用Analyze Selection Tools计算整体观测区域面积，选中面积与整体观测面积的比值即土壤样品的孔隙占有率。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0处理数据的方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 基本养分分析

由表2可知，不同种植区的TN含量、AP含量、AK含量、SOC含量和pH均有显著差异。福建连城土壤TN含量最高，为1.45 g/kg，江苏盐城、宁夏金沙林场和新疆叶城等土壤含量低，含量分别为0.20、0.13、0.06 g/kg，约为连城TN含量的9%；福建漳浦土壤AP含量最高，为108.04 mg/kg，江苏盐城、新疆叶城和安徽明光等土壤含量低，分别为8.75、7.23、4.03 mg/kg，约为漳浦AP含量的7%；云南建水土壤AK含量最高，为536 mg/kg，新疆叶城、山东泗水和福建清流等土壤含量低，分别为60.5、58、40 mg/kg，约占建水AK含量的11%；福建连城土壤SOC含量最高，为19.77 g/kg，宁夏金沙林场和新疆叶城等土壤含量低，分别为1.41、1.18 g/kg，约占连城SOC含量的7%；江苏盐城土壤pH最高，达到8.80，辽宁绥中最低，为3.66。

表2 不同地区土壤养分差异分析

2.2 不同地区土壤孔隙特征和粒径特征分析

从微观角度观测土壤结构，一定程度上表征粒级分布特征和土壤孔隙状况。如表3所示，不同地区土壤指标差异分析表明：不同地区间样本黏粒占比，粉粒占比，(极)细砂粒占比，颗粒总数全部均呈现出显著性差异。

本研究利用计算机图像处理软件，通过计算图像中阴影部分与整体观测面积的比值，来间接表征该地区土壤的孔隙占有率。如图1所示，浙江温岭和福建漳浦的孔隙占有率分别高达47.81%和46.69%，河南漯河和河北临西孔隙占有率分别低至8.68%和8.59%，平均孔隙占有率为26.30%，大部分土壤孔隙状况良好。

通过计算机软件分析放大1200倍电镜图片，可知不同地区土壤的粒径组成占比情况和观测区域内的平均颗粒总数。由于土样过0.25 mm土筛，所以土粒的最大直径为250 nm，由图2可知，大部分土壤以粉粒(0.002～0.05 mm)为主，黏粒(<0.002 mm)含量高的、(极)细砂粒(0.05～0.25 mm)含量低的土壤，其平均颗粒总数也较高，如云南、福建等地平均颗粒总数较高，黏粒占比也较大。新疆乌鲁木齐土壤平颗粒总数最多，为1684个，黏粒(<0.002 mm)占比最高，为32.87%。新疆泽普、新疆叶城和宁夏金沙林场平均颗粒总数较低，分别为141、78和35个，且(极)细砂粒(0.05～0.25 mm)占比较高，分别为11.91%、23.56%和28.46%，黏粒(<0.002 mm)含量极低，分别为2.20%、0.35%和1.55%，由此可知砂质土的土粒粒径较大，同一观察范围内颗粒较少。

表3 不同地区土壤微结构指标差异分析

图1 不同地区土壤孔隙情况Fig.1 The pore condition in different regions

图2 不同地区土壤平均粒径分布情况Fig.2 The average particle size distribution in different regions

综合土壤孔隙占有率和粒径分布特征，有19个地区的土壤微结构良好。

2.3 典型地区扫描电镜图像分析

利用扫描电镜将过100目筛的土壤样品放大1200和5000倍，发现不同地区的土壤微结构差异很大，大部分地区土壤样品中粉粒(0.002～0.05 mm)占比大，黏粒(<0.002 mm)和细砂粒(0.05～0.25 mm)占比小，但是，不同地区的土壤在孔隙状况、粒级特征和团聚体特征等方面存在较大差异。

如图3所示，所测土壤均来自甘薯生产地，大部分土壤均具有农田土的特征，土壤颗粒粒级跨度大，孔隙状况适中，土粒表面及土粒之间有作物根系及团聚体的存在。安徽定远、河南商丘、河北临西、黑龙江肇源、江苏徐州、江苏盐城、辽宁锦州和山东泗水等地的土壤质地均匀，河北临西(土壤孔隙占有率8.59%)、山东泗水(土壤孔隙占有率16.01%)等地土壤颗粒之间较为紧密，孔隙状况差，保水保肥效果好，排水通气效果差，易形成旱涝灾害。而云南、浙江、新疆等地土壤孔隙发达，吸水通气能力强，但保水保肥性能相对较差。福建清流、广东惠州、陕西咸阳和云南等地土壤颗粒粒径较小，黏粒占比较大，毛管孔隙发达。福建清流、黑龙江肇源、山东柳新等地土壤颗粒之间相互胶结，表面有大量胶状团聚体的存在，其中福建清流的黏粒含量多，胶结程度高，黑龙江肇源黏粒含量少，胶结程度相对较低。从放大5000倍的电镜图像上看，安徽定远、辽宁锦州、江苏盐城、山东泗水等地土壤颗粒形状不规则，棱角分明，表面附生部分黏团，其中山东泗水的土粒表面可以看到明显的片层状结构，有些片层状结构已经断裂、解体，并逐渐脱离土粒。福建清流、广东惠州、黑龙江肇源、山东柳新和新疆乌鲁木齐等地土壤单粒表面有大量羽翼状胶体附生，并伴有明显的裂隙及孔隙。新疆泽普、新疆叶城和宁夏金沙林场的土壤，砂粒含量高，土粒直径大，表明磨圆程度高，风化严重。

2.4 相关性分析

通过计算各省份典型土壤的各个指标，与该省2018年甘薯产量数据相关联[9]，计算不同省份土壤指标与产量的相关性。

从表4可知，利用相关分析去研究TN、速效磷、速效钾、SOC、pH、孔隙占有率、黏粒、粉粒、(极)细砂粒、平均颗粒总数、产量共11项之间的相关关系，使用Pearson相关系数去表示相关关系的强弱情况。具体分析可知，TN与SOC呈极显著正相关关系(P<0.01)，与黏粒含量、平均颗粒总数为显著正相关(P<0.05)，与粉粒含量、(极)细砂粒含量为显著负相关；AK与土壤孔隙占有率呈显著正相关关系；黏粒含量与平均颗粒总数为极显著正相关，与粉粒含量为极显著负相关，与(极)细砂粒含量为显著负相关；平均颗粒总数与(极)细砂粒含量也为极显著负相关；pH、AP与其他所有指标都不具有相关关系。

3 讨 论

扫描电子显微镜(SEM)应用领域广泛，除了生物样品外，新型材料、食品、土壤地质等领域也会应用扫描电镜来进行超微结构的表征。土体微观结构的研究，已经发展到了从定性到定量的转变，不同地区土壤的微观结构差异显著，同一地区不同地点的土壤微结构也有差异，如新疆乌鲁木齐的土壤黏粒含量高，土壤颗粒表面分布大量胶体，生理生化现象显著，养分状况好，而新疆叶城和新疆泽普的土壤砂粒含量高，土壤颗粒直径大，表面光滑且磨圆程度高，颗粒间流动性大，养分状况较差，有些数据显示同一地区不同地点土壤微结构差异较小，如云南建水和云南嵩明的土壤，颗粒总数都较大，土粒细小且彼此胶结，土壤孔隙占有率大，土力肥沃。东北地区纬度跨越大，新疆地区经度跨度大，土壤类型丰富，微结构及养分含量差异也较大。从SEM图像中还可以看出，各个地区甘薯生产地的土壤在培育甘薯的过程中形成了许多稳定的团聚结构，这些团聚结构可能是由细小颗粒(如黏粒)的胶结作用及土壤动物、根际微生物的团聚作用形成的，对耕地采用合理的整地措施也会促进土壤团聚体的形成，有利于耕层土壤的良性发展。其中云南建水土壤孔隙占有率高达41.8%，速效钾含量高达536 mg/kg，其颗粒细小残碎，结合5000倍电镜图像能清晰的看见附着在土壤颗粒上面的黏团，每一个细小土粒上都附着着大量的黏团，使该地区土壤即使在孔隙发达的前提下，仍然能保证肥力的充分供应。我国的西北部地域辽阔，土壤类型丰富，荒漠区土壤风化严重、养分含量低，绿洲区由于河流等自然因素的冲击作用，上游土壤堆积到下游河流沿岸，土壤比较肥沃，西北地区土壤养分状况两极分化大，水土资源利用严重失衡。新疆乌鲁木齐和宁夏孙家滩土壤颗粒细小，黏粒含量高，粉粒、砂粒分配合理，结合5000倍电镜图像，可观察到其单粒上由大量胶结状态的集聚体，且表面凹凸不平，分布有微小孔隙，能有效吸附住养分及水分，保水保肥效果好。反观新疆泽普、新疆叶城和宁夏金沙林场的土壤，砂粒含量高，仅存在少量黏粒，土粒之间缝隙较大，无黏结，流动性强，高倍镜下，单粒粒径较大，磨圆程度高，尖锐棱角少，表面聚集零星黏粒，无裂隙及孔隙存在，可见其风化程度高，土壤疏松易散，土壤动物及微生物活动力弱，植物难以扎根，透水性强，保肥能力差。

a为放大1200倍，b为放大5000倍 a is 1200 times magnification,b is 5000 times magnification图3 典型地区土壤扫描电镜图Fig.3 SEM picture of soil in typical area

表4 不同地区土壤指标相关性分析

土壤粒径分布揭示了土壤中不同粒级土粒的占比情况，是一项基础的土壤物理性质，能影响水的流动、土壤结构的变化及养分含量的组成，是估算土壤的水力特征和堆积密度的重要参数[10-13]。目前常用激光衍射技术来测定土壤粒径分布，本实验利用扫描电镜观察土壤的微观结构，能直观、清晰的表征土壤粒径分布特征。土壤孔隙是考量土壤耕性的重要物理指标，能真实反映土壤内部的孔隙状况[14]。土壤中的孔隙是各种气体液体以及土壤动植物微生物的栖息流动空间，适宜的孔隙状况能促进土壤内气体和液体的循环，加速土壤对养分的固定和吸附，确保植物根系正常生理功能的运作。传统农化方法只能对土壤宏观的孔隙状况进行测定，并不能在微观层面对其进行表征，本实验利用扫描电镜定量对土样进行微观层面孔隙特征分析，是土壤孔隙结构定量分析的有效手段之一[15-16]。制作SEM电镜切片时，土壤颗粒之间会发生不可避免的重叠、粘连，因此应尽量选择在同一平面土粒集群进行拍摄，受Photoshop、ImageJ和Nano Measurer等图像分析软件图像分辨率的影响，土壤孔隙占有率、黏粒占比会有所低估，但对研究不同地区土壤间的微观差异性影响较小[17-19]。

许多研究表明，农田土壤的理化性质存在关联性[20]。SOC与TN呈极显著正相关。SOC是土壤养分的重要来源，本试验结果表明，不同地区土壤中SOC含量越高，TN含量也越高，TN与土壤颗粒大小关联显著，颗粒越小、越多，TN含量越高，这些与以往的研究结果类似[21-23]。AK与孔隙占有率呈显著正相关，这些结果与大多数学者研究一致[24-25]。与王晖等研究结果类似，pH与TN、速效磷、速效钾、SOC关系不显著[26]。本试验结果表明，平均颗粒总数与黏粒含量呈极显著正相关，与(极)细砂粒含量呈极显著负相关，同时，黏粒含量与粉粒含量和(极)细砂粒含量为负相关，说明土壤颗粒的粒径大小决定着土壤颗粒总数的多少，土壤颗粒越小，其颗粒总数就越多。

需要指明的是，2018年甘薯产量数据选自《中国农村统计年鉴》[27]。本研究为初步探索甘薯产量与土壤微结构及养分之间的相关性奠定基础，下一步我们将通过多点多年试验，开展土壤与甘薯产量、品质形成等方面研究，为研究甘薯产量与土壤理化性质之间的关联机制提供思路与参考。

4 结 论

(1)不同地区土壤养分和土壤微观结构差别较大，北方薯区和西南薯区土壤养分综合指标比长江中下游和南方薯区好，北方薯区和西南薯区土壤呈弱碱性，长江中下游薯区和南方薯区土壤呈弱酸性；在土壤孔隙状况、粒级特征和团聚体特征等方面，北方薯区、长江中下游薯区、南方薯区和西南薯区土壤微结构状况总体优于西北地区土壤，南方薯区土壤孔隙度较高，长江中下游薯区土壤孔隙度较低，西北地区土壤平均颗粒总数少，砂砾含量高，黏粒含量少。

(2)同一地区不同取样点土壤养分和土壤微观结构也有差别，西北地区新疆乌鲁木齐的灰钙土综合养分含量极高，平均颗粒总数和黏粒含量均较高，而新疆泽普和新疆叶城的灰漠土综合养分含量极低，平均颗粒总数和黏粒含量均较少。