2021, Vol. 53
2. 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008;
3. 天津市农业发展服务中心, 天津 300061
土壤微量营养元素通常指有益于作物生长且需要量微小的元素，主要来源于土壤矿物中能够被作物直接吸收利用的部分，即有效量，以活动态存在于土壤中。有学者研究认为土壤微量元素有效量不但影响作物的生长发育，而且影响作物品质和产量[1-4]。以水稻为例，生长优质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]；在水稻生长过程中进行科学的Cu、Zn、Mg等元素调控，可以实现产量增加，外观、营养、蒸煮食味品质均有一定改善[6]。土壤微量营养元素的有效含量主要受土壤有机质含量、pH、盐分含量及耕作方式等因素的影响[7-9]。随着有机质的积累，土壤中生物酶的含量增多，酶活性增强，在有机质分解过程中将直接影响土壤微量营养元素的有效性[10]；土壤pH主要通过化学反应对土壤微量营养元素的有效性产生影响[11-13]；由于溶质势等原因土壤盐分会影响作物根部吸收微量营养元素的数量[14-16]；不同土地利用方式及人为的耕作、灌溉和施肥等，会导致土壤微量营养元素的有效量产生较大分异[7-9, 17]。
目前天津地区尚缺乏土壤微量营养元素有效量特征及其对作物影响方面的研究，未见针对稻田土壤微量营养元素全量、有机质含量、pH及盐分含量等对有效量影响的报道。本研究系统性探讨了研究区土壤微量营养元素全量和有效量的相关性，分析了有机质含量、pH和水溶性盐对土壤微量营养元素有效量的影响，旨在为天津小站稻种植区内的土壤地力提升及全面实现天津小站稻振兴战略提供理论及决策依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于天津小站稻产业振兴规划区内(图 1)，主体属于宝坻区黄庄镇，属大陆性-暖温带半干旱、半湿润季风气候，光照较为充足，昼夜温差大，夏季为水稻的生长期，雨水较为集中，土壤温度和湿度适宜，有利于水稻的种植。地形以平原为主，其次为洼地，海拔平均2 ~ 7 m，从北部到南部有逐渐下降的趋势。区内主要水系为潮白河，水质较好，为稻作农田的主要灌溉水源。
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图 1 研究区位置及采样点分布图 Fig. 1 Location of study area and soil sampling sites |
研究区内地质特征单一，以第四系地层为主，上部为全新统天津组(Qht)，岩性以冲积–湖沼相粉质黏土沉积为主，上部夹深灰色黏性土、黄色粉土及粉细砂，局部见浅海相深灰色淤泥质黏土夹粉砂沉积。研究区耕地土壤主要为黏土和粉质黏土，土层厚，总体质地黏重，成土母质以第四系湖沼相沉积物为主。
1.2 样品采集与制备在研究区约160 km2的范围内，共采集40个样品(n = 40)，采集层位为耕作层，采集深度为20 cm。区内每4 km2设1个采样区，由于土壤本身存在着空间分布的不均一性，为了更好地代表采样区的土壤性状，在每个采样区内，选定代表性点位，然后以代表性点位为中心等距(200 m) 选定4个点位，采用“梅花采样法”多点取样，最后组合成一个样品，样品原始重量大于1 000 g。把采集的土样放置阴凉通风处，干燥后敲碎成小块，挑拣出杂质，然后研碎过20目筛，装入样袋贴好标签，待测。样品采集日期为2020年9月20日。
1.3 分析测定方法测定土壤中的Cu、Fe、Mn、Zn、B、Mo、Se和S等8种微量营养元素的全量和有效量。全量的分析测定方法：Cu、Mo、Zn和Se采用电感耦合等离子体质谱法测定；Mn和Fe采用X-射线荧光光谱法测定；B采用电感耦合等离子体发射光谱法测定；S采用原子荧光光谱法测定。有效量的分析测定方法：Cu、Mn、Zn、Fe和Se，用0.1 mol HCl提取，采用火焰原子吸收法测定；Mo用Tammi试剂提取，采用等离子体质谱法测定；B用沸水提取，采用等离子体光谱法测定；S用一米平面光栅摄谱，采用红外碳硫分析法测定。pH用水浸提样品，采用电位法测定，并与pH计测定值对比。有机质采用重铬酸钾氧化还原容量法测定。水溶性盐采用烘干残渣法测定。由华北有色地质勘查局燕郊中心实验室测试，经标样和重复样检查，数据质量合格。
2 结果与分析 2.1 稻作农田土壤理化性质 2.1.1 土壤机械组成和pH研究区土壤质地相对黏重，以黏土为主，局部为重黏土。土壤机械组成检测数据(采用甲重比重计法)统计结果表明，黏粒(< 0.002 mm)含量范围为47% ~ 70%，平均58%；粉粒(0.002 ~ 0.02 mm)含量范围为20% ~ 47%，平均32%；砂粒(0.02 ~ 2 mm)含量范围为0 ~ 27%，平均10%；吸湿水平均值4.33%。
土壤pH的统计结果表明，最低值7.80，最高值8.42，平均8.04。根据《中国土壤》[18]的分级标准，为碱性土壤。
2.1.2 土壤有机质和盐分含量研究区土壤有机质含量属中等水平。经统计分析，研究区土壤有机质含量最小值为12.10 g/kg，最大值为31.40 g/kg，均值为20.10 g/kg。本批次土壤样品中的19个样品有机质含量大于20 g/kg，占总样品数的47.50%。
据统计分析，研究区泡田土壤盐分含量范围为0.73 ~ 1.33 g/kg，平均0.97 g/kg；其中17个样品的土壤盐分含量大于1 g/kg，占总样品数的42.50%，为轻度盐渍化土壤。
2.2 稻作农田土壤微量营养元素全量和有效量含量表 1为土壤微量营养元素全量数据，经统计分析可知：全Cu含量平均为28.06 mg/kg，与全国土壤平均含量基本一致；地壳中Fe的含量丰富[19]，研究区土壤Fe含量均值为55.73 g/kg，较为丰富；全Mn含量均值为783.83 mg/kg，最高可达1 041.00 mg/kg，为中国土壤平均含量的2倍；全Zn含量平均为88.76 mg/kg，最高为108.00 mg/kg，高出全国土壤平均含量约35%；全B含量平均为55.27 mg/kg，低于全国土壤平均值(62.60 mg/kg)；全Mo含量低，平均为0.74 mg/kg，不到全国土壤均值的50%；全Se含量平均为0.20 mg/kg，低于全国土壤平均值(0.29 mg/kg)；全S含量丰富，平均值为584.85 mg/kg，约为全国土壤平均含量的2倍。可见，对研究区土壤微量营养元素全量而言，Fe、Mn、Zn、S含量丰富，Cu含量中等，B、Mo和Se含量偏低。
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表 1 研究区土壤微量元素全量(mg/kg) Table 1 Total contents of soil microelements in study area |
表 2为土壤微量营养元素有效量数据，经统计分析可知：有效Cu含量丰富，最大值为7.41 mg/kg，最小值为3.81 mg/kg，均值5.68 mg/kg，远高于土壤缺素临界值和中国土壤均值(1.61 mg/kg)；有效Fe含量均值为123.79 mg/kg，远远超过缺素临界值；有效Mn含量均值为41.73 mg/kg，超过缺素临界值，高于中国土壤均值(25.80 mg/kg)；有效Zn含量平均为1.74 mg/kg，超过缺素临界值，高出中国土壤均值(0.84 mg/kg)；有效B含量均值为2.29 mg/kg，超过缺素临界值和中国土壤均值(0.45 mg/kg)；有效Mo含量均值为0.20 mg/kg, ，略高于缺素临界值(0.15 mg/kg)，其中研究区南部稻田土壤普遍低于缺素临界值；有效Se含量均值为0.02 mg/kg，远低于缺素临界值(0.10 mg/kg)；有效S含量均值为210.05 mg/kg，远高于缺素临界值(14.10 mg/kg)。从有效量的角度分析，研究区土壤大面积缺Se，也有部分土壤缺Mo，而Zn和B含量中等偏上，Fe、Cu、Mn、S含量比较丰富。
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表 2 研究区土壤微量元素有效量(mg/kg) Table 2 Available contents of soil microelements in study area |
从有效系数角度分析，Cu、Mo和S的有效系数高，Fe、Zn和B的有效系数较低。从变异系数角度分析，全量的变异系数总体上都小于有效量，表明研究区稻作农田土壤的成土矿物组成较为均匀，而有效量受到多种因素的影响导致空间差异较大。由于元素全量向有效量转化具有复杂性和不均一性，土壤矿物构成、土地利用方式及年限、人为耕作管理习惯等都可能是造成该变异系数差异的原因。
2.3 稻作农田土壤微量营养元素有效量的影响因素 2.3.1 微量营养元素全量根据数据统计分析，可知研究区土壤中微量元素全量与有效量的总体变化趋势相似，说明了土壤微量营养元素丰度是水稻对微量营养元素吸收的主要控制因素[20]。Cu、Mn、B、Mo、Se和S的全量和有效量呈显著正相关性(图 2)，相关系数分别为0.830、0.620、0.835、0.911、0.502和0.869，Fe和Zn的全量与有效量相关性不明显。总体上，研究区土壤中微量元素有效量主要受到其总量的控制，个别元素明显受到其他因子的影响。
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图 2 土壤微量营养元素有效态和全量关系 Fig. 2 Relationship between contents of soil total and available microelements |
如表 3所示，研究区土壤中有机质和有效Cu、Fe、Mo、Se和S呈显著正相关，相关系数分别为0.807、0.399、0.697、0.541和0.655，说明有机质可以促进这些元素全量向有效量的转化，进而促进水稻对这些微量元素的吸收，提高其有效利用率，这进一步证明了这些微量元素受到了有机质吸附作用和固定作用的影响。有学者的研究表明，有机质含量明显影响Cu、Fe、Mo、Se和S的有效量，有机质在分解过程中可增强这些元素的活化作用，提高有效利用量[8-10]。有机质与有效Mn呈显著负相关关系，相关系数为-0.670，可能是土壤中Mn与有机配位体所形成的络合物不够稳定[21]。
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表 3 研究区土壤有机质、pH和水溶性盐与微量元素有效量的相关性 Table 3 Correlation of soil organic matter, pH, water soluble salt and available contents of microelements |
有机质含量与有效Cu、Mo、Se和S之间相关性极显著，说明有机物的螯合作用可以促进水稻对这些微量元素的吸收，可溶的低分子螯合物(有机酸、氨基酸、糖酸及酚类等)的螯合作用增加了这些微量元素的有效性，而难溶的有机质如腐殖质等与某些微量元素结合会限制其有效性[22]。
2.3.3 土壤pH如表 3所示，土壤微量元素有效量与pH的关系较为明显。pH对有效态Se呈极显著负相关，相关系数为-0.469；pH对有效态Mn呈显著正相关，相关系数为0.331。表明中酸性土壤有利于促进水稻对Se的吸收，而偏碱性土壤有利于Mn有效量的提高。
有研究认为，在碱性条件下，有效Fe可逐渐被转换为氢氧化铁、磷酸铁等被固定；pH可影响无机Zn化合物的溶解度，通过影响土壤其他性质而控制Zn的吸附作用和络合作用[23]。本研究的结果，pH对有效态Fe呈负相关，对有效态Zn呈正相关，但二者相关性均不明显，可能受样品数量限制，有待进一步研究。
2.3.4 土壤盐分含量如表 3所示，水溶性盐与有效态Fe、B和S呈显著正相关，相关系数分别为0.339、0.424和0.621。本研究测试的为泡田土壤的盐分含量，最高值为1.33 g/kg，均值为0.97 g/kg，多为轻度盐渍化程度。本研究表明，轻度盐渍化条件下的土壤盐分含量可促进水稻对Fe、B和S等微量元素的吸收，这可能亦是土壤轻度盐渍化条件下的稻米品质较为优异的原因之一。
3 结论1) 与中国土壤微量元素均值相比，研究区土壤Fe、Mn、Zn、S的有效态含量丰富，Cu中等，B、Mo和Se偏低；对比土壤中有效态含量的土壤缺素临界值，有效量Fe、Cu、Mn、S含量较为丰富，有效Zn和B处于中等偏上水平，有效Se含量整体较低，有效Mo含量北部土壤略高于临界值，南部土壤较低。针对研究区土壤中个别营养元素缺乏的现状，建议有针对性地施用微量元素肥。
2) 天津小站稻种植区的土壤质地相对黏重；土壤pH为7.80 ~ 8.42，平均值为8.04，为弱碱性；有机质含量范围为12.10 ~ 31.40 g/kg，平均20.10 g/kg，属中等水平；泡田土壤盐分含量范围为0.73 ~ 1.33 g/kg。
3) 土壤微量营养元素全量对有效量的控制作用较为明显，有机质含量、pH及水溶性盐含量等对微量营养元素的有效利用率具有重要影响。Cu、Mn、B、Mo、Se和S的全量对有效量有重要的控制作用，有机质含量对Cu、Fe、Mo、Se和S的有效量具有正效应，适量配施有机肥可以增强这些元素的活化作用，提高其有效利用率；偏酸性土壤更有利于水稻对微量营养元素Cu、Fe、Mo、Se和S的吸收，土壤改良过程中配施微肥时需适当考虑对土壤酸碱度的调理。
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