原平市玉米种植区土壤微量元素与有机质和pH 的关系分析

陈 婷 ，李廷亮 ，2，3，张晋丰 ，刘 洋

（1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801；2.黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心，山西 太谷 030801；3.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801）

土壤与农业的关系至为密切，土壤肥力影响着农作物的产量和品质。土壤有机质是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源，与土壤的发生演变、肥力水平和许多理化生物学属性都有密切的关系，有机质是土壤肥力的核心，有机质含量的高低在某种程度上代表着土壤肥力水平［1］。土壤pH不仅能改变土壤溶液中H+浓度，还能影响土壤酶活性［2］，影响土壤养分的有效性。在不同的pH 条件下，植物营养元素存在形态及其有效性不同，影响微量元素的存在形态［3］，进而影响微量元素在土壤中的富集状况。土壤微量元素含量可以影响到作物的生长发育及品质，在植物体内一般多为酶和辅酶维生素以及生长激素的组成成分，对植物干物质积累起着至关重要的作用。尽管植物对微量元素的需求很小，但任何一种微量元素过量或缺乏都会影响作物的生长发育［4，5］，如缺锌使某些组织中酶活性降低，从而导致光合作用、糖的合成、生长素水平降低，生物膜的渗透性增加，从而影响植物生长发育［6］。有研究表明，成土母质是土壤中微量元素的主要来源，是决定土壤微量元素含量与分布格局的最主要因素，但在某一区域范围内，相同母质上发育的土壤微量元素含量与土壤pH、有机质等性质密切相关［7］。学者们对土壤微量元素的研究较多，杜娟等［8］研究了山西省尧都区当地耕层土壤微量元素有效态铜、锌、铁、锰含量的空间变异特征和丰缺状况，结果表明，当地88.8%的土样缺乏有效铁，有效锰和有效锌分别有19.2%和0.8%的样品处于临界值以下。洪松等［9］研究了湖北省黄棕壤的微量元素硼、锰、铁、铜、锌和钼的总含量、有效态含量以及它们在土壤剖面中的迁移分布等环境地球化学特征及其影响因素，结果表明湖北省黄棕壤硼、锰、铁、铜的总含量较丰富，锌的总含量中等，钼的总含量缺乏，硼、铜、锌、钼的有效态含量较缺。穆桂珍等［10］研究了广东省揭西县土壤中微量元素全量铜、锌、锰、钼、硼和硒含量以及有机质和pH 对土壤中微量元素全量的影响，结果表明广东省锌、锰和硒的平均值高于背景值，铜、钼和硼的平均值低于广东省背景值。邓邦良等［11］分析了武功山山地草甸土壤有效态微量元素铁、锰、锌、铜与有机质和pH 的相关性。结果表明当地土壤有效态微量元素铁、锰、锌的含量随有机质的增加而显著增加。随着土壤pH 的增大，土壤有效态微量元素铁的含量显著降低，土壤有效态微量元素锰、锌的含量显著增加。

山西省的玉米种植由来已久，由于自然条件优越，玉米的产量较高，约占全省粮食产量的2/3［12］。原平市位于山西省北中部，据2020 年山西统计年鉴，2019 年原平市种植玉米面积42 449 hm2，是忻州市玉米种植面积最大的县（市）［13］。土壤的肥力和生产力至关重要，有关原平市玉米耕层土壤中微量元素的研究鲜有报道。本研究以原平市为研究区，对土壤中7 种微量元素的含量及pH、有机质进行测定，并分析了原平市土壤中微量元素全量与有机质和pH 的关系，探索有机质和pH 对微量元素的影响，为提高原平市土壤生产力、提升玉米种植科学合理施肥水平提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

山西省原平市地处山西省北中部，全市国土面积2 571 km2。境内东西高，以丘陵、山地为主，中部由滹沱河横贯全市冲击形成盆地，属于温带季风性气候。地跨东经 112°17′—113°35′，北纬 38°35′—39°09′，因地势起伏显著，境内各地气候差异甚大，一般年均气温8 ℃左右，1 月-9 ℃，7 月23 ℃。年降雨量500 mm 左右，霜冻期为10 月上旬至次年4 月中旬，无霜期160 d。原平市的海拔在800～2 400 m，耕地面积所占比重较大，中部地势平坦，有利于发展农业生产，耕地土壤主要为褐土类型。

1.2 样品采集及处理

为避免季节性施肥对土壤养分的影响，本研究于2019 年10—11 月在玉米收获后进行采样。结合地形、土壤类型和玉米种植分布情况，将采样地点精确到每个县的行政村，并记录经纬度，采样点分布见图1。采用五点法或“S”形法，用土钻采集0～20 cm耕层混合样品，样品经四分法处理后留取1 kg 带回实验室，共采104 个土样。将采集到的土壤样品去除植物根系、有机残渣以及可见侵入体，自然风干后研磨过1 mm 尼龙网筛，用于测定土壤pH；再细磨过0.149 mm 尼龙网筛，用以测定土壤有机质、微量元素全量含量。

图1 原平市玉米种植区耕层土壤采样点分布

1.3 测定项目及方法

土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法外加热法测定；pH 采用电位法（水土比为 2.5∶1.0）测定［14］。土壤全硒含量测定采用HNO3-HClO4高温消解HGAFS 法（氢化物发生-原子荧光法）；土壤全量铜、锌、铁、锰、镍、钙含量采用HNO3-HF 高温消解ICP-MS法（电感耦合等离子体发射光谱法）测定［15-17］。

1.4 数据处理

数据经Excel 2010 软件整理、绘图，用IBM SPSS Statistics25 软件对数据进行描述性统计和Pearson 相关性分析。

2 结果与分析

2.1 原平市土壤中微量元素含量

表1 为原平市土壤中全量微量元素、有机质和pH 描述性统计情况。由表1 可知，原平市土壤pH为7.50～8.66，平均值为8.08；土壤中有机质含量为4.10～53.98 g/kg，平均值为 17.29 g/kg。根据第二次土壤普查土壤养分含量分级标准［18］，土壤有机质含量分为6级：一级＞40 g/kg、二级30～40 g/kg、三级20～30 g/kg、四级10～20 g/kg、五级6～10 g/kg、六级＜6 g/kg。原平市土壤有机质含量小于10 g/kg 的土样占16.35%，10～20 g/kg 的土样占 57.69%，20～30 g/kg 的土样占16.34%，大于30 g/kg 的土样占9.62%，可知原平市土壤中有机质含量总体处于中等偏低水平。土壤中微量元素铜、锌、镍、铁、锰、硒和钙含量平均值 分 别 为 20.61 mg/kg、68.47 mg/kg、33.30 mg/kg、2.92%、578.13 mg/kg、0.28 mg/kg 和 4.07%。其中，锌、镍、锰、硒的平均含量高于背景值，分别是对应背景值的 1.03、1.06、1.06、1.56 倍，而铜、铁、钙的平均含量低于山西省对应元素土壤背景值。从变异系数来看，原平市玉米种植区pH、有机质及土壤全量微量元素含量变异系数均属于中等变异程度［19］。7 种微量元素变异程度从大到小依次为硒、钙、铜、锌、镍、铁、锰。

表1 原平市土壤微量元素、有机质和pH 描述性统计

2.2 土壤中微量元素与pH 的一元线性关系分析

图2 为土壤微量元素全量与pH 的一元线性相关分析。由图2 可看出，原平市玉米种植区土壤中的微量元素含量除钙元素以外均随pH 的升高而下降。其中镍和锰与pH 呈负相关关系，但相关性不显著，铜、锌、硒含量与pH 呈极显著（P＜0.01）负相关关系，对应的相关系数分别为-0.255、-0.334、-0.364，铁含量与pH 呈显著（P＜0.05）负相关关系，相关系数为-0.205。土壤中钙含量随pH 升高而增加，并为极显著水平（P＜0.01），相关系数为0.379。由此可见，原平市玉米种植区土壤中微量元素除镍和锰与pH相关性不显著以外，其余微量元素与pH 均呈显著或极显著相关关系。

图2 土壤微量元素全量与pH 的关系

2.3 土壤中微量元素与有机质的一元线性关系分析

图3 为土壤中微量元素与有机质的一元线性关系分析。由图3 可看出，原平市土壤中微量元素除钙元素以外均与土壤有机质含量呈正相关关系。其中，锌与有机质呈极显著（P＜0.01）正相关关系，相关系数为0.389；铜、硒与有机质呈显著（P＜0.05）正相关关系，相关系数分别为0.201、0.251，钙则与有机质呈极显著（P＜0.01）负相关关系，相关系数为-0.263。镍、锰和铁与有机质含量呈正相关关系但相关性不显著。综上可知，原平市玉米种植区土壤中微量元素除镍、锰和铁与有机质相关性不显著以外，其余微量元素均与有机质呈显著或极显著相关关系。

图3 土壤微量元素全量与有机质的关系

2.4 土壤中微量元素之间的相关性分析

表2 为土壤中微量元素之间的相关性分析。由表2 可知，土壤中钙元素与各微量元素均呈负相关关系，其余各微量元素两两之间均呈正相关关系。其中，铜与锌、镍、铁、锰均呈极显著（P＜0.01）正相关关系，相关系数分别为 0.71、0.87、0.84、0.74，与硒呈正相关关系但其相关性不显著；锌与镍、铁、锰、硒均呈极显著（P＜0.01）正相关关系，相关系数分别为0.57、0.62、0.59、0.30；镍与铁、锰均呈极显著（P＜0.01）正相关关系，相关系数分别为0.83、0.68，与硒呈正相关但其相关性不显著；铁与锰呈极显著（P＜0.01）正相关关系，与硒呈显著（P＜0.05）正相关关系，相关系数分别为0.82、0.19；锰与硒之间呈正相关但相关性不显著。钙与其余全量元素均呈负相关关系，其中，钙与铜、锌、铁呈极显著（P＜0.01）负相关关系，相关系数分别为-0.25、-0.30、-0.33，与硒呈显著（P＜0.05）负相关关系，相关系数为-0.20，与镍、锰相关性不显著。

表2 土壤中微量元素之间的相关性分析（n=104）

3 讨论

3.1 原平市玉米种植区土壤pH、有机质及全量微量元素含量

土壤pH 为土壤重要的理化性质之一，反映土壤的酸碱平衡体系，是土壤养分循环的一个主控因子［20］。本研究对原平市玉米种植区土壤有代表性批量采样测定后得出，土壤pH 在7.50～8.66，均值为8.08，说明该玉米种植区土壤为中性到弱碱性，较适宜玉米的生长发育。土壤有机质是土壤肥力的重要衡量指标。研究结果表明原平市玉米种植区有机质平均含量为17.29 g/kg，主要集中在10～20 g/kg，占比为57.69%，表明原平市玉米种植区土壤有机质含量总体处于中等偏低水平，但较第二次土壤普查山西省耕层土壤有机质平均值提高了61.6%。土壤微量元素对作物生长发育有重要意义，微量元素对作物的作用具有两面性，其缺乏或者过量均会影响作物正常生长［21，22］。研究结果表明，原平市土壤微量元素锌、镍、锰和硒的含量均值高于山西省背景值，原因可能是原平市玉米种植区经过多年连续耕作与肥料的施入，导致土壤中微量元素含量有不同程度的提高；同时，有机肥（或复合肥）的施用对土壤微量元素含量的增加有显著效果［23］，有机肥含有大量的微量元素，比如铜、锌等，因而可增加土壤中微量元素。

3.2 pH、有机质与微量元素及微量元素间相关性分析

土壤中H+含量增加或减少是pH 变化的主要体现，土壤中微量元素的活性随H+含量的增减发生变化，改变了微量元素在土壤中的存在形态，进而影响了土壤中植物吸收微量元素的情况［24］。本研究表明，原平市玉米种植区土壤pH 与除钙之外的其他微量元素均呈显著负相关关系，其中与铜、锌、硒呈极显著负相关关系。金媛等［25］对陕南茶园进行土壤pH 与微量元素相关性研究得出，土壤有效铁、有效锰、有效锌、有效铜含量与土壤pH 呈负相关关系。穆桂珍等［10］对广东省揭西县土壤微量元素与pH 相关性分析也得出硒与pH 呈显著负相关，与本研究结果一致。本研究土壤中钙含量与pH 呈正相关关系。陈菁等［26］研究表明pH 与钙元素间呈极显著正相关关系，钙含量随着pH 的增大在土壤中累积量增大，与本研究结果一致。

土壤中有机质含量的高低影响着土壤对微量元素的吸附能力，通过降低微量元素的活性［27］，吸附、沉淀或络合土壤中的微量元素进而影响它们在土壤环境中的迁移转化能力［28-30］。本研究表明，锌与有机质呈极显著正相关关系，相关系数为0.389；铜、硒与有机质呈显著正相关关系，相关系数分别为0.201、0.251，与穆桂珍等［10］的研究结果一致。钙与有机质呈极显著负相关关系，其原因可能是受pH 等因素的影响，土壤中钙与有机质存负相关关系。

土壤中铜与锌、镍、铁、锰均呈极显著正相关，锌与镍、铁、锰、硒均呈极显著正相关。镍与铁、锰均呈极显著正相关，铁与锰呈极显著正相关，与硒呈显著性正相关。由此可见，锌、镍、铁、锰4 种元素间两两相关性极显著，其原因可能是铁、镍均属于铁族元素，它们具有相似的原子结构，在自然界中有相近的存在形式和迁移、沉淀的物理化学条件，并且元素锰与铁族元素性质非常接近，所以具有较高的相关性［31］。同时，土壤中铜与锌、镍、铁、锰均呈极显著正相关，与硒相关性不显著，说明在研究区内土壤中铜与锌、镍、铁、锰可能具有相似的来源，而硒的来源与其他元素不同。硒与铁显著正相关，可能是由于铁氧化物对硒具有强的吸附能力，且强于黏土矿物，因此硒与铁相关性显著［32］，该结果与林乃武等［33］研究结果一致。土壤中全量钙与其他全量元素均呈负相关关系，其中，钙与铜、锌、铁呈极显著负相关，与硒呈显著负相关。其原因可能与土壤pH 有关，土壤中钙含量随pH 的升高而增加，其他微量元素含量则随pH 上升而下降。相关性分析表明由于不同元素具有的地球化学性质不同，微量元素间既有相互促进的关系，也有拮抗的关系。

4 小结

本研究分析了原平市玉米种植区土壤中微量元素与有机质和pH 的关系。结果表明，原平市土壤中有机质的平均值为17.29 g/kg，pH 的平均值为8.06，铜、锌、镍、铁、锰、硒和钙含量的平均值分别为20.61 mg/kg、68.47 mg/kg、33.30 mg/kg、2.92%、578.13 mg/kg、0.28 mg/kg 和 4.07%，其中锌、镍、锰和硒含量的平均值高于山西省背景值，铜、铁和钙含量的平均值低于山西省对应元素土壤背景值。随着pH 增大，土壤中铜、锌、镍、铁、锰和硒的含量随之下降，钙含量增加；随着土壤中有机质的积累，铜、锌、镍、铁、锰和硒的含量增加，但钙含量减少。土壤中微量元素之间既有共生的关系，也有互相拮抗的关系。因此，调节土壤中有机质含量和pH，并结合微量元素间的作用机制，可以有效改变土壤中微量元素的含量，进而改善土壤的生产力和肥力，提高作物生产水平。