辽宁省水稻种植区土壤和水稻镁素状况研究

金延迪，王 智，郝建勋，何祖兵，邢若男，王士宁，张一峰，刘侯俊

（沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110161）

镁作为植物光合作用必不可少的元素，在植物营养中起着至关重要的作用。镁还是植物体内多种酶的活化剂，参与植物代谢过程中的酶促反应。当作物缺镁时，叶绿素合成受阻，光合作用受到抑制，生育期缓慢，最终导致产量下降，品质降低。镁是地壳中含量第八的元素，土壤中镁的平均含量为5g·kg，土壤镁形态主要包括矿物态、交换态、酸溶性、水溶性和有机态等，其中交换性镁是能够被植物吸收利用的主要形态，因此交换性镁的含量成为衡量镁丰缺程度和镁肥肥料效应的重要指标。土壤交换性镁是指被土壤胶体表面电荷吸附并且能够被一般交换剂交换下来的镁，占土壤全镁含量的1%～20%，其含量极易受土壤理化性质和环境因素影响，土壤的成土母质和土壤发生学特性、气候特点、风化程度、淋溶作用以及耕作培肥等均能够影响交换性镁含量。可见，土壤中镁存在着较大的空间变异性，因此了解某一地区土壤镁空间变化特征及其对植物的供应能力，对当地镁肥的科学施肥具有重要指导意义

水稻作为世界上第二大粮食作物，对人类的生存发展起着至关重要的作用。镁对水稻的生长发育，产量和品质均有一定程度的影响。有研究证明，在稻田土壤中补充镁素后可以增加水稻叶绿素含量，增加水稻有效分蘖个数，提高结实率和千粒重，最终提高水稻产量。同时，在土壤中补充镁素后能够增加水稻籽粒中蛋白质含量，提高水稻食味性和品质。还有研究证明，施镁肥可以显著提升土壤中有效镁含量以及茎叶和籽粒中镁的含量，促进抽穗期至成熟期镁元素从叶片向穗部运输。随着水稻单位面积产量增加，大量施用氮肥，作物快速生长，导致镁素来不及吸收，造成植物相对缺镁。加之农户普遍不重视镁肥的施用，导致每年有大量的镁随着植物成熟被携带出土壤，且没有得到及时补充，土壤中可被作物直接利用的交换性镁逐渐减少，造成土壤中的营养元素供应不平衡。

目前，针对土壤镁素状况及镁肥肥效的研究主要集中在我国南方地区，而在北方地区相关研究较少。辽宁省位于中国东北地区南部，气候类型为温带季风气候，水稻种植面积约60 万hm，是中国重要的水稻生产区。然而，当前辽宁省水稻种植区稻田土壤和水稻中镁素状况如何，这方面的研究鲜见报道，为了进一步了解辽宁省水稻种植区土壤和水稻中镁素分布状况，探明土壤交换性镁与环境因子的关系，本研究在辽宁省不同水稻种植区选取60 个具有代表性的地块进行土壤和水稻镁素状况调研，旨在为合理施用镁肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

根据辽宁省水稻种植分布情况，将水稻种植区划分成辽北地区、辽中地区、辽南地区以及辽东和东南沿海地区共4 个区域：辽北地区（法库，昌图，康平），北纬41°59'～43°29'，东经123°27'～125°06'，土壤以黏土为主，区域生长季的平均温度为20～22℃，降水量400～500mm，气候类型为温带季风气候；辽中地区（辽阳，新民，辽中，抚顺），北纬41°12'～41°47'，东经122°28'～123°6'，土壤多为黏土，区域生长季的平均温度在21℃以上，降水量在450～550mm，气候类型为温带季风气候；辽南地区（盘山，大石桥，大洼，海城），位于北纬40°52'～41°39'，东经121°35'～122°49'，土壤以盐渍土为主，生长季平均温度在21℃以上，降水量在450～500mm，气候类型为温带半湿润季风气候；辽东和东南沿海地区（东港、凤城、庄河，本溪），位于北纬40°52'～41°39'，东经121°35'～122°49'，多分布盐渍土，生长季平均温度在21℃左右，降水量在450～600mm，气候类型为暖温带季风气候。

1.2 方法

2019年10月，水稻收获期，在上述4个水稻种植区，选取60个具有代表性农户地块。在每个地块，按照“S”型路线，采集0～20cm和20～40cm混合土样，用四分法保留1.0kg鲜土，装袋、写好标签后带回实验室，于阴凉、干燥、通风、无污染的地方风干。之后磨碎，过20目筛，用于测定指标。在每个地块采集相应的水稻样品，随机选择5 株水稻，从茎基部剪断获取地上部，带回实验室，将稻穗和茎叶分开，用自来水和去离子水依次清洗地上部，晾干后在105℃烘箱中杀青30min，之后65℃烘干。将烘干的植物样品粉碎，用于测定茎叶和籽粒中镁元素含量。

1.2.1 土壤指标测定方法 土壤交换性镁含量采取1mol·L乙酸铵溶液浸提，原子吸收分光光度计（DKHH−HG08S−4000）测定，所用波长为285.2nm；土壤速效钾含量采用1mol·L乙酸铵溶液浸提，火焰光度法（F−300，上海元析）测定；土壤pH 值采用电位法测定，水土比为2.5∶1；土壤碱解氮用碱解扩散法测定；土壤有效磷用0.5mol·L碳酸氢钠浸提，钼锑钪比色测定。

根据土壤养分状况研究法的推荐施肥指标，将土壤交换性镁分为严重缺乏（60mg·kg）、缺乏（60～120mg·kg）、中等（120～300mg·kg）、丰富（300～600mg·kg）和极丰富（>600mg·kg）5级。

1.2.2 水稻茎叶、籽粒指标测定方法 水稻茎叶和籽粒镁用5mL 硝酸−高氯酸（硝酸∶高氯酸=4∶1），在微波消解仪（ETHOS−ONE−135046）中消解，定容，过滤后，滤液用原子吸收光度计（DKHH−HG08S−4000）测定。

1.3 数据处理与分析方法

试验所得数据结果采用Excel 2016 软件进行整理分析，采用SPSS Statistics 22 对数据进行处理后，利用单因素方差分析法，在不同处理间显著性差异检验采用Duncon 分析，土壤交换性镁含量与土壤物理化学因子的相关关系采用Pearson法进行检验；采用Origin 2021进行箱线图的绘制。

2 结果与分析

2.1 辽宁省不同水稻种植区土壤pH值、碱解氮、有效磷和速效钾含量

由表1可知，辽宁省4个水稻种植区0～20cm土层土壤平均pH值由高到低分别是辽南、辽北、辽中以及辽东和东南沿海地区，辽南地区土壤pH值最高，为7.55，显著高于其他地区，辽北地区，辽中地区以及辽东和东南沿海地区分别为辽南地区的86.7%、84.9%和78.9%；0～20cm 土层土壤碱解氮平均含量由高到低分别是辽东和东南沿海、辽北、辽中以及辽南地区，辽南地区土壤碱解氮平均含量显著低于其他地区，辽南地区仅为11.09mg·kg，而辽东和东南沿海、辽北以及辽中地区分别是辽南地区的9.98，8.21和6.73倍；0～20cm 土层土壤有效磷平均含量由高到低分别是辽北、辽东和东南沿海、辽南以及辽中地区，4个地区土壤有效磷平均含量没有显著差异；0～20cm土层土壤速效钾平均含量由高到低分别是是辽南、辽东和东南沿海、辽北以及辽中地区，辽南地区土壤速效钾平均含量最高，达到199.02mg·kg，且显著高于其他3个地区，分别是辽东和东南沿海、辽北以及辽中地区的1.82，1.93，2.01倍。

表1 辽宁省不同水稻种植区土壤pH值、碱解氮、有效磷和速效钾含量
Table1 Soil pH value,available nitrogen,available phosphorus and available potassium contents in different rice planting areas of Liaoning Province

注：不同水稻种植区数据后不同字母表示处理间差异显著（<0.05）,下同。LB.North of Liaoning Province;LZ.Middle of Liaoning Province;LN.South of Liaoning Province;LD.East of Liaoning Province and Southeast Coast.
Note:Different letters after the data of each rice planting area indicate significant differences between treatments (<0.05),the same below.

由表1可知，辽宁省4个水稻种植区20～40 cm 土层土壤pH由高到低分别为辽南、辽北、辽中以及辽东和东南沿海地区，辽南地区土壤pH 为7.96，显著高于其他3 个地区，分别比辽北、辽中以及辽东和东南沿海地区高0.87，1.09，1.48个单位；20～40cm 土层土壤中碱解氮的平均含量由高到低分别为辽东和东南沿海、辽北、辽中和辽南地区，辽南地区土壤碱解氮平均含量为9.73，显著低于其他3个地区，分别是辽东和东南沿海、辽北以及辽中地区的13.3%、13.9%和16.6%；20～40cm土层土壤中有效磷平均含量由高到低分别为辽中、辽北、辽东和东南沿海以及辽南，平均含量分别为8.29，6.57，6.29，4.77mg·kg。4个地区土壤有效磷平均含量没有显著差异；20～40cm土层土壤中速效钾平均含量由高到低分别为辽南、辽北、辽中以及辽东和东南沿海地区，辽南地区土壤速效钾平均含量显著高于其他3个地区，分别是辽北、辽中以及辽东和东南沿海地区的1.86，2.09，2.46倍。

2.2 辽宁省不同水稻种植区土壤交换性镁含量及分布

由图1 可知，辽南、辽东和东南沿海地区0～20cm 土层土壤交换性镁含量显著高于辽北、辽中地区，前两者平均含量分别为756.6mg·kg和639.5mg·kg；后两者平均含量分别为424.7mg·kg和277.1mg·kg。辽北、辽中地区调查点土壤交换性镁含量分布较为集中，其中辽北地区调查点集中分布在302.3～424.7mg·kg，辽中地区则分布在184.1～379.7mg·kg。4 个箱体中位线都偏箱体下方，说明4 个水稻种植区土壤交换性镁的含量都呈右偏分布，每个地区大部分调查点土壤交换性镁含量低于其平均水平；20～40cm土层土壤交换性镁含量表现为辽南地区最高，平均值高达934.1mg·kg，且显著高于其他3 个地区；其次为辽东和东南沿海地区，平均含量达到532.7mg·kg；辽北和辽中地区最低，平均含量分别为394.8mg·kg和383.3mg·kg。辽北和辽中地区20～40cm 土壤交换性镁含量数据较为集中，其中辽北地区调查点集中分布在293.4～472.1mg·kg。辽中地区则分布在214.1～500.3mg·kg。辽北和辽中地区土壤交换性镁数据比较符合正态分布，辽南以及辽东和东南沿海箱体中位线靠上，说明这两个地区土壤交换性镁含量数据符合左偏分布，这两个地区大部分调查点土壤交换性镁含量高于平均含量。由此可见，辽宁省水稻种植区0～20cm和20～40cm土层土壤交换性镁含量特征具有相似性，均表现为辽宁、辽东和东南沿海地区交换性镁含量高，但数值分散性较大；而辽北和辽中地区交换性镁含量低，但数值分散性较小。

图1 辽宁省水稻种植区土壤交换性镁含量Figure1 Soil exchangeable magnesium content in rice growing area of Liaoning Province

由图2可知，辽宁省水稻种植区0～20cm 土层土壤交换性镁含量均高于60mg·kg，也就是说本试验所调研土壤的交换性镁并未出现严重缺乏状况。其中1.6%调查点的0～20cm土层土壤交换性镁平均含量处于缺乏等级（60～120mg·kg），25.8%处于中等等级（120～300mg·kg），40.3%处于丰富等级（300～600mg·kg），32.3%处于极丰富等级（>600mg·kg）。辽宁省水稻种植区20～40cm土层土壤中交换性镁含量均高于120mg·kg，意味着20～40cm土层土壤的交换性镁均处于中等以上等级，其中28.6%调查点的20～40cm土层土壤中交换性镁平均含量处于中等水平（120～300mg·kg），31.7%处于丰富水平（300～600mg·kg），39.7%处于极丰富水平（>600mg·kg）。

图2 不同含量范围的土壤交换性镁占比状况Figure2 The percentage of soil exchangeable magnesium in different content range

2.3 辽宁省不同水稻种植区水稻茎叶和籽粒的镁含量

由图3 可知，辽南地区的水稻茎叶镁平均含量最高，平均为0.257%。其次是辽东和东南沿海地区，平均含量为0.252%。然后是辽北地区，平均含量为0.201%。辽中地区水稻茎叶镁含量最低，平均为0.199%。辽南以及辽东和东南沿海地区水稻茎叶镁含量显著高于辽北和辽中地区。与辽南以及辽东和东南沿海地区相比，辽北和辽中地区水稻茎叶镁含量分布较为集中且符合正态分布，其中辽北地区调查点水稻茎叶镁含量集中分布在0.165%～0.235%，辽中地区调查点水稻茎叶镁集中分布在0.169%～0.232%。辽南以及辽东和东南沿海地区水稻茎叶镁含量分布较为分散，数据符合右偏分布，这两个地区大部分调查点水稻茎叶中镁含量低于其平均含量；辽北地区、辽中地区、辽南地区、辽东和东南沿海地区水稻籽粒镁含量差异不显著，平均含量在0.030%左右。与辽中相比，辽北、辽南以及辽东和东南沿海地区水稻籽粒中镁分布较为集中，其中辽中地区调查点水稻籽粒镁含量集中分布在0.019%～0.029%，整体呈左偏分布，这个地区大部分调查点水稻籽粒镁含量低于平均水平。辽中地区水稻籽粒镁含量分布较为分散，水稻籽粒镁分布在0.018%～0.061%。辽南地区水稻籽粒镁集中分布在0.018%～0.026%。辽东和东南沿海地区调查点水稻籽粒镁集中分布在0.018%～0.030%，这3个水稻种植区水稻籽粒镁数据符合右偏分布，说明这三个地区水稻大部分水稻籽粒镁低于其平均含量。

图3 辽宁省水稻种植区水稻茎叶和籽粒镁含量Figure3 Magnesium contents in shoot and grain of rice in planting area of Liaoning Province

2.4 土壤交换性镁含量与土壤理化指标、茎叶和籽粒镁含量相关性分析

由表2可知，0～20cm土层土壤交换性镁与土壤pH值不显著相关（

r

=0.013，

p

>0.05），与土壤碱解氮呈显著负相关（

r

=−0.022，

p

<0.05），与土壤速效钾呈极显著正相关（

r

=0.503，

p

<0.01），但与土壤有效磷不显著相关（

p

>0.05）。在20～40cm 土层土壤中交换性镁与土壤pH 值呈显著正相关（

r

=0.348，

p

<0.01），与土壤碱解氮呈极显著负相关（

r

=−0.385，

p

<0.01），与土壤速效钾呈极显著正相关（

r

=0.739，

p

<0.01），与土壤有效磷不显著相关（

p

>0.05），这与0～20cm土层中的相关性基本相同。

表2 土壤交换性镁与土壤理化指标、茎叶和籽粒镁含量相关性分析
Table2 Correlation between soil exchangeable magnesium and soil physicochemical indexes,magnesium in shoot and magnesium in grain

注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关，下同。
Note:*means significant correlation at 0.05 level,**means significant correlation at 0.01 level,the same below.

在0～20cm土壤中，土壤交换性镁与茎叶镁和籽粒镁均不显著相关（

p

>0.05）；在20～40cm土壤中，土壤交换性镁与茎叶镁呈极显著正相关（

r

=0.405，

p

<0.01），与籽粒镁不显著相关（

p

>0.05）。

3 讨论与结论

土壤中的交换性镁主要来自土壤原生矿物和次生含镁矿物。交换性镁在土壤中的含量取决于成土母质及土壤发生学特征。一般情况下以石灰岩和紫色砂岩发育的土壤交换性镁含量最高；以玄武岩、第四纪红土、砂页岩、第三纪红砂岩发育的土壤交换性镁含量中等；以浅海沉积物、花岗岩酸性岩成分高的母质发育的土壤交换性镁含量较低。本次调研结果表明，辽宁省水稻种植区的土壤镁含量整体上处于中等以上水平（>120mg·kg），其中82.6%调查点的土壤交换性镁含量达到了丰富或以上水平（>300mg·kg）。辽南以及辽东和东南沿海地区位于辽宁沿海地区，分布着大量盐渍土，这两个地区土壤交换性镁含量丰富可能是由于海相沉积中母质含镁量较高。辽北地区和辽中地区主要以黏土为主，在黏土矿物中，大部分镁是存在于硅氧八面体中，只有少部分存在于层状硅酸盐的层间中，八面体的优先分解使镁产生了高速释放，所以在黏土矿物中镁的释放是很显著的。大量交换性镁从黏土矿物中释放存在于土壤中，使得辽北地区和辽中地区土壤中的交换性镁也很丰富。

辽宁省水稻种植区土壤交换性镁含量存在空间差异性，具体表现为辽南地区的土壤交换性镁平均含量显著高于其他3个地区。这可能与降雨、土壤类型和土壤初始理化性质有关。首先辽南地区属于温带季风气候，年降雨量丰富，促使土壤中交换性镁向下淋溶，本次调研结果也表明20～40cm 土层土壤中交换性镁含量高于0～20cm 土层土壤交换性镁含量。其次辽南为辽宁沿海地区，水稻种植区土壤主要为盐渍型水稻土，唐文慧等在山东省不同类型耕层土壤交换性镁含量分布特征中发现山东省滨海盐渍土的土壤交换性镁含量相对较高，所以辽南地区初始土壤交换性镁含量比较丰富。此外，辽宁省水稻种植区20～40cm土层土壤中交换性镁与土壤pH 值呈显著正相关的关系，这与刁莉华在赣南脐橙园对土壤有效镁含量状况的研究结果相似。土壤pH 值对土壤交换性镁有很大的影响，强酸性的土壤中的氢离子能够与镁离子竞争吸附位点，导致土壤交换性镁含量明显减少。中性偏碱性的土壤中镁的有效性高于酸性土壤。pH值还可以影响土壤中的可变电荷，pH值的增加可以增加土壤对镁的电性吸附，从而使土壤对镁的吸附力增强。除此之外，pH 值的升高会使土壤对镁有固定作用，会使镁发生专性吸附。王龙等在研究不同土壤类型对镁的吸附时发现，当pH 值足够高时才能使土壤对镁的吸附性增加。刘小慧在黑龙江稻田土壤中镁的丰缺程度的研究表明，土壤pH>7.5时土壤中的交换性镁含量最高。辽南地区土壤pH值平均为7.55，显著高于辽北、辽中以及辽东和东南沿海地区。

在对辽宁省水稻种植区水稻镁含量的研究发现辽南以及辽东和东南沿海地区水稻茎叶中镁的平均含量显著高于辽北和辽中地区，辽宁省4 个水稻种植区水稻籽粒镁平均含量没有显著差异。土壤中的交换性镁通过水稻根系被转运到水稻茎叶中以水溶性形式存在于茎叶韧皮部、木质部、细胞质中，然后镁经过茎叶转运到水稻籽粒中以植酸盐的形式存在水稻籽粒中。所以说，水稻对镁的吸收与土壤交换性镁的含量有很好的相关性。在对辽宁省水稻种植区两个土层土壤中交换性镁与水稻茎叶和籽粒中镁相关性分析中发现只有20～40cm土层土壤中交换性镁与水稻茎叶镁呈极显著正相关（

r

=0.405，

p

<0.01），2个土层土壤中交换性镁与籽粒镁均不显著相关（

p

>0.05）造成这种结果的原因可能是辽宁省水稻种植区土壤交换性镁含量丰富，土壤中的交换性镁能够满足水稻生长发育，导致土壤中交换性镁对水稻籽粒镁影响较小。

辽宁省水稻产区土壤交换性镁平均含量高达520.4mg·kg，土壤交换性镁整体呈丰富水平。其中在0～20cm土层土壤中，交换性镁平均含量为498.6mg·kg，辽南以及辽东和东南沿海和地区整体交换性镁平均含量显著高于辽中和辽北。20～40cm 土层土壤中，交换性镁平均含量为542.1mg·kg，辽南地区土壤交换性镁含量显著高于其他3个水稻种植区。辽宁省水稻种植区土壤交换性镁存在空间差异性，整体表现为南部高于北部。

辽宁省水稻种植区水稻茎叶镁平均含量为0.227%，辽南地区、辽东和东南沿海水稻茎叶中镁的平均含量高于辽北和辽中地区。水稻籽粒镁平均含量为0.030%，4 个水稻种植区水稻籽粒镁平均含量没有显著差异。土壤中交换性镁含量与与土壤pH、速效钾含量、茎叶镁含量呈显著线性正相关，与碱解氮含量呈显著线性负相关。

针对辽宁省水稻种植区土壤交换性镁含量整体较高和区域差异较大的现状，建议在辽南地区采用叶面喷施的方式为水稻补充镁素，而在北部地区采用土壤施用镁肥和叶面喷施相结合的方式为水稻补充镁素。另外，在补充镁肥的时候，要切实考虑当地土壤交换性镁状况和氮磷钾等肥料的实际施用情况，进行科学配比，注重平衡施肥。