土壤有效态微量营养元素空间变异特征及对稻米品质的影响

江胜国，詹华明*，刘广明，卢东琪，郑爱军，王志刚，王西玉

（1．天津市地质研究和海洋地质中心，天津 300170；2．天津市农业发展服务中心，天津 300061；3．中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008）

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质，以活动态形式赋存，是鉴定土壤质量的重要因子［1-2］。掌握稻田土壤微量营养元素有效态的空间变异特征和分布规律，研究其与稻谷品质之间的相关性，对指导微肥合理配施和实现稻米提质增产意义重大［3-4］。土壤是非均一性的连续体，属性随空间位置变化而发生变异，对其空间变异特性的研究难以定量化，随着地统计学方法应用到土壤学领域，这一难题逐渐得到解决。20世纪90年代，我国把地统计学应用到土壤领域，取得较多成果［5］。张朝生等［6］认为天津平原区土壤微量元素含量的空间变异具有随机性和结构性，且具有不同程度的空间自相关性；徐尚平等［7］认为天津土壤中微量元素含量主要受成土母质的影响，空间纵向分异不明显。很多学者针对不同的土地利用方式也开展了较多土壤微量元素空间分布规律及主要影响因素分析的研究工作［8-10］。但前人针对稻田土壤微量营养元素的空间特征研究较少，且未结合稻米品质进行分析，特别是对天津稻田土壤微量元素空间变异性的研究还未见报道。因此，本次研究运用地统计学方法，结合GIS软件，把复杂的空间变异特性定量化，系统探讨了天津小站稻种植区土壤6种微量营养元素的空间变异特征和分布规律，并结合稻米品质进行了讨论。

1 材料与方法

研究区位于天津宝坻区东南部，小站稻产业振兴规划区内（图1），坐标为：117°46′～117°59′ E、39°41′～39°53′ N（图1），面积约160 km2，主要包括黄庄镇及其周边区域，属于河流冲积型和滨海型平原地貌，地势比较平坦，地形趋势为北高南低，高程2～7 m（大沽高程）。全区属温带湿润季风型大陆性气候，全年光、热、水资源丰富，年日照时数达2566.5 h，太阳总辐射量502.9 kJ，年平均气温11.3 ℃，年平均降水量492.2 mm，无霜期平均194 d。全年大于0℃积温4507.9 ℃，大于10 ℃积温4116.3 ℃，热量条件有利于喜温作物水稻的生长。区内水稻为一年一熟，种植历史较长，土地利用程度高。土壤类型多为盐化潮土，质地粘重，为中-重壤质，适合水稻生长。

图1 研究区位置及采样点分布图

1.1 样品采集与制备

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，每个采样区内选定1个代表性点位，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1000 g。把采集的土样放置于阴凉通风处，干燥后敲碎成小块，挑拣出杂质，然后研碎过0.85 mm筛，装入样袋贴好标签，待测。水稻成熟后，选取采样区代表性地块采集水稻样品，品种主要为津原U89，设置重复样，样品自然风干，水分降至15%，送至农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心进行品质分析。

1.2 分析测定方法

共测定6个微量营养元素指标（Cu、Mn、B、Mo、Ni和S，全量和有效量），5个稻米品质指标（透明度、整精米率、胶稠度、直链淀粉和蛋白质）。全Cu、全Mo和全Ni采用电感耦合等离子体质谱法测定；全Mn采用X-射线荧光光谱法测定；全B采用交流电弧-发射光谱法测定；全S采用EDTA间接滴定法测定。有效Cu、Mn和Ni采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定；有效Mo采用Tammi试剂提取-等离子体质谱法测定；有效B采用沸水提取-等离子体光谱法测定；有效S采用酸性溶液浸提-硫酸钡比浊法测定。pH值用水浸提样品，采

用电位法测定。稻谷样品采用韩国制造的SY-88-TH型砻谷机脱颖壳，用日本制造的CBS300AS型精米机碾成精米，精糙比控制在90%；稻米外观指标采用日本生产的RJQI20型颗粒评定仪测定；稻米成分采用日本生产的RLTA1082-K型食味分析计测定。

1.3 数据处理与分析

应用SPSS 20.0进行数据的描述性统计分析、相关性研究以及正态分布检验；应用GS+9.0进行微量营养元素有效态的半方差函数及拟合参数的分析；应用ArcGIS 10.2地统计分析模块中的克里格插值法进行空间分布规律的研究。

1.3.1 地统计分析

本次选取6种微量营养元素，运用半方差变异函数方法进行空间变异特性的研究。该方法首先要对数据进行半方差函数分析，选取适合的半方差函数模型，再运用克里格法进行空间插值。半方差函数主要的属性模型包括：球状模型、指数模型、高斯模型和线状模型，表1为模型中的主要参数及反应的信息情况［11］。克里格插值法是在对土壤原始数据分析的基础上，结合半方差函数分析对数据优化处理的方法之一。该方法可以对研究区内未调查取样部位的土壤信息进行线性无偏最优估计［10］，并可实现点信息向面信息的转化，更直观地呈现出元素的空间分布规律。

表1 半方差函数模型主要参数及反映的信息情况

1.3.2 稻米品质分析

本次选取透明度、整精米率、胶稠度、直链淀粉和蛋白质5个指标（表2），应用SPSS 22.0进行微量营养元素Cu、Mn、B、Mo、Ni和S有效态与稻米品质的相关性研究。分析认为，区内稻米透明度和整精米率达到了我国农业行业食用稻品种品质标准（NY/T 593-2013）所规定的一等级，而胶稠度和直链淀粉（干基）为二等级。蛋白质含量较高，均值为7.56%，有相关研究认为蛋白质含量在6%～7%质量最优［12］。

表2 主要稻米指标值的描述性统计特征

2 结果与分析

2.1 土壤微量营养元素有效态数据统计分析

通过文献检索，整理了土壤中S、Mn、B、Cu、Mo和Ni有效态含量评价标准［13-17］（表3）。对比数据统计的结果（表4），可知研究区有效S、Mn和B含量极为丰富，有效Cu和Ni含量较高，有效Mo含量中等水平。有效S含量均值210.10 mg/kg，处于极高水平，远超出全国最高均值（25 mg/kg），这与研究区特殊的硫酸盐-氯化物盐渍土类型有关；有效Mn含量均值41.73 mg/kg，处于极高水平；有效B含量均值2.29 mg/kg，处于极高水平；有效Cu含量均值5.68 mg/kg，处于高水平；有效Mo含量均值0.20 mg/kg，处于中等水平；有效Ni含量均值0.55 mg/kg，处于高水平。从变异系数角度分析，有效S、Mn和Mo的变异程度较高，有效B、Cu和Ni的变异程度较低，说明有效S、Mn和Mo的含量分布不均，具有相对较高的空间异质性。

表3 土壤有效态微量元素含量评价标准 （mg/kg）

表4 研究区6种土壤有效态微量元素含量统计特征

2.2 空间变异性研究

元素数据的描述性统计只能概略说明含量的整体变化趋势，不能具体表明空间变异的结构特征、分布规律及相关性、独立性、随机性和结构性等［9］，因此需要应用地统计学方法进一步研究。

2.2.1 空间结构特征

根据半方差函数分析的结果（表5，图2），选取了拟合效果最好的模型参数（R2接近于1，RSS最小）。结果显示，有效S和Cu拟合效果最好的模型为指数模型，有效Mn、B和Ni为高斯模型，有效Mo为球状模型。从块金值分析，有效Mo和Ni主要受结构性因素影响，而有效B和Cu的变异在一定程度上还受随机性因素的影响。有效S和Mn的基台值较高，说明两种元素的总变异程度高。6种元素的块基比都＜25%，说明样本间的变异总体主要受结构性因素影响，空间自相关性强烈［6］。有效Cu和S变程值最大，说明在较大的范围内具有空间相关性，而有效Ni变程值最小，说明在较小的范围内具有空间相关性。有效S、Mn、Mo和Ni的决定系数值最接近于1，拟合效果最理想，说明相关参数的选择能较好地反映这些元素的空间结构特征。

表5 土壤有效态微量元素半方差函数及拟合参数

图2 土壤有效态微量元素半方差函数

2.2.2 空间分布规律

依据半方差函数分析的结果，借助ArcGIS 10.2地统计分析模块，选取普通克里格插值法绘制了6种土壤微量营养元素有效态的空间分布规律图（图3）。

图3 土壤有效态微量元素含量空间分布规律

研究区微量营养元素有效态含量分布规律性较强，为面状展布，除了有效S外（双向异性），都在一定方向呈递增或递减的趋势，这与前期数据描述性统计分析结果基本一致。有效S、Cu和Mo连续分布，基本呈北高南低的分布规律；有效Mn和Ni含量基本呈南高北低的分布规律；有效B含量呈东高西低的分布规律。在八里庄和小倾店区域有效S含量有双向递增的趋势，这与农田的水稻种植年限有关，该区2018年实施的旱改水工程，水稻种植年限短，土壤的盐渍化程度相对较高。有效Cu在局部区域呈异常相对高的斑块状，这可能由人为活动对土壤造成的污染所致［11］。有效Mn分布相对复杂，局部呈岛状，最高值分布在南部里自沽、东白庄和小倾店3个区域。有效B面状分布规律性最为明显，最大值分布在东部的八里庄和小倾店区域，最小值分布在西部的北里自沽和苑洪桥区域。

2.3 微量营养元素与稻米品质的相关性

稻米品质与肥料的施用关系较为密切［18］，研究认为微量营养元素肥的调控可产生稻米品质的差异（表6，图4）。透明度是稻米外观品质中最直观的指标，与有效S呈显著正相关（P＜0.05）。整精米率是稻米加工品质最重要的指标之一，与有效Mo呈极显著负相关（P＜0.01）。胶稠度、直链淀粉和蛋白质与稻米蒸煮食味品质关系较为密切，其中，胶稠度与有效Cu呈显著正相关（P＜0.05），与有效Mo呈极显著正相关（P＜0.01），与有效Mn呈显著负相关（P＜0.05）；直链淀粉与有效Mo呈显著负相关（P＜0.05）；蛋白质与有效B呈显著正相关（P＜0.05）。

表6 土壤有效态微量元素含量与稻米品质指标的相关性

图4 有效态微量元素含量与稻米品质指标的相关性图

3 讨论

研究区耕地土壤为不同程度的盐化潮土，成土母质主要来源于河流沉积物和海湖沉积物。土壤中各种微量营养元素初始含量丰富，有效态含量相对较高（表4）。与全国第二次土壤普查［19］的数据对比，区内有效S、Mn、B、Cu、Ni和Mo含量较丰富，说明了多年的作物种植和精耕细作显著提升了土壤的肥力水平。这6种元素的块基比值（表5）都小于25%，说明空间自相关性强烈［6］，空间变异主要受结构性因素的影响，受人为耕作和管理等因素的影响较小。土壤各元素分布规律性较强，多呈面状展布，而有效S却在两个区域出现高值，有双向异性的特征。分析认为，有效S受天津滨海区硫酸盐-氯化物类型盐渍化土壤内在属性的影响较大。有机质和pH值对区内稻田土壤微量营养元素空间变异特征的影响起主导作用，土壤中有机质与微量营养元素有效态多呈正相关，而与pH值呈负相关［20］。

研究认为，研究区有效S与透明度呈显著正相关，有效Mo与整精米率呈显著负相关，有效Cu和Mo与胶稠度呈显著正相关，有效Mo与直链淀粉呈显著负相关，有效B与蛋白质呈显著正相关。由数据分析可知，研究区土壤S、Mo、Cu、B元素的含量较为丰富，水稻的有效吸收量较好。从而，使得小站稻米的品质指标表现优异。前人对天津小站稻米的品质指标进行了深入研究，且与稻花香米和中日泰优质稻米在品质上进行了对比［12］，也证明了小站稻米的透明度、整精米率、胶稠度和蛋白质指标都相对较高。然而，较高的蛋白质含量对小站稻米的食味品质影响较大，前人研究认为，稻米蛋白质含量在6%～7%之间最好，超过7%食味就会降低［21］。研究区稻米蛋白质含量平均为7.56%，最高可达8.4%，严重影响了食味品质。通过实地调查，研究区内稻田在前期底肥和水稻生长期3次追肥的施加中，都有较多的氮肥，且土壤B 含量丰富，能提高作物的固氮能力［22-23］，使得水稻的有效吸收量也较高，直接导致了蛋白质含量的增加。因此，未来还需要进一步研究合理的施肥方法，在提升小站稻米食味品质的同时达到节肥增效的目的。

4 结论

本次研究对指导天津小站稻种植区土壤的施肥工作和进一步提升稻米品质具有较高的参考价值。研究区土壤有效S、Mn和B含量极为丰富，有效Cu和Ni含量较高，有效Mo含量为中等水平；有效S、Mn和Mo的变异程度较高，具有相对较强的空间异质性；有效S和Cu拟合效果最好的模型为指数模型，有效Mn、B和Ni为高斯模型，有效Mo为球状模型；6种元素的块基比值都＜25%，有效Cu和S变程值最大，有效Ni变程值最小，有效S、Mn、Mo和Ni的决定系数值最接近于1，拟合效果最理想；元素空间分布规律性较强，有效S、Cu和Mo呈北高南低的分布规律，有效Mn和Ni呈南高北低的分布规律，有效B呈东高西低的分布规律；土壤中S、Cu、B、Mo的有效量与稻米透明度、精米率、蛋白质、胶稠度和直链淀粉等品质指标具有显著相关性。