耕地土壤中交換態(tài)鈣鎂鐵錳銅鋅相關(guān)關(guān)系研究

1、生態(tài)環(huán)境 2003, 12(2): 160-163 http://www.eco-environment.comEcology and Environment E-mail: editor@eco-environment.com基金項(xiàng)目：國(guó)家

2、高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃重大課題項(xiàng)目（2001AA246021）作者簡(jiǎn)介：姜 勇（1969－），男，博士，副研究員，現(xiàn)主要從事土壤生態(tài)過程研究。E-mail: jiangyongchina@hotmail.com*通訊聯(lián)系人收稿日期：2002-10-28耕地土壤中交換態(tài)鈣鎂鐵錳銅鋅相關(guān)關(guān)系研究姜 勇* 1，張玉革 2，梁文舉 1，聞大中 11：中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2：沈陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，遼寧 沈陽 1

3、10034摘要：應(yīng)用主成份分析、聚類分析和相關(guān)性分析對(duì)沈陽市郊區(qū) 1 994 個(gè)耕地土壤樣本（0~20 cm）的交換態(tài)鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅含量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，影響鈣與鎂、鐵與錳、銅與鋅分布的主因子分別在相同的主成份組中，鈣與鎂、鐵與錳、銅與鋅之間的相關(guān)系數(shù)較大，鐵、錳、銅、鋅之間均為極顯著正相關(guān)關(guān)系，鈣與鐵、錳、銅、鋅均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明元素的生物地球化學(xué)屬性對(duì)其地理分布有較大的影響。關(guān)鍵詞：土壤；營(yíng)養(yǎng)元素；主成份分析；聚類分析

4、；相關(guān)關(guān)系中圖分類號(hào)：S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2003）02-0160-04元素間的相關(guān)性，能反映成土過程及元素的活動(dòng)情況[1]。在自然土壤中，各元素間的相關(guān)關(guān)系一般主要受到成土因素和成土過程的影響[2~3]。而人為活動(dòng)如耕作、施肥、環(huán)境污染等因素可能會(huì)使各元素間的關(guān)系按照一定的規(guī)律發(fā)生變化[3~4]。耕地土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)因作物吸收及土壤性質(zhì)的變化而使土壤中元素的有效態(tài)含量

5、發(fā)生較大的變化[5~7]。本文的主要目的是在對(duì)沈陽市郊區(qū)耕地土壤中有效態(tài)微量元素含量分布進(jìn)行研究[8]的基礎(chǔ)上，對(duì)土壤中交換態(tài) Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 等 6 種金屬態(tài)中微量營(yíng)養(yǎng)元素的交換態(tài)含量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，以期為元素的地球化學(xué)循環(huán)及農(nóng)田土壤營(yíng)養(yǎng)元素的調(diào)控提供理論參考。1 研究區(qū)域概況和研究方法1.1 研究區(qū)域概況研究區(qū)域?yàn)樯蜿柺械臇|陵區(qū)、蘇家屯區(qū)、于洪區(qū)、新城子區(qū)。位于東徑 123.021°～123.7

6、98°，北緯41.474°～42.173°；東西長(zhǎng) 68.71 km；南北長(zhǎng) 81.18 km。區(qū)域地勢(shì)為東北面向西南傾斜，東高西低，東部為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，其它為山前沖積扇和沖積平原。東部為棕壤分布區(qū)，其它為草甸土和水稻土。共有 58 個(gè)農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要以城郊型農(nóng)業(yè)為主，耕地面積 174 742 hm2，其中水田 68 947 hm2，旱地105 795 hm2。1.2 研究方法共采集 1994 個(gè)耕地

7、土壤樣品，采樣深度為0~20 cm，每個(gè)樣點(diǎn)按 S 型取 5 點(diǎn)混合，代表面積為 80~100 hm2。交換態(tài)鈣、鎂采用 1 mol?L-1 NH4OAc 浸提，原子吸收分光光度法測(cè)定；交換態(tài)鐵、錳、銅、鋅采用DTPA 浸提，原子吸收分光光度法（島津 6200A 型）測(cè)定。測(cè)定波長(zhǎng)分別為 285.2 nm、422.7 nm、248.5 nm、279.5 nm、324.7 nm、213.8 nm[9]。結(jié)果匯總用 Microsoft E

8、xcel，匯總后利用 SPSS（Statistics Programs for Social Sciences）10.0 軟件包進(jìn)行各元素含量的分布頻率制圖、主成份分析、聚類分析和相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn)。2 結(jié)果與討論2.1 耕地土壤交換態(tài)鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅分布概況圖 1 是土壤交換態(tài)鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅的分布頻率圖。交換態(tài)鎂、鐵、錳的分布基本上符合正態(tài)分布，交換態(tài)鈣、銅、鋅為偏態(tài)分布。在 6 種元素中，交換態(tài)鎂的變幅最小，其它各元素

9、的變幅均較大。交換態(tài)鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅含量的均值和中值分別為 3.252 g?kg-1/2.853 g?kg-1、0.429 g?kg-1/0.438 g?kg-1、61.78 mg?kg-1/67.71 mg?kg-1、42.99 mg?kg-1/44.89 mg?kg-1、3.629 mg?kg-1/3.219 mg?kg-1、1.932 mg?kg-1/1.378 mg?kg-1。交換態(tài)鎂、鐵、錳的中值略大于均值，說明其

10、受到極值的影響較??；交換態(tài)鈣、銅、鋅的中值均小于均值，說明其分布在不同程度上受到高含量極值的影響。研究表明[8]，交換態(tài)鈣主要受沈陽市郊區(qū)西北部碳酸鹽草甸土區(qū)高鈣含量的影響，該區(qū)域土壤交換態(tài)鈣含量一般都162 生態(tài)環(huán)境 第 12 卷第 2 期（2003 年 5 月）的地區(qū)，交換態(tài)鐵、錳、銅、鋅的含量有可能較低。在中樞點(diǎn) 3 中，交換態(tài)鐵、銅、鋅的含量水平都是最高的，而交換態(tài)鈣的含量卻是 5 個(gè)中樞點(diǎn)中最低的，說明了

11、交換態(tài)微量元素含量高的地區(qū)，交換態(tài)鈣的含量有可能相對(duì)較低，這與中樞點(diǎn) 1 的結(jié)果形成了較為鮮明的對(duì)比。其它 3 組中樞點(diǎn)各元素含量值介于第 1 組和第 3 組之間。2.4 各元素間相關(guān)關(guān)系分析從表 4 中可以看出，交換態(tài)鈣與鎂、鐵與錳、銅與鋅的相關(guān)性最強(qiáng)。交換態(tài)鈣與交換態(tài)鐵、錳、銅、鋅均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。交換態(tài)鎂與交換態(tài)鐵相關(guān)系數(shù)很小，與交換態(tài)錳、銅正相關(guān)，而與交換態(tài)鋅呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。交換態(tài)鐵、錳、銅、鋅 4 種微量元素之間均表現(xiàn)出極

12、顯著的正相關(guān)系。從元素的基本生物地球化學(xué)屬性上看，Ca 和Mg 同為堿土金屬，在元素化學(xué)周期表中位于主族的ⅡA 族。元素序號(hào)分別為 20 和 12，離子半徑分別為 99 pm 和 65 pm，電負(fù)性分別為 1.0X 和 1.2X，原子的第一電離能分別為 590 kJ?mol-1 和 738 kJ?mol-1，電子親合能分別為 150 kJ?mol-1 和 230 kJ?mol-1。兩元素在化學(xué)性質(zhì)上具有很多相似性，因此鈣、鎂的交換態(tài)

13、含量間存在著極為顯著的正相關(guān)關(guān)系[2]。Fe、Mn 同為鐵族元素，在元素周期表中分別位于副族的ⅦB 和ⅧB 族，元素序列號(hào)分別為 26和 25，原子量分別為 55.84 和 54.94。Fe 和 Mn 的離子半徑和電負(fù)性都很接近（離子半徑分別為 76 pm 和 80 pm，電負(fù)性分別為 1.8X 和 1.5X），第一電離能分別為 759 kJ?mol-1 和 717 kJ?mol-1，在地質(zhì)作用過程中，鐵和錳有相似的遷移和富集規(guī)律，因此

14、土壤交換態(tài)鐵和錳的含量分布上表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。Fe 和 Mn 在表生作用下，?？梢猿蔀閹ж?fù)電的氧化物膠體，在膠體的遷移和富集過程中，常對(duì)Zn 和 Cu 有吸附作用。因此 Fe、Mn 與 Cu、Zn 間表現(xiàn)出較好的相關(guān)關(guān)系。另外，Zn2+可以置換出礦物晶格中的 Fe2+，隨著土壤中交換態(tài)鋅的增加，土壤中的交換態(tài)鐵含量也會(huì)增加。Cu 和 Zn 屬于親硫元素。在元素周期表中分別位于副族的ⅠB 和ⅡB 族，元素序號(hào)分別為 29 和30 號(hào)，原

15、子量分別為 63.54 和 65.38，電負(fù)性分別為 1.9X 和 1.6X，第一電離能分別為 746 kJ?mol-1和 906 kJ?mol-1。Cu 和 Zn 的共性是常以硫化物的形式存在于地質(zhì)體中，Cu2+和 Zn2+的離子半徑相差不是很大（離子半徑分別為 96 pm 和 74 pm），其活潑程度是 Zn 稍大于 Cu。基于這些特點(diǎn)，土壤交換態(tài)銅和鋅的相關(guān)性較好[3]。研究表明，土壤中碳酸鈣含量與交換態(tài)鐵、錳、銅、鋅含量一般

16、呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。如高賢彪對(duì)山東省不同土類的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，土壤交換態(tài)鐵含量與碳酸鈣含量呈負(fù)相關(guān)[10]。一方面可能是由于碳酸鹽水解產(chǎn)生高的 pH，形成 Fe(OH)3 沉淀，另一方面也可能是碳酸鈣與鐵形成更難溶的化合物，從而影響鐵的交換態(tài)含量[11]。pH 較高和含有碳酸鈣的土壤中交換態(tài)鋅含量顯著減少，土壤交換態(tài)鋅含量與pH 值和碳酸鈣含量都呈顯著負(fù)相關(guān)[12~13]。吳建民的研究表明，碳酸鈣含量越高，對(duì)鋅的吸附量就越多，交換態(tài)鋅含量也就越

17、低[14]。因?yàn)橥寥澜粨Q態(tài)鈣與碳酸鈣之間可以互相轉(zhuǎn)化，因此土壤交換態(tài)鈣與土壤交換態(tài)鐵、錳、銅、鋅之間存在著極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系關(guān)系。從以上的分析可以看出，雖然耕地土壤受到施表 3 土壤交換態(tài)元素聚類中樞點(diǎn)初始中樞點(diǎn) 最終中樞點(diǎn)1 2 3 4 5 1 2 3 4 5鈣/(g·kg-1) 7.23 1.40 1.55 1.67 2.56 5.98 2.92 2.57 3.08 2.74鎂/(g·kg-1) 0.21 0.

18、14 0.32 0.33 0.37 0.40 0.43 0.40 0.44 0.44鐵/(mg·kg-1) 2.56 86.18 163.87 35.21 110.61 21.81 72.05 113.97 47.91 91.67錳/(mg·kg-1) 4.07 15.61 12.12 76.24 87.73 14.79 45.30 43.76 41.37 58.38銅/(mg·kg-1) 1.07 1.5

19、8 9.67 2.86 3.66 2.28 3.51 6.10 2.89 4.55鋅/(mg·kg-1) 0.34 0.16 5.95 5.18 2.85 1.10 1.93 2.83 1.84 2.11樣本數(shù)/n 總數(shù) 1 981 206 676 191 566 342表 4 土壤交換態(tài) Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 相關(guān)關(guān)系變量 鈣 鎂 鐵 錳 銅 鋅鈣 1.000鎂 0.312** 1.000鐵 -0.413**