全 文 :收稿日期:!""#$"%$!" 接受日期:!""#$"&$’"
基金项目:国家重点基础研究发展规划(!""#()*"+,"’);中国科学院西部之光西部博士项目;国家自然科学基金重大研究计划项目(-"&"!""+)
资助。
作者简介:魏孝荣(*-#,—),男,陕西武功人,博士,主要从事土壤学方面研究。./0:"!-$,#"***-",123450:678/5#,9*+’: ;<3
!通讯作者 ./0:"!-$,#"*!%"&,123450:34=>4<93=? 5=8;? 4;? ;@
黄土沟壑区小流域不同地形条件下土壤锰的
形态分布及其有效性
魏孝荣*,邵明安*!,张兴昌*,高建伦!
(*西北农林科技大学,中科院、水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 #*!*"";
!陕西省黄龙县气象局,陕西黄龙 #*"")
摘要:黄土高原复杂的地形条件因改变了土壤的基本性质而成为影响土壤锰素有效性的主要原因,本文研究了黄
土沟壑区不同地形条件对锰的形态分布及其有效性的影响。结果表明,研究区土壤有效锰的含量因地形条件不同
差异很大,有效锰在土壤剖面呈下降趋势,在塬面土壤含量最高,沟道土壤含量最低。交换态锰在塬面、梯田土壤
含量较低,在坡地和沟道土氧化物结合态锰的含量显著低于沟道土壤;矿物态锰以塬面土壤最低,沟道和梯田土壤
较高,坡地土壤居中。土壤交换态锰是有效锰的直接来源,但因其含量低而对锰的有效性贡献很小;有机结合态锰
是有效锰的潜在来源,对锰的有效性贡献最大。
关键词:黄土沟壑区;锰;形态;有效性;地形
中图分类号:A*&’:+ B * 文献标识码:C 文章编号:*"",$&"&D(!"",)"’$"%’-$"+
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锰是植物必需的微量营养元素,植物生长过程
中缺锰现象经常发生[*$!]。我国缺锰土壤基本上分
布于北方[!$’]。北方大面积的石灰性土壤,尤其是
质地轻、通透性良好、有机质少的土壤中锰的供给往
植物营养与肥料学报 !"",,*%(’):%’- $ %%%
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往不足[!]。在我国黄土高原地区,土壤全锰平均含
量为 "#$ %& ’ (&,有效锰平均含量为 $)$ %& ’ (&,高于
该区土壤缺锰的临界值 $ %& ’ (&,该区有 !*)!+的土
壤缺锰["]。近年来,随着大量营养元素肥料的使用,
土壤锰供应不足对植物生长的限制也日渐凸现出
来。
不同土壤上发生的植物缺锰现象除与植物对土
壤锰的吸收过程有关外,还受锰在土壤中的化学特
性及其所决定的土壤锰的有效性制约[,,-.*]。锰是
一种变价元素,当土壤氧化还原状况发生变化时,其
存在形态也随之发生变化,从而改变了锰在不同形
态上的分配比例及其有效性[/.,0]。因此,在土壤酸
碱性变化不大时,锰的有效性及其形态分布主要取
决于土壤氧化还原状况。在黄土高原地区,不同地
形条件支配着降雨在地表的再分布及在土壤剖面的
运行过程,显著影响着土壤的水分条件,后者又决定
了土壤的氧化还原状况并因此影响锰在土壤中的存
在形态和有效性[,0.,,]。
自 10世纪中期以来,出现了许多土壤微量元素
形态分级方法,但这些方法都只是通过化学浸提来
区分土壤微量元素形态的,因此研究中所谓的微量
元素的形态只是操作意义上的形态[,1]。目前的土
壤微量元素形态分级方法中对氧化物结合态和有机
结合态的区分都是通过高温破坏氧化物和有机质来
实现的。23435和 678%%37[,#]于 ,/*/年提出的形态
分级方法通过选用特定的浸提剂实现了常温下的操
作,从而简化了土壤微量元素的形态分级程序;而
且该方法也将土壤微量元素划分为交换态、碳酸盐
结合态、有机结合态、氧化物结合态和矿物态,其对
各形态的浸提效果也较好。
本研究采用改进了的 23435和 678%%37分级方
法对土壤锰进行了形态分级,研究了位于黄土高原
沟壑区的王东沟小流域不同地形条件下土壤锰的形
态组成及在不同土壤组分间的分配特征,以期进一
步揭示小流域范围内土壤锰的有效性及其影响因素
并揭示地形条件对锰有效性的影响机理。
! 材料与方法
!"! 研究区概况
本研究在地处黄土高原南部的王东沟小流域进
行。王东沟小流域位于陕西省长武县境内,东经
,0$9!0:#0;!,0$9!1:#0;,北纬 #"9,1:!#"9,-:,海拔
,100 %,属典型的黄土高原沟壑区,流域总面积 *)#
(%1。该流域土壤母质是中壤质马兰黄土。气候属
暖温带半湿润大陆型气候,多年平均气温 /),<,多
年平均无霜期 ,$, =,! 0<活动积温 #*--<,!
,0<活动积温 #01/<,多年平均降雨量为 "*!),
%%,降水变率大,年内季节分布不均,主要集中在 $
!/月份。
!"# 样品采集与分析
于 100"年 $月按照 , > $"00比例尺的王东沟流
域土地利用图在不同地形条件下采集 #$个土壤剖
面样品,其中塬面、梯田、沟道和坡地的土壤样点数
分别为 ,1、-、$ 和 ,1 个。在每个采样点分别采集
0—10、10—!0、!0—-0、-0—*0 ?%土层土壤样品,每
点均采 #次重复组成一个混合土样。土壤样品自然
风干,分别处理过 0)1" %%和 ,)0 %%筛,供测定用。
土壤有效锰含量用 @ABC(DE$)#)浸提[,!],原子
吸收法测定。锰的形态分级采用改进的 23435 和
678%%37[,#]的分级方法测定,具体操作步骤见表 ,。
浸提液中锰的含量用原子吸收法测定。
表 ! 土壤锰形态分级方法
$%&’( ! $)( *(+,(-./%’ 01%2./3-%./3- 4(.)35 30 4%-6%-(*( /- *3/’*
锰形态 F5 G7H?I4J5 浸提剂 KLI7H?IH5IM 操作条件 ND37HI4J5 ?J5=4I4J5
交换态(KLOF5) , %JP ’ Q RE!(RN#)(DE $)0) 土液比 ,>",1"< 振荡 1 S
TJ4P > TJP8I4J5 ,>",TSH(3 1 S HI 1"<
碳酸盐结合态(UH7VOF5) , %JP ’ Q RHC?.EC?(DE ")0) 土液比 ,>",1"< 振荡 " S
TJ4P > TJP8I4J5 ,>",TSH(3 " S HI 1"<
有机态(N%OF5) 0)01" %JP ’ Q RE!K@AC(DE !)$) 土液比 ,>,0,1"< 振荡 ,)" S
TJ4P > TJP8I4J5 ,>,0,TSH(3 ,)" S HI 1"<
氧化物结合态(NLOF5) 0),$" %JP ’ Q(RE!)1U1N!.0), %JP ’ Q E1U1N!(DE #)0) 土液比 ,>,0,1"< 振荡 ,$ S
TJ4P > TJP8I4J5 ,>,0,TSH(3 ,$ S HI 1"<
矿物态(F45OF5) ERN#.EUP ,*0< 消煮 1 S,@4&3MI 1 S HI ,*0<
0!! 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ,!卷
!"# 数据处理
用 !"! 软件对数据进行通径分析、因子分析。
通径分析将自变量与因变量之间的关系分为直接通
径系数和间接通径系数,分别表示自变量对因变量
直接影响和间接影响的程度。本研究通过通径分析
研究了各形态锰对有效锰的直接影响(直接通径系
数)和间接影响(间接通径系数)。因子分析通过降
维的方法将多个变量综合为几个因子,但仍可再现
原始变量与各因子之间的关系,该方法因方便于对
变量的解释而得到广泛应用。本研究通过因子分析
将土壤各形态锰和有效锰划分为两个因子,以分析
它们之间的关系。
$ 结果与讨论
$"! 土壤有效锰的含量特征
土壤有效锰的剖面分布与地形条件密切相关,
其在塬面土壤含量最高,在沟道土壤含量最低(图
#)。梯田和沟道土壤有效锰在 $—%$ &’土层高于
%$—($ &’土层,而且在 %$—($ &’土层随深度不再
变化;坡地土壤有效锰含量在 %$—($ &’土层逐渐
降低。梯田土壤有效锰在 $—%$ &’土层与坡地土
壤接近,在 %$—($ &’土层与沟道土壤接近。用 )*+
,"浸提所得到的土壤有效锰与植物吸收的锰密切
相关,可较好的反映土壤锰素的植物有效性[#-]。余
存祖等[#.]对黄土区土壤有效锰()*,"+/0)的研究
结果表明,该区土壤有效锰 1 -2( ’3 4 53为很低,-2(
!62$ ’3 4 53为低,并把 62$ ’3 4 53作为土壤缺锰临
界值。在本研究中,各地形条件下土壤有效锰平均
含量均低于 -2( ’3 4 53,表明土壤有效锰的水平很低。
图 ! 不同地形条件下土壤有效锰的剖面分布
%&’(! )*+,&-. /&01*&231&+4 +, 565&-52-. 754’54.0.
50 5,,.81./ 29 -54/,+*70
土壤有效锰是植物可以直接吸收利用的锰,其含量
高低取决于锰在土壤中的存在形态。因此,通过分
析土壤锰的形态分布及其与有效锰之间的关系可揭
示不同地形条件对有效锰分布特征的影响。
$"$ 不同地形条件下锰在土壤剖面的形态分布
不同地形条件下土壤水分和理化性质差异较
大,造成了土壤中锰的形态分布的不同。由土壤锰
的形态分布(图 %)可以看出,交换态锰在塬面土壤
没有检测到,在梯田土壤含量较低,在坡地和沟道土
壤含量较高,而且坡地土壤交换态锰的含量在表层
($—%$ &’)高于梯田土壤,在底层(%$—($ &’)低于
梯田土壤。土壤交换态锰在 $—%$和 7$—($ &’土
层的含量高于在 %$—7$ &’土层土壤的含量,这可
能和表层土壤高的有机质含量和底层土壤高的物理
性粘粒含量(图 8)有关。土壤有机质和物理性粘粒
均能吸附较多的锰,该吸附过程为一可逆过
程[#9%,-,#7]。被土壤有机质和物理性粘粒所吸附的
锰便成为土壤交换态锰的来源,因此这两个土层土
壤交换态锰的含量较高。塬面土壤没有检测到交换
态锰,这与土壤通气状况有关,塬面土壤通气良好,
土壤处于较强的氧化状态,溶液中的锰离子被氧化
为 /0:%并沉淀下来而不能检出[#6]。
土壤碳酸盐结合态锰含量以沟道土壤最低,并
且在剖面上逐渐降低。碳酸盐结合态锰含量在 $—
%$ &’土层以塬面土壤最高,梯田和坡地土壤次之;
在 %$—7$ &’土层则以梯田土壤最高,坡地和塬面
土壤次之。坡地土壤碳酸盐结合态锰含量在剖面上
变化最小,塬面土壤在剖面上变化最大。土壤有机
结合态锰的含量与有机质含量密切相关,塬面土壤
剖面有机质含量最高,其土壤有机结合态锰的含量
也最高,沟道土壤剖面有机质含量最低,其土壤有机
结合态锰含量也最低。受有机质剖面分布的影响,
坡地和沟道土壤有机结合态锰在剖面上降低较多,
塬面和梯田土壤剖面有机结合态锰含量变化不大。
土壤剖面中氧化物结合态锰以沟道土壤含量最
高,这与锰在土壤中独特的化学性质有关。在常见
的土壤 ;<范围内,随着土壤氧化还原电位的降低,
土壤溶液中的锰易形成难溶态锰而沉淀下来[=],此
部分的锰在形态上也被划分为氧化物结合态锰,因
此沟道土壤中该形态的锰含量最高。塬面、坡地和
沟道土壤氧化物结合态锰的含量亦随土层深度的增
加逐渐增加,其中坡地土壤在剖面增加较少,塬面和
沟道增加较多;而梯田土壤氧化物结合态锰的含量
在剖面上稍有降低。土壤中的矿物态锰以塬面土壤
#--8期 魏孝荣,等:黄土沟壑区小流域不同地形条件下土壤锰的形态分布及其有效性
图 ! 不同地形条件下各形态锰的剖面分布
"#$%! &’()#*+ ,#-.’#/0.#(1 () 231$31+-+ )’34.#(1- 3- 3))+4.+, /5 *31,)(’2-
图 6 不同地形条件下土壤有机质和物理性粘粒的剖面分布
"#$%6 &’()#*+ ,#-.’#/0.#(1 () -(#* (’$31#4 23..+’ 31, 785-#43* 4*35 3- 3))+4.+, /5 *31,)(’2-
最低,沟道和梯田土壤较高,坡地土壤居中。塬面和
沟道土壤矿物态锰在剖面有较大幅度的降低,坡地
和梯田土壤则在剖面变化不大。
!96 各形态锰与土壤有效锰之间的关系
通过进一步分析土壤锰形态与有效锰之间的关
系(表 !)发现,交换态锰与有效锰极显著正相关,而
且对有效锰的直接通径系数最大,表明交换态锰是
土壤有效锰的直接来源,也是有效锰的主要来源。
碳酸盐结合态锰也与有效锰显著正相关,但对有效
锰的直接作用最小,而通过交换态锰、有机结合态锰
和氧化物结合态锰的间接作用较大,通过矿物态锰
的间接作用为负作用,因此可认为碳酸盐结合态锰
与有效锰之间的正相关是与交换态锰、有机结合态
锰和氧化物结合态锰相互作用的间接结果,其本身
!"" 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 #"卷
对土壤锰的有效性没有贡献。一般认为,有机结合
态锰是土壤有效锰的来源[!"#,$,!%,!&],本研究中有机
结合态锰与有效锰之间极显著正相关,对有效锰的
直接作用也达到了 %’((&,仅次于交换态锰,而且有
机结合态锰通过氧化物结合态锰的间接作用为
%’!$&,表明有机结合态锰对有效锰的贡献主要是自
身的直接作用和通过氧化物结合态锰的间接作用来
实现的,是土壤有效锰的潜在来源。
土壤氧化物结合态锰对有效锰的直接通径系数
为负值,而且通过交换态、碳酸盐结合态和有机结合
态锰的间接通径系数也为负值,这就造成了氧化物
结合态锰与有效锰之间极显著负相关的关系,这种
负相关是由土壤中的 )*# +在氧化锰表面的吸附造
成。该吸附过程促进了锰的自动催化氧化作用[!,],
从而增加了氧化物结合态锰含量,并减少了有效锰
的含量。土壤矿物态锰是土壤中不能被植物吸收利
用的锰,可通过还原作用向其它形态转化,该过程往
往造成土壤矿物态锰含量的降低和有效锰含量的增
加。因此,矿物态锰对有效锰呈现出较大的直接负
作用,并与有效锰负相关。
表 ! 土壤各形态锰与有效锰之间的通径系数及相关系数
"#$%& ! ’#() *+&,,-*-&.( #./ *+00&%#(-+. *+&,,-*-&.(1 +, 2#.3#.&1& ,0#*(-+.1 #./ #4#-%#$%& 2#.3#.&1&
形态 直接通径系数 间接通径系数 -*./0123 4536 27188/2/1*39
!
:0523/7* ;/0123 4536 27188/2/1*39 <=>)* ?50@>)* AB>)* A=>)* )/*>)*
<=>)* %’$C! %’%!$ " %’%!C %’%$$ " %’#%! %’(%,
?50@>)* %’%D! %’!#D %’!$& %’!,% " %’#%C %’(%C
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注(F731):<=>)*、?50@>)*、AB>)*、A=>)*和 )/*>)*分别为交换态锰、碳酸盐结合态锰、有机结合态锰、氧化物结合态锰和矿物态锰 <=>)*,
?50@>)*,AB>)*,A=>)* 5*. )/*>)* 501 1=265*G15@H1,250@7*531 @7I*.,70G5*/2 B53310 @7I*.,7=/.19 @7I*. 5*. B/*105H @7I*. B5*G5*1919,0194123/J1HK;
!%’%! " %’#!D,# " !$!’
通过分析土壤各形态锰和有效锰的因子分布图
(图 $)可以发现,交换态锰由于是有效锰的直接来
源,从而单独地划为一组,其在土壤中的含量很少,
对有效锰的贡献小,因此与有效锰的距离较远;有
机结合态锰是有效锰的潜在来源,而且其含量较高,
与有效铁划为同组。碳酸盐结合态、氧化物结合态
和矿物态锰对有效锰没有贡献,在因子分布图上分
布较为离散而且远离有效锰。
有机结合态锰是土壤有效锰的主要来源,其在
图 5 土壤锰形态和有效锰的因子分布图
6-375 6#*(+0 #.#%81-1 +, #4#-%#$%& 2#.3#.&1& #./ -(1 ,0#*(-+.1
塬面土壤的含量较高,在沟道土壤的含量较低,因此
有效锰含量在塬面土壤最高,在沟道土壤含量最低。
交换态锰是有效锰的直接来源,但因为其含量很低
而对有效锰的贡献较小,所以不同地形条件下交换
态锰的含量特征并不能反映土壤有效锰的分布状
况。矿物态锰的含量在沟道最高,在塬面最低,这也
对应着不同地形条件下有效锰的分布特征。
9 结论
!)黄土沟壑区小流域土壤有效锰的含量因地形
条件不同差异很大,土壤有效锰在剖面呈下降趋势,
在塬面土壤含量最高,沟道土壤含量最低。
#)交换态锰在塬面、梯田土壤含量较低,在坡地
和沟道土壤含量较高;塬面、梯田和坡地土壤碳酸
盐结合态和有机结合态锰的含量高于沟道土壤,氧
化物结合态锰的含量显著低于沟道土壤;矿物态锰
以塬面土壤最低,沟道和梯田土壤较高,坡地土壤居
中。
()土壤交换态锰是有效锰的直接来源,但因其
含量低而对锰的有效性贡献很小;有机结合态锰是
有效锰的潜在来源,对锰的有效性贡献最大。
($$(期 魏孝荣,等:黄土沟壑区小流域不同地形条件下土壤锰的形态分布及其有效性
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MMM 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 !M卷