喀斯特农业生态环境钙镁补偿研究

喀斯特农业生态环境钙镁补偿研究高尚玉 毕 坤(贵州省环境监测中心站)(贵州省地矿局地质科学研究所)主后词： 钙镁补偿 农业生态 喀斯特内容提要 钙镁 是农作物生长 所需的主量元素，在喀斯特农业生态环境中钙镁的赋存、迁移、平衡能否满足农作物生长的需要，是一个研究很薄弱的问题。本文应用钙镁迁移转化的垂直剖面变化，阐述其自岩石、土层、农作物的赋存状况及供需平衡关系，初步总结出碳酸盐岩富钙镁，土层贫钙镁，农作物需钙镁的生态特征，以所掌握的资料，提出该区缺钙镁的认识，并采取相应的补偿对策，改善缺钙镁的生态环境。由酸盐岩为物质基础形成的喀斯特农业生态环境，是在特定的地质、地貌、土层、地球化学、植被、气候、水文等因子对农业生产效应综合反映而赋予的独特内函。在喀斯特分布占全省面积 70左右的贵州，其特点是山多地少，土层薄，土地自然肥力低，植被覆盖率低，垂直气候变化大，水文条件复杂。尤其是农作物根系生长的岩石及土层，在成岩过程和成土过程中矿物元素含量先天不足及可溶性矿物流失，使土层中矿物元素贫乏，最突出地表现在钙镁含量更为短缺，难以满足农作物生长之需。关于喀斯特农业生态环境缺钙镁的问题，一般难以理解，习惯认为富钙镁的碳酸盐岩区应是高钙镁区，以为钙镁在土层中含量也高，而忽略了成土过程中钙镁易流失的问题。两者之间形成了一个误区。笔者从工作实践及收集有关资料进行研究，初步认为该环境碳酸盐岩富钙镁，土层贫钙镁，农作物需钙镁，并提出补偿钙镁的措施。由于资料少，所得结论是否正确，还须深入研究，此文仅供参考。1 富钙镁的碳酸盐岩 ，贵州碳酸盐岩分布面积 12 万 km2 以上，各地区均分析过 CaO、MgO 的含量，但分散在各种普查找矿、喀斯特研究报告中，难予汇总，唯“黔南岩溶研究 ”中 9，系统地测试分析了不同时代地层的碳酸盐岩剖面 CaO、MgO的含量(表 1)，所得结果基本反映其化学成分。 CaO 加权平均含量为 25275563，MgO 加权平均含量为0126 6，CaOMgO 为 13830766，说明各类碳酸盐岩钙镁含量较高，成为该两元素的贮存库。表 1 震旦系 第四系碳酸 盐 岩 CaO、MgO、酸不溶物平均含量表2、 第四系松散堆积层的钙镁含量喀斯特区第四系松散堆积，可分为由碳酸盐岩风化形成的原地堆积层，主要为黄、黄棕、红色粘土、亚粘土、砂质粘土， ，是 贵州土壤的最大底土层，地质上常称残积层。第二 类为近源和远源搬运堆积在碳酸盐岩分布区的不同颜色的亚砂土，亚粘土、砂砾层等，称异地堆积层，成因为坡积，冲积、洪积、湖 积等类 型。前者因碳酸盐岩成岩过程中物质成分较单一，成土后矿物元素含量低，影响自然肥力。后者在堆积、搬运过程中带来了较多的矿物岩石，其中矿物元素含量相对增加，矿物营养元素较富，自然肥力较高。两种堆积类型的共同特征，都具有可溶性钙镁等元素大量流失，硅铝大量富集，成为缺钙镁的生态环境。贵州中部高原喀斯特区六枝、贵阳、凯里一线以南，采集了 27 个原地堆积土样，测试 CaO 的含量为 0.060.87，MgO 的含量 0.671.94(表 2)。贵州省环境保护科学研究所对贵州省主要土类背景值研究结果， CaO 的区域平均 值为 0.41，MgO 的区域平均值为 0.89。不同土类和不同母岩形成的土壤，CaO 和MgO 的含量列入表 3，可看出钙、镁含量一般较低。六盘水野钟自然保护区石炭系灰岩成土富集系数，Ca 为0.3l，Mg 为 0.050.25，比 Sl、Al、Ti、Fe 低若干倍。茂兰自然保护区石灰岩的成土富集系数，Ca 为 0.0240.03，Mg 为 0.1251.28，排在 Si、Al、Ti、Fe、K、P 之后(表 4)相差十分悬殊。黔南烟草地 质 研究中一测试了十三个点的资料(表 5)，CaO 为 0.04一 3.20，平均为0.68，MgO 为 0.17一 4.59，平均为 1.16。后十个点在碳酸盐岩区，CaO 平均为 0.2，MgO 平均为0.89。贵州草海第四纪湖相沉积粘土 CKl7 孔厚78m，CaO 为 1.0519.97，平均为 8.01，CKl5 孔厚 73m，CaO 含量 0.97一 11.61，平均为 2.45。Ca的含量较高，反映当时沉积环境中碳酸钙的富集与风化型的粘土有差异。但 CKl5 孔表层 全新世的泥炭及有机质粘土，CaO 含量 仅 0.97。上述可以看出，表土 层是一个钙镁贫乏层。3、 耕作土层中钙镁有效态含量据已收集的矿物元素有效态在土层中的含量，以K、P、N、B、Mo、Zn、Mn、Cu、Fe、稀土为较多，而主量元素 Ca、Mg 则很少，现将仅有的黔南烟草地质种值试验的资料列如表 5，平均含量 Ca 为 0.012，Mg 为0.009。 4、 钙镁在垂直剖面中的转换系数 在黔南烟草地质研究中，分别测试了岩石、土层中钙镁的有效态及烤烟垂直剖面的钙镁元素含量，然后用烤烟与土层有效态含量的比值，土层有效态与土层含量的比值，土 层与岩石中含量的比值( 表 6)所得结果反映其转换关系，明显地看出岩石富钙镁，土层贫钙镁，烤烟需钙镁的特征。表 2 黄红色粘土化学分析结果表Si02 Fe203 Al2O3 CaO MeO SP K Hg Cu Pb Zn Cd Cr N CO MO A F元 素含 量剖面号 () Mg/KgYQ431.06318213.0715，4028.6733.930.060.110.670.940.01400430.05101241.251.760.540.7495.01100428542084533.04.8100.0108.080233181854.045.47099 16002700YQ5383l42951328149426.88280401l0240790880018001800390047117134062068100118591392402932634800950109178331003.44.943.957.212501400YQ75445103918000871090017006914901395531471，893076401.41551700YQ9 2998 1751 3183 008 0910，0ll0064154 104 118 12l 355 26 850143 63 52 787 2200YQ10 44.71 1799 34，14010 090 0013 0133 141 045 223 446 489 38 98 320 168 31 535 2700YQ12649l7471622004088001000261740084557901667871.6332900YQ15 43.1710622659015215001l00234。0303292107255287512l80324694200YQ18 4887 946 2359010 194001000333720247414616212716882274153300YQ30 4195 1657 23390041 142005809 80656147636336962250表 3 贵州不同土类及不同母岩土壤钙镁元素背景值（%）背 景 值元 素 名 统 计 单 元 样 品 数 分 布类 型 全 距 X 或 G S 或Sg背 景 值 范 围紫 色 土 19 B 0.055.07 0 19 1.72 0 053 63水 稻 土 49 L 0.052.49 0 3952.588 0 062 65石 灰 土 38 L 0.197.60 1 2532.280 0 246 51黄 壤 64 B 0.050.46 0 060.11 O 050 28黄 棕 壤 15 N 0.050.66 0 280.20 0 050 68CaO红 壤 29 B 0.050.17 0 050.04 0 050 13紫 色 土 19 N 0.603.99 2 120.91 0 303 94石 灰 土 38 L 0.27 一 4.06 4291.916 0 395 25水 稻 土 50 N 0.2l 一 2.18 1 090.43 0 231 95黄 壤 63 L 0.241.96 0 6641.484 0 30 一 1 46黄 棕 壤 15 N 0.451.82 1 05 0.8 0 29 一 1 81MgO红 壤 30 L 0.260.91 0 4591.09 0 230 91砂 岩 42 B 0.050.47 0 050.3 0 050 31石 灰 岩 71 L 0.058.88 0 7852.74 O 096， 94第 四 系 26 B 0.050.85 0 100.9 O 050 48页 岩 29 B 0.051.67 0 11 0.2 0 050 ?5冲 积 母 质 14 N 0.051.25 0 460.38 0 05 一 1 22CaO砂 页 岩 32 B 0.051.66 0 070.44 0 050 95砂 岩 43 B 0.241.84 0 490.45 0 24 一 l； 39石 灰 岩 71 N 0.214.06 1 42 0.88 0 213 18第 四 系 27 L 0.421.96 0 8011.495 0 36 一 1 79页 岩 30 L 0.3l 一 3.05 O 9381.889 0 263 35冲 积 母 岩 14 N 0.421.66 1 00 0.41 0 18 一 1.82MgO砂 页 岩 32 B 0.333.99 0 741.13l 0 333.00表 4 茂兰石灰土的成土富集系数母 岩 地 点 项 目 Si02 Fe2O3 A12O3 CaO MgO K2O TiO2 P2O3土 壤岩 石系 数48 470 7961 358 300 5814 3l19 970， 6530 720 7631 640 0242， 4519 600 125O 340 0S5 671 540 0438 500 140 0114 0白 石岩毕拉坳序 列 Si02TiO2Al2O3Fe2O3P2O5K2OMgOCaO土 壤岩 石系 数45 450 8354 768 340 1459 5726 590 5548 351 5854 300 031 951 521 280 550 0318 331 420 0623 660 060 016 0石灰岩瑶寨序 列 Fe2O3SiO2Al2O3TiO2K2OP2O5MgOCaO表 5 黔南不同岩类区耕作土钙镁含量及有效态含量含量()木老坪玉华小开洲新华董岭鸡场七克麻翁王宋广农沙子关龙昌长虹村平均CaO 055 318 320 017 026 010 026 052 032 004 0。10 0.16 0.12 0.68MgO 243 147 245 459 039 017 074 083 035 040 032 1.01 0.12 1.16Ca()(有效态) 001380.0218 00083001540008 000970017590123001001130.004MeO(有效态) 0015 00103900630.0094 0010 0012 0005 00143001450.0147 0.0125表 6 钙镁在垂直剖面的转换系数表元 素 木老坪 玉华 小开洲 新华 董岭 七克 王宋 麻萌 沙子关 广农烤烟土层有效态163 78 240 106230 183 221 74 177 203土层有效态土层003 001021 006005 006 005 005 005 009Ca土层岩石 003 273029 0007 0003 0007000600090005Mg 烤烟土层 34 35 45 45 26 39 19 42 19 28有效态土层有效态土层0008 00200l 0003 004 0020050007008 003土层岩石 1007 126O8 58 19 00404250035 钙镁离子在土层中的饱和度土壤中的盐基饱和度，代表盐基离子交换量与阳离子交换量的比值百分数，土壤的肥力与盐基离子交换量成正比，与阳离子交换量成反比。换句话说，盐基离子越高，矿物营养元素越多，有效性越高；阳离子交换量越大，其有效肥力也越高。钙的饱和度一般为 6585表示充足，低于 65则钙量不足，产生缺钙症。目前仅收集到梵净山区钙的饱和度平均值为10.5%,远远低于 65的下限。镁的饱和度平均值为 305，也较低。阳离子交换量与土壤肥力分为三级，大于20mmollOOg 的土为强肥力，1020mmollOOg 的土为中等肥力，小于 10mmol100g 的土为弱肥力，据遵义地区土壤，水稻土、旱土，自然土大于 20mmollOOg 的土阳离子交换量为其面积的 179。黔东南州水稻土及旱土大于20mmol100g 的土阳离子交换量为本州面积的 159。贵州全省耕土面积 80左右属土壤肥力中下水平。土壤普查的成果只反映阳离子交换量和盐基饱和度，对单项盐基离子的饱和度，因工作量大，难予进行。6 农作物对钙镁的需求量钙镁是农作物生长所需的主量元素，缺乏或过量对其产品质量皆有影响，不同的作物佳 浓 度 含 量 各 异 ， 烤 烟 中 钙 的 最 佳 浓 度值 为 2 3 ， 镁 为 o。 4 一 1 5 ， 据 黔 南 烤 烟 钙 镁 元 素测 定 ， 钙 在 28 个 元 素 总 量 中 占 18 一 32 ， 镁 在 28 个 元素 中 占 总 量 的 0 3 一 6 5 ， 经 统 计 50 以 上 的 烤 烟 缺 钙镁 ， 补 偿 钙 镁 可 提 高 烤 烟 质 量 。农 作 物 的 钙 镁 需 求 量 可 用 吸 收 系 数 表 示 ， 六 盘 水 野 钟 自 然保 护 区 植 物 的 吸 收 系 数 如 表 7， 黔 南 烤 烟 吸 收 系 数 如 表 8。 钙和 镁 的 吸 收 系 数 大 于 其 他 元 素 ， 农 作 物 吸 收 钙 镁 量 较 大 ， 说 明需 要 量 也 高 ， 体 现 了 钙 镁 元 素 在 农 作 物 中 的 主 量 地 位 。表 7 野 钟 保 护 区 植 物 吸 收 系 数 (植 物 土 壤 )(%)项 目 Ca Mg Al Si Fc Ti Mn NO植 物 10 5 0 510 0 150 050 030 15土 壤 0 10 52 10 4 0 50 150 03系 数 100 10 0 251 0 040 1 0 25顺 序 Ca(100)Mg(10)Na(5)Si(1)Al(0.25)Mn(0 2)Ti(0 1)Fc(0 04)表 8 黔 南 烤 烟 吸 收 系 数 (烤 烟 土 壤 )( )项 目 Ca Mg Al Si Fc Ti Mn Na烤 烟 1 92 0 34 0 02 0 26 0 02 0 004 0 0l 0.004土 壤 0 3 0 80 5 2 33 12 2 87 0 52 0 05