桂东南荔枝园土壤养分状况与生态地球化学调查

桂东南荔枝园土壤养分状况与生态地球化学调查

现代农业科技为优化农业生产提供了新思路。农业化学应研究岩石和土壤微观对植物生长和果实品质的影响，确定各种作物的养分，并选择具有丰富养分的土壤和岩石分布区域进行规划栽培和配置，以提高产量，优化品质。地球化学与农业相结合,充分应用地球化学资料,研究与农作物生长有密切关系的各种营养元素和有益元素,以及有害元素在基岩、土壤中的分布特征,探索其与农作物生长、产量、品质的关系,科学规划种植,因地因需有效施肥,达到提高作物产量和品质,以及建立和扩大名特优产区,建设绿色农业基地的目的,是当前提高农业经济效益的重要出路[1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6]。本文选择桂东南梧州市沙头和古凤两个重点研究区,野外采集了施肥圈内、外上层土壤和施肥圈外下层土壤、两区出露的代表性基岩,以及荔枝叶、青果和熟果样品,实测了主量和微量营养元素、稀土元素、有害元素以及营养元素有效态的含量。应用现代农业地球化学的理论,研究梧州市淮枝等主要品种荔枝的特征和营养元素组合;通过计算荔枝株对营养元素的吸收率和研究果园生态系统中营养元素的循环富集及在植株中的累积规律,讨论了各营养元素在荔枝生长及结果期的营养作用。1桂东南地区的荔枝经济与荔枝农业地球化学的研究1.1广西岩南山地植物分布区桂东南地区包括梧州、贵港、玉林、南宁、钦州、北海等市和地区,梧州地区是广西荔枝主产区,其中梧州市、藤县、苍梧和岑溪所产淮枝等优良品种1生产和出口历史悠久、驰名中外,并有良好的扩种和发展前景。桂东南地区位于北回归线以南,南面靠近热带海洋,气温高,热量充足,夏长冬短,雨量充沛,具备优越的荔枝生长气候和生态环境条件。本区地势低洼、河谷密集,浔江以南,郁江和南流江两岸冲积平原连片,西高东低,属低山和丘陵夹平原地形,区内坡缓土厚、保水性好,都具备种植荔枝的优良条件,2。我国是世界上栽培荔枝最早的国家,广西又是较早种植荔枝的省区。荔枝是广西六大果树之一,它长寿高产、适应性强、经济收益高,在南方果品生产中占有重要的位置。改革开放以来,广西荔枝生产发展迅猛,栽培面积超过20万hm2。梧州地区是广西荔枝主要商品基地之一,主产地为苍梧及浔江两岸的县市,主要种植品种为淮枝(禾荔),占全县荔枝总面积90%以上,其次为糯米糍、胭脂红、白蜡等。全地区1997年和1998年的种植面积分别是14.19万亩(1亩=666.6⋅m2=666.6⋅m2,下同,编者注)和15.12万亩,产量分别为1.07和0.98万t,年产值达0.76和0.98亿元。近年来,荔枝国际市场竞争激烈,1999年以来我国荔枝鲜果和罐头出口明显下降,主要原因是产量低、品种结构不合理,以及产季集中;为提高荔枝出口竞争力、夺回国际市场优势还需增大荔枝生产的科技含量。1.2环境因子及微量元素。在环境保护经过几代果农和园艺家,也包括农业地质学家的努力,桂东南荔枝经济得以持续高速的增长。其中特别应强调的是农业地球化学研究在本区近几年荔枝农业科技改造中作出了重要贡献[10,11,12,13,14,10,11,12,13,14],3。1996年,刘吉元研究我国荔枝果实品质性状发现,同一品种在不同地方、不同年份或不同栽培条件,其单果重、可食率和可溶性固形物含量不同,而且三者呈一致性的变化。2000年,杨冰仪等对荔枝微量元素含量和分布进行研究,结果表明,荔枝果肉含有较丰富的常量和微量元素。常量元素有K>Mg>Ca>Na趋势,微量元素含量呈现Fe>Zn>Cu>Mn>Pb>Ni>Mo>As>Ge>Se>Cd=REE趋势。1996—2000年,蒋要林、李建国等、颜戊利等进行了荔枝及土壤中营养元素的含量分析研究。认为与其生长土壤中含量相比,荔枝各器官K、Ca(除果肉外)、Cu的含量均较高,甚至高出几十倍,表明荔枝对土壤有效态K、Ca、Cu富集能力较强[17,18,19,20,17,18,19,20]。荔枝果肉含有比较丰富的K、Ca和适当的Fe、Zn、Mn,都是人体必需的,提出荔枝是优质保健食品。2000年,广西地质调查研究院完成了《梧州市农林业地质环境编图报告》,提出V是梧州地区荔枝生长的特需元素,并根据区域1∶20万水系沉积物测量资料的数据处理,圈出营养元素高值区,全市划出了三片荔枝作物宜种区4。1997年,彭宏祥等利用酶谱对沙头迟荔进行分析,结果表明,“沙头迟荔”与“禾荔”亲缘关系最近,相似度系数为0.923;其次是“江口荔”和“立秋荔”。而与“下番枝”亲缘关系最远,相似度系数仅为0.462。据此推断,“沙头迟荔”应当是“禾荔”优良芽变类型,提出扩大沙头迟熟品种荔枝种植有重要经济意义。2分析方法及结果古凤和沙头荔枝种植园分别位于浔江南北的苍梧县和梧州市。古凤地区广泛分布花岗岩基岩,盛产传统优质品种荔枝“淮枝”,沙头地区主要分布泥盆系紫色砂岩和砂页岩,近年来培育出晚熟品种,提高了经济效益。为研究基岩和土壤地球化学背景特征对荔枝生长和果实品质的制约关系,采集了两区岩石、土壤和植株样品共345件,分析了以矿质元素为主的元素32个。样品的测定,由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成,分析方法包括无火焰原子吸收法、原子荧光光谱、等离子体质谱法、凯氏法、电导法等。结果见图1。从图1可以总结以下几点特征和规律:(1)1在古凤的花岗岩区和沙头的页岩区,除氮、磷、钙、有机碳和钾,因农业施肥在土壤中含量高于岩石外,其余的元素在岩石和土壤的含量两条曲线靠的很近,表明土壤的化学成分对母岩具明显的依赖性。叶片的元素含量曲线,也是以上列施肥的元素高于岩石土壤,其余元素均低于岩石和土壤,但总体上有相同的起伏趋势。(2)2P以后的13个元素的含量,几乎总是土壤>岩石>荔枝叶,说明土壤相对岩石而言富集这些微量元素,而荔枝对其吸收是有限的。(3)3Mn以前的10个元素,岩石和土壤含量曲线在两个地区有所差别:沙头区砂页岩中富含Ca、Mg、P、Fe、K,而古凤区花岗岩基岩相对富S、Mn。土壤中元素含量也有相应变化,是两区荔枝生长土壤环境的基本差别。3有机生化组分曾群望等提出,在植物体中一组能表明特定环境对植物产生特定影响的化学元素,为“植物特征元素组合”。特征元素与能表明植物体品质和食用健康的有机生化组分关系密切,也是该植物从土壤中吸收率较大的成分。通常植物生长所需的重要营养元素有C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S以及Fe、Cu、Mn、Zn、B、Mo、Co、Cl等,其中C、H、O、N4种元素大部分来自空气和水,主要来自农业地质背景(母岩、土壤、地下水)物质的元素称为矿质营养元素。3.1刺槐不同介质对刺槐生长的影响研究区30件荔枝叶、2个荔枝青果和6个荔枝熟果样品元素含量的平均值列入表1。荔枝测定项目选择根据前期研究荔枝中常出现的18个矿质元素。表列植物中的元素,采用压片法X-荧光光谱法所测得的数据为<50℃烘干植物干物质含量,其余为灰化后元素含量。按元素含量大小排序,沙头、古凤两研究区各介质(器官)及全体平均值在各含量档次中出现的元素组合,说明荔枝植株各介质对不同元素吸收规律基本一致,只是含量大小的排序不尽相同。元素含量最高的组合(≥100mg/kg)为K、Ca、Mg、P、Si、Fe、Mn。这些元素也是土壤和地壳表层中含量较高的元素,有力证明土壤地质背景和荔枝的密切关系。含量中等(99~1mg/kg)的元素为Zn、Cu、B、Ni、Pb;低含量(<1mg/kg)的元素组合为Mo、Co、Th、Tl、Cd、U。荔枝植株中的矿质元素主要是从土壤中吸取的,含量大小不完全反映荔枝对其需要的程度。研究表明,有些是荔枝生理过程必需的元素,如K、Ca、P、Mg等,而另一些是由于土壤环境中含量高而被迫摄入的,甚至还能大量积累,如Si。反之,有些元素虽然是荔枝生长或形成名优品种的营养很必需的,却因其需要量甚微,只是在荔枝植株中少量存在。尽管如此,荔枝植株中含量高的元素,也有其特殊的意义,即使是被迫吸收而大量积累的,也会影响荔枝生长的生理过程,促使植株产生变异,以适应土壤环境。所以,取含量大的7个元素K、Ca、Si、Mg、P、Fe、Mn为本区荔枝生长特征元素。对于含量小而必需程度高的营养元素,可用吸收率指标筛选出来。3.2矿质元素吸收系数荔枝对元素的吸收系数表示荔枝植株从土壤中摄取元素强烈程度,吸收系数:Xj=Tj/SXj=Τj/S式中,Tj是元素在j介质(器官)中的含量,S是在土壤中的含量(指施肥圈土壤),Xj是j介质对元素的吸收率。按荔枝对元素吸收程度的大小,将吸收系数分为4个等级:Ⅰ、强烈摄取的元素(Xj≥1);Ⅱ、中等摄取的元素(Xj≥0.1);Ⅲ、微弱摄取的元素(Xj≥0.01);Ⅳ、极弱摄取的元素(Xj≤0.01),表2。吸收系数包含了荔枝对元素需要的程度、摄入量及该元素在土壤中的丰度等含义。一般说,吸收系数较大(Xj≥0.1)的元素,是荔枝从土壤中主动选择吸收的组分,为其生理必需元素。但是,吸收系数小的元素,不一定都不是荔枝需要的元素。因为尽管某元素为荔枝必需,但是由于它在土壤中含量太高,以致计算出的吸收系数小。这种情况,还可以通过研究其在荔枝植株中的含量及相关性等确认。分别计算了两研究区荔枝植株对21个元素的吸收系数及全体平均值,列入表2。并做出对元素的吸收系数大于等于0.1的吸收率特征图(图2)。从表2和图2可以看出,梧州地区荔枝对矿质元素的吸收系数分等级如下:(Ⅰ)荔枝强烈摄取的元素为K、Ca、P、Cu;(Ⅱ)荔枝中等摄取的元素为Zn、Mn、Mg、B、Mo、Ni;(Ⅲ)荔枝微弱摄取的元素为Fe、Co、U、Tl、Pb;(Ⅳ)荔枝极弱摄取的元素为Si、Th、La、Y、Yb、Cd。综上所述,桂东南地区荔枝株吸收系数(Xj≥0.1)属Ⅰ、Ⅱ等级的元素Ca、K、P、Cu、Zn、Mn、Mg、B、Mo、Ni可作为本研究区荔枝生长的营养元素。4大树林树体营养的种类和含量植物生长的地域、生长期以及植物种类等因素的不同决定了植物对土壤营养的特需性。荔枝在其生长、开花和结果的不同发育阶段所需要的营养元素的种类和含量不尽相同。生长期树体储积养分,为开花做准备。结果期吸收必要的营养元素,起到提高坐果率、壮大果实等作用。4.1沙头石榴中cu和mo元素含量的含量植物叶片中营养元素的含量特征,直接反映树体的营养状况。在荔枝生长期,叶片中营养元素含量的多少总体上反映植物在生长期对土壤的营养需求。现将研究区荔枝叶片微量营养元素含量与植物叶片正常含量进行比较(表3),以便进一步明确桂东南地区荔枝生长环境的营养特性。由表3的数据对比看出:沙头和古凤两区的荔枝叶片中含B元素较低,它们的含量最大值比植物叶片正常含量范围的最小值还小;相反,Mn元素的含量极高,比植物正常叶片含量高出5~10倍。由于含量指标和数据包含一定的变化范围,从表3还难以清楚看出梧州地区荔枝叶片营养元素的含量特殊性。为此,将沙头、古凤两研究区叶片的实测数据进行统计分析,然后分别与适宜含量标准相比较。再将数据分成三个数据段,按所占百分数列表:第一类数据:小于适宜标准最小值,第二类数据:在适宜标准范围内,和第三类数据:大于适宜标准最大值(见表4)。结合表3、表4对比可知:沙头荔枝叶片中Cu元素质量分数中93%的数据分布在第二类数据中,与古凤的Cu含量在植物叶片正常范围内一致。同样,Fe元素质量分数中87%的数据属第三类数据,也与古凤的Fe含量高于植物叶片正常含量范围一致。对于Mo元素两地的数据分布较相似,证明研究区局部地区营养元素Mo缺乏,导致40%以上的数据落在第一类中。植物吸收的NO-3必须还原为NH+4才能与有机酸结合形成氨基酸进而合成蛋白质,而钼是构成硝酸还原酶和氮化酶的要素,对氮代谢和果胶物质的代谢有重要影响,能提高植物对二氧化碳的吸收能力,促进碳素的同化。缺钼时,植物不能同化硝酸盐。近些年来研究,发现钼存在于叶绿体中,并且在繁殖器官中累积,缺钼籽实产量降低。Zn在两研究区的供需情况相反,第一类数据中古凤的占27%,沙头的占80%,而第二类数据中古凤和沙头的分别为73%和20%。统计结果表明,总体低Zn是研究区的特性,且沙头缺Zn比古凤要严重得多;锌在两区荔枝叶片中含量的差别,显示了与母岩性质有关的生长土壤锌供给的不同,可能是导致两区荔枝成熟期不同的一个地球化学因素。总之,锌是植物多种酶的组成部分,也是一些酶的激活剂与抑制剂,其中碳酸酐酶在光合作用中起重要作用,它对氮代谢和蛋白质合成起核心作用。植物缺锌时,叶脉间叶肉失绿,且反差很强,并影响籽实形成。由以上分析归纳出沙头、古凤两研究区荔枝生长期对土壤微量营养元素的需求和土壤供给状况如下:(1)1由于土壤中Mn、Fe含量高,荔枝对Mn、Fe吸收率较高,荔枝叶片中Mn、Fe比植物正常营养含量高5~10倍;(2)2叶片中B含量是植物正常需要含量的1/2~1/7,与本测区土壤中普遍缺B的状况吻合;(3)3对Cu、Mo的营养需求和供给,和植物平均值差不多,但研究区局部Mo营养供给不足;(4)4Zn在本区总体属供给不足的元素,但观察的两个测区情况又有差别,古凤花岗岩母岩区土壤供给Zn情况好于沙头区。4.2个元素的含量叶龄、挂果状况是影响叶片养分浓度关系的最显著的因素。植物在不同的生长期对土壤营养的要求不尽相同。通过研究青果和熟果营养元素含量的比值,以及熟果与叶片中元素含量比值,可以判断荔枝在结果前期和结果期对土壤营养元素的需求变化(图3)。由图3的12个元素的4组比值曲线可以看出:(1)1古凤和沙头两区元素的熟果/叶片和青果/熟果比值在1上下跳动,比值等于1和大于1的元素有P、K、B、Zn,这4个元素为荔枝结果期特需的营养元素,其中P在青果生长期比熟果期高1.5~2.5倍,两组比值接近1和小于1的元素为Co、Mn,属荔枝结果期需求量不大或非必需的元素。因此P、Mg、Mo、Cu、Zn、K为荔枝结果期的特需营养元素。(2)2古凤荔枝中的元素Si、B和沙头荔枝中的元素Ca在青果中的含量也大于在熟果中的含量;但是,沙头荔枝中的Si、B和古凤荔枝中的Ca却刚好相反,这可能是因为沙头和古凤荔枝种植园,在结果早期Si、B和Ca营养供给不足,或是两区荔枝成熟期时的环境地球化学因素不同。要弄清楚这个问题就必须对两种植园土壤肥力进行研究。(3)3在古凤研究区元素Cu、Fe在荔枝熟果中的含量大于荔枝叶子中的含量即熟果/叶子>1;而在沙头研究区熟果/叶子>1的元素只有K。这些差异性,可能是由于两地土壤中相应元素的供给不足引起的缺素现象,在没弄清楚原因之前,本文认为元素Ca、Si、B为荔枝结果早期特需营养元素,而元素Cu、Fe、K为荔枝结果后期特需营养元素。元素在荔枝中的迁移变化,说明荔枝在生长的不同阶段,对元素的需求量有差别。在生长期时,需要大量来自于土壤的营养元素维持其生理活动。此时,如果土壤元素供给不足就会发生缺素现象,会影响荔枝树的生长。所以,在荔枝结果期保证土壤中P、Mg、S、Cu、Zn、Ca、K、Si、B、Fe元素的充分供给是非常重要的。5矿质及养分吸收富集特征营养元素在岩石-土壤-荔枝株系统中的迁移和转化,是影响荔枝生长和品质的基础的地球化学制约因素。营养元素由岩石到土壤再被荔枝株吸收,经历了一个生态循环。根据所测的数据,绘制了两研究区岩石、土壤、荔枝叶中21个元素平均含量曲线图(图1,部分数据列入表1),利用相同的基础资料,计算出各个元素的吸收系数(X=T/S)和富集系数(F=S/R)(R是元素在岩石中的含量),绘制成两区荔枝对营养元素的吸收曲线和荔枝园土壤富集曲线(图4)。特征元素在岩石-土壤-荔枝叶生态系统中的迁移过程异常复杂,其行为特征可用元素的吸收系数(X=T/S)和富集系数(F=S/R)来表述。吸收系数即荔枝对土壤中某一元素的摄取程度,如前所述。富集系数为元素从母岩进入土壤后富集或淋失的程度。由研究区21个元素在荔枝园生态系统吸收和富集曲线图可以看出:(1)1两研究区元素的富集曲线基本都在F=1水平上下,多数元素F>1,再次证明土壤化学成分对母岩的继承性,同时多数元素在成壤过程中有所富集。其中N、Ca、Corg和P元素F值显著大于1,古凤区更为明显,与施肥有关。对比两个测区,在古凤区K、S、Fe、Mn、Cu、Th等元素F<1,与花岗岩中这些元素较高有关。(2)2吸收曲线:N、Ca、(K、Mg、Corg)、S、Mn元素吸收系数较大,这些元素属植物生长主量营养元素,其余大部分微量营养元素的吸收系数在X=0.1上下波动。(3)3大部分营养元素的吸收曲线处于富集曲线之下的现象表明,在岩石-土壤-荔枝株这一生态体系中,大部分矿质营养元素在土壤中保持一定的储备和积累,可以供给荔枝生长以充分的营养素,是本区有利于荔枝种植的基本地球化学条件,只有N、Corg需要大量施肥补足。对特征营养元素(按地球化学性质分组)和有害元素(Pb、Cd)在生态体系中的迁移和平衡特征进行划分,表5中按F值的大小,将富集系数分为4个等级:Ⅰ.土壤强烈富集的元素(F≥5);Ⅱ.中等富集的元素(F≥1);Ⅲ.微弱淋溶的元素(F≥0.1);Ⅳ.强烈淋溶的元素(F<0.1)。表5的统计数据表明,无论碱性元素组(Ca+K+Mg)、金属元素组(Mn+Zn+Cu+Fe)、非金属元素(P、B)、稀土元素(REE),还是有害元素(Pb+Cd),它们在岩石-土壤-荔枝叶中的含量平均值几乎都是沙头页岩区的明显大于古凤花岗岩区的,说明前者比后者对特征元素的富集程度要高,总体上有利于荔枝的种植和生长,即为更佳的宜种区。吸收系数(X)最大的是碱性元素组(1.978),其次是磷(1.320),它们都属于荔枝强烈摄取的元素。接下来是硼(0.375)属于荔枝较强烈摄取的元素。再降低级次是金属元素组(0.081),有害元素组