东北芦苇湿地土壤有效硅与pH值及物质组成的关系

摘 要：为探究土壤有效硅与土壤pH值及物质组成的关系，在东北地区选12个样点，采集1 195个土壤样品，运用硅钼蓝比色法进行有效硅含量测定，用重铬酸钾-硫酸溶液对有机质进行测定，用pH计对酸碱度进行测定，运用ICP法进行阳离子测定。研究结果表明：在湿润地区土壤pH值与有效硅为正相关，在半湿润半干旱地区，pH值与有效硅为负相关；有机质在湿润地区和雨季时间段与有效硅呈现正相关，在半干旱地区与有效硅为负相关，但关系复杂并非简单线性相关关系；钾钠比与有效硅正相关，而钙镁比与有效硅负相关。

关键词：土壤有效硅；有机质；pH值；东北地区

中图分类号： D564+.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.05.14

硅是地壳中含量第2的元素，是绝大多数植物的矿质基质[1]。硅素不仅是禾本科植物必需的营养元素，也是部分非硅富集作物的有益营养元素[2]。

植物种类不同，植物体内硅元素的含量有所差异，单子叶植物体内硅元素的含量大于双子叶植物，一般有：水田禾本科植物>旱地类型植物>豆科等双子叶植物[1，3-4]。硅素在植物体内不同器官的分布状况也因植物种类而异，硅含量高的植物，硅元素在地上部集中；硅含量低的植物硅素在根部和地上部分布均匀；而其他植物则在根部集中[2]。植物体内硅元素的形态可分为3类： 不溶性水化无定形SiO2、可溶性胶状硅酸、游离单硅酸。以第1种形态居多。

植物对硅素的运输存在2种机制，大多数学者认为植物对硅素的吸收是通过对蒸腾流内单硅酸的被动运输完成的，而有些学者认为植物对硅的吸收也存在着另外一种方式，即受根代谢影响下的主动运输硅素的过程[1，5]。这2种方式的选择与植物的种类相关，富硅植物对硅的吸收是通过主动运输完成的，受蒸腾速率影响并不大。而非富硅植物对硅的吸收则是通过蒸腾流被动运输完成的。

前人研究表明，硅素可以促进水稻根系生长，增加根系活力，改善通气组织和氧化能力，提高植物对于水分养分的吸收[1，6]，有助于水稻体型挺拔，提高甘蔗的产量[7]，对大豆萌发速率和幼苗生长有明显的促进作用[8]，促进黄瓜种子萌发和幼苗生长代谢[9]；提高植物的呼吸速率，增强植物的生命活力，一旦缺少硅素，就会使植物出现褐斑、生长不良等一些非典型的环境胁迫。硅和磷还存在着一定的交互作用，硅可以抑制铁锰的毒害，部分取代磷的作用，根据洛桑实验报告表明，缺磷条件下硅酸盐可增加大麦产量[4]。

硅素对于植物生长有重要的作用。植物主要从土壤中吸收硅素为己所用，虽然土壤中硅元素含量很丰富，但大都难以利用，只有部分能溶于水的单分子硅酸能够被植物吸收，这一部分的硅就被称为有效硅。有效硅含量的高低是作物是否需要施硅肥的主要依据[10]。有效硅主要来源于母质的风化作用和高能硅化合物的分解作用[10]。前人研究表明，有效硅含量受土壤黏粒的影响较大，土壤黏粒含量越高，有效硅的含量就越丰富[11-12]。质地粗土层薄淋溶作用强烈的土壤供硅能力不强。对于有效硅的测定，前人也曾研究过很多方法。早在1958年，日本学者今泉吉郎、吉田昌一提出pH4的醋酸缓冲液法至今仍为有效硅测定的主要方法[13]。前人对于南方土壤研究的较多，而对东北地区特别是东北湿地土壤研究的较少，因此本研究以东北地区12个地点的湿地土壤样品作为研究对象，探究土壤有效硅的影响因素。

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

东北地区位于我国东北部， 地处亚欧大陆东缘，西起东经115°37′的内蒙古新巴尔虎右旗以西与蒙古人民共和国交界处， 东至东经135°5′的黑龙江省抚远以东乌苏里江汇入黑龙江处的耶字碑东角，南起38°40′N ，北至53°30′N黑龙江省漠河县以北的黑龙江主航道中心线（图1）。区内东、北、西三面为低山、中山环绕， 中部为广阔的东北大平原。由于本地区气温较低，蒸发微弱，降水量虽不十分丰富，但湿度仍较高，从而使本地区在气候上具有冷湿的特征。本地区有大面积的针叶林、针阔叶混交林和草甸草原，肥沃的黑色土壤，广泛分布的冻土和沼泽等自然景观。

1.2 研究方法

分别从东北地区12个地点不同生境条件下采集土壤样品（图1），其中土壤的采集分别来自于0～10 cm和10～20 cm的上下两层。采集土壤样品共计1 195个。样品采集后称质量，自然风干保存。

首先进行样品的预处理：对土壤样品进行研磨，过筛孔直径0.8 mm的筛，按水土比例5∶1配制土壤溶液，振荡3 min，静置20 min，过滤，按9 000转・min-1高速离心15 min，取上清液。植物样品经粉碎机研磨后，按1/20配制溶液，100 ℃水浴2 h，取上清液。然后采用北京普析通用有限公司Super 990F型原子吸收分光光度计进行阳离子的测定。用pH计对土壤酸碱度进行测定。

土壤有机质测定：在加热条件下，用一定量的标准重铬酸钾-硫酸溶液，氧化土壤有机质，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁溶液滴定，由消耗的重铬酸钾量计算出有机碳量，再乘以常数1.724，即为土壤有机质量。

有效硅的测定：在pH值为1.2～1.3的溶液中，可溶硅与钼酸铵反应生成硅钼黄，再用氯化亚锡还原生成硅钼蓝，此蓝色的色度与水样中可溶性硅的含量有关。磷酸盐对本法的干扰可用调整酸度及加草酸或酒石酸的方法加以消除。最后，水样中硅含量X（mg・L-1，以二氧化硅计）按下式计算：

X=C×a/V×1 000

式中：C是配标准色用的二氧化硅工作溶液浓度，mg・mL-1；a是与水样颜色相当的标准色中二氧化硅工作溶液加入量，mL；V是水样体积，mL。

2 结果与分析

采集了东北地区12个不同地点的土壤样品，由西部、中部、东部分成了3个子区域。在地理分布上具有地带性规律，而在时间上又从6月取到10月，横跨作物生长的不同阶段，并选取T（岸上）、M（中心）、 W-D（水陆交汇）的典型生境，从时间差异、生境差异和地点差异3个方面对所测得的数据进行相关分析，以探求不同指标对土壤有效硅含量影响，下面对数据处理的结果进行分析与讨论。

2.2.2 不同时间有机质与有效硅的相关关系 不同时间有机质与有效硅的相关系数如图3的方形点显示。由图3方形点及表2可见，6月份和10月份土壤有效硅与有机质呈现正相关，其中6月份呈现显著正相关，而7、8、9月份则呈现负相关。6月份和10月份，生物对有机质的分解作用不旺盛，有机质对于土壤的作用主要是增加土壤的吸持力。由于生物作用不强，酸度小，土壤的矿物分解缓慢，矿物主要以蒙脱类为主，更加增大了对硅素的吸持。故与有效硅呈现的是正相关的关系，而到了雨季，硅素淋失，同时生物活动旺盛，有机质大量分解产生有机酸，增大了土壤的酸度，进一步促进了硅素淋失。所以有机质与有效硅在7―9月呈现负相关关系，但是相关程度较弱，因为生物分解作用除了与有机质含量有关外，还与很多因素有关，这正体现了地表自然地理系统的复杂性。有机质与有效硅，8月份的相关系数大于7月份和9月份，可能由于8月份生物作用最强，而7月份和9月份虽然也有生物对有机质的分解，但是相对较弱的缘故。

2.2.3 不同生境下有机质对有效硅的相关关系 不同生境内有机质与有效硅相关系数如图4的方形点部分。在湿度较小的岸上生境，有机质与有效硅呈现正相关，而在湿度较大的中心和水陆生境则呈现负相关，这与前文不同区域内有机质与有效硅的关系相一致，而从表2显著性来看，3种生境下有机质与有效硅之间的相关关系程度却都很弱，这是因为自然系统本身具有复杂性，有机质与有效硅的关系可能不是简单的线性关系，在张玉龙等[19]对于温室土壤硅素释放动力学特征的研究中，将土壤硅素与时间的关系拟合成 y=kxm的关系，而k，m，km都有随着有机质的增加而增加的趋势，可见有机质与硅素的关系可能不是简单的线性关系，故线性相关程度较弱。

2.3 土壤阳离子对于有效硅的相关关系

土壤阳离子是土壤物质组成中的重要部分，对土壤溶液的酸碱度、电导率、盐基饱和度等理化性质有重要影响，并且对植物的生长发育起到重要的作用，由于元素与元素之间会存在相互作用，阳离子可能会对土壤有效硅的释放、迁移转化和吸收起到一定作用，因此本文以钾钠比、钙镁比为指标探讨阳离子与有效硅的关系。

2.3.1不同子区域内钾钠比、钙镁比与有效硅之间的相关关系。表3和表4反映了硅元素和土壤中阳离子相关关系在不同区域上的表现。由表可见，钾钠比与有效硅呈现正相关关系，这种正相关关

系在东部为极显著，西部则不是显著相关。而钙镁比与有效硅是负相关的关系，西部和东部都是极显著的相关程度。

2.3.2 不同月份钾钠比、钙镁比对于有效硅的相关关系 由表5和表6可知，钾钠比与有效硅在6月份和10月份为极显著正相关关系，但在7、8、9月份关系并不显著。而钙镁比与有效硅在6月份、10月份呈现显著负相关，7、8、9月份关系不显著。

由上述分析可见，在钙、镁这2种离子中，镁与硅可能存在更大的相似性和协同作用，镁离子在砂质土壤中含量低在富含蒙脱石矿物的土壤中含量高， 并且镁在土壤中的有效性同样受到pH值、母岩和气候的制约，镁的这些特点都与硅相似[20]，因此土壤中镁离子可能会对硅起到促进作用。前人有关钙离子的研究发现，钙离子在土壤中的吸附作用强于镁离子，在干旱地区形成的钙胶体对于硅的吸附作用会使得硅无法释放被植物利用，因此钙可能会抑制有效硅的释放。对于钾和钠这两种元素而言，钾元素可能会促进有效硅含量的提高，而钠可能相反。不过这种作用在东北半湿润、半干旱地区表现的不明显，而在湿润地区则表现明显，从时间角度来说，在植物生长旺盛的7、8月份表现的不明显。而在植物幼苗期和衰老期表现的比较明显。至于为什么钾钠比与有效硅呈现如此显著的正相关关系目前还没有前人的研究作为依据，或许这与钾钠对于植物的不同生理作用有关，钾与硅或许存在一定的协同生理作用，不过这还需要通过以后的研究进一步验证。

3 结 论

pH值与有效硅的关系在湿润的淋溶地区为正相关，在半湿润半干旱的非淋溶地区为负相关。只有pH值在适宜的条件下对于有效硅才有促进的作用，超过或低于适宜范围都会使有效硅的含量降低。

有机质与有效硅并不呈现简单的线性相关关系，而可能为复杂的函数关系：从时间角度来看，6月份、10月份有机质与有效硅正相关，7、8、9月份呈现负相关；从区域角度来看，东部为负相关，中部和西部为正相关；从生境角度来看，岸上生境为正相关，水中水陆生境为负相关。

钙镁比与有效硅呈负相关，可能钙离子对硅有抑制作用，镁离子有促进作用；钾钠比与有效硅呈正相关，可能钾离子对硅有促进作用，钠离子对硅有抑制作用，但是目前还无法解释根本原因。

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