中国东南稻田土壤铜有效性变异性及与部分土壤属性的相关性外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

中国东南稻田土壤铜有效性变异性及与部分土壤属性的相关性

摘要：铜是植物生长所必需的营养元素之一，也是超过一定浓度就会具有毒性的重金属元素。因此，土壤铜的浓度和有效性已经成为农业和环境领域十分关注的问题。为了评价中国东南部的一个农业区表层土壤铜的有效性和空间分布模式与一些土壤属性的相关性，我们在731平方公里的研究区共采集了224个稻田表层（0-15cm）土壤样品，分析了总铜和有效态铜（DPTA-提取）的浓度以及土壤pH值、土壤有机质含量（SOM）、全氮（TN）、有效磷(AP)、速效钾(AK)、阳离子交换量（CEC）等指标。我们通过计算有效铜含量与总铜含量的比例估算了铜的有效率。化学分析结果表明，总铜和有效铜浓度在整个研究区域有很大的取值范围，此外，与浙江省级土壤铜背景值相比，研究区水田有轻微的铜积累。相关分析表明有效铜浓度与总铜浓度、CEC和SOM正相关，并具有中等—-较高的相关系数（r = 0.64-0.82）；铜有效性与土壤有机质、土壤pH、总铜浓度在0.01水平下显正相关，并具有中等—较高的正相关系数（r = 0.47-0.82）。空间分布图表明总铜浓度和有效铜浓度具有相似的分布趋势，即研究区东北区高，西南低。铜有效率在研究区呈现出东北地区高，中部低的空间分布趋势。除了有效铜浓度外，土壤特性如土壤有机质和pH值也是影响土壤铜有效率空间分布的因素。

关键词：铜有效性，地统计，空间变异，土壤性质，相关性

1 前言

铜是植物生长必需的营养物质(Alloway, 1995)，也是一种在环境中具有潜在危害的有毒重金属元素(Moreno et al., 1997)。铜作为多种酶的重要组成成分，参与植物光合作用和呼吸作用(Demirevska-Kepova et al., 2004)，缺铜会导致许多谷类作物穗而不实(Mizuno and Kamada, 1982)，甚至导致产量下降(Qin et al., 1992)。然而，当土壤铜高于正常的铜需求时，常抑制根甚至是芽的生长(Lexmond and van der Vorm, 1981)，并对植物产生毒害作用(Tisdal et al., 1993)。铜通过引起食物链的污染危害人类和动物的健康。因此，在农业和环境研究中，常需要了解土壤铜浓度及其有效性。

土壤铜的来源包括土壤母质、采矿和冶炼、城市、工业和农业废弃物排放及农药施用等。通常可以通过施用畜禽粪便或无机肥料增加土壤中的铜(Prasad et al., 1984;Mantovi et al., 2003; Pietrzak and McPhail, 2004)。快速的城市化活动，包括工业和采矿，也导致了土壤铜含量的增加(Boojar and Goodarzi, 2007)。由于铜与有机物的高度亲和，致使土壤剖面的铜不容易淋失，使铜往往在土壤表层积累(McBride et al., 1997)。特别在农业用地，土壤表层铜不断积累，增加了对植物的毒害，最终会威胁粮食安全。

铜以多种形式存在于土壤中，包括土壤溶液中的自由离子态、交换态、有机态、沉积态和残留态(Shuman,1985)。铜在土壤中多为无效态，只有一小部分铜为有效态(Shuman, 1991)，土壤有效、无效态铜浓度所占的比例在不同农业生态区及不同土壤类型下具有很大变幅(Jeffrey and Robert,1999)。土壤中金属的化学形态随土壤性质变化而变化(Lee and Kao, 2004)，许多研究表明，土壤性质如pH值、土壤有机质（SOM）、阳离子交换量（CEC）和土壤质地，均影响土壤铜含量(Kabata-Pendias and Pendias, 2001; Sterckeman et al., 2004; Micoacute; et al., 2006)。此外，土壤微环境也影响土壤铜的有效性(Jenne, 1968; Shuman, 1988)。通常，土壤金属总浓度常被用于土壤污染评估(Kabata-Pendias and Pendias, 2001; Amini et al.,2005)和污染源鉴定(He et al., 1997; Jung, 2001)。许多研究表明，在评价土壤中重金属元素向作物迁移和评估环境危害中，金属有效态浓度比金属总量浓度更加有效(Brun et al.,1998;Wang et al., 2006)。为了改变铜的有效性，防止过量铜进入食物链，研究农业土壤中铜的有效性及其控制因素极为重要，通过改变环境因素控制土壤中铜的积累或污染，可以减轻铜对土壤、植物和人类健康的危害。

适当管理土壤养分，而不破坏环境，危害人类健康，对于满足人口日益增长的世界需求具有重要意义。研究总铜和有效铜浓度，包括研究农业土壤和肥料中有效铜浓度与总铜浓度的比例，对于保护土壤环境来说是必要的。有效铜浓度和铜利用率是土壤铜丰缺程度的两个重要量度。土壤调查和地图表明了土壤微量元素有效性的地理分布，为土壤养分的适当管理提供了改进的指导。为了更好地理解自然，分析微量营养元素在植物、牲畜和人类中的缺乏和毒性累积程度，资源清查数据是必要的(Jeffrey and Robert, 1999)。这需要根据农业和环境景观中数量有限的样品，准确划分土壤有效铜的空间分布。

在过去的几十年里，对铜已经进行了许多研究。但是，这些研究大部分都集中在重金属总含量或其毒性(Ma and Rao, 1997)，极少进行关于农业土壤中铜有效性的变异性与土壤特性的相关性研究。本次研究的目的是：（1）评估铜积累和污染的状况；（2）分析干旱期铜有效性与土壤性质的关系（3）描述在中国海宁县稻田中铜有效性的空间变异性。

2 方法和材料

2.1 研究区概况

这项研究在中国东南部海宁市的一个农业区进行。研究区位于中国浙江省东北部的杭嘉湖平原（图1），是以东经120°18E - 120°52E和北纬30°15N - 30°35N为界限，涵盖731平方公里的区域。 研究区位于温带季风气候的北亚热带地区，四季分明，潮湿多雨，年平均温度为15.9℃，年平均降水量约为1190 mm。在耕地中，稻田为主要的土地利用/土地覆盖方式，发现研究区稻田土壤（潜育土）具有各类人为和自然的土壤类型。这个区域中，研究区多数土壤是由最近的河口冲积层形成，而南部地区土壤由古河口冲积层形成的。土壤质地有一个分布趋势，即南部地区含砂量高，北部地区黏土含量高。该地区以农业生产为主，是浙江省长江以南最发达的地区之一，主要粮食生产区的历史跨度约3000-4000年(Shi et al., 2008)。

图1 研究区的位置和采样点的分布

您是不是要找:distributed

The area is dominated by agricultural production in one of the most developed regions south of the Yangtze River in Zhejiang Province.

2.2采样设计和土壤样品分析

2005年11月，出于土地利用均匀度、土壤类型和样品的均匀分布等方面考虑，以确保样品位于稻田并来自各类型稻田土壤（图1），共采集了224个稻田表层（0-15cm）土壤样品。根据《中国土壤系统分类》，对土壤类型进行分类(Zhang and Gong, 2004)。采样时，在表层土壤（0-15cm）每约0.1-0.2公顷的地区采集6-8个点并充分混合均匀，按每份1-2kg分开，然后送到实验室进行分析。用一个手持GPS记录所有采样点的位置。所有样品室温风干（20-22℃），除去石头或其他杂物，然后过2mm筛。每份样品（约100g）放入玛瑙研磨机研磨然后过0.149mm筛。所制备的土壤样品，存储在聚乙烯瓶等待分析。

用pH计(Sartorius Basic pH meter PB-10)测定土壤pH值，土壤和水的比例为1:2.5。在224个土壤样品中抽取80个具有代表性的样品，用1.0 mol/L的醋酸铵溶液测定CEC。用重铬酸钾和浓硫酸的混合物在180℃湿式氧化测定土壤有机质（SOM）(Agricultural Chemistry Committee of China, 1983)。用硫酸 过氧化氢的凯氏定氮法测定全氮（TN）。有效磷（AP）是用0.03 mol/L氟化铵溶液与0.025 mol/l 盐酸或0.5 mol/L碳酸氢钠溶液提取（基于pH值），并采用钼蓝法分析。速效钾（AK）用1 mol/L醋酸铵提取，采用火焰发射光谱法测定(Kim, 2005)。土壤样品用硝酸（HNO₃）和高氯酸（HClO₄）的混合酸溶解(Agricultural Chemistry Committee of China, 1983)，然后采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定总铜浓度。有效铜用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取，采用电感耦合等离子体原子发射光谱进行分析（Lindsay and Norvell，1978)。有效铜可以被许多的萃取剂提取出来，最为广泛应用和推荐的包括DTPA，乙二胺四乙酸（EDTA）和中性盐提取(Brun et al., 1998; Soil Science Society of China, 1999)。DPTA提取方法提供了更多关于被植物吸收的金属有效性、趋势和相关性的信息(Hooda and Alloway, 1994)。

2.3 相关分析

在这项研究中，采用相关分析，分析总铜浓度、有效铜、铜有效率和土壤性质（土壤pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾和阳离子交换量）之间的相关性。此外，通过进行相关分析，评估总铜浓度和有效铜浓度之间的关系。由于此次试验多数数据具有正偏倚性，所以用Spearman非参数相关法进行分析。相关分析在SPSS R13.0上完成。

2.4地统计分析

在线性地统计学中，研究中的变量均要求服从正态分布(Webster and Oliver, 2001; Zhang and McGrath,2004)。为避免结果失真和显著水平的降低，对所有测量值进行正态变换。在多种正态变换方法中，广泛应用对数变换(Webster and Oliver, 2001)。在研究中，采用自然对数变换降低数据偏态，使数据满足正态分布，最后采用指数变换对预测结果进行逆变换 ，采用ERDAS IMAGINE 9.0软件(Leica Geosystems, Atlanta, GA)。

考虑到估计点和采样点间的空间相关性，地统计学估计允许在未取样的位置有一个预测值，最大限度的减少估计误差方差和调查成本(Ferguson et al., 1998; Saito et al., 2005)。近年来，用地统计学方法来有效地评估土壤养分和重金属含量的空间变异性(Meuli et al., 1998; Webster and Oliver, 2001; Mueller et al., 2003)。 半变异函数——克里格法的重要组成部分，是评价空间变异性的有效工具(Boyer et al., 1991; Cahn et al., 1994)。变差函数清楚的描述了变量的空间结构，还提供一些可能影响数据分布的潜在因素。(Webster and Oliver, 1990; Paz Gonzaacute;lez et al., 2001)。在这项研究中，所有数据均不存在各向异性现象。所有各向同性半方差下使用球状模型、指数模型、高斯模型和线性模型进行匹配，并采用最适合的模型进行克里格插值。普通克里格法用于对数变换后的土壤铜的空间分布预测，普通克里格法利用邻近16个采样点，且最大搜索变程等于该变量的变程，插值网格的分辨率为10 m。Webster and Oliver (2001)对克里格插值和半变异函数进行了更专业的的描述。利用环境科学类地统计软件GS^十(7.0版)(Gamma Design Soft ware, Plainwell, MI)来执行所有的统计计算。

为了绘制铜利用率的空间分布模式，利用ERDAS IMAGINE 9.1，用有效铜浓度的栅格图除以总铜浓度的栅格图，得到新的栅格图，即铜有效率的空间分布图。

3 结果与讨论

3.1 描述性统计

土壤铜含量与土壤特性的描述性的总结（SOM、TN、AP、AK，CEC和pH）列于表1。结果表明，总铜，有效铜，和铜利用率有很大的取值范围，变异系数（CV）分别为26.1%、49.6%和35.3%。这表明，在研究区域中，有效铜浓度和铜利用率比总铜浓度变异性大。有效铜浓度和铜利用率比总铜浓度变化大，可能由于外在因素更多的影响这两个土壤特性。 研究结果还表明，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾也有很大的取值范围和变异系数（gt; 25%），这是由于研究区的稻田土高度异质性导致。

表1 稻田土壤中铜浓度及六种土壤性质的总结统计