喀斯特农业生态环境钙镁补偿研究.doc

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01266，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。 元 素含 量剖面号 Si02 Fe203 Al2O3 CaO MeO S P K Hg Cu Pb Zn Cd Cr N CO MO A' F()Mg/KgYQ4 31.06 3182 13.07 15，40 28.6733.93 0.06 0.11 0.67 0.94 0.014 0043 0.051 0124 1.25 1.76 0.54 0.74 95.0 1100 42 854 208 453 3.0 4.8 100.0108.0 80 233 18 185 4.04 5.4 70 99 1600 2700YQ5 383l 4295 1328 149426.882804 01l 024 079 088 0018 0018 0039 0047 117 134 062 068 100 118 59 139 240 293 26 34 800 950 109 178 33 100 3.4 4.9 43.9 57.2 1250 1400YQ7 5445 1039 1800 087 109 0017 0069 149 013 95 53 147 1，8 930 76 40 1.4 155 1700YQ9' 2998 17513183 008 091 0，0ll 0064 154 104 118 12l 355 26 850 143 63 52 787 2200YQ1044.71179934，14010090001301331410452234464893898320168315352700YQ12 649l 747 1622 004 088 0010 0026 174 008 45 57 90 16 67 8 7 1.6 332 900YQ1543.17 1062 2659 015 215 001l 0023 4。03 032 92 107 255 28 75 12l 80 32 469 4200YQ1848879462359010194 0010 0033 372 024 74 146 162 12 71 68 82 27 415 3300YQ304195165723390041142 0058 09806 56 147 636 33 696 2250 表2 黄红色粘土化学分析结果表 表3 贵州不同土类及不同母岩土壤钙镁元素背景值（%）元素名统计单元样品数分布类型 全 距 背景值 背景值范围 X或G S或SgCaO 紫色土 19 B 0.055.07 019 1.72 005363 水稻土 49 L 0.052.49 0395 2.588 006265 石灰土 38 L 0.197.60 1253 2.280 024651 黄 壤 64 B 0.050.46 006 0.11 O05028 黄棕壤 15 N 0.050.66 028 0.20 005068 红 壤 29 B 0.050.17 005 0.04 005013MgO 紫色土 19 N 0.603.99 212 0.91 030394 石灰土 38 L 0.27一4.06 429 1.916 039525 水稻土 50 N 0.2l一2.18 109 0.43 023195 黄 壤 63 L 0.241.96 0664 1.484 030一146 黄棕壤 15 N 0.451.82 105 0.8 029一181 红 壤 30 L 0.260.91 0459 1.09 023091CaO 砂 岩 42 B 0.050.47 005 0.3 005031 石灰岩 71 L 0.058.88 0785 2.74 O096，94 第四系 26 B0.050.85 010 0.9 O05048 页 岩 29 B 0.051.67 011 0.2 0050?5冲积母质 14 N 0.051.25 046 0.38 005一122 砂页岩 32 B 0.051.66 007 0.44 005095MgO 砂 岩 43 B 0.241.84 049 0.45 024一l；39 石灰岩 71 N 0.214.06 142 0.88 021318 第四系 27 L 0.421.96 0801 1.495 036一179 页 岩 30 L 0.3l一3.05 O938 1.889 026335冲积母岩 14 N 0.421.66 100 0.41 018一1.82 砂页岩 32 B 0.333.99 074 1.13l 0333.00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白 石 岩毕 拉 坳土壤 岩石 系数4847 079 6135830 058 143l1997 0，65 3072 076 3164 00242，45 1960 0125O34 00S 567154 004 3850014 001 140 序列Si02>TiO2>Al2O3Fe2O3>P2O5>K2O>MgO>CaO 石 灰 岩 瑶 寨 土壤 岩石 系数 4545 083 5476 834 014 5957 2659 055 4835 1585430 003 195 152 128 055 003 1833 142 006 2366 006 001 60序 列Fe2O3>SiO2>Al2O3>TiO2>K2O>P2O5>MgO>CaO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CaO0553183200170260100260520320040。100.160.120.68MgO2431472454590390170740830350400321.010.121.16Ca()(有效态)001380.021800083001540008000970017590123 001001130.004MeO(有效态)001500103900630.009400100012000500143001450.01470.0125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Ca烤烟土层有效态 163 78 240 106 230 183 221 74 177 203土层有效态土层 003001021006005006005005005009土层岩石 003273 0290007 0003 00070006 0009 0005Mg烤烟土层有效态 34 35 45 45 26 39 19 42 19 28土层有效态土层 0008002 00l0003 004 002 005 0007 008 003 土层岩石 1007126 O8 58 19 004 04 25 0035 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23，镁为o。4一15，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03一65，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 05 10 015 005 003 015 土壤 01 05 2 10 4 05 015 003 系数100 10 025 1 004 01 02 5 顺序Ca(100)>Mg(10)>Na(5)>Si(1)>Al(0.25)>Mn(02)>Ti(01)>Fc(004)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192034002026002000400l0.004 土壤03080523312287052005 0.15 系数640430004000800070007 02 0.03 顺序Ca(6.4)>Mg(0.43)>Mn(0.2)>No(0.03)>Si(0.008)>Fe(0.007)>Ti(0.007)7 补偿钙镁的措施 根据喀斯特农业生态环境存在缺钙镁的现实，采取补救措施提高农作物质量是本研究的目的，经筛选补偿措施拟用以下方法。 (1)利用蕴藏量丰富的碳酸盐岩进行科学配方，技术处理，生产可溶态钙镁为主的矿肥，作喷施或底肥。此法生产工艺流程简单，成本低，见效快，目前已初步研制成功，可作大田试验，若见成效则可逐步推广。 (2)提高耕作土的有机质含量，促进矿物中钙镁等元素的分解，提高肥力。 (3)施用能吸附金属阳离子的活性矿肥及稀土肥，亦能增加钙镁含量。 补偿钙镁是本研究提出的新问题，还须进一步作探索工作，寻求一个补偿钙镁的最佳方案。此问题应很好解决，否则因缺钙镁而引起农作物产生病态，误认为缺乏其它元素所致，进而错误地大量补偿其它元素，将导致资源和财力的浪费。8 结 论 钙镁是农作物的主量元素，其地位是公认的，但是，以往对喀斯特农业生态环境缺乏钙镁的问题研究甚少，属薄弱环节，本文研究初步得出以下两点认识； (1)从岩石、土层、农作物垂向剖面的钙镁转换系数、富集系数、，度收系数，饱和度的初步探讨，提出了岩石富钙镁、土层贫钙镁、农作物需钙镁的事实，认为喀斯特农业生态环境钙镁供给不足，须进行补偿，对碳酸盐岩区富钙镁的习惯认识提出质疑，具一定的科学意义。 (2)在上述依据的基础上，提出了钙镁补偿的具体措施，对补偿钙镁具可操作性。同时为开发新的矿物肥料提供了依据。