1. 引言
氯是植物必需的营养元素,而且是7种微量元素中含量最高的一种,需要量与铁大体相等 [1] 。在植物体内,氯主要以离子形式存在,参与光合作用中的希尔反应、促进细胞伸长、有助于膨压形成和电解质平衡、调节细胞渗透压及气孔开放,并刺激酶活性等 [2] 。作物缺氯会导致生长发育迟缓,易造成根系吸水能力降低,出现营养不良;叶缘萎蔫,幼叶失绿,根系伸长强烈受阻,根系细短,侧根稀少。当氯离子浓度长时间过高时,也会抑制作物正常生长,产生氯毒,降低产量及品质,甚至绝收;主要症状有:发芽率降低、敏感作物出现烧苗烂根、生长受抑制、叶绿素含量降低、叶色灰白、生长点坏死、引发大量落叶和落果等。重点表现在三个方面 [3] :一是不利于糖转化为淀粉,块根、块茎淀粉含量降低,品质变差;二是促进碳水化合物水解,导致果树、蔬菜等果实含糖量降低、酸度提高,风味欠佳;三是影响烟草的香味和燃烧性能,卷烟易熄火。
耕地是作物氯营养的主要来源,土壤中氯的丰缺直接关系到作物的产量和品质,不足或过多都会对作物产生不良影响。氯在地壳中的含量只有0.05%,土壤平均含氯100 mg/kg左右 [4] 。我国农用地土壤氯平均59.4 mg/kg,大致分布规律是长江流域以南、东北地区以及云、贵高原的黄壤含氯量较低;长江以南的主要土壤含氯量34.2 mg/kg,变幅30.0~40.0 mg/kg;贵州、云南等地区的黄壤含氯量6.6 mg/kg,变幅0.0~37.0 mg/kg;东北三省的土壤含氯量31.8 mg/kg,变幅25.0~35.0 mg/kg;华北地区的土壤含氯量中等,平均69.5 mg/kg;西北地区的含氯量较高,平均126.0 mg/kg;所有的盐渍土及海相或海潮沉积土含氯量高,平均366.0 mg/kg [5] ,易对作物产生氯危害。湖北利川耕地氯含量及分布研究报道较少,邹焱 [6] 等对利川植烟土壤的氯含量有过研究,但点位少,代表性不强,不足以反映利川耕地的全面情况。因此,全面研究耕地氯含量及空间分布对利川市特色农业的发展意义重大,可正确指导烟农、药农、茶农、菜农、果农等对“忌氯作物”科学施用含氯肥料,降低肥料投入,促进节本增效。
2. 材料与方法
2.1. 土壤样品来源
2022年,利川市耕地质量等级评价项目所采土壤样品共计288个,其中水田71个、旱地217个,覆盖全市12个乡镇(见图1),都亭、东城2个办事处和佛宝山开发区耕地面积较小,未采样。采样时间为3~5月,作物播种或移栽前。以自然田块为采样单元,按NY/T 1121.1-2006要求采集耕层土样。
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Figure 1. Distribution of chlorine sampling points on cultivated land in Lichuan City
图1. 利川市耕地氯采样点分布图
2.2. 土样检测方法
土样委托湖北省地矿局恩施实验室检测,氯离子含量按NY/T 1121.17-2006规定测定。称取过2 mm风干土样50 g (精确到0.01 g)放入500 ml大口塑料瓶中,加入250 ml无二氧化碳蒸馏水(土水比1:5),振荡3分钟后过滤,吸取滤液25.00 ml于150 ml三角瓶中,滴加5%铬酸钾指示剂8滴,在不断摇动下用0.02 mol/L硝酸银标准溶液滴定,至出现砖红色沉淀且经摇动不再消失为止,同时作空白试验。铬酸钾指示剂的用量与滴定终点到来的迟早有关,经计算25 ml待测液中加8滴指示剂为宜;滴定过程中溶液出现稳定的砖红色时,银离子已微过量,因此滴定终点颜色不宜过深;待测液的pH必须保持在6.5~10.0,因低于6.5时,铬酸银会溶解,高于10.0时,则会生成氧化银黑色沉淀,滴定前可用碳酸氢钠溶液调节待测液pH。
另外,还检测了耕地土样的pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量(CEC)、交换性盐基总量、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰、容重等项目。检测方法及标准见表1。
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Table 1. Soil sample testing standards and methods
表1. 土样检测标准与方法
2.3. 评价依据及数据统计分析
江泽普等报道 [7] ,P.R. Fixeg把美国南达科他洲土壤氯含量划分为低量(<5 mg/kg)、中量(5~10 mg/kg)、高量(>10 mg/kg) 3个等级;我国多将植烟土壤氯离子含量 [8] [9] 划分为很低(<10 mg/kg)、偏低(10~20 mg/kg)、适宜(20~30 mg/kg)、偏高(30~45 mg/kg)和很高( > 45 mg/kg) 5个等级;毛知耘等 [5] 将土壤氯离子含量划分为特低(<25 mg/kg)、低(25~50 mg/kg)、中下(50~100 mg/kg)、中上(100~150 mg/kg)、高(150~300 mg/kg)和特高( > 300 mg/kg) 6个级。本文按此6级标准对土壤氯离子进行评价,均值皆为点位算术平均值。
按雷志栋等 [10] 的<10%为弱变异性、10%~100%为中等变异性、>100%为强变异性的等级划分标准评价变异系数。用《县域耕地资源管理信息系统》绘制采样点图,用Excel进行数据统计分析及相关性分析。
3. 结果与分析
3.1. 利川耕地氯离子含量及行政空间分布
利川耕地氯离子(表2)平均28.17 ± 79.90 mg/kg,处于低量水平,变幅0.37~754.46 mg/kg,变异系数283.67%,强变异。均值区域分布特征明显,地处东部的团堡镇最高(154.62 mg/kg),达到高量水平;其次分别是最南端的文斗镇,中西部齐跃山脉东麓的南坪乡、汪营镇,3个乡镇处于低量水平;以上4个乡镇高于全市平均水平。再次分别是齐跃山以西的谋道镇、正中部的凉雾乡、西南部的忠路镇、正北部的柏杨坝镇、东南端的毛坝镇、中东部的元堡乡、正西部的建南镇、正南端的沙溪乡,这8个乡镇处于特低水平。极高值和极低值都出现在汪营镇的两个相邻村(最大值在石朝门村、最小值在十户场村)。变异系数由高到低分别为:汪营镇、文斗镇、凉雾乡、谋道镇、忠路镇、南坪乡、柏杨坝镇、建南镇,以上8个乡镇为强变异;接着为团堡镇、沙溪乡、毛坝镇、元堡乡这4个乡镇为中等变异。
利川耕地氯离子整体水平低,85%以上的点位处于特低水平,近5%为低水平,中、高及特高水平的仅占10%略多,大于300 mg/kg的特高水平仅4个点,分别分布在汪营镇的石朝门村、文斗镇堰塘村、团堡镇的石板岭村和大垭村。团堡镇耕地氯离子在6个级中较均匀分布,各级占比在10%~25%之间,属乡镇中特例;其它乡镇80%以上为特低水平,元堡和沙溪2个乡全部在特低水平(表3)。
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Table 2. Statistical analysis of chloride ion content in cultivated land of various towns and towns in Lichuan City
表2. 利川市各乡镇耕地氯离子含量统计分析表
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Table 3. Classification statistics of chloride ion content in cultivated land of various towns and towns in Lichuan City
表3. 利川市各乡镇耕地氯离子含量分级统计表
3.2. 利川耕地氯离子不同海拔空间分布
利川习惯按海拔高度分区,海拔低于800 m的为低山、800~1200 m的为二高山、1200 m以上的为高山,耕地主要分布在二高山和高山地区,低山、二高山、高山耕地比例约为10%、40%、50%。低山氯离子8.71 ± 7.33 mg/kg (n = 50),处于特低量水平,变幅1.76~37.18 mg/kg,变异系数84.15%,中等变异;二高山32.21 ± 89.47 mg/kg (n = 177),处于低量水平,变幅0.37~754.46 mg/kg,变异系数277.77%,强变异;高山32.38 ± 81.43 mg/kg (n = 61),处于低量水平,变幅1.19~476.58 mg/kg,变异系数251.46%,强变异;二高山和高山地区氯离子含量基本相当,是低山的近4倍(表4)。
低山耕地氯离子全部处于低到特低水平,且特低占96%;二高山特低水平占80%以上,其它各级较均匀分布,大于300 mg/kg的特高水平2个点在汪营镇石朝门村、文斗镇堰塘村;高山特低水平占85%,其它各级较均匀分布,大于300 mg/kg的特高水平2个点在团堡镇相邻的石板岭村和大垭村(表5)。
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Table 4. Statistical analysis of chloride ion content in cultivated land at different altitude regions
表4. 不同海拔区域耕地氯离子含量统计分析表
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Table 5. Classification statistics of chloride ion content in cultivated land at different altitude regions
表5. 不同海拔区域耕地氯离子含量分级统计表
3.3. 利川耕地氯离子不同土类空间分布
利川土壤有9类,水田为水稻土,旱地有按海拔呈垂直地带分布的棕壤(1500 m以上)、黄棕壤(800~1500 m)、黄壤(800 m以下),呈微域分布的石灰土、紫色土,分布于河流两岸的潮土,以及高寒地带的草甸土和沼泽土,后两类为非耕地,面积小未采样。各土类面积占比为:黄壤3.75%、黄棕壤57.05%、棕壤16.83%、紫色土14.59%、石灰土2.03%、潮土0.04%、水稻土5.69%、草甸土0.01% (739亩)、沼泽土0.00% (200亩),其中耕地面积占比分别为:黄壤3.54%、黄棕壤42.18%、棕壤6.56%、紫色土9.48%、石灰土1.81%、潮土0.27%、水稻土36.15%。
按耕地利用类型划分(表6、表7),水田氯离子22.95 ± 88.58 mg/kg (n = 71),处于特低水平,变幅1.67~754.46 mg/kg,变异系数386.05%,强变异;旱地29.87 ± 76.99 mg/kg (n = 217),处于低量水平,变幅0.37~694.70 mg/kg,变异系数257.71%,强变异;水田除1个点离群为最高值外,其它点位都处于低至特低水平,且87%以上为特低水平;旱地近85%处于特低水平,其它各级较均匀分布。旱地比水田高,但差异不大。
按土类划分(表6、表7),不同土类耕地氯离子含量差异较大,棕壤 > 石灰土 > 潮土 > 黄棕壤 > 水稻土 > 紫色土 > 黄壤。棕壤58.75 ± 115.94 mg/kg (n = 10),中下水平,变幅2.14~373.42 mg/kg,变异系数197.34%,强变异;石灰土50.09 ± 110.37 mg/kg (n = 30),中下水平,变幅1.50~476.58 mg/kg,变异系数220.35%,强变异;潮土38.23 ± 54.53 mg/kg (n = 6),低量水平,变幅2.28~141.98 mg/kg,变异系数142.64%,强变异;黄棕壤32.57 ± 83.41 mg/kg (n = 105),低量水平,变幅0.37~694.70 mg/kg,变异系数256.14%,强变异;水稻土(见水田),已在利用类型中叙述;紫色土11.35 ± 20.72 mg/kg (n = 54),特低水平,变幅1.27~129.96 mg/kg,变异系数182.57%,强变异;黄壤10.91 ± 3.61 mg/kg (n = 12),特低水平,变幅7.19~19.38 mg/kg,变异系数33.11%,中等变异。棕壤70%的点位处于特低水平,20%处于中下水平,10%处于特高水平;石灰土80%以上为特低水平,其余为高和特高水平;潮土2/3处于特低水平,其余点位处于中等水平;黄棕壤80%以上处于特低水平,其余各级都有分布;紫色土90%以上处于特低水平,其余为低至中等水平;黄壤全部为特低水平。
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Table 6. Statistical analysis of chloride ion content in different soil types
表6. 不同土类氯离子含量统计分析表
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Table 7. Classification statistics of chloride ion content in different soil types
表7. 不同土类氯离子含量分级统计表
3.4. 利川耕地氯离子不同成土母质空间分布
利川土壤成土母质(母岩)主要分为碳酸盐岩、泥质砂页岩、紫色页岩、石英砂岩、第四纪黏土、河流冲积物等6大类,发育的土壤占比分别为:51.86%、17.32%、16.21%、12.89%、1.08%、0.64%;其中,旱地占比分别为:60.22%、15.30%、14.86%、6.44%、2.77%、0.42%;水田占比分别为:17.43%、21.55%、28.43%、13.61%、8.53%、10.44%。旱地60%以上为碳酸盐岩发育,泥质砂页岩和紫色页岩发育的各占15%左右;各成土母质发育的水田较均匀分布,紫色页岩发育的约占30%,其它母质发育的在8%~22%之间。
不同成土母质发育的耕地氯离子含量差异较大(表8、表9),石英砂岩 > 碳酸盐岩 > 河流冲积物 > 泥质砂页岩 > 第四纪黏土 > 紫色页岩。石英砂岩96.29 ± 224.66 mg/kg (n = 19),处于中下水平,变幅1.50~754.46 mg/kg,变异系数233.32%,强变异;碳酸盐岩33.84 ± 80.97 mg/kg (n = 99),处于低量水平,变幅1.03~476.58 mg/kg,变异系数239.27%,强变异;河流冲积物27.29 ± 43.34 mg/kg (n = 10),处于低量水平,变幅1.03~141.98 mg/kg,变异系数158.81%,强变异;泥质砂页岩20.26 ± 44.41 mg/kg (n = 41),处于特低水平,变幅1.19~249.99 mg/kg,变异系数215.48%,强变异;第四纪黏土19.60 ± 31.15 mg/kg (n = 48),处于特低水平,变幅0.37~160.68 mg/kg,变异系数158.93%,强变异;紫色页岩12.30 ± 18.76 mg/kg (n = 71),处于特低水平,变幅1.27~129.96 mg/kg,变异系数152.52%,强变异。
石英砂岩发育的耕地氯离子近70%处于特低水平,低和特高水平各占10%多,中下和高水平各占5%多;碳酸盐岩发育的近85%处于特低水平,其它各级基本均匀分布;河流冲积物发育的80%处于特低水平,中等水平占20%;泥质砂页岩发育的90%以上处于特低水平,其余较均匀分布于低量、中上和高水平;第四纪黏土发育的85%以上处于特低水平,其余较均匀分布在低量、中下、中上和高水平,特高水平无分布;紫色页岩发育的近90%处于特低水平,近10%分布于低量水平,中等水平有少量分布。
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Table 8. Statistical analysis of chloride ion content in different soil-forming parent materials
表8. 不同成土母质氯离子含量统计分析表
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Table 9. Classification statistics of chloride ion content in different soil-forming parent materials
表9. 不同成土母质氯离子含量分级统计表
3.5. 利川耕地氯离子与土壤有机质、pH等的相关性分析
运用Excel中CORREL函数求相关系数(r),用公式
计算统计量z值(n > 30),再运用给定概率正态分布的区间点函数NORMINV (分布概率为0.05/2、0.01/2,算术平均值为0,标准差为1)求z的95%、99%临界值,对288个耕地土样氯离子含量与pH、有机质、CEC、交换性盐基总量、交换性钙、交换性镁及土壤容重进行相关性分析,结果见表10。
从统计学意义上看,利川耕地氯离子含量与土壤pH呈显著正相关,与全氮、有效磷、速效钾呈极显著正相关,与交换性钙、交换性镁、容重呈显著负相关,与有机质、CEC、交换性盐基总量、有效铁、有效锰相关性不显著。
注:用NORMINV计算z0.05、z0.01分别为−1.95996、−2.57583。*、**分别表示相关性显著、极显著。
4. 讨论
4.1. 氯元素在土壤中的残留
氯元素是作物必须的微量元素之一,氯在土壤中多以离子形态存在,容易随雨水、灌溉流失,在土壤中残留量极少 [11] 。江泽普等 [12] 报道,日本在52种土壤上试验,46种无残留,只有6种黏质土有少量残留,仅占当年施氯量的4%~5%;湖北荆州的棉田两年连续施用氯化铵,20 cm耕作层氯离子由29 mg/kg提升到35 mg/kg,仅6 mg/kg残留;广西农科院土肥所连续4年亩使用含氯肥料204 kg (每年51 kg),降雨多的年份残留少,反之亦反,土壤含氯量仅增加15~17 mg/kg。
4.2. 影响土壤氯离子含量的因素
较多研究表明,土壤母质、土壤类型、地形因子以及人类活动等均对土壤氯含量有明显影响 [13] [14] 。殷杰 [15] 的研究表明,土壤的水溶性氯含量黄壤 > 石灰土 > 黄棕壤 > 紫色土 > 水稻土,且土壤氯含量变化对烟株含氯量有明显影响。唐树梅等 [16] 认为,不同土壤类型间氯含量差异主要与成土母岩存在密切关系。王勇 [17] 认为,地形因子对土壤氯离子含量影响较大,半阴坡土壤中的氯离子含量最高,且随着坡度的增加呈递减趋势。此外,李丹丹等 [18] 指出,除了自然因素,含氯肥料施用、灌溉等田间管理措施对土壤氯含量的影响也不容忽视。
4.3. 作物对氯离子敏感程度分级
不同作物对氯离子的需求和耐受量差异较大,陶世秋等 [19] 把主要农作物对氯的敏感程度分为5级:1级特耐氯(不敏感),耐氯值 > 1000 mg/kg;2级强耐氯(略敏感),耐氯值600~1000 mg/kg;3级中耐氯(中度敏感),耐氯值450~600 mg/kg;4级低耐氯(敏感),耐氯值300~450 mg/kg;5级弱耐氯(高度敏感),耐氯值150~300 mg/kg;一般把4~5级低、弱耐氯作物视为“忌氯作物”。忌氯作物是对氯敏感或高度敏感作物的简单描述,并非不需要氯营养,不能“闻氯色变”、“望氯止步”。土壤氯离子含量过低,就需要补施含氯肥料,植烟土壤氯含量低于50 mg/kg就可以施用含氯肥料 [6] 。在氯含量低至特低的土壤上,降水较多的季节,或是对氯不敏感的作物上施用含氯肥料,多数作物产量和品质都会有所提高。
4.4. 含氯肥料对土壤的不良影响
但长期施用含氯肥料(包括氯化铵、氯化钾、含氯复合肥等),会对土壤造成以下危害:一是土壤酸化板结。含氯肥料多为生理酸性肥料,会引起土壤变酸,抑制有益微生物活动;氯还与土壤中的钙结合生成氯化钙,易溶解导致钙盐随水流失,钙是土壤结构形成的必须元素,大量流失会破坏土壤结构,导致板结。二是激活有毒离子。氯与土壤中阳离子结合,形成有害的氯化物,对作物造成毒害。如易激活土壤中的铝、锰等金属元素产生毒害,在石灰性土壤中形成氯化钙,对作物生长不利。三是诱导养分缺乏。土壤中氯离子浓度过高会增高土壤渗透势,限制氮、硫等养分的吸收,从而导致作物缺素。四是产生盐害。在降水较少的北方地区,高氯造成土壤中的盐分过高,影响作物根系正常吸收水分和养分,导致烧根和烧苗。随着国内氯化铵和氯化钾生产量的逐渐增加,施用含氯化肥的面积不断扩大,因方法不当、用量过高等对作物引起的氯毒害现象时有发生。土壤供氯浓度过大,含氯量达到5000 mg/kg时,对所有作物都有不同程度的危害 [13] 。
5. 结论
1) 利川耕地氯离子平面区域分布特征明显。点位均值28.17 ± 79.90 mg/kg (n = 288),低量水平,变幅0.37~754.46 mg/kg。85%以上处于特低水平(<25 mg/kg),近5%处于低水平(25~50 mg/kg),中、高及特高水平的仅占10%略多,大于300 mg/kg的特高水平仅4个点,分别分布在汪营镇的石朝门村、文斗镇堰塘村、团堡镇的石板岭村和大垭村。东部的团堡镇最高(154.62 mg/kg),达到高量水平(150~300 mg/kg);其次分别是最南端的文斗镇,中西部齐跃山脉东麓的南坪乡、汪营镇,处于低量水平;再次分别是齐跃山以西的谋道镇、正中部的凉雾乡、西南部的忠路镇、正北部的柏杨坝镇、东南端的毛坝镇、中东部的元堡乡、正西部的建南镇、正南端的沙溪乡,处于特低水平。极高值和极低值都出现在汪营镇,并属相邻的两个村。团堡镇耕地氯离子在6个级中较均匀分布,各级占比在10%~25%之间,在乡镇中属特例;其它乡镇80%以上分布在特低水平,元堡和沙溪2个乡全部在特低水平。
2) 利川耕地氯离子垂直分布差异较大。二高山和高山相当,是低山的近4倍。低山(800 m以下) 8.71 ± 7.33 mg/kg (n = 50),变幅1.76~37.18 mg/kg;全部处于低到特低水平,且特低水平占96%。二高山(800~1200 m) 32.21 ± 89.47 mg/kg (n = 177),变幅0.37~754.46 mg/kg;特低水平占80%以上,其它各级较均匀分布,大于300 mg/kg的特高水平2个点在汪营镇石朝门村、文斗镇堰塘村。高山(1200 m以上) 32.38 ± 81.43 mg/kg (n = 61),变幅1.19~476.58 mg/kg;特低水平占85%,其它各级较均匀分布,特高水平2个点在团堡镇相邻的石板岭村和大垭村。
3) 水旱不同利用类型氯离子含量差异较小。水田22.95 ± 88.58 mg/kg (n = 71),处于特低水平,变幅1.67~754.46 mg/kg;旱地29.87 ± 76.99 mg/kg (n = 217),处于低量水平,变幅0.37~694.70 mg/kg;水田除1个点为最高值外,其它点位都处于低至特低水平,且87%以上为特低水平;旱地近85%处于特低水平,其它各级较均匀分布。
4) 不同土类耕地氯离子含量差异较大。棕壤(58.75 mg/kg) > 石灰土(50.09 mg/kg) > 潮土(38.23 mg/kg) > 黄棕壤(32.57 mg/kg) > 水稻土(见水田) > 紫色土(11.35 mg/kg) > 黄壤(10.91 mg/kg),与殷杰研究的宜宾市植烟土壤差异较大。棕壤均值处于中下水平,70%的点位处于特低水平,20%处于中下水平,10%处于特高水平;石灰土均值处于中下水平,80%以上为特低水平,其余为高和特高水平;潮土均值处于低量水平,2/3处于特低水平,其余处于中等水平;黄棕壤均值处于低量水平,80%以上处于特低水平,其余各级都有分布;紫色土均值处于特低水平,90%以上处于特低水平,其余处于低至中等水平;黄壤全部处于特低水平。
5) 不同母质发育的耕地氯离子含量差异较大。石英砂岩(96.29 mg/kg) > 碳酸盐岩(33.84 mg/kg) > 河流冲积物(27.29 mg/kg) > 泥质砂页岩(20.26 mg/kg) > 第四纪黏土(19.60 mg/kg) > 紫色页岩(12.30 mg/kg)。石英砂岩发育的耕地氯离子近70%处于特低水平,低和特高水平各占10%多,中下和高水平各占5%多;碳酸盐岩发育的近85%处于特低水平,其它各级较均匀分布;河流冲积物发育的80%处于特低水平,中等水平占20%;泥质砂页岩发育的90%以上处于特低水平,其余较均匀分布于低量、中上和高水平;第四纪黏土发育的85%以上处于特低水平,其余较均匀分布在低量、中下、中上和高水平,无特高水平;紫色页岩发育的近90%为特低水平,近10%为低量水平,中等水平有少量分布。
6) 耕地氯离子与其它土壤指标的相关性。从统计学意义上看,利川耕地氯离子含量与土壤pH呈显著正相关,而蔡雅楠等 [20] 的研究结论为不相关;与全氮、有效磷、速效钾呈极显著正相关,这应与利川耕地施肥习惯有关,常规施肥中含氯复合肥、配方肥用量占比大,氯离子施入量相对较多,有一定量残留和积累;与交换性钙、交换性镁、容重呈显著负相关;与有机质、CEC、交换性盐基总量、有效铁、有效锰相关性不显著。
利川耕地氯离子含量普遍较低,降雨量大且集中在较多作物生长季节,所有作物都可根据耐氯水平适量施用含氯肥料。大量的试验结果证明,对特、强耐氯作物完全可以按常量施肥水平正常施用含氯肥料;中、低、弱耐氯作物可减量施用,分别按常量施肥水平的80%、60%、40%适量施用。科学施用含氯肥料不仅能使作物高产优质,还能降低肥料投入,是农业节本增效、实现绿色高质量发展的有效措施。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。