文摘

土壤微量元素是植物生长的重要元素,尽管需要少量的。缺乏微量元素可以导致严重的作物歉收而过量会导致健康危害;因此,农业用地调查他们的地位是至关重要的。五十块一起建立了一个高度的从680年到1696米海拔梯度斜坡上的乞力马扎罗山,坦桑尼亚。土壤采样顶部——(0-20厘米)和底土(21-50厘米)在四个地点在每个情节。傅里叶变换红外(FT-MIR)光谱法和湿化学用于土壤分析。结果表明,表层土壤中的微量元素的平均含量是铁( mgkg−1)、锰( mgkg−1)、锌( mgkg−1)、B ( mgkg−1)、铜( mgkg−1)。微量元素的变化并没有统计上的不同高程(df = 41岁 )和土壤深度(df = 49岁 )。为铁微量元素之间的相关性是显著的与锰( , B),与锌( , B),与铜( , ),铜与锌( , )。相关微量元素暗示他们受到类似的影响因素。土壤pH值将积极与B、铁、锰和消极的铜和锌,因此可能影响其可用性。因此,需要保持在足够的微量营养素水平是至关重要的。管理干预措施可能包括通过石灰调节土壤pH值降低酸度越高海拔和掺入有机物质的低地。

1。介绍

土壤养分是重要的元素,支持植物生长和作物生产力(1]。维护足够的土壤养分水平宏观和微量元素仍然是确保持续的作物产量的先决条件2,3]。通常大量要素,需要大量,是许多干预措施的焦点,与所需微量元素在少量4- - - - - -6]。在撒哈拉以南非洲地区,土壤不孕仍下降的关键因素之一,负责农作物产品(7,8]。挑战等各种因素造成的土壤不孕减少作物多样性导致应用程序的各种干预措施,包括使用无机肥料和农林实践部署豆科物种(9- - - - - -11]。

植物所需的微量元素量非常小,足够的阈值,缺乏和毒性水平也非常接近。几个审查研究总结和建议微量营养素范围基于提取方法(4,12]。土壤微量元素的主要来源是从母体材料和有机无机形式形成腐殖质,尽管缺乏或毒性主要可以归因于母体材料(13,14]。此外,因素扮演了一个重要的角色在调节微量元素包括土壤pH值、氧化态,有机质、菌根,有机化合物,螯合物的稳定15,16]。

大多数土壤微量元素含量不同,提供微量营养素不足是惊人的17]。缺乏微量元素可以导致严重的作物歉收;因此努力提高作物产量和土壤管理(18- - - - - -21)必须符合微量营养素修正案(22,23]。

通常情况下,土壤养分浓度受土壤类型的影响,气候,地形,和管理实践24- - - - - -26]。例如,拒绝植被和极端降水可能会加速微量元素浸出。微量元素的浸出的几率增加是由于他们的出现自由离子或在溶液中可溶性复合物(27]。因此,易位的微量元素沿高程由于倾斜的地形和地表径流口供在山谷底部要求适当的土壤管理措施来解决养分转移和作物产量(28]。

在坦桑尼亚,很少有研究试图评估土壤微量元素的浓度与支持农作物生产。这种趋势导致了部分的理解状态和各种农业土壤中微量元素的变化18,29日,30.]。因此,本研究旨在确定土壤微量元素的浓度水平和变化沿着山坡的乞力马扎罗山,坦桑尼亚。规划土地管理干预措施的信息生成可以维持土壤微量元素足够的水平和解决缺陷研究的网站。

2。材料和方法

2.1。研究网站

这项研究是进行农田沿着南部斜坡乞力马扎罗山,苎麻的农村地区,坦桑尼亚北部(图1)。一般来说,土壤研究网站源于火山岩石富含钙和镁(32,33]。乞力马扎罗山是成层火山在东非大裂谷包围的前寒武纪岩石莫桑比克带(32,34]。整个研究区域水文过程是非常复杂的,包括降水和深层地下水渗透(35]。乞力马扎罗地区的总人口是1640087家庭平均规模为4.336]。查加人部落形式的主要居民研究网站,与其他民族包括削减和泰塔。


图1
研究网站的位置在南部斜坡乞力马扎罗山,坦桑尼亚。插入地图显示的位置在非洲坦桑尼亚大陆(31日]。
2.2。土地利用系统

研究横断面是基于高度分为三个土地利用区,气候和土壤。这些土地利用区域农业系统的变化和被分成高地(高地),米德兰(中间区)和低地。

的高地位于1438和1696之间a.s.l。土壤由腐殖质Nitisol主导6,37]。年平均气温是24°C和降雨范围每年1250至2000毫米(38- - - - - -40]。缓坡地形。查加人homegarden系统是占主导地位的农业系统,包括multistrata农林香蕉种植园和咖啡为主要作物。牲畜是通过零放牧。奶牛它包括黑白花奶牛、泽西埃尔郡,跨界车之间的改善和当地品种(乞力马扎罗山瘤牛)。其他牲畜包括肉类牛、奶制品和肉山羊,羊和猪。开放空间也发现饲料和玉米种植。其他作物空间分布在农场包括山药、土豆,和蔬菜40,41]。

米德兰形式过渡,高地和低地收敛。它位于其子as 900和1438之间。l (40]。主要的土壤是典型黑土(6,37]。年平均气温26°C,每年降雨量1000 - 1200毫米范围(38,39]。缓坡地形。混合的查加人homegarden和玉米单一作物系统是主要的农业系统。移动下坡的,米德兰,玉米是非常主要的,这样面积部分称为玉米带。其他作物发现包括咖啡、香蕉、小豆蔻、和豆类,套种在一起。牲畜饲养staff-fed和田野放牧,优势种是牛、山羊和绵羊等。

低地区域延伸低于900米海拔的年降水量400 - 900毫米每年的平均气温33°C (40]。主要包括土壤饱和冲积土(6,37]。地形是平原,平坦。主要年度作物包括向日葵、棉花、玉米、高粱、木薯、水稻和鸽子豌豆。自由主要牲畜放牧的地方品种的奶牛(乞力马扎罗山瘤牛),山羊和绵羊在农场通常练习后作物的收获(40]。

2.3。土壤采样和分析

建立了五十块土壤在25公里长预选的横断面其子as运行从680年到1696。l: 12块高地,14日在米德兰,24的低地。非洲土壤信息系统(AfSIS)协议对土壤采样是适应倒y形的设计是用于抽样4次要情节在每个情节(42]。土壤采样顶部——(0-20厘米)和底土使用螺旋和取样板(21-50厘米)。土壤涨跌互现用单独的子任务和表层土复合样品做准备。锥进和四分法方法被用来减少每个样本500克,每从顶部——和底土的情节43]。样本装入自封袋包装和标签。样本然后风干,地面用一根擀面杖,筛分2毫米的网。

2.3.1。光谱数据分析

风干次级样本从所有情节和土壤深度大约每20克被加载到四井。土壤进行使用傅里叶变换中红外反射光谱波段范围从4001.6到601.7厘米,在世界农林中心(ICRAF)植物光谱诊断实验室在内罗毕(力量Optik GmbH,德国(44])。土壤样本扫描32次,四个谱平均占可变性在样本和不同颗粒大小和包装在井43]。

2.3.2。参考土壤分析

大约30%的土壤样本随机选择了湿法化学分析在内罗毕作物营养实验室校准设置(45]。土壤pH值是由标准电位法分析使用soil-to-water比1:2重量/体积的基础上[43]。微量元素(B、铜、铁、锰、锌)分析了用电感耦合等离子体原子发射光谱(icp - aes)使用Mehlich 3-Diluted fluoride-EDTA铵、硝铵(46]。

2.3.3。最优化分析

最优化程序被用于分析土壤光谱数据和参考土壤样本的测量值。土壤光谱是由立方平滑样条函数和处理,之后,第一个衍生品被平滑间隔21数据点用“反式“功能”soil.spec“在R-software。测量土壤属性被校准使用反射的一阶导数光谱利用偏最小二乘回归(47- - - - - -49]。回归模型被用来预测土壤属性(表1),其余的样品及其相关系数( )和根平均标准误差校准(RMSEC): 在哪里 预测的参考价值, 是测量的参考价值, 样品的数量, 中使用的是主成分的数量模型。

表1
校准结果的土壤属性的南部斜坡乞力马扎罗山,坦桑尼亚。
2.4。统计分析

描述性统计(最大值、最小值、平均值和标准错误的意思是,标准差、偏态、峰态,和变异系数)计算了土壤属性。非参数克鲁斯卡尔-沃利斯检验( 执行测试)来确定土壤微量元素高度和土壤深度的关系。皮尔逊相关性是用于比较变量具有不同量纲单位(50),确定土壤pH值和微量元素之间的关系,并确定微量元素之间的相关性。统计量的软件被用于所有统计分析(48]。

3所示。结果

相关系数( )湿化学和米尔的校准结果(表1)大B和土壤pH值( = 0.78和0.93),这表明大型湿法化学之间的相关性和米尔分析过程。结果铜、铁、锰、锌显示中等相关性( = 0.31 - -0.46)。

B的浓度、铜、铁、锰、锌随土壤深度在整个海拔范围(表2)。本研究观察到微量元素的浓度变化表2)范围从缺乏足够,建议作为植物生长所需的其他研究[12]。

表2
描述性统计对土壤微量元素南部斜坡乞力马扎罗山,坦桑尼亚。

平均浓度的铜、铁、锰、锌在地下的表层土高于硼(表除外2在高程)。然而,没有明显差异的变化前和底土浓度( 测试:df = 49, )。偏态是积极为表层土(范围1.2 - -2.0)和底土(0.99 - -2.05),除了菲接近对称分布。峰度是积极的在所有土壤微量元素显示峰值分布,除了地下铁的(表2)这是负的,说明奉承分布。

土壤微量元素表示变化特别是B的浓度高,铜、锰、锌(简历> 0.5)。然而,浓度水平与海拔之间没有显著性差异( 测试:df = 41岁 )。这意味着浓度水平变化在海拔之间,作为进一步的散点图(图所示2)。


图2
模式的土壤属性沿海拔梯度在乞力马扎罗山,坦桑尼亚。请注意。高地(1438 - 1696 m a.s.l。);米德兰(900 - 1438 m a.s.l);和低地(低于900米a.s.l扩展)。

土壤pH值在强酸性高地估计价值为5.2,提升到很强的碱性低地(表9的价值2,图2)。类似地,土壤pH值与B表示正相关,铁,锰与铜和锌(表负相关3)。这意味着土壤pH值影响土壤微量元素研究网站的可用性。

表3
皮尔逊积差相关系数在土壤属性的南部斜坡乞力马扎罗山,坦桑尼亚。

微量元素之间的相关性被发现是铁的统计学意义与锰、B与锌、B与铜,铜与这些相关的微量元素锌,这意味着受到类似的因素的影响。

4所示。讨论

意思是B的浓度、铜、铁、锰和锌( )足够的范围(表中被发现2),而B (0.000078 mgkg最低水平−1)、铜(0.75 mgkg−1)和锌(0.92 mgkg−1)显示缺陷。不足、充分性和微量元素的毒性范围非常小4,12];因此,重要的是要理解他们的浓度水平适当的土地管理。总的来说,微量元素的浓度水平本研究属于观察到类似的范围与其他研究在坦桑尼亚(30.,51]。

在高海拔地区土壤pH值很低(表2,图2),由更高浓度的铝由于母体材料的性质以及更高的年平均降雨量导致基阳离子的浸出。在低海拔、土壤pH值是碱性;这是由于增加的浓度换算单位由于易位和土壤口供和他们接触的表面蒸发。因此,土壤pH值增加与减少高程。

模式表明,土壤pH值正好与微量元素的可用性(图的变化2),这意味着它有直接影响。其他研究已经表明,土壤pH值影响微量元素可用性支持条件加速氧化、降水、和固定5,17]。正相关性被发现B、锰和铁与土壤pH值(表3),因此为他们的可用性提供有利条件。B的溶解度、锰和铁是众所周知的增加和降低土壤pH值(52]。

土壤pH值与锌和铜(表显示负相关3)。这意味着强劲酸度较高的海拔高度和碱性条件下的研究区降低了锌和铜(图的可用性2)。盐碱土倾向于提高形成不溶性的铜和锌的氧化物和氢氧化物,这限制了他们的可用性4]。此外,我们的观察表明,铜比60 mgkg低得多−1。铜的浓度高于60 mgkg−1被认为是有毒的,是有限的水平传播的铜从邻近的农场与之前的观察30.]。

微量元素之间的相关性研究(表3)可以解释他们的关系提高可用性。例如,高浓度的锰和铁被抑制可榨出的重金属如锌和铜53]。然而,事实并非如此,因为贫穷和统计相关性在这些无意义的元素(表3)。因此,其他因素,包括土壤pH值,保持负责任的。此外,一个积极的和重要的铁和锰的存在(表之间的相关性3),这突显出锰的影响可用性的铁的事实。这意味着,在同一土壤pH值,增加锰的浓度可能会增加铁可用性(如前所述54]。

表层土表示更高浓度的土壤微量元素与底土(表2),但差异无统计学意义( 测试:df = 49, )。这意味着的口供和分解土壤有机质高,因此导致释放微量元素(1,55]。此外,浸出不删除可榨出的微量元素从表层进入地下,整个三个土地用途。这部分可以解释为减少土壤排水由于干燥条件和高压缩低于900米a.s.l。同样,900 a.s.l之上。查加人组成的,农场homegardens保留高植被估计10%以上(39),倾向于通过增加垃圾,减少浸出覆盖物,根产量(56]。

在同一高程(图2),一些土壤微量元素显示浓度水平的差异。这也许可以解释为不同的山区地形特别是与本地化管理。在另一项研究指出,地形和土地利用对土壤化学性质的影响(57]。同样,不同的土壤微量元素变化被观察到在坦桑尼亚Usambara山区由于地形的差异(18]。

平均而言,足够的浓度水平的土壤微量元素(表2)提供工厂生产和人类健康的前景。在马拉维进行的一项研究指出,土壤富含微量元素的浓度影响粮食作物(14];因此,观察铁浓度(表2)可能导致解决缺铁在饮食的研究领域。它建立了铁缺乏是一个严重的问题在坦桑尼亚,影响30%的女性,和负责50%的贫血由于Fe-rich低消费的食物(58]。

5。结论

研究地区土壤微量元素随深度和高度,虽然差异没有统计学意义。B的平均浓度,铜、铁、锰,锌在足够的范围支持植物生长。土壤pH值增加下行下坡的从高海拔的强酸性强碱性的低地。土壤pH值与B显示正相关,铁、锰和消极的铜和锌。为铁微量元素之间的相关性是显著的与锰、B与锌、B与铜,铜与锌。观察到的土壤微量元素相关暗示,他们受到类似的影响因素。土壤pH值表明影响土壤微量元素的可用性,其中包括限制B,铜和锌。改善作物生产在该研究领域需要维持微量营养物质充分考虑土壤管理水平和解决不足的部分B,铜和锌。管理干预措施可能包括通过石灰调节土壤pH值降低酸度越高海拔和添加有机物质在低地。应用程序低地的有机物可能确保缓慢释放的微量营养素水平足以支持植物生长。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是博士计划资助的项目名为“气候变化对生态系统服务和粮食安全的影响在非洲东部(基耶)。“基是由芬兰外交部和协调国际昆虫生理学与生态学中心(ICIPE)在内罗毕,肯尼亚。世界农林中心和CGIAR的CRP计划在潮湿的热带地区支持Mathayo Mpanda马修在各种能力。特别感谢定于17 Muya,吉米Sianga安德鲁威尔逊Mchomvu,尸罗协助现场和实验室工作。