滇中元謀土壤養(yǎng)分元素分布特征及異常分析

徐 杰 ，張 亞，王浩宇，程琰勛，徐 磊，瞿 鏹

(中國地質調查局昆明自然資源綜合調查中心，昆明 650000)

【研究意義】土壤是農業(yè)依存和發(fā)展的載體，“發(fā)展綠色農業(yè)”和“生態(tài)文明建設”受到政府部門和社會各界的普遍關注[1]。1990—2020年這30年間，元謀縣的草地、城鎮(zhèn)、水域等的利用面積增加，耕地、林地和未利用土地面積減小。其中城鎮(zhèn)用地面積增速最大，側面反映出農業(yè)生產投入的土地資源和勞動力均在縮減[2]。元謀縣是云南最大的冬早蔬菜主產區(qū)之一，從1977年至今，歷經40余年發(fā)展，已經成為元謀縣重要的經濟支柱，但仍存在多元化種植主導品牌優(yōu)勢不突出、蔬菜種植品質不穩(wěn)定等問題，掌握耕地變化規(guī)律和做好耕地保護，將有利提高全縣蔬菜標準化生產水平，進而提升產品質量和產業(yè)效益[3]?！厩叭搜芯窟M展】早期學者對元謀干熱河谷的土壤侵蝕特征進行研究，指出該區(qū)存在一定的水土流失問題[4]，后來通過衛(wèi)星圖像解譯元謀耕地資源的時空變化特征，認為其耕地撂荒和擴張缺少理論指導，存在人地關系緊張，耕地分布和配比不均衡的情況[5]。部分學者利用動態(tài)度、土地利用程度和類型轉換等多個指標分析元謀縣的土地現狀，認為在土地利用效率不斷提高的同時，草地轉入與耕地轉出之間，還未能找到一個與農業(yè)發(fā)展相契合的范圍?！颈狙芯壳腥朦c】“十四五”期間，元謀縣繼續(xù)把高標準農田建設作為重點任務，除原有農田的改造升級外，新農村搬遷之后的耕地規(guī)劃也成了此項任務的重難點之一，此時，科學的調查數據就顯得尤為重要，土壤中養(yǎng)分含量的多少直接制約著耕地的分布與利用，它從根本上限制了農作物的生長情況，制約著農業(yè)產值的提高。養(yǎng)分缺乏的地區(qū)多存在水土流失問題，因此，掌握土壤養(yǎng)分特征也成為解決土地問題的突破口之一。在元謀縣全境開展多目標土地質量地球化學調查(1∶25萬)，全面掌握該區(qū)土壤中養(yǎng)分元素的空間展布特征就顯得非常重要。【擬解決的關鍵問題】通過對元謀縣的土壤養(yǎng)分空間展布特征進行調查和評價，掌握該地區(qū)土地質量現狀，科學發(fā)現問題，用微觀和宏觀相結合的方法，探討能有效促進農業(yè)生產的土地利用模式。為干熱河谷區(qū)的生態(tài)保護問題提供數據參考，對提高防風固沙林的經濟產值問題，農業(yè)生產經濟化、特色化之后如何更好的帶動旅游業(yè)發(fā)展等的問題提供基礎理論支撐。對生態(tài)文明建設的工作規(guī)劃提供科學引導，調查后發(fā)現的元素異常問題，如何因勢利導，是否需要集中治理等提供解決思路，從而提高該地區(qū)土地管理和設計技術水平，科學合理使用土地。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地理與地質概況

元謀縣地處滇中高原北部，101°35′～102°06′E、25°23′～26°06′N，屬云貴高原高海拔山區(qū)和金沙江干熱河谷區(qū)[6]。南接祿豐，北鄰四川，東靠武定，西倚大姚，外界交通主要憑借G1、G5兩條高速和1條高鐵線(元謀西站)，縣內S214省道橫貫東西，老108國道連接江邊鄉(xiāng)、黃瓜園鎮(zhèn)至羊街鎮(zhèn)。海拔898～2836 m，從低到高分為河谷南亞熱帶、山地中亞熱帶、山地北亞熱帶和山地溫帶—中溫帶[7]。

出露地層從老到新依次為晉寧期侵入巖脈、元古界變質基底、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、始新統和第四系。缺少寒武系、泥盆系和石炭系[8]。以南北向的元謀—綠汁江斷裂為界(圖1)，北東側以片理化的沉積巖夾變質基性火山巖為主，分布鐵銅多金屬礦床；南西側主要為一套強片理化的沉積巖[9]。斷層切割作用明顯，早期的斷層破碎帶被進一步風化剝蝕，形成了從江邊鄉(xiāng)—老城鄉(xiāng)這一南北向展布的狹長谷地，第四系廣布。東側地勢較高，地層產狀平緩，其出露地層較新且分布特征與斷層延展情況相同。

1：地層代號；2：元古界變質基底；3：晉寧期侵入巖脈； 4：斷層；5：縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置

1.2 樣品采集

樣點布設和采集均按《DZ/T2095—2016土地質量地球化學評價規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)的相關要求進行[10]，每個樣點均采用三角形法或對角線法挖掘4個樣坑，坑距≥20 m，各樣坑均從0～20 cm采集連續(xù)土柱，用竹片削去采集污染面后放入樣袋封存。共采集2368件表層土壤樣品(圖2)，在室溫條件下自然風干，過20目尼龍篩，用四分法取200 g樣品封存于聚乙烯瓶中，得到531件分析樣品，樣品處理全程規(guī)避外界污染源。

1：采樣點位；2：重復樣區(qū)域

1.3 分析方法與質量控制

樣品分析在四川省地質礦產勘查開發(fā)局成都綜合巖礦測試中心進行，該中心具備巖礦化學性質測試的甲級資質，符合此次業(yè)務委托的有關要求。測定有機碳(Corg)、氮(N)、磷(P)、氧化鉀(K2O)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、硫(S)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、全鐵(TFe2O3)、銅(Cu)、硼(B)等養(yǎng)分元素含量，各元素分析方法詳見表1。準確度采用土樣監(jiān)控分析測試的國家一級標準，使用重復樣法監(jiān)控測試的精密度，標準物質合格率和重復樣相對雙差合格率均為100%，數據準確可靠。

表1 養(yǎng)分元素分析方法統計

1.4 數據統計與分析

1.4.1 元素地球化學參數特征 在土地質量地球化學評價中，Cu和Zn同屬于養(yǎng)分和環(huán)境雙評價指標，選擇養(yǎng)分評價指標的有關要求進行數據處理和分析。先對數據分布形態(tài)進行檢驗，對不服從正態(tài)分布或對數正態(tài)分布的數據采用平均值±3倍離差連續(xù)剔除異常數據，用插值法對4 km2內無測試數據的單元進行賦值，得到的數據中各元素的相對誤差均小于30%，滿足數據處理要求，最終得到510組樣品分析數據。

1.4.3 土壤養(yǎng)分等級評價 按照地形圖內2 km×2 km網格劃分評價單元，即每組分析樣所能代表的最小區(qū)域，評價方法參照規(guī)范執(zhí)行[11]，首先進行單元素評價，統一劃分成五個等級，分別為一等(豐富)、二等(較豐富)、三等(中等)、四等(較缺乏)和五等(缺乏)。

根據養(yǎng)分元素影響土壤肥力的程度不同，按規(guī)范將其分成三類：Corg、N、P和K2O為大量元素，綜合權重系數為0.6；CaO、MgO和S為中量元素，綜合權重系數為0.2；Mn、Cu、Zn、Mo、TFe2O3和B為微量元素，綜合權重系數為0.2。將單元素評價結果綜合在一起，綜合等級計算公式如下：

式中,f養(yǎng)綜為土壤養(yǎng)分評價總得分；1≤f養(yǎng)綜≤5；ki為單元素對應的權重系數；fi為單元素等級得分，單指標評價結果為五等、四等、三等、二等、一等時所對應的fi得分分別為1分、2分、3分、4分、5分。

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)分元素分布特征

元謀縣土壤養(yǎng)分元素參數特征見表2，將其變異系數(CV)和均衡度(H)進行綜合對比，用Person相關系數法計算CV和H值之間的相關性，得到R2=0.66，表明元謀縣土壤養(yǎng)分元素的CV和H值呈顯著正相關。

表2 養(yǎng)分元素參數特征

元謀縣養(yǎng)分元素分布均衡度總體較高，從高到低排序依次為B>TFe2O3>MgO>K2O>Zn>P>Corg>Mo>N>Cu>Mn>S>CaO,大量元素在物質循環(huán)中較為活躍，參與動植物代謝程度高且容易造成遷移，故其不易出現峰值且均衡度適中。CaO和S均衡度遠低于其他元素，在區(qū)域上較易出現虧損和富集(圖3)。

圖3 CV和H散點圖

2.2 土壤養(yǎng)分等級評價

因元素含量超出上限值的部分不屬于等級評價范圍，為了便于數據處理，將超出上限值的部分單獨進行統計，Mo超出上限面積約13 km2，約占0.64%；Mn超出上限面積約25 km2，約占1.24%，S超出上限面積約42 km2，約占2.08%；Cu超出上限面積約116 km2，約占5.75%；Zn超出上限面積約4 km2，約占0.2%。其余元素含量均處于評價區(qū)間內。元謀縣單元素等級評價結果如表4所示，遵循“短板法則”，評價單元中統計各元素評價的最低等級，為該單元的最終評價等級[12]，其中Corg一等區(qū)面積約18 km2，N一等區(qū)面積約24 km2，權重大但面積較小，導致元謀縣土壤養(yǎng)分等級評價整體偏低。

表4 養(yǎng)分元素等級評價

養(yǎng)分等級綜合評價結果顯示，元謀縣土壤養(yǎng)分元素一等區(qū)面積約0 km2，約占0%；二等區(qū)面積約142 km2，約占7.03%，分布在姜驛鄉(xiāng)西北部、物茂鄉(xiāng)—江邊鄉(xiāng)—黃瓜園鎮(zhèn)—平田鄉(xiāng)沿線、老城鄉(xiāng)和羊街鎮(zhèn)東南部，冬早蔬菜生產基地大多分布于此；三等區(qū)面積約624 km2，約占30.91%，在元謀縣城附近較為集中，其余地區(qū)呈零星分布；四等區(qū)面積約897 km2，約占44.43%，覆蓋面積最廣且集中程度較高，廣泛發(fā)育“土林”風貌，該區(qū)域存在一定程度的水土流失問題；五等區(qū)面積約356 km2，約占17.63%，沿元謀縣界分布，在新華鄉(xiāng)和羊街鎮(zhèn)相對集中(圖4)。

1：豐富；2：較豐富；3：中等；4：較缺乏；5：缺乏

2.3 Corg、N含量偏低和 CaO、S分布異常

土壤中Corg和N含量都和生物圈的循環(huán)作用關系密切，用Person相關系數法計算Corg和N值之間的相關性，得到R2= 0.81，元謀縣土壤養(yǎng)分元素Corg和N呈顯著正相關(圖5-a)。

元謀縣地勢四周高，中間低，東南側又整體高于西北側，形成了向金沙江流域傾斜的寬緩箕狀地形，降水匯流作用明顯，林地、草地退減趨勢增強。通過走訪調研，江邊鄉(xiāng)以北(圖5-b)的荒地原來種植玉米，持續(xù)的土質惡化后很難再種植作物，表層土壤結構缺失伴隨著石漠化加劇，保水保肥能力降低，后期種植的桉樹(Eucalyptusrobustasmith)長勢較差[13]。物茂鄉(xiāng)和新華鄉(xiāng)以東的荒地(圖5-c、5-d)原種植玉米、小麥，現在地表多被稀疏的扭黃茅(Heteropogoncontortus)和孔穎草(Bothriochloapertusa)覆蓋，土壤原生結構缺失，情況與新華鄉(xiāng)西南以及涼山鄉(xiāng)灌木林地(圖5-e、5-f)中N和Corg缺失的地塊相同。

土壤中CaO分布不均衡。經調查，元謀縣城周邊及其他地形平緩開闊區(qū)域，均有大面積耕地用于種植葡萄、黃瓜和蕃茄，大多農戶施用CaO對土壤pH進行不同程度的調節(jié)。CaO過剩區(qū)域主要分布于姜驛鄉(xiāng)東南部、物茂鄉(xiāng)北部、元馬鎮(zhèn)和老城鄉(xiāng)，耕地較為集中；較缺乏區(qū)域主要沿縣域邊界展布，在新華鄉(xiāng)和羊街鎮(zhèn)相對集中，耕地相對分散，而羊街鎮(zhèn)含量中等區(qū)域剛好對應富含Corg和N的地塊(圖5-h)。

a：Corg和N相關系數圖；b：江邊燥紅土及植被照片(5月下旬)；c：環(huán)州2601 m海拔植被照片(5月上旬)；d：紫色土區(qū)耕地及植被照片(5月中旬)；e：燥紅土區(qū)表層土壤近照(5月下旬)；f：王家村黃棕壤植被照片(4月下旬)；g：羊街壩區(qū)作物生長照片(4月下旬)；h：Corg和N綜合評價圖；1：豐富；2：較豐富；3：中等；4：較缺乏；5：缺乏

S較缺乏區(qū)域約占60.62%，中等、豐富和較豐富區(qū)域沿物茂鄉(xiāng)—元馬鎮(zhèn)—老城鄉(xiāng)呈NW-SE向展布。用Person系數法計算CaO和S之間的相關性，得到R2=0.13,二者不具有明顯相關性，選擇CaO受人為因素影響較大這一條件反推可知，元謀縣土壤S元素較缺乏區(qū)域的大面積分布，更多受自然條件制約。

3 討 論

元謀縣氣候炎熱干燥，平均氣溫為21.9 ℃，年均降雨量為616 mm，年蒸發(fā)量為3627 mm，降水蒸發(fā)比嚴重失衡[14-15]。李德軍等[16]通過研究土壤中不同濃度的N元素與植物生長之間的影響機制，認為土壤中N元素含量降低會影響植被覆蓋率，同時影響到土壤中有機碳含量，加速水土流失。本文通過結合土壤分析數據和野外實況，在認同此觀點的基礎上，推測原生的地質結構(構造、地層等)和地貎演化早期對成土母質的控制作用，較大程度影響了后期土壤的保水保肥能力，中高海拔區(qū)成土母質地層主體為侏羅系—始新統砂質巖，風化后較易形成紫色土和燥紅土，保水保肥能力較弱，此類地塊的生態(tài)治理也一直是業(yè)內研究的熱點問題，但相同的成土母質在地勢較平和水資源豐富的地區(qū)，同樣能夠形成富含N和Corg的地塊，土壤現狀是多種因素同時作用的結果。

CaO不是植物所需要的營養(yǎng)成分，在農業(yè)生產中也被作為一種特殊肥料(生石灰)來施用。土壤中CaO含量過高，會與H2O產生化學反應，吸收土壤中的水分并釋放熱量，灼燒作物根系并導致土壤鹽堿化，含量過低會導致土壤逐漸酸化，誘發(fā)作物病蟲害而造成減產。元謀縣土壤中CaO分布不均衡，可能與農戶按自已的種植需求施用CaO有關；較缺乏區(qū)域在新華鄉(xiāng)和羊街鎮(zhèn)相對集中，耕地相對分散，其中羊街鎮(zhèn)含量中等區(qū)域剛好對應富含Corg和N的地塊，推測研究區(qū)土壤中CaO含量與農戶耕作時選擇性施用生石灰有關。

在大多數非石灰性土壤表層中有機硫占全硫的90%以上，有機硫的循環(huán)轉化與生態(tài)系統豐富程度密切相關[17]。干熱河谷區(qū)生態(tài)系統脆弱，岳學文等早期的研究表明，干熱稀樹灌草叢是金沙江干熱河谷的頂級植物群落，該群落地表郁閉度低[18-19]，太陽輻射較強且蒸發(fā)量大，導致生態(tài)系統結構簡單，土壤因缺水而有機質含量較低，有機硫含量也隨之減少。元謀縣S大面積缺乏和分布不均或與特殊的氣候條件相關[20]。

在早期研究中，何毓蓉等[21]認為該區(qū)土壤存在酸化和石灰化、土壤養(yǎng)分貧瘠等特征，近年來，李新燕等[22]通過遙感解譯，提出該區(qū)存在土壤肥力下降和人地關系緊張等問題。此次調查，將土壤養(yǎng)分空間展布特征進行量化，并進一步將問題根源鎖定在CaO、Corg和N的地球化學特征上來，縮小了后期進行大比例尺調查工作的排查范圍，也將人為因素和自然因素都進行區(qū)分，沒有把CaO異常完全限定在自然成因里，提高了成果科學性，對當地農業(yè)生產中調節(jié)土壤pH，針對農作物生長環(huán)境科學合理施用CaO等具有借鑒意義，在該區(qū)域缺乏對S的具體研究，此次工作填補了這一空白，據走訪調研，在農業(yè)生產中大多施用S肥來進行改良，但此方法持續(xù)作用時間短且成本較高，從數據層面，要實現該元素通過自然物質循環(huán)來達到生產需求還比較困難，目前，在不污染環(huán)境、不導致土壤貧瘠化的前提下使用S肥依然可行。歐朝蓉等[23]運用RS和GIS技術相結合的方法，提出在該區(qū)應強化特色草本植物的恢復工作并增加植被覆蓋度的建議，鄧衛(wèi)東等[24]有關元謀縣濕地生態(tài)系統的研究表明，在研究區(qū)存在過度利用生物資源的情況。以上結果均以此次實地調查中，4—5月份山地植被覆蓋率低的客觀實際相符。韓姣姣和趙元蛟等通過對元謀局部地區(qū)土壤水分的通徑分析，認為葉面積指數、生物量和樹高是影響土壤中水分含量的間接因素[25-26]。多方調查成果可歸結為一點，植被覆蓋率低導致了土地貧瘠，筆者在認同此類觀點的基礎上加以補充，土地貧瘠致使植被生長環(huán)境惡化，環(huán)境惡化加速土地貧瘠化和水土流失。一直以來，植被恢復多倚靠政府的政策扶持，很多水土流失區(qū)域“地廣人稀”，專業(yè)治理隊伍的工作難度也較大，治理工作推進緩慢。筆者認為，土地改良具有工作周期長、經濟效益低和成果難維持的特點，經濟因素直接影響著群眾改良土地的自覺性，較之現代化農業(yè)，“無土栽培”產量高且已脫離土地束縛，但與之相伴的“傳統綠色農產品”也越來越受到人們追捧。傳統綠色農業(yè)具有不可替代性，它除了經濟屬性、環(huán)境和人文屬性同樣不可忽視，筆者認為無論科技如何發(fā)展，我們依然該把水土保持、逐步改善土地狀況視為農業(yè)衡穩(wěn)發(fā)展的基礎。長期工作應著眼于前，在生態(tài)文明建設中，多地出現“生態(tài)文明村”、“生態(tài)農業(yè)產業(yè)園”等優(yōu)質項目，農業(yè)與旅游業(yè)的深度融合一再刺激著經濟發(fā)展，小范圍的生態(tài)文明建設或引起大范圍的效仿學習，增強環(huán)保意識，從身邊的水土保持開始逐步外擴，形成一種文化滲透。因此，在經濟產出和水土保持間尋找平衡點，實現農業(yè)發(fā)展和生態(tài)文明建設的整合優(yōu)化依然任重道遠。目前，元謀縣土地利用較為合理，土壤養(yǎng)分問題需要在后期的土地規(guī)劃利用中逐步改善，暫無速成之法。在遵循客觀實際的基礎上，結合地區(qū)農業(yè)發(fā)展特點做到因勢利導，逐步緩減干熱河谷區(qū)的生態(tài)劣勢，合理施用農肥，實現農業(yè)產能的穩(wěn)步提升[27-28]。

4 結 論

元謀縣表層土壤中養(yǎng)分元素有機碳(Corg)、氮(N)、磷(P)、氧化鉀(K2O)、氧化鎂(MgO)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、全鐵(TFe2O3)、銅(Cu)、硼(B)分布均衡，硫(S)和氧化鈣(CaO)均衡度低于其他元素。土壤養(yǎng)分綜合評價等級偏低，主要受制于Corg和N的含量整體偏低，在成土母質相同的情況下，評級較高區(qū)域都具有植被覆蓋率高的特點。土壤中CaO異常主要受人為因素影響， 干熱河谷生態(tài)系統中缺少有機硫，是土壤中S缺乏和異常的主要根源。