海倫市土壤主要微量元素空間分布特征

李秋燕，張一鶴，魏明輝，賀鵬飛

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗室，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

土壤中的硼、銅、錳、鉬、鋅(B、Cu、Mn、Mo、Zn)等元素是植物生長所必需的微量元素。微量元素作為輔酶或者活化劑參與多種酶的合成，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的氧化還原作用，其含量影響植物體的生長[1]。土壤中缺乏微量元素會導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，進(jìn)而通過食物鏈威脅人體健康[2]。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者運(yùn)用地統(tǒng)計學(xué)與GIS相結(jié)合的方法，對不同地區(qū)土壤中微量元素的空間變異規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)影響土壤中微量元素含量及分布的因素主要有自然因素(成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、土壤類型、氣候等條件)和人為因素(耕作方式、施肥、種植制度等)[3-6]。

海倫是中國黑土硒都，是國家重要的商品糧基地。目前對于海倫土壤質(zhì)量狀況的研究基本都是以土壤養(yǎng)分以及土壤硒元素為主，有關(guān)微量元素的空間變異及空間分布規(guī)律的研究相對較少。本文以海倫地區(qū)表層土壤(0～20 cm)為研究對象，采用GIS與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，以了解當(dāng)?shù)赝寥牢⒘吭刎S缺情況，分析土壤中微量元素的空間分布情況，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)劃，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)提供數(shù)字依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海倫市位于黑龍江省中部、綏化市北部，地處松嫩平原東北端，小興安嶺西麓，地形為丘陵、漫崗，平均海拔239 m。該區(qū)屬中溫帶大陸性氣候，無霜期近120 d，有效積溫2 200～2 400 ℃，年降水量500～600 mm。土壤類型主要為黑土、草甸土、暗棕壤，還有少量的白漿土和水稻土，總面積為4 679 km2。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

采樣區(qū)域為海倫市全域。樣品采集和分析測試工作均嚴(yán)格按照《多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》[7]執(zhí)行。按照2 km× 2 km規(guī)則格網(wǎng)采樣法進(jìn)行土壤樣品采集，采樣密度為1個點(diǎn)/km2，采樣深度0～20 cm，每個土壤樣品均由3個子樣點(diǎn)組成，每4 km2組合成一個樣品分析，共獲取表層土壤分析樣品1 175件。土壤樣品的分析測試由黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗測試研究中心完成，分析方法配套方案及檢出限見表1。以國家一級土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW)系列進(jìn)行準(zhǔn)確度、精密度監(jiān)控,隨機(jī)抽查異常點(diǎn)監(jiān)控分析質(zhì)量，土壤樣品準(zhǔn)確度、精密度均為100%，重復(fù)樣合格率100%，數(shù)據(jù)可靠。

表1 各項指標(biāo)的分析方法與檢出限Table 1 The analysis method and detection limit of target elements

2.2 數(shù)據(jù)處理

文中采用SPSS25.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計和正態(tài)分布檢驗，對不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，則需要對其剔除異常值，以達(dá)到較好的地統(tǒng)計學(xué)插值效果。采用GS+10.0軟件進(jìn)行半方差函數(shù)的計算、理論模型的擬合。利用ArcGIS10.4軟件中的Geostatistical Analyst模塊進(jìn)行趨勢分析和克里金插值。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤微量元素含量統(tǒng)計特征

海倫市土壤微量元素含量統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表2可知，研究區(qū)土壤B、Cu、Mn、Mo、Zn平均含量分別為30.79×10-6、22.75×10-6、732×10-6、0.58×10-6和67.02×10-6。與松嫩平原背景值相比，B、Mn、Mo含量低于松嫩平原背景值，Cu、Zn與松嫩平原背景值相當(dāng)。與全國土壤背景值相比，研究區(qū)土壤B和Mo嚴(yán)重低于全國土壤背景值，Zn較低于全國背景值，Mn含量接近全國土壤背景值的1.5倍，相對富集，Cu含量與全國土壤背景值相比差別不大。

變異系數(shù)(CV)是表征元素在空間分布上變異程度的指標(biāo)，在一定程度上可以反應(yīng)出元素受到人為干擾的程度[8]。一般認(rèn)為，CV<10%為弱變異，10%～100%為中等強(qiáng)度變異，CV≥100%為強(qiáng)變異[9]。從表2可以看出，B、Mn、Mo、Zn變異系數(shù)大于10%，均屬于中等強(qiáng)度變異，說明這4種微量元素在一定程度上受到了人為因素的影響，如施肥、灌溉、噴灑農(nóng)藥等；Cu變異系數(shù)低于10%，屬于弱變異，說明海倫市Cu分布受人為影響不大。

表2 土壤微量元素含量統(tǒng)計分析Table 2 Description statistics of trace elements in surface soil

3.2 土壤微量元素含量趨勢分析

正態(tài)分布檢驗是選擇適宜插值模型的主要依據(jù)，正態(tài)分布的數(shù)據(jù)經(jīng)地統(tǒng)計學(xué)插值時得到的效果更好，所以需要對偏分態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換使其變成正態(tài)分布。采用Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗方法[P(k-s)≥0．05]來檢驗數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，按照算術(shù)平均值加(減)3倍算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(X±3S)的方法進(jìn)行迭代剔除離群值后，研究區(qū)土壤中5種微量元素符合正態(tài)分布。

全局趨勢分析可以反應(yīng)土壤微量元素在研究區(qū)域上的總體變化趨勢，忽略局部變異情況，從宏觀上揭示研究區(qū)總體土壤微量元素變化規(guī)律[1]。利用ArcGIS中的Geostatistical Analyst模塊對研究區(qū)5種微量元素進(jìn)行趨勢效應(yīng)分析，結(jié)果如圖1所示。其中X軸表示正東方向，Y軸表示正北方向，Z軸表示各樣點(diǎn)數(shù)值的大小，橫向投影面上的曲線表示EW向的全局性趨勢效應(yīng)變化，縱向投影面上的曲線表示SN向的全局性趨勢效應(yīng)變化。

圖1 土壤微量元素趨勢分析Fig.1 Trend analysis of soil trace elements

從圖中可以看出，研究區(qū)B、Cu在EW方向和SN方向上均具有二階趨勢效應(yīng)，并且都呈先增加后減少的“n”型趨勢；Mn、Mo在EW和SN方向上也都具有二階效應(yīng)，但是與B、Cu不同的是，Mn、Mo由西向東呈現(xiàn)出一直增加的趨勢，由南到北呈先減少后增加的“u”型趨勢；Zn在EW和SN方向上均為“u”型二階趨勢效應(yīng)。

3.3 土壤微量元素含量的空間變異結(jié)構(gòu)特征

土壤微量元素的變異函數(shù)反映了不同距離的觀測值之間的變化[12]。變異函數(shù)的計算需要數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)[13]。因此，對海倫地區(qū)土壤中5種微量元素經(jīng)迭代剔除異常值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析。

塊金值(C0)反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差，屬于隨機(jī)變異；基臺值(C0+C)表示變量的最大變異程度；塊金值與基臺值的比值[C0/(C0+C)]表示空間相關(guān)度，又稱為塊金效應(yīng)，表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度，反映了空間變異影響因素中自然因素和人為因素的影響程度[14]。當(dāng)[C0/(C0+C)]<25%時，說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，受自然因素影響較多，人為因素影響較少；25%≤[C0/(C0+C)]≤75%，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性；若[C0/(C0+C)]>75%說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱，變量受人為因素影響較大[15]。變程(a)指半變異函數(shù)的取值由初始的塊金值達(dá)到基臺值時，采樣點(diǎn)的距離，表示元素的空間自相關(guān)范圍。變程越大，說明土壤中該元素的均一性越強(qiáng)；變程越小，則意味著土壤中該元素的均一性越弱[12]。

根據(jù)表3可以看出，B和Zn符合指數(shù)模型，Cu符合球狀模型，Mn、Mo符合高斯模型。從塊金效應(yīng)來看，5種微量元素塊金效應(yīng)都大于25%，最小值為52.5%，說明研究區(qū)5種微量元素空間分布受人為因素和自然因素雙重影響。Mn、Mo的塊金效應(yīng)大于75%，空間相關(guān)性較弱，說明這兩種元素受人為因素影響較多，其余3種元素塊金效應(yīng)在25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)。研究區(qū)土壤微量元素含量的變程存在較大差異，B的變程較大，為633 km，表明在較大范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性，空間分布的均一性較強(qiáng)，Zn變程較小，表明在較小范圍內(nèi)存在自相關(guān)性，農(nóng)作物對微量元素的吸收偏好也可能會影響土壤微量元素含量的變程大小[4]。

表3 海倫市土壤微量元素半方差理論模型與參數(shù)Table 3 Theoretical model and parameter of semi-variance function for soil trace elements in Hailun City

3.4 土壤微量元素空間分布特征

在趨勢分析和半方差分析的基礎(chǔ)上，選用普通克里金插值法繪制各元素的空間分布圖(圖2)。由圖2可以看出，研究區(qū)內(nèi)各微量元素含量都表現(xiàn)出較為明顯的空間分布格局，與趨勢分析結(jié)果顯著一致。B、Cu呈現(xiàn)出由中部向四周逐漸遞減的趨勢；Mn、Mo含量呈現(xiàn)明顯的帶狀特征，含量最高值出現(xiàn)在研究區(qū)的東北部，由東北部向西南部逐漸遞減，變程較大；Zn在東西方向上高值區(qū)和低值區(qū)分布無明顯特征，北部含量高于南部。

圖2 表層土壤微量元素含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of trace elements in surface soils

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)對各微量元素含量進(jìn)行等級劃分[16]，研究區(qū)土壤養(yǎng)分單指標(biāo)分等統(tǒng)計結(jié)果見表4。土壤中B明顯缺乏，較缺乏(四等)和缺乏(五等)等級占到了研究區(qū)面積的98.03%；Mo相對缺乏，豐富(一等)和較豐富(二等)等級僅占到了研究區(qū)面積的22.76%；Cu、Zn以中等(三等)為主，分別占研究區(qū)面積的71.98%、56.79%；Mn主要以豐富(一等)和較豐富(二等)為主，較豐富(二等)以上占研究區(qū)土地總面積的80.87%。

表4 土壤養(yǎng)分單指標(biāo)評價結(jié)果統(tǒng)計Table 4 Statistics of single index evaluation results of soil nutrients

3.5 土壤微量營養(yǎng)元素空間分布的影響因素

3.5.1 有機(jī)質(zhì)的影響

土壤中有機(jī)質(zhì)的含量影響著土壤對微量元素的吸附能力，有機(jī)質(zhì)的含量主要受到地形地貌、氣候、土壤質(zhì)地、成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用方式等因素的影響[17]。土壤有機(jī)質(zhì)通過對微量元素產(chǎn)生吸附、絡(luò)合或沉淀作用，影響它們在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化[18]。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤微量元素含量的相關(guān)性分析見表5。土壤有機(jī)質(zhì)與B、Mn、Mo、Zn呈顯著相關(guān)關(guān)系，其中與B為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Mn、Mo、Zn為顯著正相關(guān)關(guān)系，與Mo、Mn的相關(guān)性最大，與Cu相關(guān)性不明顯。有機(jī)質(zhì)對于土壤中B的吸附和解吸機(jī)理至今仍未搞清，有研究表明土壤有機(jī)質(zhì)與B呈正相關(guān)關(guān)系[18]，也有學(xué)者認(rèn)為土壤中有機(jī)質(zhì)的大量存在是導(dǎo)致B缺乏的一個原因[19]。本研究中土壤有機(jī)質(zhì)與B呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有可能是因為吸附在有機(jī)質(zhì)上的B的解吸有滯后現(xiàn)象，造成了它們之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系[20]。

表5 土壤微量元素和有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil trace elements and organic matter

微量元素間的相關(guān)分析表明，除了B和Zn不存在相關(guān)關(guān)系外，其余元素均存在明顯的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且Mn、Mo、Zn之間存在著顯著正相關(guān)關(guān)系，表明這3種元素存在著共生關(guān)系。Cu與Zn存在正相關(guān)的原因可能是這兩個元素均為親硫元素，具有相似的地球化學(xué)性質(zhì)[21]。相關(guān)性分析可以說明，由于不同元素的地球化學(xué)性質(zhì)不同，微量元素之間具有共生關(guān)系，也有拮抗關(guān)系。

3.5.2 成土母質(zhì)的影響

成土母質(zhì)是影響土壤微量元素含量的重要因素，成分不同的成土母質(zhì)下，土壤中元素含量差異較明顯[22]。由表6可以看出，B的平均含量表現(xiàn)為沖湖積>坡洪積>沖積>冰積;Cu的平均含量表現(xiàn)為坡洪積>沖湖積>沖積>冰積;Mn和Mo的平均含量表現(xiàn)為冰積>沖積>沖湖積>坡洪積;Zn的平均含量表現(xiàn)為冰積>沖湖積>坡洪積>沖積。不同母質(zhì)發(fā)育的土壤，微量元素含量分布不同。Mn、Mo、Zn含量在研究區(qū)東北部明顯較高，可能原因是研究區(qū)北部成土母質(zhì)為冰積，在冰川沉積作用下，巖石碎屑沉積這些元素較多。

3.5.3 土壤類型的影響

研究區(qū)土壤類型為暗棕壤、草甸土和黑土。由表6可以看出，Mn、Mo、Zn的平均含量表現(xiàn)為暗棕壤含量最高，草甸土和黑土中含量相近；Cu的平均含量在3種土壤類型中分布較均勻；B的平均含量表現(xiàn)為黑土>草甸土>暗棕壤。土壤類型對有機(jī)質(zhì)含量影響較大，研究區(qū)暗棕壤中土壤有機(jī)質(zhì)的含量為45.1×10-6，高于草甸土和黑土中有機(jī)質(zhì)含量，由于土壤中的有機(jī)質(zhì)易與金屬元素形成螯合物，從而截留于土壤表層中[23]，因此使得Mn、Mo、Zn在暗棕壤中含量最高。由于B和有機(jī)質(zhì)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，所以B在暗棕壤中含量最低。

3.5.4 土地利用類型的影響

土地利用是自然因素和人類活動影響的綜合過程，不同的輪作制度、管理模式、施肥方式等都可能會導(dǎo)致土壤微量元素分布的差異[24]。由表6可以看出，B平均含量表現(xiàn)為草地>旱地>沼澤>林地>水田，Cu為水田>旱地>草地>沼澤>林地，Mn為林地>沼澤>草地>水田>旱地，Mo為林地>沼澤>草地>旱地>水田，Zn為林地>沼澤>水田>草地>旱地。Mn和Mo含量在不同土地利用類型下具有較為明顯的差異，說明人類活動對這兩個微量元素含量影響較大。

表6 不同成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型的土壤微量元素平均含量Table 6 Average contents of trace elements in soils of different soil parent materials，soil types and land use patterns

4 結(jié)論

1)研究區(qū)土壤中微量元素B和Mo含量分別為30.79×10-6、0.58×10-6，遠(yuǎn)小于松遼平原背景值和全國土壤背景值。B、Mn、Mo、Zn屬于中等強(qiáng)度變異，Cu屬于弱變異。

2)通過半變異函數(shù)模型分析可知，Mn和Mo的塊金效應(yīng)大于75%，屬于中等空間自相關(guān)，空間變異受到自然因素和人為因素的雙重影響，其余3種元素空間自相關(guān)較強(qiáng)，空間變異主要受到自然因素的影響。

3)研究區(qū)土壤5種微量元素空間分布各異，B和Cu含量由中部向四周逐漸遞減，Mo和Mn含量呈現(xiàn)明顯的帶狀特征，由東北部向西南部逐漸遞減，Zn含量北部高于南部。5種微量元素之間既具有共生作用也具有拮抗作用。同時，土壤有機(jī)質(zhì)含量、成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型對土壤微量元素的含量均有不同程度的影響。