貴州草海濕地典型集水區(qū)土壤微量元素分布特征研究

朱 超，戴全厚，王玲玲

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成因素之一，土壤中微量元素的含量與分布狀況是反映特定地區(qū)環(huán)境狀況的一個(gè)重要因素，對(duì)研究土壤環(huán)境質(zhì)量演變、人為活動(dòng)對(duì)土壤質(zhì)量的影響及合理開(kāi)發(fā)利用土地資源具有重要意義[1]。微量元素是動(dòng)物和植物所必須的，其供給過(guò)多或過(guò)少都會(huì)引起動(dòng)植物的不良反應(yīng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物所需要的微量元素主要來(lái)自于土壤[2]。劉錚等[3-4]對(duì)我國(guó)土壤微量元素的含量開(kāi)展了較為全面和系統(tǒng)的研究，基本確定了我國(guó)不同土壤類(lèi)型微量元素的含量水平和分布狀況。隨后許多學(xué)者對(duì)我國(guó)不同地域土壤中微量元素的含量、空間變異及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，余存祖等[5]對(duì)黃土區(qū)土壤微量元素的含量分布及其微肥效應(yīng)的研究認(rèn)為，微量元素的含量分布受成土過(guò)程與成土條件的深刻影響。張朝生等[6]在對(duì)天津市平原區(qū)土壤微量元素含量的空間相關(guān)性研究時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)微量元素含量表現(xiàn)出顯著的正空間自相關(guān)性，人為活動(dòng)改變了部分微量元素在土壤中特別是表土中原有的空間分布結(jié)構(gòu)特征。2000年以來(lái)除了傳統(tǒng)研究外，更多的學(xué)者開(kāi)展微量元素在小地域或特殊地類(lèi)的研究，如中藥材、煙田、茶產(chǎn)地，關(guān)注微量元素對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。張曉霞等[7]對(duì)黃土高原草地微量元素的分析發(fā)現(xiàn)，鋅元素的變異跨度較大，坡面降雨和植物的存在引起微量元素全量的差異。賀行良等[8]對(duì)青島嶗山茶園微量元素有效態(tài)含量的探索研究結(jié)果認(rèn)為元素全量、pH值、有機(jī)質(zhì)等是影響微量元素有效態(tài)含量的主要因素，從而指導(dǎo)土壤酸堿度改良及合理施肥?？v觀前人的研究，針對(duì)集水區(qū)微量元素分布與變異的研究較為少見(jiàn)。

貴州省草海為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，內(nèi)有多種國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)植物，是多種過(guò)冬候鳥(niǎo)的棲息地，有“鳥(niǎo)的王國(guó)”之稱，并且是國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黑頸鶴的主要越冬地之一。濕地目前面臨水體污染、湖泊淤積等諸多環(huán)境問(wèn)題。本研究區(qū)--沙河集水區(qū)是位于草海濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)草海匯水源頭與湖水之間的一個(gè)區(qū)域，存在嚴(yán)重的水土流失問(wèn)題，目前已對(duì)該區(qū)域的氮、磷、鉀等養(yǎng)分狀況做了相關(guān)研究，有必要繼續(xù)對(duì)全區(qū)的土壤微量元素含量狀況有較為清晰的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，不同土地利用類(lèi)型土壤微量元素的含量與分布特征也是指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地資源管理與開(kāi)發(fā)、防止水土流失、降低面源污染對(duì)草海危害的重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省威寧縣草海濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)。面積1.12km2，海拔2182-2311m；亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年均降水量839.3mm，雨量隨季節(jié)更替分布不均，年際變化較大；日照豐富，年均溫10.5℃；巖溶、剝蝕丘陵地貌，基巖為砂頁(yè)巖、白云巖；土壤類(lèi)型為黃壤、黃棕壤；土壤表層被侵蝕后，土壤養(yǎng)分貧乏，土層分布不均。由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，研究區(qū)自然植被種類(lèi)較少，生長(zhǎng)狀態(tài)較差，以華山松、薔薇、馬桑為主；土地利用類(lèi)型以人工林地、灌叢地、荒草地、人工草場(chǎng)為主，人工種植作物有玉米、馬鈴薯、白菜等。

2 試驗(yàn)方法

2.1 土壤樣品的采集

在整個(gè)區(qū)域內(nèi)，按五種土地利用方式，采用網(wǎng)格法均勻布設(shè)，采集表層0-20cm的土樣，GPS定位。共采集70個(gè)樣品，其中坡耕地22個(gè)、荒草地8個(gè)、人工林地13個(gè)、灌叢地20個(gè)、草地7個(gè)。采樣時(shí)，以采樣點(diǎn)為圓心取半徑10m范圍內(nèi)的五個(gè)點(diǎn)組成代表該樣點(diǎn)的混合樣本，四分法采集約1kg左右的土樣。為防止污染，土樣的采集和粉碎均采用木質(zhì)、塑料或不銹鋼工具。土樣經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、剔除石塊、植物殘?bào)w等雜質(zhì)，磨細(xì)過(guò)60目塑料尼龍篩待測(cè)。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

2.2 測(cè)定與分析方法

Fe、Mn、Cu、Zn全量的測(cè)定采用 HNO3-HCLO4-HF消化法消解，原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤全氮采用擴(kuò)散法測(cè)定；全磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)用油浴加熱重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[9]。

土壤微量元素采樣點(diǎn)分布圖通過(guò)ARCGIS處理得到，數(shù)據(jù)的匯總與描述性統(tǒng)計(jì)通過(guò)Excel、SPSS17.0完成；利用Surfer8.0中的Kriging內(nèi)插法繪制本研究區(qū)四種微量元素等值線圖；利用標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分析微量元素的離散程度，變異系數(shù)小于10%為弱變異，變異系數(shù)在10%-100%為中等變異，變異系數(shù)大于100%為強(qiáng)變異[10，11]。不同元素間的二元相關(guān)性分析采用皮爾遜和秩相關(guān)系數(shù)法完成，其中皮爾遜相關(guān)性分析適用于變量服從正態(tài)分布的情況，而秩相關(guān)性分析針對(duì)非正態(tài)分布變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤微量元素含量的總體特征

根據(jù)沙河集水區(qū)土壤中微量元素含量特征的描述性統(tǒng)計(jì)（表1），結(jié)合世界與我國(guó)土壤微量元素含量狀況[4]可知：該區(qū)土壤中Fe含量范圍為1.85%-5.29%，平均值為3.32%，略高于全國(guó)平均水平；Mn含量范圍為115.40-863.60mg/kg，平均為342.17mg/kg，明顯低于全國(guó)平均水平。我國(guó)土壤中Cu含量變幅很大，但大多數(shù)土壤中的含量在20-40mg/kg之間，本區(qū)土壤中Cu含量范圍為7.90-58.60mg/kg，均值為27.62mg/kg，略高于全國(guó)平均水平；Zn含量范圍為42.30-413.64mg/kg，平均值為152.96 mg/kg，高于全國(guó)平均水平；可見(jiàn)除Mn外，其他微量元素含量均較充足。由表1還可以看出，四種元素都屬于中等程度的變異，其變異性為Zn>Mn>Cu>Fe。說(shuō)明Fe的分布較集中，而Zn分布較離散。不同土壤類(lèi)型及地形也對(duì)微量元素的變異性產(chǎn)生影響。

表1 土壤微量元素含量的描述性統(tǒng)計(jì)

土壤某元素有效態(tài)含量與背景值（全量）的比值，稱為該元素的活性，活性是土壤元素背景值、有效態(tài)、土類(lèi)、有機(jī)質(zhì)、粘粒、pH值的函數(shù)[12]。根據(jù)現(xiàn)有研究，黃壤、黃棕壤中Mn的活性值為16.98%/16.87%、Cu為4.91%/6.2%、Zn為2.3%/2.8%[13]。如果將土壤微量元素的全量粗略的估計(jì)為該元素在該地的背景值，那么就可以根據(jù)背景值與有效態(tài)含量的關(guān)系大致估計(jì)該地土壤中微量元素有效態(tài)含量的范圍和供給水平。但土壤元素的背景值為該元素自然本底值，是相對(duì)不受污染情況下的基本值，此種方法只是對(duì)土壤中元素供給情況的簡(jiǎn)單估計(jì)，要想得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)需要具體的實(shí)驗(yàn)分析。

圖2為利用Surfer8.0中的Kriging內(nèi)插法[14]繪制的本研究區(qū)四種微量元素等值線圖。由圖可直觀的看出微量元素含量在本區(qū)的分布狀況，圖中顏色越深說(shuō)明元素含量水平越低，越淺說(shuō)明含量越高。Fe元素呈現(xiàn)高峰點(diǎn)與低值點(diǎn)交錯(cuò)分布的現(xiàn)象，從西北到東南各有兩個(gè)高值區(qū)和一個(gè)低值區(qū)，范圍小、變化快，中部變率較小。Mn含量的高值區(qū)集中在研究區(qū)南部，范圍較小，大部分地區(qū)含量較低。Cu元素含量在整個(gè)區(qū)域內(nèi)變化比較均勻，但增值速率快，在本區(qū)東北部有三個(gè)較為明顯的高值區(qū)。Zn元素在大部分地區(qū)含量相當(dāng)，變化不大，只在研究區(qū)邊緣部分變化較快，大致呈東北低西南高的趨勢(shì)。在本區(qū)西南部各元素均出現(xiàn)相對(duì)高值區(qū)，結(jié)合本區(qū)地形圖可知西南部為研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)最低處，因此不排除水土流失造成微量元素富集的可能。

3.2 土壤元素間相關(guān)關(guān)系

對(duì)本區(qū)四種微量元素的正態(tài)分布檢驗(yàn)可知，除Zn外，其他微量元素都很好的服從了正態(tài)分布，因此對(duì)Fe、Mn、Cu的二元相關(guān)關(guān)系分析采用皮爾遜分析方法，而對(duì)Zn的相關(guān)性分析采用秩相關(guān)系數(shù)法。Cu與Mn、P之間為極顯著性正相關(guān)；Mn與pH值為顯著正相關(guān)，與Cu、P之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。Fe與N、有機(jī)質(zhì)之間呈顯著負(fù)相關(guān)；Zn與pH為顯著正相關(guān)，而與Mn、N則表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。

圖2 微量元素含量等值線圖

Mn的氧化物常能大量吸附Cu離子，這可能是造成Cu含量與Mn含量極顯著性正相關(guān)的原因之一。有機(jī)質(zhì)含量與Cu含量之間也有非常密切的關(guān)系，但主要與有效態(tài)Cu之間發(fā)生[15]，本研究表明該區(qū)有機(jī)質(zhì)含量與Cu全量之間并無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。Cu含量與P含量表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，這可能與Cu元素常存在于磷酸鹽中有關(guān)。鉀除與氮顯著性相關(guān)外，與其他土壤元素?zé)o明顯相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明鉀對(duì)該地區(qū)土壤元素的含量影響不明顯。而N除與Cu、Mn無(wú)明顯相關(guān)以外，與其他土壤元素均為顯著性相關(guān)，說(shuō)明N元素是影響其他土壤元素含量的一個(gè)主要因素。相關(guān)性分析結(jié)果（表2）表明，N和有機(jī)質(zhì)分別影響Zn和Fe的含量，而P對(duì)Cu、Mn的含量狀況有明顯影響。

表2 土壤中微量元素相關(guān)性分析

3.3 不同土地利用方式微量元素分布特征

土地利用方式不同，其土壤微量元素分布亦有所不同，在試驗(yàn)方法指導(dǎo)下，測(cè)定不同土地利用方式下土壤微量元素分布特征，如表3所示。

表3顯示,本區(qū)不同土地利用類(lèi)型下Cu的平均含量差別不大，集中在20-40mg/kg之間，且各值大小都在我國(guó)土壤Cu含量均值以上。坡耕地中Cu含量除與草地不存在顯著差異外，與其他土地利用方式均存在顯著或極顯著差異，草地中Cu含量與荒草地、人工林地、灌叢三種土地利用方式存在顯著或極顯著差異。不同土地利用方式元素的相關(guān)性分析結(jié)果（表4）表明，在坡耕地、荒草地和草地中Cu與Mn為顯著或極顯著正相關(guān)，在坡耕地、灌叢、荒草地中Cu與P為顯著或極顯著正相關(guān)。此外，在坡耕地中Cu與有機(jī)質(zhì)也表現(xiàn)出顯著性正相關(guān)。由此可見(jiàn)，Mn、P和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)研究區(qū)內(nèi)Cu元素含量和分布狀態(tài)存在一定影響。

有研究表明，當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)含量小于5%時(shí)，土壤Cu含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。本區(qū)中Cu與有機(jī)質(zhì)的顯著性相關(guān)應(yīng)該和Cu與有機(jī)質(zhì)常結(jié)合在一起移動(dòng)有關(guān)，且有機(jī)質(zhì)含量大的地方常出現(xiàn)Cu元素富集[2]。P與Cu之間高度相關(guān)，但Cu與P元素之間存在拮抗作用，草地和坡耕地是本區(qū)具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主要區(qū)域，兩者的P元素含量屬中等肥力以上，因此需控制兩地磷肥的使用量，防止植物因缺Cu而生長(zhǎng)不良。Cu含量多少主要與成土母質(zhì)有關(guān)，在成土過(guò)程中發(fā)生的變化較小，從變異系數(shù)上也可以看出（表5），不同的土地利用方式Cu含量的變異系數(shù)集中在20%-35%之間，離散度較小。

表4 不同土地利用方式微量元素相關(guān)性分析

表5 不同土地利用方式微量元素變異系數(shù) （單位：%）

不同土地利用方式下Mn含量均值大小均在全國(guó)平均值之下，人工林地含量最小，草地含量最大。草地與荒草地差異不顯著，與其他土地利用方式差異顯著或極顯著，荒草地與人工林地和灌叢的差異顯著，與其他土地利用方式差異不顯著。Mn除與Cu在不同土地利用方式下顯著性相關(guān)外，在坡耕地和人工林地中Mn與P極顯著正相關(guān)，坡耕地中Mn與有機(jī)質(zhì)、pH值極顯著正相關(guān)，灌叢中Mn與Zn極顯著正相關(guān)。

不同土地利用類(lèi)型下Zn含量集中在130-170mg/kg之間，各土地利用方式下均值不存在顯著差異，但全距的變幅較大，以灌叢最大，人工林地次之，草地最小。對(duì)Zn的相關(guān)性分析結(jié)果（表4）表明：在人工林地中Zn與N表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，在灌叢中Zn與Mn表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，在荒草地中Zn與Fe表現(xiàn)出顯著正相關(guān)。從變異程度看（表5），Zn含量在草地和人工林地變異系數(shù)從13.71%到69.84%，變幅較大。

不同土地利用方式下Fe含量基本集中在3.0%-3.5%之間，荒草地最高，草地最低，方差分析的結(jié)果表明Fe含量在不同土地利用方式下均值不存在顯著差異。在灌叢地中Fe與有機(jī)質(zhì)、pH表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)。從變異系數(shù)上看（表5），人工林地的離散度最大，說(shuō)明其分布較不均勻，荒草地的離散度最小，為9.71%<10%,屬于弱變異性。

人工林地中Cu、Mn、Zn含量在各土地利用方式下均是最低，這可能與人工林地的質(zhì)地有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)地較輕的土壤含有較低的Mn含量，粗質(zhì)土壤及土壤中的粗粒部分其微量元素含量往往較低，人工林地分布多為礫質(zhì)土，常有巖石裸露，也是生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。草地由于地勢(shì)平坦，地表溫潤(rùn)，土質(zhì)粘性大，所以Mn、Cu含量均較高。Mn、Cu、P之間的相互關(guān)系視土壤條件而定，有待于進(jìn)一步研究。在坡耕地中Cu、Mn、有機(jī)質(zhì)之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，可能是因?yàn)楦刂腥藶槭褂糜袡C(jī)肥料造成有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)易與微量元素結(jié)合從而減少其淋溶損失。

(3)H3PO2的工業(yè)制法是:將白磷(P4)與Ba(OH)2溶液反應(yīng)生成PH3氣體和Ba(H2PO2)2,后者再與H2SO4反應(yīng)。寫(xiě)出白磷與Ba(OH)2溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式:___。

四種元素在不同土地利用方式下變異系數(shù)的結(jié)果顯示（表5），人工林地和荒草地各元素變異系數(shù)相比較大，灌叢和草地的變異系數(shù)較小，坡耕地的變異系數(shù)較均衡。分析原因，一方面與元素本身的性質(zhì)有關(guān)，土壤酸堿環(huán)境及植被對(duì)不同元素吸附固定不同，另一方面可能與人工林地和荒草地的坡度大，地表蓋度小且土質(zhì)粗糙，而灌叢植被蓋度較好，草地的地勢(shì)平坦與土質(zhì)黏重有關(guān)。

綜上所述，除母質(zhì)和成土過(guò)程外，元素之間的共生關(guān)系、有機(jī)質(zhì)、土壤粘粒組成、地形地貌等是影響本區(qū)不同土地利用方式間元素含量分布差異的主要因素。坡耕地的各項(xiàng)指標(biāo)比較均衡，這對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)十分有利；人工林地的Mn、Cu、Zn含量都為本區(qū)最低，且植被生長(zhǎng)狀況差，因此需加大治理力度，加強(qiáng)人為干擾的作用，幫助該區(qū)恢復(fù)植被，防止水土流失的繼續(xù)惡化。

4 結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)Fe元素含量略高于全國(guó)平均水平，在研究區(qū)的西北和東南各有兩個(gè)高值區(qū)和一個(gè)低值區(qū)，且高低相間，其他部分含量變化不大，屬中等程度變異，變異系數(shù)較小。Mn元素含量明顯低于全國(guó)平均水平，在研究區(qū)的南部有較小范圍的高值區(qū)。Cu元素含量高于全國(guó)平均水平，變化均勻，高值區(qū)位于東北部。Zn的變異系數(shù)超過(guò)50%，變幅較大，大致為研究區(qū)邊緣部位含量較高，向中心逐漸降低，中部出現(xiàn)小范圍高值點(diǎn)。

相關(guān)性分析表明，Cu、Mn與P兩兩之間呈極顯著正相關(guān)，Mn與P、Zn、pH之間顯著或極顯著正相關(guān)；Fe與N、有機(jī)質(zhì)之間顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；Zn與N、pH之間為顯著或極顯著正相關(guān)。

對(duì)于草海濕地保護(hù)而言，大量微量元素流入，除了造成湖泊淤積以外，微量元素的遷移和轉(zhuǎn)化，將會(huì)對(duì)湖泊中生物生長(zhǎng)帶來(lái)相當(dāng)大的影響。因此，探索本區(qū)微量元素含量狀況除對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義外，更為制定科學(xué)準(zhǔn)確的濕地保護(hù)策略提供依據(jù)，防止微量元素進(jìn)入濕地造成湖泊淤積和水體污染。

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