縣域土壤有效態(tài)微量元素的空間變異特征及影響因素——以徐水縣為例

張小桐，張瑞芳，王　紅，張愛軍，周大邁

(1.河北農(nóng)業(yè)大學渤海校區(qū)基礎課部， 河北 滄州 061100； 2.國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心， 河北 保定 071001；

3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，河北 保定 071001)

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縣域土壤有效態(tài)微量元素的空間變異特征及影響因素
——以徐水縣為例

張小桐1，張瑞芳2,3,4，王紅2,3,4，張愛軍2,3,4，周大邁2,3,4

(1.河北農(nóng)業(yè)大學渤海校區(qū)基礎課部， 河北 滄州 061100； 2.國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心， 河北 保定 071001；

3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，河北 保定 071001)

摘要：以徐水縣土壤有效態(tài)銅(Cu)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)為研究對象， 利用GIS與地統(tǒng)計學相結合的方法， 分析了4種微量元素的空間變異特征及影響因素。結果表明：4種有效態(tài)微量元素含量在空間上都屬于中等程度變異； 4種微量元素的塊金效應值在12.21%～49.97%之間，其中Cu和Fe具有強烈的空間相關性，Zn和Mn具有中等的空間相關性。Cu和Mn在空間分布上呈現(xiàn)連續(xù)性， 而Zn和Fe大體呈現(xiàn)島狀分布； 除有效銅平均含量處于高含量水平， 其它微量元素平均值均處于中含量水平； 相關性分析顯示除Fe對部分養(yǎng)分的正相關性不強外， Cu、Zn、Mn均與土壤養(yǎng)分呈極顯著的正相關性； 土壤pH值與4種微量元素均呈負相關性， 其中Fe呈極顯著的負相關性。

關鍵詞：土壤微量元素；空間變異；地統(tǒng)計學

Spatial variability and contributing factors of soil available

土壤微量元素如銅(Cu)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)等是作物必不可少的營養(yǎng)物質之一，其中微量元素有效態(tài)含量是指以相對活動態(tài)存在于土壤中，能夠被作物吸收和利用的那部分微量元素[1]。這部分微量元素含量更能反映土壤中微量元素的豐缺狀況，并在促進作物生長、提高作物產(chǎn)量和改善作物品質方面有十分重要的作用[2-3]。

自20世紀90年代以來，土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律開始受到普遍關注，并取得了一定的研究成果。其中對土壤中大量元素的空間變異規(guī)律的研究較多[4-6]，研究涉及地域地形不斷豐富，如東北旱地[7]、黃土高原[8]、南方丘陵[9]等。研究方法也越來越趨向復雜性和綜合性，主要有GIS與地統(tǒng)計學結合技術[10-11]、序貫高斯模擬[12-13]和BP神經(jīng)網(wǎng)絡[14]等。盡管土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律方面研究已經(jīng)取得了不少成果，但總結起來仍然存在以下幾點問題：一是這些研究多在小尺度空間范圍上進行，采樣點數(shù)量不夠豐富，有研究表明養(yǎng)分空間分布的全局趨勢隨采樣尺度增大而增強[15]；二是多數(shù)研究集中于土壤中大量元素，對土壤中有效態(tài)微量元素的研究較少。為此，本研究以縣域為單位，共采集土壤樣品3 209個，運用GIS與地統(tǒng)計學相結合的方法對土壤有效態(tài)微量元素進行研究分析，總結其空間變異規(guī)律和影響因素。以期為微量元素在大尺度區(qū)域上的研究提供參考，并為當?shù)剞r(nóng)業(yè)合理布局提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

徐水縣位于河北省中部，轄7鎮(zhèn)7鄉(xiāng)、1個城區(qū)辦事處，總人口56萬人。全縣面積723 km2，其中耕地面積473 km2，是國家商品糧基地之一。徐水縣自然環(huán)境優(yōu)越，屬暖溫帶季風型大陸性氣候，年平均氣溫12.3℃，年平均降水575 mm，光照充足，四季分明，所處的華北平原屬沖積平原，地面平坦開闊?？偟貏菸鞅备?、東南低，平均海拔高度20 m。第二次土壤普查結果顯示全縣共有2個土類、6個亞類、10個土屬、42個土種。

2研究方法

2.1樣品采集

徐水縣土壤數(shù)據(jù)與圖件資料主要來源于徐水縣測土配方施肥與耕地地力評價項目。研究中布點及采樣遵循《耕地地力調(diào)查與質量評價技術規(guī)程》[16]規(guī)定，結合徐水縣行政區(qū)劃圖、 土地利用現(xiàn)狀圖、 土壤圖等資料確定采樣點位。利用GPS進行樣點定位， 在0～20 cm土層進行取樣， 具體取樣點位見圖1。

將樣品置于室內(nèi)潔凈通風的環(huán)境中，經(jīng)風干，剔除雜物，碾碎，過篩后，獲得有效土壤樣品3 209個。土壤有效態(tài)銅、鋅、鐵、錳的測定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法[17]測定。

圖1徐水縣土壤樣點分布

Fig.1Soil sampling sites at Xushui County

2.3數(shù)據(jù)處理

本文運用SPSS 19.0軟件對土壤中微量元素進行描述性分析和正態(tài)分布檢驗；運用GS+7.0軟件進行半方差函數(shù)分析及模型擬合；運用ArcGIS 10.1軟件進行空間分布規(guī)律的統(tǒng)計分析。

3結果與分析

3.1微量元素描述性統(tǒng)計分析

由于數(shù)據(jù)中異常值的存在會影響數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果與變量空間結構特征[18]，所以，在進行描述性統(tǒng)計分析之前，對數(shù)據(jù)中的異常值進行處理。本文采用域法識別異常值，即以數(shù)據(jù)平均值加減三倍標準差為域內(nèi)的上下限，替換超出上下限的數(shù)據(jù)。經(jīng)域法識別異常值之后，有效銅、有效鋅替換異常值61個，有效鐵替換異常值50個，有效錳替換異常值4個。數(shù)據(jù)異常值經(jīng)替換之后顯現(xiàn)出一定的差異(表1)。其中有效銅和有效鋅含量數(shù)據(jù)的最大值經(jīng)替換后變化較大，進而對變異系數(shù)、偏度、峰度的大小產(chǎn)生了一定的影響，與原始數(shù)據(jù)相比差異較大。有效鐵和有效錳因為替換數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)差異不大或替換數(shù)量較少，所以描述性統(tǒng)計分析對比變化不顯著。數(shù)據(jù)的剔除異常值處理對數(shù)據(jù)的平均值、標準差和變異系數(shù)的影響不大。

表1　土壤有效態(tài)微量元素的統(tǒng)計性描述

變異系數(shù)(CV)是衡量土壤特性空間變異性的一個統(tǒng)計量，一般認為CV≤10%為弱變異性，CV=10%～100%為中等變異性，CV≥100%為強變異性。徐水縣土壤有效態(tài)銅、鋅、鐵和錳含量在空間上都屬于中等程度變異。各微量元素變異系數(shù)從大到小排列依次為Zn(58.75%)>Cu(57.67%)>Fe(31.78%)>Mn(22.55%)。偏度是用于衡量分布的不對稱程度或偏斜程度的指標，偏度值越接近于0，數(shù)據(jù)越服從正態(tài)分布。峰度是用于衡量分布的集中程度或分布曲線的尖峭程度的指標，峰度值越接近于0，數(shù)據(jù)越服從正態(tài)分布。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析結果顯示只有有效錳含量的偏度和峰度值均接近于0，初步判斷有效錳含量服從正態(tài)分布。

3.2有效態(tài)微量元素的正態(tài)分布檢驗

綜上所述，Netrin-1聯(lián)合Kim-1對新生兒窒息后AKI風險預測效果比較理想，敏感度、特異度高，有利于及時發(fā)現(xiàn)AKI，有針對性地調(diào)整治療方案，改善預后，降低死亡率。

采用偏度-峰度檢驗與正態(tài)Q-Q圖聯(lián)合檢驗的方法，確保數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。正態(tài)Q-Q圖的檢驗方法為觀測數(shù)據(jù)的散點分布是否接近于這條直線。由偏度-峰度檢驗可知，只有有效錳含量初步認定為服從正態(tài)分布。因此，對有效鋅、有效銅進行對數(shù)轉換，對有效鐵用差分轉化的方法進行轉換，使其服從正態(tài)分布。正態(tài)Q-Q圖檢驗結果如圖2。

3.3土壤微量元素半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)是研究土壤養(yǎng)分空間變異的關鍵函數(shù)，能有效研究土壤養(yǎng)分在空間分布上的結構性和隨機性[19]。徐水縣土壤有效態(tài)銅、鋅、錳擬合的最優(yōu)半方差模型為高斯模型，土壤有效態(tài)鐵的最優(yōu)模型為線性模型。塊金值(Co)代表隨機變異的量，主要代表一些人為因素引起的土壤變異，如施肥、耕作。而基臺值(Co+C)代表變量空間變異的結構性方差，主要代表自然因素引起的土壤變異，如母質、氣候、地形[20]。塊金值/基臺值[Co/(Co+C)]代表空間異質性程度，該值<25%、25%～75%、>75%分別代表強烈、中等、很弱的空間相關性。表2中有效銅與有效鐵具有強烈的空間相關性而有效鋅與有效錳具有中等的空間相關性。在徐水縣，有效鋅的該比值最高為49.97%，說明該元素的空間變異受人為耕作和施肥的共同影響。有效鐵的該比值最低，為12.02%，說明該元素主要受人為耕作而引起的空間變異較小。變程反映空間自相關性的最大距離，大于該距離的區(qū)域變量不存在自相關性[21]。

圖2　土壤有效態(tài)微量元素的正態(tài)Q-Q圖

3.4土壤微量元素空間格局與分區(qū)統(tǒng)計分析

參考第二次土壤普查時微量元素的養(yǎng)分分級標準和相關文獻分級標準，結合徐水縣土壤微量元素實際含量，制訂徐水縣微量元素養(yǎng)分分級標準，如表4。根據(jù)確定的微量元素分級標準，利用ArcGIS 10.3軟件將已檢驗正態(tài)分布的微量元素數(shù)據(jù)生成普通Kriging插值，繪制出徐水縣土壤有效態(tài)微量元素分布圖(圖3)，再應用空間分析(Spatial Analyst)模塊統(tǒng)計各級分布數(shù)據(jù)(見表3)。

由圖3可以看出，徐水縣土壤中4種有效態(tài)微量元素的分布，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。其中，有效銅的空間分布基本呈現(xiàn)西北與東南含量高而中部較低的趨勢，高值區(qū)分布于徐水縣西北部；有效錳的空間分布基本呈現(xiàn)由西北方向向東南方向遞減的規(guī)律，高值區(qū)分布于徐水縣西北部。西北部的丘陵坡地含量較高，這可能與土壤形成的地質環(huán)境有關。有效鋅和有效鐵的空間分布比較復雜，大體呈現(xiàn)島狀分布，有效鋅的高值區(qū)零散分布于全縣，有效鐵的高值區(qū)零散分布在徐水縣的中東部。這可能與人為因素的影響有關，目前果蔬生產(chǎn)上，部分施用鋅、鐵微肥，導致有效鋅和有效鐵的空間分布上的不規(guī)則性。

圖3　土壤有效態(tài)微量元素分布

結合表3的統(tǒng)計值進行分析，徐水縣有效銅以2.0～3.0 mg·kg-1的高水平分布為最廣，全縣土壤有效銅幾乎都處于中等及中等偏高的水平，占總面積的97.01%，含量極低的地塊只占到全縣的0.05%，說明徐水縣有效銅含量比較豐富，基本可以滿足作物生長的日常需要；有效鋅以2～3 mg·kg-1的分布為最廣，但分布比較零散，全縣有效鋅含量基本處于中等水平，有效鋅缺乏地區(qū)占到總面積的26.65%，主要分布于徐水縣東南部；有效鐵以9～11 mg·kg-1的分布為最廣，全縣范圍皆有分布，全縣有效鐵平均值含量處于中等水平，缺乏地區(qū)占到總面積的32.21%；有效錳以13～16 mg·kg-1的分布為最廣，與有效鋅、有效鐵一樣養(yǎng)分含量處于中等水平。有效鋅、有效鐵和有效錳的含量分布非常相似，均處于中等水平，需要及時補充微量元素肥料。

土壤中有效態(tài)微量元素的含量分布不僅由成土母質、地形、氣候等因素決定。還受耕作、施肥等人為因素影響。其中，施肥管理是影響土壤中微量元素含量變化的重要因素之一。徐水縣是糧食生產(chǎn)大縣，全縣土壤利用率較高，人為活動對土壤中微量元素的影響也較大，通過對比第二次土壤普查時4種微量元素含量，證明經(jīng)過近三十年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，土壤中微量元素含量普遍顯著增加，這可能是由于近年來秸稈還田面積增大的原因，全縣小麥玉米種植區(qū)秸稈還田率在90%以上，秸稈中的大量微量元素留在了土壤中。

3.5微量元素與土壤養(yǎng)分和pH值的相關性分析

影響土壤有效態(tài)微量元素空間分布的因素較多，本研究主要探討土壤養(yǎng)分和pH值對土壤有效態(tài)微量元素的影響。土壤養(yǎng)分和pH值的統(tǒng)計性描述見表4。土壤養(yǎng)分及pH值與土壤有效態(tài)微量元素含量的相關性分析見表5。

表4　土壤養(yǎng)分和pH值的統(tǒng)計性描述

表5　土壤養(yǎng)分和pH值與土壤微量元素的相關性

注:*表示P<0.05顯著水平，**表示P<0.01顯著水平。

Note: * significant difference atP<0.05, and ** significant difference atP<0.01.

有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀都與Cu、Zn、Mn呈極顯著的正相關性，只有Fe與有機質、堿解氮和速效鉀的正相關性不強。說明這4種土壤養(yǎng)分含量越高的地區(qū)，有效態(tài)微量元素的含量就越高。由此可知，可以通過人為增加土壤養(yǎng)分的施入量，從而改變土壤的理化性狀，最終達到提升土壤微量元素的目的。土壤pH值與4種微量元素均呈負相關性，其中Fe呈極顯著的負相關性，說明pH值越高的地區(qū)，土壤中4種微量元素的含量越低。

4結論

1) 域法識別異常值既保證了樣本信息，又保證了分析結果的可靠性。處理后的數(shù)據(jù)峰度、偏度值變化較大，均有向0值靠攏的趨勢，說明處理后的數(shù)據(jù)更接近于正態(tài)分布，保證了后續(xù)研究的可靠性。統(tǒng)計性描述顯示，徐水縣土壤4種微量元素的有效態(tài)含量均為中等變異強度，其中以有效鋅的變異系數(shù)最大，為58.75%，變異系數(shù)從大到小排列依次為Zn>Cu>Fe>Mn。

2) 徐水縣土壤有效態(tài)銅、鋅、錳的最優(yōu)半方差模型為高斯模型，土壤有效態(tài)鐵的最優(yōu)模型為線性模型。4種有效態(tài)微量元素的塊金效應值在12.02%～49.97%之間，其中，有效態(tài)銅和鐵具有強烈的空間相關性，有效態(tài)鋅和錳具有中等的空間相關性；4種微量元素的變程在0.01～0.37 km之間。

3) 徐水縣土壤有效態(tài)微量元素空間分布規(guī)律：有效銅基本呈現(xiàn)西北與東南含量高而中部較低的趨勢；有效鋅和有效鐵大體呈現(xiàn)島狀分布；有效錳的空間分布基本呈現(xiàn)由西北方向向東南方向遞減的規(guī)律?；贕IS技術，生成各微量元素普通Kriging插值圖，以及各分級的面積與比例，除有效銅含量處于偏高水平，其余3種微量元素均處于中等含量水平。

4) 土壤各養(yǎng)分含量對微量元素有重要影響。土壤中Cu、Zn、Mn均與有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀呈極顯著的正相關性。4種微量元素均與pH值呈現(xiàn)負相關關系，表明隨著pH值的升高，各微量元素含量均呈下降趨勢。其中Fe與pH值呈現(xiàn)極顯著負相關關系，有相關研究發(fā)現(xiàn)，在pH值升高使土壤呈堿性的時候，F(xiàn)e離子逐漸轉化為氫氧化物或氧化物，從而溶解度降低，使有效Fe含量減小。

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micronutrients at county level

——A case study at Xushui County

ZHANG Xiao-tong1, ZHAGN Rui-fang2,3,4, WANG Hong2,3,4, ZHANG Ai-jun2,3,4, ZHOU Da-mai2,3,4

(1.TheDepartmentofFoundationCourses,AgriculturalUniversityofHebei,Cangzhou,Hebei061100,China;

2.NationalEngineeringResearchCenterforAgricultureinNorthernMountainousAreas,Baoding,Hebei071001,China；

3.AgriculturalEngineeringTechnologyResearchCenterofHebeiProvincemountain,Baoding,Hebei071001,China)

Abstract：In this paper, we followed the method of combining GIS (geographical information system) and geostatistics to analyze the spatial variability and contributory factors of four available micronutrients in soils. The results showed that available Cu, Zn, Fe and Mn exhibited moderate spatial variations. The nugget effect values of these micronutrients varied between 12% and 50%, with Cu and Fe showing the highest while Mn and Zn moderate. A continuous distribution pattern was detected for Cu and Mn but not for Zn and Fe. Average content of Cu was high, while the other micronutrients were medium. Soil nutrients including organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium had highly significant positive correlations with Cu、Zn and Mn. The soil pH had negative correlation with the four micronutrients, with Fe the most significant.

Keywords:soil micronutrients; spatial variability; geostatistics

中圖分類號：S153.6+1

文獻標志碼：A

通信作者：周大邁(1957—)，男，河北安平人，研究員，博士生導師，主要從事山區(qū)生態(tài)治理及土壤改良方面研究。 E-mail: shyhn@hebau.edu.cn。

作者簡介：張小桐(1989—)，女，河北保定人，碩士，主要從事土壤變異及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)功能分區(qū)研究。 E-mail:zhxiaot@163.com。

基金項目：基于GIS的河北省山區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征研究(ZD20131023)

收稿日期：2015-01-11

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.12

文章編號：1000-7601(2016)01-0074-07