浙西北丘陵區(qū)農(nóng)田土壤微量元素空間變異特征及影響因子

劉永紅，倪中應(yīng)，謝國(guó)雄，徐立軍，鐘林炳，馬立強(qiáng)

（1 桐廬縣農(nóng)業(yè)和林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江桐廬 311500；2 杭州市植保土肥總站，杭州 310020）

浙西北丘陵區(qū)農(nóng)田土壤微量元素空間變異特征及影響因子

劉永紅1，倪中應(yīng)1，謝國(guó)雄2，徐立軍1，鐘林炳1，馬立強(qiáng)1

（1 桐廬縣農(nóng)業(yè)和林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江桐廬 311500；2 杭州市植保土肥總站，杭州 310020）

【目的】采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 技術(shù)相結(jié)合的方法能較好地綜合評(píng)價(jià)土壤微量元素空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性、空間格局變異產(chǎn)生原因及影響因子。本論文以生態(tài)型城市桐廬縣為研究區(qū)，研究了土壤微量元素的空間變異特征及其影響因素，為長(zhǎng)期耕作的浙西北丘陵區(qū)農(nóng)田土壤高效施肥提供依據(jù)。【方法】在滿足空間分析要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)主要土壤類型、土地利用類型、地形地貌和交通條件等因素布置采樣點(diǎn)數(shù)目與密度，在作物收獲后，選取水田區(qū)、旱地區(qū)、茶園區(qū)、果園區(qū)和桑園區(qū)等有代表性的田塊采集分析土樣 386 個(gè)。利用 GS + 7.0和 ArcGIS 10.1 進(jìn)行半方差分析和 Kriging 插值，運(yùn)用逐步回歸分析比較各因子對(duì)微量元素含量的影響程度?！窘Y(jié)果】鐵、錳、銅、鋅 4 種微量元素變異系數(shù)在 58.37%～90.22% 之間, 塊金效應(yīng)值在 10.9%～12.5% 之間。4種微量元素的空間分布結(jié)構(gòu)相似程度較小，呈斑塊狀特點(diǎn)。不同土壤類型對(duì)有效 Fe 和有效 Zn 的含量有顯著影響。不同土地利用方式間 4 種微量元素含量差異顯著。有效 Fe 與有機(jī)質(zhì)和速效鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有效 Cu呈極顯著正相關(guān)。有效 Cu 與有效磷呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，與有效 Mn 呈顯著正相關(guān)。有效Zn 與堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有效磷和速效鉀呈極顯著正相關(guān)，與有效 Mn 呈顯著正相關(guān)，與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤類型、土地利用方式、有機(jī)質(zhì)、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和海拔等 8 個(gè)因子合計(jì)分別能夠解釋4 種微量元素變異空間變異的 19.1%、2.2%、12.2% 和 12.1%，8 個(gè)因子中土地利用方式能夠獨(dú)立解釋空間變異的 3.1%～13.5%?！窘Y(jié)論】研究區(qū)內(nèi)鐵、錳、銅、鋅 4 種微量元素總體處于豐富水平，呈中等變異。不同元素的主導(dǎo)影響因素不同，除土壤類型、土地利用方式、有機(jī)質(zhì)、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和海拔等 8 個(gè)因子外還有眾多其它結(jié)構(gòu)性影響因子，土地利用方式有重要影響但非主導(dǎo)因子。

土壤微量元素；空間變異；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；影響因子

土壤微量元素有效性是表征土壤環(huán)境質(zhì)量的重要因子，其有效態(tài)含量水平顯著影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)、代謝、產(chǎn)量和品質(zhì)及人類的健康[1–3]。土壤微量元素在母質(zhì)、成土過(guò)程、土壤類型、地形、土壤理化性狀、氣候特點(diǎn)及人類活動(dòng)等各項(xiàng)環(huán)境因子共同長(zhǎng)期作用下，具有高度的空間異質(zhì)性，具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性雙重特征[4–5]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 技術(shù)結(jié)合能較好地綜合評(píng)價(jià)空間地理信息、空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性、空間格局變異產(chǎn)生原因及影響因子[6–8]。

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)不同區(qū)域、尺度的土壤微量元素的空間變異特征初步研究結(jié)果表明，土壤中微量元素含量分布具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的空間變異性質(zhì)，研究區(qū)主要分布在東北平原、華北平原、黃土丘陵、西北干旱區(qū)、長(zhǎng)江中下游、東南部地區(qū)[9]。在浙江省的研究分布在溫州樂(lè)清市重點(diǎn)工業(yè)鎮(zhèn)樂(lè)成鎮(zhèn)[10]，金衢盆地河谷平原區(qū)、杭嘉湖水網(wǎng)平原區(qū)和杭州灣南岸濱海平原區(qū)等平原水網(wǎng)區(qū)[11]。王日照等對(duì)浙東紅壤丘陵區(qū)仙居縣的研究主要在微量元素含量方面，未對(duì)空間格局和變異做闡述[12]。對(duì)長(zhǎng)期耕作的浙西北丘陵區(qū)農(nóng)田土壤中有效態(tài)微量元素空間變異特征鮮有報(bào)道。

浙江省桐廬縣地形地貌特殊復(fù)雜，86.3% 的土地面積為山地丘陵，主要水系有由南而北縱貫縣境東部的富春江和自西北向東南匯入富春江的分水江，有堆積地貌、侵蝕剝蝕地貌、侵蝕溶蝕地貌和侵蝕溶蝕構(gòu)造地貌等。農(nóng)作物播種面積 30 多萬(wàn)畝，為杭州地區(qū)糧食生產(chǎn)貢獻(xiàn)巨大，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上逐漸向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、規(guī)模經(jīng)營(yíng)和耕作管理措施優(yōu)化等逐步改變著土壤環(huán)境條件。文中以桐廬縣水稻、油菜、蔬菜、玉米、茶園、果園和桑園等主要作物種植地土壤為研究對(duì)象，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與 GIS 相結(jié)合的方法對(duì)其主要微量元素有效態(tài)含量的空間變異和分布特征以及影響因子進(jìn)行了研究，以期闡明該區(qū)域農(nóng)田土壤微量元素尤其是重金屬污染元素 Cu 和 Zn 的豐缺程度和空間分布規(guī)律，為養(yǎng)分平衡管理、土壤環(huán)境評(píng)價(jià)、土壤污染防治和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)背景下的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

桐廬縣位于浙江省西北部（N 29°35'～30°05'，E 119°11'～119°58'），地處錢塘江水系中游，總土地面積 1825 km2，其中山地丘陵占 86.3%，平原、水域占 13.7%。耕地面積 245.7 km2，園地面積 96.5 km2。全縣大致可分為東南部中低山丘陵區(qū)、西南部低山丘陵區(qū)、北部低山丘陵區(qū)、富春江沿岸平原區(qū)和分水江河谷平原區(qū)。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.5℃，年平均降水量 1552 mm，年日照時(shí)間 1991.4 h，無(wú)霜期 258 d。土壤類型主要為紅壤、水稻土和紫色土，分布面積分別占研究區(qū)總面積的 69.75%、11.2% 和 5.2%，其它土壤如石灰?guī)r土、粗骨土、黃壤和潮土等合計(jì)占 13.85%。根據(jù)研究區(qū)土地利用方式，將研究區(qū)土地分為水田區(qū)、旱地區(qū)、茶園區(qū)、果園區(qū)和桑園區(qū)，按面積從大到小排列。其中：水田區(qū)典型種植制度為水稻—油菜；旱地區(qū)典型種植制度為玉米、豆類和蔬菜；茶園區(qū)典型種植制度為茶樹(shù)；果園區(qū)典型種植制度為桃樹(shù)和梨樹(shù)；桑園區(qū)典型種植制度為桑樹(shù)。

1.2 樣品采集與分析

遵循農(nóng)業(yè)部統(tǒng)一的耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范和要求[13]，于 2010 年根據(jù)研究區(qū)主要土壤類型、土地利用類型、地形地貌和交通條件等因素布置采樣點(diǎn)數(shù)目與密度，在滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 空間分析要求的基礎(chǔ)上,使樣點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)分布盡量均勻。在作物收獲后，選取有代表性的田塊，GPS 定位，采用 S 形布點(diǎn)多點(diǎn)混合采樣，取樣深度 0—20 cm，共采集土樣 386 個(gè) （圖 1）。土壤有效 Fe、有效Mn、有效 Cu 和有效 Zn 采用 DTPA 浸提法，土壤pH 采用電位法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮采用擴(kuò)散法，有效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰分光光度法測(cè)定[14]。

圖1 試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Diagram of sampling sites in study area

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用 SPSS19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、逐步回歸分析和 K-S 檢驗(yàn)，對(duì)不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化。利用 Minitab 16 對(duì)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化達(dá)不到要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行 Johnson 轉(zhuǎn)換。應(yīng)用ArcGIS 10.1 將經(jīng)緯度坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，利用 GS + 7.0 進(jìn)行各元素半方差函數(shù)模型的擬合,根據(jù)計(jì)算出的半方差函數(shù)的模型及參數(shù)，應(yīng)用 ArcGIS 10.1 中的地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行 Kriging 插值和繪制空間分布圖。土壤類型和土地利用方式為多分類變量，進(jìn)行回歸分析時(shí)采用啞變量為其賦值，假設(shè)分類變量有 K 個(gè)水平，轉(zhuǎn)換為 K-1 個(gè)啞變量，啞變量具體賦值方法見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

表1 研究區(qū)土壤微量元素含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析及正態(tài)分布檢驗(yàn) (n = 386)Table 1 Descriptive statistics and K-S test of soil trace elements in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效態(tài)微量元素基本統(tǒng)計(jì)特征

由表 1 可知,現(xiàn)今桐廬縣耕層土壤微量元素中有效 Fe、有效 Mn、有效 Cu 和有效 Zn 的平均含量分別為 126.65、18.81、1.88 和 2.64 mg/kg。與 1987 年第 2 次土壤普查數(shù)據(jù)相比，耕層土壤有效 Fe 和有效Zn 的平均含量分別增加了 3.35 和 1.48 mg/kg，有效Mn 和有效 Cu 的平均含量分別降低了 20.99 和 1.29 mg/kg。各微量元素含量的變異系數(shù)均較大，在58.37%～90.22%，平均變異程度依次為 Mn ＞ Cu ＞Fe ＞ Zn。變異系數(shù) ＜ 10% 時(shí)為弱變異性，＞ 100% 時(shí)為強(qiáng)變異性，介于兩者之間為中等變異性[17]，4 種微量元素都屬于中等變異性。386 個(gè)樣點(diǎn)的單樣本 K-S檢驗(yàn)的結(jié)果表明，4 種微量元素均不服從正態(tài)分布(服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布或 Johnson 正態(tài)分布)。

2.2 土壤有效態(tài)微量元素空間變異特征

由表 2 可知，通過(guò) GS + 7.0 擬合的 4 種微量元素的最優(yōu)理論模型均為指數(shù)模型，決定系數(shù)均較低。有效 Fe 的塊金值較其他元素相對(duì)較大為 0.117,說(shuō)明有效 Fe 一些小尺度上隨機(jī)因素引起的變異程度相對(duì)較大。四種微量元素的塊金效應(yīng)比值均 ＜ 25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性[18]，說(shuō)明空間變異主要是由結(jié)構(gòu)性因素（氣候、母質(zhì)、地形地貌、成土過(guò)程和土壤類型等自然因素）引起的。變程表明土壤屬性在空間上的自相關(guān)性尺度，同時(shí)也反映了影響因子的范圍[18,19]。研究區(qū)土壤微量元素含量的變程存在一定的差異，有效 Zn（4.14 km） 和有效 Mn（3.33 km）的自相關(guān)尺度相對(duì)較大，因此，有效 Mn 和有效 Cu 的主要影響因子的空間變異尺度相對(duì)較大，有效Fe（2.13 km）和有效 Cu（2.88 km）的自相關(guān)尺度相對(duì)較小, 可能主要受到相對(duì)較小尺度因子的影響。

表2 土壤微量元素半方差函數(shù)理論模型和參數(shù)Table 2 Theoretical model and parameters of semi-variograms of soil trace elements

2.3 土壤有效態(tài)微量元素空間分布特征

根據(jù)所得半方差函數(shù)理論模型和參數(shù)進(jìn)行克立格插值分別繪制 4 種土壤微量元素有效態(tài)含量的空間分布圖（圖 2）?？傮w來(lái)看，4 種微量元素的斑塊狀特點(diǎn)比較明顯，空間分布結(jié)構(gòu)相似程度較小。土壤有效 Fe 空間分布無(wú)明顯規(guī)律，呈塊狀分布特點(diǎn)，東部、中部和西部含量普遍較高，夾在這 3 塊中的中東部和中西部 2 塊成片區(qū)域含量較低，最低值出現(xiàn)在中東部。土壤有效 Mn 空間插值圖以 5～15 mg/kg 范圍面積最大，＞ 15 mg/kg 的面積呈東北—西南方向條塊狀分布，最高值分布在桐廬縣西部的小片區(qū)域。土壤有效 Cu 空間變異特征總體上沒(méi)有明顯的規(guī)律，分布比較零散，高值區(qū)與有效 Mn 的分布非常相似，最低值分布在中部一小片區(qū)域。土壤有效 Zn 空間分布總體上東高西低，東南部的大片區(qū)域有效 Zn 含量普遍較高，中部高值和低值分布零散，西南部的大片區(qū)域含量低。

2.4 影響因素分析

2.4.1 土壤類型 4 種微量元素含量分析如表 3 所示，386 個(gè)樣本的數(shù)量分布為紅壤 216 個(gè)、水稻土93 個(gè)、紫色土 69 個(gè)和其它 8 個(gè)。不同土壤類型有效Fe 含量平均值的大小順序?yàn)樽仙?＞ 紅壤 ＞ 水稻土。有效 Mn 表現(xiàn)為紫色土 ＞ 紅壤 ＞ 水稻土。有效Cu 表現(xiàn)為水稻土 ＞ 紅壤 ＞ 紫色土。有效 Zn 表現(xiàn)為水稻土 ＞ 紅壤 ＞ 紫色土。經(jīng)方差分析表明，土壤類型對(duì)有效 Fe 和有效 Zn 的含量有顯著影響。紫色土有效 Fe 含量最高，與紅壤差異不顯著，與水稻土差異顯著。水稻土有效 Zn 含量最高，與其他土類差異顯著。有效 Mn 和有效 Cu 在紅壤、水稻土和紫色土上的檢驗(yàn)差異不顯著，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)土壤類型對(duì)有效 Mn 和有效 Cu 的含量影響較小。

2.4.2 土地利用方式 不同土地利用方式吸收消耗土壤微量元素的數(shù)量不同，長(zhǎng)此以往使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生分異[20]。4 種微量元素含量分析如表 4 所示。不同土地利用方式對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤微量元素含量影響較大，水田土壤有效態(tài)微量元素含量普遍較高。有效 Fe 含量極豐富，平均值的大小順序?yàn)樗?＞ 旱地＞ 桑園 ＞ 果園 ＞ 茶園，水田與其他土地利用的差異達(dá)到顯著性。有效 Mn 含量的大小順序?yàn)椴鑸@ ＞ 果園 ＞ 水田 ＞ 旱地 ＞ 桑園，桑園與其他土地利用的差異顯著。有效 Cu 含量的大小順序?yàn)樗?＞ 桑園 ＞ 旱地 ＞ 果園 ＞ 茶園，水田、旱地、桑園與果園、茶園差異性顯著。有效 Zn 含量的大小順序?yàn)楹档?＞ 果園＞ 水田 ＞ 茶園 ＞ 桑園。旱地、果園與茶園、桑園差異性顯著。

圖2 研究區(qū)土壤微量元素含量空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of soil trace elements contents in the study area

表3 不同土壤類型微量元素含量分析 (mg/kg)Table 3 Analysis of the contents of soil trace elements in different soil types

2.4.3 土壤養(yǎng)分、pH 及海拔 4 種微量元素分別與土壤理化性質(zhì)及海拔等進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表 5。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與微量元素的相關(guān)性分析表明，有機(jī)質(zhì)含量與有效 Fe 含量之間達(dá)到 0.01 的極顯著負(fù)相關(guān)水平。4 種微量元素含量與土壤 pH 相關(guān)性較差，均未達(dá)到顯著相關(guān)的水平。堿解氮、有效磷和速效鉀對(duì)有效 Fe、有效 Cu 和有效 Zn 影響較大。堿解氮與有效 Zn 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。有效磷與有效 Cu、有效 Zn 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。速效鉀與有效 Fe 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)，與有效 Cu 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)，與有效 Zn 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。微量元素間的相關(guān)性分析表明，有效 Cu 與有效 Fe 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)，與有效 Mn 呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.05)。有效 Zn 與有效 Mn 呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.05)。海拔與有效 Zn 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.05)。

表4 不同土地利用方式微量元素含量 (mg/kg)Table 4 Contents of soil trace elements in different land-use types

表5 土壤微量元素與土壤養(yǎng)分、pH 及海拔的 Pearson 相關(guān)分析Table 5 Pearson correlation between soil trace elements and soil nutrients, pH and altitude

2.4.4 不同因素的影響程度 為了比較各因子對(duì)微量元素含量的影響程度，以土壤類型、土地利用方式、有機(jī)質(zhì)、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和海拔為自變量，分別以有效 Fe、有效 Mn、有效 Cu 和有效 Zn 為因變量進(jìn)行逐步回歸分析，定量研究不同因子對(duì)微量元素空間變異的綜合解釋能力和相對(duì)重要性。表 6 為各因子對(duì) 4 種微量元素含量逐步回歸分析結(jié)果。

表中 △R2為增加變量時(shí)回歸方程判定系數(shù)的增量，Radj2為矯正決定系數(shù)，反映回歸方程所有自變量對(duì)因變量變異性的解釋比例。由表 6 可知，8 個(gè)因子中有 5 個(gè)對(duì)有效 Fe 的空間變異影響顯著，土地利用方式影響最大，能夠獨(dú)立解釋空間變異的 13.5%，其次是土壤類型、有機(jī)質(zhì)、pH 和堿解氮，5 個(gè)因子合計(jì)能夠解釋 19.1%；8 個(gè)因子中有 2 個(gè)對(duì)有效 Mn 的空間變異影響顯著，土地利用方式能夠解釋空間變異的 4%，土壤類型能夠解釋 0.2%；8 個(gè)因子中有 3個(gè)對(duì)有效 Cu 的空間變異影響顯著，土地利用方式影響最大，能夠獨(dú)立解釋空間變異的 10.7%，其次是土壤類型和海拔，3 個(gè)因子合計(jì)能夠解釋 12.2%；8 個(gè)因子中有 5 個(gè)對(duì)有效 Zn 的空間變異影響顯著，土地利用、土壤類型、堿解氮、有效磷和海拔等 5 個(gè)因子合計(jì)能夠解釋 12.1%。

表6 研究區(qū)各因子對(duì)微量元素含量逐步回歸分析結(jié)果Table 6 Stepwise regression analysis of factors contributing to the variability of trace elements contents

3 結(jié)論與討論

四種微量元素塊金效應(yīng)均小于 25%，變異系數(shù)在 10%～100% 之間，說(shuō)明四種微量元素具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，空間依賴性強(qiáng)，主要影響因素為自然因素（空間自相關(guān)部分），如成土母質(zhì)、地形地貌、成土過(guò)程、土壤類型、海拔等。次要影響因素為人為因素，如施肥、種植業(yè)生產(chǎn)方式和工業(yè)活動(dòng)。土壤類型、土地利用方式、有機(jī)質(zhì)、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和海拔等 8 個(gè)因子合計(jì)能夠解釋空間變異的 2.2%～19.1%，說(shuō)明影響研究區(qū)微量元素空間變異的因子種類繁多，除了上述 8 個(gè)因子之外還有其它眾多因子，這些因子合計(jì)貢獻(xiàn)約80%，根據(jù) 4 種微量元素塊金效應(yīng)比值 10.9%～12.5%，說(shuō)明其它這些影響因子主要為非人為因子，母質(zhì)可能是其主導(dǎo)因子。8 個(gè)因子中土地利用方式影響最大，能夠獨(dú)立解釋空間變異的 3.1%～13.5%，土壤養(yǎng)分含量與有效 Fe、有效 Cu 和有效 Zn 顯著相關(guān)，說(shuō)明種植作物和施肥對(duì)微量元素含量具有很重要的影響，但非主導(dǎo)因子。在研究開(kāi)始前認(rèn)為農(nóng)田土壤微量元素的影響因子主要受人為因素影響，如施肥引起的土壤養(yǎng)分含量及酸堿度的變化、經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)的土地利用方式的變化和水耕熟化、淹水種稻產(chǎn)生的土壤類型的變化，所以選擇上述幾種因子做研究，隨著數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)人為活動(dòng)雖不可忽視但非主要影響因素，非人為結(jié)構(gòu)因素起主要作用，所以應(yīng)從成土母質(zhì)、成土過(guò)程、地形、土壤物理性質(zhì)、坡度、地下水位、溫度等側(cè)重于非人為影響因子的角度深入分析、探討其主導(dǎo)因子。四種微量元素的變異系數(shù)較大，可能主要是與研究區(qū)的復(fù)雜地貌有關(guān)，研究區(qū)山地與河谷平原間丘陵錯(cuò)落分布，南北方向的富春江平均徑流量 298.6 × 108m3，西北向東南方向的分水江平均徑流量 23.45 × 108m3，枯洪變化較大，成土母質(zhì)和微氣候均存在較大差異，水田土壤土質(zhì)肥沃，主要有洪積、坡積物發(fā)育而來(lái)，旱地土壤以油紅泥、黃紅泥、黃泥土為主，主要分布在坡耕地，土壤肥力差，水土流失嚴(yán)重。

桐廬縣耕層土壤 4 種微量元素的空間分布格局總體呈斑塊狀特點(diǎn)。有效 Fe 空間變異受到土地利用方式、有機(jī)質(zhì)、土壤類型、pH 和堿解氮等的影響，紫色土和水田中有效 Fe 含量高，主要影響因子的空間變異尺度相對(duì)較小。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與有效 Fe含量之間達(dá)到 0.01 的極顯著負(fù)相關(guān)水平。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相反[21–23]，其他學(xué)者研究表明有機(jī)質(zhì)與有效 Fe 呈顯著正相關(guān)。原因可能是由于研究區(qū)有效 Fe 含量極豐富，研究區(qū)有效 Fe 的平均含量高于極豐富水平（35 mg/kg），處于極豐富水平的樣本有327 個(gè)，占樣本總數(shù)的 84.7%，＞ 100 mg/kg 的樣本有 225 個(gè)，占樣本總數(shù)的 58.3%，有機(jī)質(zhì)越高土壤緩沖性能越強(qiáng)，因此形成負(fù)相關(guān)關(guān)系。而其他學(xué)者研究的地區(qū)有效 Fe 含量中等或缺乏，極豐富水平的樣本少，有機(jī)質(zhì)促進(jìn)了鐵的有效性，因此呈顯著正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)與有效 Fe 和有效 Mn 負(fù)相關(guān)的原因也可能與不同土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)結(jié)合的方式及松緊度，松結(jié)合態(tài)、穩(wěn)結(jié)合態(tài)和緊結(jié)合態(tài)所占比例不同有關(guān)，徐德福等[24]研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)與氧化鐵呈負(fù)相關(guān)。有效 Mn 空間變異受土地利用方式和土壤類型影響顯著，2 個(gè)因子合計(jì)只能夠解釋空間變異的 2.2%，影響有效 Mn 的因子有待進(jìn)一步深入研究。從有效 Mn 空間分布圖上看，含量在 5～15 mg/kg之間的主要分布在富春江和分水江旁的河谷平原區(qū)，＞ 15 mg/kg 的主要分布在山地和丘陵。有效 Cu受土地利用方式、土壤類型和海拔影響顯著，3 個(gè)因子合計(jì)能夠解釋空間變異的 12.2%，與有效磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 （P ＜ 0.01）。有效態(tài) Cu 與 Fe 存在較強(qiáng)的空間相關(guān)性 （R = 0.211，P ＜ 0.01），空間分布結(jié)構(gòu)也相似，因此有效 Fe 和 Cu 存在相似的影響因子。土壤有效銅含量與銅毒害緊密相關(guān)，Cela等[25]研究表明，土壤中的水溶性銅 ＜ 2 mg/kg 安全，3.8 mg/kg 時(shí)就會(huì)抑制氮的硝化作用。桐廬縣有效銅含量豐富，1～1.8 mg/kg 的有 84 個(gè)，占樣本總數(shù)的21.8%，＞ 1.8 mg/kg 極豐富的有 148 個(gè)，占樣本總數(shù)的 38.3%。建議以后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中盡量少施含銅的肥料，缺銅地區(qū)針對(duì)性補(bǔ)銅，通過(guò)調(diào)整耕作制度、施肥方式、提升有機(jī)質(zhì)等提高土壤緩沖性能，降低銅含量高的地區(qū)的銅脅迫。有效 Zn 受土地利用方式、土壤類型、堿解氮、有效磷和海拔等的影響顯著，5個(gè)因子合計(jì)能夠解釋空間變異的 12.1%，水稻土中Zn 含量高，與其他土類差異顯著。有效 Zn 含量高的東南部大片區(qū)域是桐廬縣工業(yè)強(qiáng)鎮(zhèn)富春江鎮(zhèn)和江南鎮(zhèn)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)有效 Zn 的分布有一定程度的干擾，塊金效應(yīng)值為 11.7%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)性因素是影響Zn 空間分布的主因，人類工業(yè)活動(dòng)是次因。

多數(shù)研究[2,26–27]表明，陽(yáng)離子型微量元素的有效態(tài)含量隨 pH 升高而降低，兩者顯著相關(guān)。在該研究區(qū)域中，因?yàn)橛绊懹行B(tài)微量元素含量的因子較多，pH 對(duì)空間變異的解釋能力較弱，所以產(chǎn)生了 4種微量元素含量與土壤 pH 相關(guān)性較差，均未達(dá)到顯著相關(guān)水平的結(jié)果。土類相同而成土母質(zhì)不同的土壤，性質(zhì)和微量元素的豐缺度會(huì)有很大的差異[28]，不同氣候環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和水環(huán)境等作用力下差異加劇。

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Spatial variability and impacting factors of trace elements in hilly region of cropland in northwestern Zhejiang Province

LIU Yong-hong1, NI Zhong-ying1, XIE Guo-xiong2, XU Li-jun1, ZHONG Lin-bing1, MA Li-qiang1
( 1 Agricultural and Forestry Technology Promotion Center of Tonglu County, Tonglu, Zhejiang 311500, China; 2 Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station, Hangzhou, Zhejiang 310020, China )

【Objectives】Geostatistics combined with geographical information system (GIS) technique is thought well for evaluation of the spatial structure of data and the impacting factors causing the variation. In this paper, this method was used to analyze the spatial variability and main impacting factors of available soil Fe, Mn, Cu and Zn in the permanently cultivated cropland in Tonglu County, in order to provide base for the efficient application of micronutrient fertilizer.【Methods】Soil types, land-use types, organic matter, pH, available N, available P, available K and altitude were chosen as impacting factors in the research. There were totall 386 soil samples collected from paddy fields, dry lands, tea plantations, and orchard fields after crop harvest. Semivariance analysis and Kriging interpolation were performed by GS + 7.0 and ArcGIS 10.1.【Results】Thevariation coefficient of four elements was between 58.37%and 90.22%. The nugget effect value was between 10.9% and 12.5%. The spatial distribution of Fe, Mn, Cu and Zn contents was patchy and their space structure had little similarity. The contents of Fe and Zn were significantly different among different soil types, and the availabale Fe, Mn, Cu and Zn contents were significantly different among the land-use types. Fe content has extremely significant and negative correlation with soil organic matter content and available K content, and had extremely significant positive correlation with Cu content; Cu content had extremely significant positive correlation with available P, and had significant negative correlation with available K and significant positive correlation with Mn; Zn content had highly significant negative correlation with available N, highly significant positive correlation with available P and K, had significant positive correlation with Mn and had significant negative correlation with altitude. Stepwise regression analysis indicated that soil type, land-use types, organic matter content, pH, available N, available P, available K and elevation together could explain 19.1%, 2.2%, 12.2% and 12.1% of the variability of soil available Fe, Mn, Cu and Zn in the study area. The land-use types alone could explain 3.1%–13.5% of the variability.【Conclusions】The available Fe, Mn, Cu and Zn contents were generally at the rich level, and belong to medium spatial variability in the studied area. Structural factors played a dominating role and human activity factors played a secondary role. The contributions of soil type, land-use type, organic matter content, pH, available N, available P, available K and altitude were significant but only accounted for a small proportion of the variation. Among these factors land-use types play a major role, although not the dominating factor.

soil trace element; spatial variability; geostatistics; affecting factor

S506；S511

A

1008–505X(2016)06–1710–09

2015–08–01 接受日期：2015–11–27

2009～2012 年農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥補(bǔ)貼項(xiàng)目；桐廬縣農(nóng)業(yè) “兩區(qū)” 土壤污染防治項(xiàng)目資助。

劉永紅（1985—），女，甘肅渭源人，農(nóng)藝師，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境方面研究。E-mail：yhliu689@163.com