不同土壤類型有效微量元素的空間特征
——以張掖市臨澤縣為例

劉 強(qiáng), 楊 東

(1.天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 甘肅 天水 741001; 2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070)

不同土壤類型有效微量元素的空間特征
——以張掖市臨澤縣為例

劉 強(qiáng)1, 楊 東2

(1.天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 甘肅 天水 741001; 2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070)

以臨澤縣土壤(0—20 cm)中有效Mn，Zn，F(xiàn)e，Cu，B微量元素為研究對(duì)象，運(yùn)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究了不同土壤類型有效微量元素的空間分布特征，繪制了空間分布圖，最后根據(jù)甘肅省耕層土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臨澤縣有效土壤微量元素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：鹽漬土、灰棕漠土、流動(dòng)風(fēng)沙土普遍缺有效微量元素，泥炭沼澤土、灌耕厚立土、草甸鹽土中的有效微量元素含量相對(duì)較高；臨澤縣土壤中有效微量元素含量整體上處于中等水平，為了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，可以提高微肥用量和改善微肥的施用措施來(lái)增加土壤中微量元素含量。

土壤類型; 全量微量元素; 有效微量元素; 臨澤縣

土壤中的微量元素是土壤的重要組成成分，它的空間變化特征直接反映了土壤發(fā)育、成土及其演化過程。它能夠明顯提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，增強(qiáng)農(nóng)作物抗旱、抗寒、抗病能力[1-3]。影響土壤中微量元素有效含量的因子有很多，包括土壤類型、微量元素全量、土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、土壤通透性等，并且這些因素在不同的地區(qū)、不同的時(shí)段有不同的影響[4-6]。土壤微量元素的有效性是土壤肥力的重要內(nèi)容，它的含量高低是制定科學(xué)、合理施肥方案的依據(jù)[7-9]。近年來(lái)，人們對(duì)土壤中微量元素的地球化學(xué)特征研究予以了高度重視，對(duì)土壤微量元素的空間特征研究越來(lái)越多，特別是隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，在空間變異性方面的研究更加深入，發(fā)現(xiàn)母質(zhì)是影響土壤微量元素分布模式的主要因素之一[10-12]；用GIS和地統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法研究發(fā)現(xiàn)微量元素的空間變異主要是由地形、氣候的等非人為因素引起的[13-14]。但先前對(duì)土壤中微量元素的研究多分布于于濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)，對(duì)研究干旱地區(qū)的綠洲地區(qū)土壤有效微量元素空間分布特征的文章較少，這不利于綠洲地區(qū)土地資源的合理開發(fā)和利用。因此本文以綠洲地區(qū)的臨澤縣為研究對(duì)象，通過應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法，應(yīng)用半變異函數(shù)定量，研究不同土壤類型有效微量元素的空間特征，根據(jù)甘肅省耕層土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臨澤縣有效土壤微量元素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為定量評(píng)價(jià)土壤微量元素肥力變化和充分發(fā)揮微量元素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，為實(shí)現(xiàn)綠洲農(nóng)田微量元素在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的平衡而提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

林澤縣位于甘肅省河西走廊中部，黑河中游，東經(jīng)99°51′—100°30′、北緯38°57′—39°42′，是甘肅省張掖市所轄縣之一。東鄰甘州區(qū)，西接高臺(tái)縣，南依祁連山與肅南裕固族自治縣接壤，北靠合黎山與內(nèi)蒙古阿拉善右旗相連，總面積2 727.29 km2。該區(qū)地處溫帶干旱荒漠氣候區(qū)，地形平坦，屬河西走廊平原的一部分，土層一般厚70—80 cm，但保水保肥力差，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)松散，容易被暴雨沖蝕，并且土壤含沙量大，易受風(fēng)蝕而沙化[9]。

1.2 土壤樣品采集及測(cè)定項(xiàng)目和方法

土壤樣品的野外采集采用網(wǎng)格布點(diǎn)與野外調(diào)查相結(jié)合的方法，在研究區(qū)選取樣點(diǎn)106個(gè)，樣點(diǎn)取0—20 cm的土壤表層，每一采樣點(diǎn)周圍選取5個(gè)點(diǎn)，以5個(gè)點(diǎn)的平均值為該樣點(diǎn)的最終數(shù)據(jù)。同時(shí)使用GPS儀記錄采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)，以及采樣土壤的基本信息，從而最終生成研究區(qū)的樣點(diǎn)分布。隨后將采集的樣品分別裝于采集袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，分出雜物，風(fēng)干，磨碎，過1 mm篩，分別裝于廣口瓶中對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。有效Mn，Zn，F(xiàn)e，Cu用二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提，原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定，土壤有效B的測(cè)定，采用的方法為甲亞胺法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤中有效微量元素的測(cè)定數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用K-S檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布規(guī)律，有效Mn，Zn，Cu元素含量是符合正態(tài)分布，有效Fe，B元素含量是不符合正態(tài)分布，這種不符合正態(tài)分布的情況在實(shí)際經(jīng)常遇到，這種情況下用傳統(tǒng)的半變異函數(shù)方法計(jì)算出的半變異函數(shù)值是有偏的，這是特異值造成數(shù)據(jù)有偏的主要原因[3]。在具體處理數(shù)據(jù)時(shí)，通過運(yùn)用ArcGIS 9.2軟件的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊，獲得土壤性質(zhì)趨勢(shì)特征參數(shù)及異向性分布特征參數(shù)，完成對(duì)土壤微量元素空間分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用半方差函數(shù)對(duì)采集的樣品進(jìn)行分析，地統(tǒng)計(jì)學(xué)它是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為基本工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象，該函數(shù)可用下式表示[12]:

式中：r(h)是半方差函數(shù)；h為兩樣本間的分離距離；z(xi)和z(xi+h)分別是隨機(jī)變量在空間位置xi和xi+h上的取值，N(h)為在分離距離為h時(shí)的樣本對(duì)總數(shù)。由r(h)對(duì)h作圖可作出半方差函數(shù)圖，該圖由一批散點(diǎn)組成，最后根據(jù)離差平方和(RSS)最小原則，對(duì)試驗(yàn)半方差函數(shù)進(jìn)行擬合，最終得到半方差函數(shù)的理論模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

選取最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度、變異系數(shù)7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，其中變異系數(shù)的大小表示土壤特性空間變異程度，變異系數(shù)<10%時(shí)為弱變異性，變異系數(shù)>100%時(shí)為強(qiáng)變異性，位于二者之間是中等變異性[15]。從表1可知，研究區(qū)域土壤中有效微量元素變異系數(shù)都較小，說(shuō)明這些元素的分布存在一定的空間變異性，屬于中等變異。

2.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

將所有的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗(yàn)后，用不同類型的模型進(jìn)行半方差擬和，并選定了恰當(dāng)?shù)哪Ｐ秃筮M(jìn)行Kriging 插值，從而得到臨澤縣有效微量元素分布圖。通過運(yùn)用c0與c0+c比值的大小來(lái)判定系統(tǒng)內(nèi)變量的空間相關(guān)性程度，用比值<25%，25%～75%，>75%分別表示變量的空間相關(guān)性較強(qiáng)、中等、較弱[16]。用不同模型對(duì)有效Zn，Cu，F(xiàn)e，Mn，B可分別擬合為指數(shù)模型、指數(shù)模型、球狀模型、球狀模型、球狀模型，其c0與c0+c比值分別為0.874，0.965，0.882，0.725，0.737，說(shuō)明樣點(diǎn)間的空間相關(guān)性較弱，變異更多的是由隨機(jī)因素引起的。

2.3 空間分布格局

利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行Kriging插值計(jì)算后，得到研究區(qū)土壤有效態(tài)微量元素空間差值圖。

表1 有效微量元素含量的統(tǒng)計(jì)特征

圖1 有效Zn元素空間分布

從圖1A可以看出，有效Zn含量大致由南向北遞減；含量在0.364～0.449 mg/kg的高值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣南部，含量在0.220～0.306 mg/kg的低值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣西北部。

從圖1B可以看出，有效Cu含量大致由西向東遞減；含量在1.672～2.022 mg/kg的高值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣西北部，含量在0.730～1.232 mg/kg的低值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣東部。

從圖1C可以看出，有效Fe含量大致由西向東遞減；含量在19.007～25.629 mg/kg的高值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣西北部，含量在9.235～12.256 mg/kg的低值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣東部。

從圖1D可以看出，有效Mn含量大致由西向東遞減；含量在10.419～11.999 mg/kg的高值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣南部，含量在8.198～9.048mg/kg的低值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣東部。

從圖1E可以看出，有效B元素含量由北向南呈帶狀分布，大致由向南向東遞減；含量在1.553～1.997 mg/kg的高值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣南部，含量在0.752～1.667 mg/kg的低值區(qū)土壤主要分布在臨澤縣北部。

3 結(jié)果與分析

3.1 臨澤縣不同土壤類型的有效微量元素含量

根據(jù)ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行Kriging插值，得到臨澤縣不同土壤類型有效態(tài)微量元素含量值(表2)。從表2可以看出，不同土壤類型的有效微量元素含量有差異。其中鹽漬土、灰棕漠土、流動(dòng)風(fēng)沙土普遍缺有效微量元素，泥炭沼澤土、灌耕厚立土、草甸鹽土中的有效微量元素含量相對(duì)較高。

3.2 臨澤縣有效微量元素豐缺程度

根據(jù)甘肅省耕層土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)[17]，臨澤縣有效微量元素豐缺程度如下：有效Cu，F(xiàn)e，Mn，B平均含量處于二級(jí)水平，有效Zn平均含量處于四級(jí)水平。從總體來(lái)看臨澤縣土壤有效微量元素含量處于中等水平。

表2 臨澤縣不同土壤類型有效態(tài)微量元素分布

表3 甘肅省土壤養(yǎng)分(微量元素)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 論

根據(jù)臨澤縣不同土壤類型的區(qū)域性差異，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法進(jìn)行了半方差函數(shù)的計(jì)算和最適模型的擬合，得出5種有效態(tài)微量元素最優(yōu)理論模型，繪制了空間分布圖，最后根據(jù)甘肅省耕層土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臨澤縣有效土壤微量元素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：鹽漬土、灰棕漠土、流動(dòng)風(fēng)沙土普遍缺有效微量元素，泥炭沼澤土、灌耕厚立土、草甸鹽土中的有效微量元素含量相對(duì)較高。從總體來(lái)看臨澤縣土壤有效微量元素含量處于中等水平，為了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，可以提高微肥用量和改善微肥的施用措施來(lái)增加土壤中微量元素含量。

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StudyontheContentsofAvailableTraceElementsinDifferentSoils—AcasestudyinLinzearea,Zhangyecity

LIU Qiang1, YANG Dong2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,TianshuiNormalUniversity,Tianshui,Gansu741000,China; 2.CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China)

Mn, Zn, Fe, Cu, B in 0—20 cm soil were investigated In Linze County. We used the method of GIS and geostatistics to study the distribution characteristics of available trace elements in space in different types of soils, and make the spatial distribution map. Finally, according to the Gansu Provincial tillage layer soil nutrient grading standard, available trace elements of soil in Linze County were comprehensively evaluated. The results show that the saline soil, gray-brown desrt soils, aeolian sandy soil are lack of available trace elements, contents of available trace elements in peat swamp soil, irrigation and cultivation soil and meadow soil are relatively high; the overall available contents of trace elements in soil in Linze county are at the high level. In order to meet the demands of the local agricultural production, the application measures and dosages of micronutrient fertilizer should be improved to increase the contents of trace elements in soils.

soil type; total trace elements; available trace elements; Linze County

S151.9

A

1005-3409(2017)06-0205-04

2015-12-13

2016-11-03

天水師范學(xué)院中青年教師科研項(xiàng)目“基于GIS的土壤中金屬元素分析與評(píng)價(jià)”(TAS1615)

劉強(qiáng)(1983—),男,甘肅蘭州人,碩士,講師,主要研究方向土壤生態(tài)與環(huán)境。E-mail:guangmingliu1983@163.com