新疆若羌縣土壤微量營養(yǎng)元素的空間分布特征及影響因素

曾妍妍，周金龍，陳云飛，王松濤，杜江巖，范 薇

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052； 2. 新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052；3. 新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

土壤中的錳、鋅、銅、鉬、硼等元素，是植物正常生長所必需的微量營養(yǎng)元素。鐵是土壤中的大量元素，為植物正常生長所必需，但在植物體內(nèi)的含量很低，所以也被列為微量營養(yǎng)元素。人類、動(dòng)物和農(nóng)作物所需微量營養(yǎng)元素?cái)?shù)量微小，但其缺乏會(huì)對農(nóng)作物生產(chǎn)和人類、動(dòng)物健康造成嚴(yán)重影響[1]。微量元素參與許多酶系統(tǒng)的活動(dòng)，在氮、磷、碳的代謝過程中以及在生物氧化過程中均有微量元素參與。微量營養(yǎng)元素主要從土壤礦物質(zhì)中獲得，前人研究表明，其有效性常受土壤理化性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)和pH值等)、成土母質(zhì)、土地利用類型、地下水位埋深、灌溉水質(zhì)、降水、地形等因素影響[2-6]。

若羌縣作為新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)發(fā)展紅棗產(chǎn)業(yè)的大縣，了解當(dāng)?shù)赝寥乐形⒘繝I養(yǎng)元素分布狀況及豐缺程度，利用微量營養(yǎng)元素含量較高的區(qū)域發(fā)展若羌縣紅棗產(chǎn)業(yè)。而前人對新疆若羌縣土壤微量營養(yǎng)元素方面的研究總體相對較少。因此，新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)于2015年在新疆和田—若羌綠洲帶展開了1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作。本文以若羌縣農(nóng)田表層土壤(0～20 cm)為研究對象，采集了143組土壤樣品，以了解農(nóng)田微量營養(yǎng)元素的含量、空間分布特征及豐缺狀況，為當(dāng)?shù)睾侠硎┘游⒎侍峁┛茖W(xué)依據(jù)，并且對更合理地持續(xù)開發(fā)利用農(nóng)田土壤資源，提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)對保護(hù)人類身體健康具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

若羌縣位于新疆東南部，塔克拉瑪干大沙漠東南緣，阿爾金山北麓，縣域地處東經(jīng)86°45′～93°45′，北緯36°05′～41°23′。地勢南高北低，由西南向東北傾斜，地形平緩。根據(jù)研究區(qū)的地貌形態(tài)、成因類型及物質(zhì)組成，可將研究區(qū)地貌類型劃分為：構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)、侵蝕剝蝕堆積平原和剝蝕堆積平原。研究區(qū)內(nèi)除農(nóng)業(yè)用地、戈壁礫石帶和零星相間沙丘及少數(shù)鹽土外，其余為灌木、野生植被覆蓋的荒漠區(qū)，主要植被有天然胡楊林、紅柳、蘆葦、白刺、甘草等[7-8]。

若羌縣屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，年平均溫度11.8℃，極端最高溫度43.6℃，極端最低溫度-27.2℃；年平均相對濕度39℃，無霜期189～193 d；年平均降水量28.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 920.2 mm[9]。研究區(qū)屬典型的農(nóng)牧區(qū)，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主，糧食作物主要有小麥、玉米，經(jīng)濟(jì)作物主要有紅棗、棉花、黃豆、瓜類、水果、蔬菜等，且以紅棗為主。

1.2 土壤樣品的采集與測試

土壤樣品于2015年10月采集，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法共采集表層土壤樣品143個(gè)，采樣深度為0～20 cm。土壤采樣點(diǎn)按照取樣密度1個(gè)·km-2布設(shè)(圖1)。

土樣中微量營養(yǎng)元素含量由國土資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心(新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所)進(jìn)行測試，其中，F(xiàn)e和Mn采用波長色散X射線熒光光譜法測定，檢出限分別為0.03 g·kg-1和3.254 mg·kg-1；Mo采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定，檢出限為0.012 mg·kg-1；Cu和Zn采用全譜直讀光譜法測定，檢出限分別為0.952 mg·kg-1和0.644 mg·kg-1；B采用發(fā)射光譜法測定，檢出限為0.902 mg·kg-1[10-11]。

圖1 研究區(qū)表層土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the soil sampling points in Ruoqiang County

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和正態(tài)分布檢驗(yàn)，其中采用Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)方法[P(k-s)>0.05]來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，如果數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，則需要對其進(jìn)行對數(shù)或冪變換使其接近于正態(tài)分布，以達(dá)到較好的地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值效果。采用GS+7.0軟件進(jìn)行半方差函數(shù)的計(jì)算和理論模型的擬合。采用ArcGIS 10.2軟件中的Geostatisttical Analyst模塊繪制各元素的空間分布圖，采用克里金插值法進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時(shí)，可選用普通克里金插值；若服從對數(shù)正態(tài)分布，則選用對數(shù)克里金插值；若服從冪指數(shù)正態(tài)分布，則選用冪指數(shù)克里金插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微量營養(yǎng)元素含量統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，B的平均含量與新疆背景值相比增加36.0%，其余元素平均含量均低于新疆土壤背景值，說明該地土壤中B有不同程度的累積。變異系數(shù)可以反映微量營養(yǎng)元素含量的變異程度，并在一定程度上反映其受人為影響的程度。由表1可以看出，F(xiàn)e、Mn、Zn、Cu、Mo和B屬于中等變異性，其中，F(xiàn)e、Mn和Zn變異系數(shù)較小，均小于25%，說明Fe、Mn和Zn受外界影響較一致，可能具有相同的來源[12]。

表1 表層土壤微量營養(yǎng)元素含量統(tǒng)計(jì)分析(n=143)Table 1 Descriptive statistics of micronutrients in surface soil

注：“背景值”參考成杭新等2014年報(bào)道的新疆土壤中化學(xué)元素的背景值[13]；“P”為雙側(cè)近似P值，“P′”為對數(shù)/冪變換后雙側(cè)近似P值。

Note: “Background value” refers to the report on the chemical elements in the soils of Xinjiang, China by Cheng Hangxin et al. in 2014[13]; “P” indicates that the asymptotic significance (2-tailed), “P′” indicates that the asymptotic significance after logarithmic/power transformation.

2.2 土壤微量營養(yǎng)元素含量的空間變異結(jié)構(gòu)特征

在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析之前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，若不服從正態(tài)分布，則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)或冪變換使其接近于正態(tài)分布。由表1可見，土壤中Fe、Mn、Zn、Cu含量服從正態(tài)分布，B服從對數(shù)正態(tài)分布，Mo服從冪指數(shù)正態(tài)分布。

塊金值C0、偏基臺(tái)值C和基臺(tái)值的比值C0/(C0+C)(即塊金效應(yīng))分別表示隨機(jī)變異(人為因素)和結(jié)構(gòu)變異(自然因素)引起的空間變異占總體變異的比重。C0/(C0+C)比值小于25%，說明微量營養(yǎng)元素具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，變異主要由結(jié)構(gòu)性變異組成；比值在25%～75%之間，說明微量營養(yǎng)元素具有中等空間相關(guān)性；比值大于75%，說明微量營養(yǎng)元素空間相關(guān)性很弱，變異主要由隨機(jī)變異組成[14-16]。

表2為研究區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素?cái)M合的最優(yōu)半變異函數(shù)模型參數(shù)，由表2擬合效果可知，F(xiàn)e、Mn、Cu符合球形模型，Zn、Mo和B符合指數(shù)模型。從塊金效應(yīng)來看，F(xiàn)e、Mn、Zn、Mo和B的塊金效應(yīng)均小于25%，空間相關(guān)性較強(qiáng)，空間變異主要受到自然因素的影響，如成土母質(zhì)等；Cu的塊金效應(yīng)為49.8%，介于25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)，空間變異同時(shí)受到人為因素和自然因素的影響。同時(shí)，從表2可以看出，變程介于2.27～9.36 km之間，說明土壤微量元素在這個(gè)范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性，超過此范圍空間自相關(guān)性消失[4,17]。

2.3 土壤微量營養(yǎng)元素含量的空間分布特征

平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差是判斷插值模型精度的重要參數(shù)。平均誤差(Mean error，ME)越接近于0，精度越高；標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(Root mean square standardized error，RMSSE)越接近1，精度越高，大于或小于1，表示高估或低估了預(yù)測值[17]。由表2可知，各元素預(yù)測平均誤差都接近于0，標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差都接近于1，表明各插值模型的預(yù)測精度較高，預(yù)測結(jié)果可反應(yīng)出無監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域的土壤微量營養(yǎng)元素分布狀況。本文采用克里金插值法繪制各元素的空間分布圖(圖2)，F(xiàn)e、Mn、Zn和Cu含量服從正態(tài)分布，選用普通克里金插值模型；B服從對數(shù)正態(tài)分布，選用對數(shù)克里金插值；Mo服從冪指數(shù)正態(tài)分布，選用冪指數(shù)克里金插值?；贏rcGIS的空間統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)面積為155.25 km2，F(xiàn)e、Mn、Zn、Cu、Mo和B含量依據(jù)土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范(DZ/T0295-2016)[18]中的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級劃分，各分級面積及比例見表3。

表2 表層土壤微量營養(yǎng)元素半方差函數(shù)模型與精度參數(shù)Table 2 Semivariogram models and precision parameters of micronutrients in surface soil

圖2 表層土壤微量營養(yǎng)元素含量空間分布/(mg·kg-1)Fig.2 Spatial distribution of micronutrients in surface soil

由圖2和表3可以看出，F(xiàn)e、Mn、Zn和Cu的空間分布格局相似，總體呈現(xiàn)出從研究區(qū)四周向中心含量逐漸增大的趨勢(圖2a～d)；Mo和B的空間分布格局相似，總體呈現(xiàn)出從南向北含量逐漸增大的趨勢(圖2e～f)。其中，F(xiàn)e、Zn和Cu均是以較缺乏水平所占的比例最高，分別為50.0%、53.7%和29.4%；Fe等級為豐富的比例為0.1%，該區(qū)域零星分布在研究區(qū)的中西部；Zn等級為較豐富及以上的比例僅為1.3%，該區(qū)域零星分布在研究區(qū)的西部和東部；Cu等級為豐富的比例為14.3%，該區(qū)域主要分布在研究區(qū)的中西部。Mn以中等水平所占的比例最高，為48.0%，等級為豐富的比例為1.1%，該區(qū)域零星分布在研究區(qū)的中西部。Mo和B等級達(dá)到豐富的比例均為最高，分別為88.2%和51.2%，該區(qū)域主要分布在研究區(qū)的北部。

表3表層土壤微量營養(yǎng)元素含量分級與面積統(tǒng)計(jì)

Table 3 Grading and area statistics of micronutrients in surface soil

元素Elements項(xiàng)目Items分級ClassificationⅠ級(缺乏)GradeⅠ(Deficient)Ⅱ級(較缺乏)GradeⅡ(Relativelydeficient)Ⅲ級(中等)GradeⅢ(Moderate)Ⅳ級(較豐富)GradeⅣ(Relativelyrich)Ⅴ級(豐富)GradeⅤ(Rich)Fe分級Level/(mg·kg-1)<2424～2929～3232～37>37面積Area/km248．3577．5823．365．830．13比例Ratio/%31．150．015．03．80．1Mn分級Level/(mg·kg-1)<375375～500500～600600～700>700面積Area/km27．2543．2774．4528．521．76比例Ratio/%4．727．948．018．31．1Zn分級Level/(mg·kg-1)<5050～6262～7171～84>84面積Area/km224．183．2645．852．030．01比例Ratio/%15．553．729．51．30．0Cu分級Level/(mg·kg-1)<1616～2121～2424～29>29面積Area/km227．0845．5735．5324．7922．28比例Ratio/%17．429．422．916．014．3Mo分級Level/(mg·kg-1)<0．450．45～0．550．55～0．650．65～0．85>0．85面積Area/km20．000．000．1218．20136．93比例Ratio/%0．00．00．111．788．2B分級Level/(mg·kg-1)<3030～4545～5555～65>65面積Area/km20．0022．4926．8426．3879．54比例Ratio/%0．014．517．317．051．2

土壤中微量營養(yǎng)元素的豐缺狀況會(huì)直接影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生長以及農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。從總體上看，研究區(qū)土壤中Fe、Zn和Cu元素豐缺程度為Ⅱ級(較缺乏水平)，Mn元素豐缺程度為Ⅲ級(中等水平)，Mo和B元素豐缺程度為Ⅴ級(豐富水平)。

2.4 土壤微量營養(yǎng)元素含量空間分布的影響因素

前人研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、成土母質(zhì)、土地利用類型、地下水位埋深、灌溉水質(zhì)、降水、地形等均是影響土壤微量營養(yǎng)元素含量的主要因素。在地下水位淺埋條件下，潛水蒸發(fā)是土壤水補(bǔ)給的主要來源，此時(shí)，地下水鹽可轉(zhuǎn)化為土壤水鹽；當(dāng)潛水埋深較大時(shí)，潛水蒸發(fā)對土壤水的補(bǔ)給已不起作用[19-21]。由研究區(qū)水井調(diào)查資料可知地下水埋深均大于6 m，因此可以不考慮潛水蒸發(fā)對土壤元素含量的影響。依據(jù)2014年灌溉地表水和地下水水質(zhì)測試數(shù)據(jù)可知研究區(qū)灌溉水質(zhì)均滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-2005)[22]，水質(zhì)中與本研究相關(guān)的微量元素含量均遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)限值，因此可不考慮灌溉用水水質(zhì)對土壤中微量營養(yǎng)元素含量的影響。研究區(qū)為暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，且該區(qū)地形平緩，可不考慮降水及地形對土壤中微量營養(yǎng)組分含量的影響。因此，本節(jié)主要討論土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型對土壤微量營養(yǎng)元素含量的影響。

2.4.1 土壤有機(jī)質(zhì)和pH值對土壤微量營養(yǎng)元素含量的影響 土壤是母質(zhì)、氣候、地形等諸多因素綜合作用下形成的自然綜合體，其理化性質(zhì)直接影響著元素在土壤中的含量[23]。為研究若羌縣土壤微量營養(yǎng)元素含量與土壤有機(jī)質(zhì)、pH值的關(guān)系，對土壤有機(jī)質(zhì)、pH值與土壤微量營養(yǎng)元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)。

表4 有機(jī)質(zhì)、pH值與土壤微量營養(yǎng)元素含量的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil organic matter, pH and micronutrients in surface soil

注：“*”表示在P<0.05水平顯著，“**”表示在P<0.01水平顯著。

Note:“*” significant correlation atP<0.05, and “**” significant correlation atP<0.01.

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、pH值與土壤微量營養(yǎng)元素含量相關(guān)性分析結(jié)果表明，F(xiàn)e、Mn、Zn、Cu和B含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，Mo含量與土壤有機(jī)質(zhì)無相關(guān)關(guān)系；Fe、Mn和Cu含量與pH值呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，Zn、Mo和B含量與pH值無相關(guān)關(guān)系。

2.4.2 成土母質(zhì)對土壤微量營養(yǎng)元素含量的影響 成土母質(zhì)是影響土壤肥力的重要因素，母質(zhì)是土壤形成的基礎(chǔ)，前人研究表明由于母質(zhì)的差異致使土壤特性存在著很大變異[24]。由表5可以看出，不同成土母質(zhì)下土壤中微量營養(yǎng)元素中B的總體差異較大，含量范圍為49.8～91.0 mg·kg-1，表現(xiàn)為洪積物>風(fēng)積物>沖洪積物>沖積物；其余5種微量營養(yǎng)元素的含量差異較小，其中，F(xiàn)e、Mn和Cu含量均以沖積物最高，Zn含量以洪積物最高，Mo含量以風(fēng)積物最高。綜上所述，不同母質(zhì)發(fā)育的土壤，養(yǎng)分分布具有差異性。

2.4.3 土壤類型對土壤微量營養(yǎng)元素含量的影響 結(jié)合遙感解譯和實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，研究區(qū)土壤類型有棕漠土、灌淤土和林灌草甸土。由表5可以看出，F(xiàn)e、Mn、Zn和Cu平均含量均表現(xiàn)為灌淤土>林灌草甸土>棕漠土， Mo和B平均含量均表現(xiàn)為林灌草甸土>灌淤土>棕漠土。綜上所述，不同土壤類型下各微量營養(yǎng)元素的含量具有一定程度的差異性，同一土壤類型下各微量營養(yǎng)元素之間也有一定的差別。

表5 不同成土母質(zhì)和土壤類型的表層土壤微量營養(yǎng)元素平均含量/(mg·kg-1)Table 5 Average contents of micronutrients of different parent materials and soil types in surface soils

2.4.4 土地利用類型對土壤微量營養(yǎng)元素的影響 土地利用是自然和人類活動(dòng)相互作用的綜合過程，是土壤肥力的主要影響因素，土地利用方式與土壤理化性狀的變化有著密切關(guān)系[25-27]。不同的輪作制度、管理模式、肥料類型等都可能會(huì)導(dǎo)致土壤微量營養(yǎng)元素含量的差異[4]。為去除上面討論的成土母質(zhì)對土壤微量營養(yǎng)元素的影響水平，本小節(jié)討論不同成土母質(zhì)條件下各土地利用類型對土壤微量營養(yǎng)元素的影響。由表6可以看出，成土母質(zhì)為風(fēng)積物條件下，F(xiàn)e、Mn、Zn和Cu含量均以果園林地最高，其次為耕地，Mo和B含量則以耕地最高，其次為果園林地；成土母質(zhì)為沖積物條件下，F(xiàn)e、Mn和Cu含量均以果園林地最高，其次為耕地，Zn、Mo和B含量則以耕地最高；成土母質(zhì)為沖積洪積物條件下，6種微量營養(yǎng)元素含量均以耕地最高；成土母質(zhì)為洪積物條件下，土地利用類型為果園林地。綜上所述，不僅在不同成土母質(zhì)條件下各土地利用類型具有一定程度的變異，同一土地利用類型下各微量營養(yǎng)元素之間也有一定的差別，說明人類活動(dòng)對不同土地利用類型的土壤具有較為明顯的影響。

表6 不同成土母質(zhì)條件下各土地利用類型的表層土壤微量營養(yǎng)元素平均含量/(mg·kg-1)Table 6 Average contents of micronutrients of various land use types under different parent materials conditions in surface soils

3 結(jié) 論

1)研究區(qū)表層土壤中B平均含量高于新疆背景值，其余元素平均含量均低于新疆背景值。Fe、Mn、Zn、Cu、Mo和B變異系數(shù)介于18.2%～47.4%，均屬于中等變異。

2)研究區(qū)表層土壤中Fe、Zn和Cu元素豐缺程度為較缺乏水平，Mn元素豐缺程度為中等水平，Mo和B元素豐缺程度為豐富水平。

3)通過半變異函數(shù)模型分析可知，F(xiàn)e、Mn、Zn、Mo和B的塊金效應(yīng)均小于25%，空間相關(guān)性較強(qiáng)，空間變異主要受到自然因素的影響；Cu的塊金效應(yīng)介于25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)，空間變異同時(shí)受到人為因素和自然因素的影響。

4)研究區(qū)表層土壤中6種微量營養(yǎng)元素均表現(xiàn)出明顯的空間分布規(guī)律。Fe、Mn、Zn和Cu的空間分布格局相似，總體呈現(xiàn)出從研究區(qū)四周向中心含量逐漸增大的趨勢；Mo和B的空間分布格局相似，總體呈現(xiàn)出從南向北含量逐漸增大的趨勢。

5)研究區(qū)表層土壤中Fe、Mn、Zn、Cu和B含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)e、Mn和Cu含量與pH值呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，不同的成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型對土壤微量營養(yǎng)元素的含量也有不同程度的影響。