樂清市農(nóng)田土壤微量元素的空間變異特征研究

趙麗芳 黃鵬武 郭軍玲 盧升高

摘 要：以浙江省樂清市基本農(nóng)田土壤為例，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，研究了農(nóng)田土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn和B含量的空間變異規(guī)律及其與土壤類型和土地利用方式的關(guān)系。結(jié)果表明，土壤中Fe、B具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，Mn、Cu、Zn具有中等的空間相關(guān)性。土壤微量元素的空間插值圖很好的反映了樂清市農(nóng)田土壤中微量元素的空間變異規(guī)律及含量狀況。依據(jù)浙江省微量元素含量水平的分級標(biāo)準(zhǔn)，樂清市農(nóng)田土壤中有效態(tài)Fe、Mn、Zn含量豐富，Cu、B含量偏低，需要通過施肥補(bǔ)充；不同土地利用方式顯著影響土壤中微量元素的含量，水稻土類中的Fe、Mn、Cu、Zn、B含量均顯著高于紅壤土類；該研究為了解農(nóng)田土壤中微量元素的空間分布規(guī)律和豐缺情況提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為微量元素的合理施用提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微量元素；GIS；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異

中圖分類號 S158.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）21-0099-04

Study on Spatial Variability of Microelements Contents in Farmland Soils of Yueqing City

Zhao Lifang1 et al.

（1Zhejiang Yueqing Agricultural Bureau，Yueqing 325600，China）

Abstract：To understand the spatial variability of available microelements （Fe，Mn，Cu，Zn，and B）contents in farmland soils，Yueqing city，Zhejiang Province，the combined methods of geostatistics with GIS was applied to study the spatial variability pattern of available microelement in soils and their relation to soil type and land use.Statistical analyses showed that Fe and B content in soils had strong spatial correlation，while Mn，Cu and Zu contents were moderate correlation.By using Kriging interpolation，the levels and spatial variability characters of available microelements in farmland soils were clearly described.According to the nutrients criterion of microelements in Zhejiang Province，the content of Fe，Mn and Zn are rich in the soil，while Cu and B are low，suggesting that Cu and B fertilizers was needed in the studied soils.Results also indicated that the Fe，Mn，Cu，Zn，and B contents in paddy soil were significantly higher than those in red soils.The land use type also significantly affected the contents of microelements in soils.The results clearly described the spatial variability pattern of microelement contents in soil，which could help in management and scientific fertilization of microelements.

Key words：Microelement；GIS；Geostatistics；Spatial variability

土壤是農(nóng)作物生長所需的微量元素的主要來源，土壤中有效態(tài)微量元素的含量直接影響著農(nóng)作物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。了解土壤微量元素含量的空間分布規(guī)律是確定區(qū)域農(nóng)田微量元素施用和精確施肥的基礎(chǔ)[1-3]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是分析土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律的有效方法之一[1-4]。GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、分析和顯示功能，和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，能有效地解釋土壤性質(zhì)和養(yǎng)分含量的空間變異性。國內(nèi)外研究者采用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法對土壤養(yǎng)分含量的空間變異進(jìn)行了大量的研究[1-4]，但多數(shù)研究關(guān)注的是土壤中大量元素的空間變異，而對微量元素空間變異研究較少。土壤中微量元素具有空間變異性[5-13]，并受土壤類型、土地利用方式等因素的影響，了解微量元素的空間變異規(guī)律及其影響因素對農(nóng)田養(yǎng)分管理和微肥利用有重要意義。

本研究在探索性空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)基礎(chǔ)上，采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，對浙江省樂清市基本農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn和B）的空間變異規(guī)律進(jìn)行了研究，依據(jù)微量元素分級標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)豐缺情況，并分析了微量元素含量變化與土壤類型和土地利用方式的關(guān)系，旨在為研究區(qū)微量元素的合理施用和科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 樂清市位于浙江省東南部沿海，東臨樂清灣，南臨甌江，地理坐標(biāo)為北緯27°57′34″～28°32′26″，東經(jīng)120°42′5″～121°15′18″，陸域面積1174km2，海域面積249km2。地形屬浙南低山區(qū)和沿海平原，東南部為沿海平原，地勢平坦、河網(wǎng)交叉，自然資源豐富，有“六山二水二分田”之稱。氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，全年四季分明，溫和濕潤，降水量充沛，年平均氣溫17.9℃，年平均降雨量1556mm。土壤類型以水稻土和紅壤土類為主，紅壤和水稻土面積分別占64.7%和21.3%。

1.2 采樣與分析 土壤樣品的采集和分析方法按照農(nóng)業(yè)部《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范》（2008）進(jìn)行。根據(jù)地形地貌、土地利用、耕作制度、產(chǎn)量水平等因素，確定平均每6.67～13.3hm2耕地采集一個(gè)樣品，取樣深度為耕層0～20cm。土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu和Zn采用DTPA浸提，ICP-MS法測定[14]；有效硼采用沸水浸提-ICP-MS法測定[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理 應(yīng)用SPSS16軟件對農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，然后利用Arcgis中的探索性空間數(shù)據(jù)分析工具（ESDA）對數(shù)據(jù)特征進(jìn)行初步的分析和描述，用直方圖、正態(tài)QQPlot分布圖檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布。利用GS+7.0地統(tǒng)計(jì)軟件對微量元素含量進(jìn)行半方差函數(shù)分析，得出半方差函數(shù)的理論模型及相關(guān)參數(shù)。利用Arcgis 9.2 軟件中的Geostatistical Analyst模塊進(jìn)行Kriging插值，繪制微量元素含量的空間分布圖。依據(jù)浙江省土壤養(yǎng)分的缺素臨界值和分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，應(yīng)用Spatial Analyst模塊對農(nóng)田土壤微量元素含量進(jìn)行評價(jià)，統(tǒng)計(jì)分析不同土壤類型和土地利用方式對微量元素含量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微量元素有效態(tài)含量 樂清市基本農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素含量的統(tǒng)計(jì)特征見表1。由表1可知，有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn和B含量的平均值分別為48.97、15.52、1.28、1.25和0.34mg/kg。土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn和B變異系數(shù)分別為43.5%、64.9%、111.7%、94.6%和59.5%，按照反映離散程度的變異系數(shù)（CV）大小，農(nóng)田土壤微量元素含量空間變異明顯，F(xiàn)e、Mn、Zn和B為中等變異，Cu元素為強(qiáng)變異。根據(jù)《浙江土壤》中微量元素有效態(tài)含量豐缺的分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，有效Fe含量豐富的農(nóng)田土壤（>50mg/kg）占總樣數(shù)的47%，說明土壤有效態(tài)Fe含量豐富；有效Mn含量高于15mg/kg的樣本數(shù)占總樣數(shù)的 45%，說明土壤有效態(tài)Mn含量豐富；土壤有效Cu含量>2mg/kg的樣本數(shù)占14%，說明樂清市農(nóng)田土壤中含Cu較為豐富的樣點(diǎn)比較少；有效Zn含量在0.5～3mg/kg的樣本數(shù)占總樣數(shù)的76%，而低于1mg/kg的樣本數(shù)占總樣數(shù)的59%；土壤有效B含量低于缺乏臨近值（0.5mg/kg）的樣本數(shù)占到總樣數(shù)的78%，而且低于0.3mg/kg（極缺水平）的樣本數(shù)占到總樣數(shù)的47%，表明農(nóng)田土壤缺B比較明顯。

2.2 土壤微量元素的空間分布 利用Arcgis軟件的直方圖和正態(tài)QQPlot分布圖檢驗(yàn)，農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素Fe、Mn和B符合正態(tài)分布，Cu和Zn符合對數(shù)正態(tài)分布，均滿足半方差分析要求。圖1是利用Arcgis9.2軟件中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊插值得到的土壤微量元素含量空間分布圖。由圖1可知，不同微量元素含量的空間分布明顯不同。Fe、Mn和Cu的空間分布沒有明顯的規(guī)律，并存在多個(gè)高值斑塊；Zn元素呈現(xiàn)塊狀分布特點(diǎn)，在南部和東北部出現(xiàn)Zn高值區(qū)；B的空間分布呈現(xiàn)出東南部高西北部低的趨勢，市域東南部出現(xiàn)有效B含量>0.5mg/kg的高值區(qū)，系海洋沉積物母質(zhì)含有較高濃度的B引起的?；跇非迨型恋乩矛F(xiàn)狀圖，參照浙江省微量元素的分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，利用Arcgis9.2軟件提取研究區(qū)耕地，然后應(yīng)用其空間分析模塊的分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)了基本農(nóng)田中不同等級微量元素農(nóng)田分布。結(jié)果表明，樂清市農(nóng)田土壤有效Fe含量都高于臨界值（10mg/kg）：其中Fe含量>20mg/kg的農(nóng)田面積占96%，說明耕地中有效Fe含量豐富；有效Mn含量的分級統(tǒng)計(jì)表明，有效Mn含量高于臨界值（5mg/kg）的面積占89%，其中含量在15～30mg/kg的面積達(dá)到了47%，表明耕地土壤中有效Mn含量豐富；有效Cu含量統(tǒng)計(jì)表明，含量在0.2～1.0mg/kg的面積最大，占耕地總面積的48%，其中高于臨界值（1.0mg/kg）的耕地面積占總面積的50%，表明農(nóng)田土壤有效Cu含量偏低；有效Zn含量高于臨界值（0.05mg/kg）的面積占97%，其中含量為0.5～1.0mg/kg的耕地面積占50%，說明土壤中Zn含量豐富；農(nóng)田土壤有效B含量低于臨界值（0.5mg/kg）的面積約占總面積的83%，其中有效B含量在0.2～0.5mg/kg的耕地面積占59%，表明土壤中有效B含量偏低，主要原因可能是市域西北部土壤母質(zhì)中B含量低、丘陵區(qū)強(qiáng)烈的成土風(fēng)化作用引起B(yǎng)淋失引起的。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上該區(qū)域需要通過施用B肥補(bǔ)充。

2.3 土壤類型和土地利用方式對微量元素含量的影響 在土壤微量元素含量空間分布圖中，統(tǒng)計(jì)了不同土壤類型和土地利用方式下農(nóng)田土壤的微量元素含量（表2）。由表2可知，水稻土的Fe、Mn、Cu和Zn含量最高，分別為49.87、15.86、1.30和1.21mg/kg，不同土壤類型間微量元素含量存在顯著差異（p<0.01）：認(rèn)為不同土壤類型中有效態(tài)微量元素含量的差異是由成土母質(zhì)中微量元素含量差異引起的。有效態(tài)B則以濱海鹽土含量最高，系成土母質(zhì)富含B元素引起的。不同土地利用類型農(nóng)田土壤中微量元素含量見表3所示，結(jié)果表明Fe和Zn平均含量為灌溉水田>旱地>灘涂>望天田；Mn和Cu的平均含量為灌溉水田>灘涂>旱地>望天田；有效B平均含量為灘涂>灌溉水田>旱地>望天田。顯著性分析表明，不同土地利用類型對微量元素含量的影響均為極顯著差異（p<0.01）：這種差異主要受農(nóng)田耕作、施肥、管理等措施影響，表明土地利用類型顯著影響農(nóng)田的有效態(tài)微量元素含量。

3 結(jié)論

樂清市農(nóng)田土壤微量元素均具有半方差結(jié)構(gòu)，在一定的范圍內(nèi)具有空間相關(guān)性。Fe和B具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，Mn、Cu和Zn具有中等的空間相關(guān)性。農(nóng)田中微量元素Fe、Mn和Cu含量的分布沒有明顯的空間分異規(guī)律，Zn呈現(xiàn)塊狀分布，B具有連續(xù)分布的特點(diǎn)。農(nóng)田土壤中微量元素的分級表明，土壤中Fe和Zn含量達(dá)到了豐富和極豐富的水平，Mn含量水平豐富，能滿足作物需求；有效態(tài)Cu和B含量偏低，需通過施用微肥補(bǔ)充有效態(tài)含量，以滿足農(nóng)作物生長所需。土壤類型和土地利用方式強(qiáng)烈地影響農(nóng)田土壤中的微量元素含量，水稻土類的微量元素含量顯著高于紅壤土類。不同土地利用類型對微量元素含量的影響表現(xiàn)為灌溉水田的含量最高，其次是灘涂和旱地，望天田的含量最低。

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（責(zé)編：張宏民）