新密市農(nóng)用地土壤B 元素地球化學(xué)特征

谷志云 廖詩進(jìn)* 趙新雷 付巧玲 郭亞嬌裴瑞亮 杜保軍 楊運(yùn)召 李 兵

（1河南省地質(zhì)研究院，河南鄭州 450001；2河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450001；3河南省地球化學(xué)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450001；4河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘察院，河南鄭州 450001）

B（硼）對植物碳水化合物的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)有重要作用，是應(yīng)用較廣泛的微量營養(yǎng)元素之一，含B 量適宜能提高植物結(jié)實(shí)率和坐果率[1]。作物缺B時(shí)，花藥和花絲萎縮，花粉不能形成，表現(xiàn)出“花而不實(shí)”的病癥。植物吸收的B 主要來自土壤，含B量多少與成土母質(zhì)、土壤類型及氣候條件等密切相關(guān)。我國土壤全B 量范圍在0～500 mg/kg，平均含量為64 mg/kg，土壤全B 量分布規(guī)律由北向南、由西向東大致呈逐漸降低的趨勢，根據(jù)1982—1986 年全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)，全國耕種土壤缺B 面積多達(dá)333 萬hm2以上，河南等耕地缺B比例大于60%。缺B 嚴(yán)重地限制各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，成為作物產(chǎn)量及品質(zhì)提高的主要限制因子。

2021 年鄭州市多要素城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目實(shí)施以來，在新密市發(fā)現(xiàn)面積為21.23 km2的天然豐富級B土地。開展新密市全境土壤實(shí)地調(diào)查采樣和檢測分析，摸清研究區(qū)土壤B 元素的地球化學(xué)特征及分布情況，為當(dāng)?shù)刈魑锓N植施肥、土地資源合理利用、開發(fā)名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品作物等提供了農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于新密市，位于河南省中部的嵩山東麓，為低山丘陵區(qū)。該區(qū)地質(zhì)背景以碳酸巖－碎屑沉積建造為主，山前崗坡及河流兩岸分布有松散堆積物，出露的地層主要為古元古界嵩山群、中元古界五佛山群、寒武—奧陶系、石炭—二疊系、三疊系、古近系、新近系以及第四系更系統(tǒng)、全新統(tǒng)等。

區(qū)內(nèi)以農(nóng)用地和建設(shè)用地為主，農(nóng)田與林地呈小型斑塊狀分布，耕地面積22 640 hm2，土地利用率較高[2]，主要土壤類型為褐土，南部分布著少量粗骨土，西北部為紫色土及少量紅黏土。

1.2 樣品采集與處理

土壤樣品的采集參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測與評價(jià)規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范，采集時(shí)間為上茬作物成熟或收獲以后、下茬作物尚未施用底肥和種植以前[3-4]，以野外實(shí)際確定的采樣點(diǎn)為中心向四周輻射20～50 m，按4 點(diǎn)/km2采樣密度、0～20cm采樣深度采樣1～2 kg，使用手持GPS 定點(diǎn)，運(yùn)用奧維互動地圖軟件記錄表格數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)網(wǎng)格化采集地表土壤樣品共2 517 件。土壤樣品在自然條件下風(fēng)干，過10 目尼龍篩后，加工至200目儲存于密封的塑料容器中用于分析測定。執(zhí)行Z/T0279.11-2016 標(biāo)準(zhǔn)測定土樣的B 含量，測試由河南省地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室采用WPG-100 型光柵光譜儀，以交流電弧-發(fā)射光譜法（ES）全量分析方法完成[5]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)耕地土壤中各地球化學(xué)指標(biāo)的含量特征，反映該區(qū)耕地土壤各指標(biāo)情況和分布特點(diǎn)[6]。通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)表層土壤各營養(yǎng)微量元素的地球化學(xué)特征值（表1），可以看出新密市土壤B含量平均值為55 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差11 mg/kg，其含量大于全國土壤背景值（47.8 mg/kg）。區(qū)內(nèi)耕地土壤的B 元素變異系數(shù)≤0.20，表明該區(qū)B元素含量變化起伏不大，基本未受人類活動影響[7]，元素含量區(qū)間窄小，最大值約為最小值的6倍。

表1 新密市表層土壤元素地球化學(xué)特征

從土壤全B含量測定結(jié)果頻次分布（圖1）看，研究區(qū)內(nèi)表層土壤全B含量值呈塔式正態(tài)分布，B含量為32～194 mg/kg，大部分樣品B 含量在45～65 mg/kg之間。以土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范（DZ/T 0295—2016）確定的土地質(zhì)量評價(jià)B的養(yǎng)分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，新密市豐富含B 耕地面積達(dá)21.23 km2，富B 土壤樣品數(shù)為242件，占樣品總數(shù)的9.61%。

圖1 新密市表層土壤全B含量測定結(jié)果頻次分布

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤B元素的空間分布

本次分析數(shù)據(jù)處理與成圖，采用中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所研發(fā)的GeoChemStudio 軟件[3]，以30、45、55、65 mg/kg 的B 元素含量為界線，對樣品B 含量做等值線圖（圖2）。由B 元素地球化學(xué)特征分布情況可知，研究區(qū)土壤B 元素整體處于中等略偏豐富水平，存在局部豐富和較缺乏區(qū)。區(qū)內(nèi)豐富級B 土壤地段成灶狀不均勻分布，主要分布在研究區(qū)西部牛店鎮(zhèn)和南部茍?zhí)面?zhèn)，富B 土壤耕地最大面積為0.51 km2，分布于牛店鎮(zhèn)月臺村，B 含量平均值55 mg/kg，富集系數(shù)2.6%；B 營養(yǎng)元素較缺乏區(qū)地段零星出現(xiàn)在研究區(qū)中東部的劉寨鎮(zhèn)，集中分布在研究區(qū)東部曲梁鎮(zhèn)耕地的多半地區(qū)。

圖2 新密市土壤B含量分布

2.2 微量元素相關(guān)性

由于有機(jī)質(zhì)本身含B，其分解產(chǎn)物又以一定形式與B 結(jié)合，因而有機(jī)質(zhì)為耕作層土壤中有效B 的重要來源。用GeoChemStudio 軟件進(jìn)行研究區(qū)表層土壤樣品相關(guān)元素的數(shù)據(jù)分析，可知新密市富B 土壤B 同Cu、Mo、Fe、Corg、pH、Mn、Zn 的相關(guān)系數(shù)分別為0.334 2、0.356 6、0.523 7、0.141 4、-0.273 1、0.458 5、0.349 1，即區(qū)內(nèi)土壤的B元素與Fe、Mn、有機(jī)質(zhì)具顯著的正相關(guān)性，與土壤的pH有明顯的負(fù)相關(guān)性（圖4）。微酸性土壤中B一般不會缺乏，土壤中Zn、Gu、Mn、Fe、B等營養(yǎng)元素的有效性一般隨土壤pH的降低而增加。

研究區(qū)土壤pH 范圍4.94～8.66，整體呈現(xiàn)堿性及強(qiáng)堿性的土壤環(huán)境。將研究區(qū)土壤B的樣品與土壤有機(jī)碳含量及pH做元素相關(guān)性分析圖（圖3），可以看出：土壤中的有機(jī)質(zhì)能改善土壤結(jié)構(gòu)，加大對B 的吸附與固定作用，有機(jī)質(zhì)越豐富的土壤，對B的吸附能力越強(qiáng)，土壤中B 的含量相對越高。研究區(qū)土壤pH 在7.5～8.0 有機(jī)碳含量在1%～2%為土壤豐富級B 含量相對集中的區(qū)域，適合開發(fā)種植富B作物[8]。

圖3 新密市耕地土壤B與有機(jī)碳含量及土壤pH相關(guān)性

2.3 表層土壤B含量概率累積曲線特征

利用概率累積曲線的拐點(diǎn)，可初步判定化探元素的不同來源組分[9]，研究區(qū)表層土壤B 含量概率累積曲線呈垂直折線型（圖4），拐點(diǎn)處累積百分比接近100%，表明外源輸入組分（如大氣沉降、人類活動等）對土壤B的影響很小，B主要來源于自然背景，富B土壤資源具有可持續(xù)開發(fā)利用的潛力。

2.4 成土母質(zhì)與土壤B來源

地層反映不同地質(zhì)時(shí)期巖石形成的不同環(huán)境和物質(zhì)來源，地層巖性是影響發(fā)育土壤的成土母質(zhì)，因此不同地層對表層土壤元素含量的影響較大[7]。土壤中B 的含量與土壤母質(zhì)和發(fā)育程度有關(guān)，不同母質(zhì)條件下，土壤B 含量有差異。從新密市各地層土壤B 含量可以看出（表2），研究區(qū)最豐富級含B 元素土壤母質(zhì)為下元古界嵩山群地層，該地層巖性主要為粗粒石英巖、中細(xì)粒石英砂巖、石英片巖。下元古界地層形成的土壤中B 含量高，平均值為67 mg/kg，其次是及第四系沖積物形成的土壤B，平均值為56 mg/kg。古近系地層形成的土壤B 含量最低，平均值為47 mg/kg。

表2 新密市各成土母巖土壤B含量特征

3 結(jié)論

（1）新密市表層土壤B 含量平均值為55 mg/kg，大部分樣品B 含量在45～65 mg/kg。不同土壤類型中，下元古界嵩山群石英巖類母質(zhì)源形成的土壤B含量最高，平均值為67 mg/kg，為研究區(qū)富B土壤耕地地段。

（2）通過有關(guān)元素相關(guān)性分析，新密市耕地的B與土壤pH 和有機(jī)質(zhì)具有非常顯著的相關(guān)性，pH 7.5～8.0 有機(jī)碳含量在1%～2%為豐富級B 含量相對集中的區(qū)域。反映出研究區(qū)B元素在pH 7.5～8.0環(huán)境下且有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中含量比較豐富。

（3）在新密市圈定出B 含量≥65 mg/kg 面積為21.23 km2的富B土壤，富B地段成灶狀不均勻分布，集中分布于研究區(qū)西部牛店鎮(zhèn)及南部茍?zhí)面?zhèn)地段，富B 耕地?zé)o需施B 肥，適合于種植富B 作物；B 較缺乏區(qū)集中分布于研究區(qū)東部曲梁鎮(zhèn)一帶，注意B 肥的補(bǔ)施。