新疆民豐縣中部地區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素空間分布特征

杜江巖 曹阿楠 李林 江攀和

摘要：本文基于新疆民豐縣中部地區(qū)2015年304組表層土壤（0～20 cm）樣品的6種微量營養(yǎng)元素（Fe2O3、Mn、Zn、Cu、Mo和B）的實測含量，運用地統(tǒng)計學(xué)和ArcGIS技術(shù)相結(jié)合的方法，對研究區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素的空間分布特征進行分析。結(jié)果表明：Fe2O3、Mn、Zn和Cu的塊金效應(yīng)介于25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)，空間變異受到人為活動等隨機因素和結(jié)構(gòu)性因素的共同影響;Mo和B的塊金效應(yīng)小于25%，空間相關(guān)性較強，空間變異主要受到土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性變異主導(dǎo)。Fe2O3、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。成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用類型對土壤微量營養(yǎng)元素均有不同程度的影響。

關(guān)鍵詞：表層土壤;微量營養(yǎng)元素;地統(tǒng)計學(xué);ArcGIS;空間分布;新疆民豐縣

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、動物和農(nóng)作物所需微量營養(yǎng)元素數(shù)量微小，但其缺乏會對農(nóng)作物生產(chǎn)和人類、動物健康造成嚴重影響[1-2]。微量元素參與許多酶系統(tǒng)的活動，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)（有機質(zhì)和pH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[3-7]。

前人對新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡稱“新疆”）民豐縣土壤微量營養(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)大隊和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)于2015年開展了“新疆和田-若羌綠洲帶1：25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查”工作。本文以民豐縣中部地區(qū)農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）為研究對象，采集了304組土壤樣品，以了解農(nóng)田微量營養(yǎng)元素的空間分布特征及豐缺狀況，利用研究區(qū)微量營養(yǎng)元素含量較高的區(qū)域發(fā)展農(nóng)業(yè)，為當?shù)睾侠硎┘游⒎侍峁┛茖W(xué)依據(jù)，并且對將來能更合理地持續(xù)開發(fā)利用農(nóng)田土壤資源，提高當?shù)剞r(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時對保護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

民豐縣隸屬于新疆和田地區(qū)，地處東經(jīng)82°22'～85°55'，北緯35°20'～39°29'。位于新疆西南部，昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，地勢南高北低。地貌由南部的昆侖山地、北部的沖積扇平原和沙漠三大地形單元構(gòu)成。民豐縣屬典型的溫帶荒漠性氣候，氣溫年差較大，年平均氣溫11.1 ℃，極端最高溫度41.5 ℃，極端最低溫度-28.3 ℃;年平均降水量30.5 mm，年平均蒸發(fā)量2756 mm，無霜期長達194 d[8]。

研究區(qū)土壤類型主要有棕漠土、灌淤土、林灌草甸土和風沙土;主要植被有天然胡楊林、天然灌木林、紅柳、蘆葦、苜蓿、白楊等;主要農(nóng)業(yè)作物有核桃、紅棗、小麥、甜瓜、葫蘆瓜、杏、梨等。

1.2 土樣采集與測試

土壤樣品的采集時間為2015年10月，采用網(wǎng)格布點法共采集表層土壤樣品304組，采樣深度為0～20 cm，農(nóng)業(yè)用地范圍內(nèi)按照取樣密度1點/km2布設(shè)，非農(nóng)業(yè)用地范圍內(nèi)按照取樣密度1點/4 km2布設(shè)，采樣點控制區(qū)面積為981.27 km2（圖1）。

土樣中微量營養(yǎng)元素全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)實驗研究所）進行測試，其中，F(xiàn)e2O3和Mn采用波長色散X射線熒光光譜法測定，檢出限分別為0.004%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[9-10]。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

本文采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行正態(tài)分布檢驗，如果數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，則需要對其進行對數(shù)或冪變換使其接近于正態(tài)分布，以達到較好的地統(tǒng)計學(xué)插值效果。采用GS+7.0軟件進行半方差函數(shù)的計算和理論模型的擬合。并采用ArcGIS 10.2軟件中的Geostatisttical Analyst模塊繪制各元素的空間分布圖，本文采用克里金插值法進行地統(tǒng)計分析，當數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時，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。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 土壤微量營養(yǎng)元素的空間變異結(jié)構(gòu)特征

采用Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗方法[P（k-s）≥0.05]來檢驗數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，結(jié)果表明土壤中Fe2O3、Mn、Zn、Cu、Mo和B含量均服從正態(tài)分布，因此，不需要變換直接進行地統(tǒng)計分析。

為研究區(qū)土壤微量營養(yǎng)元素擬合的最優(yōu)半變異函數(shù)模型參數(shù)，由表1擬合效果可知，F(xiàn)e2O3和B符合球狀模型，Mn和Mo符合高斯模型，Zn和Cu符合指數(shù)模型。從塊金效應(yīng)來看，F(xiàn)e2O3、Mn、Zn和Cu的塊金效應(yīng)介于25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)，空間變異同時受到人為因素和自然因素的影響;Mo和B的塊金效應(yīng)小于25%，空間相關(guān)性較強，空間變異主要受到自然因素的影響，如成土母質(zhì)等[11-12]。同時，從表1可以看出，變程介于9.99～22.52 km之間，說明土壤微量元素在這個范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性，超過此范圍空間自相關(guān)性消失[13]。

2.2 土壤微量營養(yǎng)元素的空間分布特征

由表1可知，各元素預(yù)測平均誤差（mean error，ME）都接近于0，標準化均方根誤差（root mean square standardized error，RMSSE）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)果可反映出無監(jiān)測點區(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），土壤中6種微量營養(yǎng)元素含量均服從正態(tài)分布，因此選用普通克里金插值模型?；贏rcGIS的空間統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)面積共約981.27 km2，各微量營養(yǎng)元素含量依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范（DZ/T 0295-2016）》進行等級劃分[14]，各分級面積及比例見表2。

由圖2可以看出，F(xiàn)e2O3、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）。

土壤中微量營養(yǎng)元素的豐缺程度會直接影響當?shù)剞r(nóng)作物的生長以及農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。由表2可以看出，F(xiàn)e2O3和Zn元素豐缺程度均是以Ⅰ級（缺乏水平）所占的比例最高，分別為71.7%和68.1%，等級為Ⅴ級（豐富水平）的比例均僅為0.1%;Mn、Cu和B元素豐缺程度均是以Ⅱ級（較缺乏水平）所占的比例最高，分別為50.7%、64.0%和59.9%，等級為Ⅴ級的比例分別為0.1%、0.3%和9.5%;Mo元素豐缺程度以Ⅳ級（較豐富水平）所占的比例最高，為61.6%，等級為Ⅴ級的比例為9.5%。

2.3 土壤微量營養(yǎng)元素空間分布的影響因素

本節(jié)主要討論成土母質(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。

2.3.1 成土母質(zhì)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[15]。由表3可以看出，F(xiàn)e2O3、Mn、Zn和Cu的平均含量均表現(xiàn)為沖洪積物>化學(xué)沉積物>洪積物>風積物，Mo和B的平均含量均表現(xiàn)為洪積物>風積物>化學(xué)沉積物>沖洪積物。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。

2.3.2 土壤類型的影響

結(jié)合遙感解譯工作和實地調(diào)查驗證工作，研究區(qū)土壤類型可以劃分為棕漠土、灌淤土、林灌草甸土、風沙土。由表3可以看出，F(xiàn)e2O3、Mn和Cu的平均含量均表現(xiàn)為灌淤土>棕漠土>林灌草甸土>風沙土，Zn的平均含量表現(xiàn)為灌淤土>林灌草甸土>棕漠土>風沙土，Mo和B的平均含量均表現(xiàn)為林灌草甸土>風沙土>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。

2.3.3 土地利用類型的影響

土地利用是自然和人類活動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[16-17]。不同的輪作制度、管理模式、肥料類型等都可能會導(dǎo)致土壤微量養(yǎng)分的差異。由表3可以看出，F(xiàn)e2O3、Mn和Cu的平均含量均表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地>戈壁>耕地>沙漠>草地;Zn的平均含量表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地>耕地>草地>戈壁>沙漠;Mo和B的平均含量表現(xiàn)為草地>沙漠>城鎮(zhèn)用地>耕地>戈壁。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，說明人類活動對不同土地利用類型的土壤具有較為明顯的影響。

3 ? ?結(jié)論

（1）通過半變異函數(shù)模型分析可知，F(xiàn)e2O3、Mn、Zn和Cu的塊金效應(yīng)介于25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)，空間變異同時受到人為因素和自然因素的影響;Mo和B的塊金效應(yīng)均小于25%，空間相關(guān)性較強，空間變異主要受到自然因素的影響。

（2）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。Fe2O3、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。

（3）研究區(qū)表層土壤中Fe2O3和Zn元素豐缺程度為缺乏水平，Mn、Cu和B元素豐缺程度為較缺乏水平，Mo元素豐缺程度為較豐富水平。同時，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。

參考文獻

[1] GUPYA U C，KENING W U，LIANG S.土壤、農(nóng)作物中及家畜體內(nèi)的微量營養(yǎng)元素[J].地學(xué)前緣，2008，15（5）：110-125.

[2] 崔愛華，張東啟，郭盧，等.亳州煙區(qū)農(nóng)田耕作層土壤微量元素含量研究[J].土壤，2014，46（6）：1164-1168.

[3]張智，任意，魯劍巍，等.長江中游農(nóng)田土壤微量養(yǎng)分空間分布特征[J].土壤學(xué)報，2016，53（6）：1489-1496.

[4] 李珊，李啟權(quán)，張浩，等.瀘州植煙土壤有效態(tài)微量元素含量空間變異及其影響因素[J].土壤，2016，48（6）：1215-1222.

[5] 王雪梅，柴仲平，楊雪峰.荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分差異分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35（1）：91-96.

[6] 李珊，李啟權(quán)，張浩，等.瀘州植煙土壤有效態(tài)微量元素含量空間變異及其影響因素[J].土壤，2016，48（6）：1215-1222.

[7] 王雪梅，柴仲平，楊雪峰.荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分差異分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35（1）：91-96.

[8] 熊黑鋼，周哲.典型干旱區(qū)PRED系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境指標的選擇與實踐-以新疆民豐縣為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境， 2007，21（8）：2-6.

[9] 葉家瑜，江寶林.區(qū)域地球化學(xué)勘查樣品分析方法[M].北京：地質(zhì)出版社，2004：3-29.

[10] HJ/T166-2004，土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[11] 劉慶，杜志勇，史衍璽，等.基于GIS的山東壽光蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬空間分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（10）：258-263.

[12] 吳文勇，尹世洋，劉洪祿，等.污灌區(qū)土壤重金屬空間結(jié)構(gòu)與分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（4）：165-173.

[13] 劉凱，高磊，彭新華，等.半干旱區(qū)科爾沁沙地土壤水分時空特征研究[J].土壤，2015，47（4）：765-772.

[14] DZ/T0295-2016，土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范[S].

[15] 徐茂.基于地統(tǒng)計學(xué)的江蘇省環(huán)太湖地區(qū)土壤肥力質(zhì)量演變特征研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006：55-57.

[16] DONNELLY S.Land-use portfolios and the management of private landholdings in south-central Indiana[J].Regional Environmental Change， 2011，11（1）：97-109.

[17] LIPSIUS K，MOONEY S J.Using image analysis of tracer staining to examine the infiltration patterns in a water repellent contaminated sandy soil[J].Geoderma，2006，136（3）：865-875.