河南新鄭大棗中元素含量與產(chǎn)區(qū)土壤地球化學(xué)關(guān)系研究

張玉明 謝慶鋒 王麗遠(yuǎn)

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.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；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

0 引言

新鄭大棗種植區(qū)主要分布于河南省新鄭市，位于河南省中部，隸屬省會(huì)鄭州（圖1）。新鄭大棗種植歷史悠久，品質(zhì)優(yōu)良。以皮薄、肉厚、核小、味甘甜、維生素含量豐富而著稱，是營(yíng)養(yǎng)豐富的滋補(bǔ)佳品（劉長(zhǎng)樂等，2008）。新鄭市大棗主要產(chǎn)區(qū)集中在孟莊鎮(zhèn)、薛店鎮(zhèn)、郭店鎮(zhèn)、龍王鄉(xiāng)、八千鄉(xiāng)、和莊鎮(zhèn)、新村鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn)8 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，種植面積66.6 km2，棗樹204萬(wàn)株，最高年產(chǎn)棗量達(dá)2100 萬(wàn)kg，一般年產(chǎn)量1000萬(wàn)～1500 萬(wàn)kg，出口約占1/3。大量研究表明，名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品的特殊品質(zhì)除了與品種、氣候、管理技術(shù)等因素有關(guān)外，還往往與當(dāng)?shù)靥囟ǖ纳鷳B(tài)地質(zhì)環(huán)境、地球化學(xué)條件有關(guān)，表現(xiàn)出與地質(zhì)環(huán)境之間的相關(guān)性（嚴(yán)洪澤等，2018；李丹權(quán)，2003）。國(guó)內(nèi)對(duì)行唐大棗、四會(huì)砂糖橘、從化荔枝等（欒文樓等，2007；黎旭榮等，2012；陳恩等，2012）名優(yōu)特產(chǎn)地的調(diào)查研究表明，名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)地生態(tài)地球化學(xué)特征之間存在一定的關(guān)系（嚴(yán)洪澤等，2018）。因此，2000—2004 年，河南省地質(zhì)調(diào)查院開展農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查時(shí)，作為重點(diǎn)示范區(qū)，首次對(duì)新鄭大棗的密集種植區(qū)的600 km2進(jìn)行了詳查，針對(duì)種植區(qū)土壤分別采集了表層樣280 件，分析元素19 項(xiàng)；淺表層樣112件，分析元素21 項(xiàng)；有效態(tài)樣42 件，分析元素21項(xiàng)；植物樣31 件，分析無機(jī)元素22 項(xiàng)，有機(jī)元素4項(xiàng)。獲得了新鄭大棗與土壤相關(guān)聯(lián)的大量的數(shù)據(jù)。

本文是在充分收集、分析樣品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)新鄭大棗種植區(qū)的土壤地化特征進(jìn)行了總結(jié)和關(guān)聯(lián)研究。

1 新鄭大棗種植區(qū)的地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

新鄭市處于華北平原、豫西山地向豫東平原過渡地帶，地勢(shì)西高東低，中部高，南北低，山、丘、崗地和平原兼有。西部、西南部為侵蝕低山區(qū)，低山外圍和西北部為山前坡洪積崗地。崗地地勢(shì)起伏較大，大部分為新生代第四紀(jì)黃土覆蓋，局部地區(qū)水土流失嚴(yán)重。

圖1 新鄭市政區(qū)圖

境內(nèi)主要有具茨山、陘山、嶂山、始祖山、泰山、梅山等山脈，其中，除始祖山主峰風(fēng)后頂海拔793 m，相對(duì)高度540 m，屬于低山類型外，其他各山山頂海拔均在400 m 以下，相對(duì)高度不到200 m，屬于丘陵類型。

大棗種植區(qū)位于沙丘南部與殘余黃土崮丘交接地帶，屬于嵩山山脈與黃河沖積平原交接地帶的殘余崗丘地貌。西側(cè)為連綿不斷海拔多在200～300 m的低山，東南側(cè)是一望無際的沖積平原受流水侵蝕作用，形成近南北向分布崗丘、洼地相間地貌特征，海拔一般90～140 m。

1.2 第四系分布與土壤類型

新鄭市西北部為晚更新世沖洪積物；東部主要為晚更新世河間帶堆積物，其上為全新統(tǒng)風(fēng)砂土覆蓋；南為淮河沖積平原，成土母質(zhì)主要為中更新統(tǒng)沖洪積物或湖積物（圖2）。

圖2 新鄭大棗種植區(qū)土壤類型分布

分布全市的土壤有褐土、潮土、風(fēng)砂土等3 個(gè)大類40 個(gè)土種。與大棗種植關(guān)系密切的土壤有沙土、黃沙潮褐土、褐土性土和脫潮沙土。褐土是地帶性土壤，分布在西部和中部地區(qū)，面積達(dá)74.8%；潮土多分布在新鄭市東部，面積占18.3%；風(fēng)砂土分布在新鄭市東部的崗丘地區(qū)，面積6.9%。受風(fēng)砂的影響，褐土和潮土為主的表層覆蓋砂土，按覆砂厚薄可分為薄覆砂褐土、厚覆砂褐土。崗間洼地分布潮土，同樣也以覆砂厚薄進(jìn)一步劃分。二者之間分布過渡性土壤褐土化潮土或潮褐土，在沙丘則以砂土為主。

1.3 水文地質(zhì)

棗區(qū)東部為黃河沖積平原，南為淮河沖積平原。在京廣鐵路以西的西部、西南部為侵蝕低山區(qū)，低山外圍和西北部為山前坡洪積崗地。崗地系早期山前洪積傾斜平原，經(jīng)后期流水切割作用形成。京廣鐵路以東地區(qū)，由于受古黃河水流切割，與西部崗地分離，形成南北向的條形崗地與古黃河隱流洼地相間的地形特征。

境內(nèi)有雙洎河（古洧水）、黃水河（古溱水）、溟水河、梅河、蓮河、暖泉河、高路河等14 條河流，河道總長(zhǎng)度223.82 km，除溟水河屬潁河水系外，其余河流均屬賈魯河支流。

2 新鄭大棗種植區(qū)的土壤地球化學(xué)

2.1 表層土壤元素分布特征

表層土壤是人類及絕大多數(shù)動(dòng)植物賴以生存的基地（宋靜等，2016）。土壤層作為地球關(guān)鍵帶的核心要素，是控制地球關(guān)鍵帶物質(zhì)能量和信息流動(dòng)與轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點(diǎn)（孫正厚等，2020）。其中的地球化學(xué)元素不僅繼承了深層土壤的特征，還受各種自然營(yíng)力的綜合作用及人類活動(dòng)的干擾（黃標(biāo)和胡文友，2018）。元素地球化學(xué)分布、分配也表現(xiàn)出與深層土壤的較大差異（趙勇等，2006）。本次工作，在測(cè)區(qū)分別采集了表層（＜1 m）和淺表層（＞2 m）地層樣，分析結(jié)果表明：種植區(qū)表層土壤由于受覆砂影響，K2O、Na2O、SiO2在大棗種植區(qū)含量普遍較高。K2O 在大棗種植區(qū)及新鄭縣城西南側(cè)的黃土、褐土、立黃土、紅土性土分布區(qū)形成一個(gè)高值（區(qū)）帶，而在大棗主產(chǎn)區(qū)的孟莊鎮(zhèn)一帶形成高背景，最高值達(dá)2.45%；CaO.Fe2O3、Al2O3、P 在大棗種植區(qū)內(nèi)顯示為低值區(qū)，與K、Na、Si 的特征相反。生物必需的微量元素Cu、Zn、Mn、Mo、B 等在整個(gè)區(qū)域也基本上均為低背景分布，只在小喬至新鄭縣城到官莊一線西側(cè)的低山區(qū)（立黃土，褐土類分布區(qū)）為高背景區(qū)。

N 和Corg 兩者在棗區(qū)均為極低值區(qū)，其中corg最低含量?jī)H328×10-6mg/kg。相對(duì)高值區(qū)分布在新鄭縣城西側(cè)和南側(cè)的黃沙褐土性土及大面積的黃土褐土中，N 的最高值達(dá)1174×10-6mg/kg，這一方面與土壤類型有關(guān)外，另一方面可能與施肥有關(guān)（陳滿懷，2005）。

Se、F、I 在區(qū)內(nèi)分布基本一致，在孟莊鎮(zhèn)至新鄭東的大李一帶構(gòu)成一北西-南東向的低值帶；小喬至新鄭縣城一帶為背景區(qū)，該帶西側(cè)為高背景區(qū)。與其他元素分布不同的是在薛店街至牛村一帶的脫潮砂土分布區(qū)形成背景和高背景區(qū)。而且深、表層土壤結(jié)果基本一致。

重金屬元素Pb、As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn 在不同地區(qū)含量不盡相同，除Hg 元素在新鄭縣城至辛店鎮(zhèn)一帶因后期污染含量稍高以外（最高點(diǎn)在新鄭城區(qū)內(nèi)），其余基本上處于低背景狀態(tài)，反映出新鄭地區(qū)特別是大棗種植區(qū)土壤潔凈，未受污染，土地環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良。

2.2 淺表層土壤地球化學(xué)元素分布

測(cè)區(qū)淺表層與表層土壤地化特征基本一致（表1）。總體表現(xiàn)為大棗種植區(qū)內(nèi)Mo、Zn 等大多數(shù)元素的低背景分布。小喬-新鄭縣城-八千一帶為背景區(qū)，梅山-新鄭縣城西側(cè)為多數(shù)元素的高值區(qū)。高、中、低帶的分布方向大致呈北西-南東向。

通過對(duì)土壤中全元素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)表層與深層土壤背景值進(jìn)行對(duì)比分析（表1）。可以看出：大部分元素的次生富集系數(shù)接近1，說明新鄭大棗種植區(qū)中大部分化學(xué)元素的表層土壤和淺表層土壤含量基本一致。而代表后期改造和人類活動(dòng)強(qiáng)度的指示元素Corg、N、Se 元素表層含量遠(yuǎn)大于淺表層土壤中的含量，次生富集系數(shù)大于2，說明這些地區(qū)后期改造強(qiáng)烈（王亞莉等，1995）。

表1 新鄭大棗產(chǎn)區(qū)土壤地球化學(xué)元素平均含量統(tǒng)計(jì)分析

2.3 古土壤層地球化學(xué)特征

主要出露在種植區(qū)的西北部，為中-上更新統(tǒng)坡積-洪積、洪積-沖積物。實(shí)測(cè)剖面如圖3。其上覆蓋一層很薄的全新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)壤土和粉細(xì)砂土。剖面上部為黃土狀粉砂質(zhì)亞粘土，垂直節(jié)理發(fā)育，含數(shù)層鈣結(jié)核層和古土壤層，厚度9.5 m。中部為灰黃色、褐黃色、棕紅色黃土狀粘土質(zhì)重亞粘土，含數(shù)層古土壤層和鈣結(jié)核層與鐵錳結(jié)核，厚度9.2m。下部為淺黃色砂層及泥質(zhì)粉砂層。在20 m 左右深度上，自上而下分布有0～2m 的砂土5～10 m 的粉砂質(zhì)亞粘土（黃土），3～5m 的粘土質(zhì)重亞粘土，1～3m的重亞粘土3 m 左右的砂土、砂礫石層。

圖3 新鄭云灣西溝第四紀(jì)上更新統(tǒng)剖面

本次工作分別在表層土壤、古土壤中部的紅黃土層、古土壤下部的紅土層中采樣進(jìn)行了無機(jī)元素分析。以表層土壤元素平均值為基準(zhǔn)，古土壤元素平均值分別與其進(jìn)行對(duì)比（圖4）。這些古土壤中的化學(xué)元素含量是表層土壤中的含量的1～3 倍，均高出許多。說明表層土壤一部分為風(fēng)積形成，與古土壤沒有直接關(guān)系。而淺表層是古土壤風(fēng)化殘余物，淺表層土壤化學(xué)物質(zhì)來源與古土壤密切相關(guān)。古土壤在水的淋溶下，正地貌單元中易溶元素Ca、Mg、K、Na、S 等淋出土外，反映其受強(qiáng)烈的表生淋溶作用，這些化學(xué)成分被大量帶出（李瑞敏，2007）。Si、Al 向土壤下層移動(dòng)，而Fe、Mn 等則殘留下來，形成古風(fēng)化殼和古土壤“紅層”。在這個(gè)過程中，Cu、Zn、B、Ni、Co 等元素在表生介質(zhì)中聚積。古土壤層中富集的Mn、Cu、Zn、B 等元素與新鄭大棗中的元素正相關(guān)。當(dāng)然種植區(qū)的地球化學(xué)特征主要與其古土壤層的埋藏深度和厚度相關(guān)，與其土壤母質(zhì)關(guān)系密切（宋秋平，2019）。

圖4 表層土壤與古土壤地球化學(xué)元素含量對(duì)比

3 新鄭大棗中元素含量與土壤地球化學(xué)關(guān)聯(lián)分析

衡量大棗品質(zhì)的重要指標(biāo)分為糖分、維生素C、可滴定酸，以及營(yíng)養(yǎng)元素K、P、Se、B、Zn、Cu 含量，這些元素大部分來自根部的吸收。

3.1 土壤元素全量與大棗元素相關(guān)關(guān)系

棗樹根系是水平根，多分布在10～50 cm 的土層中，分枝能力較差，多年生棗樹的水平根系長(zhǎng)度可達(dá)十幾米，但垂直向下延伸的能力較強(qiáng)，在深厚土層中可向下伸展3～4 m，同樣分枝很少。所以＞2 m 深度土體內(nèi)的養(yǎng)分狀況對(duì)棗樹生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)以及樹株的壽命等有明顯的影響。

根據(jù)棗樹根系特點(diǎn)，將大棗富集元素所在1 m左右土壤和2 m 以下土壤全量元素做相關(guān)分析（表2）?？梢钥闯?，大部分表層和淺表層土壤元素含量與大棗中元素含量以及品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性較差。而根據(jù)前述地質(zhì)、母質(zhì)以及土壤地球化學(xué)元素特征分析可知，在本研究區(qū)域部分土壤下部有古土壤層的存在。這些古土壤層中富含F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn、B、Mo 等多種微量元素。因此富含以上營(yíng)養(yǎng)元素的古土壤與大棗的品質(zhì)具有一定的相關(guān)性。

3.2 表層土壤元素有效態(tài)與大棗元素相關(guān)關(guān)系

一般說來，土壤養(yǎng)分元素有效含量對(duì)植物生產(chǎn)具有更重要的影響作用（張志銘等，2018）。大棗對(duì)于土壤大部分有益元素有效含量有非常大的生物富集作用（表3），其中N、P、K 的富集系數(shù)最高，而土壤中的有效態(tài)不是最高，說明生物對(duì)表層土壤中N、P、K 元素的富集作用強(qiáng)烈。其它元素的富集系數(shù)相對(duì)較低，盡管有的元素的土壤有效態(tài)較大，但是表層土壤中富集的元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到大棗中的含量，說明大棗中這部分元素的含量大多從深部古土壤中獲得較多。這從另外一個(gè)側(cè)面說明，新鄭大棗生長(zhǎng)所需要的各種養(yǎng)分不全是從表層土壤中獲得。新鄭大棗中部分無機(jī)元素含量與表層土壤中某些有益微量元素有效含量之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。這些元素的獲取主要來自深部土壤中的根系（龔子同和陳鴻昭，1995）。

4 結(jié)論

（1）新鄭大棗產(chǎn)區(qū)表層和亞表層土壤絕大部分元素含量在河南省背景值以下，其元素有效含量處在適度以下水平；在2 m 左右的土壤剖面上，元素含量變化不大；新鄭大棗產(chǎn)區(qū)土壤重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于限量標(biāo)準(zhǔn)，為大棗品質(zhì)的形成提供了條件。

（2）新鄭大棗種植區(qū)表層土壤以風(fēng)積、沖積為主，其地球化學(xué)元素含量與古土壤有明顯的不同。說明表層土壤多為“外來物”。對(duì)新鄭大棗的品質(zhì)影響不大。

（3）新鄭大棗強(qiáng)富集N、P、K、B、Zn、Mg、Cu、Fe等元素，而這些有益元素在研究區(qū)表層土中含量較低。而新鄭大棗產(chǎn)區(qū)西北部土體內(nèi)存有數(shù)量和厚度不等的古土壤層，這些古土壤層中富含F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn、B、Mo，與大棗中的無機(jī)元素呈正相關(guān)。

（4）因棗樹根系特點(diǎn)，新鄭大棗的無機(jī)元素含量與表層土壤有益微量元素之間沒有明顯的規(guī)律性相關(guān)關(guān)系，但在2 m 以下的土層，有益元素的含量與大棗的品質(zhì)有較大正相關(guān)性。

表2 不同土壤層次部分元素全量與大棗元素含量相關(guān)分析

表3 新鄭大棗種植區(qū)土壤生物富集特征