安徽碭山縣土壤鋅地球化學特征及影響因素

于炎炎

(安徽省地質礦產勘查局325地質隊，安徽 淮北 235000)

0 引言

鋅(Zn)元素影響植物氮代謝和蛋白質合成、光合作用等[1]，缺鋅時植物會出現(xiàn)一些列病變導致減產[2]。中國土壤鋅分布具有區(qū)域性，與土壤類型密切相關，湖北、安徽等省北部和河北、山東等部分地區(qū)土壤表現(xiàn)為缺鋅[3-4]。表層土壤鋅儲備充足與否，對農作物健康生長具有直接影響。

近年來，隨著各省土地質量地球化學調查工作的開展，相繼在貴州鳳岡、河北饒陽、四川萬源、安徽大別山、安徽石臺等地區(qū)發(fā)現(xiàn)富鋅土壤[5-9]，為當?shù)剞r產品提升了附加值。安徽省北部的碭山縣是農業(yè)大縣，種植多種農作物，前人研究主要集中在黃河故道附近酥梨種植區(qū)[10-12]。目前，對于碭山縣全域范圍內土壤鋅地球化學特征缺乏研究。

2016—2020年，325地質隊在碭山縣開展了1∶5萬土地質量地球化學調查與評價工作，發(fā)現(xiàn)了大面積富鋅土壤。在此基礎上，本文通過研究表層土壤和深層土壤鋅地球化學特征，分析其分布規(guī)律和影響因素，并探討其生物有效性，為當?shù)馗讳\農產品開發(fā)提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)范圍為碭山縣全境，地處淮北平原，地勢平坦，系黃河沖積而成，屬季風半濕潤氣候。研究區(qū)總面積約1193 km2，其中農用地面積約939.93 km2，種植酥梨、油桃、黃桃、蔬菜、小麥等多種農作物。

1.1 地質背景

研究區(qū)基巖地層為徐淮地層，包括中下奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)至下三疊統(tǒng)、古新統(tǒng)至上新統(tǒng)，均未出露地表。本區(qū)區(qū)域構造屬豫東、魯西南隆起的南部，經過了復雜的構造運動。第四紀開始，本區(qū)構造運動主要為地殼下沉并接受沉積。至全新世末期，地殼繼續(xù)下沉，研究區(qū)大部分區(qū)域沉積了黃河泛濫物，同時在南部和北部地勢較低地區(qū)形成了以淤泥質為主的土壤[13]。因此，研究區(qū)大面積分布了第四系，地層厚度約150 m，東西部厚度略有差距，總體表現(xiàn)為東薄西厚。

1.2 成土母質與土壤類型

全新世晚期，因黃河屢次南泛，在平原的堆積面上不斷受到新的黃泛沖積物的侵蝕和覆蓋，當黃河改道北涉之后，即由近代黃泛沖積物逐漸發(fā)育成今日的耕作土壤。因此，研究區(qū)成土母質主要為黃泛沖積物。本區(qū)土壤類型受地形、成土母質、水文條件等多因素影響，尤以流水速度對土壤類型的分選作用最為明顯，因此區(qū)域分布上具有差異性。黃潮土是本區(qū)主要農業(yè)耕作土壤[14]，根據土壤的機械組成不同，分為飛沙土、淤土、沙土、兩合土，占土壤總面積的77.30%。鹽化潮土和堿化潮土分布面積較小，多呈花斑狀分布在沙土和兩合土之中?？v觀本區(qū)，土壤分布規(guī)律是以黃河故道兩側向平原中心伸展，依次分布飛沙土、沙土、兩合土和淤土，又由于受局部地形地貌和水文地質等條件影響，部分地方還分布著輕重不同的堿化潮土和鹽化潮土(圖1)。本區(qū)土地利用現(xiàn)狀以果園為主，旱地次之，其他土地利用類型占比較小。

圖1 研究區(qū)土壤類型分布圖

2 研究方法

2.1 樣品采集

研究區(qū)以1 km2為單位格子，在每個單位格子中劃分為4個小格(0.25 km2)進行表層土壤樣品采集。利用不銹鋼取土器采集深度0～20 cm的土壤，果園由2個子樣等量混勻組成一個樣品，旱地由4個子樣等量混勻組成1個樣品，最終采集6444件表層土壤樣品和129件重復樣品(圖2)。

土壤垂向剖面樣品采集選擇挖掘(46條)和淺鉆(4條)的方法進行，深度為0～200 cm，兼顧各土壤類型。每一土壤發(fā)生層至少采集1個樣品，若該土壤發(fā)生層的土壤類型一致，每隔30～40 cm取1個樣品，每條剖面取5～8個樣品，最終采集350件土壤垂向剖面樣品和7件重復樣品(圖2)。

根系土樣品采集以油桃和芹菜為主，每件根系土由1個主樣點與4個子樣點土壤混勻，采用四分法進行縮分獲得樣品。采集油桃根系土樣品的深度為0～60 cm，采樣工具為勺形鉆，采集芹菜根系土樣品的深度為0～20 cm，采樣工具為不銹鋼取土器，最終采集15件油桃根系土樣品、10件芹菜根系土樣品和2件重復樣品(圖2)。

圖2 研究區(qū)土壤采樣點位圖

2.2 分析測試

所有樣品均由符合測試資質的實驗室完成，安徽省地質實驗所負責測試表層土壤樣品，江蘇地質礦產設計研究院負責測試垂向剖面及根系土樣品。土壤全量鋅處理選用粉末壓餅法，測試選用XRF法；有效鋅處理選用強酸和螯合劑浸提，測試選用ICP-AES法。用于樣品分析方法的檢出限達到或優(yōu)于規(guī)定。樣品測試過程中，將控制試驗準確度和精密度的國家一級標準物質分別插入樣品，其中表層土壤樣品分別插入156件和624件，垂向剖面樣品分別插入12件和34件，根系土樣品分別插入4件和5件，技術指標的一次合格率均達到100%。同時，重復性檢驗樣和異

常點檢查樣分析質量水平、元素的報出率水平均達到規(guī)范要求。

2.3 數(shù)據處理與圖件編制

分析數(shù)據利用SPSS和地球化學勘查一體化系統(tǒng)軟件進行分布檢驗和參數(shù)計算，圖件采用地調局研發(fā)的土地質量軟件進行編制[15]。依據DZ/T 0295-2016[16]，以二調圖斑為評價單元，有采樣點的圖斑按照規(guī)范要求進行賦值，無采樣點的圖斑采用IDW法進行賦值。富鋅土壤等級劃分標準參考DB23/T 2410-2019，對研究區(qū)富鋅土壤進行劃定，最終形成富鋅土壤等級劃分圖。本次富鋅土壤評價中，全區(qū)Zn元素最大值w(Zn)=169.9×10-6，沒有過鋅土壤區(qū)分布，劃分標準見表1。

3 結果與討論

3.1 土壤鋅含量

表1 土壤鋅含量評價等級劃分

3.2 土壤鋅含量空間分布

自1980年以來，研究區(qū)土壤酸堿度發(fā)生極大變化。1980年本區(qū)土壤為堿性至強堿性，但強堿性占比較大，約占85%，土壤酸堿度不適合農作物生長發(fā)育[17]。本次研究結果顯示，本區(qū)土壤仍呈堿性，pH最小值為7.17，最大值為9.13，平均值為8.3，大部分地區(qū)pH值介于8～9之間，僅極小部分土壤pH值低于8或高于9，但較1980年土壤總體向酸化方向發(fā)展。

表2 土壤Zn元素地球化學參數(shù)統(tǒng)計

本區(qū)堿性土壤(7.5≤pH值<8.5)占農用地面積的94.29%，分布面積最大；強堿性土壤(pH值≥8.5)分布面積次之，主要分布在黃河故道兩側；中性土壤(6.5≤pH值<7.5)分布面積最小，僅在本區(qū)北部零星分布；沒有酸性土壤(pH值<6.5)分布。

依據DB23/T 2410-2019，結合土壤pH值和土壤Zn含量對研究區(qū)土壤Zn元素進行等級劃分(圖3)，評價結果統(tǒng)計見表3。由表3可知，研究區(qū)富鋅土壤面積為224.47 km2，占農用地面積的23.88%，主要分布在關帝廟鎮(zhèn)地區(qū)和葛集鎮(zhèn)地區(qū)；足鋅土壤面積為432.74 km2，占農用地面積的46.04%，在研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布；鋅適量土壤面積為270.83 km2，占農用地面積的28.81%，主要分布在周寨鎮(zhèn)北部、官莊壩鎮(zhèn)南部、曹莊鎮(zhèn)、趙屯鎮(zhèn)及程莊鎮(zhèn)；低鋅土壤面積為11.87 km2，占農用地面積的1.26%，在研究區(qū)零星分布；缺鋅土壤面積為0.02 km2，占農用地面積的0.01%，分布范圍極小?？傮w來看，研究區(qū)土壤鋅不缺乏，富鋅、足鋅、鋅適量三者面積占比達到98.73%。此外，依據GB 15618-2018，對土壤Zn元素環(huán)境質量進行評價，結果顯示研究區(qū)農用地Zn元素數(shù)據均未超過風險篩選值，Zn元素等級劃分均為一級，農用地土壤環(huán)境評定為無風險。

圖3 研究區(qū)富鋅土壤等級劃分圖

表3 土壤鋅含量評價等級劃分統(tǒng)計

3.3 不同土壤類型鋅含量對比

研究區(qū)按照沙土、兩合土、堿化潮土、飛沙土、鹽化潮土、淤土對土壤Zn元素參數(shù)進行統(tǒng)計，因蘇打鹽化潮土分布面積小，采集樣品數(shù)僅為3件，本次未做統(tǒng)計，具體見表4。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，兩合土、淤土的Zn含量平均值高于全區(qū)，尤以淤土的Zn元素最為富集，堿化潮土的Zn含量平均值與全區(qū)相當，沙土、飛沙土、鹽化潮土的Zn含量平均值低于全區(qū)。各土壤類型土壤Zn含量變異系數(shù)均小于25%，表明土壤Zn在相同土壤類型中分布均勻。兩合土、淤土的Zn元素背景值均高于全區(qū)，可見兩者的分布區(qū)為Zn元素高背景區(qū)。富Zn土壤主要集中在兩合土、淤土的分布區(qū)，即關帝廟鎮(zhèn)地區(qū)和葛集鎮(zhèn)地區(qū)。因此，不同土壤類型影響土壤Zn元素的分布。

3.4 不同土地利用現(xiàn)狀Zn含量對比

研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀主要分為果園、旱地、有林地、裸地及建設用地，其中建設用地采樣數(shù)僅為2件，本次未做土壤Zn含量參數(shù)統(tǒng)計，具體見表5。不同土地利用現(xiàn)狀土壤Zn含量同樣具有差異性，果園、旱地的土壤Zn含量平均值高于全區(qū)，有林地、裸地的土壤Zn含量平均值明顯低于全區(qū)。果園、旱地的土壤Zn含量變異系數(shù)均小于25%，表明土壤Zn在果園、旱地中分布均勻，而有林地、裸地的土壤Zn含量的變異系數(shù)介于25%～50%之間，表明土壤Zn在林地、裸地中分布不均勻。果園、旱地的土壤Zn元素背景值略高于全區(qū)，有林地、裸地的土壤Zn元素背景值低于全區(qū)。研究區(qū)果園的分布面積占農用地總面積的65.11%，旱地的分布面積占農用地總面積的26.11%，而富Zn土壤主要集中在果園、旱地的兩合土分布區(qū)和淤土分布區(qū)。因此，不同土地利用現(xiàn)狀對土壤Zn元素分布的影響程度有限。

3.5 土壤Zn影響因素分析

在區(qū)域上，影響土壤形成的各因素具有差異性，導致研究區(qū)土壤理化性質發(fā)生了變化，從而影響土壤Zn元素的分布特征[18]。本次在全區(qū)6種不同土壤類型共布設了50條土壤垂向剖面，分析土壤Zn的地球化學特征。同時，選取其中6條典型剖面，研究土壤Zn的影響因素。

表4 不同土壤類型Zn含量參數(shù)統(tǒng)計

表5 不同土地利用現(xiàn)狀土壤Zn含量參數(shù)統(tǒng)計

3.5.1 不同土壤類型垂向剖面Zn元素含量特征

本次選取最上層(0～50 cm)和最下層(150～200 cm)樣品，分析研究區(qū)表層和深層土壤Zn含量的地球化學特征，具體見表6。對比表層和深層土壤Zn含量平均值發(fā)現(xiàn)，飛沙土、沙土、鹽化潮土表層土壤低于深層土壤，表明Zn元素在地表相對貧化；堿化潮土、兩合土、淤土表層土壤高于深層土壤，表明Zn元素在地表相對富集；除兩合土表層土壤Zn的變異系數(shù)大于深層土壤鋅的變異系數(shù)外，其他土壤類型表層土壤均小于深層土壤，且變異系數(shù)小于50%，表明Zn元素在飛沙土、沙土、鹽化潮土、堿化潮土、淤土的表層和深層土壤中分布均勻，同時相對深層土壤，表層土壤Zn元素經過遷移和人為活動的影響，分布變得更均勻化。此外，較其他土壤類型，淤土的表層和深層土壤Zn含量平均值較高，表明淤土對土壤Zn元素的富集能力較強。

表6 不同土壤類型表層和深層土壤Zn含量地球化學參數(shù)對比

3.5.2 不同土壤類型垂向剖面Zn元素分布特征

在不同土壤類型主要分布區(qū)分別選擇1處典型土壤垂向剖面(圖4至圖9)，通過分析不同深度土壤黏粒、Zn元素、有機質、pH值的變化規(guī)律，研究影響土壤剖面Zn元素分布的因素。其中：

1)飛沙土典型剖面(P1PM6剖面)：土壤質地分兩層，上部0～80 cm為壤質砂土，下部80～200 cm為砂質壤土，由下至上Zn元素、有機質、pH值總體趨于穩(wěn)定而土壤黏粒在下部出現(xiàn)波動，表明土壤黏粒對三者影響不大，土壤Zn元素繼承了成土母質的特征，受風化淋濾和人為因素影響較小。

2)沙土典型剖面(P2PM3剖面)：土壤質地分四層，0～60 cm為粉(砂)壤土，60～100 cm為粉(砂)土，100～160 cm為粉(砂)壤土，160～200 cm為粉(砂)土，由下至上Zn元素、有機質、土壤黏粒均呈現(xiàn)“S”型波動，pH值則趨勢相反，呈現(xiàn)反“S”型波動，表明Zn元素與有機質、土壤黏粒呈正相關，與pH值呈負相關。

3)鹽化潮土典型剖面(P9PM3剖面)：土壤質地分兩層，0～175 cm為粉(砂)壤土，175～200 cm為粉(砂)質黏壤土，由下至上Zn元素、有機質均呈現(xiàn)“C”型波動，土壤黏粒呈現(xiàn)弱的“C”型波動，pH值則趨勢相反，呈現(xiàn)弱的反“C”型波動，表明Zn元素與有機質、土壤黏粒呈正相關，與pH值呈負相關；

4)堿化潮土典型剖面(P8PM6剖面)：土壤質地單一，為粉(砂)壤土，由下至上Zn元素、有機質均呈現(xiàn)“S”型波動，土壤黏粒呈現(xiàn)穩(wěn)定型，pH值則趨勢相反呈現(xiàn)反“S”型波動，表明土壤Zn元素與有機質呈正相關，與pH值呈負相關；

5)兩合土典型剖面(P1PM4剖面)：土壤質地分四層，0～100 cm為粉(砂)壤土，100～130 cm為粉(砂)質黏壤土，130～160 cm為粉(砂)壤土，160～200 cm為粉(砂)土，由下至上Zn元素、有機質、土壤黏粒均呈現(xiàn)“S”型波動，pH值則趨勢相反呈現(xiàn)反“S”型波動，表明Zn元素與有機質、土壤黏粒呈正相關，與pH值呈負相關。

6)淤土典型剖面(P1PM11剖面：土壤質地分三層，0～80 cm為粉(砂)質黏土，80～130 cm為粉(砂)質黏壤土，130～200 cm為粉(砂)壤土，由下至上Zn元素、有機質、土壤黏粒均呈現(xiàn)穩(wěn)定型—上升型—穩(wěn)定型，pH值則趨勢相反呈現(xiàn)穩(wěn)定型—下降型—穩(wěn)定型，表明Zn元素與有機質、土壤黏粒呈正相關，與pH值呈負相關。

總體來看，土壤Zn元素分布受有機質、土壤黏粒、pH值等因素影響明顯[19-20]。由于土壤黏粒、有機質膠體的吸附作用[21]，Zn元素與有機質、土壤黏粒之間為正相關。同時，由于在堿性環(huán)境下Zn和磷酸根易形成沉淀[22]，Zn元素與pH值之間為負相關。

3.6 農作物根系土鋅全量與有效態(tài)分析

研究區(qū)農作物資源豐富，品種繁多，可提供人體必需的營養(yǎng)元素。土壤有效鋅直接影響農作物對Zn元素的吸收，進而影響農作物中Zn元素的含量。本次在富鋅土壤區(qū)選取油桃、芹菜兩種農作物，分析根系土中全量鋅與有效鋅的相關性。

油桃主要分布在北部葛集鎮(zhèn)富鋅土壤區(qū)，其根系土全量鋅最大值w(Zn)=101.00×10-6，最小值w(Zn)=57.40×10-6，平均值為76.80×10-6；有效鋅最大值w(Zn)=3.96×10-6，最小值w(Zn)=0.48×10-6，平均值為2.03×10-6。芹菜主要分布在南部關帝廟鎮(zhèn)富鋅土壤區(qū)，其根系土全量鋅最大值w(Zn)=166.00×10-6，最小值w(Zn)=64.60×10-6，平均值為101.41×10-6；有效鋅最大值w(Zn)=22.02×10-6，最小值w(Zn)=3.35×10-6，平均值為9.40×10-6。利用SPSS軟件分別對油桃、芹菜根系土全量鋅和有效鋅作相關性分析，其中油桃根系土為中度正相關，相關系數(shù)為0.567；芹菜根系土為高度正相關，相關系數(shù)為0.950(圖10)。

圖4 研究區(qū)飛沙土垂向剖面

圖5 研究區(qū)沙土垂向剖面

圖6 研究區(qū)鹽化潮土垂向剖面

圖7 研究區(qū)堿化潮土垂向剖面

圖8 研究區(qū)兩合土垂向剖面

圖9 研究區(qū)淤土垂向剖面

圖10 農作物根系土全量鋅和有效鋅的相關性

4 結論

1)安徽省碭山縣表層土壤中w(Zn)為26.8×10-6～169.9×10-6，平均值為65.8×10-6，其中富鋅土壤面積為224.47 km2，占農用地面積的23.88%，主要分布在縣域北部的葛集鎮(zhèn)地區(qū)和南部的關帝廟鎮(zhèn)地區(qū)。研究表明，土壤Zn元素分布主要受本區(qū)土壤類型制約，兩合土、淤土的Zn含量平均值高于全區(qū)，屬Zn元素高背景區(qū)，尤以淤土的Zn元素最為富集，堿化潮土的Zn含量平均值與全區(qū)相當，沙土、飛沙土、鹽化潮土的Zn含量平均值低于全區(qū)。因此，可以在葛集鎮(zhèn)和關帝廟的兩合土、淤土分布區(qū)進行富鋅土地開發(fā)利用，為當?shù)剞r業(yè)經濟發(fā)展提供助力。

2)在土壤垂向剖面中，土壤Zn元素含量變化受有機質、pH值、土壤黏粒影響明顯，Zn元素與有機質、土壤黏粒之間為正相關，與pH值之間為負相關。因此，在低鋅或缺鋅土壤區(qū)，可以通過改善土壤質地、增施有機肥、降低土壤酸堿度等方法，提高土壤Zn元素含量，從而滿足農作物對Zn元素的需求達到增產的目的。

3)農作物根系土中鋅全量與有效態(tài)呈正相關，即隨著土壤Zn元素含量的增加，農作物能吸收的Zn元素含量增加。因此，碭山縣分布的富鋅土壤為富鋅農產品的開發(fā)提供了很好的土地基礎，可以進一步研究農作物中Zn元素含量與土壤Zn元素含量之間的關系，提升農作物的附加經濟值。