基于GIS的三峽庫區(qū)土壤養(yǎng)分元素地球化學(xué)特征與影響因素研究

鄧 海，王 銳，寧墨奐，羅宇潔，董金秀

（1.重慶土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400038；2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川東南地質(zhì)大隊(duì)，重慶 400038；3.重慶市地質(zhì)調(diào)查院，重慶 400038）

土壤養(yǎng)分元素是土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，不僅可以改善土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、提高土壤肥力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)方面有著至關(guān)重要的作用［1-3］。氮是蛋白質(zhì)及葉綠素的主要組成成分，其含量的多寡可對植物的葉面大小及光合作用產(chǎn)生影響，是植物生長發(fā)育不可缺少的元素之一［4，5］。磷是蛋白質(zhì)、磷脂及磷酸糖的主要組成元素之一，不僅可以加強(qiáng)植物的光合作用，還可以提高植物的抗逆性［6］。鉀參與生物體內(nèi)多種生理過程，包括呼吸作用、光合作用等，此外，鉀還可以提高農(nóng)作物的品質(zhì)，是植物必需的營養(yǎng)元素之一［7］。因此，土壤中養(yǎng)分元素空間分布特征及豐缺程度的劃定對地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要的意義。土壤酸化也會對土壤本身造成較大的影響，對土壤健康造成嚴(yán)重危害［8，9］，土壤在酸化過程中，H+含量不斷增加，由于H+的活性較高，競爭土壤膠體上的吸附位使得重金屬離子處于游離狀態(tài)，易被植物吸收［10-13］，與此同時，在酸性條件下，土壤速效氮的有效性降低，使得土壤肥力下降［14］。土壤酸化導(dǎo)致土壤中交換性酸、交換性鋁含量增加，抑制植物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致植物體型矮小，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［15，16］，而探明土壤酸化的原因是酸化土壤治理的重要依據(jù)［17，18］。

三峽庫區(qū)由于其自然條件優(yōu)越，是中國優(yōu)質(zhì)甜橙及水稻生產(chǎn)的適宜區(qū)之一。摸清地區(qū)土壤養(yǎng)分元素及土壤pH的地球化學(xué)特征，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，對土壤質(zhì)量的提升、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。選擇位于三峽庫區(qū)腹地的開州區(qū)作為研究對象，基于地統(tǒng)計(jì)法分析土壤養(yǎng)分元素的含量特征、分布規(guī)律及影響因素，厘清土壤酸化的原因，提出因地制宜、因地治理的建議，以期為地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)腹地，長江支流彭溪河源地開州區(qū)，地處四川盆地東部盆邊山區(qū)，重慶市東北部，東鄰重慶市巫溪縣、云陽縣，南接重慶市萬州區(qū)、梁平區(qū)，西與四川省宣漢、開江兩縣接壤，介于北緯30°49′30″—31°41′30″、東經(jīng)107°55′48″—108°54′00″。開州區(qū)位于中緯度，具有中亞熱帶季風(fēng)氣候的一般特點(diǎn)，氣候季節(jié)變化明顯，因?yàn)榕柚苌綆p阻擋，寒潮不易入侵，故氣溫比同緯度、同海拔的其他地區(qū)略高，冬暖春早，夏季海洋性季風(fēng)帶來大量暖濕空氣，夏季雨量充沛、溫濕適度。開州區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地形差異大，土壤母巖風(fēng)化類型多，在地層上，從古生界的寒武系到新生界的全新統(tǒng)皆有出露，地質(zhì)構(gòu)造大體由3個背斜、2個向斜和大巴山南麓支脈組成，研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 樣品采集與測試

本次研究按照行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價技術(shù)要求》［19］，網(wǎng)格化采集農(nóng)用地表層土壤樣品，采樣密度為4.5個/km2，采樣深度0～20 cm，在采樣中心點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi)4～6處多點(diǎn)采集組合，共采集表層土壤樣品639個，待土壤樣品風(fēng)干、干燥后敲碎，過10目粒級尼龍篩，采用牛皮紙袋加封口袋盛裝送往實(shí)驗(yàn)室分析。

樣品測試由地之源地質(zhì)工程檢測有限公司按《生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求》［20］執(zhí)行，本研究分析指標(biāo)、測定方法及檢出限如表1所示。準(zhǔn)確度和精密度采用密碼插入國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行控制，元素分析準(zhǔn)確度和精密度合格率為100%，元素報(bào)出率為100%。

表1 元素分析方法與檢出限

數(shù)據(jù)整理利用Excel 2010軟件完成，數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)利用SPSS25.0軟件完成，半方差函數(shù)分析利用GS+9.0軟件完成，空間插值利用ArcGIS10.2軟件完成。

1.3 土壤養(yǎng)分等級劃分及土壤酸堿度

土壤養(yǎng)分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)［19］，如表2所示。在進(jìn)行等級評價時，需將土壤K2O的含量脫氧換算成K含量。土壤pH的劃分標(biāo)準(zhǔn)：pH＜5.0為強(qiáng)酸性，5.5≤pH＜6.5為酸性，6.5≤pH＜7.5為中性，7.5≤pH＜8.5為堿性，pH≥8.5為強(qiáng)堿性。

表2 土壤養(yǎng)分等級劃分標(biāo)準(zhǔn) （單位：g/kg）

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分元素含量及土壤p H

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)采集的639個土壤樣品中N、P和K2O的含量及土壤pH，參照“1.3”的評價標(biāo)準(zhǔn)，劃分養(yǎng)分元素及pH的地球化學(xué)等級并統(tǒng)計(jì)劃分情況，結(jié)果見表3和圖2。土壤N、P的平均含量分別為1 104.43、616.82 mg/kg，變異系數(shù)分別為0.53、0.29；土壤中K2O的平均含量為2.43%，變異系數(shù)為0.15；土壤pH的變化范圍為3.96～8.48，變異系數(shù)為0.18。N的變異系數(shù)大于0.50，說明其含量在空間上分布不均勻［21］。

圖2 土壤養(yǎng)分元素及p H的地球化學(xué)等級

表3 土壤養(yǎng)分元素及p H的描述性統(tǒng)計(jì)

土壤N、P、K一等所占的比例分別為4.5%、3.1%、3.9%，二等所占比例分別為14.1%、9.2%、55.1%，三等所占比例分別為33.2%、35.7%、35.1%，四等所占比例分別為20.3%、42.4%、5.6%，五等所占比例分別為27.9%、9.6%、0.5%，說明研究區(qū)養(yǎng)分元素含量相對缺乏；研究區(qū)酸性及強(qiáng)酸性土壤的比例分別為25.2%、46.3%，中性土壤的比例為16.7%，堿性土壤的比例為11.7%，土壤以酸性為主。

2.2 土壤養(yǎng)分元素及土壤p H的空間分布特征

利用SPSS25.0軟件對土壤養(yǎng)分元素及pH進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。土壤養(yǎng)分元素及pH的偏度及峰度均較高，K-S檢驗(yàn)的結(jié)果均小于0.05，不服從正態(tài)分布［22］，經(jīng)對數(shù)變換后的數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布。

表4 土壤養(yǎng)分元素及p H正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果

利用GS+9.0軟件進(jìn)行半方差函數(shù)擬合和空間結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見表5。土壤N、P、K2O及土壤pH的決定系數(shù)分別為0.995、0.699、0.767及0.891，塊金系數(shù)分別為0.14、0.32、0.09及0.11，塊金系數(shù)表示元素空間異質(zhì)性程度，是反映區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的指標(biāo)［23，24］。塊金系數(shù)小于0.25，說明區(qū)域化變量空間變異性主要受自然因素控制，各變量之間具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；0.25≤塊金系數(shù)＜0.75，以隨機(jī)性變異為主，受人為因素影響較大［21］。土壤N和K及pH的塊金系數(shù)均小于0.25，說明空間變異性主要受自然因素的控制，土壤P的塊金系數(shù)為0.32，說明其空間分布同時受隨機(jī)性因素和自然因素的控制。

表5 土壤養(yǎng)分元素及p H半方差函數(shù)分析結(jié)果

利用ArcGIS 10.2軟件對養(yǎng)分元素及pH進(jìn)行空間插值，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，土壤N表現(xiàn)為南部含量高，中部、北部含量低。土壤P含量分布的規(guī)律性不明顯。土壤K2O表現(xiàn)為南部含量低，中部含量高。南部地區(qū)土壤pH較低，中部和北部土壤pH較高。

圖3 土壤養(yǎng)分元素含量及p H空間分布

2.3 土壤p H、養(yǎng)分元素與海拔的相關(guān)關(guān)系

土壤pH分析結(jié)果表明，研究區(qū)土壤以酸性為主，尤其是南部地區(qū)，出現(xiàn)大面積的強(qiáng)酸性土壤。分析土壤pH、鹽基離子（K、Na、Cd和Mg離子）及海拔高度的相關(guān)性，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，隨著鹽基離子的減少，土壤pH逐漸降低，土壤出現(xiàn)酸化，主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)為多雨的自然背景，土壤中的硅酸鹽礦物會不斷水解，鹽基離子被釋放淋溶，使得土壤的中和能力減弱，此外，隨著鹽基離子的減少，土壤中可風(fēng)化礦物逐漸減少，土壤膠體增加，吸附的H+也不斷增加，進(jìn)而出現(xiàn)酸化的趨勢［9，25］。土壤K2O含量與pH的分布規(guī)律相似，進(jìn)一步說明了土壤酸化的原因。

圖4 土壤p H、鹽基離子含量和海拔的相關(guān)關(guān)系

隨著土壤的酸化，農(nóng)作物的生長可能受到一定影響，研究表明，當(dāng)土壤pH＜5時，土壤中的鋁會被活化，使得土壤溶液和水體中鋁離子的含量增加，進(jìn)而影響人體和農(nóng)作物的健康。另一方面，土壤中H+的電負(fù)性較高，會爭奪重金屬離子在土壤表面的吸附位，使得土壤中重金屬的活性增強(qiáng)，易被農(nóng)作物吸收，使人體健康受到威脅［26］。此外，酸化后土壤微生物的數(shù)量會減少，微生物的生長和活動受到抑制，對土壤本身的健康造成負(fù)面影響［27，28］。

土壤N高含量區(qū)土壤以酸性為主，主要原因?yàn)榈南趸饔脮a(chǎn)生氫離子，反應(yīng)方程式如下［29］。

可以看出，硝化作用會使土壤中H+的含量增加，導(dǎo)致土壤酸化，而土壤施氮肥是NH4+的主要來源之一。

土壤N含量與海拔高度的相關(guān)關(guān)系見圖5。由圖5可以看出，土壤N含量與海拔高度呈正比，低海拔區(qū)土壤N含量較低，高海拔區(qū)土壤N含量較高。研究表明，隨著海拔高度的升高，氣溫會出現(xiàn)明顯的下降趨勢，低海拔區(qū)溫度相對較高，微生物活動更為活躍［30］，反硝化作用明顯，而高海拔區(qū)土壤以酸性、強(qiáng)酸性為主，微生物活動受到限制［31］，反硝化作用較弱。反硝化作用生化過程的通式可用下式表示［32］。

圖5 土壤N含量與海拔的相關(guān)關(guān)系

可以看出，隨著一系列的反應(yīng)，土壤中的N會以N2的形式釋放，使得土壤中N含量下降。

2.4 研究區(qū)土壤治理

不同土地利用類型土壤P含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，在耕地土壤中，P含量的變化范圍為389.62～1 485.05 mg/kg，平均含量為667.36 mg/kg，在其他耕地類型土壤中，P含量的變化范圍為188.26～961.23 mg/kg，平均含量為566.28 mg/kg，耕地土壤中P含量明顯高于其他用地類型，說明土壤P含量受到人為因素的影響，建議對低P含量的耕地土壤適當(dāng)增加P肥的施用量。

圖6 不同土地利用類型土壤P含量

以研究區(qū)耕地分布較密集的區(qū)域?yàn)槔?，如圖7所示。A區(qū)土壤以中性和堿性為主，B區(qū)土壤以酸性和強(qiáng)酸性為主。對于酸性、強(qiáng)酸性土壤，可通過人為手段進(jìn)行土壤pH的調(diào)整，改善土壤質(zhì)量，研究表明，施用草木灰、秸稈還田及施用有機(jī)肥均可有效改善土壤酸化問題，且施用有機(jī)肥及秸稈還田可補(bǔ)充土壤中N、K等離子，減緩?fù)寥利}基離子的流失，因此，對B區(qū)而言，建議適量增加有機(jī)肥和鉀肥的施用量，減少氮肥施用，利用人為手段調(diào)節(jié)土壤pH，減少種植茶樹、豆科作物，改善土壤酸化問題［33-35］。A區(qū)主要為中性土壤和堿性土壤，土壤N含量較低，K及P含量相對較高，因此，建議A區(qū)適當(dāng)增加氮肥的施用量，此外，應(yīng)增加施用有機(jī)肥，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分元素的主要來源，施用有機(jī)肥可有效改善土壤肥力［36，37］。

3 小結(jié)

研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素N、P、K豐富-較豐富的面積比例分別為15.6%、12.3%和59.0%，土壤K含量相對豐富，而N和P含量相對較低。研究區(qū)酸性及強(qiáng)酸性土壤的比例分別為25.2%及46.3%，土壤以酸性為主。

空間結(jié)構(gòu)分析表明，研究區(qū)土壤N、K2O和pH的塊金系數(shù)均小于0.25，說明空間變異性主要受自然因素的控制。土壤N含量與海拔高度呈正比，主要原因?yàn)榈秃０螀^(qū)反硝化作用使得N流失。由于土壤鹽基離子會從高海拔區(qū)遷移到低海拔區(qū)，導(dǎo)致高海拔區(qū)土壤以酸性為主且K2O含量較低，此外，高海拔區(qū)N的硝化作用也會導(dǎo)致土壤酸化。土壤P受人為因素的影響明顯，耕地土壤P含量明顯高于其他用地類型。

結(jié)合研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素和pH的空間分布特征，建議在酸性、強(qiáng)酸性土壤分布區(qū)適量增加有機(jī)肥和鉀肥的施用量，減少氮肥施用，利用人為手段調(diào)節(jié)土壤pH，減少種植茶樹、豆科作物，改善土壤酸化問題，而在中性及堿性土壤分布區(qū)，可適量增加有機(jī)肥的施用量，改善土壤肥力。