黑龍江省烏裕爾河流域土壤中某些微量元素地球化學(xué)特征

張哲寰，戴慧敏，宋運(yùn)紅，楊佳佳

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心,遼寧 沈陽(yáng) 110034;2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 130034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

0 引言

微量元素是土壤肥力必不可少的組成部分，是植物生長(zhǎng)的“維生素”，B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn是已被確認(rèn)的生物所必需的微量元素[1-2]。研究土壤中微量元素的地球化學(xué)特征，對(duì)于合理施用微量元素肥料、提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量、防止動(dòng)植物因缺少微量元素而出現(xiàn)疾病具有重要意義。本文利用東北黑土地地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)烏裕爾河流域土壤中的微量元素B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，以指導(dǎo)該地區(qū)微肥施用和農(nóng)業(yè)種植，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，改善生態(tài)環(huán)境，保護(hù)人類健康。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

烏裕爾河位于松嫩平原北部,是嫩江左岸的一條無(wú)尾河，發(fā)源于小興安嶺西側(cè)，流經(jīng)北安市、克東縣、拜泉縣、依安縣、富裕縣、林甸縣，河流的尾閭部分消散于齊齊哈爾以東，林甸縣西北的大片濕地之中。研究區(qū)氣候?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)氣候，自東向西由高平原的半濕潤(rùn)氣候過渡為低平原的半干旱氣候，年平均氣溫1.5～3.0 ℃，年平均降水量410～550 mm。區(qū)內(nèi)有耕地882 775 hm2，占土地面積的72.53%。土壤類型以黑土為主，其次有草甸土、黑鈣土、暗棕壤、沼澤土、湖泊水庫(kù)土等，面積分別占土地面積的32.50%、30.73%、22.12%、7.93%、6.07%、0.64%。烏裕爾河流域以農(nóng)業(yè)為主，主要農(nóng)作物有玉米、大豆、水稻及雜糧等，在20世紀(jì)這里曾是克山病和大骨節(jié)病高發(fā)區(qū)，目前病情基本消失。

研究區(qū)由東向西跨越丘陵、高平原、沖積低平原和沖湖積沼澤低平原4類地貌單元，面積12 171.35 km2。地表大部分為第四系所覆蓋，中更新統(tǒng)在區(qū)內(nèi)分布面積最大，為6 268.84 km2，占全區(qū)面積的51.50%，主要巖性為亞黏土、含礫亞黏土、中粗砂、亞砂土、含黏土砂礫石，主要分布在研究區(qū)中部；其次為上更新統(tǒng)，面積為2 456.76 km2,占全區(qū)面積的20.18%，主要巖性為黃土狀亞黏土、亞黏土、亞砂土、砂礫石，分布在流域下游的富?？h和依安縣；全新統(tǒng)沿河流成條帶狀分布，面積為2 009.29 km2,占全區(qū)面積的16.51%，主要巖性為亞砂土、砂礫石、泥炭。前第四系有古近系漸新統(tǒng)—新近系孫吳組砂巖夾泥巖、砂巖，局部為砂礫巖，分布在流域上游，面積為1 209.16 km2；白堊系上統(tǒng)泥巖、砂巖夾油頁(yè)巖，零星分布在流域中上游，面積為137.31 km2(見圖1)。

1—全新統(tǒng)上部;2—全新統(tǒng)下部;3—上更新統(tǒng);4—中更新統(tǒng);5—漸新統(tǒng)-新近系;6—白堊系上統(tǒng)1—upper Holocene；2—lower Holocene；3—upper Pleistocene；4—middle Pleistocene；5—Oligocene-Neogene；6—upper Cretaceous圖1 烏裕爾河流域地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Wuyuer River Basin

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 樣品采集

依據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)，在研究區(qū)采用網(wǎng)格式均勻采集表層和深層土壤樣品。表層土壤采樣深度為0～20 cm，每1 km2采集一個(gè)樣品，按照2 km×2 km的網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格的4個(gè)樣混合成一個(gè)分析樣品送化驗(yàn)室進(jìn)行分析，表層土壤共組合成分析樣品3 069個(gè)。深層土壤采樣深度為150～200 cm，每4 km2采一個(gè)樣品，按照4 km×4 km的網(wǎng)格，將每個(gè)格網(wǎng)的4個(gè)樣混合組成一個(gè)分析樣，共組合深層土壤分析樣783個(gè)。另外在區(qū)內(nèi)采集了23件根系土微量元素有效態(tài)分析樣。

2.2 樣品分析

土壤樣品分析測(cè)試由具有MA認(rèn)證資質(zhì)的自然資源部沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心承擔(dān)，提取分析方法及檢出限見表1。樣品各元素重復(fù)性檢驗(yàn)合格率均大于93.20%。各指標(biāo)分析方法的重復(fù)性合格率、準(zhǔn)確度和精密度均符合多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

表1 微量元素全量和有效態(tài)測(cè)試分析方法及檢出限Table 1 Test and analysis methods and detection limits of total and effective states of trace elements

3 土壤微量元素地球化學(xué)特征

3.1 土壤表層微量元素含量

對(duì)全區(qū)土壤表層3 069件樣品和深層783件樣品的微量元素含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到迭代剔除3倍方差后的統(tǒng)計(jì)量見表2。烏裕爾河流域土壤表層與深層微量元素含量比較，除Mo富集系數(shù)(表層土壤元素含量與深層土壤元素含量的比值)小于0.85，稍有貧化外，其他元素富集系數(shù)均在0.85～1.15，屬于自然狀態(tài)，未發(fā)生明顯元素富集和貧化。從數(shù)據(jù)的離散程度看，B、Mn、Mo屬中分異型，Cu、Fe、Zn屬于弱分異型。

表2 烏裕爾河流域土壤微量元素含量Table 2 Content of soil trace elements in Wuyuer River Basin

烏裕爾河流域表層土壤微量元素含量與東北地區(qū)土壤[3]、東北黑土[4]、全國(guó)土壤[5]和世界土壤[6]微量元素含量比較發(fā)現(xiàn)：烏裕爾河流域微量元素含量與其他地區(qū)微量元素含量均具有Fe>Mn>Zn>B>Cu>Mo的特征，與訥河市土壤微量元素含量特征研究結(jié)果一致[7]。烏裕爾河流域表層土壤Fe含量高于其他地區(qū)土壤；Cu含量高于東北土壤和東北黑土，低于全國(guó)土壤和世界土壤；B含量高于世界土壤，低于東北土壤、東北黑土和全國(guó)土壤；Mn含量高于全國(guó)土壤和東北黑土，低于東北土壤和世界土壤；Mo、Zn含量均低于其他地區(qū)土壤(見表3)。

表3 烏裕爾河流域表層土壤與其他地區(qū)表層土壤微量元素含量對(duì)比Table 3 Comparison of trace element content between topsoil in Wuyuer River Basin and other areas

3.2 不同地質(zhì)單元表層土壤微量元素含量

土壤中Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素的分布取決于成土母巖的類型及其地球化學(xué)性質(zhì)，受不同地質(zhì)單元的地層影響很大[8]。 在表生環(huán)境中微量元素活動(dòng)性差異直接影響元素的遷移能力，B、Mo、Zn在酸性氧化環(huán)境條件下活動(dòng)性高，遷移能力強(qiáng)，而Fe、Mn在表生環(huán)境中活動(dòng)性較差，遷移能力弱。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T0295—2016)中微量元素含量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，烏裕爾河流域不同地質(zhì)單元土壤表層微量元素含量分布規(guī)律為:Cu在不同時(shí)代地層分布區(qū)土壤中的含量均為中等，沒有等級(jí)變化；Fe含量變化也不大，屬于中等—較豐富水平；B、Mn、Mo、Zn含量在上更新世以后的地層分布區(qū)土壤中呈現(xiàn)一定的貧化，即表現(xiàn)為Mo、Zn含量由中等以上水平降至較缺乏，B含量由較缺乏降至缺乏，Mn含量由豐富降至全新統(tǒng)的中等水平(見表4)。

表4 不同地質(zhì)單元表層土壤微量元素含量平均值Table 4 Average content of trace elements in surface soil of different geological units

3.3 不同類型土壤表層微量元素含量

不同類型土壤微量元素含量往往存在一定差異。烏裕爾河流域不同土壤類型表層微量元素含量呈現(xiàn)出：B含量以較缺乏和缺乏為主；Cu含量除湖泊水庫(kù)土較缺乏外，其他土壤類型Cu含量均為中等；Fe在草甸土、黑土、黑鈣土中含量較豐富，在暗棕壤、沼澤土、湖泊水庫(kù)土中含量中等；Mn在暗棕壤、黑土、黑鈣土、沼澤土中含量豐富，在草甸土中含量較豐富，在湖泊水庫(kù)土中含量中等；Mo在暗棕壤中含量豐富，在沼澤土中含量較豐富，在黑土、草甸土中含量中等，在黑鈣土和湖泊水庫(kù)土中含量缺乏；Zn在暗棕壤、黑鈣土、沼澤土中含量中等，在草甸土、黑土、湖泊水庫(kù)土中含量較缺乏(見表5)。

表5 不同類型土壤表層微量元素平均含量Table 5 Average content of trace elements in surface layer of different types of soil

不同類型土壤微量元素含量等級(jí)與成土母質(zhì)微量元素含量等級(jí)呈現(xiàn)一致性。暗棕壤屬森林土壤，成土母質(zhì)主要為殘坡積物和洪積物，土壤中各微量元素含量等級(jí)與古近系、新近系基巖區(qū)土壤一致。黑土和黑鈣土屬草原土壤，成土母質(zhì)為中更新統(tǒng)亞黏土，微量元素含量等級(jí)接近于中更新統(tǒng)分布區(qū)土壤等級(jí)。沼澤土、草甸土為水成和半水成土，成土母質(zhì)為沖積物，微量元素含量變化較復(fù)雜。湖泊水庫(kù)土為水成新土，元素含量均低于全區(qū)平均值。

3.4 不同土地利用類型表層土壤微量元素含量

不同土地利用類型土壤微量元素含量見表6。從元素總體分布看，B、Zn含量總體呈較缺乏或缺乏狀態(tài)，Cu、Mo 以中等為主，F(xiàn)e、Mn以較豐富和豐富為主。Cu、Fe、Mo、Zn含量在除林地以外的其他5種土地類型中含量等級(jí)均一致，Cu、Fe在林地中含量略低，Mo、Zn在林地中含量略高。B、Mn除在未利用土壤中含量略低，在其他利用類型土壤中含量等級(jí)一致。耕地、草地、建設(shè)用地、水域用地土壤中Fe、Mn含量較高，林地中Mn、Mo含量較高，未利用土地微量元素含量均較低，呈現(xiàn)受人類活動(dòng)影響的土地類型微量元素含量高于未受人類活動(dòng)影響的類型，這與前人研究成果一致[9-12]。

表6 不同土地利用類型土壤表層微量元素平均含量Table 6 Average content of surface trace elements in different land use types

4 土壤微量元素含量等級(jí)評(píng)價(jià)

4.1 土壤微量元素全量和有效態(tài)等級(jí)劃分

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)劃分的土壤微量元素全量和有效態(tài)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表7。

表7 微量元素全量和有效態(tài)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 7 classification criteria for total and effective levels of trace elements

4.2 土壤微量元素含量等級(jí)評(píng)價(jià)

依據(jù)微量元素全量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)烏裕爾河流域土壤微量元素，結(jié)果顯示：全流域土壤中B含量低，以較缺乏和缺乏為主，二者面積合計(jì)11 687.75 km2，占全區(qū)面積的95.04%；Cu含量以中等—較豐富為主，二者合計(jì)面積占全區(qū)面積的71.47%；Fe含量以較豐富—豐富為主，二者合計(jì)面積占全區(qū)的69.73%；Mn以豐富為主，豐富區(qū)面積為7 400.69 km2，占全區(qū)面積的60.81%；Mo含量較豐富、中等和較缺乏3個(gè)等級(jí)比例相近；Zn含量以較缺乏—中等為主，二者合計(jì)面積占全區(qū)的72.44%(見表8和圖 2)。流域西部沖湖積沼澤低平原區(qū)是全流域微量元素含量最低區(qū)域，其次是克山、克東縣一帶微量元素含量較低。

表8 表層土壤微量元素含量等級(jí)Table 8 Content grade of trace elements in topsoil

1—一等(豐富);2—二等(較豐富);3—三等(中等);4—四等(較缺乏);5—五等(缺乏)1—first-class(rich);2—second(relatively rich);3—third class (secondary);4—fourth class (relatively lack);5—five class (lack)圖2 微量元素含量等級(jí)Fig.2 Grade map of topsoil trace elements Content

微量元素含量不同等級(jí)的土壤各微量元素分布面積由大到小順序?yàn)椋阂坏韧寥栏魑⒘吭孛娣e由大到小的順序?yàn)椋篗n>Fe>Mo>Zn>Cu>B，二等土壤各微量元素面積由大到小的順序?yàn)椋篎e>Cu>Mo>Mn>Zn>B，三等土壤各微量元素面積由大到小的順序?yàn)椋篊u>Zn>Mo>Fe>Mn>B，四等土壤各微量元素面積由大到小的順序?yàn)椋築>Zn>Cu>Mo>Fe>Mn，五等土壤各微量元素面積由大到小的順序?yàn)椋築>Mo Zn>Cu>Fe>Mn。

4.3 土壤微量元素有效態(tài)評(píng)價(jià)

土壤微量元素有效態(tài)含量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、Eh以及微量元素全量有關(guān)[13-16]，一般情況下土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，微量元素有效態(tài)含量越高。在中性偏堿性或堿性土壤中，因微量元素易于以氫氧化物的沉淀形式存在，其有效性大為降低[17]。

烏裕爾河流域土壤表層微量元素有效態(tài)含量與《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T0295—2016)中的有效態(tài)臨界值比較，烏裕爾河流域土壤B、Cu、Fe、Mn、Zn有效態(tài)含量高于規(guī)范臨界值，處于中等—豐富狀態(tài)。Mo有效態(tài)含量小于0.1×10-6，屬于嚴(yán)重缺乏狀態(tài)(表9)。

表9 烏裕爾河流域表層土壤微量元素有效態(tài)含量Table 9 Available content of trace elements in topsoil of Wuyuer River Basin 10-6

研究區(qū)土壤pH平均值為6.86，屬于中性，有機(jī)質(zhì)平均含量43.70×10-3，屬于豐富狀態(tài)。從土壤微量元素的活化率(元素有效態(tài)含量與全量之比)看，Cu、Mo的活化率較高，B、Fe、Mn、Zn活化率較低。相關(guān)研究表明，影響土壤有效Mo的因素主要有pH、土壤質(zhì)地和Fe的含量[18]，有效Mo缺乏一般出現(xiàn)在pH低于6的酸性土壤中[19]。烏裕爾河流域Mo有效態(tài)低的原因可能有3種原因：一是土壤Mo含量低，東北地區(qū)土壤Mo含量普遍不高，烏裕爾河流域土壤Mo含量?jī)H為全國(guó)土壤Mo含量的三分之一；二是與土壤中有大量的鐵、錳氧化物存在有關(guān)，鉬與三價(jià)金屬離子氧化物的酸性腐殖質(zhì)結(jié)合，降低鉬的有效性[20]；三是土壤表層Mo含量低于深層土壤，有貧化現(xiàn)象。

Mo是動(dòng)植物必須的微量元素，動(dòng)物體內(nèi)缺Mo能引起心血管疾病[2]，也可能引起克山病[21]。植物缺鉬會(huì)出現(xiàn)植株矮小，生長(zhǎng)不良，幼片失綠，葉片卷曲，出現(xiàn)黃斑，老葉焦枯，以致死亡[22]。因此，建議在缺Mo的地塊施用Mo肥[23]，增加Mo的含量，改善土壤環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高糧食產(chǎn)量和質(zhì)量。常用的鉬肥有鉬酸銨和鉬酸鈉，可以用基肥、種肥和葉面噴施方式施用。

5 結(jié)論

1)烏裕爾河流域土壤表層微量元素Cu、Fe、Mn、Mo全量處于中等以上水平，其中Mn含量豐富，F(xiàn)e含量較豐富， Cu、Mo含量中等；B、Zn含量較缺乏。與東北平原土壤、東北黑土、全國(guó)土壤和世界土壤相比，烏裕爾河流域表土壤Fe平均含量高于其他地區(qū)土壤，Cu含量高于東北土壤和東北黑土，低于全國(guó)土壤和世界土壤；B含量高于世界土壤，低于東北土壤、東北黑土和全國(guó)土壤；Mn含量高于全國(guó)土壤和東北黑土，低于東北土壤和世界土壤；Mo、Zn含量均低于其他地區(qū)土壤。

2)烏裕爾河流域土壤表層微量元素全量與深層土壤含量比較，除Mo富集系數(shù)小于0.85，稍有貧化外，其他元素富集系數(shù)均在0.85～1.15，屬自然狀態(tài)，未發(fā)生明顯元素富集或貧化。

3)不同地層分布區(qū)土壤中的微量元素含量分布規(guī)律是，B、Mn、Mo、Zn 4種元素在上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)分布區(qū)土壤中的含量低于老地層分布區(qū)土壤中的含量。

4)烏裕爾河流域土壤表層中Cu、Fe有效態(tài)含量豐富，Mn有效態(tài)含量較豐富，B、Zn有效態(tài)含量中等，Mo的有效態(tài)含量缺乏。建議在鉬缺乏的地塊施用鉬肥，增加土壤中有效Mo的含量，以提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量