青海省黃土丘陵區土壤微量元素空間變異特征及有效性

趙串串，宋枘澤，孟漢龍，趙巧玉，安若蘭，董 旭

（1.陜西科技大學 資源環境學院，陜西 西安710021；2.青海省林業調查規劃院，青海 西寧810008）

土壤微量元素的空間分布特征受成土母質和外源輸入長期作用的結果［1］，是土壤空間異質性具體表現［2］。土壤中微量元素是土壤的重要組成成分，是表征土壤質量的重要因子之一，任何一種微量元素缺乏或過量都會影響作物的生長，并且間接影響到人與動物的健康等［3］。自20世紀90年代以來，許多學者對土壤微量元素的空間變異規律做了較多研究。冉勇等［4］應用選擇性化學浸提法對黃土區土壤中鋅的化學形態空間分布進行了分析研究；徐尚平等［5］利用克里金法對內蒙古土壤微量元素含量的空間結構特征進行了分析；于君寶等［6］系統地研究了三江平原河床泥炭地微量元素和有益元素的垂直分布特征。

諸如此類的研究中較多的研究地區選擇平原地區，并且較少的考慮土壤類型、林型、土壤養分、理化性質等綜合因素對土壤微量元素空間分布的影響，而黃土高原地區水土流失嚴重，生態環境脆弱，關系到西部生態環境建設的成效［7－9］。近年研究認為微量元素在土壤中有著至關重要的作用，當土壤中缺乏某種微量元素時，會導致植被出現缺素癥狀，通常表現為葉色變異，組織壞死及生長點萎縮或死亡。因此，研究該地區的土壤微量元素空間變異特征及其影響因素，能夠更好地滿足區域植被的生長，對于揭示該地區乃至整個黃土高原地區的土壤質量狀況以及區域生態環境保護都具有重要的理論和現實意義。本研究選取黃土丘陵溝壑區研究區，利用地統計學的方法來研究土壤微量元素的空間變異特征，通過土壤類型、土壤養分、pH值、有機質及林型對該地區土壤微量元素空間分布的影響，從而為該地區植被恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

青海省黃土丘陵區位于青海省東部黃土高原和青藏高原的過渡地帶，屬典型的干旱半干旱大陸性氣候，高寒、干旱，日照時間長，太陽輻射強，雨熱同季，日溫差大，年溫差大，氣候地理分布差異大，垂直變化明顯是其主要氣候特征。于2012年9—12月在監測區域內位于青海省黃土丘陵溝壑區進行采點取樣，林地面積1.81×106hm2（林地面積參考2009年森林資源更新調查數據）占土地總面積的50.70%，其中灌木林地面積1.01×106hm2，占55.54%。北部以大通河為界，南部以西傾山為界，西到日月山，東為省界，土地總面積3.45×106hm2。包括3州1市1地（區），共計14個縣市，年均氣溫2.8～7.9℃，降水量360～540mm（大部分集中在6—9月），蒸發量1 100～1 800mm，無霜期68～184d，風速1.2～2.8m／s。監測區土壤隨地形、海拔、氣候、成土母質的綜合影響而有比較明顯的差異，呈明顯的垂直地帶性分布，由低到高依次為灰鈣土、栗鈣土、黑鈣土、灰褐土、山地草甸土、高山草甸土、高山寒漠土7個地帶性土壤類型。非地帶土壤有沼澤土、灌淤土、風沙土、潮土和新積土5個土類。林型包括灌木林、喬木針葉林、喬木闊葉林以及針闊混交林。

1.2 樣地布設與樣品采集

根據不同土壤類型設置72個樣地，共采集272個土壤樣品，土壤樣品類別分別為：A層0—10cm，B層10—30cm，C層30—100cm 及混合層0—100 cm，樣點位置根據土壤類型采用GPS定位分布。野外采集的土壤樣品在室內風干后，再按分析要求研磨成不同粒度。

1.3 分析方法

有效態硼元素含量是用熱水按1∶5的土液比提取，再用姜黃素比色法測定提取液中硼元素含量。土壤中有效態銅、鐵、錳、鋅是用0.005MDTPA浸提—原子吸收法光譜測定法測定其含量［10］。用SPSS 19.0軟件進行相關性分析。

2 各層土壤微量元素有效態含量分布

在土壤科學研究中，可根據土壤性質的變異系數對其變異程度進行分類：變異系數在0～15%之間的為小變異，16%～35%之間的為中等變異，＞36%的為高度變異［11］。對試驗結果進行統計分析，結果詳見表1。

表1 土壤微量元素有效態含量剖面分布特征

從表1可以看出，有效態銅在0—100cm土層之間的變異系數為40.39%～46.27%屬于高度變異土壤性質，有效態鐵在0—100cm土層之間的變異系數為62.53%～67.97%屬于高度變異土壤性質，有效態錳在0—100cm土層之間的變異系數為25.14%～31.52%和35.22%～35.84%分別為中等變異和高度變異，有效態鋅在0—100cm土層之間的變異系數為46.30%～57.26%屬于高度變異，有效態硼在0—100cm土層之間的變異系數為43.22%～67.74%也屬于高度變異。從數據來看，今后在該區域的工作中只需要研究表層土壤即可；5種微量元素有效態的變異系數均較大。其主因可能與調查樣地的復雜地貌有關，由于研究區有山地、丘陵、峽谷、盆地等類型，土壤的成土母質和微氣候均存在較大差異，因而其變異系數較大。

元素在土壤剖面中的分布受到多種因素影響而表現出不同分布類型，一般有表層富集型、某一層位富集型、底層富集型、均勻富集型及不規則分布型［12］。所測區域除了B層有效硼含量較低外，其他各層各微量元素有效態含量基本屬平均分布，因此研究區域屬于均勻富集型。

2.1 不同土壤類型下混層土有效態微素含量分布

在所測土系中，各微量元素有效態含量總體趨勢結果詳見表2。草甸土鐵多鋅少，黑褐土銅錳鐵鋅均多，沙壤土鐵多硼多，棕鈣土含量均少，灌淤土的各種微量元素含量均達最低水平，表明灌淤土其本身土質狀況較差，灰棕漠土銅錳少，高山漠土銅錳均缺。此五種微量元素的變異系數較在35.8%—67.7%，均屬于高度變異，表明土壤理化性狀及不同農業利用方式對有效態含量的影響明顯來源于母質的影響；土壤微量元素有效態又易受到外在因子影響，因而其變異系數較大。

2.2 不同林型下混層土有效態微素量分布

在不同林型下，各微量元素有效態平均含量總體趨勢詳見表3。由表3可知，所測林型中有效鐵、有效硼含量均高其均值分別為23.948和1.468mg／kg，各林型中有效銅含量適中，其均值為0.560mg／kg，灌木林中有效錳含量較低為3.625mg／kg，喬木闊葉林的有效錳和有效鋅含量均缺乏分別為4.507和0.486mg／kg，可以發現針闊混交林的各微量元素含量都達到中高水平，從而使有效態鋅和錳的含量提高；另外從變異系數情況來看除有效鐵屬于高度變異達41.1%外，其余4種有效態微量元素均處于中等變異從23.4%～23.2%，說明這幾種微量元素有效態含量受耕作、施肥和種植等人為活動的影響較為顯著。

表2 不同土壤類型下混合層土壤有效態微量元素含量分布 mg／kg

表3 有效態微量元素在不同林型下的含量水平

3 微量元素有效態含量與土壤理化性質的關系

土壤酸堿度是土壤重要的性質之一，是土壤形成過程和熟化培肥過程的一個指標。土壤有機質對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要的作用和意義，基于其他研究資料的關系，在這里僅對pH值、有機質這兩種理化性質與土壤微量元素做相關分析。

3.1 與土壤pH值的關系

從表4可見，本研究中土壤有效態鐵、錳、鋅與土壤pH值之間存在負相關關系，其中土壤有效鐵呈極顯著負相關性（r＝－0.810＊＊），土壤有效鋅呈極顯著負相關性（r＝－0.259＊＊），土壤有效錳呈顯著負相關性（r＝－0.145＊），土壤有效硼呈顯著正相關性（r＝0.143＊），由此可見，pH 值越高的地區，土壤中有效鐵、有效錳、有效鋅的含量越低，相反有效硼含量會隨pH值上升而升高。

表4 土壤pH與微量元素有效含量的相關性 mg／kg

3.2 土壤微量元素有效態含量與土壤有機質的關系

從表5可以看出，土壤有效鐵與有機質之間存在著極顯著正相關關系（r＝0.730＊＊），土壤有效鋅與有機質之間存在著極顯著正相關關系（r＝0.392＊＊）說明有機質對提高有效鐵、有效鋅的含量有顯著促進作用。這主要是由于土壤有機質的酸性基團可以活化土壤鐵、鋅，從而形成可溶性鐵、鋅的絡合物，增加其有效性。土壤有效銅與土壤有機質之間存在負相關性（r＝－0.044）但未達到顯著水平，土壤有效錳、硼與土壤有機質之間存在正相關性（r值分別為0.077，0.008），未達到顯著水平。

表5 土壤有機質與微量元素有效含量的相關性 mg／kg

4 土壤微量元素的等級評價

土壤中微量元素缺乏與否，通常看有效態含量的高低［13］。根據土壤微量養分供應能力，參考西北水保所、南京土壤所土壤微量元素分級標準，甘肅省土壤養分豐缺分級標準，結合青海省土壤養分含量，將所測區域土壤微量元素的有效態含量分為極缺（極低）、缺（低）、中等（中）、豐富（高）等4個等級（表2）。從表6可以看出，鐵、銅、硼90%以上分布在中等和豐富級；錳、鋅兩元素分布在豐富級的出現頻率分別為1.84%，21.69%，且兩元素中級的出現頻率分別達到10.66%，25.74%；這表明所測區域土壤硼和鐵元素含量極其豐富，銅元素含量也比較豐富；錳有87.50%樣品分布在低或極低的水平；而鋅元素均等。

表6 土壤微量元素有效態分級［14－15］與各級出現頻率

5 結論

（1）監測區林地土壤有效態微量元素鐵、銅和硼的養分狀況達到中等和豐富水平的比例在90%以上；錳元素和鋅元素養分狀況分布在低和極低水平，依次是87.50%和47.43%。通過對土壤剖面樣品的對比分析，監測區土壤剖面微量元素養分狀況呈現均勻富集型。不同土系，黑褐土、黑鈣土的五種有效態微量元素含量均處于豐富級（高），灌淤土的各種微量元素含量均處于極低水平，其主要原因是灌淤土的成土母質為沙壤土，沙壤土中有機質分解快、積累下來的比較少，由此導致土壤保肥性差，各種養分都比較貧乏。因此可以人為提高灌淤土的常量養分狀況，以提升土壤的微量元素狀況。

（2）土壤有機質是土壤養分貧瘠的顯著性指標之一，分析結果表明有機質與有效鐵、有效鋅呈極顯著正相關，因此在今后的造林工作中可以通過調整土壤有機質含量，提升土地肥力，一定程度上提升土壤有效態微量元素的水平。

（3）監測區灌木林相比其他林型，有效銅、有效鐵、有效錳含量均較低；混交林相比其他純林型各微量元素含量均較高，而監測區灌木林地面積占到總林地面積的1／2，建議在以后的造林工作中，應適量種植混交喬木林，以優化區域灌木林群落結構，改善土壤的物理性質，以更好地滿足區域植被的生長，從而更好地保護區域生態環境。

［1］ 張澤浦，王學軍.土壤微量元素含量空間分布的條件模擬［J］.土壤學報，1998，35（3）：423-429.

［2］ Huggett R J.Soil chronosequences，soil development，and soil evolution：A critical review［J］.Catena，1998，32（3）：155-172.

［3］ 張曉霞，李占斌，李鵬.黃土高原草地土壤微量元素分布特征研究［J］.水土保持學報，2010（5）：45-48.

［4］ 冉勇，彭琳.黃土區土壤中鋅的化學形態分布及有效性研究［J］.土壤通報，1993，24（4）：172-174.

［5］ 徐尚平，陶澍，徐福留，等.內蒙土壤微量元素含量的空間結構特征［J］.地理學報，2000，55（3）：337-345.

［6］ 于君寶，王金達，劉景雙.三江平原泥炭地微量元素垂直分布特征［J］.生態環境，2003，12（4）：398-400.

［7］ 黃奕龍，傅伯杰.黃土高原水土保持建設的環境效應［J］.水土保持學報，2003，17（1）：29-32.

［8］ 李鳳民，徐進章，孫國鈞.半干旱黃土高原退化生態系統的修復與生態農業發展［J］.生態學報，2003，23（9）：1901-1909.

［9］ 宋豐驥，常慶瑞，鐘德燕，等.黃土丘陵溝壑區土壤微量元素空間變異特征及其影響因素［J］.干旱地區農業研究，2012，30（1）：36-42.

［10］ 中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海：上海科學技術出版社，1978.

［11］ Cao Zhihong，Zhang Hongcheng.Phosphorus losses to water from lowland rice fields under rice-wheat double cropping system in the Tai Lake region［J］.Environmental Geochemistry and Health，2004，26（2）：229-236.

［12］ 杜俊平，廖超英，田聯會，等.太白山自然保護區土壤重金屬含量及其分布特征研究［J］.西北林學院學報，2008，22（3）：84-87.

［13］ 馬扶林，宋理明，王建民.土壤微量元素的研究概述［J］.青海科技，2009，16（3）：32-36.

［14］ 林蔚新.土壤微肥肥效及有效態微量元素分級［J］.甘肅科技，2003，19（10）：145-145.

［15］ 王建中，陳立，徐建明.黃土丘陵區不同地貌類型地球化學分布特征［J］.干旱區資源與環境，2006，20（1）：125-130.