不同母質類型下耕地土壤速效鋅與速效鉬的空間變異及其影響因子

任彧 陳杰 韓杏杏

摘要 [目的]研究不同母質類型下耕地土壤速效鋅與速效鉬的空間變異及其影響因子。[方法]以河南駐馬店市泌陽縣為研究區域，測定406個耕地土壤耕層樣品的土壤速效鋅、速效鉬含量，分析不同成土母質來源下泌陽縣耕地樣點速效鋅、速效鉬含量，利用灰色關聯分析研究不同母質下土壤速效鋅、速效鉬與全氮、速效磷、速效鉀、有機質、高程、采樣點5 km范圍內面積超過200 m.2的采礦用地數量的灰色關聯度。此外，采用地統計學方法對速效鋅、速效鉬含量的空間變異規律進行研究。[結果]速效鋅和速效鉬均屬中等變異，鋅的變異性大于鉬，不同母質類型下速效鉬和速效鋅的含量存在顯著差異。不管何種母質的土壤樣點中，高程與鋅、鉬的關聯度水平均較高，高程為影響鋅、鉬變異的重要原因。半方差函數分析表明，鋅的最適模型為指數模型，鉬為線性模型，都存在一定的空間自相關性。[結論]鋅含量高值區在四周都有分布，中部含量較低，在鋅缺乏的區域要注意施加鋅肥。鉬的高值區主要集中在中上部區域，速效鉬含量整體水平相對較高。

關鍵詞 速效鋅；速效鉬；母質；灰色關聯分析

中圖分類號 S158.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）23-0093-05

Abstract [Objective] To study spatial variability and affecting factors of soil available zinc and molybdenum of agricultural land in different parent materials. [Method]Biyang County was selected as the case study area. A total of 406 soil samples were collected from the farmlands in Biyang for analysis of soil available zinc （Zn） and molybdenum （Mu）. Through analysis of variance， we worked out whether there were significant differences in the soil samples under different parent materials. Taking the available Zn and Mu of soil under different parent materials as the reference quantities， we used the grey correlation analysis method to calculate separately the degree of gray correlation between reference quantities and total nitrogen， available phosphorus， available potassium， organic matter， elevation， the number of sampling points of mining land with an area over 200 m.2 within 5km. In addition， the spatial variation of available Zn and Mu was investigated by geostatistical methods. [Result]Available Zn and Mu were both moderately variable， while the variability of Zn was greater than Mu. There were significant differences in the contents of available Zn and Mu under different parent materials. The elevation had high levels of gray correlation with Zn， Mu， regardless of the parent materials， indicating that elevation was an important cause of variation of Zn， Mu. The analysis of semivariance function showed that the optimal model of Zn was exponential model， while Mu linear model. [Conclusion]The area with higher content of Zn was distributed all around， the low content in the middle. Zn fertilizer should be applied in areas where Zn was deficient. The high value zone of Mu was mainly distributed in the upper middle of the study area. In general， the effective Mu content of cultivated land in Biyang County was relatively high.

Key words Available zinc；Available molybdenum；Parent material；Grey correlation analysis

微量元素為植物正常生長所不可缺少的，植物所需的微量元素主要來源于土壤，其在土壤環境中濃度過低或過高均會影響植物的產量與品質，特別是重金屬元素，可通過食物鏈影響人體健康，通過生態循環進一步影響整個生態系統[1-5]。在國家實施鄉村振興戰略農業優先發展的大背景下，在糧食安全和精準農業越來越受關注的今天，厘清耕地土壤的微量元素含量分布特征，精準把控耕地土壤養分狀況，對于保障農產品安全、提高農產品競爭力具有重要作用[6-9]。針對耕地土壤中有效微量元素的研究也日益成為農業和土壤科學關注的焦點。作為復雜綜合體的土壤，微量元素的含量、有效性和分布特征受到多種因子的共同影響[10]，除自然地理背景的成土母質，土壤自身屬性、耕作制度、種植植物等均影響金屬元素的積累和有效性[10-11]。

目前學者多選取生態脆弱區與農業典型代表區為研究區域，綜合運用地統計學與傳統統計學相結合的方式，或通過研究土壤重金屬元素如鉛、鎘、汞的含量，計算內羅梅綜合指數來判定土壤污染狀態及潛在生態危害，或探究土壤中植物生長必需元素的有效態含量來辨別土壤養分狀況[2，12-15]。研究大多通過分析不同土地利用方式、不同土壤類型、不同行政區劃分、不同尺度情況下土壤元素含量的差異性和分布特征，通過相關分析對元素來源進行一定的分析與解釋，進而提出改善土壤質量的指導與建議[16-19]。針對不同母質類型下耕地土壤有效態微量元素含量差異和比較的研究相對較少，而土壤中微量元素含量變異除受人類施肥等相關活動的影響外，大部分源于成土母質的不同。

泌陽是以農業生產為主的河南縣級市，全國油料百強縣，也是豫南地區重要的金屬、非金屬礦產基地。全縣面積大于200 m.2的采礦用地達561個，一定程度上影響泌陽農用地中土壤微量元素的含量。泌陽農作物以小麥、油料作物、大豆、玉米為主。研究表明，鋅元素能提高蛋白質含量，改善小麥籽粒的營養品質，鉬元素對于豆科作物具有十分重要的作用，可以提高油菜籽的含油率和油酸含量。筆者以河南省泌陽縣為研究區域，運用地統計方法分析耕地土壤中速效鋅與速效鉬的空間分布，通過方差分析判斷不同母質對速效鋅、速效鉬含量差異的影響，運用灰色關聯分析方法分別計算不同母質類型下土壤速效鋅、速效鉬與植物生長所需三大元素（氮、磷、鉀）、土壤有機質、海拔、采礦用地數量之間的灰色關聯度，并對其來源與影響因子進行分析。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

研究區泌陽縣（113°06′～113°48′E，32°34′～33°09′N）位于河南省南部，隸屬于駐馬店市（圖1），大陸性季風型濕潤氣候，年均降水量為921.2 mm，年均蒸發量1 720.4 mm，年均溫14.5 ℃。縣域面積2 783 km.2，糧食作物播種面積近12萬hm.2。泌陽縣地勢中部高，東西低，以淺山丘陵、沖積平原、河湖相沉積平原地貌為特征。成土母質主要有4種：殘積坡積物、洪積物、近代河流沉積物、湖相沉積物。

1.2 數據來源與處理

遵循農業部統一的耕地地力調查與質量評價技術規范和要求，于2009—2011年，根據泌陽縣行政區劃的耕地分布特征，考慮地貌類型、母質類型、土壤類型等因素布置采樣點位置和數量，使樣點控制范圍土壤基本屬性盡量相近。作物收獲后，在田塊采用“S”形布點多點混合采集0～20 cm深的土樣，最終得到有效土樣406個。理化分析步驟和要求按照《測土配方施肥技術規范》標準執行。測得每個樣點的土壤速效鋅（DTPA 浸提法）、速效鉬（草酸-草酸銨浸提）、有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量。此外，整理搜集研究區第二次全國土壤普查數據、土壤屬性空間數據、第二次全國土地調查數據等。

1.3 研究方法

運用 SPSS 21.0 軟件對土壤速效鋅和速效鉬含量特征進行描述性統計，并對不同母質類型下的樣點進行2種元素的單因素（ one-way ANOVA）方差分析，并利用最小顯著極差法（ LSD）進行多重比較。

地統計學在模擬具有空間變異性的土壤屬性空間分布中取得了較好的效果[11，20]，半方差函數是研究土壤空間變異性的關鍵，也是使克里格插值結果更精確的基礎[21]。利用GS + 9.0 進行土壤速效鋅和速效鉬半方差函數模型的擬合，選擇參數最佳時的模型，應用Arc GIS10.1 中的地統計模塊進行普通克里格插值，繪出研究區2種元素在農用地上的空間分布狀況。

灰色關聯分析在數據量較少的情況下，探索因素變化趨勢是否具有一致性，是衡量因素間關聯程度的一種方法[22-24]。常用的皮爾遜相關系數反映的是變量之間的線性關系和相關性的方向，不能很好地表征變量之間復雜的非線性關聯。該研究以速效鋅與速效鉬為參考數列，在不同母質類型下分別計算與全氮、速效磷、速效鉀、有機質、高程、采樣點5 km范圍內大于200 m.2采礦用地數量這6個因子的灰色關聯指數與灰色關聯度，分辨系數ρ取常用的0.5，軟件采用Excel 2010。

土壤速效鋅與速效鉬養分含量的等級參考全國第二次土壤普查養分等級劃分標準，并根據相關研究結果，最終以泌陽縣耕地地力評價專項項目劃分標準，分別將2種元素劃分為5個等級（表1）。

2 結果與分析

2.1 土壤速效鋅和速效鉬的基本統計特征

泌陽縣耕地表層土壤406個樣點的速效鋅和速效鉬描述性統計結果見表2、3。由表2、3可知，殘積物、坡積物發育而來的土壤，其土壤速效鉬含量在所有母質中均值最高，但速效鋅含量卻相反，在統計樣點中均值最低。不同母質類型下速效鉬的中值和平均值均較接近，速效鋅的中值低于相應均值。5種母質類型下速效鋅含量偏度和峰度均大于0，分布屬于右偏態，表明樣點中速效鋅含量高于均值的采樣點相對較多。速效鉬也僅在沖積物、河湖相沉積物母質下分布呈左偏態。速效鋅和速效鉬的變異系數為10%～100%，屬中等程度變異，整體而言，速效鋅的變異性大于速效鉬。由此可知，不同母質類型下速效鉬和速效鋅的含量存在顯著差異。

2.2 影響因素分析

從每種母質類型樣點中隨機抽取20個樣點，分別計算不同母質下全氮、速效磷、速效鉀、有機質、高程、采樣點5 km范圍內面積超過200 m.2的采礦用地數量與對應速效鋅和速效鉬的灰色關聯度，結果見表4。由表4可知，在殘積物、坡積物發育而來的土壤下，速效鉀與速效鋅的

關聯度最大，達0.970，但在其余4種母質類型下，兩者的關聯度在所選變量中均處于中等偏下水平。相對而言，速效磷與速效鋅的關聯度在不同母質類型下關聯度表現穩定，與其他變量相比均較低，而高程相反，5種母質類型下高程與速效鋅的灰色關聯度較高。全氮在洪沖積物母質類型下與速效鋅關聯度最高，在下蜀系黃土母質類型下關聯度最低。有機質通過影響結合物的狀態與數量而影響微量元素的有效性，在該研究區，復合母質類型沖積物、河湖相沉積物發育背景下，有機質含量的變化趨勢與速效鋅的相較其他變量更顯一致，但單論有機質而言，當母質為殘積物、坡積物時，其變化關聯度最高。整體而言，在殘積物、坡積物母質下，所選影響因子與速效鋅關聯度均較高。下蜀系黃土母質的采樣點中礦石數量與速效鋅的關聯度最高，不同于在其他母質類型下的表現。

由表5可知，6種變量與速效鉬的關聯程度在不同母質下表現不同。速效鉀與速效鉬的關聯程度在殘積物、坡積物中最高，但與其他因素相比，關聯度處于較低水平，僅比速效磷高，在洪沖積物發育而來的土壤中，關聯度僅為0.719，是除全氮、高程外第3個與速效鉬含量變化趨勢相近的。這也從側面表明在不同母質發育背景下，因子與有效鉬含量的關聯緊密度存在差異。在殘積物、坡積物中，關聯度最高為全氮0.956，同樣的變量中，沖積物、河湖相沉積物中最高為海拔0.858，在洪沖積物中最高關聯度為全氮0.787。其中，海拔和全氮2個變量與速效鉬的關聯度絕對大小在不同母質樣點中雖然不同，但與其他變量相比而言，處于較高水平。這表明海拔和全氮的變化能更大程度上影響速效鉬含量的變化水平。

2.3 土壤速效鋅和速效鉬的空間變異與分布特征

在GIS + 9.0環境中模擬半方差函數，速效鋅與速效鉬的數值經Log變化時符合正態分布，速效鉬采用線性模型，速效鋅采用指數模型時，對應的模型殘差值最小，擬合優度最接近1。最佳模型時的相關參數見表6。由表6可知，用于判定變量空間自相關程度的基地效應值大于75%，表明速效鋅樣點間的空間相關性較弱，其空間異質性更多可能源于隨機因素。樣點的速效鉬半方差分析的基地效應值表明其含量的空間自相關性處于中等水平。速效鋅和速效鉬的變程分別為 3.4和 32.2 km，說明速效銅和速效鋅的空間變異尺度不同。

在ArcGIS 10.2環境中，根據GIS+中模擬的最佳模型，得到研究區農用地土壤速效鋅和速效鉬的空間分布（圖2）。速效鋅和速效鉬含量均顯示出一定的區域聚集性。兩者高值區分布區域并不相似。速效鋅的高值區在研究區4個方向的農用地中均有分布，中間區域含量相對較少。東南部的馬谷田鎮速效鋅含量整體最高，與鄰近的盤古鄉以及高店鄉的速效鋅含量等值線弧度與海拔等值線弧度近似一致，暗示海拔對速效鋅含量的影響，而這些地區的農用地位于山間谷地和山腳下，土層較厚，適合種植業發展。在研究區東北區域，中部靠西位置速效鋅含量部分呈以高值為中心的環形分布，這一分布特征在速效鉬含量的空間變化中體現較明顯，但速效鉬的環形中心區域含量較低。速效鉬的高值區域大多分布在研究區農用地的上部區域，速效鋅和速效鉬的含量呈此消彼長的現象，全部樣點兩者含量的相關性分析也顯示兩者呈顯著負相關（P<0.01），在現有農戶小規模經營尺度下，大部分農戶并未形成撒施微量元素化肥的耕作習慣，2種元素相鄰區域的含量均未呈跳躍性差異，變化較平穩，其變異可能更多地源于其他自然屬性影響或土壤元素間的相互作用對有效性的影響。在愈發提倡規模經營的時代背景下，管理區域中土壤性質相似更利于統一管理。

3 結論與討論

該研究通過對泌陽縣耕地樣點速效鋅和速效鉬含量進行統計，結果表明，速效鋅含量的最大值達全國第二次土壤普查養分等級劃分標準中的極豐富水平（>3.0 mg/kg），大部分區域的速效鋅含量處于中等水平，需警惕速效鋅含量低的部分西部區域土壤質量的下降，必要時增施有機鋅肥，合理種植農作物，保持耕地的可持續生產能力。整個縣域耕地的速效鉬水平處于較理想的狀態，在速效鉬含量高的耕地區域，需注意速效鉬含量過高對農作物產量的影響。在不同母質背景下，不管是速效鋅還是速效鉬，高程都與之密切關聯，王玉軍等[8]研究表明，地勢高的耕地養分含量總體低，如何實現作物種植的最優布局，實現農業經濟與環境效益的雙贏，是值得進一步探究的問題。此外，基于適宜的半方差模型對元素含量進行普通克里格插值，直觀地表現了2種微量元素在研究區耕地的空間分布狀況。針對速效鋅和速效鉬含量的空間差異，應采取對應的耕作管理和施肥措施，改變以往粗放的施肥習慣，不僅能夠減少化肥的浪費，還可以有針對性地培肥土壤，提高耕地地力。目前人們越來越注重食品安全，特色農產品如富砷大米等滿足了多種個性化需求，可以通過發展精準農業，培育具有泌陽特色的高品質農產品，推動區域農業的發展。

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