新疆若羌縣土壤微量營養元素的空間分布特征及影響因素

曾妍妍，周金龍，陳云飛，王松濤，杜江巖，范 薇

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2. 新疆水文水資源工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830052；3. 新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第二水文工程地質大隊，新疆 昌吉 831100)

土壤中的錳、鋅、銅、鉬、硼等元素，是植物正常生長所必需的微量營養元素。鐵是土壤中的大量元素，為植物正常生長所必需，但在植物體內的含量很低，所以也被列為微量營養元素。人類、動物和農作物所需微量營養元素數量微小，但其缺乏會對農作物生產和人類、動物健康造成嚴重影響[1]。微量元素參與許多酶系統的活動，在氮、磷、碳的代謝過程中以及在生物氧化過程中均有微量元素參與。微量營養元素主要從土壤礦物質中獲得，前人研究表明，其有效性常受土壤理化性質(有機質和pH值等)、成土母質、土地利用類型、地下水位埋深、灌溉水質、降水、地形等因素影響[2-6]。

若羌縣作為新疆維吾爾自治區(以下簡稱“新疆”)發展紅棗產業的大縣，了解當地土壤中微量營養元素分布狀況及豐缺程度，利用微量營養元素含量較高的區域發展若羌縣紅棗產業。而前人對新疆若羌縣土壤微量營養元素方面的研究總體相對較少。因此，新疆地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊和新疆農業大學于2015年在新疆和田—若羌綠洲帶展開了1∶25萬土地質量地球化學調查工作。本文以若羌縣農田表層土壤(0～20 cm)為研究對象，采集了143組土壤樣品，以了解農田微量營養元素的含量、空間分布特征及豐缺狀況，為當地合理施加微肥提供科學依據，并且對更合理地持續開發利用農田土壤資源，提高當地農作物的產量和品質，同時對保護人類身體健康具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

若羌縣位于新疆東南部，塔克拉瑪干大沙漠東南緣，阿爾金山北麓，縣域地處東經86°45′～93°45′，北緯36°05′～41°23′。地勢南高北低，由西南向東北傾斜，地形平緩。根據研究區的地貌形態、成因類型及物質組成，可將研究區地貌類型劃分為：構造侵蝕中低山區、侵蝕剝蝕堆積平原和剝蝕堆積平原。研究區內除農業用地、戈壁礫石帶和零星相間沙丘及少數鹽土外，其余為灌木、野生植被覆蓋的荒漠區，主要植被有天然胡楊林、紅柳、蘆葦、白刺、甘草等[7-8]。

若羌縣屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，年平均溫度11.8℃，極端最高溫度43.6℃，極端最低溫度-27.2℃；年平均相對濕度39℃，無霜期189～193 d；年平均降水量28.5 mm，年平均蒸發量2 920.2 mm[9]。研究區屬典型的農牧區，農業以種植業為主，糧食作物主要有小麥、玉米，經濟作物主要有紅棗、棉花、黃豆、瓜類、水果、蔬菜等，且以紅棗為主。

1.2 土壤樣品的采集與測試

土壤樣品于2015年10月采集，采用網格布點法共采集表層土壤樣品143個，采樣深度為0～20 cm。土壤采樣點按照取樣密度1個·km-2布設(圖1)。

土樣中微量營養元素含量由國土資源部烏魯木齊礦產資源監督檢測中心(新疆維吾爾自治區礦產實驗研究所)進行測試，其中，Fe和Mn采用波長色散X射線熒光光譜法測定，檢出限分別為0.03 g·kg-1和3.254 mg·kg-1；Mo采用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定，檢出限為0.012 mg·kg-1；Cu和Zn采用全譜直讀光譜法測定，檢出限分別為0.952 mg·kg-1和0.644 mg·kg-1；B采用發射光譜法測定，檢出限為0.902 mg·kg-1[10-11]。

圖1 研究區表層土壤采樣點分布Fig.1 Distribution of the soil sampling points in Ruoqiang County

1.3 數據處理

數據采用SPSS 19.0統計軟件進行描述性統計和正態分布檢驗，其中采用Kolmogorov-Smirnov正態性檢驗方法[P(k-s)>0.05]來檢驗數據是否服從正態分布，如果數據不服從正態分布，則需要對其進行對數或冪變換使其接近于正態分布，以達到較好的地統計學插值效果。采用GS+7.0軟件進行半方差函數的計算和理論模型的擬合。采用ArcGIS 10.2軟件中的Geostatisttical Analyst模塊繪制各元素的空間分布圖，采用克里金插值法進行地統計分析，當數據服從正態分布時，可選用普通克里金插值；若服從對數正態分布，則選用對數克里金插值；若服從冪指數正態分布，則選用冪指數克里金插值。

2 結果與分析

2.1 土壤微量營養元素含量統計分析

研究區土壤微量營養元素含量統計結果見表1，B的平均含量與新疆背景值相比增加36.0%，其余元素平均含量均低于新疆土壤背景值，說明該地土壤中B有不同程度的累積。變異系數可以反映微量營養元素含量的變異程度，并在一定程度上反映其受人為影響的程度。由表1可以看出，Fe、Mn、Zn、Cu、Mo和B屬于中等變異性，其中，Fe、Mn和Zn變異系數較小，均小于25%，說明Fe、Mn和Zn受外界影響較一致，可能具有相同的來源[12]。

表1 表層土壤微量營養元素含量統計分析(n=143)Table 1 Descriptive statistics of micronutrients in surface soil

注：“背景值”參考成杭新等2014年報道的新疆土壤中化學元素的背景值[13]；“P”為雙側近似P值，“P′”為對數/冪變換后雙側近似P值。

Note: “Background value” refers to the report on the chemical elements in the soils of Xinjiang, China by Cheng Hangxin et al. in 2014[13]; “P” indicates that the asymptotic significance (2-tailed), “P′” indicates that the asymptotic significance after logarithmic/power transformation.

2.2 土壤微量營養元素含量的空間變異結構特征

在進行地統計分析之前，需要對數據進行正態分布檢驗，若不服從正態分布，則需要對數據進行對數或冪變換使其接近于正態分布。由表1可見，土壤中Fe、Mn、Zn、Cu含量服從正態分布，B服從對數正態分布，Mo服從冪指數正態分布。

塊金值C0、偏基臺值C和基臺值的比值C0/(C0+C)(即塊金效應)分別表示隨機變異(人為因素)和結構變異(自然因素)引起的空間變異占總體變異的比重。C0/(C0+C)比值小于25%，說明微量營養元素具有強烈的空間相關性，變異主要由結構性變異組成；比值在25%～75%之間，說明微量營養元素具有中等空間相關性；比值大于75%，說明微量營養元素空間相關性很弱，變異主要由隨機變異組成[14-16]。

表2為研究區土壤微量營養元素擬合的最優半變異函數模型參數，由表2擬合效果可知，Fe、Mn、Cu符合球形模型，Zn、Mo和B符合指數模型。從塊金效應來看，Fe、Mn、Zn、Mo和B的塊金效應均小于25%，空間相關性較強，空間變異主要受到自然因素的影響，如成土母質等；Cu的塊金效應為49.8%，介于25%～75%之間，屬于中等空間相關，空間變異同時受到人為因素和自然因素的影響。同時，從表2可以看出，變程介于2.27～9.36 km之間，說明土壤微量元素在這個范圍內存在空間自相關性，超過此范圍空間自相關性消失[4,17]。

2.3 土壤微量營養元素含量的空間分布特征

平均誤差和標準化均方根誤差是判斷插值模型精度的重要參數。平均誤差(Mean error，ME)越接近于0，精度越高；標準化均方根誤差(Root mean square standardized error，RMSSE)越接近1，精度越高，大于或小于1，表示高估或低估了預測值[17]。由表2可知，各元素預測平均誤差都接近于0，標準化均方根誤差都接近于1，表明各插值模型的預測精度較高，預測結果可反應出無監測點區域的土壤微量營養元素分布狀況。本文采用克里金插值法繪制各元素的空間分布圖(圖2)，Fe、Mn、Zn和Cu含量服從正態分布，選用普通克里金插值模型；B服從對數正態分布，選用對數克里金插值；Mo服從冪指數正態分布，選用冪指數克里金插值。基于ArcGIS的空間統計分析，得到研究區面積為155.25 km2，Fe、Mn、Zn、Cu、Mo和B含量依據土地質量地球化學評價規范(DZ/T0295-2016)[18]中的分級標準進行等級劃分，各分級面積及比例見表3。

表2 表層土壤微量營養元素半方差函數模型與精度參數Table 2 Semivariogram models and precision parameters of micronutrients in surface soil

圖2 表層土壤微量營養元素含量空間分布/(mg·kg-1)Fig.2 Spatial distribution of micronutrients in surface soil

由圖2和表3可以看出，Fe、Mn、Zn和Cu的空間分布格局相似，總體呈現出從研究區四周向中心含量逐漸增大的趨勢(圖2a～d)；Mo和B的空間分布格局相似，總體呈現出從南向北含量逐漸增大的趨勢(圖2e～f)。其中，Fe、Zn和Cu均是以較缺乏水平所占的比例最高，分別為50.0%、53.7%和29.4%；Fe等級為豐富的比例為0.1%，該區域零星分布在研究區的中西部；Zn等級為較豐富及以上的比例僅為1.3%，該區域零星分布在研究區的西部和東部；Cu等級為豐富的比例為14.3%，該區域主要分布在研究區的中西部。Mn以中等水平所占的比例最高，為48.0%，等級為豐富的比例為1.1%，該區域零星分布在研究區的中西部。Mo和B等級達到豐富的比例均為最高，分別為88.2%和51.2%，該區域主要分布在研究區的北部。

表3表層土壤微量營養元素含量分級與面積統計

Table 3 Grading and area statistics of micronutrients in surface soil

元素Elements項目Items分級ClassificationⅠ級(缺乏)GradeⅠ(Deficient)Ⅱ級(較缺乏)GradeⅡ(Relativelydeficient)Ⅲ級(中等)GradeⅢ(Moderate)Ⅳ級(較豐富)GradeⅣ(Relativelyrich)Ⅴ級(豐富)GradeⅤ(Rich)Fe分級Level/(mg·kg-1)<2424～2929～3232～37>37面積Area/km248．3577．5823．365．830．13比例Ratio/%31．150．015．03．80．1Mn分級Level/(mg·kg-1)<375375～500500～600600～700>700面積Area/km27．2543．2774．4528．521．76比例Ratio/%4．727．948．018．31．1Zn分級Level/(mg·kg-1)<5050～6262～7171～84>84面積Area/km224．183．2645．852．030．01比例Ratio/%15．553．729．51．30．0Cu分級Level/(mg·kg-1)<1616～2121～2424～29>29面積Area/km227．0845．5735．5324．7922．28比例Ratio/%17．429．422．916．014．3Mo分級Level/(mg·kg-1)<0．450．45～0．550．55～0．650．65～0．85>0．85面積Area/km20．000．000．1218．20136．93比例Ratio/%0．00．00．111．788．2B分級Level/(mg·kg-1)<3030～4545～5555～65>65面積Area/km20．0022．4926．8426．3879．54比例Ratio/%0．014．517．317．051．2

土壤中微量營養元素的豐缺狀況會直接影響當地農作物的生長以及農產品的產量和品質。從總體上看，研究區土壤中Fe、Zn和Cu元素豐缺程度為Ⅱ級(較缺乏水平)，Mn元素豐缺程度為Ⅲ級(中等水平)，Mo和B元素豐缺程度為Ⅴ級(豐富水平)。

2.4 土壤微量營養元素含量空間分布的影響因素

前人研究表明，土壤有機質、pH值、成土母質、土地利用類型、地下水位埋深、灌溉水質、降水、地形等均是影響土壤微量營養元素含量的主要因素。在地下水位淺埋條件下，潛水蒸發是土壤水補給的主要來源，此時，地下水鹽可轉化為土壤水鹽；當潛水埋深較大時，潛水蒸發對土壤水的補給已不起作用[19-21]。由研究區水井調查資料可知地下水埋深均大于6 m，因此可以不考慮潛水蒸發對土壤元素含量的影響。依據2014年灌溉地表水和地下水水質測試數據可知研究區灌溉水質均滿足農田灌溉水質標準(GB5084-2005)[22]，水質中與本研究相關的微量元素含量均遠低于該標準限值，因此可不考慮灌溉用水水質對土壤中微量營養元素含量的影響。研究區為暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候，降水稀少，蒸發強烈，且該區地形平緩，可不考慮降水及地形對土壤中微量營養組分含量的影響。因此，本節主要討論土壤有機質、pH值、成土母質、土壤類型和土地利用類型對土壤微量營養元素含量的影響。

2.4.1 土壤有機質和pH值對土壤微量營養元素含量的影響 土壤是母質、氣候、地形等諸多因素綜合作用下形成的自然綜合體，其理化性質直接影響著元素在土壤中的含量[23]。為研究若羌縣土壤微量營養元素含量與土壤有機質、pH值的關系，對土壤有機質、pH值與土壤微量營養元素含量進行相關性分析(表4)。

表4 有機質、pH值與土壤微量營養元素含量的相關性Table 4 Correlation between soil organic matter, pH and micronutrients in surface soil

注：“*”表示在P<0.05水平顯著，“**”表示在P<0.01水平顯著。

Note:“*” significant correlation atP<0.05, and “**” significant correlation atP<0.01.

研究區土壤有機質、pH值與土壤微量營養元素含量相關性分析結果表明，Fe、Mn、Zn、Cu和B含量與土壤有機質呈現極顯著正相關關系，Mo含量與土壤有機質無相關關系；Fe、Mn和Cu含量與pH值呈現顯著或極顯著正相關關系，Zn、Mo和B含量與pH值無相關關系。

2.4.2 成土母質對土壤微量營養元素含量的影響 成土母質是影響土壤肥力的重要因素，母質是土壤形成的基礎，前人研究表明由于母質的差異致使土壤特性存在著很大變異[24]。由表5可以看出，不同成土母質下土壤中微量營養元素中B的總體差異較大，含量范圍為49.8～91.0 mg·kg-1，表現為洪積物>風積物>沖洪積物>沖積物；其余5種微量營養元素的含量差異較小，其中，Fe、Mn和Cu含量均以沖積物最高，Zn含量以洪積物最高，Mo含量以風積物最高。綜上所述，不同母質發育的土壤，養分分布具有差異性。

2.4.3 土壤類型對土壤微量營養元素含量的影響 結合遙感解譯和實地調查驗證，研究區土壤類型有棕漠土、灌淤土和林灌草甸土。由表5可以看出，Fe、Mn、Zn和Cu平均含量均表現為灌淤土>林灌草甸土>棕漠土， Mo和B平均含量均表現為林灌草甸土>灌淤土>棕漠土。綜上所述，不同土壤類型下各微量營養元素的含量具有一定程度的差異性，同一土壤類型下各微量營養元素之間也有一定的差別。

表5 不同成土母質和土壤類型的表層土壤微量營養元素平均含量/(mg·kg-1)Table 5 Average contents of micronutrients of different parent materials and soil types in surface soils

2.4.4 土地利用類型對土壤微量營養元素的影響 土地利用是自然和人類活動相互作用的綜合過程，是土壤肥力的主要影響因素，土地利用方式與土壤理化性狀的變化有著密切關系[25-27]。不同的輪作制度、管理模式、肥料類型等都可能會導致土壤微量營養元素含量的差異[4]。為去除上面討論的成土母質對土壤微量營養元素的影響水平，本小節討論不同成土母質條件下各土地利用類型對土壤微量營養元素的影響。由表6可以看出，成土母質為風積物條件下，Fe、Mn、Zn和Cu含量均以果園林地最高，其次為耕地，Mo和B含量則以耕地最高，其次為果園林地；成土母質為沖積物條件下，Fe、Mn和Cu含量均以果園林地最高，其次為耕地，Zn、Mo和B含量則以耕地最高；成土母質為沖積洪積物條件下，6種微量營養元素含量均以耕地最高；成土母質為洪積物條件下，土地利用類型為果園林地。綜上所述，不僅在不同成土母質條件下各土地利用類型具有一定程度的變異，同一土地利用類型下各微量營養元素之間也有一定的差別，說明人類活動對不同土地利用類型的土壤具有較為明顯的影響。

表6 不同成土母質條件下各土地利用類型的表層土壤微量營養元素平均含量/(mg·kg-1)Table 6 Average contents of micronutrients of various land use types under different parent materials conditions in surface soils

3 結 論

1)研究區表層土壤中B平均含量高于新疆背景值，其余元素平均含量均低于新疆背景值。Fe、Mn、Zn、Cu、Mo和B變異系數介于18.2%～47.4%，均屬于中等變異。

2)研究區表層土壤中Fe、Zn和Cu元素豐缺程度為較缺乏水平，Mn元素豐缺程度為中等水平，Mo和B元素豐缺程度為豐富水平。

3)通過半變異函數模型分析可知，Fe、Mn、Zn、Mo和B的塊金效應均小于25%，空間相關性較強，空間變異主要受到自然因素的影響；Cu的塊金效應介于25%～75%之間，屬于中等空間相關，空間變異同時受到人為因素和自然因素的影響。

4)研究區表層土壤中6種微量營養元素均表現出明顯的空間分布規律。Fe、Mn、Zn和Cu的空間分布格局相似，總體呈現出從研究區四周向中心含量逐漸增大的趨勢；Mo和B的空間分布格局相似，總體呈現出從南向北含量逐漸增大的趨勢。

5)研究區表層土壤中Fe、Mn、Zn、Cu和B含量與土壤有機質呈極顯著正相關關系，Fe、Mn和Cu含量與pH值呈現顯著或極顯著正相關關系。同時，不同的成土母質、土壤類型和土地利用類型對土壤微量營養元素的含量也有不同程度的影響。