秦皇島市耕作土壤微量元素含量特征分析

周聰

摘 要 以河北省秦皇島市為研究區域，采用GIS和地統計學方法，對土壤有效鐵、有效銅、有效錳和有效鋅含量的空間規律和影響因素進行分析。數據采用秦皇島市測土配方施肥數據，統計數據表明研究區土壤有效鐵含量基本處于較豐富水平，有效鋅、有效銅和有效錳含量基本處于適當水平。土壤中有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅的變異系數分別是52.8%、52.9%、101.8%、83.4%。土壤質地是影響有效態微量元素分布的主要原因，壤土對微量元素的富集起到了促進作用。

關鍵詞 微量元素;空間分布特征;空間變異特性;河北省秦皇島市

中圖分類號：S625.5+4 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.32.107

微量元素在植物的正常生長中起著非常重要的作用[1-2]。

土壤微量元素是作物營養物質的重要組成部分，其豐缺狀況直接影響作物的生長發育，同時一些微量元素如銅、鋅等含量過高易造成重金屬污染，破壞生態環境甚至危害人類健康[3-4]。

植物吸收的微量元素主要與土壤微量元素有效態有關[5]。影響土壤中微量元素有效態含量的因子很多，包括母質類型、微量元素全量、土壤pH、有機質含量、土壤質地、土壤通透性等，受土壤性質影響明顯[6-7]。

國內對秦皇島地區土壤肥力特征有了一些研究，但是缺少對微量元素特征的研究。土壤中微量元素的空間分布結構相似度較小，呈斑塊狀特點，準確認識其空間分布情況有助于指導肥料的科學施用[8-11]。基于此，通過地學統計和地理信息系統方法，以秦皇島耕作土壤為研究對象，采用空間插值法對研究區的土壤微量元素有效態空間分布特征進行分析，繪制空間分布圖，并主要分析土壤質地和土壤類型對空間分布特征的影響，為了解秦皇島市微量元素分布規律和土壤養分概況提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

秦皇島市位居于河北省東北部，地理坐標為東經118°33′～119°35′，北緯39°24′～40°37′，全市總面積7 812.4 km2;海拔由海濱的0.5 m向北呈階梯狀升高，最高峰為青龍縣都山，高達1846.33 m，地貌形態主要為中山、低山、丘陵、臺地等，坡度整體南部低緩、北部陡峻。

土壤類型依據第二次土壤普查共分為10個土類，其中棕壤、褐土、潮土占土地面積的80.74%以上。土地資源方面，區域差異明顯：北部山區以園地、林地為主，間以零星的自然保留地、耕地和建設用地;中部山地丘陵區以林地為主，間以零星的自然保留地和建設用地;中部山前平原區以耕地為主，間以零星的建設用地;南部沖積平原區以耕地、水域為主，間以零星的園地、林地等;東南部濱海平原區以建設用地、灘涂沼澤、耕地為主[12]。

1.2 數據來源

耕地土壤中鐵、錳、銅、鋅的有效態含量數據主要來自2005—2011年開展的秦皇島市測土配方施肥工作，GPS定位采樣點共計26 000個。采樣設計為：充分考慮第二次土壤普查信息，用土壤圖與行政區劃圖以及土地利用現狀圖疊加產生的圖斑作為調查的基本單元。每個單元代表面積46.2 hm2左右，采用“S”形取樣法在田塊中均勻隨機采取15個采樣點，采集0～20 cm土層土樣，充分混合后采用4分法留取1 kg。土壤中的有效性銅、鐵、鋅、錳采用原子吸收分光光度法（DTPA提取）測定[13]。

1.3 數據處理

數據分析主要在Excel和IBM Statistics SPSS 22軟件中進行，應用克里金插值法對數據進行空間分析，在ESRI ArcGIS 10.2軟件中進行輔助制圖。

2 結果與分析

2.1 耕作土壤微量元素含量狀況

2.1.1 土壤有效鐵含量

全市土壤中有效鐵含量平均為28.16 mg·kg-1，變化幅度在5.49～163.64 mg·kg-1。基于土壤有效微量元素分級指標（表1），土壤中有效鐵含量在4.5～10.0 mg·kg-1的區域有957 hm2，占總耕地的比例為0.5%;含量在10.0～20.0 mg·kg-1的區域有62 546.73 hm2，占總耕地的比例為32.8%;含量在20.0 mg·kg-1以上的區域有127 318.27 hm2，占總耕地的比例達到66.7%（表2）。說明研究區土壤有效鐵含量處于較豐富水平。

2.1.2 土壤中有效錳含量

全市土壤有效錳含量平均為18.65 mg·kg-1，變化幅度在3.93～64.39 mg·kg-1。其中含量小于5.0 mg·kg-1的區域有18.13 hm2，占總耕地的比例小于0.1%;含量在5.0～15.0 mg·kg-1的區域有58 996.53 hm2，占總耕地的比例為30.9%;含量在15.0～30.0 mg·kg-1的區域有103 247.40 hm2，占總耕地的比例為54.1%;含量在

30.0 mg·kg-1以上的區域有28 559.94 hm2，占總耕地的比例為15.0%。說明研究區土壤有效錳含量處于適當水平。

2.1.3 土壤中有效銅含量

秦皇島市耕層土壤中有效銅含量平均為1.56 mg·kg-1，變化幅度在0.14～33.84 mg·kg-1。其中含量小于0.2 mg·kg-1的極低區有0.47 hm2，占總耕地的比例小于0.1%;含量在0.2～1.0 mg·kg-1的區域有42301.88 hm2，占總耕地的比例為22.2%;含量在1.0～1.8 mg·kg-1的區域有88428.00 hm2，占總耕地的比例為46.3%;大于1.8 mg·kg-1的區域有60089.80 hm2，占總耕地的比例為31.5%。說明研究區土壤有效銅含量處于適量水平。

2.1.4 土壤中有效鋅含量

全市土壤中有效鋅含量平均為1.38 mg·kg-1，變化幅度在0.1～13.8 mg·kg-1。其中含量小于0.5 mg·kg-1的區域有8376.52 hm2，占總耕地的比例為4.3%;含量在0.5～1.0 mg·kg-1的區域有77 226.40 hm2，占總耕地的比例為40.4%;含量在1.0～3.0 mg·kg-1的區域有89 221.93 hm2，占總耕地的比例為46.8%;含量在3.0 mg·kg-1以上的區域有15 997.15 hm2，占總耕地的比例為8.4%。說明秦皇島市土壤有效鋅含量整體處于適當水平。

2.2 耕作土壤中微量元素空間變異特征

由表3可知，土壤中有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅的變異系數分別是52.8%、52.9%、101.8%、83.4%。一般認為，變異系數能反應隨機變量的離散程度，變異系數10%為弱變異，變異系數10%～100%為中等變異，變異系數>100%為強變異[14]。按照變異系數的分級，有效鐵、有效鋅和有效錳屬于中等變異，有效銅屬于強變異，其變異系數達到了101.8%，變異程度高，結合原始數據顯示高值比較居中。變異強度大小順序為有效銅>有效鋅>有效錳>有效鐵。

為了直觀反映微量元素的空間分布特征，應用ArcGIS的克里金空間插值法進行分析，繪制空間分布圖，結果顯示，有效鐵含量在空間上整體呈環帶分布，且含量>10 mg·kg-1的面積占了大部分，局部有小斑塊;有效錳的高值主要分布在研究區域的西部，低值

5～15 mg·kg-1的面積集中在研究區域中部;有效銅的高值主要集中在研究區域的南部和東部，最低值集中在北部;有效鋅的高值集中在研究區域東南部，低值

0.3～0.5 mg·kg-1的面積在西北部分布集中。微量元素空間分布特征無明顯規律，產生這種現象的原因主要與研究區的成土母質有關。秦皇島市的成土母質主要為風化殘積物、洪積物、沖積物、海相沉積物和風積物，是影響微量元素含量和空間分布的首要因素[15]。

2.3 土壤微量元素含量分布特征影響因素

2.3.1 土壤質地與微量元素含量特征關系

利用土壤質地圖對土壤微量元素有效態含量柵格數據進行統計分析（表4），一般情況下微量元素含量高低遵循黏土>壤土>砂土[5]，但由于施肥等會嚴重影響微量元素的空間分布，導致微量元素隨質地變化無明顯趨勢[16]。輕壤質和砂壤質土的有效鐵含量相對較高，輕壤質土的有效鋅和有效錳含量較高。因此，土壤質地是影響有效態微量元素分布的重要因素，壤土對微量元素的富集起到了促進作用。

2.3.2 土類與微量元素含量特征關系

表5為不同類型土壤的微量元素含量特征。成土母質是影響微量元素含量高低的主要因素，其中棕壤中有效鐵的平均含量最高，褐土中有效錳的平均含量最高，沼澤土中有效銅平均含量最高。有效鐵在棕壤中含量高、有效錳在褐土中含量高，說明土壤類型對有效鐵、有效錳有顯著影響。有效銅和有效鋅的含量在各土壤類型分布不顯著，說明土壤類型對有效銅和有效鋅的影響較小。

3 結論

本文利用GIS和地統計學方法對秦皇島地區耕作土壤微量元素含量特征進行分析，主要結論如下。

1）統計數據表明，全市有效鐵含量平均為

28.16 mg·kg-1，變化幅度在5.49～163.64 mg·kg-1，研究區土壤有效鐵含量基本處于較豐富水平，有效鋅、有效銅和有效錳含量處于適當水平。

2）土壤中有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅的變異系數分別是52.8%、52.9%、101.8%、83.4%。克里金空間插值法分析顯示，有效鐵含量在空間上整體呈環帶分布，有效錳的高值主要分布在研究區域的西部，有效銅的高值主要集中在研究區域的南部和東部，有效鋅的高值集中在區域東南部。微量元素空間分布特征無明顯規律，產生這種現象的原因主要與研究區的成土母質有關，秦皇島的成土母質主要為風化殘積物、洪積物、沖積物、海相沉積物和風積物。

3）土壤質地是影響土壤有效態微量元素分布的主要原因，壤土對微量元素的富集起到了促進作用。土壤類型對有效鐵、有效錳有顯著影響，對有效銅和有效鋅的影響較小。

參考文獻：

[1] 魏孝榮，郝明德，張春霞.長期施用微量元素肥料對土壤微量元素含量的影響[J].干旱地區農業研究，2002，20（3）：22-25.

[2] 張超，劉國彬，薛萐，等.黃土丘陵區不同植被根際土壤微量元素含量特征[J].應用生態學報，2012，23（3）：645-650.

[3] 王波，毛任釗，曹健，等.海河低平原區農田重金屬含量的空間變異性：以河北省肥鄉縣為例[J].生態學報，2006（12）：4082-4090.

[4] 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，2010，24（5）：45-48，67.

[5] 朱靜，黃標，孫維俠，等.農田土壤有效態微量元素的時空變化及其影響因素研究[J].南京大學學報（自然科學版），2007（1）：1-12.

[6] 俞元春，曾曙才，羅汝英.江南丘陵林區森林土壤微量元素的含量與分布[J].安徽農業大學學報，1998（2）：3-5.

[7] 莫潤蒼，鄒邦基.土壤鋅鐵銅錳形態分布及其有效性[J].熱帶亞熱帶土壤科學，1997（3）：171-175.

[8] 劉永紅，倪中應，謝國雄，等.浙西北丘陵區農田土壤微量元素空間變異特征及影響因子[J].植物營養與肥料學報，2016，22（6）：1710-1718.

[9] 崔愛華，張東啟，郭盧，等.亳州煙區農田耕作層土壤微量元素含量研究[J].土壤，2014，46（6）：1164-1168.

[10] 范文杰，張洪江，程金花，等.河北省吳橋縣土壤微量元素空間分布特征[J].中國水土保持科學，2015，13（1）：91-95.

[11] 孟霖，宋文靜，王程棟，等.貴州中部山區植煙土壤微量元素分布特征[J].中國煙草科學，2015，36（3）：57-62.

[12] 陳利國，劉建玲.河北省秦皇島市耕地地力評價與利用[M].北京：知識產權出版社，2015：2-4.

[13] 全國農業技術推廣服務中心.土壤分析技術規范[M].北京：中國農業出版社，2006：10-12.

[14] 魏小慧，佀國涵，張友臣，等.十堰植煙土壤有效態微量元素分布特征及評價[J].安徽農業科學，2017，45（8）：128-131，134.

[15] 陶澍，曹軍，李本綱，等.深圳市土壤微量元素含量成因分析[J].土壤學報，2001（2）：248-255.

[16] 武婕，李玉環，李增兵，等.南四湖區農田土壤有機質和微量元素空間分布特征及影響因素[J].生態學報，2014，34（6）：1596-1605.

（責任編輯：劉 昀）