青海省黃土丘陵區(qū)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(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710021；2.青海省林業(yè)調(diào)查規(guī)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(zhì)和外源輸入長期作用的結(jié)果［1］，是土壤空間異質(zhì)性具體表現(xiàn)［2］。土壤中微量元素是土壤的重要組成成分，是表征土壤質(zhì)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(dòng)物的健康等［3］。自20世紀(jì)90年代以來，許多學(xué)者對土壤微量元素的空間變異規(guī)律做了較多研究。冉勇等［4］應(yīng)用選擇性化學(xué)浸提法對黃土區(qū)土壤中鋅的化學(xué)形態(tài)空間分布進(jìn)行了分析研究；徐尚平等［5］利用克里金法對內(nèi)蒙古土壤微量元素含量的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析；于君寶等［6］系統(tǒng)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(qū)選擇平原地區(qū)，并且較少的考慮土壤類型、林型、土壤養(yǎng)分、理化性質(zhì)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(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，關(guān)系到西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)的成效［7－9］。近年研究認(rèn)為微量元素在土壤中有著至關(guān)重要的作用，當(dāng)土壤中缺乏某種微量元素時(shí)，會導(dǎo)致植被出現(xiàn)缺素癥狀，通常表現(xiàn)為葉色變異，組織壞死及生長點(diǎn)萎縮或死亡。因此，研究該地區(qū)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(qū)域植被的生長，對于揭示該地區(qū)乃至整個(gè)黃土高原地區(qū)的土壤質(zhì)量狀況以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本研究選取黃土丘陵溝壑區(qū)研究區(qū)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yǎng)分、pH值、有機(jī)質(zhì)及林型對該地區(qū)土壤微量元素空間分布的影響，從而為該地區(qū)植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省黃土丘陵區(qū)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(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)，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?dú)夂蛱卣鳌Ｓ?012年9—12月在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)位于青海省黃土丘陵溝壑區(qū)進(jìn)行采點(diǎn)取樣，林地面積1.81×106hm2（林地面積參考2009年森林資源更新調(diào)查數(shù)據(jù)）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(qū)），共計(jì)14個(gè)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(fā)量1 100～1 800mm，無霜期68～184d，風(fēng)速1.2～2.8m／s。監(jiān)測區(qū)土壤隨地形、海拔、氣候、成土母質(zhì)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(gè)地帶性土壤類型。非地帶土壤有沼澤土、灌淤土、風(fēng)沙土、潮土和新積土5個(gè)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(shè)與樣品采集

根據(jù)不同土壤類型設(shè)置72個(gè)樣地，共采集272個(gè)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(diǎn)位置根據(jù)土壤類型采用GPS定位分布。野外采集的土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干后，再按分析要求研磨成不同粒度。

1.3 分析方法

有效態(tài)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(tài)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(jìn)行相關(guān)性分析。

2 各層土壤微量元素有效態(tài)含量分布

在土壤科學(xué)研究中，可根據(jù)土壤性質(zhì)的變異系數(shù)對其變異程度進(jìn)行分類：變異系數(shù)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果詳見表1。

表1 土壤微量元素有效態(tài)含量剖面分布特征

從表1可以看出，有效態(tài)銅在0—100cm土層之間的變異系數(shù)為40.39%～46.27%屬于高度變異土壤性質(zhì)，有效態(tài)鐵在0—100cm土層之間的變異系數(shù)為62.53%～67.97%屬于高度變異土壤性質(zhì)，有效態(tài)錳在0—100cm土層之間的變異系數(shù)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(tài)鋅在0—100cm土層之間的變異系數(shù)為46.30%～57.26%屬于高度變異，有效態(tài)硼在0—100cm土層之間的變異系數(shù)為43.22%～67.74%也屬于高度變異。從數(shù)據(jù)來看，今后在該區(qū)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(tài)的變異系數(shù)均較大。其主因可能與調(diào)查樣地的復(fù)雜地貌有關(guān)，由于研究區(qū)有山地、丘陵、峽谷、盆地等類型，土壤的成土母質(zhì)和微氣候均存在較大差異，因而其變異系數(shù)較大。

元素在土壤剖面中的分布受到多種因素影響而表現(xiàn)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(guī)則分布型［12］。所測區(qū)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(tài)含量基本屬平均分布，因此研究區(qū)域?qū)儆诰鶆蚋患汀?/p>

2.1 不同土壤類型下混層土有效態(tài)微素含量分布

在所測土系中，各微量元素有效態(tài)含量總體趨勢結(jié)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(dá)最低水平，表明灌淤土其本身土質(zhì)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(shù)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(nóng)業(yè)利用方式對有效態(tài)含量的影響明顯來源于母質(zhì)的影響；土壤微量元素有效態(tài)又易受到外在因子影響，因而其變異系數(shù)較大。

2.2 不同林型下混層土有效態(tài)微素量分布

在不同林型下，各微量元素有效態(tài)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(fā)現(xiàn)針闊混交林的各微量元素含量都達(dá)到中高水平，從而使有效態(tài)鋅和錳的含量提高；另外從變異系數(shù)情況來看除有效鐵屬于高度變異達(dá)41.1%外，其余4種有效態(tài)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(tài)含量受耕作、施肥和種植等人為活動(dòng)的影響較為顯著。

表2 不同土壤類型下混合層土壤有效態(tài)微量元素含量分布 mg／kg

表3 有效態(tài)微量元素在不同林型下的含量水平

3 微量元素有效態(tài)含量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤酸堿度是土壤重要的性質(zhì)之一，是土壤形成過程和熟化培肥過程的一個(gè)指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)對土壤形成、土壤肥力、環(huán)境保護(hù)及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)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(guān)系，在這里僅對pH值、有機(jī)質(zhì)這兩種理化性質(zhì)與土壤微量元素做相關(guān)分析。

3.1 與土壤pH值的關(guān)系

從表4可見，本研究中土壤有效態(tài)鐵、錳、鋅與土壤pH值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中土壤有效鐵呈極顯著負(fù)相關(guān)性（r＝－0.810＊＊），土壤有效鋅呈極顯著負(fù)相關(guān)性（r＝－0.259＊＊），土壤有效錳呈顯著負(fù)相關(guān)性（r＝－0.145＊），土壤有效硼呈顯著正相關(guān)性（r＝0.143＊），由此可見，pH 值越高的地區(qū)，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(guān)性 mg／kg

3.2 土壤微量元素有效態(tài)含量與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

從表5可以看出，土壤有效鐵與有機(jī)質(zhì)之間存在著極顯著正相關(guān)關(guān)系（r＝0.730＊＊），土壤有效鋅與有機(jī)質(zhì)之間存在著極顯著正相關(guān)關(guān)系（r＝0.392＊＊）說明有機(jī)質(zhì)對提高有效鐵、有效鋅的含量有顯著促進(jìn)作用。這主要是由于土壤有機(jī)質(zhì)的酸性基團(tuán)可以活化土壤鐵、鋅，從而形成可溶性鐵、鋅的絡(luò)合物，增加其有效性。土壤有效銅與土壤有機(jī)質(zhì)之間存在負(fù)相關(guān)性（r＝－0.044）但未達(dá)到顯著水平，土壤有效錳、硼與土壤有機(jī)質(zhì)之間存在正相關(guān)性（r值分別為0.077，0.008），未達(dá)到顯著水平。

表5 土壤有機(jī)質(zhì)與微量元素有效含量的相關(guān)性 mg／kg

4 土壤微量元素的等級評價(jià)

土壤中微量元素缺乏與否，通常看有效態(tài)含量的高低［13］。根據(jù)土壤微量養(yǎng)分供應(yīng)能力，參考西北水保所、南京土壤所土壤微量元素分級標(biāo)準(zhǔn)，甘肅省土壤養(yǎng)分豐缺分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合青海省土壤養(yǎng)分含量，將所測區(qū)域土壤微量元素的有效態(tài)含量分為極缺（極低）、缺（低）、中等（中）、豐富（高）等4個(gè)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(xiàn)頻率分別為1.84%，21.69%，且兩元素中級的出現(xiàn)頻率分別達(dá)到10.66%，25.74%；這表明所測區(qū)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(tài)分級［14－15］與各級出現(xiàn)頻率

5 結(jié)論

（1）監(jiān)測區(qū)林地土壤有效態(tài)微量元素鐵、銅和硼的養(yǎng)分狀況達(dá)到中等和豐富水平的比例在90%以上；錳元素和鋅元素養(yǎng)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(jiān)測區(qū)土壤剖面微量元素養(yǎng)分狀況呈現(xiàn)均勻富集型。不同土系，黑褐土、黑鈣土的五種有效態(tài)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(zhì)為沙壤土，沙壤土中有機(jī)質(zhì)分解快、積累下來的比較少，由此導(dǎo)致土壤保肥性差，各種養(yǎng)分都比較貧乏。因此可以人為提高灌淤土的常量養(yǎng)分狀況，以提升土壤的微量元素狀況。

（2）土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分貧瘠的顯著性指標(biāo)之一，分析結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)與有效鐵、有效鋅呈極顯著正相關(guān)，因此在今后的造林工作中可以通過調(diào)整土壤有機(jī)質(zhì)含量，提升土地肥力，一定程度上提升土壤有效態(tài)微量元素的水平。

（3）監(jiān)測區(qū)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(jiān)測區(qū)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(yīng)適量種植混交喬木林，以優(yōu)化區(qū)域灌木林群落結(jié)構(gòu)，改善土壤的物理性質(zhì)，以更好地滿足區(qū)域植被的生長，從而更好地保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

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