太行山大棗主產(chǎn)區(qū)土壤元素背景值及影響因素分析

周沁沁+欒文樓+宋澤鋒

摘要：以太行山大棗主產(chǎn)區(qū)為研究區(qū)域，對(duì)土壤中18種植物營(yíng)養(yǎng)元素以及動(dòng)物、人體必需元素的背景值與影響元素背景值分布的主要因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明，鈣（Ca）、鎂（Mg）、鈉（Na）、鋁（Al）、鉻（Cr）、鍶（Sr）、磷（P）、鎳（Ni）含量相對(duì)富集，而硼（B）、鉬（Mo）、氮（N）、鉀（K）、鐵（Fe）、銅（Cu）、錳（Mn）、鋅（Zn）、硒（Se）含量相對(duì)貧乏。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，成土母質(zhì)類(lèi)型、土壤類(lèi)型以及土壤中有機(jī)質(zhì)的含量也是影響土壤元素含量背景值不可忽視的因素，而海拔對(duì)其影響較小。

關(guān)鍵詞：太行山；大棗；土壤元素；母質(zhì)類(lèi)型；土壤類(lèi)型；背景值；影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)： S151.9+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0478-04

土壤中元素的背景值是指在不受或很少受人類(lèi)活動(dòng)影響和工業(yè)污染的情況下，土壤本身固有的元素化學(xué)組成或元素的含量水平[1]。但是由于人類(lèi)對(duì)環(huán)境的影響不斷增大，目前已經(jīng)很難找到絕對(duì)不受人類(lèi)活動(dòng)影響的土壤，因而“背景值”無(wú)論在時(shí)間還是空間上都具有相對(duì)的含義[2]。

研究農(nóng)業(yè)土壤中元素的背景值是土壤環(huán)境現(xiàn)狀研究的重要內(nèi)容，是研究土壤元素的遷移和轉(zhuǎn)化、評(píng)價(jià)區(qū)域土壤質(zhì)量、制定各類(lèi)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、合理進(jìn)行土地利用及規(guī)劃等過(guò)程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]，具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

由于土壤對(duì)母巖具有繼承性，不同成土母巖發(fā)育的土壤，元素含量有很大的差異。因此，果樹(shù)的生長(zhǎng)、繁衍和產(chǎn)品質(zhì)量常具有很強(qiáng)的地域選擇性，具有明顯的“易地而竭，隔界不長(zhǎng)”的現(xiàn)象。已有研究表明，排除氣候、栽培等因素后，名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與當(dāng)?shù)靥赜械牡刭|(zhì)環(huán)境和特定土壤地球化學(xué)特征有密切的關(guān)系。如四川涪陵榨菜適應(yīng)生長(zhǎng)在紅色砂泥巖層衍生發(fā)育的紫色粉砂質(zhì)壤土中，磷（P）、鉀（K）、硫（S）、鎂（Mg）等元素含量與榨菜品質(zhì)表現(xiàn)出密切的相關(guān)性[3]；劉楊等研究發(fā)現(xiàn)，京東板栗生長(zhǎng)與土壤中Mg、鐵（Fe）、銅（Cu）、鈉（Na）、鈷（Co）、鎳（Ni）等元素含量有密切的關(guān)系[4]。

太行山山區(qū)種植大棗（Ziziphus jujuba）的歷史悠久，距今已有3 000多年的歷史，大棗被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民稱(chēng)為“鐵桿莊稼”，是山區(qū)人民經(jīng)濟(jì)收入的重要來(lái)源，其種植規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。太行山山區(qū)大棗獨(dú)特品質(zhì)的形成是否與當(dāng)?shù)氐耐寥赖刭|(zhì)背景、主要礦質(zhì)元素的地球化學(xué)特征有關(guān)，目前的研究很少。了解土壤背景值及其分布規(guī)律與影響因素，以揭示太行山大棗獨(dú)特品質(zhì)形成的地球化學(xué)環(huán)境，從而為今后發(fā)展大棗特色產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)當(dāng)?shù)卮髼椛a(chǎn)規(guī)劃與地質(zhì)資源的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

太行山區(qū)位于河北省中南部，是我國(guó)東部重要自然界限，地理位置為36°28′～39°57′N(xiāo)、113°45′～115°48′E。太行山區(qū)東部為華北平原，西部與山西省接壤，北部與燕山山脈相接，向南延至河南省境內(nèi)。該區(qū)屬于溫帶濕潤(rùn)半干旱大陸季風(fēng)氣候，其氣候受地形、季風(fēng)環(huán)流影響，四季分明，寒暑懸殊，雨量集中，干濕期明顯，冬季寒冷干旱，雨雪稀少；年平均溫度12.77 ℃，無(wú)霜凍期約204 d；日照充足，晝夜溫差大；年平均降水量 570.56 mm，主要集中在7、8月份，平均蒸發(fā)量 1 875.71 mm，平均濕度65%。該區(qū)域內(nèi)植物種類(lèi)繁多，植被結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是我國(guó)植物資源比較豐富的地區(qū)，尤以盛產(chǎn)“大棗”而聞名國(guó)內(nèi)外。該區(qū)域母質(zhì)類(lèi)型主要是黑云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖以及石灰?guī)r；土壤類(lèi)型主要有石灰性褐土、酸性粗骨土、棕壤性土，以酸性粗骨土為主，占太行山區(qū)的40.2%，約占片麻巖區(qū)土壤的90%，是大棗種植發(fā)展的主要土壤類(lèi)型地區(qū)之一。

1.2 材料與方法

1.2.1 土壤樣品的采集 于大棗成熟期在太行山山區(qū)進(jìn)行土壤樣品的采集，采樣點(diǎn)按1 ∶10 000網(wǎng)格式布置，采樣在綜合考慮母質(zhì)類(lèi)型、土壤類(lèi)型、植被種類(lèi)等多種自然因素的基礎(chǔ)上，盡量均勻地分布于整個(gè)棗樹(shù)種植區(qū)，共計(jì)70個(gè)，主要采集樹(shù)冠下及樹(shù)冠周?chē)?～20 cm的土壤樣品，每個(gè)地標(biāo)土壤樣品均在每株棗樹(shù)下分散采集，構(gòu)成代表性樣品，組成混合代表樣。取樣時(shí)用全球定位系統(tǒng)（GPS）定位，同時(shí)記錄取樣點(diǎn)的母質(zhì)類(lèi)型、土壤類(lèi)型、海拔等。具體樣品采集時(shí)間為2008年6月。

1.2.2 分析測(cè)試方法 將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，然后剔除其中動(dòng)植物殘?bào)w，過(guò)40目篩，測(cè)定項(xiàng)目包括土壤有機(jī)質(zhì)與18種元素鋁（Al）、硼（B）、鈣（Ca）、鉻（Cr）、Cu、Fe、K、Mg、錳（Mn）、鉬（Mo）、Na、氮（N）、Ni、磷（P）、S、硒（Se）、鍶（Sr）、鋅（Zn）或其氧化物等。土壤類(lèi)樣品主要由河北省地礦實(shí)驗(yàn)室分析，各元素測(cè)定方法如下：Ca、K、Mg、Na、Fe元素含量的測(cè)定采用電感耦合等離子光譜法；Cr、Cu、Sr、Mn、N、P、S、Zn、Ni元素含量的測(cè)定采用X射線(xiàn)熒光光譜法；B元素含量的測(cè)定采用光譜法；Mo元素含量的測(cè)定采用等離子發(fā)射的光譜法；Al元素含量的測(cè)定采用X-熒光光譜法；Se元素含量的測(cè)定采用氫化物發(fā)生-原子熒光法；有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用容量法。分析測(cè)試時(shí)間為2008年9月。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

為了定量直觀地描述土壤元素的地球化學(xué)特征，選用以下表層土壤地球化學(xué)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

（1）均值。為排除異常點(diǎn)以及采樣分析等過(guò)程中所造成的誤差，反復(fù)剔除“平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差（x±3s）”之外的異常值，計(jì)算x±3s范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以此作為太行山區(qū)域18種主要元素的背景值。

（2）變異系數(shù)CV。CV反映元素在地質(zhì)地球化學(xué)作用中分散與集中的程度及元素含量的分異強(qiáng)弱變化。計(jì)算公式為CV=s/x。式中：s為標(biāo)準(zhǔn)差；x為剔除異常值后的平均值（背景值）。CV≤0.25為均勻分布；0.250.75屬于強(qiáng)分異型。

（3）濃度富集系數(shù)（K）。K表示平均值與參照值之比；K1、K2分別代表太行山區(qū)域土壤背景均值與全國(guó)土壤背景值、太行山區(qū)土壤背景值的比值。K>1.5為相對(duì)富集，K<0.5為顯著貧化，0.5

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析采用Excel、SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 太行山土壤金屬氧化物、元素背景值分析

地球化學(xué)背景值是一定區(qū)域范圍或者統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)元素含量的正常變化范圍，反映特定地質(zhì)地球化學(xué)演化作用的物質(zhì)組成特征[6]。本研究采用濃富集系數(shù)K對(duì)土壤元素背景值進(jìn)行分析，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

由表2可以看出，相對(duì)于全國(guó)土壤背景值而言，Ca、Mg、Na、Al、Cr、Sr、P、Ni的濃度富集系數(shù)均大于1.5，說(shuō)明該區(qū)域這些元素的背景值相對(duì)較高；而B(niǎo)、Mo、N、K、Fe、Cu、Mn、Zn、Se的濃度富集系數(shù)均在0.5～1.5之間，含量也偏低。

相對(duì)于河北省土壤元素背景值而言，K、Fe的濃度富集系數(shù)均大于1.5，特別是Fe的濃度富集系數(shù)達(dá)2.08，達(dá)到了相對(duì)富集的標(biāo)準(zhǔn)。其他元素含量的濃度富集系數(shù)在0.5～1.5 之間，含量接近標(biāo)準(zhǔn)背景值。品質(zhì)元素K和大棗生長(zhǎng)期間Mn元素在太行山區(qū)土壤中含量比較富集。就微量元素而言，除Ca、B、Mo元素背景值含量偏低，Mg、Cr、Sr、N、P、S、Se沒(méi)有可比較的背景值標(biāo)準(zhǔn)外，其他元素背景值均接近或略高于全國(guó)或者河北省土壤的背景值，此結(jié)果可能與該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層出露齊全、各種礦產(chǎn)資源較豐富有關(guān)[7]。Ca、B、Mo含量偏低則可能與該地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)背景以及特定背景下發(fā)育的土壤理化性質(zhì)有一定的關(guān)系[8]。

從18種金屬氧化物、元素的含量及標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍來(lái)看，大部分元素在該區(qū)域內(nèi)的含量變化范圍較小，最大值與最小值之間相差3～5倍。從變異系數(shù)看，N、Al的變異系數(shù)在0.2及以下，說(shuō)明這2種元素在該區(qū)域內(nèi)分布比較均勻；B、Ni的變異系數(shù)在0.4及以上，說(shuō)明這2種元素相對(duì)與其他元素而言變異性最大，可能是由于這些元素在表生環(huán)境中或者內(nèi)生地球化學(xué)作用下具有較強(qiáng)的地球化學(xué)活動(dòng)性，易于活化遷移重新分配而在不同地區(qū)產(chǎn)生分異的結(jié)果。

2.2 太行山土壤金屬氧化物、元素背景值的影響因素分析

2.2.1 成土母質(zhì)類(lèi)型 對(duì)太行山區(qū)域全部取樣點(diǎn)按母質(zhì)類(lèi)型分類(lèi)，得到不同母質(zhì)類(lèi)型土壤中氧化物、元素的含量，詳見(jiàn)表2。進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，在不同的母質(zhì)類(lèi)型中，元素Ca、Cr、Cu、B、Sr、Mo、P、S、Ni或其氧化物的含量差異明顯，這可能是由于地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)到表生環(huán)境中，因背景條件的不同而發(fā)生分異的結(jié)果[12]。通過(guò)對(duì)其均值分析發(fā)現(xiàn)，黑云斜長(zhǎng)片麻巖發(fā)育的土壤富含K、Mg、Fe、Cr、Cu、Mn、Zn、Ni、Sr等元素，這可能與原巖風(fēng)化后物質(zhì)濃縮有關(guān)；石灰?guī)r發(fā)育的土壤富含Ca、Cr、B、Mn、Mo等元素，這可能與石灰?guī)r形成于海相環(huán)境，物質(zhì)來(lái)源豐富有關(guān)[13]；在最適宜生長(zhǎng)的黑云斜長(zhǎng)片麻巖區(qū)域，Mg、Fe、Cr、Cu、Mn含量均比其他母質(zhì)類(lèi)型含量高。

2.2.2 土壤類(lèi)型 本研究取樣點(diǎn)主要的土壤類(lèi)型為粗骨土、褐土以及壤土。對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行方差分析表明，Ca、Cr、Cu、B、Sr、S、Ni、Se元素在不同類(lèi)型土壤中含量差異顯著。對(duì)表3進(jìn)行均值比較發(fā)現(xiàn)，壤土中K、Cr、Cu、B、Mn、Mo、P、Zn含量最高；褐土中Ca、Mg、N元素含量最高；粗骨土中Al、Sr、Ni元素含量最高。通過(guò)比較可以明顯看出，不同類(lèi)型土壤中元素含量差別較大，可見(jiàn)土壤類(lèi)型對(duì)元素背景值分布有很大的影響。

2.2.3 土壤有機(jī)質(zhì)的含量 土壤有機(jī)質(zhì)是農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源，對(duì)土壤化學(xué)、物理和生物學(xué)性質(zhì)都有很重要的影響，不同土壤類(lèi)型中有機(jī)質(zhì)的含量有很大的差異[14]。表4表明，有機(jī)質(zhì)含量與土壤中K、Mg、Na、Al、B、Mn、Sr、Mo、N、S、Ni、Se這12種元素呈正相關(guān)，與K、Na、B、Sr、Mo、N、S、Se這8種元素呈極顯著正相關(guān)，與Ca、Fe、Cu呈負(fù)相關(guān)，與其他元素則沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

2.2.4 海拔 將棗樹(shù)種植高度分為>300、200～300、<200 m 3類(lèi)。這是因?yàn)椴煌叱坛３７植贾煌某赏聊纲|(zhì)類(lèi)型，因此對(duì)土壤元素的分布有顯著影響。對(duì)不同海拔的土壤金屬氧化物、元素含量進(jìn)行均值比較以及方差分析，表5表明，Ca、K、Al、N、S在<200 m的區(qū)域含量最高；Na、Sr、Ni在200～300 m的區(qū)域內(nèi)含量最高；Mg、Fe、Cr、Cu、B、Mn、Mo、P、Zn在>300 m區(qū)域內(nèi)含量最高。綜合比較發(fā)現(xiàn)，各海拔的元素含量差異不明顯。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，在太行山區(qū)范圍內(nèi)，Ca、Mg、Na、Al、Cr、Sr、P、Ni含量較豐富，而B(niǎo)、Mo、N、K、Fe、Cu、Mn、Zn、Se含量較低，此結(jié)果可能是該區(qū)片麻巖類(lèi)型面積較大的原因，其發(fā)育土壤中這些元素含量低于其他母質(zhì)類(lèi)型土壤元素的含量。在石灰?guī)r中雖然富含一些礦質(zhì)元素，但由于其土質(zhì)黏重，不適合大棗的生長(zhǎng)。而在黑云斜長(zhǎng)片麻巖區(qū)域發(fā)育的土壤中，K、Mg、Fe、Cr、Cu、Mn、Zn、Ni、Sr這些元素含量較高與該區(qū)域內(nèi)大棗獨(dú)特品質(zhì)有很好的相關(guān)性，特別是K、Sr元素含量高是與大棗品質(zhì)有關(guān)的因素之一，這有欒文樓等的研究結(jié)果[15]吻合。

本研究取樣點(diǎn)的土壤類(lèi)型為粗骨土、褐土以及壤土。成土母質(zhì)顯著或者極其顯著影響著太行山區(qū)K、Cr、Cu、B、Mn、Mo、P、Zn、Ca、Mg、N、Al、Sr、Ni這14種元素的含量。當(dāng)土壤中某些礦質(zhì)元素含量因作物吸收或者淋溶而降低時(shí)，還是主要依賴(lài)于土壤母質(zhì)中元素的釋放和補(bǔ)給[8]。因此，在背景值受到多方面因素的影響下，成土母質(zhì)是決定該區(qū)域土壤元素含量分布最重要的因素。土壤類(lèi)型和土壤中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)該區(qū)域土壤元素含量分布也有很重要的影響，而海拔對(duì)該區(qū)域土壤元素含量分布沒(méi)有多大的影響。

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