太行山大棗主產區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：以太行山大棗主產區為研究區域，對土壤中18種植物營養元素以及動物、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行研究。結果表明，鈣（Ca）、鎂（Mg）、鈉（Na）、鋁（Al）、鉻（Cr）、鍶（Sr）、磷（P）、鎳（Ni）含量相對富集，而硼（B）、鉬（Mo）、氮（N）、鉀（K）、鐵（Fe）、銅（Cu）、錳（Mn）、鋅（Zn）、硒（Se）含量相對貧乏。通過進一步研究發現，成土母質類型、土壤類型以及土壤中有機質的含量也是影響土壤元素含量背景值不可忽視的因素，而海拔對其影響較小。

關鍵詞：太行山；大棗；土壤元素；母質類型；土壤類型；背景值；影響因素

中圖分類號： S151.9+3 文獻標志碼： A

文章編號：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活動影響和工業污染的情況下，土壤本身固有的元素化學組成或元素的含量水平[1]。但是由于人類對環境的影響不斷增大，目前已經很難找到絕對不受人類活動影響的土壤，因而“背景值”無論在時間還是空間上都具有相對的含義[2]。

研究農業土壤中元素的背景值是土壤環境現狀研究的重要內容，是研究土壤元素的遷移和轉化、評價區域土壤質量、制定各類土壤環境標準、合理進行土地利用及規劃等過程的基礎數據[3]，具有十分重要的理論和實踐意義。

由于土壤對母巖具有繼承性，不同成土母巖發育的土壤，元素含量有很大的差異。因此，果樹的生長、繁衍和產品質量常具有很強的地域選擇性，具有明顯的“易地而竭，隔界不長”的現象。已有研究表明，排除氣候、栽培等因素后，名優農產品的品質與當地特有的地質環境和特定土壤地球化學特征有密切的關系。如四川涪陵榨菜適應生長在紅色砂泥巖層衍生發育的紫色粉砂質壤土中，磷（P）、鉀（K）、硫（S）、鎂（Mg）等元素含量與榨菜品質表現出密切的相關性[3]；劉楊等研究發現，京東板栗生長與土壤中Mg、鐵（Fe）、銅（Cu）、鈉（Na）、鈷（Co）、鎳（Ni）等元素含量有密切的關系[4]。

太行山山區種植大棗（Ziziphus jujuba）的歷史悠久，距今已有3 000多年的歷史，大棗被當地農民稱為“鐵桿莊稼”，是山區人民經濟收入的重要來源，其種植規模正在不斷擴大。太行山山區大棗獨特品質的形成是否與當地的土壤地質背景、主要礦質元素的地球化學特征有關，目前的研究很少。了解土壤背景值及其分布規律與影響因素，以揭示太行山大棗獨特品質形成的地球化學環境，從而為今后發展大棗特色產業、促進當地大棗生產規劃與地質資源的協調發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

太行山區位于河北省中南部，是我國東部重要自然界限，地理位置為36°28′～39°57′N、113°45′～115°48′E。太行山區東部為華北平原，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。該區屬于溫帶濕潤半干旱大陸季風氣候，其氣候受地形、季風環流影響，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，平均蒸發量 1 875.71 mm，平均濕度65%。該區域內植物種類繁多，植被結構復雜，是我國植物資源比較豐富的地區，尤以盛產“大棗”而聞名國內外。該區域母質類型主要是黑云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖以及石灰巖；土壤類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，占太行山區的40.2%，約占片麻巖區土壤的90%，是大棗種植發展的主要土壤類型地區之一。

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進行土壤樣品的采集，采樣點按1 ∶10 000網格式布置，采樣在綜合考慮母質類型、土壤類型、植被種類等多種自然因素的基礎上，盡量均勻地分布于整個棗樹種植區，共計70個，主要采集樹冠下及樹冠周圍0～20 cm的土壤樣品，每個地標土壤樣品均在每株棗樹下分散采集，構成代表性樣品，組成混合代表樣。取樣時用全球定位系統（GPS）定位，同時記錄取樣點的母質類型、土壤類型、海拔等。具體樣品采集時間為2008年6月。

1.2.2 分析測試方法 將土壤樣品帶回實驗室風干，然后剔除其中動植物殘體，過40目篩，測定項目包括土壤有機質與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。土壤類樣品主要由河北省地礦實驗室分析，各元素測定方法如下：Ca、K、Mg、Na、Fe元素含量的測定采用電感耦合等離子光譜法；Cr、Cu、Sr、Mn、N、P、S、Zn、Ni元素含量的測定采用X射線熒光光譜法；B元素含量的測定采用光譜法；Mo元素含量的測定采用等離子發射的光譜法；Al元素含量的測定采用X-熒光光譜法；Se元素含量的測定采用氫化物發生-原子熒光法；有機質含量的測定采用容量法。分析測試時間為2008年9月。

1.3 數據處理與計算

為了定量直觀地描述土壤元素的地球化學特征，選用以下表層土壤地球化學統計參數。

（1）均值。為排除異常點以及采樣分析等過程中所造成的誤差，反復剔除“平均值±3倍標準差（x±3s）”之外的異常值，計算x±3s范圍內數據的平均值和標準差，以此作為太行山區域18種主要元素的背景值。

（2）變異系數CV。CV反映元素在地質地球化學作用中分散與集中的程度及元素含量的分異強弱變化。計算公式為CV=s/x。式中：s為標準差；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屬于強分異型。

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

數據處理和統計分析采用Excel、SPSS 19.0軟件。

2 結果與分析

2.1 太行山土壤金屬氧化物、元素背景值分析

地球化學背景值是一定區域范圍或者統計單元內元素含量的正常變化范圍，反映特定地質地球化學演化作用的物質組成特征[6]。本研究采用濃富集系數K對土壤元素背景值進行分析，結果詳見表1。

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

相對于河北省土壤元素背景值而言，K、Fe的濃度富集系數均大于1.5，特別是Fe的濃度富集系數達2.08，達到了相對富集的標準。其他元素含量的濃度富集系數在0.5～1.5 之間，含量接近標準背景值。品質元素K和大棗生長期間Mn元素在太行山區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沒有可比較的背景值標準外，其他元素背景值均接近或略高于全國或者河北省土壤的背景值，此結果可能與該地區地質構造復雜、地層出露齊全、各種礦產資源較豐富有關[7]。Ca、B、Mo含量偏低則可能與該地區獨特的地質背景以及特定背景下發育的土壤理化性質有一定的關系[8]。

從18種金屬氧化物、元素的含量及標準差變化范圍來看，大部分元素在該區域內的含量變化范圍較小，最大值與最小值之間相差3～5倍。從變異系數看，N、Al的變異系數在0.2及以下，說明這2種元素在該區域內分布比較均勻；B、Ni的變異系數在0.4及以上，說明這2種元素相對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境中或者內生地球化學作用下具有較強的地球化學活動性，易于活化遷移重新分配而在不同地區產生分異的結果。

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 成土母質類型 對太行山區域全部取樣點按母質類型分類，得到不同母質類型土壤中氧化物、元素的含量，詳見表2。進行方差分析發現，在不同的母質類型中，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物質循環到表生環境中，因背景條件的不同而發生分異的結果[12]。通過對其均值分析發現，黑云斜長片麻巖發育的土壤富含K、Mg、Fe、Cr、Cu、Mn、Zn、Ni、Sr等元素，這可能與原巖風化后物質濃縮有關；石灰巖發育的土壤富含Ca、Cr、B、Mn、Mo等元素，這可能與石灰巖形成于海相環境，物質來源豐富有關[13]；在最適宜生長的黑云斜長片麻巖區域，Mg、Fe、Cr、Cu、Mn含量均比其他母質類型含量高。

2.2.2 土壤類型 本研究取樣點主要的土壤類型為粗骨土、褐土以及壤土。對表3結果進行方差分析表明，Ca、Cr、Cu、B、Sr、S、Ni、Se元素在不同類型土壤中含量差異顯著。對表3進行均值比較發現，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。通過比較可以明顯看出，不同類型土壤中元素含量差別較大，可見土壤類型對元素背景值分布有很大的影響。

2.2.3 土壤有機質的含量 土壤有機質是農作物生長所需的多種營養元素的主要來源，對土壤化學、物理和生物學性質都有很重要的影響，不同土壤類型中有機質的含量有很大的差異[14]。表4表明，有機質含量與土壤中K、Mg、Na、Al、B、Mn、Sr、Mo、N、S、Ni、Se這12種元素呈正相關，與K、Na、B、Sr、Mo、N、S、Se這8種元素呈極顯著正相關，與Ca、Fe、Cu呈負相關，與其他元素則沒有表現出顯著的相關性。

2.2.4 海拔 將棗樹種植高度分為>300、200～300、<200 m 3類。這是因為不同高程常常分布著不同的成土母質類型，因此對土壤元素的分布有顯著影響。對不同海拔的土壤金屬氧化物、元素含量進行均值比較以及方差分析，表5表明，Ca、K、Al、N、S在<200 m的區域含量最高；Na、Sr、Ni在200～300 m的區域內含量最高；Mg、Fe、Cr、Cu、B、Mn、Mo、P、Zn在>300 m區域內含量最高。綜合比較發現，各海拔的元素含量差異不明顯。

3 結論與討論

本研究表明，在太行山區范圍內，Ca、Mg、Na、Al、Cr、Sr、P、Ni含量較豐富，而B、Mo、N、K、Fe、Cu、Mn、Zn、Se含量較低，此結果可能是該區片麻巖類型面積較大的原因，其發育土壤中這些元素含量低于其他母質類型土壤元素的含量。在石灰巖中雖然富含一些礦質元素，但由于其土質黏重，不適合大棗的生長。而在黑云斜長片麻巖區域發育的土壤中，K、Mg、Fe、Cr、Cu、Mn、Zn、Ni、Sr這些元素含量較高與該區域內大棗獨特品質有很好的相關性，特別是K、Sr元素含量高是與大棗品質有關的因素之一，這有欒文樓等的研究結果[15]吻合。

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

參考文獻：

[1]蔣德珍，滕恩江，劉延良. 土壤背景值數據差異的來源分析及土壤類型對背景值的影響[J]. 中國環境監測，1996（2）：21-24.

[2]陳懷滿. 土壤中化學物質的行為與環境監測[M]. 北京：科學出版社，2002：23.

[3]李正積，付平都，龐在祥，等. 涪陵榨菜菜頭品質與地質背景關系的研究[J]. 四川地質學報，1994（2）：149-160.

[4]劉 楊，孫志梅，許 靖，等. 京東板栗主產區土壤元素背景值及其影響因素分析[J]. 水土保持學報，2010，24（5）：49-53，73.

[5]蔣敬業，程建萍，祁士華，等. 應用地球化學[M]. 武漢：中國地質大學出版社，2013：96-112.

[6]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000.

[7]謝開云. 燕山片麻巖山區農業綜合開發[M]. 北京：中國農業科技出版社，1995：66-68.

[8]戎秋濤，翁煥新. 環境地球化學[M]. 北京：地質出版社，1990：62-63.

[9]王玉婷，何明友，白憲洲，等. 宜賓市江安縣桐梓地區土壤元素背景值研究及其意義[J]. 廣東微量元素科學，2008，15（1）：30-38.

[10]魏復盛，陳靜生，吳燕玉，等. 中國土壤環境背景值研究[J]. 環境科學，1991，12（4）：12-19，94.

[11]欒文樓. 太行山大棗與生態地質地球化學環境比配研究成果報告[R]. 石家莊：河北地質大學資源與環境工程研究所，2010.

[12]路風香. 巖石學[M]. 北京：地質出版社，2006.

[13]唐 將，李 勇，鄧富銀，等. 三峽庫區土壤營養元素分布特征研究[J]. 土壤學報，2005，42（3）：473-478.

[14]黃昌勇. 土壤學[M]. 北京：中國農業出版社，2000：412-418.

[15]欒文樓，趙瑾瑛，崔邢濤，等. 河北行唐大棗品質與成土母巖類型關系的探討[J]. 中國地質，2007，34（5）：935-941.