基于GIS的三峽庫區土壤養分元素地球化學特征與影響因素研究

鄧 海，王 銳，寧墨奐，羅宇潔，董金秀

（1.重慶土地質量地質調查重點實驗室，重慶 400038；2.重慶市地質礦產勘查開發局川東南地質大隊，重慶 400038；3.重慶市地質調查院，重慶 400038）

土壤養分元素是土壤的物質基礎之一，不僅可以改善土壤的物理化學性質、提高土壤肥力，在農業生產及環境保護方面有著至關重要的作用［1-3］。氮是蛋白質及葉綠素的主要組成成分，其含量的多寡可對植物的葉面大小及光合作用產生影響，是植物生長發育不可缺少的元素之一［4，5］。磷是蛋白質、磷脂及磷酸糖的主要組成元素之一，不僅可以加強植物的光合作用，還可以提高植物的抗逆性［6］。鉀參與生物體內多種生理過程，包括呼吸作用、光合作用等，此外，鉀還可以提高農作物的品質，是植物必需的營養元素之一［7］。因此，土壤中養分元素空間分布特征及豐缺程度的劃定對地區農業的發展有重要的意義。土壤酸化也會對土壤本身造成較大的影響，對土壤健康造成嚴重危害［8，9］，土壤在酸化過程中，H+含量不斷增加，由于H+的活性較高，競爭土壤膠體上的吸附位使得重金屬離子處于游離狀態，易被植物吸收［10-13］，與此同時，在酸性條件下，土壤速效氮的有效性降低，使得土壤肥力下降［14］。土壤酸化導致土壤中交換性酸、交換性鋁含量增加，抑制植物根系對營養物質的吸收，導致植物體型矮小，嚴重影響農作物的產量和品質［15，16］，而探明土壤酸化的原因是酸化土壤治理的重要依據［17，18］。

三峽庫區由于其自然條件優越，是中國優質甜橙及水稻生產的適宜區之一。摸清地區土壤養分元素及土壤pH的地球化學特征，根據實際情況采取相應的措施，對土壤質量的提升、促進農業發展具有重要的指導意義。選擇位于三峽庫區腹地的開州區作為研究對象，基于地統計法分析土壤養分元素的含量特征、分布規律及影響因素，厘清土壤酸化的原因，提出因地制宜、因地治理的建議，以期為地區農業的發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于三峽庫區腹地，長江支流彭溪河源地開州區，地處四川盆地東部盆邊山區，重慶市東北部，東鄰重慶市巫溪縣、云陽縣，南接重慶市萬州區、梁平區，西與四川省宣漢、開江兩縣接壤，介于北緯30°49′30″—31°41′30″、東經107°55′48″—108°54′00″。開州區位于中緯度，具有中亞熱帶季風氣候的一般特點，氣候季節變化明顯，因為盆周山巔阻擋，寒潮不易入侵，故氣溫比同緯度、同海拔的其他地區略高，冬暖春早，夏季海洋性季風帶來大量暖濕空氣，夏季雨量充沛、溫濕適度。開州區地質結構復雜，地形差異大，土壤母巖風化類型多，在地層上，從古生界的寒武系到新生界的全新統皆有出露，地質構造大體由3個背斜、2個向斜和大巴山南麓支脈組成，研究區位置如圖1所示。

圖1 研究區地理位置

1.2 樣品采集與測試

本次研究按照行業技術標準《土地質量地球化學評價技術要求》［19］，網格化采集農用地表層土壤樣品，采樣密度為4.5個/km2，采樣深度0～20 cm，在采樣中心點周圍100 m范圍內4～6處多點采集組合，共采集表層土壤樣品639個，待土壤樣品風干、干燥后敲碎，過10目粒級尼龍篩，采用牛皮紙袋加封口袋盛裝送往實驗室分析。

樣品測試由地之源地質工程檢測有限公司按《生態地球化學評價樣品分析技術要求》［20］執行，本研究分析指標、測定方法及檢出限如表1所示。準確度和精密度采用密碼插入國家一級標準物質進行控制，元素分析準確度和精密度合格率為100%，元素報出率為100%。

表1 元素分析方法與檢出限

數據整理利用Excel 2010軟件完成，數據正態分布檢驗利用SPSS25.0軟件完成，半方差函數分析利用GS+9.0軟件完成，空間插值利用ArcGIS10.2軟件完成。

1.3 土壤養分等級劃分及土壤酸堿度

土壤養分等級劃分標準參考文獻［19］，如表2所示。在進行等級評價時，需將土壤K2O的含量脫氧換算成K含量。土壤pH的劃分標準：pH＜5.0為強酸性，5.5≤pH＜6.5為酸性，6.5≤pH＜7.5為中性，7.5≤pH＜8.5為堿性，pH≥8.5為強堿性。

表2 土壤養分等級劃分標準 （單位：g/kg）

2 結果與分析

2.1 土壤養分元素含量及土壤p H

統計研究區采集的639個土壤樣品中N、P和K2O的含量及土壤pH，參照“1.3”的評價標準，劃分養分元素及pH的地球化學等級并統計劃分情況，結果見表3和圖2。土壤N、P的平均含量分別為1 104.43、616.82 mg/kg，變異系數分別為0.53、0.29；土壤中K2O的平均含量為2.43%，變異系數為0.15；土壤pH的變化范圍為3.96～8.48，變異系數為0.18。N的變異系數大于0.50，說明其含量在空間上分布不均勻［21］。

圖2 土壤養分元素及p H的地球化學等級

表3 土壤養分元素及p H的描述性統計

土壤N、P、K一等所占的比例分別為4.5%、3.1%、3.9%，二等所占比例分別為14.1%、9.2%、55.1%，三等所占比例分別為33.2%、35.7%、35.1%，四等所占比例分別為20.3%、42.4%、5.6%，五等所占比例分別為27.9%、9.6%、0.5%，說明研究區養分元素含量相對缺乏；研究區酸性及強酸性土壤的比例分別為25.2%、46.3%，中性土壤的比例為16.7%，堿性土壤的比例為11.7%，土壤以酸性為主。

2.2 土壤養分元素及土壤p H的空間分布特征

利用SPSS25.0軟件對土壤養分元素及pH進行正態分布檢驗，結果見表4。土壤養分元素及pH的偏度及峰度均較高，K-S檢驗的結果均小于0.05，不服從正態分布［22］，經對數變換后的數據基本符合正態分布。

表4 土壤養分元素及p H正態分布檢驗結果

利用GS+9.0軟件進行半方差函數擬合和空間結構分析，結果見表5。土壤N、P、K2O及土壤pH的決定系數分別為0.995、0.699、0.767及0.891，塊金系數分別為0.14、0.32、0.09及0.11，塊金系數表示元素空間異質性程度，是反映區域化變量空間相關性程度的指標［23，24］。塊金系數小于0.25，說明區域化變量空間變異性主要受自然因素控制，各變量之間具有強烈的空間相關性；0.25≤塊金系數＜0.75，以隨機性變異為主，受人為因素影響較大［21］。土壤N和K及pH的塊金系數均小于0.25，說明空間變異性主要受自然因素的控制，土壤P的塊金系數為0.32，說明其空間分布同時受隨機性因素和自然因素的控制。

表5 土壤養分元素及p H半方差函數分析結果

利用ArcGIS 10.2軟件對養分元素及pH進行空間插值，結果見圖3。由圖3可以看出，土壤N表現為南部含量高，中部、北部含量低。土壤P含量分布的規律性不明顯。土壤K2O表現為南部含量低，中部含量高。南部地區土壤pH較低，中部和北部土壤pH較高。

圖3 土壤養分元素含量及p H空間分布

2.3 土壤p H、養分元素與海拔的相關關系

土壤pH分析結果表明，研究區土壤以酸性為主，尤其是南部地區，出現大面積的強酸性土壤。分析土壤pH、鹽基離子（K、Na、Cd和Mg離子）及海拔高度的相關性，結果見圖4。由圖4可以看出，隨著鹽基離子的減少，土壤pH逐漸降低，土壤出現酸化，主要原因為研究區為多雨的自然背景，土壤中的硅酸鹽礦物會不斷水解，鹽基離子被釋放淋溶，使得土壤的中和能力減弱，此外，隨著鹽基離子的減少，土壤中可風化礦物逐漸減少，土壤膠體增加，吸附的H+也不斷增加，進而出現酸化的趨勢［9，25］。土壤K2O含量與pH的分布規律相似，進一步說明了土壤酸化的原因。

圖4 土壤p H、鹽基離子含量和海拔的相關關系

隨著土壤的酸化，農作物的生長可能受到一定影響，研究表明，當土壤pH＜5時，土壤中的鋁會被活化，使得土壤溶液和水體中鋁離子的含量增加，進而影響人體和農作物的健康。另一方面，土壤中H+的電負性較高，會爭奪重金屬離子在土壤表面的吸附位，使得土壤中重金屬的活性增強，易被農作物吸收，使人體健康受到威脅［26］。此外，酸化后土壤微生物的數量會減少，微生物的生長和活動受到抑制，對土壤本身的健康造成負面影響［27，28］。

土壤N高含量區土壤以酸性為主，主要原因為氮的硝化作用會產生氫離子，反應方程式如下［29］。

可以看出，硝化作用會使土壤中H+的含量增加，導致土壤酸化，而土壤施氮肥是NH4+的主要來源之一。

土壤N含量與海拔高度的相關關系見圖5。由圖5可以看出，土壤N含量與海拔高度呈正比，低海拔區土壤N含量較低，高海拔區土壤N含量較高。研究表明，隨著海拔高度的升高，氣溫會出現明顯的下降趨勢，低海拔區溫度相對較高，微生物活動更為活躍［30］，反硝化作用明顯，而高海拔區土壤以酸性、強酸性為主，微生物活動受到限制［31］，反硝化作用較弱。反硝化作用生化過程的通式可用下式表示［32］。

圖5 土壤N含量與海拔的相關關系

可以看出，隨著一系列的反應，土壤中的N會以N2的形式釋放，使得土壤中N含量下降。

2.4 研究區土壤治理

不同土地利用類型土壤P含量統計結果見圖6。由圖6可以看出，在耕地土壤中，P含量的變化范圍為389.62～1 485.05 mg/kg，平均含量為667.36 mg/kg，在其他耕地類型土壤中，P含量的變化范圍為188.26～961.23 mg/kg，平均含量為566.28 mg/kg，耕地土壤中P含量明顯高于其他用地類型，說明土壤P含量受到人為因素的影響，建議對低P含量的耕地土壤適當增加P肥的施用量。

圖6 不同土地利用類型土壤P含量

以研究區耕地分布較密集的區域為例，如圖7所示。A區土壤以中性和堿性為主，B區土壤以酸性和強酸性為主。對于酸性、強酸性土壤，可通過人為手段進行土壤pH的調整，改善土壤質量，研究表明，施用草木灰、秸稈還田及施用有機肥均可有效改善土壤酸化問題，且施用有機肥及秸稈還田可補充土壤中N、K等離子，減緩土壤鹽基離子的流失，因此，對B區而言，建議適量增加有機肥和鉀肥的施用量，減少氮肥施用，利用人為手段調節土壤pH，減少種植茶樹、豆科作物，改善土壤酸化問題［33-35］。A區主要為中性土壤和堿性土壤，土壤N含量較低，K及P含量相對較高，因此，建議A區適當增加氮肥的施用量，此外，應增加施用有機肥，因為有機質是土壤養分元素的主要來源，施用有機肥可有效改善土壤肥力［36，37］。

3 小結

研究區土壤養分元素N、P、K豐富-較豐富的面積比例分別為15.6%、12.3%和59.0%，土壤K含量相對豐富，而N和P含量相對較低。研究區酸性及強酸性土壤的比例分別為25.2%及46.3%，土壤以酸性為主。

空間結構分析表明，研究區土壤N、K2O和pH的塊金系數均小于0.25，說明空間變異性主要受自然因素的控制。土壤N含量與海拔高度呈正比，主要原因為低海拔區反硝化作用使得N流失。由于土壤鹽基離子會從高海拔區遷移到低海拔區，導致高海拔區土壤以酸性為主且K2O含量較低，此外，高海拔區N的硝化作用也會導致土壤酸化。土壤P受人為因素的影響明顯，耕地土壤P含量明顯高于其他用地類型。

結合研究區土壤養分元素和pH的空間分布特征，建議在酸性、強酸性土壤分布區適量增加有機肥和鉀肥的施用量，減少氮肥施用，利用人為手段調節土壤pH，減少種植茶樹、豆科作物，改善土壤酸化問題，而在中性及堿性土壤分布區，可適量增加有機肥的施用量，改善土壤肥力。