北京市農用地土壤微量元素有效態含量特征及其影響因素分析

李歡 黃勇 閆廣新 鄭祺愷 黃丹 李迪 王宇辰

摘 要：土壤微量元素有效態含量不僅影響作物產量，還能夠影響作物品質。選取昌平、平谷、房山和通州4處種植區，采集作物根系土樣品80份，探討土壤中有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硫、有效錳、有效鉬和有效硼等7種有效態的含量特征和豐缺狀況，并對其影響因素進行了分析。結果表明：土壤中有效銅、有效鋅含量豐富，有效鐵、有效硫含量較豐富，有效錳含量中等，有效鉬、有效硼含量較缺乏。土壤微量元素有效態含量的高低受元素全量、pH值、有機質含量等多種因素的共同影響，銅、鋅、硫、鉬元素的全量與有效態之間呈正相關性;pH值與有效硼之間呈正相關性，與其他元素有效態之間呈負相關性;有機質與有效鋅、有效硫、有效錳以及有效硼之間存在較為顯著的正相關性。

關鍵詞：微量元素有效態;農用地;分級評價;影響因素

Content characteristics and influencing factors of available trace elements in agricultural soil in Beijing

LI Huan， HUANG Yong， YAN Guangxin， ZHENG Qikai， HUANG Dan， LI Di， WANG Yuchen

（Beijing Institute of Ecological Geology，Beijing 100120， China）

Abstract： The available content of soil trace elements can not only affect crop yield， but also crop quality. Four planting areas， Changping， Pinggu， Fangshan and Tongzhou， are selected to collect 80 samples of crop root soil. The content characteristics is discussed including abundance and deficiency of seven available forms in soil， such as available Cu， available Zn， available Fe， available S， available Mn， available Mo and available B， and their influencing factors are analyzed. The results show： the soil in the study area is rich in available Cu and available Zn， fairly rich in available Fe and available S， medium in available Mn， and lacking in available Mo and available B. The available content of soil trace elements is affected by many factors， such as total element content， pH value， organic matter content and so on. There is a positive correlation between the contents of Cu， Zn， S and Mo and the available state. There is a positive correlation between pH and available B， and a negative correlation with the effective state of other elements. There is a significant positive correlation between organic matters and available Zn， available S， available Mn and available B.

Keywords： effective state of trace elements; agricultural land; graded evaluation; influencing factor

土壤中微量元素主要來自巖石和礦物，但大氣沉降物、農業施肥也在一定程度上影響著微量元素的分布特征（黃昌勇，2000）。硼、鉬、銅、鋅、錳和鐵等是作物生長不可缺少的微量元素，這類元素的豐缺狀況直接影響到作物的生長發育（黃增奎等，1995;楊紹聰等，2001）。作物在生長過程中缺乏微量元素，會出現不同的生理缺素癥，如玉米缺鋅出現花葉條紋病、桑樹缺鐵出現黃化病、蘿卜缺硼出現褐色心腐病（劉斌等，2008），煙株缺少微量元素直接影響煙葉化學成分的協調及香味成分的含量（張文婧等，2012），荔枝缺少微量元素會出現低產、不穩產的情況（沈慶慶等，2013）。由于微量元素全量僅是貯存指標，并不能代表其有效性，因此，關于微量元素有效態的研究工作越來越受到重視。

從自然源分析，土壤類型、酸堿度、有機質、土壤質地和海拔等因素均會影響土壤中微量元素有效態的分布特征（吳彩霞等，2008;蘇春田等，2015;鄧邦良等，2016;李珊等，2017;Kumar et al.，2020）;從人為源分析，農業施肥與灌溉、礦山開發、土地整理與開墾等人類活動也會導致微量元素含量的變化（謝岳等，2018;Paloma et al.，2021;趙云峰等，2020;馬學利，2021）。因此，需從不同角度探索影響農用地土壤微量元素有效態含量狀況與分布特征的因素。

北京市的農用地主要有果園、耕地、林地等，其中北京北部山前的丘陵地帶是蘋果、大桃、板栗等特色果業的集中種植區，南部的平原區則是小麥、玉米、蔬菜等大宗作物的集中種植區。通過選取以蘋果為特色的昌平種植區、以大桃為特色的平谷種植區、以小麥為特色的房山種植區和通州種植區為研究區，在掌握土壤微量元素有效態含量狀況與豐缺特征的基礎上，從多個角度對影響有效態含量的因素進行了分析，旨在為科學精準使用微肥、提升作物產量和品質提供科學依據。

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

北京市的地勢西北高東南低，基本構成西、北、東三面環山，東南低緩呈一平川的地形概貌。北京市河系屬海河流域，河網發育，區內從東到西分布有薊運河、潮白河、北運河、永定河和大清河五大水系。屬暖溫帶、半干旱、落葉闊葉林與森林草原—褐色土地帶，垂直地帶性土壤為山地草甸土—棕壤—褐土—潮土（郭莉等，2012;2017）。溫帶大陸性季風氣候，2018年全區年平均降雨量546.5 mm，年平均氣溫13.6℃，年平均風速2.0 m·s-1。種植結構主要為冬小麥、玉米、蔬菜等，另有蘋果、大桃、葡萄、西瓜等特色農業。

為了使研究工作更具有代表性，能夠反映出研究區內不同種植結構下的土壤有效態的分布特征（賈三滿等，2021），在西北部的昌平（流村鎮—南口鎮一帶）、東北部的平谷（峪口鎮—劉家店鎮一帶）、西南部的房山（琉璃河鎮—石樓鎮一帶）、東南部的通州（牛堡屯—漷縣一帶），各選定1處種植區開展研究（圖1）。其中昌平種植區（簡稱“CP”）面積46 km2，海拔70～200 m，土壤類型以洪積沖積物褐土性土為主，種植結構以蘋果為主;平谷種植區（簡稱“PG”）面積100 km2，海拔40～150 m，土壤類型以洪積沖積物褐土、褐土性粗骨土、酸性巖類淋溶性褐土、潮褐土為主，種植結構以大桃為主;房山種植區（簡稱“FS”）面積72 km2，海拔20～50 m，土壤類型以復石灰性褐土、壤質潮土、濕潮土型水稻土為主，種植結構以小麥和玉米為主;通州種植區（簡稱“TZ”）面積57 km2，海拔10～30 m，土壤類型以壤質潮土、黏質潮土為主，種植結構以小麥和玉米為主。

1.2? 樣品采集與分析測試

在作物成熟季節采集根系土樣品，共計80份。其中昌平種植區采樣點布設在蘋果園，采集樣品20份;平谷種植區采樣點布設在桃園，采集樣品30份;房山和通州種植區采樣點布設在小麥地，分別采集樣品16份和14份。采樣深度為0～20 cm，每件土壤樣品為5個子樣的混合樣，混合后樣品質量大于1000 g。

樣品加工包括樣品干燥、過篩與拌勻、稱重與裝袋、送樣分析、裝箱入庫等環節。將土壤樣品進行自然風干，風干過程中要適時翻動，用木棒將大土塊敲碎以防止黏連結塊。將風干后的樣品平鋪在制樣板上，用木棍碾壓，剔除植物殘體、石塊等。利用2 mm的孔徑篩對樣品進行過篩，剔除未通過的大顆粒碎石;對于土質結核進行揉搓，直至通過篩子。采用對角線折疊法對過篩后的樣品進行拌勻，確保每件加工后的樣品質量大于500 g。一部分樣品送往實驗室進行分析測試，另一部分裝入樣品瓶進行入庫保存。整個加工環節避免與金屬器皿接觸，如采樣、制樣使用不銹鋼、木、竹或塑料工具，過篩使用尼龍篩，儲存樣品使用塑料瓶或玻璃瓶。

樣品分析測試由中國冶金地質總局第一地質勘查院完成，測試樣品為粒度2 mm及以下的風干土，參考DD 2005-03《生態地球化學評價樣品分析技術要求》、DZ/T 0258-2014《多目標區域地球化學調查規范（1∶250 000）》、DZ/T 0295-2016《土地質量地球化學評價規范》標準執行，具體檢出限、分析方法及標準號見表1。質控過程中使用的一級標樣為GBW07459，GBW07460，GBW07413a，GBW07414a，分析測試質量均符合相關規范要求。

1.3? 數據處理與圖件編制

算術平均值、中位值、標準離差、變異系數、最小值和最大值等基本參數統計及箱線圖繪制在Excel中完成，相關性分析在SPSS 19.0軟件中完成，在MapGIS 6.7軟件平臺上進行相關圖件編制。

2? 結果與討論

2.1? 土壤微量元素有效態的含量狀況

研究區土壤微量元素有效態的含量特征見表2。不同微量元素的有效態含量之間存在一定差異，有效銅含量為0.497～120 mg·kg-1，平均為8.26 mg·kg-1;有效鋅含量為0.020～31.6 mg·kg-1，平均為6.27 mg·kg-1;有效鐵含量為1.75～140 mg·kg-1，平均為19.3 mg·kg-1;有效硫含量為6.72～697 mg·kg-1，平均為35.0 mg·kg-1;有效錳含量為0.684～69.1 mg·kg-1，平均為13.8mg·kg-1;有效鉬含量為0.023～0.318 mg·kg-1，平均為0.144 mg·kg-1;有效硼含量為0.074～1.45 mg·kg-1，平均為0.483 mg·kg-1。

根據變異系數判定土壤微量元素有效態的空間分布特征，有效銅、有效鐵、有效硫的變異系數超過100%，說明這些指標在空間上的分布很不均勻;有效鉬的變異系數僅為37.9%，空間分布較均勻。

2.2? 土壤微量元素有效態的分級評價

根據DZ/T 0295-2016《土地質量生態地球化學評價規范》對研究區土壤微量元素有效態含量狀況進行分級評價，分為豐富、較豐富、中等、較缺乏、缺乏5個等級（表3）。

由評價結果（圖2）可知，根據含量高低可將土壤有效態大致劃分為4類，第一類是有效銅、有效鋅，土壤中有效態含量高，達到豐富等級以上的樣品數分別占81.3%、57.5%;第二類是有效鐵、有效硫，土壤中有效態含量較高，達到較豐富等級以上的樣品占60%以上;第三類是有效錳，土壤中有效態含量中等，各等級樣品占比較均勻;第四類是有效鉬、有效硼，土壤中有效態含量較低，近60%的樣品數在較缺乏等級以下。

2.3? 土壤微量元素有效態之間的相關性分析

根據土壤有效態之間的Pearson相關性分析（表4）可以看出，多數元素有效態之間存在顯著相關性，僅有效銅與有效鐵、有效銅與有效硫、有效鋅與有效錳、有效硫與有效硼、有效錳與有效鉬、有效鉬與有效硼之間不存在相關性。有效銅與有效鋅、有效鐵與有效錳、有效硫與有效錳之間的相關性較強，相關系數分別達到了0.703（P<0.01）、0.628（P<0.01）、0.612（P<0.01）。需特別指出的是，有效硼與其他元素有效態之間呈負相關。

2.4? 不同種植區土壤微量元素有效態含量的對比分析

箱線圖能夠反映出不同含量區間的數值變化情況，直觀對比不同種植區土壤微量元素有效態的含量差別;其中上、下短橫線分別表示9/10和1/10分位數，箱體上限和下限分別表示3/4和1/4分位數，箱體內部短線表示中位數。

由圖3可知，不同種植區土壤微量元素有效態的含量差異較大。昌平種植區位于北運河流域，平谷種植區位于薊運河流域，二者均位于北京北部山前的丘陵地帶，有效態含量特征既存在相似性，也存在一定差別;有效銅、有效硼含量相近，平谷種植區有效鋅、有效鐵、有效硫、有效錳、有效鉬的含量普遍高于昌平種植區，特別是有效錳的含量差異最為顯著。

房山種植區位于大清河流域，通州種植區位于北運河流域，二者均位于第四系沖洪積形成的平原區，土壤特征明顯有別于昌平種植區和平谷種植區，因此，有效態含量特征的差異也較大;有效銅、有效鋅含量偏低，有效鐵、有效硼含量偏高。

2.5? 土壤微量元素有效態的影響因素分析

2.5.1? 土壤元素全量

土壤元素全量受成土母質來源的影響較大，4個種植區的土壤監測結果表明，位于北京北部山前丘陵地帶的昌平種植區和平谷種植區土壤銅、鋅、鉬等金屬元素的全量高于平原區的房山種植區和通州種植區。

從土壤中微量元素有效態含量與全量的Pearson相關性分析（表5）可以看出，有效鐵、有效錳、有效硼與全量之間不存在顯著相關性，說明這類元素全量的高低并不能直接影響有效態的含量分布;而有效銅、有效鋅、有效硫、有效鉬與全量之間存在顯著正相關性，相關系數為0.420～0.763（P<0.01），表明隨著土壤元素全量的升高，其有效態含量也相應升高，全量是決定其有效態含量分布的重要因素。特別是有效銅，其與全量的相關系數達到了0.763（P<0.01）。

2.5.2? 土壤pH值

pH是反映土壤理化性質的重要指標之一，由圖3可知，昌平種植區和平谷種植區土壤pH值低于房山種植區和通州種植區

根據Pearson相關性分析結果（表6）可以看出，微量元素有效態含量與pH值之間普遍存在顯著相關性。其中有效硼與pH值之間呈正相關性，相關系數為0.413（P<0.01），說明pH值越大（堿性越強），土壤中有效硼含量越高;而其他元素有效態與pH值之間呈負相關性，相關性由強到弱分別為有效硫、有效鉬、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅，說明pH值越小（酸性越強），有效態含量越高。土壤pH變化的本質是土壤溶液中H+濃度發生變化，從而改變微量元素的化學形態;土壤溶液中H+濃度升高，在H+的酸化作用下促進無效態向有效態的轉化（鄧邦良等，2016;李旭暉等，2019）。

2.5.3? 土壤有機質

通過對微量元素有效態與有機質之間進行Pearson相關性分析（表7），有效鋅、有效硫、有效錳、有效硼與有機質之間存在顯著正相關性，相關性系數為0.209（P<0.05）、0.398（P<0.01）、0.204（P<0.05）、0.206（P<0.05）;其他微量元素有效態與有機質之間不存在相關性。多數研究結果也表明（張小桐等，2016;張浩等，2017），土壤有機質是影響微量元素有效態含量分布的重要因素之一，有機質含量升高對微量元素活性具有明顯的促進作用。一般情況下，隨土壤中有機質含量的升高，微量元素有效態含量也會相應升高。

3? 結論

1）土壤微量元素有效態的分級評價結果表明，北京市農用地土壤中有效銅、有效鋅含量豐富，有效鐵、有效硫含量較豐富，有效錳含量中等，有效鉬、有效硼含量較缺乏。

2）銅、鋅、硫、鉬元素的全量與有效態之間呈正相關性;pH值與有效硼之間呈正相關性，與其他元素有效態之間呈負相關性。位于北京北部山前丘陵地帶的昌平種植區和平谷種植區土壤銅、鋅、鉬等金屬元素的全量高于平原區的房山種植區和通州種植區，且土壤酸性強于房山種植區和通州種植區，因此，這在一定程度上造成了有效銅、有效鋅、有效鉬的含量高于房山種植區和通州種植區。

3）有機質與有效鋅、有效硫、有效錳、有效硼之間存在較為顯著的正相關性。因此，可以通過施用有機肥提高土壤有機質的含量，進而提升有效鋅、有效硫、有效錳、有效硼的含量。

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