寧夏固原地區土壤地球化學特征和養分狀況評價

左健揚，方 璐，趙柳青，穆小虎

1.寧夏回族自治區國土整治修復中心，寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區國土資源調查監測院，寧夏 銀川 750002；3.寧夏回族自治區自然資產核算中心，寧夏 銀川 75002

0 引言

土地質量地球化學調查是以土壤地球化學為主要手段，通過調查土壤中的養分元素、生命健康元素、重金屬污染元素等化學元素指標，輔以農作物、灌溉水、大氣降塵等因素調查評價，從而全面了解土地質量現狀，是一項服務于國土資源管理、土壤污染防治、脫貧攻堅的基礎調查工作［1-4］.土壤地球化學特征是土地質量調查研究工作的基礎，通過土壤有關地球化學指標的特征分析，從而了解和研究土壤元素指標的區域分布和分配規律［5-7］.同時，土壤養分是土壤肥力的的重要指標，土壤養分的豐缺程度及其供應能力直接影響到作物的生長發育及其產量.因此，了解土壤養分元素的地球化學特征，客觀分析土壤養分的空間分布規律，正確定位土壤的肥力水平，對于提出合理的施肥建議，充分發揮土壤的潛力十分重要［8-9］.本文利用寧夏固原地區1∶25萬土地質量地球化學調查數據資料，通過迭代剔除方法分析區域表層土壤地球化學背景值和特征參數，研究區域表層土壤地球化學特征，并依據元素背景值，對N、P、K、Se、I、F、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn共19種養分元素指標豐缺狀況進行分析評價.

1 區域概況

研究區固原市位于寧夏回族自治區南部，下轄一區四縣，全境屬于國家重點扶持的六盤山集中連片特困地區，地處中國黃土高原的西北邊緣，屬典型的大陸性氣候.區域內以六盤山為南北脊柱，將固原市分為東西兩壁，呈南高北低之勢，海拔大部分在1 500～2 200 m之間，具有溝壑縱橫、梁峁交錯的地理特征.研究區地層分區屬華北-柴達木地層大區，橫跨祁連地層區之靖遠-西吉地層小區、阿拉善地層區之景泰-中寧地層小區、華北地層區之鄂爾多斯西緣地層分區桌子山-青龍山地層小區以及鄂爾多斯地層分區鹽池-環縣地層小區.區域內出露地層有中元古界、白堊系、古近系、新近系和第四系［10］.依據地貌類型，研究區主要為平原、黃土丘陵和山地3種類型，土壤類型以黃綿土為主，其次為灰褐土和黑壚土，新積土、紅黏土、粗骨土、潮土、草甸土零星分布.

本研究利用寧夏固原地區1∶25萬土地質量地球化學調查成果，調查總面積10 552 km2.按照1點/km2密度進行野外采樣作業，4個點進行組合作為采樣大格（4km2）送檢，最終得到表層土壤（0～20 cm）Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TC、Corg共53項元素指標的測試分析結果［11］.

2 土壤地球化學特征參數

2.1 背景值計算方法

土壤背景值反映在一定范圍內表層土壤地球化學特征，也代表了成土過程發展到一定歷史進程，土壤與其環境要素之間物質、能量交換達到動態平衡時的元素含量［12-13］.鑒于人類活動十分普遍，嚴格意義上的土壤自然背景已很難確定.所以這里指的背景值只是一個相對的概念，即土壤在一定自然歷史時期，受外部環境影響下，一定地域內元素的豐度［14-15］.本研究以0～20 cm表層土壤樣品作為土壤地球化學背景值統計的樣品.

在計算土壤背景值前，首先將研究區53項土壤元素指標進行數據處理，分別計算算術平均值（X）、幾何平均值（Xg）、算術標準離差（S）、幾何標準離差（Sg）、中位數（Xme）等統計特征參數［16-17］.再對數據進行迭代剔除，剔除離群數據，最終求取土壤元素指標背景值，主要分為以下3種情況.

（1）按照X±3S（算術平均值加減3倍算術標準離差）進行數據迭代剔除，剔除完成后計算其算術平均值（X′），對剔除后的數據進行正態分布檢驗，當統計數據服從正態分布時，用算術平均值（X′）代表背景值.

（2）若按步驟（1）進行迭代剔除后不服從正態分布，則按照XgSg±3（幾何平均值乘以幾何標準離差的正負3次方）重新進行數據迭代剔除，剔除完成后計算其幾何平均值（X′g），對剔除后的數據進行正態分布檢驗，當統計數據服從對數正態分布時，用幾何平均值（X′g）代表背景值.

（3）當用步驟（1）和（2）迭代剔除后，統計數據呈偏態分布時，用算術平均值（X′）或中位數（X′me）代表背景值.本文用算術平均值（X′）代表背景值.

2.2 地球化學特征參數

利用上述方法，對固原地區2 638個土壤樣品的53個元素指標迭代剔除，并經正態分布檢驗，計算并得到剔除離群值后的區域土壤地球化學特征參數，主要有平均值、最大值、最小值、中位數、眾數、標準離差、變異系數等.研究區土壤元素指標地球化學特征參數和背景值見表1.各元素通過迭代剔除，Sc、Th滿足正態分布，Ag、Ce、Ge、Sn滿足對數正態分布，其余元素指標為偏態分布.在此基礎上，得到固原地區土壤地球化學背景值.

表1 固原地區土壤元素指標地球化學特征參數統計表Table 1 Geochemical characteristic parameters of soil element indexes in Guyuan area

表1（續） Table 1（Contiuned）

3 土壤養分狀況評價

3.1 評價指標

以植物必需營養元素N、P、K、Se、I、F、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn共19種元素為評價指標，來評價研究區土壤養分含量的豐缺分布狀況.土壤養分等級劃分標準參照土地質量地球化學評價規范［18］，N、P、K、Corg劃分依據參照全國第二次土壤普查養分等級劃分標準（六等），將第五等標準和第六等標準進行合并，五等及五等以上的養分劃分標準不變；CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn分級標準在參照全國淋溶層（A層）土壤元素含量基礎上，依據多目標區域地球化學調查獲得的表層土壤分析數據統計給出；Se、I、F分級標準是在多目標區域地球化學調查獲得的表層土壤分析數據統計基礎上，參照國內外相應研究成果給出.具體養分等級劃分見表2和表3.

表2 土壤養分等級劃分標準Table 2 Grading standards of soil nutrients

表3 土壤硒、碘、氟等級劃分標準Table 3 Grading standards of Se，I and F in soil

本研究中土壤有機質含量利用土壤有機碳比例（即換算因數）乘以有機碳含量而求得（引用Van Bemmele因數［19］）：有機質=有機碳×1.724.

3.2 養分豐缺評價

土壤養分是土壤肥力的的重要指標，土壤養分的豐缺程度及其供應能力直接影響到作物的生長發育及其產量.在農業生產中，調節土壤養分狀況以滿足作物在不同生長發育階段對養分的需要是獲取農作物優質豐產的重要環節.本文依據研究區土壤地球化學背景值計算結果，對養分元素的豐缺狀況以及植物需求含量進行分析評價，劃分為以下3種類型.

（1）養分缺乏.土壤中一種或多種養分元素有效性較低或匱乏，使植物因養分不足而引起生理變化，致使形態上出現某些缺素癥狀，或生長受到抑制，產量受到顯著影響.土壤養分貧瘠也因不同植物對養分需求特性的差異而具有一定的相對性.土壤養分能滿足植物生長短期需要，而長期會導致植物養分供應不足的情況，也屬潛在缺乏.研究區土壤養分缺乏的元素主要為N、Ge、Se、有機質.其中N缺乏地區（＜1×10-3）面積7 944 km2，占調查面積的75.28%；Ge缺乏地區（＜1.3×10-6）面積8 868 km2，占調查面積的84.04%；Se缺乏地區（＜0.175×10-6）面積8 360 km2，占79.23%；有機質缺乏地區（＜20×10-3）面積9 180 km2，占調查面積87.00%.

（2）含量適中.土壤養分水平適合植物生長.主要有P、K、B、Co、Cu、Zn、TFe2O3、Mn、Mo、I、S、V、F，其元素指標的分布面積和占比見表4.其中，F含量過剩（＞700×10-6）面積1 056 km2，占調查面積的10.00%.研究區地方病主要為飲水型地方性氟中毒［20］，通過以往更換水源、改善飲水條件等措施，目前地方病已基本消除，但應持續做好區域水土監測工作.

表4 土壤養分元素指標的分布面積及占比Table 4 Distribution area and proportion of soil nutrient element indexes

（3）養分豐富.土壤養分含量高時一般土壤肥力也高，能夠為植物生長發育提供充足的養分條件.但養分供給過量，也會造成植物體內養分或代謝物的過量累積，從而導致植物產量下降或農產品品質下降.研究區內養分豐富元素主要為CaO、MgO（表5），其中CaO含量豐富（＞5.54%）面積9 704 km2，占91.96%；MgO含量豐富（＞2.15%）面積9 492 km2，占調查面積的89.95%.

表5 研究區土壤養分狀況統計表Table 5 Soil nutrient status in the study area

4 結論

依據固原地區2 638件表層土壤樣品的53項元素指標分析測試成果，通過迭代剔除離群數據分析運算，得到了土壤地球化學背景值和特征參數，剔除離群數據后，Sc、Th滿足正態分布，Ag、Ce、Ge、Sn滿足對數正態分布.對研究區19種土壤養分元素含量進行了豐缺評價，其中：養分缺乏元素指標為N、Ge、Se、有機質；含量適中、適合植物生長的為P、K、B、Co、Cu、Zn、T Fe2O3、Mg、Mn、Mo、I、S、V、F；養分豐富為CaO、MgO.研究區主要土壤類型為黃綿土，占調查面積的59.21%，成土母質主要為第四紀風成黃土，土壤侵蝕強烈，受自然條件和以往人類不合理耕作方式影響，養分較為貧瘠，因此在農業開發利用過程中應科學耕作、合理施肥、保水保土.同時，調查發現F含量過剩（＞700×10-6）區域面積達1 056 km2，主要集中分布于基巖山區及沿麓，應持續做好農用地水土監測工作.

本研究僅依據土壤養分元素的豐缺指標來進行養分評價，而不同土壤、不同作物的土壤養分對各種養分元素的需求存在差異.本研究的元素指標均為全量測試，植物所能吸收的有效態含量需要進一步的測試分析.在農業種植過程中，應根據農作物種類及養分需求類型有針對性的選擇所需的肥料類型，以達到科學施肥、合理施肥的目的.同時，土壤的pH值和氧化還原狀況，也會影響到元素的有效性［21］，可通過耕作和合理灌溉調節土壤水、氣、熱狀況，來提高各種養分的有效性.