山西省3種典型作物主產區土壤微量元素特征分析

劉 洋，李廷亮,2,3*，栗 麗,2,3，張晉豐，陳 婷

山西省3種典型作物主產區土壤微量元素特征分析

劉 洋1，李廷亮1,2,3*，栗 麗1,2,3，張晉豐1，陳 婷1

（1.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801；2.黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心，山西 太谷 030801；3.山西農業大學 農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801）

【目的】探明研究區耕層土壤微量元素量現狀及其影響因素?！痉椒ā勘驹囼灧謩e在山西省小麥、玉米和谷子種植區，各選擇作物種植面積最大的3個代表性縣域，在每個縣域選取100個采樣點，分析其耕層土壤微量元素（Fe、Mn、Zn、Se）量，及其與pH、有機質、土壤類型和種植制度的關系?！窘Y果】研究區耕層土壤Fe、Mn、Zn和Se分別為30.42 g/kg、626.55 mg/kg、78.06 mg/kg和0.283 mg/kg。各種植區土壤微量元素量總體表現為：小麥種植區>玉米種植區>谷子種植區，盡管3個種植區土壤微量元素整體處于中等（或適量）及以上水平，但同時也存在不同程度的微量元素缺乏，研究區整體Fe缺乏比例最大，谷子種植區整體微量元素缺乏比例最大。不同土壤類型中，石質土、潮土、粗骨土、褐土和紅黏土的微量元素量，顯著高于棕壤、黃綿土、栗褐土和風沙土（<0.05），其中石質土微量元素量最高，棕壤和風沙土量最低。相關性分析結果表明，pH與4種微量元素均極顯著負相關，有機質與4種微量元素均極顯著正相關。種植制度、土壤類型、pH和有機質4種影響因素對土壤含Se量的綜合解釋率最高，為47.9%；含Mn量變化僅受土壤類型和有機質影響，其綜合解釋率為8.1%。【結論】盡管現階段山西省主要糧食作物種植區耕層土壤Fe、Mn、Zn和Se的4種微量元素總體處于中等（適量）及以上水平，但仍然需要注重對Fe的補充，以及提升谷子種植區整體養分量。土壤含Se量受環境變化影響最大，而Mn在土壤中的較為穩定。

山西?。恢饕Z食作物；耕層土壤；微量元素；含量特征；影響因素

0 引言

【研究意義】土壤是作物生長的載體，土壤養分供應狀況直接影響著作物的生長過程。農作物的產量和品質不僅受到土壤大量和中量營養元素的影響，同時也受到微量營養元素供給的影響。因此農作物生長與土壤微量元素的供給狀況密切相關，而微量元素的供給狀況由其含量、形態和分布規律等決定。所以明確區域范圍內農田土壤微量元素量和分布狀況，對于農產品提質增效，以及耕地土壤生態環境安全具有重要意義[1]?！狙芯窟M展】土壤微量元素量因土壤母質、地形和植被類型等自然因素差異而具有一定的區域性[2]，同時也受土地利用類型、施肥和耕作制度等人為因素的影響[3-4]。張騰蛟等[5]研究發現西昌市不同母質形成的土壤微量元素量差異顯著，侏羅紀-白堊紀泥巖類風化物形成的土壤中含有較多的Zn（267.7 mg/kg）和Mn（1 702.7 mg/kg）；第四季沖洪積風化物形成的土壤中Zn和Mn量較低（75.2 mg/kg和511.0 mg/kg）。余慧敏等[6]研究發現高程和坡度可通過改變土壤水熱分布狀況影響土壤中的養分分布，其中高程對土壤Mn、Se量影響顯著，坡度對土壤Mn、Mo量影響顯著。王興靈等[7]研究不同植被類型對土壤微量元素的影響，發現表層土壤（0～15 cm）中Fe、Mn量表現為林地>草地>耕地，Zn量則表現為耕地＞草地＞林地。山西省地處黃土高原東部，土壤微量元素量相對較低，根據20世紀90年代山西省第二次土壤普查數據，山西省耕層土壤Fe量為30 g/kg，高于全國土壤背景值2.0%，但Mn、Zn和Se平均量分別為545、66.2、0.18 mg/kg，分別較全國土壤元素量背景值低6.5%、10.8%、37.9%[8-9]?！厩腥朦c】近年來，我國糧食產量水平穩步提高，多數研究證明我國糧食增產很大程度上與氮、磷和鉀肥的大量投入有關，而對于糧食增產背后的土壤微量元素量變化特征缺乏系統分析。另外，在山西省轉型發展和“農谷”建設戰略發展要求下，山西省人民政府提出“要立足山西省農業特色資源和產業發展需求，發展功能食品和功能農業新產業拓展農業產業鏈和價值鏈”[10]，明確土壤微量元素量特征對推進山西省功能農業發展尤為重要?！緮M解決的關鍵問題】由于施肥種植及氣候條件變化對土壤養分演變的影響，第二次土壤普查養分數據已不能有效指導農業施肥生產。因此，本研究在山西省小麥、玉米和谷子種植區，分別選取代表性縣域，系統分析區域內耕層土壤微量元素（Fe、Mn、Zn和Se）量特征及其影響因素，以期為推進山西省功能農業發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山西省屬于暖溫帶、中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為10.6 ℃，降水量在400～650 mm，夏季降水量占全年的60%以上，土壤類型主要包括栗鈣土、栗褐土、褐土等。農作物播種面積355.52萬hm2，主要農作物有小麥、玉米和谷子等，其常年種植面積分別為174.77萬、56.03萬、19.78萬hm2。本研究根據《山西省統計年鑒》的統計數據以及區域特色，選取小麥主產區的洪洞縣、襄汾縣、聞喜縣，玉米主產區的原平市、太谷縣、壽陽縣，以及谷子主產區的沁縣、臨縣、五寨縣作為研究區域。各研究區基本信息如表1所示。

表1 研究區基本信息

注 T1：石質土；T2：潮土；T3：粗骨土；T4：褐土；T5：棕壤；T6：紅黏土；T7：黃綿土；T8：栗褐土；T9：風沙土。

1.2 樣品采集與處理

為避免季節性施肥對土壤養分量的影響，本研究土壤樣品均在作物收獲后采集，其中小麥區樣品在2019年7—9月完成，玉米區和谷子區樣品在2019年10—11月完成。分別在所選取的9個糧食作物主產縣市，根據土壤類型和種植區均勻布點100個，詳見圖1。每個采樣點根據所在地塊性質大小特征，采用五點法或“S”形法采集耕層（0～20 cm）混合樣品土壤樣品，所有樣品均在種植相應作物的地塊上采集，樣品經四分法處理后留取1 kg左右帶回實驗室，待風干后除去石礫和枯枝落葉，粉碎并通過1 mm和0.149 mm尼龍網篩，裝進自封袋做好標記備用。

圖1 研究區采樣點分布

土壤全Fe、Mn、Zn量采用HNO3-HF高溫消解—ICP-MS法測定[11-12]；土壤全Se量采用HNO3-HClO4高溫消解—HG-AFS法測定[13-14]；土壤pH采用電位法測定[15]；土壤有機質量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]。

1.3 數據處理與分析

使用ARCGIS 10.2制作研究區采樣點分布圖；使用Excel 2010對數據進行初步整理，制作pH、有機質與微量元素量的相關性圖，并進行Pearson相關分析；使用SPSS 19對土壤pH、有機質量、Fe、Mn、Zn量和Se量進行描述性統計分析，不同土壤類型微量元素的方差分析和齊性檢驗，及各影響因素對微量元素的多元逐步回歸分析；使用Canoco 5進行RDA分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植制度土壤微量元素現狀分析

如表2所示，研究區耕層土壤Fe、Mn、Zn量和Se量分別為30.42 g/kg、626.55 mg/kg、78.06 mg/kg和0.283 mg/kg。其中小麥種植區Fe、Mn、Zn量和Se量分別為32.57 g/kg、651.58 mg/kg、85.27 mg/kg和0.413 mg/kg；玉米種植區次之，分別為30.69g/kg、613.36 mg/kg、81.40 mg/kg和0.310 mg/kg；谷子種植區最低，分別為27.87 g/kg、613.76 mg/kg、67.09 mg/kg和0.180 mg/kg，小麥種植區的Fe、Zn量和Se量顯著高于谷子種植區（<0.05）。依據《土地質量地球化學評價規范DZ/T0295—2016》中，全國第二次土壤普查養分含量分級標準[16]，對采樣點微量元素量進行等級劃分（表3）。結果表明，研究區4種微量元素缺乏（或較缺乏）比例：Fe（35.65%）>Zn（15.39%）>Se（11.09%）>Mn（3.866%），3個種植區微量元素缺乏比例：谷子>玉米>小麥。其中小麥種植區僅Fe缺乏（或較缺乏）比例較高（14.49%），其他元素缺乏比例均小于5%；與小麥種植區類似，玉米種植區Fe缺乏（或較缺乏）比例最高（28.83%），其他元素缺乏比例均小于10%；谷子種植區微量元素較缺乏和較缺乏比例總體較高（Mn除外），Fe、Zn和Se分別為：64.36%、36.82%和26.88%。

變異系數反映土壤特性空間變異程度，變異系數≤10%為弱變異，介于10%～100%為中等變異，>100%為強變異[17]。由表2可知，各種植區4種元素變異強度表現為Se>Zn>Fe>Mn，僅小麥種植區Mn屬于弱變異，其他各種植區微量元素均屬于中等變異。

表2 土壤微量元素的描述性統計

注 Fe量單位為“g/kg”，Mn、Zn和Se單位為“mg/kg”，均值后小寫字母表示同一種元素在不同種植區的顯著性差異（<0.05）。

表3 土壤微量元素量分級[11]

2.2 土壤類型對土壤微量元素量的影響分析

將研究區域土壤類型按土類劃分，可知各土類之間微量元素Fe、Mn、Zn量和Se量具有一定差異性（表4）。其中石質土、潮土、粗骨土、褐土和紅黏土的微量元素量，顯著高于棕壤、黃綿土、栗褐土和風沙土（<0.05）。結果表明，不同土壤類型含Fe、Mn量和含Zn量以石質土最高，分別為33.03、661.12 mg/kg和90.24 mg/kg，潮土含Se量最高，為0.365 mg/kg。風沙土Fe、Zn和Se量最低，分別為24.45、54.34 mg/kg和0.119 mg/kg，棕壤含Mn量最低，為518.00 mg/kg。

表4 不同土類微量元素量及變異系數

含量表示平均值±標準差，同列不同字母表示不同土類微量元素量差異顯著(<0.05)。T1：石質土；T2：潮土；T3：粗骨土；T4：褐土；T5：棕壤；T6：紅黏土；T7：黃綿土；T8：栗褐土；T9：風沙土。

2.3 土壤pH、有機質及其與微量元素間的相關性分析

研究區土壤pH在7.45～9.00之間，有機質量在4.10～64.28 g/kg之間。由圖2可知，土壤微量元素量與pH均極顯著負相關（<0.001），與有機質均極顯著正相關。其中土壤Mn量與pH和有機質的相關性最弱，相關系數分別為-0.219和0.214；土壤Se量與pH和有機質的相關性最強，相關系數分別為：-0.507和0.570。土壤Fe量與pH和有機質的相關系數分別為：-0.452和0.353，土壤Zn量與pH和有機質的相關系數分別為：-0.448和0.429。

圖2 pH、有機質與土壤微量元素的相關性

2.4 環境因素對微量元素的影響分析

以土壤類型、種植制度、pH和有機質為自變量，Fe、Mn、Zn和Se為響應變量進行RDA分析。結果如表5所示，第一軸和第二軸的特征值分別為0.182 1和0.008 0，表明環境因素對微量元素量變化在第一軸和第二軸上的解釋量分別為18.21%和0.80%，其中第一軸的貢獻率為95.79%，說明微量元素量的變化主要受第一軸影響。

表5 各影響因素與微量元素量的RDA分析

在RDA排序圖中（圖3），箭頭之間夾角小于90°表示兩變量之間正相關，大于90°則表示負相關；三角形在箭頭所在線上的投影點到箭頭的距離，表示兩變量之間關系的緊密程度，距離越小關系越緊密。從圖3中可以看出，土壤微量元素之間正相關，有機質與微量元素正相關，pH與微量元素負相關。在不同土壤類型中，石質土微量元素量最高，棕壤和風沙土量最低；在3個種植區中，小麥種植區微量元素量最高，谷子種植區微量元素量最低。

為比較各影響因素對不同土壤微量元素量的影響程度，以種植制度、土壤類型、pH和有機質為自變量，分別以土壤Fe、Mn、Zn量和Se量為因變量進行多元逐步回歸分析，定量研究各影響因素對這4種微量元素量變化的解釋度，結果如表6所示。各影響因素對土壤Fe量變化的解釋率表現為pH>土壤類型>有機質>種植制度，4種影響因素對Fe量變化的綜合解釋率為32.9%。各影響因素對土壤Mn量變化的解釋率表現為有機質>土壤類型，綜合解釋率為8.1%，pH和種植區對土壤Mn量的影響不顯著。各影響因素對土壤Zn量變化的解釋率表現為pH>有機質>土壤類型>種植制度，綜合解釋率為34.1%。各影響因素對土壤Se量變化的解釋率表現為有機質>種植制度>pH>土壤類型，綜合解釋率為47.9%?？傮w來看，4種微量元素量變化受不同環境因素的響應程度表現為：Se>Zn>Fe>Mn。

圖3 各影響因素與微量元素量的RDA排序

表6 土壤微量元素含量與影響因素的多元逐步回歸分析

注 ?2表示環境因子對微量元素量變化的解釋度；adj2為綜合決定系數，表示環境因子對微量元素量變化的綜合解釋度。

3 討論

山西省屬黃土高原生態脆弱區，土壤養分總體偏低[18]。全國第二次土壤普查結果顯示，山西省耕地土壤Fe和Mn的平均量分別為20.00 g/kg和503.3 mg/kg，處于缺乏和中等水平[19]。本研究土壤Fe和Mn的平均量分別為30.42 g/kg和626.55 mg/kg，較全國第二次土壤普查數據分別高52.00%和24.49%；Se平均量為0.283 mg/kg，較華北地區（0.180 mg/kg）高57.22%[20]。研究區土壤微量元素量的提高，可能與肥料投入和測土配方施肥技術推廣有關。本研究對每個采樣點農戶的施肥情況進行調查發現，研究區域內施用的化肥以復合肥為主，有機肥以腐熟的雞糞、豬糞和牛糞為主，這幾種肥料的投入能一定程度上提高土壤微量元素量[21-25]。另外，本研究發現小麥種植區土壤Zn量水平較高（85.27 mg/kg），谷子種植區土壤Fe量較缺乏（27.87 mg/kg）。因此在施肥過程中需結合測土配方施肥技術，根據土壤狀況適量施用有機肥或化肥，確定合理的養分元素施用比例和施用量，在控制Mn和Zn投入的同時，注重Fe等其他微量元素投入，從而保證土壤微量元素養分協調供應，確保作物正常生長[26]。土壤微量元素量受自然因素和人為因素的共同影響[27-30]，且土壤對母質的微量元素具有繼承性，土壤母質的差異會直接影響土壤微量元素背景值，同時造成土壤微量元素量的空間異質性。本研究區土壤微量元素量表現為：小麥種植區>玉米種植區>谷子種植區，其由南向北的地理分布，與山西省土壤微量元素背景值由南向北逐漸降低的分布規律相同[8]，因此研究結果與前人一致。

研究區土壤微量元素變異程度總體表現為：Se>Zn>Fe>Mn。其原因一方面是由于土壤微量元素量主要表現為Mn>Fe>Zn>Se，土壤中的Se量較低，相對較小的變化值在統計學上會產生較大的變異性；而土壤中的Fe、Mn量原本就較高，即使其量發生變化，所占的比重也較小。另一方面土壤中不同微量元素的活性不同，土壤Se的活性較高，容易受環境因素影響而使其量發生變化，例如有機Se是土壤Se的主要存在形式，Se參與部分有機化合物的形成，有機質的增加會直接導致有機Se量的增加[31]，而本研究也發現土壤有機質對Se量變化的影響較大，能夠解釋其量變化的30.7%。影響土壤Se量變化的因素較多，土壤Se的空間變異程度較大，因此Se也被視為反映人類活動對土壤環境影響敏感程度的地球化學因子[32]；而Fe和Mn變異程度較低，主要是因為在堿性土壤上，Fe、Mn只要以穩定的氧化物存在于礦物中，難以受到環境因素的影響。

土壤微量元素量很大程度上與土壤類型有關。石質土理化性質受區域環境的影響較大，且元素遷移現象不明顯。研究區石質土微量元素量高于其他土壤類型，可能是因為當地微量元素背景值量較高，且當地降水量較低，減少了微量元素的流失；棕壤Fe、Mn量相對較低（分別為2.64%和518.00 mg/kg），因為棕壤在形成過程中，表層土壤會發生強烈的淋溶作用，使Fe-Mn氧化物向下遷移，導致表層土壤Fe、Mn量較低；風沙土微量元素量均顯著低于其他土壤類型，主要因為風積物母質本身微量元素量較低，形成的風沙土砂粒量高，又極易發生養分流失，因此風沙土微量元素量較低[33]。

山西省從北向南降水量和溫度不斷升高，土壤母質的風化作用不斷增強，并更大程度釋放出微量元素，所以降水量與土壤微量元素量正相關；另一方面，隨降水量的增加使得土壤中的鹽基離子不斷向下淋洗，造成土壤pH值降低，Fe-Al氧化物聚集[34]。因此，本研究中pH值與微量元素量呈極顯著負相關關系，土壤pH值對Fe量變化的解釋度最大（21.3%）。此外，本研究表明微量元素之間呈正相關關系，其中土壤Fe、Mn和Zn之間的相關性較好（圖3）。可能由于Fe和Mn在表生作用下，會形成帶負電荷的氧化物膠體，氧化物膠體在遷移富集過程中，對Zn產生了吸附作用[35]，這與臧振峰等[36]研究結果一致。

本研究中，土壤有機質和pH對土壤微量元素量變化的解釋率總體上高于作物類型，表明山西省微量元素量差異主要來自成土過程，而種植制度對土壤微量元素量影響相對較小。土壤全量微量元素量豐缺主要取決于礦物元素背景值，以及外源投入和養分庫的流失。種植制度則主要通過不同作物根系代謝影響微量元素形態特征及其生物有效性，而對土壤全量微量元素沒有驅動作用。

4 結論

在研究區域內，微量元素均存在不同程度的缺乏，其中Fe缺乏比例最高，且以谷子種植區微量元素量最低，谷子種植區微量元素缺乏比例總體最高，而小麥種植區微量元素量較為豐富。不同土壤類型中，以石質土微量元素量最高，栗褐土和風沙土微量最低。土壤pH與4種微量元素量極顯著負相關，對土壤Fe量變化影響最大，有機質與4種微量元素量呈極顯著正相關，對土壤Se量變化影響最大。同時，環境變化對土壤Mn量影響最小，對土壤含Se量影響最大。

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Trace Element Contents in Typical Soils in Shanxi Province

LIU Yang1, LI Tingliang1,2,3*, LI Li1,2,3, ZHANG Jinfeng1, CHEN Ting1

(1. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. Ministerial and Provincial Co-innovation Centre for Endemic Crops Production with High-quality and Efficiency in Loess Plateau, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 3.National Demonstration Center for Agricultural Resources and Environment Experimental Teaching, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

【Objective】Trace elements in soil are essential for crop growth and food heath. Their bioavailability varies with various biotic and abiotic factors. This paper presents an analysis of trace elements in plough soil layer and its influencing factors in Shanxi province.【Method】Three representative counties with large cultivation areas of wheat, corn and millet were selected in the study. In each county, we took soil samples from 100 sites, and the contents of Fe, Mn, zinc and Se in each sample, as well as their relationship with pH, organic matter, soil type, and crop types, were analyzed and calculated.【Result】The average contents of Fe, Mn, Zn, and Se in all soil samples across the three counties were 30.42 g/kg, 626.55 mg/kg, 78.06 mg/kg, and 0.283 mg/kg, respectively. Contents of all elements varied spatially over the planting areas, with the highest content found in wheat-growing areas, followed by corn and millet fields. Trace elements in the three counties were mostly at medium or high levels, but some deficiencies were detected, particularly Fe in millet-growing areas. The contents of the four elements were significantly higher in,,,andsoils than in,,, and. The trace elements were negatively correlated to pH and positively related to organic matter, both at significant levels. Correlation among the four trace elements themselves was positive, and multiple stepwise regression analysis showed that the combined effect of planting area, soil type, pH and organic matter, on Se were the highest, with the comprehensive interpretation rate being 47.9%. The variation in Mn content was affected by soil type and organic matter, with its comprehensive interpretation rate being 8.1%.【Conclusion】The contents of Fe, Mn, Zn and Se in the plough soil layer are at moderate level or above in most areas in Shanxi province. However, Fe supplementation and nutrient improvement in millet-growing areas are required. Se content is affected by environmental changes, while Mn content is comparatively stable. Overall, the contents of the four trace elements are highest in wheat-growing areas, followed by corn and millet fields.

Shanxi Province; main grain crop planting area; surface soil; trace elements; content characteristic; influence factors

1672 - 3317（2023）03 - 0040 - 08

S158.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021594

劉洋, 李廷亮, 栗麗, 等. 山西省3種典型作物主產區土壤微量元素特征分析[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(3): 40-47.

LIU Yang, LI Tingliang, LI Li, et al. Trace Element Contents in Typical Soils in Shanxi Province[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(3): 40-47.

2021-12-31

黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心基金項目（SBGJXTZX-25）；山西省重點研發計劃項目（201703D211001）

劉洋（1994-），男。碩士研究生，主要從事土壤-作物養分循環與調控。E-mail: liuyang5618@163.com

李廷亮（1982-），男。教授，博士，主要從事土壤-作物養分循環與調控研究。E-mail: litingliang021@126.com

責任編輯：趙宇龍