朱 超,戴全厚,王玲玲
土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成因素之一,土壤中微量元素的含量與分布狀況是反映特定地區(qū)環(huán)境狀況的一個重要因素,對研究土壤環(huán)境質(zhì)量演變、人為活動對土壤質(zhì)量的影響及合理開發(fā)利用土地資源具有重要意義[1]。微量元素是動物和植物所必須的,其供給過多或過少都會引起動植物的不良反應(yīng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物所需要的微量元素主要來自于土壤[2]。劉錚等[3-4]對我國土壤微量元素的含量開展了較為全面和系統(tǒng)的研究,基本確定了我國不同土壤類型微量元素的含量水平和分布狀況。隨后許多學(xué)者對我國不同地域土壤中微量元素的含量、空間變異及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用進行了研究,余存祖等[5]對黃土區(qū)土壤微量元素的含量分布及其微肥效應(yīng)的研究認(rèn)為,微量元素的含量分布受成土過程與成土條件的深刻影響。張朝生等[6]在對天津市平原區(qū)土壤微量元素含量的空間相關(guān)性研究時發(fā)現(xiàn)多數(shù)微量元素含量表現(xiàn)出顯著的正空間自相關(guān)性,人為活動改變了部分微量元素在土壤中特別是表土中原有的空間分布結(jié)構(gòu)特征。2000年以來除了傳統(tǒng)研究外,更多的學(xué)者開展微量元素在小地域或特殊地類的研究,如中藥材、煙田、茶產(chǎn)地,關(guān)注微量元素對農(nóng)作物生長的經(jīng)濟效應(yīng)。張曉霞等[7]對黃土高原草地微量元素的分析發(fā)現(xiàn),鋅元素的變異跨度較大,坡面降雨和植物的存在引起微量元素全量的差異。賀行良等[8]對青島嶗山茶園微量元素有效態(tài)含量的探索研究結(jié)果認(rèn)為元素全量、pH值、有機質(zhì)等是影響微量元素有效態(tài)含量的主要因素,從而指導(dǎo)土壤酸堿度改良及合理施肥。縱觀前人的研究,針對集水區(qū)微量元素分布與變異的研究較為少見。
貴州省草海為國家級自然保護區(qū),內(nèi)有多種國家重點保護動植物,是多種過冬候鳥的棲息地,有“鳥的王國”之稱,并且是國家一級保護動物黑頸鶴的主要越冬地之一。濕地目前面臨水體污染、湖泊淤積等諸多環(huán)境問題。本研究區(qū)--沙河集水區(qū)是位于草海濕地保護區(qū)內(nèi)草海匯水源頭與湖水之間的一個區(qū)域,存在嚴(yán)重的水土流失問題,目前已對該區(qū)域的氮、磷、鉀等養(yǎng)分狀況做了相關(guān)研究,有必要繼續(xù)對全區(qū)的土壤微量元素含量狀況有較為清晰的認(rèn)識。同時,不同土地利用類型土壤微量元素的含量與分布特征也是指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地資源管理與開發(fā)、防止水土流失、降低面源污染對草海危害的重要依據(jù)。
研究區(qū)位于貴州省威寧縣草海濕地保護區(qū)內(nèi)。面積1.12km2,海拔2182-2311m;亞熱帶高原季風(fēng)氣候,年均降水量839.3mm,雨量隨季節(jié)更替分布不均,年際變化較大;日照豐富,年均溫10.5℃;巖溶、剝蝕丘陵地貌,基巖為砂頁巖、白云巖;土壤類型為黃壤、黃棕壤;土壤表層被侵蝕后,土壤養(yǎng)分貧乏,土層分布不均。由于人類活動的影響,研究區(qū)自然植被種類較少,生長狀態(tài)較差,以華山松、薔薇、馬桑為主;土地利用類型以人工林地、灌叢地、荒草地、人工草場為主,人工種植作物有玉米、馬鈴薯、白菜等。
在整個區(qū)域內(nèi),按五種土地利用方式,采用網(wǎng)格法均勻布設(shè),采集表層0-20cm的土樣,GPS定位。共采集70個樣品,其中坡耕地22個、荒草地8個、人工林地13個、灌叢地20個、草地7個。采樣時,以采樣點為圓心取半徑10m范圍內(nèi)的五個點組成代表該樣點的混合樣本,四分法采集約1kg左右的土樣。為防止污染,土樣的采集和粉碎均采用木質(zhì)、塑料或不銹鋼工具。土樣經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、剔除石塊、植物殘體等雜質(zhì),磨細(xì)過60目塑料尼龍篩待測。采樣點分布見圖1。
圖1 采樣點分布圖
Fe、Mn、Cu、Zn全量的測定采用 HNO3-HCLO4-HF消化法消解,原子吸收分光光度法測定;土壤全氮采用擴散法測定;全磷采用鉬銻抗比色法測定;全鉀用火焰光度計法測定;有機質(zhì)用油浴加熱重鉻酸鉀氧化法測定[9]。
土壤微量元素采樣點分布圖通過ARCGIS處理得到,數(shù)據(jù)的匯總與描述性統(tǒng)計通過Excel、SPSS17.0完成;利用Surfer8.0中的Kriging內(nèi)插法繪制本研究區(qū)四種微量元素等值線圖;利用標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分析微量元素的離散程度,變異系數(shù)小于10%為弱變異,變異系數(shù)在10%-100%為中等變異,變異系數(shù)大于100%為強變異[10,11]。不同元素間的二元相關(guān)性分析采用皮爾遜和秩相關(guān)系數(shù)法完成,其中皮爾遜相關(guān)性分析適用于變量服從正態(tài)分布的情況,而秩相關(guān)性分析針對非正態(tài)分布變量。
根據(jù)沙河集水區(qū)土壤中微量元素含量特征的描述性統(tǒng)計(表1),結(jié)合世界與我國土壤微量元素含量狀況[4]可知:該區(qū)土壤中Fe含量范圍為1.85%-5.29%,平均值為3.32%,略高于全國平均水平;Mn含量范圍為115.40-863.60mg/kg,平均為342.17mg/kg,明顯低于全國平均水平。我國土壤中Cu含量變幅很大,但大多數(shù)土壤中的含量在20-40mg/kg之間,本區(qū)土壤中Cu含量范圍為7.90-58.60mg/kg,均值為27.62mg/kg,略高于全國平均水平;Zn含量范圍為42.30-413.64mg/kg,平均值為152.96 mg/kg,高于全國平均水平;可見除Mn外,其他微量元素含量均較充足。由表1還可以看出,四種元素都屬于中等程度的變異,其變異性為Zn>Mn>Cu>Fe。說明Fe的分布較集中,而Zn分布較離散。不同土壤類型及地形也對微量元素的變異性產(chǎn)生影響。
表1 土壤微量元素含量的描述性統(tǒng)計
土壤某元素有效態(tài)含量與背景值(全量)的比值,稱為該元素的活性,活性是土壤元素背景值、有效態(tài)、土類、有機質(zhì)、粘粒、pH值的函數(shù)[12]。根據(jù)現(xiàn)有研究,黃壤、黃棕壤中Mn的活性值為16.98%/16.87%、Cu為4.91%/6.2%、Zn為2.3%/2.8%[13]。如果將土壤微量元素的全量粗略的估計為該元素在該地的背景值,那么就可以根據(jù)背景值與有效態(tài)含量的關(guān)系大致估計該地土壤中微量元素有效態(tài)含量的范圍和供給水平。但土壤元素的背景值為該元素自然本底值,是相對不受污染情況下的基本值,此種方法只是對土壤中元素供給情況的簡單估計,要想得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)需要具體的實驗分析。
圖2為利用Surfer8.0中的Kriging內(nèi)插法[14]繪制的本研究區(qū)四種微量元素等值線圖。由圖可直觀的看出微量元素含量在本區(qū)的分布狀況,圖中顏色越深說明元素含量水平越低,越淺說明含量越高。Fe元素呈現(xiàn)高峰點與低值點交錯分布的現(xiàn)象,從西北到東南各有兩個高值區(qū)和一個低值區(qū),范圍小、變化快,中部變率較小。Mn含量的高值區(qū)集中在研究區(qū)南部,范圍較小,大部分地區(qū)含量較低。Cu元素含量在整個區(qū)域內(nèi)變化比較均勻,但增值速率快,在本區(qū)東北部有三個較為明顯的高值區(qū)。Zn元素在大部分地區(qū)含量相當(dāng),變化不大,只在研究區(qū)邊緣部分變化較快,大致呈東北低西南高的趨勢。在本區(qū)西南部各元素均出現(xiàn)相對高值區(qū),結(jié)合本區(qū)地形圖可知西南部為研究區(qū)內(nèi)地勢最低處,因此不排除水土流失造成微量元素富集的可能。
對本區(qū)四種微量元素的正態(tài)分布檢驗可知,除Zn外,其他微量元素都很好的服從了正態(tài)分布,因此對Fe、Mn、Cu的二元相關(guān)關(guān)系分析采用皮爾遜分析方法,而對Zn的相關(guān)性分析采用秩相關(guān)系數(shù)法。Cu與Mn、P之間為極顯著性正相關(guān);Mn與pH值為顯著正相關(guān),與Cu、P之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。Fe與N、有機質(zhì)之間呈顯著負(fù)相關(guān);Zn與pH為顯著正相關(guān),而與Mn、N則表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。
圖2 微量元素含量等值線圖
Mn的氧化物常能大量吸附Cu離子,這可能是造成Cu含量與Mn含量極顯著性正相關(guān)的原因之一。有機質(zhì)含量與Cu含量之間也有非常密切的關(guān)系,但主要與有效態(tài)Cu之間發(fā)生[15],本研究表明該區(qū)有機質(zhì)含量與Cu全量之間并無明顯的相關(guān)關(guān)系。Cu含量與P含量表現(xiàn)為極顯著正相關(guān),這可能與Cu元素常存在于磷酸鹽中有關(guān)。鉀除與氮顯著性相關(guān)外,與其他土壤元素?zé)o明顯相關(guān)關(guān)系,說明鉀對該地區(qū)土壤元素的含量影響不明顯。而N除與Cu、Mn無明顯相關(guān)以外,與其他土壤元素均為顯著性相關(guān),說明N元素是影響其他土壤元素含量的一個主要因素。相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明,N和有機質(zhì)分別影響Zn和Fe的含量,而P對Cu、Mn的含量狀況有明顯影響。
表2 土壤中微量元素相關(guān)性分析
土地利用方式不同,其土壤微量元素分布亦有所不同,在試驗方法指導(dǎo)下,測定不同土地利用方式下土壤微量元素分布特征,如表3所示。
表3顯示,本區(qū)不同土地利用類型下Cu的平均含量差別不大,集中在20-40mg/kg之間,且各值大小都在我國土壤Cu含量均值以上。坡耕地中Cu含量除與草地不存在顯著差異外,與其他土地利用方式均存在顯著或極顯著差異,草地中Cu含量與荒草地、人工林地、灌叢三種土地利用方式存在顯著或極顯著差異。不同土地利用方式元素的相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明,在坡耕地、荒草地和草地中Cu與Mn為顯著或極顯著正相關(guān),在坡耕地、灌叢、荒草地中Cu與P為顯著或極顯著正相關(guān)。此外,在坡耕地中Cu與有機質(zhì)也表現(xiàn)出顯著性正相關(guān)。由此可見,Mn、P和有機質(zhì)含量對研究區(qū)內(nèi)Cu元素含量和分布狀態(tài)存在一定影響。
有研究表明,當(dāng)土壤中有機質(zhì)含量小于5%時,土壤Cu含量隨有機質(zhì)含量的增加而增加。本區(qū)中Cu與有機質(zhì)的顯著性相關(guān)應(yīng)該和Cu與有機質(zhì)常結(jié)合在一起移動有關(guān),且有機質(zhì)含量大的地方常出現(xiàn)Cu元素富集[2]。P與Cu之間高度相關(guān),但Cu與P元素之間存在拮抗作用,草地和坡耕地是本區(qū)具有經(jīng)濟價值的主要區(qū)域,兩者的P元素含量屬中等肥力以上,因此需控制兩地磷肥的使用量,防止植物因缺Cu而生長不良。Cu含量多少主要與成土母質(zhì)有關(guān),在成土過程中發(fā)生的變化較小,從變異系數(shù)上也可以看出(表5),不同的土地利用方式Cu含量的變異系數(shù)集中在20%-35%之間,離散度較小。
表4 不同土地利用方式微量元素相關(guān)性分析
表5 不同土地利用方式微量元素變異系數(shù) (單位:%)
不同土地利用方式下Mn含量均值大小均在全國平均值之下,人工林地含量最小,草地含量最大。草地與荒草地差異不顯著,與其他土地利用方式差異顯著或極顯著,荒草地與人工林地和灌叢的差異顯著,與其他土地利用方式差異不顯著。Mn除與Cu在不同土地利用方式下顯著性相關(guān)外,在坡耕地和人工林地中Mn與P極顯著正相關(guān),坡耕地中Mn與有機質(zhì)、pH值極顯著正相關(guān),灌叢中Mn與Zn極顯著正相關(guān)。
不同土地利用類型下Zn含量集中在130-170mg/kg之間,各土地利用方式下均值不存在顯著差異,但全距的變幅較大,以灌叢最大,人工林地次之,草地最小。對Zn的相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明:在人工林地中Zn與N表現(xiàn)出顯著正相關(guān),在灌叢中Zn與Mn表現(xiàn)出顯著正相關(guān),在荒草地中Zn與Fe表現(xiàn)出顯著正相關(guān)。從變異程度看(表5),Zn含量在草地和人工林地變異系數(shù)從13.71%到69.84%,變幅較大。
不同土地利用方式下Fe含量基本集中在3.0%-3.5%之間,荒草地最高,草地最低,方差分析的結(jié)果表明Fe含量在不同土地利用方式下均值不存在顯著差異。在灌叢地中Fe與有機質(zhì)、pH表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)。從變異系數(shù)上看(表5),人工林地的離散度最大,說明其分布較不均勻,荒草地的離散度最小,為9.71%<10%,屬于弱變異性。
人工林地中Cu、Mn、Zn含量在各土地利用方式下均是最低,這可能與人工林地的質(zhì)地有關(guān)。一般來說,質(zhì)地較輕的土壤含有較低的Mn含量,粗質(zhì)土壤及土壤中的粗粒部分其微量元素含量往往較低,人工林地分布多為礫質(zhì)土,常有巖石裸露,也是生態(tài)恢復(fù)的重點區(qū)域。草地由于地勢平坦,地表溫潤,土質(zhì)粘性大,所以Mn、Cu含量均較高。Mn、Cu、P之間的相互關(guān)系視土壤條件而定,有待于進一步研究。在坡耕地中Cu、Mn、有機質(zhì)之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān),可能是因為耕地中人為使用有機肥料造成有機質(zhì)含量較高,有機質(zhì)易與微量元素結(jié)合從而減少其淋溶損失。
(3)H3PO2的工業(yè)制法是:將白磷(P4)與Ba(OH)2溶液反應(yīng)生成PH3氣體和Ba(H2PO2)2,后者再與H2SO4反應(yīng)。寫出白磷與Ba(OH)2溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式:___。
四種元素在不同土地利用方式下變異系數(shù)的結(jié)果顯示(表5),人工林地和荒草地各元素變異系數(shù)相比較大,灌叢和草地的變異系數(shù)較小,坡耕地的變異系數(shù)較均衡。分析原因,一方面與元素本身的性質(zhì)有關(guān),土壤酸堿環(huán)境及植被對不同元素吸附固定不同,另一方面可能與人工林地和荒草地的坡度大,地表蓋度小且土質(zhì)粗糙,而灌叢植被蓋度較好,草地的地勢平坦與土質(zhì)黏重有關(guān)。
綜上所述,除母質(zhì)和成土過程外,元素之間的共生關(guān)系、有機質(zhì)、土壤粘粒組成、地形地貌等是影響本區(qū)不同土地利用方式間元素含量分布差異的主要因素。坡耕地的各項指標(biāo)比較均衡,這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說十分有利;人工林地的Mn、Cu、Zn含量都為本區(qū)最低,且植被生長狀況差,因此需加大治理力度,加強人為干擾的作用,幫助該區(qū)恢復(fù)植被,防止水土流失的繼續(xù)惡化。
研究區(qū)內(nèi)Fe元素含量略高于全國平均水平,在研究區(qū)的西北和東南各有兩個高值區(qū)和一個低值區(qū),且高低相間,其他部分含量變化不大,屬中等程度變異,變異系數(shù)較小。Mn元素含量明顯低于全國平均水平,在研究區(qū)的南部有較小范圍的高值區(qū)。Cu元素含量高于全國平均水平,變化均勻,高值區(qū)位于東北部。Zn的變異系數(shù)超過50%,變幅較大,大致為研究區(qū)邊緣部位含量較高,向中心逐漸降低,中部出現(xiàn)小范圍高值點。
相關(guān)性分析表明,Cu、Mn與P兩兩之間呈極顯著正相關(guān),Mn與P、Zn、pH之間顯著或極顯著正相關(guān);Fe與N、有機質(zhì)之間顯著或極顯著負(fù)相關(guān);Zn與N、pH之間為顯著或極顯著正相關(guān)。
對于草海濕地保護而言,大量微量元素流入,除了造成湖泊淤積以外,微量元素的遷移和轉(zhuǎn)化,將會對湖泊中生物生長帶來相當(dāng)大的影響。因此,探索本區(qū)微量元素含量狀況除對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義外,更為制定科學(xué)準(zhǔn)確的濕地保護策略提供依據(jù),防止微量元素進入濕地造成湖泊淤積和水體污染。
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