任彧 陳杰 韓杏杏

摘要 [目的]研究不同母質(zhì)類型下耕地土壤速效鋅與速效鉬的空間變異及其影響因子。[方法]以河南駐馬店市泌陽縣為研究區(qū)域，測定406個耕地土壤耕層樣品的土壤速效鋅、速效鉬含量，分析不同成土母質(zhì)來源下泌陽縣耕地樣點速效鋅、速效鉬含量，利用灰色關(guān)聯(lián)分析研究不同母質(zhì)下土壤速效鋅、速效鉬與全氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)、高程、采樣點5 km范圍內(nèi)面積超過200 m.2的采礦用地數(shù)量的灰色關(guān)聯(lián)度。此外，采用地統(tǒng)計學方法對速效鋅、速效鉬含量的空間變異規(guī)律進行研究。[結(jié)果]速效鋅和速效鉬均屬中等變異，鋅的變異性大于鉬，不同母質(zhì)類型下速效鉬和速效鋅的含量存在顯著差異。不管何種母質(zhì)的土壤樣點中，高程與鋅、鉬的關(guān)聯(lián)度水平均較高，高程為影響鋅、鉬變異的重要原因。半方差函數(shù)分析表明，鋅的最適模型為指數(shù)模型，鉬為線性模型，都存在一定的空間自相關(guān)性。[結(jié)論]鋅含量高值區(qū)在四周都有分布，中部含量較低，在鋅缺乏的區(qū)域要注意施加鋅肥。鉬的高值區(qū)主要集中在中上部區(qū)域，速效鉬含量整體水平相對較高。

關(guān)鍵詞 速效鋅；速效鉬；母質(zhì)；灰色關(guān)聯(lián)分析

中圖分類號 S158.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）23-0093-05

Abstract [Objective] To study spatial variability and affecting factors of soil available zinc and molybdenum of agricultural land in different parent materials. [Method]Biyang County was selected as the case study area. A total of 406 soil samples were collected from the farmlands in Biyang for analysis of soil available zinc （Zn） and molybdenum （Mu）. Through analysis of variance， we worked out whether there were significant differences in the soil samples under different parent materials. Taking the available Zn and Mu of soil under different parent materials as the reference quantities， we used the grey correlation analysis method to calculate separately the degree of gray correlation between reference quantities and total nitrogen， available phosphorus， available potassium， organic matter， elevation， the number of sampling points of mining land with an area over 200 m.2 within 5km. In addition， the spatial variation of available Zn and Mu was investigated by geostatistical methods. [Result]Available Zn and Mu were both moderately variable， while the variability of Zn was greater than Mu. There were significant differences in the contents of available Zn and Mu under different parent materials. The elevation had high levels of gray correlation with Zn， Mu， regardless of the parent materials， indicating that elevation was an important cause of variation of Zn， Mu. The analysis of semivariance function showed that the optimal model of Zn was exponential model， while Mu linear model. [Conclusion]The area with higher content of Zn was distributed all around， the low content in the middle. Zn fertilizer should be applied in areas where Zn was deficient. The high value zone of Mu was mainly distributed in the upper middle of the study area. In general， the effective Mu content of cultivated land in Biyang County was relatively high.

Key words Available zinc；Available molybdenum；Parent material；Grey correlation analysis

微量元素為植物正常生長所不可缺少的，植物所需的微量元素主要來源于土壤，其在土壤環(huán)境中濃度過低或過高均會影響植物的產(chǎn)量與品質(zhì)，特別是重金屬元素，可通過食物鏈影響人體健康，通過生態(tài)循環(huán)進一步影響整個生態(tài)系統(tǒng)[1-5]。在國家實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略農(nóng)業(yè)優(yōu)先發(fā)展的大背景下，在糧食安全和精準農(nóng)業(yè)越來越受關(guān)注的今天，厘清耕地土壤的微量元素含量分布特征，精準把控耕地土壤養(yǎng)分狀況，對于保障農(nóng)產(chǎn)品安全、提高農(nóng)產(chǎn)品競爭力具有重要作用[6-9]。針對耕地土壤中有效微量元素的研究也日益成為農(nóng)業(yè)和土壤科學關(guān)注的焦點。作為復(fù)雜綜合體的土壤，微量元素的含量、有效性和分布特征受到多種因子的共同影響[10]，除自然地理背景的成土母質(zhì)，土壤自身屬性、耕作制度、種植植物等均影響金屬元素的積累和有效性[10-11]。

目前學者多選取生態(tài)脆弱區(qū)與農(nóng)業(yè)典型代表區(qū)為研究區(qū)域，綜合運用地統(tǒng)計學與傳統(tǒng)統(tǒng)計學相結(jié)合的方式，或通過研究土壤重金屬元素如鉛、鎘、汞的含量，計算內(nèi)羅梅綜合指數(shù)來判定土壤污染狀態(tài)及潛在生態(tài)危害，或探究土壤中植物生長必需元素的有效態(tài)含量來辨別土壤養(yǎng)分狀況[2，12-15]。研究大多通過分析不同土地利用方式、不同土壤類型、不同行政區(qū)劃分、不同尺度情況下土壤元素含量的差異性和分布特征，通過相關(guān)分析對元素來源進行一定的分析與解釋，進而提出改善土壤質(zhì)量的指導與建議[16-19]。針對不同母質(zhì)類型下耕地土壤有效態(tài)微量元素含量差異和比較的研究相對較少，而土壤中微量元素含量變異除受人類施肥等相關(guān)活動的影響外，大部分源于成土母質(zhì)的不同。

泌陽是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的河南縣級市，全國油料百強縣，也是豫南地區(qū)重要的金屬、非金屬礦產(chǎn)基地。全縣面積大于200 m.2的采礦用地達561個，一定程度上影響泌陽農(nóng)用地中土壤微量元素的含量。泌陽農(nóng)作物以小麥、油料作物、大豆、玉米為主。研究表明，鋅元素能提高蛋白質(zhì)含量，改善小麥籽粒的營養(yǎng)品質(zhì)，鉬元素對于豆科作物具有十分重要的作用，可以提高油菜籽的含油率和油酸含量。筆者以河南省泌陽縣為研究區(qū)域，運用地統(tǒng)計方法分析耕地土壤中速效鋅與速效鉬的空間分布，通過方差分析判斷不同母質(zhì)對速效鋅、速效鉬含量差異的影響，運用灰色關(guān)聯(lián)分析方法分別計算不同母質(zhì)類型下土壤速效鋅、速效鉬與植物生長所需三大元素（氮、磷、鉀）、土壤有機質(zhì)、海拔、采礦用地數(shù)量之間的灰色關(guān)聯(lián)度，并對其來源與影響因子進行分析。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)泌陽縣（113°06′～113°48′E，32°34′～33°09′N）位于河南省南部，隸屬于駐馬店市（圖1），大陸性季風型濕潤氣候，年均降水量為921.2 mm，年均蒸發(fā)量1 720.4 mm，年均溫14.5 ℃?？h域面積2 783 km.2，糧食作物播種面積近12萬hm.2。泌陽縣地勢中部高，東西低，以淺山丘陵、沖積平原、河湖相沉積平原地貌為特征。成土母質(zhì)主要有4種：殘積坡積物、洪積物、近代河流沉積物、湖相沉積物。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

遵循農(nóng)業(yè)部統(tǒng)一的耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范和要求，于2009—2011年，根據(jù)泌陽縣行政區(qū)劃的耕地分布特征，考慮地貌類型、母質(zhì)類型、土壤類型等因素布置采樣點位置和數(shù)量，使樣點控制范圍土壤基本屬性盡量相近。作物收獲后，在田塊采用“S”形布點多點混合采集0～20 cm深的土樣，最終得到有效土樣406個。理化分析步驟和要求按照《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范》標準執(zhí)行。測得每個樣點的土壤速效鋅（DTPA 浸提法）、速效鉬（草酸-草酸銨浸提）、有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量。此外，整理搜集研究區(qū)第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)、土壤屬性空間數(shù)據(jù)、第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)等。

1.3 研究方法

運用 SPSS 21.0 軟件對土壤速效鋅和速效鉬含量特征進行描述性統(tǒng)計，并對不同母質(zhì)類型下的樣點進行2種元素的單因素（ one-way ANOVA）方差分析，并利用最小顯著極差法（ LSD）進行多重比較。

地統(tǒng)計學在模擬具有空間變異性的土壤屬性空間分布中取得了較好的效果[11，20]，半方差函數(shù)是研究土壤空間變異性的關(guān)鍵，也是使克里格插值結(jié)果更精確的基礎(chǔ)[21]。利用GS + 9.0 進行土壤速效鋅和速效鉬半方差函數(shù)模型的擬合，選擇參數(shù)最佳時的模型，應(yīng)用Arc GIS10.1 中的地統(tǒng)計模塊進行普通克里格插值，繪出研究區(qū)2種元素在農(nóng)用地上的空間分布狀況。

灰色關(guān)聯(lián)分析在數(shù)據(jù)量較少的情況下，探索因素變化趨勢是否具有一致性，是衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法[22-24]。常用的皮爾遜相關(guān)系數(shù)反映的是變量之間的線性關(guān)系和相關(guān)性的方向，不能很好地表征變量之間復(fù)雜的非線性關(guān)聯(lián)。該研究以速效鋅與速效鉬為參考數(shù)列，在不同母質(zhì)類型下分別計算與全氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)、高程、采樣點5 km范圍內(nèi)大于200 m.2采礦用地數(shù)量這6個因子的灰色關(guān)聯(lián)指數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度，分辨系數(shù)ρ取常用的0.5，軟件采用Excel 2010。

土壤速效鋅與速效鉬養(yǎng)分含量的等級參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分等級劃分標準，并根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，最終以泌陽縣耕地地力評價專項項目劃分標準，分別將2種元素劃分為5個等級（表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤速效鋅和速效鉬的基本統(tǒng)計特征

泌陽縣耕地表層土壤406個樣點的速效鋅和速效鉬描述性統(tǒng)計結(jié)果見表2、3。由表2、3可知，殘積物、坡積物發(fā)育而來的土壤，其土壤速效鉬含量在所有母質(zhì)中均值最高，但速效鋅含量卻相反，在統(tǒng)計樣點中均值最低。不同母質(zhì)類型下速效鉬的中值和平均值均較接近，速效鋅的中值低于相應(yīng)均值。5種母質(zhì)類型下速效鋅含量偏度和峰度均大于0，分布屬于右偏態(tài)，表明樣點中速效鋅含量高于均值的采樣點相對較多。速效鉬也僅在沖積物、河湖相沉積物母質(zhì)下分布呈左偏態(tài)。速效鋅和速效鉬的變異系數(shù)為10%～100%，屬中等程度變異，整體而言，速效鋅的變異性大于速效鉬。由此可知，不同母質(zhì)類型下速效鉬和速效鋅的含量存在顯著差異。

2.2 影響因素分析

從每種母質(zhì)類型樣點中隨機抽取20個樣點，分別計算不同母質(zhì)下全氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)、高程、采樣點5 km范圍內(nèi)面積超過200 m.2的采礦用地數(shù)量與對應(yīng)速效鋅和速效鉬的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表4。由表4可知，在殘積物、坡積物發(fā)育而來的土壤下，速效鉀與速效鋅的

關(guān)聯(lián)度最大，達0.970，但在其余4種母質(zhì)類型下，兩者的關(guān)聯(lián)度在所選變量中均處于中等偏下水平。相對而言，速效磷與速效鋅的關(guān)聯(lián)度在不同母質(zhì)類型下關(guān)聯(lián)度表現(xiàn)穩(wěn)定，與其他變量相比均較低，而高程相反，5種母質(zhì)類型下高程與速效鋅的灰色關(guān)聯(lián)度較高。全氮在洪沖積物母質(zhì)類型下與速效鋅關(guān)聯(lián)度最高，在下蜀系黃土母質(zhì)類型下關(guān)聯(lián)度最低。有機質(zhì)通過影響結(jié)合物的狀態(tài)與數(shù)量而影響微量元素的有效性，在該研究區(qū)，復(fù)合母質(zhì)類型沖積物、河湖相沉積物發(fā)育背景下，有機質(zhì)含量的變化趨勢與速效鋅的相較其他變量更顯一致，但單論有機質(zhì)而言，當母質(zhì)為殘積物、坡積物時，其變化關(guān)聯(lián)度最高。整體而言，在殘積物、坡積物母質(zhì)下，所選影響因子與速效鋅關(guān)聯(lián)度均較高。下蜀系黃土母質(zhì)的采樣點中礦石數(shù)量與速效鋅的關(guān)聯(lián)度最高，不同于在其他母質(zhì)類型下的表現(xiàn)。

由表5可知，6種變量與速效鉬的關(guān)聯(lián)程度在不同母質(zhì)下表現(xiàn)不同。速效鉀與速效鉬的關(guān)聯(lián)程度在殘積物、坡積物中最高，但與其他因素相比，關(guān)聯(lián)度處于較低水平，僅比速效磷高，在洪沖積物發(fā)育而來的土壤中，關(guān)聯(lián)度僅為0.719，是除全氮、高程外第3個與速效鉬含量變化趨勢相近的。這也從側(cè)面表明在不同母質(zhì)發(fā)育背景下，因子與有效鉬含量的關(guān)聯(lián)緊密度存在差異。在殘積物、坡積物中，關(guān)聯(lián)度最高為全氮0.956，同樣的變量中，沖積物、河湖相沉積物中最高為海拔0.858，在洪沖積物中最高關(guān)聯(lián)度為全氮0.787。其中，海拔和全氮2個變量與速效鉬的關(guān)聯(lián)度絕對大小在不同母質(zhì)樣點中雖然不同，但與其他變量相比而言，處于較高水平。這表明海拔和全氮的變化能更大程度上影響速效鉬含量的變化水平。

2.3 土壤速效鋅和速效鉬的空間變異與分布特征

在GIS + 9.0環(huán)境中模擬半方差函數(shù)，速效鋅與速效鉬的數(shù)值經(jīng)Log變化時符合正態(tài)分布，速效鉬采用線性模型，速效鋅采用指數(shù)模型時，對應(yīng)的模型殘差值最小，擬合優(yōu)度最接近1。最佳模型時的相關(guān)參數(shù)見表6。由表6可知，用于判定變量空間自相關(guān)程度的基地效應(yīng)值大于75%，表明速效鋅樣點間的空間相關(guān)性較弱，其空間異質(zhì)性更多可能源于隨機因素。樣點的速效鉬半方差分析的基地效應(yīng)值表明其含量的空間自相關(guān)性處于中等水平。速效鋅和速效鉬的變程分別為 3.4和 32.2 km，說明速效銅和速效鋅的空間變異尺度不同。

在ArcGIS 10.2環(huán)境中，根據(jù)GIS+中模擬的最佳模型，得到研究區(qū)農(nóng)用地土壤速效鋅和速效鉬的空間分布（圖2）。速效鋅和速效鉬含量均顯示出一定的區(qū)域聚集性。兩者高值區(qū)分布區(qū)域并不相似。速效鋅的高值區(qū)在研究區(qū)4個方向的農(nóng)用地中均有分布，中間區(qū)域含量相對較少。東南部的馬谷田鎮(zhèn)速效鋅含量整體最高，與鄰近的盤古鄉(xiāng)以及高店鄉(xiāng)的速效鋅含量等值線弧度與海拔等值線弧度近似一致，暗示海拔對速效鋅含量的影響，而這些地區(qū)的農(nóng)用地位于山間谷地和山腳下，土層較厚，適合種植業(yè)發(fā)展。在研究區(qū)東北區(qū)域，中部靠西位置速效鋅含量部分呈以高值為中心的環(huán)形分布，這一分布特征在速效鉬含量的空間變化中體現(xiàn)較明顯，但速效鉬的環(huán)形中心區(qū)域含量較低。速效鉬的高值區(qū)域大多分布在研究區(qū)農(nóng)用地的上部區(qū)域，速效鋅和速效鉬的含量呈此消彼長的現(xiàn)象，全部樣點兩者含量的相關(guān)性分析也顯示兩者呈顯著負相關(guān)（P<0.01），在現(xiàn)有農(nóng)戶小規(guī)模經(jīng)營尺度下，大部分農(nóng)戶并未形成撒施微量元素化肥的耕作習慣，2種元素相鄰區(qū)域的含量均未呈跳躍性差異，變化較平穩(wěn)，其變異可能更多地源于其他自然屬性影響或土壤元素間的相互作用對有效性的影響。在愈發(fā)提倡規(guī)模經(jīng)營的時代背景下，管理區(qū)域中土壤性質(zhì)相似更利于統(tǒng)一管理。

3 結(jié)論與討論

該研究通過對泌陽縣耕地樣點速效鋅和速效鉬含量進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，速效鋅含量的最大值達全國第二次土壤普查養(yǎng)分等級劃分標準中的極豐富水平（>3.0 mg/kg），大部分區(qū)域的速效鋅含量處于中等水平，需警惕速效鋅含量低的部分西部區(qū)域土壤質(zhì)量的下降，必要時增施有機鋅肥，合理種植農(nóng)作物，保持耕地的可持續(xù)生產(chǎn)能力。整個縣域耕地的速效鉬水平處于較理想的狀態(tài)，在速效鉬含量高的耕地區(qū)域，需注意速效鉬含量過高對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。在不同母質(zhì)背景下，不管是速效鋅還是速效鉬，高程都與之密切關(guān)聯(lián)，王玉軍等[8]研究表明，地勢高的耕地養(yǎng)分含量總體低，如何實現(xiàn)作物種植的最優(yōu)布局，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與環(huán)境效益的雙贏，是值得進一步探究的問題。此外，基于適宜的半方差模型對元素含量進行普通克里格插值，直觀地表現(xiàn)了2種微量元素在研究區(qū)耕地的空間分布狀況。針對速效鋅和速效鉬含量的空間差異，應(yīng)采取對應(yīng)的耕作管理和施肥措施，改變以往粗放的施肥習慣，不僅能夠減少化肥的浪費，還可以有針對性地培肥土壤，提高耕地地力。目前人們越來越注重食品安全，特色農(nóng)產(chǎn)品如富砷大米等滿足了多種個性化需求，可以通過發(fā)展精準農(nóng)業(yè)，培育具有泌陽特色的高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，推動區(qū)域農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1] 金繼運，何萍，涂仕華.平衡施肥也要關(guān)注微量元素肥：我國農(nóng)田土壤微量元素供應(yīng)能力現(xiàn)狀分析[J].中國農(nóng)資，2006（3）：69-71.

[2] 劉永紅，倪中應(yīng)，謝國雄，等.浙西北丘陵區(qū)農(nóng)田土壤微量元素空間變異特征及影響因子[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2016，22（6）：1710-1718.

[3] MADEJN P，DOMINGUEZ M T，MADEJN E，et al.Soilplant relationships and contamination by trace elements：A review of twenty years of experimentation and monitoring after the Aznalcollar（SW Spain）mine accident[J].Science of the total envrionment，2018，625：50-63.

[4] 宋偉，陳百明，劉琳.中國耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究，2013，20（2）：293-298.

[5] PU H X，LUO K L，ZHANG S X，et al.Relationship between lifespan indicators and elemental background values：A case study in Guangdong Province，China[J].Science of the total envrionment，2018，624：1658-1668.

[6] ARGYRAKI A，KELEPERTZIS E，BOTSOU F，et al.Environmental availability of trace elements（Pb，Cd，Zn，Cu）in soil from urban，suburban，rural and mining areas of Attica，Hellas[J].Journal of geochemical exploration，2018，187：201-213.

[7] MEMOLI V，EYMAR E，GARCADELGADO C，et al.Total and fraction content of elements in volcanic soil：Natural or anthropogenic derivation[J].Science of the total envrionment，2018，625：16-26.

[8] 王玉軍，歐名豪.徐州農(nóng)田土壤養(yǎng)分和重金屬含量與分布研究[J].土壤學報，2017，54（6）：1438-1450.

[9] CORRADINI F，MEZA F，CALDERN R.Trace element content in soil after a sedimentladen flood in northern Chile[J].Jouranl of soils and sediments，2017，17（10）：2500-2515.

[10] 楊其坡，武偉，劉洪斌.基于地形因子和隨機森林的丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有效鐵空間分布預(yù)測[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2018，26（3）：422-431.

[11] 馬梁超.陜南小流域不同土地利用類型下土壤微量元素空間變異分析[D].西安：陜西師范大學，2016.

[12] 孫衛(wèi)國，梁存柱，李政海，等.鄂爾多斯高原皇甫川流域不同土地利用類型土壤微量元素的比較分析[J].內(nèi)蒙古大學學報（自然科學版），2011，42（4）：412-417.

[13] 穆葉賽爾·吐地，吉力力·阿布都外力，姜逢清.天山北坡土壤重金屬含量的分布特征及其來源解釋[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2013，21（7）：883-890.

[14] 姚喜軍，徐進才，劉靜，等.伊金霍洛旗不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分特征[J].中國水土保持科學，2017，15（5）：111-116.

[15] 劉慶，夏江寶，陸兆華.黃河三角洲不同土地利用土壤有效態(tài)微量元素提取與豐缺評價[J].水土保持學報，2012，26（1）：124-127.

[16] 秦川，何丙輝，蔣先軍.三峽庫區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量特征研究[J].草業(yè)學報，2016，25（9）：10-19.

[17] 池紅杏.洛川不同土地利用方式下土壤微量元素分布研究[J].地下水，2011，33（6）：136-138.

[18] 劉亞納，朱書法，魏學鋒，等.河南洛陽市不同功能區(qū)土壤重金屬污染特征及評價[J].環(huán)境科學，2016，37（6）：2322-2328.

[19] GUO Y F，QI W，YAO Y F，et al.Relations between soil organic carbon and other soil physicochemical indices under different land use patterns[J/OL].Surface review and letters，2017，24（3）[2018-03-10].https：//doi.org/10.1142/S0218625X17500391.

[20] 楊奇勇，謝運球，羅為群，等.基于地統(tǒng)計學的土壤重金屬分布與污染風險評價[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2017（12）：248-254.

[21] 詹林慶，李偉，陳松柏，等.西南丘陵區(qū)水田土壤有效銅和有效鋅含量的空間變異[J].西南農(nóng)業(yè)學報，2013，26（1）：250-254.

[22] 劉玥，薛喜成，何勇.灰色關(guān)聯(lián)分析法在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2009，16（1）：15-17.

[23] 張玉.三江源區(qū)不同天然草地土壤類型養(yǎng)分的灰色關(guān)聯(lián)分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（11）：6480-6481.

[24] 張磊，蘇芳莉，郭成久，等.灰色關(guān)聯(lián)分析在不同生態(tài)修復(fù)模式土壤質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2009，40（6）：703-707.