李朋飛，管后春，王翔，陳巖濱，王耀，吳衡，史春鴻

(安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

0 引言

近年來，關(guān)于有益、有害元素的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)[1-6]。鋅(Zn)是保障人體健康必需的微量元素之一，鋅缺乏會引起生長發(fā)育不良、免疫功能損傷等癥狀[7-8]。全球有10%～32%人口遭受鋅營養(yǎng)失調(diào)威脅[9]。我國以谷物為主食的人群鋅攝取量不足，小麥制品提供了人體約20%的鋅，約1億人口鋅營養(yǎng)不良[10]。滿足人體正常營養(yǎng)需求的小麥籽粒鋅含量應(yīng)達(dá)到(40～60)×10-6[11]，而本文研究區(qū)小麥籽粒鋅含量平均值為29×10-6[12]，不能滿足人體正常鋅營養(yǎng)需求，亟待改善。佘旭[13]研究表明小麥籽粒中鋅含量主要受土壤pH值、有效磷及有效鋅含量的影響。丁婷婷[14]研究認(rèn)為土壤有效Zn主要由交換態(tài)和松結(jié)有機(jī)態(tài)組成，不同形態(tài)Zn之間具有一定的相關(guān)性。魏世強(qiáng)等[15]研究發(fā)現(xiàn)土壤中有效態(tài)Zn主要有代換態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)及氧化物結(jié)合態(tài)Zn，其含量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、CaCO3及陽離子交換量(CEC)顯著相關(guān)。

研究區(qū)位于黃淮海平原南端、安徽省北部，是我國主要小麥產(chǎn)區(qū)之一。區(qū)內(nèi)存在大面積富鋅土壤(潮土)，但該類土壤中有效Zn含量適中，可見研究土壤Zn的生物有效性及其影響因素，對開發(fā)富鋅食品與改善居民營養(yǎng)狀況具有現(xiàn)實(shí)意義。前人主要通過外源施鋅肥提升小麥鋅營養(yǎng)品質(zhì)[16-18]。本文立足通過研究土壤中Zn的生物有效性及其制約因素，提出土壤Zn有效化調(diào)控建議。當(dāng)前有關(guān)安徽淮北平原土壤Zn含量特征及其開發(fā)利用的研究較少。筆者通過采集0～20 cm表層土壤樣品和0～200 cm深剖面土壤樣品，測定土壤中全Zn、有效Zn及相關(guān)指標(biāo)含量，研究土壤中Zn含量分布規(guī)律、生物有效性及其影響因素，以期為地方小麥Zn營養(yǎng)強(qiáng)化與推進(jìn)Zn等有益元素地球化學(xué)性質(zhì)研究提供部分參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃淮海平原南端、安徽省西北部，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.9 ℃，平均日照2 184 h，平均無霜期213 d，平均年降水量831 mm。微地貌包括有泛濫坡平地、泛濫微高地及河間平地。地勢由西北向東南微傾，坡降為1/8 000，海拔為22～42.5 m。

區(qū)內(nèi)主要分布第四系峁塘組與蚌埠組。峁塘組為黃土性古河湖相沉積物，巖性主要為亞黏土，形成的土壤為砂姜黑土(圖1)。蚌埠組為近代黃泛沖積物，巖性為粉砂土、亞黏土，發(fā)育形成的土壤為潮土。研究區(qū)內(nèi)峁塘組厚度總體大于20.0 m，蚌埠組厚度為1.0～14.0 m。區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀總體為水澆地，種植作物主要有小麥(冬季)和玉米、黃豆(秋季)。

圖1 研究區(qū)土壤類型

1.2 樣品采集

表層土壤樣品采集方法及質(zhì)量要求執(zhí)行《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)。采用“網(wǎng)格+二調(diào)圖斑”布點(diǎn)方法布設(shè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)布設(shè)在網(wǎng)格內(nèi)主要土壤類型和主要土地利用方式的代表性地塊內(nèi)，同時(shí)兼顧空間分布的均勻性(圖2)。在小麥成熟以后，下茬玉米、黃豆等秋季作物種植及施肥前完成了野外樣品采集。以圖斑中心位置為主樣點(diǎn)，在圖斑內(nèi)向四周輻射 20～30 m采集4個(gè)子樣，等量組合成一件混合樣品，原始樣品質(zhì)量大于1 000 g。采樣密度為6點(diǎn)/km2，采樣深度為0～20 cm。采集了表層土壤樣品267件。

圖2 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)位分布

樣品在野外自然晾曬，干燥后過20目尼龍篩，并充分混勻。將過篩后的單點(diǎn)樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步研磨、測試。

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤元素全量測試

樣品研磨前首先除去植物殘?bào)w等雜物，并將樣品充分混勻。采用離子選擇性電極法(ISE)測定土壤pH值(水土比2.5∶1)。采用K2Cr2O7氧化還原容量法(VOL)測定土壤有機(jī)質(zhì)。采用粉末壓片—X射線熒光光譜法(XRF)測定Zn、P、TFe2O3、Mn、Al2O3、SiO2。樣品分析過程采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，分析測試質(zhì)量達(dá)到了《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)要求。

1.3.2 土壤元素有效態(tài)和形態(tài)測試

土壤Zn等元素有效態(tài)和形態(tài)測試方法及質(zhì)量要求執(zhí)行《生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》(DD2005—03)，并采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)監(jiān)控分析質(zhì)量。采用電感耦合等離子體光譜法(ICP-AES)測定土壤有效Zn、有效P及各形態(tài)Zn含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層土壤鋅含量特征

2.1.1 土壤鋅含量特征

從表1可知，區(qū)內(nèi)不同巖性表層土壤全Zn含量為蚌埠組亞黏土>蚌埠組粉砂土>峁塘組亞黏土，不同地貌土壤Zn含量為泛濫坡平地>泛濫微高地>河間平地，各巖性與地貌單元內(nèi)土壤全Zn均呈均勻分布(變異系數(shù)CV<0.25)。研究表明，安徽淮北—亳州地區(qū)0～20 cm表層土壤全Zn背景值為66×10-6，150～200 cm深度土壤全Zn基準(zhǔn)值為60×10-6[19]。區(qū)內(nèi)蚌埠組亞黏土、粉砂土及峁塘組亞黏土分布區(qū)內(nèi)表層土壤全Zn含量分別為安徽淮北—亳州地區(qū)表層土壤Zn背景值的1.25、1.20、0.90倍，為深層土壤Zn含量基準(zhǔn)值的1.38、1.32、0.99倍，是中國A層土壤Zn背景值(74.2×10-6)[20]的1.11、1.06、0.80倍。土壤有效Zn含量為峁塘組亞黏土>蚌埠組亞黏土、蚌埠組粉砂土。蚌埠組亞黏土、峁塘組亞黏土有效Zn含量呈弱分異分布(1.00>CV>0.50)，蚌埠組粉砂土有效Zn含量呈分異分布(CV>1.00)。蚌埠組亞黏土、粉砂土及峁塘組亞黏土有效Zn含量分別占其全Zn含量的0.86%、1.00%、4.57%。

表1 研究區(qū)土壤Zn等元素含量特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.2 土壤鋅豐缺狀況

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)對研究區(qū)表層土壤全Zn與有效Zn進(jìn)行了豐、缺評價(jià)。由圖3可知，蚌埠組土壤(即潮土)全Zn含量以較豐富、豐富為主，峁塘組土壤(即砂姜黑土)Zn含量以較缺乏為主，其中蚌埠組亞黏土全Zn較豐富與豐富土壤面積分別占37.7%、50.8%，蚌埠組粉砂土全Zn較豐富、豐富土壤面積分別占40.0%、31.1%。

圖3 土壤全Zn豐、缺面積百分比

從圖4可以看出，峁塘組土壤(砂姜黑土)有效Zn含量以較豐富為主(占63.5%)，蚌埠組土壤(潮土)有效Zn含量以中等為主。蚌埠組亞黏土有效Zn較豐富、豐富土壤面積分別占16.4%、1.6%。蚌埠組粉砂土有效Zn較豐富、豐富土壤面積占17.8%、6.7%。

圖4 土壤有效Zn豐、缺面積百分比

2.2 表層土壤鋅分布及影響因素

2.2.1 表層土壤鋅分布特征

根據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ 0258—2014)，使用GeoIPAS V4.0軟件三角剖分繪圖法，以元素累積頻率(f)0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%、100%對應(yīng)的含量為分級間隔編制地球化學(xué)圖，其中，低值區(qū)(藍(lán)色)f≤15%、低背景(淺藍(lán)色)15%96%。土壤全Zn與有效Zn地球化學(xué)分布分別見圖5、圖6。

圖5 研究區(qū)表層土壤全Zn空間分布

圖6 研究區(qū)表層土壤有效Zn空間分布

從圖5可知，土壤全Zn含量高值區(qū)(w(Zn)>88.6×10-6)、高背景(74.7×10-684×10-6)主要集中連片分布于高爐集周圍，土壤類型為潮土。渦河南岸砂姜黑土中全Zn含量總體為低背景和低值區(qū)。由圖6可知，有效Zn 高背景土壤主要分布于渦河南岸，土壤類型為砂姜黑土。高爐集—西陽鎮(zhèn)渦河沿岸潮土中有效Zn總體呈背景(0.533×10-6

2.2.2 主要影響因素

從表2可知，峁塘組表層土壤(砂姜黑土)中全Zn與全P呈高度正相關(guān)(r>0.7)，與土壤全Mn、TFe2O3、pH值及有機(jī)質(zhì)呈中度正相關(guān)(0.4

表2 峁塘組表層土壤(砂姜黑土)Zn與主要理化指標(biāo)相關(guān)系數(shù)(N=126)

從表3可知，蚌埠組表層土壤(潮土)中全Zn與全Mn呈高度正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)、全P呈中度正相關(guān)，與TFe2O3呈低度正相關(guān)，與硅鋁率呈低度負(fù)相關(guān)。土壤有效Zn含量與有效P呈中度正相關(guān)，與pH值呈中度負(fù)相關(guān)。土壤有效P含量與土壤pH值呈中度負(fù)相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈低度正相關(guān)。魏世強(qiáng)等[15]研究認(rèn)為土壤中有效態(tài)Zn與pH值呈負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)具有正相關(guān)關(guān)系，劉合滿等[28]研究發(fā)現(xiàn)土壤有效Zn與全Zn、全P及有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與土壤pH 值呈負(fù)相關(guān)，這與筆者研究結(jié)果總體一致。從表1可知，區(qū)內(nèi)蚌埠組亞黏土(pH值中位數(shù)為8.16)和粉砂土(pH值中位數(shù)為8.12)總體為堿性，且該類土壤pH值近30年來變化不明顯[27]?？梢?，合理降低土壤pH值，結(jié)合增施有機(jī)肥有望提升潮土有效Zn含量。

表3 蚌埠組表層土壤(潮土)Zn與主要理化指標(biāo)相關(guān)系數(shù)(N=141)

2.3 土壤鋅垂向分布及影響因素

針對全Zn豐富的潮土和全Zn較缺乏而有效鋅較豐富的砂姜黑土各布設(shè)了1條土壤垂向剖面(圖2)，采樣深度為0～200 cm。0～20 cm耕層土壤采集一件樣品，20 cm深度以下按巖性分層采樣。潮土按照0～20、20～40、40～60、60～85、85～100、100～120、120～140、140～170、170～200 cm分層采集9件土壤樣品。砂姜黑土按照0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～160、160～200 cm分層采集8件土壤樣品。

2.3.1 土壤Zn形態(tài)含量垂向分布特征

由表4可知，潮土分布區(qū)不同層位土壤中Zn均以殘?jiān)鼞B(tài)為主，各層位土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Zn占全Zn的比例為51.88%～83.24%，0～60 cm深度土壤中，殘?jiān)鼞B(tài)Zn占全Zn的比例隨深度增大而提高，60～200 cm深度殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量比例趨于穩(wěn)定。蔣廷惠等[29]研究表明，徐州豐縣黃河沖積物母質(zhì)0～70 cm深度不同層位土壤中Zn以硅鋁酸鹽礦物態(tài)為主，占全Zn比例為61.34%～71.18%，其次為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn，不同層位土壤中硅鋁酸鹽礦物態(tài)Zn占全Zn比例隨深度增加呈增大趨勢。該類土壤與研究區(qū)潮土成土母質(zhì)相同，土壤中Zn形態(tài)分布規(guī)律與筆者研究結(jié)果總體一致。0～20 cm深度耕作層與20～40 cm深度犁底層土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn含量比例大于15%，其深部各層位土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn含量小于10%，且隨深度變化不明顯。其余形態(tài)Zn含量在不同層位土壤中含量較低，占全Zn比例小于10%。土壤中有效態(tài)Zn主要包括交換態(tài)(水溶態(tài)和離子交換態(tài))、腐殖酸結(jié)合態(tài)及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn，其中交換態(tài)Zn最易被植物吸收[15-16,30]。各層位土壤中水溶態(tài)和離子交換態(tài)Zn含量之和占全Zn比例均小于0.50%。

表4 潮土區(qū)不同層位土壤中各形態(tài)Zn含量及其占全鋅比例

由表5可知，砂姜黑土區(qū)不同層位土壤中鋅均以殘?jiān)鼞B(tài)為主，各層位土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Zn占全Zn的比例為73.45%～76.90%，0～200 cm深度各層位土壤中殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量變化較小。各層位土壤中強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn占全Zn比例均為8.4%～13.0%。楊紅飛等[31]研究表明，淮北平原砂姜黑土中Zn以殘留態(tài)為主(占40.1%～50.7%)，其次為碳酸鹽結(jié)合態(tài)(占16.3%～24.1%)、鐵錳結(jié)合態(tài)(占10.0%～19.3%)、有機(jī)態(tài)(占7.6%～14.4%)。筆者研究認(rèn)為該類土壤中Zn以殘?jiān)鼞B(tài)為主，其次為強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，而碳酸鹽結(jié)合態(tài)Zn含量較低，與前人研究結(jié)果總體一致，其差異可能與兩者采樣位置位于不同的縣市、采樣深度等因素有關(guān)。其余形態(tài)Zn含量在各層位土壤中含量之和占全Zn比例小于6.0%。耕作層土壤中易被植物吸收的交換態(tài)Zn含量(水溶態(tài)和離子交換態(tài)Zn)占全Zn比例小于0.50%。

表5 砂姜黑土區(qū)不同層位土壤中各形態(tài)Zn含量及其占全鋅比例

2.3.2 土壤全Zn垂向分布及影響因素

為便于分析比較不同元素之間的分布特征，分別將剖面不同深度土壤元素含量除以底層土壤中對應(yīng)元素含量，即對除底層外的各土層元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。從圖7可知，與180～200 cm深度土壤相比，潮土分布區(qū)土壤中全Zn在0～85 cm深度土壤中呈現(xiàn)不同程度的富集(K>1.20)，富集程度隨深度增大而減小。0～200 cm深度土壤中全Zn與P、Mn分布模式總體一致，反映土壤中全Zn垂向分布明顯受P和Mn制約。

圖7 潮土Zn等指標(biāo)垂向分布

從圖8可知，砂姜黑土區(qū)0～200 cm深度不同層位土壤中全Zn含量總體接近，反映土壤Zn含量主要受成土母質(zhì)制約。0～200 cm深度土壤中全Zn與TFe2O3、Mn分布模式總體一致，反映土壤中TFe2O3和Mn含量為制約全Zn垂向分布的主要因素。

圖8 砂姜黑土Zn等指標(biāo)垂向分布

3 結(jié)論與建議

1)土壤Zn含量明顯受地質(zhì)背景制約。潮土中全Zn含量豐富，有效Zn以中等為主。砂姜黑土中全Zn總體較缺乏，有效Zn較豐富。

2)潮土中全Zn與Mn、有機(jī)質(zhì)、全P呈正相關(guān)；潮土及砂姜黑土中有效Zn與有效P呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)。

3)潮土與砂姜黑土區(qū)內(nèi)0～200 cm深度各層位土壤中Zn均以殘?jiān)鼞B(tài)為主。潮土區(qū)耕層土壤中易被植物吸收的水溶態(tài)和離子交換態(tài)Zn含量之和占全Zn的0.29%，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn占23.62%；全Zn在 0～85 cm深度土壤中明顯富集，主要受土壤P和Mn制約。砂姜黑土區(qū)內(nèi)耕層土壤中水溶態(tài)和離子交換態(tài)Zn含量之和占0.41%，0～200 cm深土壤中全Zn含量變化較小，主要受成土母質(zhì)、TFe2O3及Mn制約。

4)施用調(diào)理劑降低土壤pH值為提升全Zn含量豐富的潮土中Zn生物有效性的有效途徑。