黑龍江省南部黑土區(qū)土壤微量元素有效態(tài)空間分布及影響因素

黑龍江省南部黑土區(qū)土壤微量元素有效態(tài)空間分布及影響因素

土壤養(yǎng)分的有效含量直接決定植物吸收的狀況和動植物的健康。已有的對中、大尺度有效態(tài)微量元素的研究多應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法對其含量及其影響因素進(jìn)行分析,近10年來,研究者常采用更加科學(xué)、直觀和方便的地理信息系統(tǒng)(GIS)和地統(tǒng)計學(xué)方法研究區(qū)域有效態(tài)微量元素的空間結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律,并應(yīng)用GIS空間分析功能對其豐缺進(jìn)行評價,但應(yīng)用GIS的方法對有效態(tài)微量元素的影響因素進(jìn)行分析的尚不多見。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的氮、磷肥等將導(dǎo)致土壤—植物系統(tǒng)中微量營養(yǎng)元素的失衡,從而引起微量元素的缺乏。作為我國重要商品糧基地的黑龍江省黑土區(qū),近幾十年來由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,不可避免地施用了大量的化肥。前人對我國黑龍江省黑土區(qū)土壤中的微量元素的研究主要集中在黑龍江省黑土區(qū)的中部和北部,對黑龍江省南部黑土區(qū)的有效態(tài)微量元素狀況報道甚少。黑龍江省中部黑土區(qū)(如公主嶺、海倫和北安地區(qū))有效鋅、有效錳、有效銅和有效鐵的平均含量均高于缺素的臨界值(分別為0.5mgkg-1、11.0mgkg-1、1.0mgkg-1和10.0mgkg-1),短時間內(nèi)不會出現(xiàn)嚴(yán)重的微量元素缺乏現(xiàn)象;史文嬌等研究表明,黑龍江省北部黑土區(qū)(如克山、五大連池、嫩江)的有效鋅和有效銅含量均達(dá)適中和豐富水平,有效鐵和有效錳達(dá)到豐富和很豐富水平。本研究選擇有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳為研究對象,將GIS的空間分析功能與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合,研究黑龍江省南部典型黑土區(qū)雙城市的土壤微量元素有效態(tài)含量的空間分布狀況和影響因素,對于黑土區(qū)耕地合理使用微量元素肥料、土壤環(huán)境保護(hù)、動植物缺素癥和地方病的防治、土壤資源的綜合治理具有重大意義,進(jìn)而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境管理和決策提供咨詢服務(wù)。1材料和方法1.1土地利用方式概況生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀資雙城市位于黑龍江省黑土區(qū)的南部(東經(jīng)125°41′～126°42′,北緯45°08′～45°43′),全境總面積為3104km2。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫3.5～4.5℃,年降雨量為400～600mm;地勢東高西低,向西南和西北兩側(cè)傾斜;主要土地利用方式以耕地(81.5%,其中旱地占75.4%,水田占6.1%)為主,其次為水域(7.4%)、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(6.3%)、草地(2.7%)、林地(1.2%)、未利用土地(0.9%);土壤類型的分布(圖1)由多到少依次為典型黑土(57.4%)、黑鈣土(19.9%)、草甸土(16.3%)、沖積土(5.0%)、風(fēng)沙土(1.0%)、沼澤土(0.3%)和強(qiáng)度侵蝕黑土(0.1%)。1.2樣品和測試方法根據(jù)研究區(qū)主要土壤類型及其面積,兼顧植被、土地利用類型和交通條件等因素,布置采樣點數(shù)目與密度,在滿足地統(tǒng)計學(xué)和GIS空間分析要求的基礎(chǔ)上,使樣點在研究區(qū)內(nèi)分布盡量均勻,于2004年5月在研究區(qū)內(nèi)采集了0～20cm土壤樣品100個(圖1),平均每30km2布設(shè)一個采樣點,在采樣的同時記錄采樣點的經(jīng)緯度坐標(biāo)及其周圍的景觀信息、開墾利用歷史、耕作制度、施肥水平和生產(chǎn)能力等情況。土壤樣品在室溫下風(fēng)干后,分別過2mm和0.149mm塑料篩備用。土壤有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅、有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳采用DTPA浸提,土壤全量銅和全量鋅采用王水、高氯酸消化,其均采用日立180-80型原子吸收分光光度計測定;土壤pH(H2O)采用電位法測定;土壤有機(jī)質(zhì)采用元素分析儀(ElementarⅡ,德國)測定。1.3土壤類型化方法的應(yīng)用利用SPSS11.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov檢驗,其中有效銅和有效鐵服從正態(tài)分布,對有效鋅進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換、有效錳進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布。因此使用有效銅和有效鐵的原始數(shù)據(jù)、有效鋅對數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)和有效錳平方根轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù),利用GS+5.3進(jìn)行各元素半方差函數(shù)模型的擬合,根據(jù)計算出的各元素半方差函數(shù)的模型及參數(shù),應(yīng)用ArcGIS8.3進(jìn)行克立格插值,得出研究區(qū)土壤各微量元素有效態(tài)含量的空間分布圖(有效鋅和有效錳的空間分布圖為克立格插值后進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換后的值)。應(yīng)用ArcGIS將土壤類型矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為250m×250m分辨率的柵格數(shù)據(jù),利用空間分析功能將土壤類型圖層與元素含量插值圖層進(jìn)行疊加分析,分別統(tǒng)計各土壤類型的柵格數(shù)、元素含量的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和平方和等,用以進(jìn)行方差分析和多重比較的運(yùn)算。由于本試驗因素有7個水平(7種土壤類型),各水平重復(fù)不等(各土壤類型包含的柵格數(shù)不同),而S檢驗法適合于比較不等重復(fù)的情形,因此應(yīng)用S檢驗法對不同土壤類型間有效態(tài)微量元素含量進(jìn)行多重比較,計算差異顯著性結(jié)果。本研究應(yīng)用了相關(guān)分析方法分析了土壤各微量元素有效態(tài)含量與土壤微量元素全量、pH和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)關(guān)系,將研究區(qū)各元素空間分布圖與土壤類型圖進(jìn)行了GIS疊加分析,應(yīng)用單因素方差分析對水田和旱地的土壤微量元素含量進(jìn)行對比,研究土壤微量元素有效態(tài)含量的影響因子。研究區(qū)土壤有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅、有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、全量銅、全量鋅、pH和有機(jī)質(zhì)的描述性統(tǒng)計分析如表1。2結(jié)果與討論2.1土壤養(yǎng)分的空間變異特征研究區(qū)土壤各微量元素的半方差函數(shù)擬合模型如圖2所示。2.1.1土壤微量元素的c0/c0+c塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)可以表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度,若比值小于25%,說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;若比值在25%～75%之間,表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性;若比值大于75%說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱。研究區(qū)有效銅、有效鋅、有效鐵和有效錳的塊金值(C0)分別為0.06、0.22、135.0、2.00,基臺值(C0+C)分別為0.18、0.45、481.0、4.10,4種土壤微量元素的C0/(C0+C)在28.07%～49.45%范圍內(nèi)變化(圖2)。由此可見,4種土壤微量元素的空間相關(guān)性程度較為一致,均具有中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性,表明它們的空間異質(zhì)性均由土壤內(nèi)在屬性(如母質(zhì)、母巖、土壤礦物和地形)和人為因素(如耕作措施及施肥、種植制度等)共同起作用。2.1.2克立格插值自相關(guān)性分析變程表明隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)性尺度。研究區(qū)土壤4種微量元素的空間自相關(guān)范圍在17640～213030m內(nèi)變化(圖2),其變程均大于步長值,說明該區(qū)域采樣設(shè)計在克立格插值時顯示了較好的空間相關(guān)性。其中有效鐵和有效銅(81100m)的自相關(guān)性尺度(213030m)相對較大,接下來依次是有效鋅(57360m)和有效錳(17640m)。土壤性質(zhì)的自相關(guān)性尺度同時也反映了其影響因子的范圍,因此有效鋅和有效錳可能主要受到相對較小尺度因子的影響,而有效鐵和有效銅的主要影響因子的空間變異尺度相對較大。2.2土壤全銅分布的空間分布為了更直觀地了解研究區(qū)土壤各微量元素的空間分布特征,根據(jù)所得半方差函數(shù)理論模型和參數(shù)進(jìn)行克立格插值,得出研究區(qū)土壤各微量元素有效態(tài)含量的空間分布圖(圖3)。土壤有效銅(圖3a)空間變異的總體特征具有明顯的連續(xù)分布的特點,呈現(xiàn)與地勢相似的東高西低的趨勢。東部和東北部的大部分地區(qū)高于有效銅克立格插值的平均值(1.697mgkg-1),而西部和西南部的大部分地區(qū)低于有效銅克立格插值的平均值(1.697mgkg-1)。最高值分布在雙城市區(qū)附近(圖1)及雙城市東部的兩塊成片區(qū)域;而最低值分布在西南部的狹長的條狀區(qū)域。這種空間分布趨勢與全銅的分布規(guī)律非常相似。土壤有效鋅(圖3b)總體沒有明顯的規(guī)律,呈現(xiàn)塊狀分布的特點。最東部地區(qū)明顯高于有效鋅克立格插值的平均值(1.178mgkg-1),而北部、西南部的大部分地區(qū)低于有效鋅克立格插值的平均值(1.178mgkg-1)。最高值分布在雙城市區(qū)附近及雙城市東部的兩塊成片區(qū)域;而最低值分布在西南部的狹長的條狀區(qū)域。這與全鋅含量的空間分布也有著相似的趨勢。土壤有效鐵(圖3c)與有效銅類似,其空間分布也呈現(xiàn)東高西低的趨勢。研究區(qū)最東部含量普遍較高,均高于有效鐵克立格插值的平均值(34.163mgkg-1);而最低值依然出現(xiàn)在研究區(qū)的西北部的大片地區(qū)。土壤有效錳(圖3d)空間變異特征總體上沒有明顯的規(guī)律,分布比較零散。中北部的大部分地區(qū)高于有效錳克立格插值的平均值(32.482mgkg-1),而其他大部分地區(qū)則低于有效錳克立格插值的平均值(32.482mgkg-1)。最高值區(qū)出現(xiàn)在兩小片地區(qū),一片分布在研究區(qū)東北部,另一片則分布在中西部;低值區(qū)出現(xiàn)較零散,西北部、西南部、東部及東南部均有零星分布。2.3影響土壤各元素空間分布的因素2.3.1土壤微量元素的特征將研究區(qū)的有效銅、有效鋅含量與全銅、全鋅含量做相關(guān)分析表明,有效銅含量與其全量間達(dá)到極顯著正相關(guān)水平(r=0.341,p=0.001),有效鋅含量與全鋅之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.480,p=0.000),因此,黑土區(qū)微量元素有效態(tài)含量的多少與其全量密切相關(guān)。張樹人等通過對吉林省第二次土壤普查的2994個土壤樣本的測定,分析和查明了吉林省土壤微量元素全量和有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅、有效態(tài)鐵和有效態(tài)錳的含量、分布及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系,結(jié)果表明,土壤有效銅、有效鋅、有效鐵和有效錳的含量與其全量呈正相關(guān),與本研究結(jié)果很相似。因此,黑土區(qū)微量元素全量對其有效態(tài)的貢獻(xiàn)是不可忽視的。2.3.2土壤有機(jī)質(zhì)提高與土壤肥力的關(guān)系土壤pH的影響。研究區(qū)的土壤pH與有效銅的相關(guān)分析表明,二者相關(guān)性達(dá)到0.05的顯著負(fù)相關(guān)水平(r=-0.209,p=0.037),而pH與有效鋅未達(dá)到0.05的顯著水平,與有效鐵、有效錳達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)水平(r分別為-0.553、-0.921,p均為0.000)。陸繼龍等的研究也表明黑土的銅、鐵、錳、鋅的有效態(tài)含量與pH呈負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)的影響。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅、有效態(tài)鐵和有效態(tài)錳的相關(guān)分析表明,有機(jī)質(zhì)含量與有效銅、有效鐵含量之間達(dá)到0.01的極顯著正相關(guān)水平(r分別為0.385、0.308,p分別為0.000、0.002)。張樹人等研究表明,土壤有效銅、有效鋅的含量與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān),土壤有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬與有機(jī)質(zhì)呈線性正相關(guān)。陸繼龍等研究也表明,DTPA提取的有效鋅與土壤有機(jī)質(zhì)含量有高度的正相關(guān)性,土壤中60%可溶態(tài)鋅是與富里酸絡(luò)合的,在溫帶森林植被條件下形成的土壤中,鐵的遷移是與有機(jī)質(zhì)的螯合作用聯(lián)系在一起的;土壤溶液中98%的銅存在于有機(jī)復(fù)合體中,與富里酸形成的有機(jī)銅是可溶性的,與胡敏酸形成不溶的絡(luò)合物而降低了銅的活性;土壤中加入有機(jī)質(zhì)后,土壤交換態(tài)錳和植物錳含量均有提高。2.3.3有效銅與全銅的比較對研究區(qū)不同土壤類型的有效銅、有效鋅、有效鐵和有效錳含量進(jìn)行統(tǒng)計(表2),不同土壤類型有效銅含量平均值的大小順序均為:強(qiáng)度侵蝕黑土>典型黑土>黑鈣土>草甸土>沖積土>沼澤土>風(fēng)沙土。不同土壤類型中有效銅的排列順序與全銅十分相似,再次驗證了有效銅與全銅含量關(guān)系密切。有效鋅表現(xiàn)為:典型黑土>強(qiáng)度侵蝕黑土>沖積土>草甸土>黑鈣土>沼澤土>風(fēng)沙土。有效鐵表現(xiàn)為:強(qiáng)度侵蝕黑土>典型黑土>沼澤土>草甸土>沖積土>黑鈣土>風(fēng)沙土。有效錳則表現(xiàn)為:強(qiáng)度侵蝕黑土>典型黑土>沖積土>草甸土>黑鈣土>風(fēng)沙土>沼澤土。經(jīng)方差分析表明,土壤類型對4種微量元素有效態(tài)含量的影響均達(dá)到α=0.01的極顯著相關(guān)水平,且4種微量元素有效態(tài)含量在不同土壤類型中表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律,一般為強(qiáng)度侵蝕黑土和典型黑土最高,其次為黑鈣土、草甸土和沖積土,沼澤土與風(fēng)沙土為最低(但沼澤土中的有效鐵含量大于黑鈣土中有效鐵含量),以上不同土壤類型中微量元素有效態(tài)含量的差異是由于土壤類型的不同成土母質(zhì)中微量元素含量的差異所造成的。2.3.4農(nóng)田和山地土壤錳有效錳的差異將水田和旱地的土壤樣品分別統(tǒng)計平均值有如下規(guī)律:除水田的有效銅(1.679mgkg-1)略大于旱地(1.668mgkg-1)外,有效鐵、有效鋅和有效錳均為水田(分別為30.44mgkg-1、8.644mgkg-1和0.824mgkg-1)小于旱地(分別為32.79mgkg-1、34.24mgkg-1和1.182mgkg-1)。單因素方差分析表明,除有效錳達(dá)到0.05顯著差異外,其余均未達(dá)到0.05的顯著差異水平。這是因為錳的化學(xué)行為和生物有效性及易受土壤水分條件的影響,水田的耕層土壤錳極易向下淋溶而導(dǎo)致水田耕層土壤有效錳顯著低于旱地。這同時也說明了人為的土地利用方式(耕作方式)不同,會對土壤微量元素有效態(tài)含量產(chǎn)生影響。3有效態(tài)微量元素的空間差異及影響因素研究區(qū)土壤有效銅、有效鋅、有效鐵和有效錳含量的空間分布特征不盡相同:有效銅和有效鐵具有明顯的連續(xù)分布的特點,呈現(xiàn)東高西低的趨勢;土壤有效鋅總體沒有明顯的規(guī)律,呈現(xiàn)出塊狀分布的特點;有效錳的分布則比較零散。有效鐵和有效銅的變程較有效鋅和有效錳大,說明前兩種元素主要受到較大尺度因子的影響?？臻g分布特征和變程均表明研究區(qū)有效銅和有效鐵較有效鋅和有效錳更具空間結(jié)構(gòu)性。4種有效態(tài)微量元素含量的空間變異特征分析表明,它們均由土壤內(nèi)在屬性和人為因素共同起作用。對其影響因素進(jìn)行分析進(jìn)一步驗證了此結(jié)論,即各微量元素有效態(tài)含量的影響因子主要有土壤元素全量、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、土壤類型和土地利用類型等。4種有效態(tài)微量元素含量在不同土壤類型中表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律,一般為強(qiáng)度侵蝕黑土和典型黑土最高,其次