贵州蓝莓主产区典型风化剖面元素分布特征分析

李朝峰　李启航　王衡　魏晓　文雪峰

摘 要：为了解贵州蓝莓核心产区土壤的地球化学特征。选取贵州蓝莓核心产区三个蓝莓园区土壤剖面为研究对象，通过实地调查结合地球化学手段，分析了三个剖面的常量、微量元素的含量与垂向分布特征。结果表明：蓝莓园区土壤风化淋溶作用强烈，常量元素呈现出脱盐基离子、富铁铝的特征，常量元素（除Ca外）的垂向分布受淋溶作用呈现出随土壤深度增加含量增加的特征，Ca受施肥影响在土壤表层含量较高;微量元素的含量与成土母质密切相关，其垂向分布受Fe、Al组分的控制，与Fe、Al分布特征有较好的耦合性。其中，贵州最早种植蓝莓的龙奔基地，其剖面土壤垂向分布特征还受到土壤铁锰结核的影响。因子分析与相对富集因子表明，蓝莓植株对Mn的强烈吸收导致表层土壤Mn富集;受到园区长期施用有机肥的影响，Cd、As在表层土中富集明显。该研究可为蓝莓园区田间管理、土壤环境质量控制提供依据。

关键词：蓝莓产区;风化剖面;元素地球化学

中图分类号：P595文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2020）06-0008-08国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.06.002

Abstract：To understand the geochemical characteristics of soil in the core blueberry production area in Guizhou. In this study， the three blueberry park in the core blueberry production area of Guizhou were selected as the research objects.The results show that the weathering and leaching effect of the soil in the blueberry garden strong， the macroelements exhibit the characteristics of desalinated ions and iron-rich aluminum， and the vertical distributions of the macroelements （except Ca） showed an increase with the increase of soil depth. Characteristics， Ca  relatively high in the soil surface layer under the influence of fertilization; the content of trace elements  closely related to the parent material of soil formation， and its vertical distribution s controlled by Fe and Al components， and ha a good coupling with the distribution characteristics of Fe and Al. Among them， the Longben Base， the earliest planting of blueberries in Guizhou， was also affected by the ferromanganese nodules of the soil in the vertical distribution of its profile.Factor analysis and relative enrichment factors showed that the strong absorption of Mn by blueberry plants lead to the enrichment of Mn in the surface soil;  the influence of long-term application of organic fertilizers in the park. This study can provide a basis for field management and soil environmental quality control in the Blueberry Park.

Keywords：blueberry producing area; weathering profile; element geochemistry

藍莓（Vaccinium Spp）富含酚酸、黄酮类（花青素、黄酮醇、单宁酸）、抗坏血酸等多种生物活性化学物质[1]，具有抗氧化性和抗菌活性，能够改善视力和防止神经系统的退化，对多种人类慢性疾病有预防作用，具有较高的营养价值与保健功效[2]。二十世纪90年代吉林农业大学与南京植物研究所分别在北方和南方对蓝莓的引种、栽培等进行研究，并在此基础上于2000、2001年相继在山东青岛、贵州麻江建立两个蓝莓基地，成为中国蓝莓产业发展的开端。目前，贵州省麻江县是中国南方最大的蓝莓种植基地，并且已成功申报为“国家有机产品认证示范创建区”。农产品的品质不仅与其品种、田间管理等有关，更与土壤元素地球化学特征息息相关[3-5]。目前，对于蓝莓种植土壤的研究主要集中在土壤理化性质、土壤环境质量、土壤微生物等方面[6-9]，关于蓝莓种植土壤剖面中各元素的分布特征的研究鲜有报道。本文以贵州蓝莓的核心产区麻江为研究区，选取其中种植面积较大的乌卡坪、乌羊麻和龙奔三个蓝莓基地的土壤剖面，系统采集土壤样品，通过土壤元素地球化学特征分析，旨在为麻江蓝莓的科学生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省黔东南州麻江县，属亚热带温和湿润季风气候，夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛，光水热同季，年平均气温14.5℃，年平均降水量1500mm。研究区内广泛出露寒武系地层。研究区土壤类型主要以黄壤为主。

龙奔蓝莓基地是麻江引种蓝莓的试验基地，于1999年建立;乌羊麻蓝莓园于2008年建园;乌卡坪蓝莓基地于2013年建立。三个蓝莓基地水肥管理均按照贵州省黔东南州《蓝莓栽培与管理技术》实施。4月中旬左右及时追肥，幼树株施速效有机肥0.25kg，结果树株施油枯0.5kg或速效有机肥0.25kg;秋季施足基肥，幼树株施有机肥3kg以上，结果树在9-11月施腐熟农家肥（腐熟牛、马、羊粪）5kg以上。在三个蓝莓基地中各选择一典型的土壤剖面，剖面具有良好的分层特征，符合典型的白云岩风化剖面，基岩上覆土壤颜色、pH等基本理化性质符合地带性黄壤的特征。采样点的地理位置见图1，采集的3个土壤剖面具体特征描述见表1。

1.2 样品采集与分析

选定土壤剖面自下而上按等间距采集土壤样品，三个剖面共采集土壤样品25件。将采回的的土样放在木盘或塑料布上，摊成薄薄的一层，置于室内通风阴干。在土样半干时，须将大土块捏碎，避免风干后结成硬块，难以研磨，风干场所力求通风干燥。在风干过程中随时拣去土样中石块、植物根系等杂质。将风干的土样倒入钢玻璃底的研钵中，用木棍研磨，使之全部过20目的尼龙筛。将过筛的样品用四分法分成两份，一份保存，另一份继续用四分法缩分。二次缩分的样品，一份留作备用，另一份继续研磨后过100目尼龙筛。样品过筛后混匀，用特制的牛皮纸保存待测。

土壤元素化学测试工作在澳实分析检测（广州）有限公司完成。应用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES，Agilent VISTA）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，Agilent 7700x）测定元素含量。

1.3 数据分析与处理

主要采用Execl2010、Spass22.0进行数据处理与分析，采用Crorel Draw2018绘制图件。

各项指标的计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 常量元素的含量与分布特征

2.1.1 常量元素的含量特征

研究区3个土壤剖面25件土壤样品常量元素含量见表2。研究区土壤Fe2O3、Al2O3含量分别为15.14%、34.06%，均远远大于全国土壤中Fe2O3与Al2O3的含量;Na2O、CaO、MgO等活动性较强的元素的含量远远低于全国土壤平均值，均小于07%;K2O的含量略高，为2.48%。研究区常量元素的含量特征与张晓娟等[10]中国西南地区土壤的研究结果类似，土壤中活动性较强的Na、Ca、Mg流失严重，移动性差的Fe、Al元素在土壤中富集，符合地带性黄壤的特征。

研究区土壤中的K元素含量较高与K表生地球化学行为有关。K在土壤干湿交替的条件下极易被土壤中的2：1型硅酸盐黏土矿物固定，而研究区所处的亚热带气候为土壤的干湿交替创造了条件，土壤对钾的固定导致K在岩石风化成土过程中K的迁移能力较弱;张莉[11]等研究表明，在碳酸盐岩风化成土过程中，K元素的迁移能力较弱，在岩石风化成土过程中K的流失较少。

化学蚀变指数（IICA）是判断源区物质化学风化程度的地球化学指标，越高指示该土壤经历的化学风化程度越强烈，ICIW与ICIA相似，但ICIW反映Na、Ca的相对损失量[12]。研究区土壤ICIW均接近1，表明土壤中Na、Ca在岩石风化成土过程中基本淋失;ICIA均大于0.9，表明土壤的化学风化作用强烈，龙奔剖面风化程度高于乌卡坪、乌羊麻剖面。综上所述，研究区地处亚热带气候区，土壤发育过程中经历了强烈的化学风化作用，土壤中大量元素的组成特征呈现出脱盐基、铁铝相对富集的特点。

2.1.2 常量元素分布特征

根据研究区土壤常量元素含量所作的研究区土壤剖面常量元素垂向分布图见图2。三个土壤剖面的K、Mg、Fe、Al元素含量随土壤深度的变化趋势基本一致，都呈现出随土壤深度增加含量增加的特点，反映出降水淋溶对土壤元素分布的控制作用。龙奔剖面40～50cm土层Fe、Al、K、Mg含量较上层土壤急剧增加，推测与土壤铁锰结核形成有关。在剖面采集過程中发现，此层土壤存在铁锰结核，铁锰结核主要形成于常处于干湿交替状态的土壤，铁锰结核元素组成以Si、Fe、Al、Mn或Si、Fe、Al为主，其他氧化物不同地区不同土壤类型含量与顺序也有差异[14]，龙奔剖面主要包含K、Mg氧化物。

三个土壤剖面的Ca呈现出与Fe、Al、Mg相反的变化趋势，Ca元素在土壤表层富集，这与园区有机肥的施用有密切的关系，在实地调查过程中了解到各蓝莓基地每年冬季均施用有机肥，能将Ca元素带入土壤中，提高表层土壤钙素的含量[15]。Na元素在三个土壤剖面中含量不及0.2%，且在不同深度土壤中含量差异不大，由于土壤的风化淋溶作用强烈，化学性质活泼的Na元素被水冲刷带走，导致土壤中的Na含量极低，且在土壤剖面无明显的变化特征。综上所述，三个土壤剖面常量元素在土壤剖面垂向分布主要受淋溶作用的控制，呈现出随

土壤深度增加元素含量增加的特征;园区的生产活动（施肥）对土壤常量元素的垂向分布也有影响。

2.2 微量元素含量与分布特征

本研究选取与蓝莓植株生长发育和果实品质关系密切的Zn、Mo、Mn、Cu四种微量元素[16]以及与果园土壤环境质量有关的重金属元素，探讨它们在土壤中含量与分布特征。

2.2.1 微量元素含量特征

研究区土壤样品微量元素的含量见表3。与全国土壤元素平均值相比，三个土壤剖面Zn、Mo、As、Cr、Ni、Pb含量总体平均值大于全国土壤平均值，而Mn、Cu、Cd则低于全国土壤均值。

三个土壤剖面微量元素含量具有较大的差异性。对比三个剖面不同微量元素含量可见，龙奔剖面Zn、Mn、Mo、Cu元素含量均大于乌羊麻、乌卡坪剖面，推测是成土母质差异造成的，龙奔剖面土壤由寒武系炉山组白云岩发育而来，而乌卡坪、乌羊麻剖面土壤由寒武系高台组白云岩发育而来。乌羊麻剖面重金属元素As、Cd、Cr、Ni、Pb的和含量均大于乌卡坪、龙奔剖面，这可能是同套地层不同段基岩空间异质性的表现以及外源重金属进入土壤造成的。

元素之间的相关性分析、因子分析可以分析不同元素之间物源性并推测其可能的来源。采用SPSS 23.0统计分析软件对土壤微量元素数据进行KMO、Bertlett球形检验，结果显示适宜进行因子分析。标准化后的数据经最大方差旋转后选取特征值大于1的两个因子，两个因子的方差累计贡献率为88.62%，分别可以解释总方差64.39%、2423%。由表4可见，成分1包括Zn、Mo、Mn、Cu，推测四个元素主要来源于母质;成分2中包括As、Cd、Pb，推测其主要来自于外源输入;Ni、Cr在两个因子都具有较大的因子载荷，表明它们来源于母质与外源输入。相关性分析（表5）显示，Zn、Mo、Mn、Cu在0.01水平相互之间均极显著正相关，As、Cd、Pb在0.01水平相互之间均极显著正相关，因子分析结果与相关性分析结果相契合。综合上述，研究区土壤微量元素含量特征主要由母质与外源输入控制。

2.2.2 微量元素垂向分布特征

根据研究区土壤微量元素垂向分布特征见图3，土壤中微量元素的地球化学行为常常受到常量元素的控制[17]，尤其是Fe、Al元素对微量元素在土壤中的分布有显著的影响。土壤剖面中Zn、Cu、Mo、As、Cr、Ni、Pb均呈现出随土壤深度增加含量增加的趋势;它们与Fe、Al都具有显著的相关性，在土壤剖面垂向分布特征与Fe、Al也具有很好的耦合性，体现淋溶作用对元素在土壤剖面垂向分布特征的控制作用。龙奔剖面40～50cm土层除Cd外的微量元素含量较上层土壤急剧增加，与常量元素一致，受到土壤铁锰结核的影响。土壤铁锰结核对土壤微量元素尤其是土壤重金属有较强的富集作用，这是龙奔剖面土壤微量元素在此层土壤富集的原因。

Mn在土壤表层富集同时在淋滤作用下在深层土壤富集，考虑蓝莓植株根系对表层土壤Mn的聚积作用。Cd在乌卡坪、龙奔剖面表层土壤聚集，在乌羊麻剖面则是随土壤深度增加含量增加，推测是由园区生产活动造成。

在岩石风化成土过程中，强烈的风化淋溶导致土壤脱盐基而导致微量元素相对富集，容易掩盖对成土过程中微量元素的迁移富集规律的认识以及对外来源叠加识别的影响。因此，采用表生环境中迁移能力弱的高场强稳定元素为参比元素，计算相对富集系数（qr），据此表征土壤微量元素的贫化富

集并识别外来源对微量元素分布的影响，本文采用Sc为参比元素，最底层土壤为母质层，各剖面土壤的相对富集系数分布见图4。

各剖面大部分元素的相对富集系数均小于12，且均呈现出向心土层富集的特点。这是由于Ni、Cr、Cu、Zn 等元素在表生环境中大多以阳离子形态存在，其化合物和络合物的水溶性高，在土壤中的迁移能力强[18]，经淋溶作用后在心土层富集。

Mn在乌卡坪剖面、乌羊麻剖面表层土壤（0～20cm）与龙奔剖面上层土壤（0～40）明显的富集趋势。因子分析显示Mn主要来源于母质且Mn的含量低于全国土壤平均值，排除外源Mn进入土壤的可能性。Mn在表层土壤积聚与蓝莓植株对Mn有较强的吸收能力有关。Cd在乌卡坪剖面与龙奔剖面表层土壤有较强的富集作用，这与白云岩风化成土过程中Cd的迁移富集特征以及园区人为活动相关。Cd在碳酸盐岩成土过程中，相较于母岩在土壤中的元素迁移特征一般表现为淋失，且容易在表层土壤中富集[19];有机肥的施用尤其是畜禽粪便堆制而来的有机肥Cd含量较高容易造成表层土壤Cd的富集。因子分析表明Cd主要来源于外源输入，表明这两个剖面Cd的富集主要是施用有机肥造成的。

As在乌卡坪剖面与龙奔剖面母质层富集，这是由于园区生产过程外源As的持续输入经淋溶作用后As到达质地黏重、铁铝氧化物含量较高的母质层，富含铁铝氧物的黏土矿物对砷酸根离子具有较强的吸附作用[20];乌羊麻剖面As在表浅层土壤富集且与含量较同套地层发育土壤剖面高出許多，As的富集与微量元素的因子分析结果相一致。

已有研究表明，在亚热带气候条件下白云岩风化的土壤剖面，多数微量元素在土壤中表现出富集的特征，在岩-土界面达到最大程度的富集，体现了风化淋溶的过程[21]。研究区剖面表层土壤部分微量元素出现了表层富集的特征，与自然的风化剖面微量元素的分布特征出现了差异。说明蓝莓园区的生产活动对土壤微量元素尤其是重金属元素的含量及其分布造成了一定影响，造成了Mn、Cr、As在表浅层土壤的富集。

3 结论与讨论

研究区风化淋溶作用强烈，三个剖面中K2O、Na2O、CaO、MgO含量低于全国土壤平均值，Fe2O3、Al2O3含量高于全国平均值，ICIA、ICIW表明土壤风化作用强烈，土壤呈现出脱盐基离子、富铁铝的特征。常量元素的垂向分布主要受土壤淋溶作用控制，表现出随土壤深度增加含量增加的特征，Ca元素受施用有机肥的影响在土壤表层含量较高。

三个土壤剖面Zn、Mo、As、Cr、Ni、Pb含量总体平均值大于全国土壤平均值，而Mn、Cu、Cd则低于全国土壤均值，土壤微量元素的因子分析与相关性分析表明土微量元素含量特征由母质与外源输入控制。微量元素的垂向分布主要受Fe、Al的控制，Zn、Cu、Mo、As、Cr、Ni、Pb垂向分布与Fe、Al分布有较好的耦合性。龙奔基地剖面土壤的常量、微量元素的分布特征还受到土壤铁锰结核的控制。大部分元素相对富集因子小于1.2且在土壤深处富集，与其垂向分布特征一致。

乌卡坪剖面、龙奔剖面表层土壤Cd富集、乌羊麻剖面表层土壤As富集，推测与这些基地长期施用有机肥有关。研究表明，化肥施用是我国农田土壤AS、Cd污染最重要的原因，有机肥是土壤As、Cd污染的重要来源[22]。黄绍文等[23]对我国18个省级行政区的商品有机肥重金属含量的超标情况进行研究，发现牛粪和羊粪制成的有机肥Cd超标率分别为1.7%、12.5%。江南等[24]对北方菜地常用的268种常用肥料重金属含量进行检测，其中生物有机肥Cd、As超标率分别分别为10%、40%。长期施用畜禽粪便制成的有机肥，尤其重金属含量超标的有机肥，必然造成土壤中AS、Cd的积累[25]。施用畜禽粪便虽然能够提高耕层土壤As、Cd的含量，但As、Cd短时间内并不会向耕层以下的土壤迁移[26]。

Mn在表层土壤富集与蓝莓植株对Mn的吸收特性有关。白勇超等[27]发现蓝莓植株内Mn含量较高且对Mn耐受性较强，其认为蓝莓植株Mn含量较高的原因是由于土壤pH较低，促进根系对Mn的吸收，也有可能蓝莓存在着和同为喜酸植物茶树一样的Mn的吸收机制。MATSUOKA等[28]研究也发现蓝莓植株对Mn的吸收能力较强。目前关于蓝莓植株对Mn元素吸收机制没有明确的结论，但可以明确的是其对Mn有较强的吸收能力，这是Mn元素在表层土壤富集的原因。

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