新疆民丰县中部地区土壤微量营养元素空间分布特征

杜江岩 曹阿楠 李林 江攀和

摘要：本文基于新疆民丰县中部地区2015年304组表层土壤（0～20 cm）样品的6种微量营养元素（Fe2O3、Mn、Zn、Cu、Mo和B）的实测含量，运用地统计学和ArcGIS技术相结合的方法，对研究区土壤微量营养元素的空间分布特征进行分析。结果表明：Fe2O3、Mn、Zn和Cu的块金效应介于25%～75%之间，属于中等空间相关，空间变异受到人为活动等随机因素和结构性因素的共同影响;Mo和B的块金效应小于25%，空间相关性较强，空间变异主要受到土壤母质等结构性变异主导。Fe2O3、Mn、Zn和Cu的空间分布格局相似，总体呈现出从研究区四周向中心含量逐渐增大的趋势;Mo和B的空间分布格局相似，总体呈现出从南向北含量逐渐增大的趋势。成土母质、土壤类型、土地利用类型对土壤微量营养元素均有不同程度的影响。

关键词：表层土壤;微量营养元素;地统计学;ArcGIS;空间分布;新疆民丰县

土壤中的锰、锌、铜、钼、硼等元素，是植物正常生长所必需的微量营养元素。铁是土壤中的大量元素，为植物正常生长所必需，但在植物体内的含量很低，所以也被列为微量营养元素。人类、动物和农作物所需微量营养元素数量微小，但其缺乏会对农作物生产和人类、动物健康造成严重影响[1-2]。微量元素参与许多酶系统的活动，在氮、磷、碳的代谢过程中以及在生物氧化过程中均有微量元素参与。微量营养元素主要从土壤矿物质中获得，前人研究表明，其有效性常受土壤理化性质（有机质和pH等）、成土母质、土地利用类型、地下水位埋深、灌溉水质、降水、地形等因素影响[3-7]。

前人对新疆维吾尔自治区（以下简称“新疆”）民丰县土壤微量营养元素方面的研究总体相对较少，因此，新疆地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队和新疆农业大学于2015年开展了“新疆和田-若羌绿洲带1：25万土地质量地球化学调查”工作。本文以民丰县中部地区农田表层土壤（0～20 cm）为研究对象，采集了304组土壤样品，以了解农田微量营养元素的空间分布特征及丰缺状况，利用研究区微量营养元素含量较高的区域发展农业，为当地合理施加微肥提供科学依据，并且对将来能更合理地持续开发利用农田土壤资源，提高当地农作物的产量和品质，同时对保护人类身体健康具有非常重要的意义。

1    材料与方法

1.1 研究区概况

民丰县隶属于新疆和田地区，地处东经82°22'～85°55'，北纬35°20'～39°29'。位于新疆西南部，昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，地势南高北低。地貌由南部的昆侖山地、北部的冲积扇平原和沙漠三大地形单元构成。民丰县属典型的温带荒漠性气候，气温年差较大，年平均气温11.1 ℃，极端最高温度41.5 ℃，极端最低温度-28.3 ℃;年平均降水量30.5 mm，年平均蒸发量2756 mm，无霜期长达194 d[8]。

研究区土壤类型主要有棕漠土、灌淤土、林灌草甸土和风沙土;主要植被有天然胡杨林、天然灌木林、红柳、芦苇、苜蓿、白杨等;主要农业作物有核桃、红枣、小麦、甜瓜、葫芦瓜、杏、梨等。

1.2 土样采集与测试

土壤样品的采集时间为2015年10月，采用网格布点法共采集表层土壤样品304组，采样深度为0～20 cm，农业用地范围内按照取样密度1点/km2布设，非农业用地范围内按照取样密度1点/4 km2布设，采样点控制区面积为981.27 km2（图1）。

土样中微量营养元素全量由国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心（新疆维吾尔自治区矿产实验研究所）进行测试，其中，Fe2O3和Mn采用波长色散X射线荧光光谱法测定，检出限分别为0.004%和3.254 mg·kg-1;Mo采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定，检出限为0.012 mg·kg-1;Cu和Zn采用全谱直读光谱法测定，检出限分别为0.952 mg·kg-1和0.644 mg·kg-1;B采用发射光谱法测定，检出限为0.902 mg·kg-1[9-10]。

1.3 数据处理分析

本文采用SPSS 19.0统计软件进行正态分布检验，如果数据不服从正态分布，则需要对其进行对数或幂变换使其接近于正态分布，以达到较好的地统计学插值效果。采用GS+7.0软件进行半方差函数的计算和理论模型的拟合。并采用ArcGIS 10.2软件中的Geostatisttical Analyst模块绘制各元素的空间分布图，本文采用克里金插值法进行地统计分析，当数据服从正态分布时，选用普通克里金插值，若服从对数正态分布，则选用对数克里金插值。

2    结果与分析

2.1 土壤微量营养元素的空间变异结构特征

采用Kolmogorov-Smirnov正态性检验方法[P（k-s）≥0.05]来检验数据是否服从正态分布，结果表明土壤中Fe2O3、Mn、Zn、Cu、Mo和B含量均服从正态分布，因此，不需要变换直接进行地统计分析。

为研究区土壤微量营养元素拟合的最优半变异函数模型参数，由表1拟合效果可知，Fe2O3和B符合球状模型，Mn和Mo符合高斯模型，Zn和Cu符合指数模型。从块金效应来看，Fe2O3、Mn、Zn和Cu的块金效应介于25%～75%之间，属于中等空间相关，空间变异同时受到人为因素和自然因素的影响;Mo和B的块金效应小于25%，空间相关性较强，空间变异主要受到自然因素的影响，如成土母质等[11-12]。同时，从表1可以看出，变程介于9.99～22.52 km之间，说明土壤微量元素在这个范围内存在空间自相关性，超过此范围空间自相关性消失[13]。

2.2 土壤微量营养元素的空间分布特征

由表1可知，各元素预测平均误差（mean error，ME）都接近于0，标准化均方根误差（root mean square standardized error，RMSSE）都接近于1，表明各插值模型的预测精度较高，预测结果可反映出无监测点区域的土壤微量营养元素分布状况。本文采用克里金插值法绘制各元素的空间分布图（图2），土壤中6种微量营养元素含量均服从正态分布，因此选用普通克里金插值模型。基于ArcGIS的空间统计分析，得到研究区面积共约981.27 km2，各微量营养元素含量依据《土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）》进行等级划分[14]，各分级面积及比例见表2。

由图2可以看出，Fe2O3、Mn、Zn和Cu的空间分布格局相似，总体呈现出从研究区四周向中心含量逐渐增大的趋势（图2a～d）;Mo和B的空间分布格局相似，总体呈现出从南向北含量逐渐增大的趋势（图2e～f）。

土壤中微量营养元素的丰缺程度会直接影响当地农作物的生长以及农产品的产量和品质。由表2可以看出，Fe2O3和Zn元素丰缺程度均是以Ⅰ级（缺乏水平）所占的比例最高，分别为71.7%和68.1%，等级为Ⅴ级（丰富水平）的比例均仅为0.1%;Mn、Cu和B元素丰缺程度均是以Ⅱ级（较缺乏水平）所占的比例最高，分别为50.7%、64.0%和59.9%，等级为Ⅴ级的比例分别为0.1%、0.3%和9.5%;Mo元素丰缺程度以Ⅳ级（较丰富水平）所占的比例最高，为61.6%，等级为Ⅴ级的比例为9.5%。

2.3 土壤微量营养元素空间分布的影响因素

本节主要讨论成土母质、土壤类型和土地利用类型对土壤微量营养元素含量的影响。

2.3.1 成土母质的影响

成土母质是影响土壤肥力的重要因素，母质是土壤形成的基础，前人研究表明由于母质的差异致使土壤特性存在着很大变异[15]。由表3可以看出，Fe2O3、Mn、Zn和Cu的平均含量均表现为冲洪积物>化学沉积物>洪积物>风积物，Mo和B的平均含量均表现为洪积物>风积物>化学沉积物>冲洪积物。综上所述，不同母质发育的土壤，养分分布具有差异性。

2.3.2 土壤类型的影响

结合遥感解译工作和实地调查验证工作，研究区土壤类型可以划分为棕漠土、灌淤土、林灌草甸土、风沙土。由表3可以看出，Fe2O3、Mn和Cu的平均含量均表现为灌淤土>棕漠土>林灌草甸土>风沙土，Zn的平均含量表现为灌淤土>林灌草甸土>棕漠土>风沙土，Mo和B的平均含量均表现为林灌草甸土>风沙土>灌淤土>棕漠土。综上所述，不同土壤类型下各微量营养元素的含量具有一定程度的差异性，同一土壤类型下各微量营养元素之间也有一定的差别。

2.3.3 土地利用类型的影响

土地利用是自然和人类活动相互作用的综合过程，是土壤肥力的主要影响因素，土地利用方式与土壤理化性状的变化有着密切关系[16-17]。不同的轮作制度、管理模式、肥料类型等都可能会导致土壤微量养分的差异。由表3可以看出，Fe2O3、Mn和Cu的平均含量均表现为城镇用地>戈壁>耕地>沙漠>草地;Zn的平均含量表现为城镇用地>耕地>草地>戈壁>沙漠;Mo和B的平均含量表现为草地>沙漠>城镇用地>耕地>戈壁。综上所述，不仅在不同成土母质条件下各土地利用类型具有一定程度的变异，同一土地利用类型下各微量营养元素之间也有一定的差别，说明人类活动对不同土地利用类型的土壤具有较为明显的影响。

3    結论

（1）通过半变异函数模型分析可知，Fe2O3、Mn、Zn和Cu的块金效应介于25%～75%之间，属于中等空间相关，空间变异同时受到人为因素和自然因素的影响;Mo和B的块金效应均小于25%，空间相关性较强，空间变异主要受到自然因素的影响。

（2）研究区表层土壤中6种微量营养元素均表现出明显的空间分布规律。Fe2O3、Mn、Zn和Cu的空间分布格局相似，总体呈现出从研究区四周向中心含量逐渐增大的趋势;Mo和B的空间分布格局相似，总体呈现出从南向北含量逐渐增大的趋势。

（3）研究区表层土壤中Fe2O3和Zn元素丰缺程度为缺乏水平，Mn、Cu和B元素丰缺程度为较缺乏水平，Mo元素丰缺程度为较丰富水平。同时，不同的成土母质、土壤类型和土地利用类型对土壤微量营养元素的含量也有不同程度的影响。

参考文献

[1] GUPYA U C，KENING W U，LIANG S.土壤、农作物中及家畜体内的微量营养元素[J].地学前缘，2008，15（5）：110-125.

[2] 崔爱华，张东启，郭卢，等.亳州烟区农田耕作层土壤微量元素含量研究[J].土壤，2014，46（6）：1164-1168.

[3]张智，任意，鲁剑巍，等.长江中游农田土壤微量养分空间分布特征[J].土壤学报，2016，53（6）：1489-1496.

[4] 李珊，李启权，张浩，等.泸州植烟土壤有效态微量元素含量空间变异及其影响因素[J].土壤，2016，48（6）：1215-1222.

[5] 王雪梅，柴仲平，杨雪峰.荒漠绿洲区不同土地利用方式下土壤养分差异分析[J].干旱地区农业研究，2017，35（1）：91-96.

[6] 李珊，李启权，张浩，等.泸州植烟土壤有效态微量元素含量空间变异及其影响因素[J].土壤，2016，48（6）：1215-1222.

[7] 王雪梅，柴仲平，杨雪峰.荒漠绿洲区不同土地利用方式下土壤养分差异分析[J].干旱地区农业研究，2017，35（1）：91-96.

[8] 熊黑钢，周哲.典型干旱区PRED系统生态环境指标的选择与实践-以新疆民丰县为例[J].干旱区资源与环境， 2007，21（8）：2-6.

[9] 叶家瑜，江宝林.区域地球化学勘查样品分析方法[M].北京：地质出版社，2004：3-29.

[10] HJ/T166-2004，土壤环境监测技术规范[S].

[11] 刘庆，杜志勇，史衍玺，等.基于GIS的山东寿光蔬菜产地土壤重金属空间分布特征[J].农业工程学报，2009，25（10）：258-263.

[12] 吴文勇，尹世洋，刘洪禄，等.污灌区土壤重金属空间结构与分布特征[J].农业工程学报，2013，29（4）：165-173.

[13] 刘凯，高磊，彭新华，等.半干旱区科尔沁沙地土壤水分时空特征研究[J].土壤，2015，47（4）：765-772.

[14] DZ/T0295-2016，土地质量地球化学评价规范[S].

[15] 徐茂.基于地统计学的江苏省环太湖地区土壤肥力质量演变特征研究[D].南京：南京农业大学，2006：55-57.

[16] DONNELLY S.Land-use portfolios and the management of private landholdings in south-central Indiana[J].Regional Environmental Change， 2011，11（1）：97-109.

[17] LIPSIUS K，MOONEY S J.Using image analysis of tracer staining to examine the infiltration patterns in a water repellent contaminated sandy soil[J].Geoderma，2006，136（3）：865-875.