黑龙江省南部黑土区土壤微量元素有效态空间分布及影响因素

黑龙江省南部黑土区土壤微量元素有效态空间分布及影响因素

土壤养分的有效含量直接决定植物吸收的状况和动植物的健康。已有的对中、大尺度有效态微量元素的研究多应用经典统计学方法对其含量及其影响因素进行分析,近10年来,研究者常采用更加科学、直观和方便的地理信息系统(GIS)和地统计学方法研究区域有效态微量元素的空间结构和分布规律,并应用GIS空间分析功能对其丰缺进行评价,但应用GIS的方法对有效态微量元素的影响因素进行分析的尚不多见。农业生产中施用的氮、磷肥等将导致土壤—植物系统中微量营养元素的失衡,从而引起微量元素的缺乏。作为我国重要商品粮基地的黑龙江省黑土区,近几十年来由于农业生产的发展,不可避免地施用了大量的化肥。前人对我国黑龙江省黑土区土壤中的微量元素的研究主要集中在黑龙江省黑土区的中部和北部,对黑龙江省南部黑土区的有效态微量元素状况报道甚少。黑龙江省中部黑土区(如公主岭、海伦和北安地区)有效锌、有效锰、有效铜和有效铁的平均含量均高于缺素的临界值(分别为0.5mgkg-1、11.0mgkg-1、1.0mgkg-1和10.0mgkg-1),短时间内不会出现严重的微量元素缺乏现象;史文娇等研究表明,黑龙江省北部黑土区(如克山、五大连池、嫩江)的有效锌和有效铜含量均达适中和丰富水平,有效铁和有效锰达到丰富和很丰富水平。本研究选择有效铜、有效锌、有效铁、有效锰为研究对象,将GIS的空间分析功能与地统计学相结合,研究黑龙江省南部典型黑土区双城市的土壤微量元素有效态含量的空间分布状况和影响因素,对于黑土区耕地合理使用微量元素肥料、土壤环境保护、动植物缺素症和地方病的防治、土壤资源的综合治理具有重大意义,进而为农业生产、环境管理和决策提供咨询服务。1材料和方法1.1土地利用方式概况生态产业发展现状资双城市位于黑龙江省黑土区的南部(东经125°41′～126°42′,北纬45°08′～45°43′),全境总面积为3104km2。该区属温带大陆性季风气候,年均温3.5～4.5℃,年降雨量为400～600mm;地势东高西低,向西南和西北两侧倾斜;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%)为主,其次为水域(7.4%)、城乡、工矿、居民用地(6.3%)、草地(2.7%)、林地(1.2%)、未利用土地(0.9%);土壤类型的分布(图1)由多到少依次为典型黑土(57.4%)、黑钙土(19.9%)、草甸土(16.3%)、冲积土(5.0%)、风沙土(1.0%)、沼泽土(0.3%)和强度侵蚀黑土(0.1%)。1.2样品和测试方法根据研究区主要土壤类型及其面积,兼顾植被、土地利用类型和交通条件等因素,布置采样点数目与密度,在满足地统计学和GIS空间分析要求的基础上,使样点在研究区内分布尽量均匀,于2004年5月在研究区内采集了0～20cm土壤样品100个(图1),平均每30km2布设一个采样点,在采样的同时记录采样点的经纬度坐标及其周围的景观信息、开垦利用历史、耕作制度、施肥水平和生产能力等情况。土壤样品在室温下风干后,分别过2mm和0.149mm塑料筛备用。土壤有效态铜、有效态锌、有效态铁、有效态锰采用DTPA浸提,土壤全量铜和全量锌采用王水、高氯酸消化,其均采用日立180-80型原子吸收分光光度计测定;土壤pH(H2O)采用电位法测定;土壤有机质采用元素分析仪(ElementarⅡ,德国)测定。1.3土壤类型化方法的应用利用SPSS11.5对数据进行Kolmogorov-Smirnov检验,其中有效铜和有效铁服从正态分布,对有效锌进行对数转换、有效锰进行平方根转换后服从正态分布。因此使用有效铜和有效铁的原始数据、有效锌对数转换后数据和有效锰平方根转换后数据,利用GS+5.3进行各元素半方差函数模型的拟合,根据计算出的各元素半方差函数的模型及参数,应用ArcGIS8.3进行克立格插值,得出研究区土壤各微量元素有效态含量的空间分布图(有效锌和有效锰的空间分布图为克立格插值后进行反向转换后的值)。应用ArcGIS将土壤类型矢量数据转为250m×250m分辨率的栅格数据,利用空间分析功能将土壤类型图层与元素含量插值图层进行叠加分析,分别统计各土壤类型的栅格数、元素含量的最小值、最大值、平均值、标准差和平方和等,用以进行方差分析和多重比较的运算。由于本试验因素有7个水平(7种土壤类型),各水平重复不等(各土壤类型包含的栅格数不同),而S检验法适合于比较不等重复的情形,因此应用S检验法对不同土壤类型间有效态微量元素含量进行多重比较,计算差异显著性结果。本研究应用了相关分析方法分析了土壤各微量元素有效态含量与土壤微量元素全量、pH和有机质的相关关系,将研究区各元素空间分布图与土壤类型图进行了GIS叠加分析,应用单因素方差分析对水田和旱地的土壤微量元素含量进行对比,研究土壤微量元素有效态含量的影响因子。研究区土壤有效态铜、有效态锌、有效态铁、有效态锰、全量铜、全量锌、pH和有机质的描述性统计分析如表1。2结果与讨论2.1土壤养分的空间变异特征研究区土壤各微量元素的半方差函数拟合模型如图2所示。2.1.1土壤微量元素的c0/c0+c块金值与基台值之比C0/(C0+C)可以表明系统变量的空间相关性程度,若比值小于25%,说明系统具有强烈的空间相关性;若比值在25%～75%之间,表明系统具有中等的空间相关性;若比值大于75%说明系统空间相关性很弱。研究区有效铜、有效锌、有效铁和有效锰的块金值(C0)分别为0.06、0.22、135.0、2.00,基台值(C0+C)分别为0.18、0.45、481.0、4.10,4种土壤微量元素的C0/(C0+C)在28.07%～49.45%范围内变化(图2)。由此可见,4种土壤微量元素的空间相关性程度较为一致,均具有中等强度的空间相关性,表明它们的空间异质性均由土壤内在属性(如母质、母岩、土壤矿物和地形)和人为因素(如耕作措施及施肥、种植制度等)共同起作用。2.1.2克立格插值自相关性分析变程表明随机变量在空间上的自相关性尺度。研究区土壤4种微量元素的空间自相关范围在17640～213030m内变化(图2),其变程均大于步长值,说明该区域采样设计在克立格插值时显示了较好的空间相关性。其中有效铁和有效铜(81100m)的自相关性尺度(213030m)相对较大,接下来依次是有效锌(57360m)和有效锰(17640m)。土壤性质的自相关性尺度同时也反映了其影响因子的范围,因此有效锌和有效锰可能主要受到相对较小尺度因子的影响,而有效铁和有效铜的主要影响因子的空间变异尺度相对较大。2.2土壤全铜分布的空间分布为了更直观地了解研究区土壤各微量元素的空间分布特征,根据所得半方差函数理论模型和参数进行克立格插值,得出研究区土壤各微量元素有效态含量的空间分布图(图3)。土壤有效铜(图3a)空间变异的总体特征具有明显的连续分布的特点,呈现与地势相似的东高西低的趋势。东部和东北部的大部分地区高于有效铜克立格插值的平均值(1.697mgkg-1),而西部和西南部的大部分地区低于有效铜克立格插值的平均值(1.697mgkg-1)。最高值分布在双城市区附近(图1)及双城市东部的两块成片区域;而最低值分布在西南部的狭长的条状区域。这种空间分布趋势与全铜的分布规律非常相似。土壤有效锌(图3b)总体没有明显的规律,呈现块状分布的特点。最东部地区明显高于有效锌克立格插值的平均值(1.178mgkg-1),而北部、西南部的大部分地区低于有效锌克立格插值的平均值(1.178mgkg-1)。最高值分布在双城市区附近及双城市东部的两块成片区域;而最低值分布在西南部的狭长的条状区域。这与全锌含量的空间分布也有着相似的趋势。土壤有效铁(图3c)与有效铜类似,其空间分布也呈现东高西低的趋势。研究区最东部含量普遍较高,均高于有效铁克立格插值的平均值(34.163mgkg-1);而最低值依然出现在研究区的西北部的大片地区。土壤有效锰(图3d)空间变异特征总体上没有明显的规律,分布比较零散。中北部的大部分地区高于有效锰克立格插值的平均值(32.482mgkg-1),而其他大部分地区则低于有效锰克立格插值的平均值(32.482mgkg-1)。最高值区出现在两小片地区,一片分布在研究区东北部,另一片则分布在中西部;低值区出现较零散,西北部、西南部、东部及东南部均有零星分布。2.3影响土壤各元素空间分布的因素2.3.1土壤微量元素的特征将研究区的有效铜、有效锌含量与全铜、全锌含量做相关分析表明,有效铜含量与其全量间达到极显著正相关水平(r=0.341,p=0.001),有效锌含量与全锌之间存在着极显著的正相关关系(r=0.480,p=0.000),因此,黑土区微量元素有效态含量的多少与其全量密切相关。张树人等通过对吉林省第二次土壤普查的2994个土壤样本的测定,分析和查明了吉林省土壤微量元素全量和有效态铜、有效态锌、有效态铁和有效态锰的含量、分布及其与土壤性质的关系,结果表明,土壤有效铜、有效锌、有效铁和有效锰的含量与其全量呈正相关,与本研究结果很相似。因此,黑土区微量元素全量对其有效态的贡献是不可忽视的。2.3.2土壤有机质提高与土壤肥力的关系土壤pH的影响。研究区的土壤pH与有效铜的相关分析表明,二者相关性达到0.05的显著负相关水平(r=-0.209,p=0.037),而pH与有效锌未达到0.05的显著水平,与有效铁、有效锰达到极显著负相关水平(r分别为-0.553、-0.921,p均为0.000)。陆继龙等的研究也表明黑土的铜、铁、锰、锌的有效态含量与pH呈负相关。土壤有机质的影响。研究区土壤有机质与有效态铜、有效态锌、有效态铁和有效态锰的相关分析表明,有机质含量与有效铜、有效铁含量之间达到0.01的极显著正相关水平(r分别为0.385、0.308,p分别为0.000、0.002)。张树人等研究表明,土壤有效铜、有效锌的含量与有机质呈正相关,土壤有效铁、有效锰、有效硼、有效钼与有机质呈线性正相关。陆继龙等研究也表明,DTPA提取的有效锌与土壤有机质含量有高度的正相关性,土壤中60%可溶态锌是与富里酸络合的,在温带森林植被条件下形成的土壤中,铁的迁移是与有机质的螯合作用联系在一起的;土壤溶液中98%的铜存在于有机复合体中,与富里酸形成的有机铜是可溶性的,与胡敏酸形成不溶的络合物而降低了铜的活性;土壤中加入有机质后,土壤交换态锰和植物锰含量均有提高。2.3.3有效铜与全铜的比较对研究区不同土壤类型的有效铜、有效锌、有效铁和有效锰含量进行统计(表2),不同土壤类型有效铜含量平均值的大小顺序均为:强度侵蚀黑土>典型黑土>黑钙土>草甸土>冲积土>沼泽土>风沙土。不同土壤类型中有效铜的排列顺序与全铜十分相似,再次验证了有效铜与全铜含量关系密切。有效锌表现为:典型黑土>强度侵蚀黑土>冲积土>草甸土>黑钙土>沼泽土>风沙土。有效铁表现为:强度侵蚀黑土>典型黑土>沼泽土>草甸土>冲积土>黑钙土>风沙土。有效锰则表现为:强度侵蚀黑土>典型黑土>冲积土>草甸土>黑钙土>风沙土>沼泽土。经方差分析表明,土壤类型对4种微量元素有效态含量的影响均达到α=0.01的极显著相关水平,且4种微量元素有效态含量在不同土壤类型中表现出较为一致的规律,一般为强度侵蚀黑土和典型黑土最高,其次为黑钙土、草甸土和冲积土,沼泽土与风沙土为最低(但沼泽土中的有效铁含量大于黑钙土中有效铁含量),以上不同土壤类型中微量元素有效态含量的差异是由于土壤类型的不同成土母质中微量元素含量的差异所造成的。2.3.4农田和山地土壤锰有效锰的差异将水田和旱地的土壤样品分别统计平均值有如下规律:除水田的有效铜(1.679mgkg-1)略大于旱地(1.668mgkg-1)外,有效铁、有效锌和有效锰均为水田(分别为30.44mgkg-1、8.644mgkg-1和0.824mgkg-1)小于旱地(分别为32.79mgkg-1、34.24mgkg-1和1.182mgkg-1)。单因素方差分析表明,除有效锰达到0.05显著差异外,其余均未达到0.05的显著差异水平。这是因为锰的化学行为和生物有效性及易受土壤水分条件的影响,水田的耕层土壤锰极易向下淋溶而导致水田耕层土壤有效锰显著低于旱地。这同时也说明了人为的土地利用方式(耕作方式)不同,会对土壤微量元素有效态含量产生影响。3有效态微量元素的空间差异及影响因素研究区土壤有效铜、有效锌、有效铁和有效锰含量的空间分布特征不尽相同:有效铜和有效铁具有明显的连续分布的特点,呈现东高西低的趋势;土壤有效锌总体没有明显的规律,呈现出块状分布的特点;有效锰的分布则比较零散。有效铁和有效铜的变程较有效锌和有效锰大,说明前两种元素主要受到较大尺度因子的影响。空间分布特征和变程均表明研究区有效铜和有效铁较有效锌和有效锰更具空间结构性。4种有效态微量元素含量的空间变异特征分析表明,它们均由土壤内在属性和人为因素共同起作用。对其影响因素进行分析进一步验证了此结论,即各微量元素有效态含量的影响因子主要有土壤元素全量、土壤pH、有机质、土壤类型和土地利用类型等。4种有效态微量元素含量在不同土壤类型中表现出较为一致的规律,一般为强度侵蚀黑土和典型黑土最高,其次