0 引言

按植物对元素的需要量可将土壤元素分为大量营养元素和微量营养元素^[1]。微量营养元素是植物生长必需的元素,缺乏或过量均会影响作物的生长代谢^[1-2]。因此,研究土壤微量元素的含量及空间分布特征对促进农业发展具有重要意义。近年来,国内外诸多学者运用统计学和地理信息系统(GIS)技术相结合的方式,从不同尺度对不同地区土壤微量元素的空间变异规律进行了大量研究,发现土壤微量元素分布具有结构性和随机性的空间变异特征^[3-7]。已有研究表明其结构性空间变异特征主要由成土母质、土壤类型、地形和气候等自然因素决定,其中,成土母质是最主要因素;随机性空间变异特征主要由耕作方式、施肥、种植制度和工业污染等人为因素决定^[8-12],而从地层等地质背景因素研究其对土壤微量元素的影响却鲜见报道。

重庆市中西部地区是重庆主要的经济集聚区和农业聚集区,地理环境复杂,地层分布多样,成土母质变化较大,土壤类型较多。渝北地区地处重庆都市经济圈北部,自然地理和地质地貌在重庆市中西部地区具有典型性,研究其土壤微量元素含量分布及影响因素对重庆市中西部地区有代表意义。有关渝北地区土壤微量元素的已有研究主要侧重于土壤微量元素的含量水平^[13,14],而对其分布特征的影响因素报道较少。本文采用GIS定位技术对重庆市渝北地区进行大面积采样测量,研究区内土壤微量元素Cl、Mn、B、Zn、Cu和Mo的分布特征,探讨地层、成土母质、土壤类型等地质背景因素对其空间分布的影响,以期为该地区生态农业发展、合理配方施肥以及土壤环境保护提供地学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区(106°30'E-107°00'E, 29°40'N-30°00'N)属亚热带湿润气候,年平均气温为13.8~18.8 ℃,年降雨量为1 100 mm左右。该区土壤类型为紫色土、黄壤、石灰岩土和水稻土^[15]。成土母岩为砂岩、泥岩和石灰岩。土地利用方式主要为水田和旱地,农业发展定位为特色农业产业化,同时逐步向区域化、规模化、专业化发展,农业产业规划上将逐年新增高山蔬菜基地。

研究区地层成NE—SW条带状分布,地层(图1)呈大致平行排列叠置,地层由老到新为: 二叠系龙潭组(P₂l)、三叠系飞仙关组(T₁f)、三叠系嘉陵江组(T₁j)、三叠系雷口坡组(T₂l)、三叠系须家河组(T₃xj)、侏罗系珍珠冲组(J₁z)、侏罗系自流井组(J_1-2z)、侏罗系新田沟组(J₂x)、侏罗系下溪沙庙组(J₂xs)、侏罗系上溪沙庙组(J₂s)。T₂l、T₁j、T₁f及P₂l地层主要分布山岭,T₃xj地层主要分布在山腰,J₂s、J₂xs、J₂x、J_1-2z及J₁z主要分布在谷地。

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图1   研究区地质略图

   

1.2 样品采集与分析

按中国地质调查局多目标区域地球化学调查规范^[16],网格化采集土壤样品7 105件,样品采集密度4个点/km²。采样时兼顾土壤类型、利用方式等多重因素,采样深度为0~20 cm,剔除动植物残体、石块等杂物。在典型地层分布区采集地质剖面岩石、土壤各88件。样品测试单位为国土资源部成都岩矿测试中心。用WP1型平面光栅摄谱仪(北京瑞利分析仪器公司)测定B,检出限2.0 mg/kg;用X seriesⅡ等离子体质谱仪(美国热电公司)测定Mo,检出限0.1 mg/kg;用PW4400 X射线荧光光谱仪(荷兰帕纳科公司)测定Cl、Mn、Zn、Cu,检出限分别为8.0 mg/kg、6.1 mg/kg、1.0 mg/kg、0.5 mg/kg。元素分析质控措施遵循中国地质调查局多目标区域地球化学调查规范^[16],合格率达到100%。

1.3 数据处理与统计分析

利用SPSS19.0和Excel对数据进行一般性统计和K-S检验,利用GS+9.0软件进行半方差分析,利用Mapgis 6.7中的克里格插值法绘制土壤元素地球化学分布图。

2 结果与讨论

2.1 土壤元素分布特征

2.1.1 元素空间变异结构特征

研究区土壤微量元素B、Cl、Cu、Mn、Mo、Zn半方差分析结果(表1)表明,各元素偏度及峰度较大,均不符合正态分布。经对数转化后,符合或近似正态分布,满足地统计学分析的基本要求。对土壤微量元素进行各向同性变异函数拟合,按照决定系数(R²)最大、残差(RSS)最小的原则选择最优半方差函数拟合模型,该区上述微量元素最佳理论模型均为指数模型。

空间变异主要有随机性和结构性两部分,块金值(C₀)、结构方差(C)和基台值(C₀+C)分别表示随机变异、结构变异和系统内总的变异。从块金系数(C₀/(C₀+C)<25%)可知,研究区土壤微量元素B、Cl、Cu、Mn表现出强烈的空间相关性,结构因素对元素空间变异的贡献较大,这可能由地层在空间上的分布差异引起,也说明人为随机因素影响小;Mo和Zn元素表现出中等空间相关性(块金系数介于25%~75%之间),说明结构性因素和人为随机因素对空间变异的影响相当。Cu和Mo变程较大,分别为633 km和131 km,说明这两种元素在较大的范围内存在空间自相关性。其他元素变程较小,为4.5~9.9 km,说明空间自相关性范围较小。

2.1.2 元素含量统计特征

研究区土壤微量元素含量的描述统计结果见表2。对比可见,渝北地区土壤B、Mo背景值显著高于重庆主城区(重庆都市经济圈),Cl、Mn、Zn和Cu则略高于重庆主城区; Zn背景值则显著高于全国土壤背景值,Cl、Mn、B、Cu和Mo总体与全国相当。

注:背景值为采取逐步剔除±2S_O方法求取的算术平均值。

2.1.3 元素丰缺特征

利用点位GPS坐标和样品测试数据^[18] ,依据《全国第二次土壤普查技术规程》^[19] 的土壤元素丰缺评价标准,采用MapGIS 6.7软件绘制了研究区表层土壤Mn、B、Zn、Cu和Mo的丰缺分布图(图2);采用元素含量累积频率分级法^[16],绘制了土壤Cl元素地球化学图(图2)。

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图2   研究区土壤中的元素丰缺图及氯地球化学图

   

从图2可知,研究区土壤Mn、Cu、Zn整体处于适中至丰富水平,Mo、B丰缺参半;土壤元素含量均呈条带状分布,长轴NE—SW;从微地貌(山岭、山腰及谷地)与元素含量关系来看,土壤Mn、Cu、Zn的高值分布在山岭,低值分布在山腰;Mo、B高值分布在山岭,低值分布在谷地;Cl高值则分布在谷地,低值分布在山腰。

2.2 地质背景对土壤元素的影响

影响土壤微量元素含量的因素很多,包括成土母岩、土壤类型、坡度、土壤质地、地形、土地利用类型及地貌等^[2,10,20,21]。结合报告^[18]和图2可知,研究区Mn、B、Zn、Cu、Mo元素含量高值分布在山岭区。地形地貌有山岭及其岭上小槽谷,土地利用类型有耕地和林地,成土母质来源有残积土和坡积土,但元素含量高低差异并不显著,说明研究区微地形、地貌、土地利用类型、农事活动等对土壤元素含量的影响并不显著。因此,本文从地层、成土母岩及土壤类型三个方面分析影响土壤元素含量的因素。

2.2.1 地层对土壤元素含量的影响

地层是指在地壳发展过程中形成的各种成层和非成层岩石的总称^[22],主要反映不同地质时期岩石形成的不同环境和物质来源,从而影响岩石组成元素。表3为按地层分组的土壤元素含量统计结果,图3为其柱状图。

从图1、图2、图3和表3可看出,研究区土壤Cu等元素分布形状与地层分布一致,其特征主要表现在以下两方面:其一,元素高低值分布呈NE—SW向条带状,并展现重复相间分布特征,空间分布与地层高度一致;其二,土壤Cu、Mo、Mn、Zn、B元素的高值主要分布在三叠系雷口坡组(T₂l)、三叠系嘉陵江组(T₁j)、三叠系飞仙关组(T₁f)及龙潭组(P₂l),其中龙潭组最高,Cl元素高值主要分在沙溪庙组(J₂s),Cu、Mn、Zn、Cl元素低值主要分布在须家河组(T₃xj),B元素低值主要分布在沙溪庙组(J₂s)。以上结果表明土壤元素含量空间分布主要由地层空间分布造成,地层单元(组)是决定土壤元素含量的重要因素。

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图3   不同地层组元素含量柱状图

   

2.2.2 成土母岩对土壤元素含量的影响

不同地质时期可形成同类岩石,但由于物源和环境不同,不同地质时期的同类岩石中元素含量亦有所不同。将研究区地质剖面采集的岩石样、土壤样检测结果兼顾地质年代(纪)和岩石类型(大类)进行分类统计, 结果如表4所示。

由表4可知,总体上看,同一种元素在每一类母岩和其风化形成的土壤中的含量属同一数量级,如Mn元素在二叠纪石灰岩区的石灰岩(973 mg/kg)和土壤(921 mg/kg)中的含量,Mo元素在侏罗纪泥岩区的泥岩(0.486 mg/kg)和土壤(0.689 mg/kg)中的含量。说明自然状态下成土母岩是土壤元素含量的重要控制因素。从成土母岩分区看,土壤元素含量的高低值并不呈现显著规律,即同类成土母岩形成的土壤元素含量变化大、没有明显的高低含量值特征。同时,形成于不同地质时期的同一成土母岩中同一元素含量具有较大差异,其对应土壤元素含量也具有较大差异。如砂岩区成土母岩及土壤B含量在三叠纪分别为66.11、87.50 mg/kg,而在侏罗纪则分别为29.27、50.18 mg/kg;石灰岩区成土母岩及土壤Cu含量在三叠纪分别为11.49、60.02 mg/kg,而在二叠纪则分别为31.37、91.67 mg/kg。

这说明相对岩石类型而言,岩石形成的地质时期对土壤元素含量具有显著影响。这一特性解释了不同地层组相同岩石类型形成的土壤中元素含量差异较大的原因。

在母岩风化成土过程中,一方面表现出土壤对母岩元素的继承特征,另一方面通过淋滤迁移与淀积作用^[23-24] 使土壤与母岩元素组成和含量产生差异。同时,成土过程也表现出土壤表生环境对土壤元素含量的综合影响。从表4中的富集系数(q)可知,多数元素在成土过程中表现富集作用(q>1),石灰岩区成土过程元素富集总体比砂岩区强,泥岩区最低。三叠纪砂岩区Cu、Mo、Mn、Zn,三叠纪石灰岩区除Cl外的所有元素,二叠纪石灰岩区Cu、Mo,均表现显著富集作用(q>2);而三叠纪砂岩区Mn和石灰岩区Zn的富集系数更是大于7。相反,Mn在侏罗纪的砂岩区、泥岩区以及二叠纪石灰岩区,Cl在石灰岩区,均表现了淋滤作用。其中Cl在三叠纪石灰岩区淋滤富集系数更是低到0.25,引起此现象的原因是多方面的,如土壤环境的温、光、水、气、坡度、土壤质地等^[2,10,20-21]。可以看出,研究区土壤对母岩元素的富集贫化程度主要受岩石类型的影响,与岩石形成地质时期也有一定关系。

2.2.3 土壤类型对土壤元素含量的影响

不同的土壤类型代表不同的成土环境和土壤理化性质,进而影响土壤元素淋滤富集和有效性。研究区主要土壤类型B等元素含量统计见表5,不同土壤类型元素平均值与研究区平均值的比值见图4。由于样本量较大,各类土壤中元素平均值应趋近于背景值,表征了各类土壤元素含量特征。从表5和图4可知,各类土壤元素含量存在显著差异,紫色土、黄壤和石灰岩土B、Mo含量以50%幅度递增;紫色土中Cl含量略高于其他土类;石灰岩土中Cu含量显著高于其他两类土;黄壤、紫色土到石灰岩土,Mn、Zn以近23%递增。总体上,除Cl元素外,其他元素在石灰岩土中最高;除B、Mo外,其他元素在黄壤中最低。

表5

表5   研究区不同土壤类型元素含量统计

   

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图4   不同土壤类型中元素平均值及其与研究区平均值的比值

   

研究区水稻土原土为黄壤、紫色土和石灰岩土之一,元素含量本应居于各土壤类型平均值左右,但受其水旱轮作等影响,Mo平均值在各土壤类型中表现出最低,说明水稻土环境较其他土壤类型环境Mo易于流失。

2.3 土壤元素对作物施肥及布局的影响探讨

土壤微量元素的丰缺受地质背景影响。研究区元素稍缺或缺乏区铜、锰、锌主要分布在山腰,钼、硼则主要分布在谷地,氯低值区主要分布在山腰和山顶。因此,研究区谷地的紫色土区种植水稻、小麦、油菜、柑桔等果实性作物,要注意长期施用硼肥,同时紫色土区农业种植活动应特别施硼钼肥;山腰黄壤区除钼外,微量元素肥料均是补施对象;高山石灰岩土区应注意补施氯肥。

综合以上研究得出的初步成果,笔者希望农业部门在规划研究区作物布局时可以考虑如下几点建议:其一,可通过检测地层组区少量土壤样品而概要掌握地层组区土壤微量元素丰缺状况;其二,研究区山腰黄壤区除、硼钼元素外其他微量元素均较缺乏,不适宜规划农业产业区;其三,山脉上的耕地微量元素除氯为低值外,其余均较丰富,基础条件适合时更有利于规划高山蔬菜基地。

3 结论

研究区土壤B、Mo元素含量显著高于重庆主城区,Zn元素显著高于全国水平。依据土壤植物养分丰缺标准,Mn、Cu、Zn元素整体处于适中与丰富,Mo、B元素丰缺参半。空间分布差异上,B、Cl、Cu、Mn表现强烈空间相关性,由结构性因素的地层空间分布差异引起;Mo和Zn元素表现中等空间相关性,结构性因素和人为随机因素的空间变异影响作用相当。Cu和Mo变程较大,两种元素在较大范围内存在空间自相关性。

研究区地质背景对土壤元素含量的影响中,地层的组是元素含量分布的代表特征,其空间分布差异显著影响元素含量,土壤元素含量高低值分布形状在平面上与地层的组一致,Cu、Mo、Mn、Zn、B元素高值主要分布在龙潭组,Cl元素高值则主要分布在沙溪庙组;成土母岩决定元素在土壤中的含量级别,是土壤元素含量的重要控制因素之一,其影响因素主要为岩石类型,其次为岩石形成的地质时期,母岩对土壤元素的影响进一步解释了地层对土壤元素的影响;土壤类型显著影响元素含量差异,整体上石灰岩土中B、Mo、Cu、Mn、Zn元素含量最高,水稻土中Mo元素含量最低。

研究区地层的组、成土母岩、土壤类型展示出对土壤植物养分微量元素含量的主控因素和代表特征,可为研究区微量元素研究、种植施肥和农业布局规划提供参考。

(本文编辑:蒋实,沈效群)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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