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物探与化探, 2025, 49(5): 1232-1242 doi: 10.11720/wtyht.2025.1453

生态地质调查

聊城市典型农业区耕地土壤养分元素地球化学特征

张文强,1,2, 李常锁1,2, 刘金鑫1,2,3, 程诗悦1,2,3, 滕跃1,2, 李根林,1,2,3

1.山东省地矿工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队),山东 济南 250014

2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心,山东 济南 250014

3.山东省水工环地质工程有限公司,山东 济南 250014

Geochemical characteristics of soil nutrient elements in cultivated land within a typical agricultural area, Liaocheng City, China

ZHANG Wen-Qiang,1,2, LI Chang-Suo1,2, LIU Jin-Xin1,2,3, CHENG Shi-Yue1,2,3, TENG Yue1,2, LI Gen-Lin,1,2,3

1. Shandong Provincial Geo-mineral Engineering Exploration Institute (No. 801 Hydrogeology and Engineering Geology Institute, Shandong Exploration Bureau of Geology and Mineral Resources), Ji'nan 250014, China

2. Shandong Engineering Research Center for Environmental Protection and Remediation on Groundwater, Ji'nan 250014, China

3. Shandong Hydrogeology Engineering Geology and Environment Geology Corporation, Ji'nan 250014, China

通讯作者: 李根林(1987-),男,山东临清人,工程师,主要从事水文地质环境地质研究工作。Email:670250036@qq.com

第一作者: 张文强(1992-),男,山东淄博人,工程师,主要从事水文地质环境地质研究工作。Email:1024700957@qq.com

责任编辑: 蒋实, 沈效群

收稿日期: 2024-11-26   修回日期: 2025-05-11  

基金资助: 山东省地质勘查项目(鲁勘字(2021)46号)

Received: 2024-11-26   Revised: 2025-05-11  

摘要

研究土壤养分元素的丰缺状况,对于指导农业生产、改善种植结构、因地制宜科学施肥具有重要参考意义。本文以聊城市典型农业区堂邑镇为研究对象,选择代表性耕地采集84份浅层土壤样品并测试了15种养分指标,基于GIS及地统计学分析方法,揭示了各地球化学元素的空间分布规律,并开展了土壤养分地球化学单指标及综合评价。研究结果表明:①堂邑镇耕地土壤P、CaO呈较丰富—丰富水平;K2O呈中等—较丰富水平;S含量分布不均,总体达到较丰富及以上水平,局部发生过剩;N和有机质含量较缺乏;微量元素总体含量适中。②区内富硒土壤面积约2.98 km2,Se含量达(0.49~2.03)×10-6,富硒土地占比约4.76%。③区内土壤养分地球化学综合等级以较丰富(二等)和中等(三等)级别为主,面积占比分别为54.11%和40.47%,较为适宜农业生产。本次成果全面掌握了研究区耕地土壤养分状况并发现富硒土地资源,为指导土地资源开发利用、发展特色农业提供了基础地球化学依据。

关键词： 表层土壤; 养分元素; 地球化学; 聊城市

Abstract

Assessing the abundance and deficiency of soil nutrient elements holds critical referential significance for guiding agricultural production, improving the planting structure, and implementing location-specific scientific fertilization. This study investigated Tangyi Town, a typical agricultural area in Liaocheng City. First, this study tested 15 nutrient indicators in 84 topsoil samples from representative cultivated land. Second, using the geographic information system (GIS) and geostatistical analysis, this study revealed the spatial distribution patterns of various geochemical elements. Third, this study conducted single-indicator and comprehensive assessments of soil nutrient geochemistry. The results show that the soils from cultivated land in Tangyi Town exhibited relatively abundant to abundant P and CaO contents, and moderate to relatively abundant K2O content. Their S content displayed overall relatively abundant to a higher level and a non-uniform distribution, with local excess observed. Additionally, they manifested relatively deficient N and organic matter contents and generally moderate trace element content. This study identified a Se-rich soil area of approximately 2.98 km2, representing about 4.76% of the total cultivated land area, with Se content ranging from 0.49×10-6 to 2.03×10-6. The comprehensive geochemical grades of soil nutrients in the study area are predominantly of grades Ⅱ (relatively abundant) and Ⅲ (moderate), covering areas of 54.11% and 40.47%, respectively, indicating favorable conditions for agricultural production. This study ascertained the soil nutrient status of cultivated land in the study area and identified Se-rich land resources, providing fundamental geochemical data for guiding the development and utilization of land resources and developing distinctive agriculture.

Keywords： topsoil; nutrient element; geochemistry; Liaocheng City

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本文引用格式

张文强, 李常锁, 刘金鑫, 程诗悦, 滕跃, 李根林. 聊城市典型农业区耕地土壤养分元素地球化学特征[J]. 物探与化探, 2025, 49(5): 1232-1242 doi:10.11720/wtyht.2025.1453

ZHANG Wen-Qiang, LI Chang-Suo, LIU Jin-Xin, CHENG Shi-Yue, TENG Yue, LI Gen-Lin. Geochemical characteristics of soil nutrient elements in cultivated land within a typical agricultural area, Liaocheng City, China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(5): 1232-1242 doi:10.11720/wtyht.2025.1453

0 引言

耕地土壤是农业生产的主要载体和生态环境的重要组成部分[1],其质量的好坏直接决定着一个地区的粮食生产能力,进而影响到当地粮食及农产品的质量安全。土壤养分是指由土壤提供的能直接或经转化后被植物根系吸收的矿物质营养成分,包含植物生长所必需的营养元素[2],是土壤肥力的物质基础。通常讨论的土壤养分元素主要包括N、P、K等大量元素,Ca、S等中量元素,以及B、Mo、Mn、Cu、Zn、Fe、I、Se等微量元素[3]。研究土壤养分元素的丰缺状况,对于耕地质量分等定级、因地制宜科学施肥具有重要参考意义,可为改善种植结构、提高农产品质量及指导特色农业开发提供科学依据[4-5]。

聊城市堂邑镇是“山东省乡村振兴示范镇”、“山东省农业产业强镇”,该镇地势平坦,物产丰富,以葫芦为重要的特色种植产业,种植面积超过1.2万亩,盛产小麦、玉米、棉花、大豆等各种农作物,且广泛种植蔬菜、食用菌等经济作物,是鲁西平原重要的农业种植基地。然而,农业快速发展也带来了一系列的环境问题,如农业生产过于依靠化肥农药,造成土壤环境恶化,在有限的耕地资源上连作、轮作导致土壤板结、盐碱化及有机质流失造成土壤肥力下降,对农业可持续发展产生了不利影响。以往针对聊城地区土壤开展过大量工作,主要包括聊城市土壤地球化学背景值研究[6-7]、农用地土壤重金属污染特征和健康风险评价研究[8-9]等。本次研究针对堂邑镇区域农田表层土壤进行了采样分析,结合GIS及地统计学,揭示土壤中地球化学元素的空间分布规律,解析各元素间的相关性,对掌握土壤养分地球化学特征、发现富硒等特色土地资源、指导土地资源开发利用保护等具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于聊城市东昌府区堂邑镇,总面积61.41 km2,属暖温带季风气候区,气候春旱多风,夏热多雨,晚秋易旱,冬季干寒,近5年(2019~2023)平均降水量为765 mm。

研究区地处黄河泛滥冲积平原,地势较平坦,由于黄河冲积形成岗、坡、洼相间的微地貌形态[10],地貌类型主要为缓平坡地、河滩高地及背河槽状洼地,整体由东南向西北微倾。区内全部为第四系所覆盖,厚约280 m,成土母质主要为全新统鱼台组、巨野组、单县组等河流冲积相沉积,多为砂质亚黏土、粉质亚砂土、粉质黏土等互层[11]。土壤类型以潮土、盐化潮土、脱潮土为主[6]。土地利用类型主要为水浇地、林地、村镇建设用地等,耕地面积约占研究区总面积的54.3%。

1.2 样品采集与数据处理

样品均采集于区内耕地土壤,采样深度为0~20 cm,采集时间为上茬作物成熟以后,下茬作物尚未施用底肥和种植以前,使用竹铲、竹片直接采取样品。采样以野外实际GPS定点为中心,向四周辐射20~50 m确定子样点,采用“S”形、“X”形或“棋盘”形采样,由4~6个子样等量混合成1件样品,避开沟渠、田埂、旧房基、粪堆等无代表性地段,并挑出植物根系、岩石碎块、虫体残体等,共采集表层土壤样品84件(图1)。采回的土壤样品及时清理、登记,置于干净整洁的室内通风场地晾干,经过筛后装样送往实验室。分析测试由中国冶金地质总局山东局测试中心承担完成,测试包括N、P、K2O、B、Mn、Mo、CaO、TFe2O3、Se、I、F、S、Cu、Zn及有机质等15项指标。测试技术和方法严格按照《区域地球化学样品分析方法》(DZ/T 0279—2016)等规范标准,各项指标分析方法及检出限见表1。

图1

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图1   研究区土地类型及采样点分布

Fig.1   Distribution of land types and sampling points in the study area


表1   元素分析测试方法及检出限

Table 1  Elementalan alysis methods and detection limits

指标分析方法仪器型号检出限单位
K2O、TFe2O3X射线荧光光谱法(XRF)ZSXPrimusⅡ0.05(K2O、TFe2O3)10-2
PX射线荧光光谱法(XRF)ZSXPrimusⅡ1010-6
N、S容量法(VOL)20(N)、30(S)10-6
有机质容量法(VOL)0.110-2
CaO电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)iCAP63000.0510-2
Mn电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)iCAP63001010-6
Cu、Mo、Zn电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)XSeriesII1(Cu)、0.3(Mo)、4(Zn)10-6
Se原子荧光光谱法(AFS)AFS-83300.0110-6
B交流电弧—发射光谱法(ES)WP1110-6
I催化分光光度法(COL)UV1902PC0.510-6
F离子选择性电极法(ISE)PXJ-1B10010-6

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采用SPSS25.0、RStudio、Mapgis6.7及Grapher等应用软件,对数据资料进行多元统计分析及可视化分析,统计研究区内土壤元素地球化学特征。

1.3 土壤养分元素评价

采用中国地质调查局《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中土壤养分指标等级的分级标准对养分元素进行丰缺等级划分,其中单指标土壤养分地球化学评价等级划分参照表2、表3。

表2   土壤养分指标等级划分标准

Table 2  Classification Standards for Soil Nutrient Index Grades

养分
元素		一级
(丰富)		二级
(较丰富)		三级
(中等)		四级
(较缺乏)		五级
(缺乏)		上限
值
N>20001500~20001000~1500750~1000≤750
P>1000800~1000600~800400~600≤400
K2O>3.02.4~3.01.8~2.41.2~1.8≤1.2
SOM>4.03.0~4.02.0~3.01.0~2.0≤1.0
CaO>5.542.68~5.541.16~2.680.42~1.16≤0.42
TFe2O3>5.304.60~5.304.15~4.603.40~4.15≤3.40
S>343270~343219~270172~219≤172≥2000
B>6555~6545~5530~45≤30≥3000
Mo>0.850.65~0.850.55~0.650.45~0.55≤0.45≥4
Mn>700600~700500~600375~500≤375≥1500
Cu>29.024.0~29.021~2416.0~21.0≤16.0≥50
Zn>8471.0~84.062~7150~62.0≤50.0≥200

注:K2O、SOM(土壤有机质)、CaO、TFe2O3含量单位为%,其余为10-6。

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表3   土壤硒、碘、氟等级划分标准

Table 3  Classification standards for soil Selenium, Iodine, and Fluoride levels 10-6

指标缺乏边缘适量高过剩
Se≤0.1250.125~0.1750.175~0.400.40~3.0>3.0
I≤1.01.0~1.51.5~5.05~100>100
F≤400400~500500~550550~700>700

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土壤养分地球化学综合等级划分是在氮、磷、钾土壤单指标养分地球化学等级划分基础上,按照如下公式计算土壤养分地球化学综合得分f养综:

f养综=∑i=1nkifi

式中:f养综为土壤N、P、K评价总得分,1≤f养综≤5;ki为N、P、K的权重系数,分别为0.4、0.4和0.2;fi为土壤N、P、K的单元素等级得分,五等~一等所对应的fi得分分别为1、2、3、4、5。

土壤养分地球化学综合评价等级划分见表4。

表4   土壤养分地球化学综合评价等级划分

Table 4  Classification of soil nutrient geochemistry comprehensive evaluation grades

等级一二三四五
f养综≥4.54.5~3.53.5~2.52.5~1.5<1.5

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2 结果与分析

2.1 元素地球化学特征参数描述性统计

对堂邑镇土壤地球化学指标进行特征参数统计(表5),发现养分元素中F、I、Mn、Mo、P、S、Se、CaO、K2O、Cu、Zn及有机质(SOM)平均含量均不同程度高于聊城市土壤背景值,表明其在研究区产生了不同程度的富集,其中P、S富集系数(平均含量/聊城市背景值)分别达到1.5、2.02,最大值分别达到聊城市背景值的3.3倍和18.5倍。

表5   研究区土壤地球化学元素含量特征参数统计

Table 5  Statistics of soil geochemical element content characteristic parameters in study area

指标最小值最大值平均值标准差变异系数背景值
东昌府区[13]聊城市[14]山东省[14]
B35.2062.7048.646.400.1354.7650.042.7
Cu14.9041.9022.644.160.1823.8221.322.6
F408.00705.00564.9866.840.12649552521
I1.0910.603.611.880.523.8541.941.96
Mn448.00841.00575.2473.540.13622540576
Mo0.341.230.650.150.230.7120.570.58
N39013408902300.261250920890
P631.003648.001657.82579.170.3516061101824
S91.004324.00473.39590.531.25308234211
Se0.102.030.240.220.920.2230.190.18
Zn48.10132.0070.3113.390.1970.9563.363.3
TFe2O33.205.664.010.440.114.6834.14.31
CaO5.089.686.600.850.135.1875.243.36
K2O2.222.812.420.120.052.2992.292.47
SOM0.553.211.350.480.361.931.311.362

注:TFe2O3、CaO、K2O、SOM(土壤有机质)含量单位为10-2,其余为10-6;样本数n=84。

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变异系数(CV)的高低反映了各指标的离散程度。以往研究认为:CV≤0.16为弱变异,0.16<CV≤0.36为中等变异,CV>0.36为强变异[12];变异系数越大,其空间分布越不均匀。在本次测试指标中,S、Se属于强变异,CV值均大于0.5,表明其含量在空间上差异性较大;B、F、Mn、TFe2O3、CaO、K2O属于弱变异,含量分布比较均匀;其余各类指标均为中等变异。

2.2 土壤养分元素含量及分布特征

研究土壤养分元素的含量及在区域上的分布特征是土壤质量评价的一项重要内容,基于地统计学的空间分析技术常用来直观识别土壤中地球化学元素丰缺分布[13-14],极大提高了农业决策的可靠性和客观性,避免主观判断[15]。本文采用MapGIS6.7对研究区采样点进行Kriging空间插值,获取土壤养分含量空间分布图,将离散的土壤养分采样点推演为整个区域的土壤养分状况。

2.2.1 大量养分元素、有机质含量及分布特征

大量养分元素是植物生长所必需且需要量最多的元素,也是作物收获后从土壤中带走最多的元素[16]。本文主要讨论氮(N)、磷(P)、钾(K2O)以及与土壤肥力有关的有机质(SOM)含量。

氮对茎叶的生长和果实的发育有重要作用,是与作物产量最密切的营养元素[16]。研究区土壤N元素含量为(390~1 340)×10-6,平均值890×10-6,在区域上总体较贫乏。N元素较低的区域主要分布在堂邑镇南部、中西部(图2a)。

图2

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图2   研究区土壤大量营养元素含量分布

Fig.2   Distribution of macro-nutrients content in the soil of the study area


磷能促进早期根系的形成和生长,施用磷肥对提高作物的蛋白质、糖和油脂含量有良好的效果[17]。研究区土壤P含量为(631~3 648)×10-6,平均值为1 657×10-6,高含量区域主要分布在堂邑镇中部,含量约(2 000~3 500)×10-6(图2b)。

钾可增强作物茎秆的坚韧性,提高抗倒伏和抗病虫能力,以及提高作物的抗旱和御寒能力[17]。钾在自然界中没有单质形态存在,主要以盐的形式分布。研究区土壤K2O含量为2.22%~2.81%,平均值2.42%,高含量区域主要分布在堂邑镇西部地区,约为2.6%~2.8%(图2c)。

有机质是土壤养分供应能力与肥力的重要指标之一,能促进土壤中营养元素的分解,提高土壤的保肥性和缓冲性,促进植物和土壤微生物的活性。研究区土壤有机质(SOM)含量为0.55%~3.21%,平均值1.35%,总体比较缺乏,低含量区域主要分布在堂邑镇东北部和西部(图2d)。

2.2.2 中量养分元素含量及分布特征

中量养分元素通常包括钙(Ca)、硫(S)等[18]。土壤中CaO含量过高,会吸收土壤中的水分并释放热量,灼烧作物根系并导致土壤盐碱化,含量过低会导致土壤逐渐酸化,诱发作物病虫害而造成减产[19]。研究区土壤CaO含量为5.08%~9.68%,平均含量6.60%,总体含量较高,在西部及西北部区域比较富集(图3a)。

图3

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图3   研究区土壤中量营养元素含量分布

Fig.3   Distribution of middle-nutrients content in the soil of the study area


硫能促进植物生长发育,提高作物产量,减少硝酸盐积累,改善品质[20]。研究区土壤S含量为(91~4 324)×10-6,平均含量473.39×10-6,总体较丰富。S含量在空间上分布差别较大(图3b),低含量区域主要分布在堂邑镇南部及东南部,高含量区域主要分布在西部及北部区域,最高含量可达(2 800~4 300)×10-6。

2.2.3 微量养分元素含量及分布特征

土壤中硼(B)、钼(Mo)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)等是植物生长必需的微量营养元素,多是组成酶、维生素和生长激素的成分,对促进碳水化合物及蛋白质的合成、增强作物的抗病能力、提高农作物的品质有着重要的影响作用[21-22]。

研究区土壤B含量为(35.2~62.7)×10-6,平均值48.64×10-6,低含量区域主要分布在堂邑镇中部,高含量区域主要分布在西南部及东北部一带(图4a)。Mo含量为(0.34~1.23)×10-6,平均值0.65×10-6,低含量区域主要分布在中部及东南部,高含量区域主要分布在西北部及东部一带(图4b)。Mn含量为(448~841)×10-6,平均值575×10-6,低含量区域主要分布在中南部及东北部,高含量区域主要分布在西部和西北部(图4c)。TFe2O3含量为3.20%~5.66%,平均值4.01%,其空间分布与Mn具有相似性,低含量区域主要分布在堂邑镇中南部及东北部,高含量区域分布在西部至西北部(图4d)。Cu含量为(14.9~41.9)×10-6,平均值22.64×10-6,低含量区域分布在中部及北部一带,高含量区域分布在东部、东南部及西部(图4e)。Zn含量为(48.1~132)×10-6,平均值70.31×10-6,其空间分布与Cu具有相似性,在东南部、西部等区域均出现富集(图4f)。

图4

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图4   研究区土壤微量营养元素含量分布

Fig.4   Distribution of micro-nutrients content in the soil of the study area


2.2.4 特色营养元素含量及分布特征

硒(Se)是地球上一种稀少且分散的元素,地壳丰度为0.13×10-6,是人和动物必需的微量元素。我国是典型的缺硒国家,绿色富硒耕地比例极低[23],约有10多个省(市)存在不同程度的硒缺乏,缺硒地区约占全国国土面积的51%[24]。研究区表层土壤Se含量为(0.11~2.03)×10-6,平均值0.24×10-6,空间上分布不均(图5a),富硒土壤面积约为2.98 km2,占比约4.76%,主要分布在堂邑镇东部、赵子营村以东及罗屯村以北的区域,Se含量达(0.55~2.03)×10-6;北部殷庄以西、杨庙村以南也存在较小的富硒区,Se含量约为0.49×10-6。

图5

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图5   研究区土壤特色营养元素含量分布

Fig.5   Distribution of characteristic nutrient elements in the soil of the study area


土壤中碘(I)的丰缺直接影响人类食物及饮水中碘的含量,也参与植物的生长循环过程。碘主要通过大气干湿沉降、成土母质和植物释放等方式进入土壤[25]。研究区土壤I含量为(1.4~10.6)×10-6,平均值3.61×10-6,富碘土壤主要分布在堂邑镇东南部地区(图5b)。

氟(F)是人体必需的微量元素,但具有双阈值性,饮用水和食物中氟的缺乏会影响人和动物牙齿的发育,而氟过量则会造成氟中毒,可导致氟斑牙、氟骨症等地方病[26]。研究区土壤F含量为(408~705)×10-6,平均值564.98×10-6,较我国A层土壤背景值(480×10-6)偏高[12]。高氟土壤分布在堂邑镇西南部及北部区域(图5c),西南部一带氟含量最高,达(610~705)×10-6。

2.3 土壤养分元素相关性分析

元素相关性分析是探讨土壤成因的常用方法,通过计算土壤元素间的皮尔逊相关系数,可以直观确定变量之间的相关程度。若元素间显著相关,则说明它们可能有相似的物质来源或迁移途径[27]。图6为研究区土壤元素相关性矩阵。

图6

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图6   土壤养分元素相关性矩阵

Fig.6   Correlation matrix of soil nutrient elements


大量元素中,N与有机质(SOM)的相关系数为0.68,呈显著正相关。土壤中N主要来源于有机质分解、生物固氮作用,而有机质主要由动植物残体、微生物代谢产物和腐殖质组成,这些有机物含有丰富的N元素,这也是N与SOM相关性显著的原因。研究区N的平均含量为890×10-6、SOM平均含量为1.35×10-2,与聊城市背景值(N为920×10-6、SOM为1.31×10-2)接近,但均小于东昌府区背景值(N为1 290×10-6、SOM为1.93×10-2),总体较为缺乏。含量较低区域主要分布在堂邑镇西部及东北部,两者丰缺状况在空间分布上较为接近。有研究认为[28-29],长期翻耕破坏土壤团聚体,会加速有机质氧化,导致碳氮同步矿化流失,在农业系统中,若长期移除作物秸秆或未施用有机肥,土壤碳氮库补充量较少,会导致有机质和N流失加剧。

P与其他土壤元素相关性较弱,表明其来源具有差异性。在自然状态下,P主要来源于成土母质,例如长石等矿物在风化过程中释放磷酸盐,会控制土壤P的初始含量,植物凋落物及根系是土壤P元素除岩石风化外的主要来源;此外,农业活动长期施用磷肥会导致土壤P元素积累[30]。研究区P平均值为1 657×10-6,最高含量达3 648×10-6,均高于聊城市及东昌府区背景值(1 101×10-6、1 606×10-6)。由空间分布图(图2b)可见,研究区中部等地局部多分布点状高磷区,分析原因可能是土壤P受到农业施肥影响,且P在土壤中残留时间较长,不易淋失,而N、K等其他元素可能因淋失或挥发未同步积累,导致相关性较差。

K2O与TFe2O3、Mn的相关系数分别为0.86、0.88,TFe2O3与Mn的相关系数为0.97,均呈高度正相关关系。研究区K2O、TFe2O3及Mn的变异系数Cv分别为0.05、0.11、0.13,均呈弱变异,反映三者在研究区的空间分布较均匀,三者的平均含量分别为2.42×10-2、4.01×10-2和575.24×10-6,与聊城市背景值总体较为接近,表明Fe、Mn与K含量受人类活动影响较小,主要受成土母质等自然条件的控制。有研究认为[31],如果母质中富含铁、锰和含钾矿物(如钾长石、黑云母等),在风化过程中,这些元素会同步释放并富集于土壤中,导致含量高度相关。此外,Fe和Mn在土壤中的地球化学行为相似,如果土壤处于氧化环境,Fe和Mn可能同时被氧化成不溶的氧化物,从而在土壤中共同积累,而K可能因为吸附在氧化物表面或者与这些氧化物一起沉积,使得三者呈现显著相关性。

S与Mo的相关系数为0.48,呈中等相关性,但S与其他元素相关性均较弱。研究区土壤中S的平均含量为590.53×10-6、最大含量4 324×10-6,远高于聊城市及东昌府区背景值(234×10-6、308×10-6),变异系数CV为1.21,空间变异程度较高,反映受人类活动影响较大。从空间分布来看,S与Mo的富集区具有一定相似性,主要分布在研究区西北部,为农业种植区,反映S和Mo可能有共同的人为输入来源,例如某些含硫肥料可能同时添加钼酸铵,而其他元素未被同步输入。

Cu与Zn的相关系数为0.77,呈显著正相关,且两者丰缺状况在空间分布上较为一致,局部较为富集且最大含量远高于当地背景值。研究区Cu和Zn的富集区主要呈点状分布在东部罗屯电厂一带,距工业区较近,且该区域为区内交通枢纽,运煤车、大型货车等活动频繁,各类车辆引擎及轮胎摩擦产生的重金属微粒可能随扬尘积累在周边土壤中,研究区中的Cu与Zn可能受到一定程度的燃煤活动及交通运输影响[32]。

Se与Mo的相关系数为0.40,呈现中等正相关,但Se与其他元素相关性均较弱。研究区Se含量为(0.11~2.03)×10-6,平均值为0.24×10-6。Se的变异系数CV为0.91,呈强变异,反映了土壤Se分布的不均匀性。

2.4 表层土壤养分元素丰缺状况

2.4.1 单指标土壤养分地球化学评价

参照《土地质量地球化学调查规范》(DZ/T 0295—2016)中土壤养分地球化学等级划分标准,结合研究区养分元素分布图及养分等级占比(图7),对土壤养分元素进行地球化学评价,可直观反映研究区土壤中各养分元素的丰缺现状。

图7

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图7   研究区土壤养分元素各等级样品数占比

Fig.7   Proportion of samples of soil nutrient elements at different levels in the study area


在大量养分元素中,N总体含量不足,其中缺乏—较缺乏等级占比约60.7%,主要分布在堂邑镇南部、中部以及东北部,未发现N较丰富—丰富的土壤。P较为富足,其中含量较丰富—丰富占比约92.85%,区内未发现P缺乏土壤。K2O含量为中等—较丰富级别,含量中等占比约53.6%,较丰富占比约46.4%。有机质总体比较缺乏,其中较缺乏—缺乏区主要分布在堂邑镇东北部和西部,占比约90%。

中量养分元素中,土壤CaO含量充足,属于丰富级别的土壤占比约97.6%。S含量在空间上差别较大,其中缺乏—较缺乏土壤占比约14.3%,主要分布在堂邑镇南部、中部和东部一带;较丰富—丰富土壤占比约72.6%,分布面积较广,主要分布在中西部和北部地区,其中在西部陈屯村一带达到S过量级别。

微量养分元素中,TFe2O3含量总体较少,其中缺乏—较缺乏等级的土壤占比69%,主要分布在堂邑镇中南部及东北部。其余微量元素含量总体适中,B较缺乏区占比约35.74%,主要分布在中部;Mo缺乏—较缺乏区占比约25%,主要分布在中南部;Mn较缺乏区占比约11.9%,主要分布在中南部及东北部;Cu缺乏—较缺乏区占比约39%,主要分布在堂邑镇中部以及北部;Zn缺乏—较缺乏区占比约23.8%,主要分布在北部地区。

2.4.2 土壤养分地球化学综合评价

研究区表层土壤养分地球化学综合等级为二等~四等(图8)。其中,符合土壤养分较丰富(二等)级别的土壤面积约24.27 km2,占研究区总面积的54.11%,分布面积较广,主要分布在堂邑镇西部及东南部;中等(三等)级别的土壤面积约18.15 km2,占总面积的40.47%,主要分布在堂邑镇东北部杨庙村—于庄村—周庄村一带、中部马庄—栾庄—陈庄村一带、南部军庄—粉干李村一带;土壤养分较缺乏(四等)级别的土壤面积约2.43 km2,占堂邑镇评价区总面积的5.41%,主要分布在堂邑镇西部许堤口村—张屯村北部一带、中部宁庄—马庄一带。

图8

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图8   研究区表层土壤养分综合评价

Fig.8   Comprehensive evaluation of surface soil nutrients in the study area


2.5 耕地开发利用建议

2.5.1 耕地土壤施肥建议

综上分析,研究区堂邑镇耕地土壤中P及CaO含量总体较为充足,主要缺乏N和有机质,缺乏区多分布于堂邑镇西部及东北部。建议将秸秆直接粉碎或堆肥后混入耕层土壤,以促进外源碳氮输入,增强土壤固碳增汇能力,补充土壤氮及有机质含量[29],实现植物生长必需元素的再利用,促进农业的可持续发展。此外,应根据作物种植结构及微量元素的丰缺情况施用微肥,适当补充Fe、Mo、B、Cu、Zn等微量元素。

2.5.2 富硒土地开发建议

根据本次研究结果,在堂邑镇赵子营村—罗屯镇一带以及殷庄—杨庙一带发现富硒土壤,面积约2.98 km2,硒含量为(0.49~2.03)×10-6,高于全国土壤硒背景值,超过了现行以土壤硒含量≥0.4×10-6作为富硒土壤的标准。此外,在该富硒区域Mo元素也较为富集,含量为(0.89~1.23)×10-6,达到丰富级别。根据土壤养分地球化学综合评价,该富硒区域土壤养分等级为中等—较丰富。

在堂邑镇发现的这一富硒土壤品质较好、硒含量适量,具备良好的开发利用前景。建议:①合理区划,直接利用,种植培育天然富硒农产品;②非农用土地富硒耕作土层异地利用,适用于已规划批准农转建设用地征占的富硒耕地。

3 结论

1)研究区堂邑镇表层土壤大量营养元素磷(P)、氧化钾(K2O)较丰富,而氮(N)和有机质相对匮乏,其缺乏—较缺乏区面积占比分别约60.7%、90%。中量元素硫(S)、氧化钙(CaO)含量总体达到较丰富及以上水平,局部发生过剩。微量元素总体含量适中,铁(TFe2O3)含量水平局部较低。

2)研究区土壤养分地球化学综合等级以较丰富(二等)和中等(三等)级别为主,面积占比分别为54.11%、40.47%,较为适宜农业生产。养分较缺乏(四等)级别土壤面积约为2.43 km2,占比5.41%,主要分布在堂邑镇中部及西部一带。建议根据元素丰缺情况科学培育地力,通过秸秆还田方式促进土壤碳氮输入,或适当补充氮肥和有机肥,提高土壤养分水平。

3)研究发现富硒土壤面积约2.98 km2,占比约4.76%,主要分布在堂邑镇东部,赵子营村以东、罗屯村以北及殷庄附近区域,Se含量为(0.49~2.03)×10-6,为当地富硒农产品开发提供了物质基础。建议因地制宜,依托富硒土地资源发展高附加值特色农业。

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Investigating the main sources of soil phosphorus and their seasonal variations across different vegetation restoration stages in karst region of southwest China can deepen our understanding of soil phosphorus cycling during vegetation restoration, and provide scientific reference for the controlling of rocky desertification. Taking the typical karst ecosystems at different vegetation restoration stages in Guilin, Guangxi as the research objects, we conducted a one-year field experiment with three treatments: vegetation restoration for about 10 years (R10), 30 years (R30) and 50 years (R50). We collected rainfall based on precipitation frequency, as well as soil, fresh litter and root samples in each season to measure the concentrations of total phosphorus (TP) in rainfall, the contents of TP and available phosphorus (AP) in soil, and the contents of TP in fresh litter and roots. In combination with litter phosphorus storage and soil microbial biomass phosphorus (MBP), we analyzed the contributions of phosphorus input to soil from different phosphorus sources. The results showed that soil TP content increased initially and then decreased with vegetation restoration, with a seasonal pattern of autumn &gt; summer &gt; spring &gt; winter. Soil AP content was low in all treatments, with higher levels in summer and winter than in spring and autumn. Soil MBP content increased with vegetation restoration, with a seasonal variation pattern of spring &gt;autumn &gt; summer &gt; winter. The annual phosphorus input from rainfall was 0.78 kg·hm<sup>-2</sup> with the highest value in spring. The annual phosphorus input from fresh litter in the R10, R30, and R50 treatments was 2.42, 10.64 and 5.03 kg·hm<sup>-2</sup>. Phosphorus storage in litter was 1.23, 5.32 and 3.45 kg·hm<sup>-2</sup>. The annual phosphorus input from plant roots was 5.18, 12.65, and 5.96 kg·hm<sup>-2</sup>, respectively. The highest levels of the above parameters always occurred in the R30 treatment. There was a significant positive correlation between soil TP content and plant root phosphorus input, and a significant negative correlation between soil AP content and rainfall phosphorus input. In summary, the contribution of phosphorus input from different sources to soil phosphorus pool varied across different vegetation restoration stages in the karst region of southwest China. Roots are the main source of soil phosphorus, followed by litters. Phosphorus entering the soil through wet deposition is very limited. Soil microorganisms also contribute to soil phosphorus reserve.

刘学, 杨继松, 王志康, 等.

辽河口湿地土壤中铁和锰元素含量的分布特征

[J]. 湿地科学, 2022, 20(3):435-442.

[本文引用: 1]

Liu X, Yang J S, Wang Z K, et al.

Distribution characteristics of iron and manganese contents in soils in the Liaohe River Estuary wetland

[J]. Wetland Science, 2022, 20(3):435-442.

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邵莉, 肖化云, 吴代赦, 等.

交通源重金属污染研究进展

[J]. 地球与环境, 2012, 40(3):445-459.

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Shao L, Xiao H Y, Wu D S, et al.

Review on research on traffic-related heavy metals pollution

[J]. Earth and Environment, 2012, 40(3):445-459.

[本文引用: 1]

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