中阳县坝地土壤微量元素的分布特征研究

向云,吕春娟,刘秀珍

(山西农业大学 资环学院,山西 太谷030801)

坝地是坡面侵蚀泥沙经水力搬运后在沟道坝区淤积而成的土地,是一种特殊的农地,是土壤侵蚀的产物。它具有兼顾控制区域水土流失、减轻下游地区洪涝灾害、提高作物单产等多项功能[1～2]。过去的研究只注重淤地坝的修筑及坝系建设,对坝地土壤理化特征、养分特征和水肥调控的研究甚少[3～4]。目前,国内外农业关于坝地土壤的研究与应用正方兴未艾[5～6]。科学研究和生产实践证实,许多微量元素为有机体正常生命活动所必需,在有机体的生活和生长中起到重要作用,土壤微量元素供给不足,往往成为限制农产品产量进一步提高的障碍因素。微量元素不仅是土壤学和农业化学研究中一个新的生长点,当微量元素供给不足或者过多时,还会影响人和动物的健康,有时还会导致地方病的发生。本文以中阳县洪水沟坝地土壤为研究对象,探讨了坝地土壤的微量元素的供应状况,试图摸清坝地土壤不同部位、不同层次土壤有效态微量元素的分布规律,为合理施用微肥提供科学依据。

1 研究区概况

洪水沟小流域位于中阳县 ,东经 111°06′22″,北纬 37°27′27″,该流域属黄土丘陵沟壑区。成土母质为第三世纪粘土和第四世纪马兰黄土,沟底有基出露,多为砂岩,洪水沟流域地处中纬度,属温带大陆季风气候,四季分明。多年平均气温8℃,最高气温35.6℃,最低气温-24.3℃,光照丰富,年日照时数为2715 h,全年有效总辐射量568 100 J·cm-2,≥10℃的积温2906.4℃。平均风速3～4 m·s-1,无霜期145～170 d,年平均降水量 500 mm左右,蒸发量2008.9 mm。洪水沟流域有淤地坝54座,其中骨干坝2座,小型坝52座,流域平均坝高18 m,总库容587.68万m3,控制面积23.87 km2,沟道形状成“V”字形,主沟道长 11.0 km,土壤侵蚀模数为15 000 t·km-2,现已拦泥465.31万 t,共淤地85.67 hm2,主要种植玉米、高粱。

2 研究方法

土壤样品采自中阳洪水沟11号坝地,分别在坝前、坝中、坝尾挖掘土壤剖面,采集0～20 cm、20～ 40 cm 、40～ 60 cm、60～80 cm、80～ 100 cm、100～130 cm 、130～160 cm 、160～200 cm 土壤样品24个。土样风干后过1 mm筛,测定其土壤有效铜、锰、铁、锌。土壤有效铜、锰、铁、锌:DTPA 浸提,原子吸收分光光度法测定[7],试验结果采用Excel和SPSS软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 坝地土壤有效态铜、锌、铁、锰的垂直特征

土壤微量元素的有效态含量分布反映了该地区土壤及环境状况的一个重要侧面[8],根据土壤微量养分供应能力和作物对微肥的效应,参照表1我国土壤有效态微量元素含量的分级标准[9～10],将坝地土壤有效态微量元素含量分为很低、低、中等、高、很高五级。

表1 土壤微量元素分级标准/mg·kg-1Table1 The grade standards of soil trace-elements/mg·kg-1

在土壤学中,根据变异系数值对土壤性质的变异程度进行分类,变异系数0%～15%为弱变异性,15%～35%为中等变异性,大于35%为高度变异性[11]。由图 1、图2和表2可以看出,土壤中有效态铜、锌、铁、锰随土壤深度的增加呈现出锯齿变化特征,四种元素的谷底和峰值出现的土层深度一致,谷底均出现在 20～40 cm、80～100 cm处的土壤中铜、锰、铁、锌含量都最低,不同层次土壤中有效铜130～160 cm最高,为0.41 mg·kg-1;80～100 cm最低为 0.25 mg·kg-1,变异系数为18.97%,土壤有效锌含量0～20 cm最高为0.96 mg·kg-1;80～100 cm 最低为0.42 mg·kg-1。变异系数32.91%,说明有效铜剖面上有一定波动,但变幅不大,有效性锌波动较大,但都属于中等变异。土壤有效态锰含量 0～20 cm最高,为11.23 mg·kg-1,80～100 cm 最低为7.51 mg·kg-1,变异系数11.95%,土壤有效性铁含量100～130 cm最高为7.45 mg·kg-1,80～100 cm最低,为5.21 mg·kg-1,变异系数12.56%,说明有效态锰和有效性铁在剖面上波动很小,变幅也小,属于弱变异。这与坝地土壤由不同年份的淤积层累积形成有直接的关系,同时说明坡面侵蚀土壤微量元素养分与坝地微量元素养分有很大的关系。

图1 土壤有效态铁、锰含量Fig.1 The content of soil available Fe and Mn

图 2 土壤有效态铜、锌含量Fig.2 The content of soil effavailable Cu and Zn

表2 洪水沟坝地0～200cm土壤有效态铜、锌、铁、锰含量/mg·kg-1Table 2 The soil available state Cu,Zn,Fe,Mn ganses of 0～200 cm in Hongshuigou dam fields soil/mg·kg-1

3.2 坝地土壤有效态微量元素水平分布特征

洪水沟坝地不同部位土壤有效态铜、锰、铁、锌分布见表3。

由表3可以看出,坝前土壤中有效性铜、锌、铁、锰的含量最低,土壤有效铜和有效性铁含量变化为:坝尾＞坝中＞坝前,变异系数为60.92%和21.33%,土壤有效铜属高度变异性,有效态铁属中等变异性。根据表1分级标准,中阳洪水沟坝地土壤有效铜坝前低于临界值,坝中、坝尾属中等水平,土壤有效铁属中等水平。土壤有效态锰、有效态锌含量分布为:坝中 ＞坝尾 ＞坝前,变异系数为17.12%和29.65%,均属中等变异性,坝地土壤有效态锰属中等水平,有效态锌属于低水平。

表 3 洪水沟坝地不同部位土壤有效态铜、锌、铁、锰分布/mg·kg-1Table3 The distribution of the different parts of soil effective state Cu,Zn,Fe,Mn ganese in Hongshuigou dam fields soil/mg·kg-1

土壤微量元素的有效态含量分布是母质、地形、地貌、气候以及耕作施肥水平等各种因素综合作用的结果,有效态微量元素含量在一定条件下说明土壤微量养分的供应水平[12]。由表4可知,中阳洪水沟坝地土壤有效态铜、锰、铁、锌变幅宽,离散度大,变异系数在22.48%～71.38%之间。这与土壤来源多样,土壤理化性状各异和长期不同农业利用方式有关[13]。土壤有效铁平均含量为6.24 mg·kg-1,高于临界值,但有10.71%的样品有效铁低于临界值,89.29%属于中等水平;土壤有效铜平均含量为0.33 mg·kg-1,略高于临界值,有28.59%的样品有效铜低于临界值,有效铜属于中等水平,出现频率为71.42%,表明铜元素缺乏或潜在缺乏面积较大;土壤有效态锰平均含量高于临界值,为9.87 mg·kg-1,属于中等水平,表明洪水沟坝地有效态锰含量较丰富[14];土壤有效锌平均含量为0.71 mg·kg-1,而锌有近一半属于低水平,出现频率达42.86%,低于临界值的频率高达50.0%,由此可见锌元素缺乏面积很大,缺锌状况十分严重,作物缺锌会呈现不同的病症[15],因此,应在坝地增施锌肥。

表4 洪水沟坝地土壤有效态微量元素的含量统计特征值Table 4 The soil effective trace elements content characteristic value of statistics on Hongshuigou dam fields soil

4 结论与讨论

(1)有效性锰、铜、铁属于中等水平;有效锌属于低等水平。因此,应对坝地土壤施用锌肥,以达到农作物增产的目的,还应改变农作物种类,种植一些对锌不敏感的农作物[16],使土壤中锌得到补充。

(2)从剖面层次来看,土壤中有效态铜、铁、锰在不同土层中差异不大,有效锌差异较大,有效铜、有效锌属于中等变异性,有效铁、有效锰属于弱变异性。有效态铜、锌、铁、锰随土层深度增加均呈现出锯齿变化特征。

(3)坝地土壤在不同水平位置有效铜变异性最大,有效态锰、铁、锌属于中等变异性。坝前土壤中有效性铜、锌、铁、锰的含量最低,应在坝前多施微肥,以满足农作物对微量元素的需求。

(4)本研究仅对中阳县洪水沟的典型坝地土壤进行了研究,有一定的局限性,对于其他坝地的土壤微量元素分布特征还有待进一步研究。

[1]赵艺学.晋西沟坝地-梯田-坡耕地农业效应的比较[J].水土保持学报,2000,14(2):75-78.

[2]唐克丽,史德明.土壤侵蚀与水土保持词条[M].北京:科学出版社,1998:24-26.

[3]高季章,曹文洪,王浩.加快黄土高原淤地坝建设[J].中国水利,2003(11):28-30.

[4]刘正杰.黄土高原淤地坝建设现状及其发展对策[J].中国水土保持SWCC,2003(4):1-3.

[5]王进才.交口县淤地坝发展潜力调查研究[J].山西水土保持科技,2003(2):36-38.

[6]聂兴山.黄土高原淤地坝工程运行现状与发展对策[J].山西水土保持科技,2003(3):25-27.

[7]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2003:123-125.

[8]刘铮.微量元素的农业化学[M].北京:农业出版社,1991:156-160.

[9]竺伟民.安徽省土壤有效性微量元素分布研究——Ⅰ六种微量元素含量、分布及其相关聚类分析[J].安徽农学院学报,1990,17(4):233-249.

[10]王德宣,富德义.吉林省西部地区土壤微量元素有效性评价[J].土壤,2002,13(2):86-93.

[11]徐冰,陈亚新,郭克贞,等.半干旱草地土壤粒径分形维数及空间变异特征[J].水利学报,2007(S1):691-695.

[12]周俊,朱江,查世新,等.安徽省土壤微量元素状况与地质背景的关系[J].南京农业大学学报,2001,24(1):59-64.

[13]王云,魏复盛.土壤环境元素化学[M].北京:中国环境科学出版社,1995:67-69.

[14]刘铮,朱其清,唐丽华,等.我国缺乏微量元素的土壤及其区域分布[J].土壤学报,1982,19(3):209-223.

[15]刘铮,朱其清.土壤中的锌和锌肥的应用[M].中国科学院微量元素学术交流会汇刊.北京:科学出版社,1980:121-126.

[16]农业部农业局.微量元素肥料研究与应用[M].武汉:湖北科技出版社,1986:72-75.