青海省黄土丘陵区土壤微量元素空间变异特征及有效性

赵串串，宋枘泽，孟汉龙，赵巧玉，安若兰，董 旭

（1.陕西科技大学 资源环境学院，陕西 西安710021；2.青海省林业调查规划院，青海 西宁810008）

土壤微量元素的空间分布特征受成土母质和外源输入长期作用的结果［1］，是土壤空间异质性具体表现［2］。土壤中微量元素是土壤的重要组成成分，是表征土壤质量的重要因子之一，任何一种微量元素缺乏或过量都会影响作物的生长，并且间接影响到人与动物的健康等［3］。自20世纪90年代以来，许多学者对土壤微量元素的空间变异规律做了较多研究。冉勇等［4］应用选择性化学浸提法对黄土区土壤中锌的化学形态空间分布进行了分析研究；徐尚平等［5］利用克里金法对内蒙古土壤微量元素含量的空间结构特征进行了分析；于君宝等［6］系统地研究了三江平原河床泥炭地微量元素和有益元素的垂直分布特征。

诸如此类的研究中较多的研究地区选择平原地区，并且较少的考虑土壤类型、林型、土壤养分、理化性质等综合因素对土壤微量元素空间分布的影响，而黄土高原地区水土流失严重，生态环境脆弱，关系到西部生态环境建设的成效［7－9］。近年研究认为微量元素在土壤中有着至关重要的作用，当土壤中缺乏某种微量元素时，会导致植被出现缺素症状，通常表现为叶色变异，组织坏死及生长点萎缩或死亡。因此，研究该地区的土壤微量元素空间变异特征及其影响因素，能够更好地满足区域植被的生长，对于揭示该地区乃至整个黄土高原地区的土壤质量状况以及区域生态环境保护都具有重要的理论和现实意义。本研究选取黄土丘陵沟壑区研究区，利用地统计学的方法来研究土壤微量元素的空间变异特征，通过土壤类型、土壤养分、pH值、有机质及林型对该地区土壤微量元素空间分布的影响，从而为该地区植被恢复与重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青海省黄土丘陵区位于青海省东部黄土高原和青藏高原的过渡地带，属典型的干旱半干旱大陆性气候，高寒、干旱，日照时间长，太阳辐射强，雨热同季，日温差大，年温差大，气候地理分布差异大，垂直变化明显是其主要气候特征。于2012年9—12月在监测区域内位于青海省黄土丘陵沟壑区进行采点取样，林地面积1.81×106hm2（林地面积参考2009年森林资源更新调查数据）占土地总面积的50.70%，其中灌木林地面积1.01×106hm2，占55.54%。北部以大通河为界，南部以西倾山为界，西到日月山，东为省界，土地总面积3.45×106hm2。包括3州1市1地（区），共计14个县市，年均气温2.8～7.9℃，降水量360～540mm（大部分集中在6—9月），蒸发量1 100～1 800mm，无霜期68～184d，风速1.2～2.8m／s。监测区土壤随地形、海拔、气候、成土母质的综合影响而有比较明显的差异，呈明显的垂直地带性分布，由低到高依次为灰钙土、栗钙土、黑钙土、灰褐土、山地草甸土、高山草甸土、高山寒漠土7个地带性土壤类型。非地带土壤有沼泽土、灌淤土、风沙土、潮土和新积土5个土类。林型包括灌木林、乔木针叶林、乔木阔叶林以及针阔混交林。

1.2 样地布设与样品采集

根据不同土壤类型设置72个样地，共采集272个土壤样品，土壤样品类别分别为：A层0—10cm，B层10—30cm，C层30—100cm 及混合层0—100 cm，样点位置根据土壤类型采用GPS定位分布。野外采集的土壤样品在室内风干后，再按分析要求研磨成不同粒度。

1.3 分析方法

有效态硼元素含量是用热水按1∶5的土液比提取，再用姜黄素比色法测定提取液中硼元素含量。土壤中有效态铜、铁、锰、锌是用0.005MDTPA浸提—原子吸收法光谱测定法测定其含量［10］。用SPSS 19.0软件进行相关性分析。

2 各层土壤微量元素有效态含量分布

在土壤科学研究中，可根据土壤性质的变异系数对其变异程度进行分类：变异系数在0～15%之间的为小变异，16%～35%之间的为中等变异，＞36%的为高度变异［11］。对试验结果进行统计分析，结果详见表1。

表1 土壤微量元素有效态含量剖面分布特征

从表1可以看出，有效态铜在0—100cm土层之间的变异系数为40.39%～46.27%属于高度变异土壤性质，有效态铁在0—100cm土层之间的变异系数为62.53%～67.97%属于高度变异土壤性质，有效态锰在0—100cm土层之间的变异系数为25.14%～31.52%和35.22%～35.84%分别为中等变异和高度变异，有效态锌在0—100cm土层之间的变异系数为46.30%～57.26%属于高度变异，有效态硼在0—100cm土层之间的变异系数为43.22%～67.74%也属于高度变异。从数据来看，今后在该区域的工作中只需要研究表层土壤即可；5种微量元素有效态的变异系数均较大。其主因可能与调查样地的复杂地貌有关，由于研究区有山地、丘陵、峡谷、盆地等类型，土壤的成土母质和微气候均存在较大差异，因而其变异系数较大。

元素在土壤剖面中的分布受到多种因素影响而表现出不同分布类型，一般有表层富集型、某一层位富集型、底层富集型、均匀富集型及不规则分布型［12］。所测区域除了B层有效硼含量较低外，其他各层各微量元素有效态含量基本属平均分布，因此研究区域属于均匀富集型。

2.1 不同土壤类型下混层土有效态微素含量分布

在所测土系中，各微量元素有效态含量总体趋势结果详见表2。草甸土铁多锌少，黑褐土铜锰铁锌均多，沙壤土铁多硼多，棕钙土含量均少，灌淤土的各种微量元素含量均达最低水平，表明灌淤土其本身土质状况较差，灰棕漠土铜锰少，高山漠土铜锰均缺。此五种微量元素的变异系数较在35.8%—67.7%，均属于高度变异，表明土壤理化性状及不同农业利用方式对有效态含量的影响明显来源于母质的影响；土壤微量元素有效态又易受到外在因子影响，因而其变异系数较大。

2.2 不同林型下混层土有效态微素量分布

在不同林型下，各微量元素有效态平均含量总体趋势详见表3。由表3可知，所测林型中有效铁、有效硼含量均高其均值分别为23.948和1.468mg／kg，各林型中有效铜含量适中，其均值为0.560mg／kg，灌木林中有效锰含量较低为3.625mg／kg，乔木阔叶林的有效锰和有效锌含量均缺乏分别为4.507和0.486mg／kg，可以发现针阔混交林的各微量元素含量都达到中高水平，从而使有效态锌和锰的含量提高；另外从变异系数情况来看除有效铁属于高度变异达41.1%外，其余4种有效态微量元素均处于中等变异从23.4%～23.2%，说明这几种微量元素有效态含量受耕作、施肥和种植等人为活动的影响较为显著。

表2 不同土壤类型下混合层土壤有效态微量元素含量分布 mg／kg

表3 有效态微量元素在不同林型下的含量水平

3 微量元素有效态含量与土壤理化性质的关系

土壤酸碱度是土壤重要的性质之一，是土壤形成过程和熟化培肥过程的一个指标。土壤有机质对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要的作用和意义，基于其他研究资料的关系，在这里仅对pH值、有机质这两种理化性质与土壤微量元素做相关分析。

3.1 与土壤pH值的关系

从表4可见，本研究中土壤有效态铁、锰、锌与土壤pH值之间存在负相关关系，其中土壤有效铁呈极显著负相关性（r＝－0.810＊＊），土壤有效锌呈极显著负相关性（r＝－0.259＊＊），土壤有效锰呈显著负相关性（r＝－0.145＊），土壤有效硼呈显著正相关性（r＝0.143＊），由此可见，pH 值越高的地区，土壤中有效铁、有效锰、有效锌的含量越低，相反有效硼含量会随pH值上升而升高。

表4 土壤pH与微量元素有效含量的相关性 mg／kg

3.2 土壤微量元素有效态含量与土壤有机质的关系

从表5可以看出，土壤有效铁与有机质之间存在着极显著正相关关系（r＝0.730＊＊），土壤有效锌与有机质之间存在着极显著正相关关系（r＝0.392＊＊）说明有机质对提高有效铁、有效锌的含量有显著促进作用。这主要是由于土壤有机质的酸性基团可以活化土壤铁、锌，从而形成可溶性铁、锌的络合物，增加其有效性。土壤有效铜与土壤有机质之间存在负相关性（r＝－0.044）但未达到显著水平，土壤有效锰、硼与土壤有机质之间存在正相关性（r值分别为0.077，0.008），未达到显著水平。

表5 土壤有机质与微量元素有效含量的相关性 mg／kg

4 土壤微量元素的等级评价

土壤中微量元素缺乏与否，通常看有效态含量的高低［13］。根据土壤微量养分供应能力，参考西北水保所、南京土壤所土壤微量元素分级标准，甘肃省土壤养分丰缺分级标准，结合青海省土壤养分含量，将所测区域土壤微量元素的有效态含量分为极缺（极低）、缺（低）、中等（中）、丰富（高）等4个等级（表2）。从表6可以看出，铁、铜、硼90%以上分布在中等和丰富级；锰、锌两元素分布在丰富级的出现频率分别为1.84%，21.69%，且两元素中级的出现频率分别达到10.66%，25.74%；这表明所测区域土壤硼和铁元素含量极其丰富，铜元素含量也比较丰富；锰有87.50%样品分布在低或极低的水平；而锌元素均等。

表6 土壤微量元素有效态分级［14－15］与各级出现频率

5 结论

（1）监测区林地土壤有效态微量元素铁、铜和硼的养分状况达到中等和丰富水平的比例在90%以上；锰元素和锌元素养分状况分布在低和极低水平，依次是87.50%和47.43%。通过对土壤剖面样品的对比分析，监测区土壤剖面微量元素养分状况呈现均匀富集型。不同土系，黑褐土、黑钙土的五种有效态微量元素含量均处于丰富级（高），灌淤土的各种微量元素含量均处于极低水平，其主要原因是灌淤土的成土母质为沙壤土，沙壤土中有机质分解快、积累下来的比较少，由此导致土壤保肥性差，各种养分都比较贫乏。因此可以人为提高灌淤土的常量养分状况，以提升土壤的微量元素状况。

（2）土壤有机质是土壤养分贫瘠的显著性指标之一，分析结果表明有机质与有效铁、有效锌呈极显著正相关，因此在今后的造林工作中可以通过调整土壤有机质含量，提升土地肥力，一定程度上提升土壤有效态微量元素的水平。

（3）监测区灌木林相比其他林型，有效铜、有效铁、有效锰含量均较低；混交林相比其他纯林型各微量元素含量均较高，而监测区灌木林地面积占到总林地面积的1／2，建议在以后的造林工作中，应适量种植混交乔木林，以优化区域灌木林群落结构，改善土壤的物理性质，以更好地满足区域植被的生长，从而更好地保护区域生态环境。

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