宁夏固原地区土壤地球化学特征和养分状况评价

左健扬，方 璐，赵柳青，穆小虎

1.宁夏回族自治区国土整治修复中心，宁夏 银川 750002；2.宁夏回族自治区国土资源调查监测院，宁夏 银川 750002；3.宁夏回族自治区自然资产核算中心，宁夏 银川 75002

0 引言

土地质量地球化学调查是以土壤地球化学为主要手段，通过调查土壤中的养分元素、生命健康元素、重金属污染元素等化学元素指标，辅以农作物、灌溉水、大气降尘等因素调查评价，从而全面了解土地质量现状，是一项服务于国土资源管理、土壤污染防治、脱贫攻坚的基础调查工作［1-4］.土壤地球化学特征是土地质量调查研究工作的基础，通过土壤有关地球化学指标的特征分析，从而了解和研究土壤元素指标的区域分布和分配规律［5-7］.同时，土壤养分是土壤肥力的的重要指标，土壤养分的丰缺程度及其供应能力直接影响到作物的生长发育及其产量.因此，了解土壤养分元素的地球化学特征，客观分析土壤养分的空间分布规律，正确定位土壤的肥力水平，对于提出合理的施肥建议，充分发挥土壤的潜力十分重要［8-9］.本文利用宁夏固原地区1∶25万土地质量地球化学调查数据资料，通过迭代剔除方法分析区域表层土壤地球化学背景值和特征参数，研究区域表层土壤地球化学特征，并依据元素背景值，对N、P、K、Se、I、F、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn共19种养分元素指标丰缺状况进行分析评价.

1 区域概况

研究区固原市位于宁夏回族自治区南部，下辖一区四县，全境属于国家重点扶持的六盘山集中连片特困地区，地处中国黄土高原的西北边缘，属典型的大陆性气候.区域内以六盘山为南北脊柱，将固原市分为东西两壁，呈南高北低之势，海拔大部分在1 500～2 200 m之间，具有沟壑纵横、梁峁交错的地理特征.研究区地层分区属华北-柴达木地层大区，横跨祁连地层区之靖远-西吉地层小区、阿拉善地层区之景泰-中宁地层小区、华北地层区之鄂尔多斯西缘地层分区桌子山-青龙山地层小区以及鄂尔多斯地层分区盐池-环县地层小区.区域内出露地层有中元古界、白垩系、古近系、新近系和第四系［10］.依据地貌类型，研究区主要为平原、黄土丘陵和山地3种类型，土壤类型以黄绵土为主，其次为灰褐土和黑垆土，新积土、红黏土、粗骨土、潮土、草甸土零星分布.

本研究利用宁夏固原地区1∶25万土地质量地球化学调查成果，调查总面积10 552 km2.按照1点/km2密度进行野外采样作业，4个点进行组合作为采样大格（4km2）送检，最终得到表层土壤（0～20 cm）Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TC、Corg共53项元素指标的测试分析结果［11］.

2 土壤地球化学特征参数

2.1 背景值计算方法

土壤背景值反映在一定范围内表层土壤地球化学特征，也代表了成土过程发展到一定历史进程，土壤与其环境要素之间物质、能量交换达到动态平衡时的元素含量［12-13］.鉴于人类活动十分普遍，严格意义上的土壤自然背景已很难确定.所以这里指的背景值只是一个相对的概念，即土壤在一定自然历史时期，受外部环境影响下，一定地域内元素的丰度［14-15］.本研究以0～20 cm表层土壤样品作为土壤地球化学背景值统计的样品.

在计算土壤背景值前，首先将研究区53项土壤元素指标进行数据处理，分别计算算术平均值（X）、几何平均值（Xg）、算术标准离差（S）、几何标准离差（Sg）、中位数（Xme）等统计特征参数［16-17］.再对数据进行迭代剔除，剔除离群数据，最终求取土壤元素指标背景值，主要分为以下3种情况.

（1）按照X±3S（算术平均值加减3倍算术标准离差）进行数据迭代剔除，剔除完成后计算其算术平均值（X′），对剔除后的数据进行正态分布检验，当统计数据服从正态分布时，用算术平均值（X′）代表背景值.

（2）若按步骤（1）进行迭代剔除后不服从正态分布，则按照XgSg±3（几何平均值乘以几何标准离差的正负3次方）重新进行数据迭代剔除，剔除完成后计算其几何平均值（X′g），对剔除后的数据进行正态分布检验，当统计数据服从对数正态分布时，用几何平均值（X′g）代表背景值.

（3）当用步骤（1）和（2）迭代剔除后，统计数据呈偏态分布时，用算术平均值（X′）或中位数（X′me）代表背景值.本文用算术平均值（X′）代表背景值.

2.2 地球化学特征参数

利用上述方法，对固原地区2 638个土壤样品的53个元素指标迭代剔除，并经正态分布检验，计算并得到剔除离群值后的区域土壤地球化学特征参数，主要有平均值、最大值、最小值、中位数、众数、标准离差、变异系数等.研究区土壤元素指标地球化学特征参数和背景值见表1.各元素通过迭代剔除，Sc、Th满足正态分布，Ag、Ce、Ge、Sn满足对数正态分布，其余元素指标为偏态分布.在此基础上，得到固原地区土壤地球化学背景值.

表1 固原地区土壤元素指标地球化学特征参数统计表Table 1 Geochemical characteristic parameters of soil element indexes in Guyuan area

表1（续） Table 1（Contiuned）

3 土壤养分状况评价

3.1 评价指标

以植物必需营养元素N、P、K、Se、I、F、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn共19种元素为评价指标，来评价研究区土壤养分含量的丰缺分布状况.土壤养分等级划分标准参照土地质量地球化学评价规范［18］，N、P、K、Corg划分依据参照全国第二次土壤普查养分等级划分标准（六等），将第五等标准和第六等标准进行合并，五等及五等以上的养分划分标准不变；CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn分级标准在参照全国淋溶层（A层）土壤元素含量基础上，依据多目标区域地球化学调查获得的表层土壤分析数据统计给出；Se、I、F分级标准是在多目标区域地球化学调查获得的表层土壤分析数据统计基础上，参照国内外相应研究成果给出.具体养分等级划分见表2和表3.

表2 土壤养分等级划分标准Table 2 Grading standards of soil nutrients

表3 土壤硒、碘、氟等级划分标准Table 3 Grading standards of Se，I and F in soil

本研究中土壤有机质含量利用土壤有机碳比例（即换算因数）乘以有机碳含量而求得（引用Van Bemmele因数［19］）：有机质=有机碳×1.724.

3.2 养分丰缺评价

土壤养分是土壤肥力的的重要指标，土壤养分的丰缺程度及其供应能力直接影响到作物的生长发育及其产量.在农业生产中，调节土壤养分状况以满足作物在不同生长发育阶段对养分的需要是获取农作物优质丰产的重要环节.本文依据研究区土壤地球化学背景值计算结果，对养分元素的丰缺状况以及植物需求含量进行分析评价，划分为以下3种类型.

（1）养分缺乏.土壤中一种或多种养分元素有效性较低或匮乏，使植物因养分不足而引起生理变化，致使形态上出现某些缺素症状，或生长受到抑制，产量受到显著影响.土壤养分贫瘠也因不同植物对养分需求特性的差异而具有一定的相对性.土壤养分能满足植物生长短期需要，而长期会导致植物养分供应不足的情况，也属潜在缺乏.研究区土壤养分缺乏的元素主要为N、Ge、Se、有机质.其中N缺乏地区（＜1×10-3）面积7 944 km2，占调查面积的75.28%；Ge缺乏地区（＜1.3×10-6）面积8 868 km2，占调查面积的84.04%；Se缺乏地区（＜0.175×10-6）面积8 360 km2，占79.23%；有机质缺乏地区（＜20×10-3）面积9 180 km2，占调查面积87.00%.

（2）含量适中.土壤养分水平适合植物生长.主要有P、K、B、Co、Cu、Zn、TFe2O3、Mn、Mo、I、S、V、F，其元素指标的分布面积和占比见表4.其中，F含量过剩（＞700×10-6）面积1 056 km2，占调查面积的10.00%.研究区地方病主要为饮水型地方性氟中毒［20］，通过以往更换水源、改善饮水条件等措施，目前地方病已基本消除，但应持续做好区域水土监测工作.

表4 土壤养分元素指标的分布面积及占比Table 4 Distribution area and proportion of soil nutrient element indexes

（3）养分丰富.土壤养分含量高时一般土壤肥力也高，能够为植物生长发育提供充足的养分条件.但养分供给过量，也会造成植物体内养分或代谢物的过量累积，从而导致植物产量下降或农产品品质下降.研究区内养分丰富元素主要为CaO、MgO（表5），其中CaO含量丰富（＞5.54%）面积9 704 km2，占91.96%；MgO含量丰富（＞2.15%）面积9 492 km2，占调查面积的89.95%.

表5 研究区土壤养分状况统计表Table 5 Soil nutrient status in the study area

4 结论

依据固原地区2 638件表层土壤样品的53项元素指标分析测试成果，通过迭代剔除离群数据分析运算，得到了土壤地球化学背景值和特征参数，剔除离群数据后，Sc、Th满足正态分布，Ag、Ce、Ge、Sn满足对数正态分布.对研究区19种土壤养分元素含量进行了丰缺评价，其中：养分缺乏元素指标为N、Ge、Se、有机质；含量适中、适合植物生长的为P、K、B、Co、Cu、Zn、T Fe2O3、Mg、Mn、Mo、I、S、V、F；养分丰富为CaO、MgO.研究区主要土壤类型为黄绵土，占调查面积的59.21%，成土母质主要为第四纪风成黄土，土壤侵蚀强烈，受自然条件和以往人类不合理耕作方式影响，养分较为贫瘠，因此在农业开发利用过程中应科学耕作、合理施肥、保水保土.同时，调查发现F含量过剩（＞700×10-6）区域面积达1 056 km2，主要集中分布于基岩山区及沿麓，应持续做好农用地水土监测工作.

本研究仅依据土壤养分元素的丰缺指标来进行养分评价，而不同土壤、不同作物的土壤养分对各种养分元素的需求存在差异.本研究的元素指标均为全量测试，植物所能吸收的有效态含量需要进一步的测试分析.在农业种植过程中，应根据农作物种类及养分需求类型有针对性的选择所需的肥料类型，以达到科学施肥、合理施肥的目的.同时，土壤的pH值和氧化还原状况，也会影响到元素的有效性［21］，可通过耕作和合理灌溉调节土壤水、气、热状况，来提高各种养分的有效性.