寧夏固原地區(qū)土壤地球化學特征和養(yǎng)分狀況評價

左健揚，方 璐，趙柳青，穆小虎

1.寧夏回族自治區(qū)國土整治修復中心，寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區(qū)國土資源調查監(jiān)測院，寧夏 銀川 750002；3.寧夏回族自治區(qū)自然資產(chǎn)核算中心，寧夏 銀川 75002

0 引言

土地質量地球化學調查是以土壤地球化學為主要手段，通過調查土壤中的養(yǎng)分元素、生命健康元素、重金屬污染元素等化學元素指標，輔以農(nóng)作物、灌溉水、大氣降塵等因素調查評價，從而全面了解土地質量現(xiàn)狀，是一項服務于國土資源管理、土壤污染防治、脫貧攻堅的基礎調查工作［1-4］.土壤地球化學特征是土地質量調查研究工作的基礎，通過土壤有關地球化學指標的特征分析，從而了解和研究土壤元素指標的區(qū)域分布和分配規(guī)律［5-7］.同時，土壤養(yǎng)分是土壤肥力的的重要指標，土壤養(yǎng)分的豐缺程度及其供應能力直接影響到作物的生長發(fā)育及其產(chǎn)量.因此，了解土壤養(yǎng)分元素的地球化學特征，客觀分析土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律，正確定位土壤的肥力水平，對于提出合理的施肥建議，充分發(fā)揮土壤的潛力十分重要［8-9］.本文利用寧夏固原地區(qū)1∶25萬土地質量地球化學調查數(shù)據(jù)資料，通過迭代剔除方法分析區(qū)域表層土壤地球化學背景值和特征參數(shù)，研究區(qū)域表層土壤地球化學特征，并依據(jù)元素背景值，對N、P、K、Se、I、F、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn共19種養(yǎng)分元素指標豐缺狀況進行分析評價.

1 區(qū)域概況

研究區(qū)固原市位于寧夏回族自治區(qū)南部，下轄一區(qū)四縣，全境屬于國家重點扶持的六盤山集中連片特困地區(qū)，地處中國黃土高原的西北邊緣，屬典型的大陸性氣候.區(qū)域內以六盤山為南北脊柱，將固原市分為東西兩壁，呈南高北低之勢，海拔大部分在1 500～2 200 m之間，具有溝壑縱橫、梁峁交錯的地理特征.研究區(qū)地層分區(qū)屬華北-柴達木地層大區(qū)，橫跨祁連地層區(qū)之靖遠-西吉地層小區(qū)、阿拉善地層區(qū)之景泰-中寧地層小區(qū)、華北地層區(qū)之鄂爾多斯西緣地層分區(qū)桌子山-青龍山地層小區(qū)以及鄂爾多斯地層分區(qū)鹽池-環(huán)縣地層小區(qū).區(qū)域內出露地層有中元古界、白堊系、古近系、新近系和第四系［10］.依據(jù)地貌類型，研究區(qū)主要為平原、黃土丘陵和山地3種類型，土壤類型以黃綿土為主，其次為灰褐土和黑壚土，新積土、紅黏土、粗骨土、潮土、草甸土零星分布.

本研究利用寧夏固原地區(qū)1∶25萬土地質量地球化學調查成果，調查總面積10 552 km2.按照1點/km2密度進行野外采樣作業(yè)，4個點進行組合作為采樣大格（4km2）送檢，最終得到表層土壤（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項元素指標的測試分析結果［11］.

2 土壤地球化學特征參數(shù)

2.1 背景值計算方法

土壤背景值反映在一定范圍內表層土壤地球化學特征，也代表了成土過程發(fā)展到一定歷史進程，土壤與其環(huán)境要素之間物質、能量交換達到動態(tài)平衡時的元素含量［12-13］.鑒于人類活動十分普遍，嚴格意義上的土壤自然背景已很難確定.所以這里指的背景值只是一個相對的概念，即土壤在一定自然歷史時期，受外部環(huán)境影響下，一定地域內元素的豐度［14-15］.本研究以0～20 cm表層土壤樣品作為土壤地球化學背景值統(tǒng)計的樣品.

在計算土壤背景值前，首先將研究區(qū)53項土壤元素指標進行數(shù)據(jù)處理，分別計算算術平均值（X）、幾何平均值（Xg）、算術標準離差（S）、幾何標準離差（Sg）、中位數(shù)（Xme）等統(tǒng)計特征參數(shù)［16-17］.再對數(shù)據(jù)進行迭代剔除，剔除離群數(shù)據(jù)，最終求取土壤元素指標背景值，主要分為以下3種情況.

（1）按照X±3S（算術平均值加減3倍算術標準離差）進行數(shù)據(jù)迭代剔除，剔除完成后計算其算術平均值（X′），對剔除后的數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，當統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時，用算術平均值（X′）代表背景值.

（2）若按步驟（1）進行迭代剔除后不服從正態(tài)分布，則按照XgSg±3（幾何平均值乘以幾何標準離差的正負3次方）重新進行數(shù)據(jù)迭代剔除，剔除完成后計算其幾何平均值（X′g），對剔除后的數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，當統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布時，用幾何平均值（X′g）代表背景值.

（3）當用步驟（1）和（2）迭代剔除后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)呈偏態(tài)分布時，用算術平均值（X′）或中位數(shù)（X′me）代表背景值.本文用算術平均值（X′）代表背景值.

2.2 地球化學特征參數(shù)

利用上述方法，對固原地區(qū)2 638個土壤樣品的53個元素指標迭代剔除，并經(jīng)正態(tài)分布檢驗，計算并得到剔除離群值后的區(qū)域土壤地球化學特征參數(shù)，主要有平均值、最大值、最小值、中位數(shù)、眾數(shù)、標準離差、變異系數(shù)等.研究區(qū)土壤元素指標地球化學特征參數(shù)和背景值見表1.各元素通過迭代剔除，Sc、Th滿足正態(tài)分布，Ag、Ce、Ge、Sn滿足對數(shù)正態(tài)分布，其余元素指標為偏態(tài)分布.在此基礎上，得到固原地區(qū)土壤地球化學背景值.

表1 固原地區(qū)土壤元素指標地球化學特征參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Geochemical characteristic parameters of soil element indexes in Guyuan area

表1（續(xù)） Table 1（Contiuned）

3 土壤養(yǎng)分狀況評價

3.1 評價指標

以植物必需營養(yǎng)元素N、P、K、Se、I、F、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn共19種元素為評價指標，來評價研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量的豐缺分布狀況.土壤養(yǎng)分等級劃分標準參照土地質量地球化學評價規(guī)范［18］，N、P、K、Corg劃分依據(jù)參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分等級劃分標準（六等），將第五等標準和第六等標準進行合并，五等及五等以上的養(yǎng)分劃分標準不變；CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn分級標準在參照全國淋溶層（A層）土壤元素含量基礎上，依據(jù)多目標區(qū)域地球化學調查獲得的表層土壤分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計給出；Se、I、F分級標準是在多目標區(qū)域地球化學調查獲得的表層土壤分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎上，參照國內外相應研究成果給出.具體養(yǎng)分等級劃分見表2和表3.

表2 土壤養(yǎng)分等級劃分標準Table 2 Grading standards of soil nutrients

表3 土壤硒、碘、氟等級劃分標準Table 3 Grading standards of Se，I and F in soil

本研究中土壤有機質含量利用土壤有機碳比例（即換算因數(shù)）乘以有機碳含量而求得（引用Van Bemmele因數(shù)［19］）：有機質=有機碳×1.724.

3.2 養(yǎng)分豐缺評價

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的的重要指標，土壤養(yǎng)分的豐缺程度及其供應能力直接影響到作物的生長發(fā)育及其產(chǎn)量.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，調節(jié)土壤養(yǎng)分狀況以滿足作物在不同生長發(fā)育階段對養(yǎng)分的需要是獲取農(nóng)作物優(yōu)質豐產(chǎn)的重要環(huán)節(jié).本文依據(jù)研究區(qū)土壤地球化學背景值計算結果，對養(yǎng)分元素的豐缺狀況以及植物需求含量進行分析評價，劃分為以下3種類型.

（1）養(yǎng)分缺乏.土壤中一種或多種養(yǎng)分元素有效性較低或匱乏，使植物因養(yǎng)分不足而引起生理變化，致使形態(tài)上出現(xiàn)某些缺素癥狀，或生長受到抑制，產(chǎn)量受到顯著影響.土壤養(yǎng)分貧瘠也因不同植物對養(yǎng)分需求特性的差異而具有一定的相對性.土壤養(yǎng)分能滿足植物生長短期需要，而長期會導致植物養(yǎng)分供應不足的情況，也屬潛在缺乏.研究區(qū)土壤養(yǎng)分缺乏的元素主要為N、Ge、Se、有機質.其中N缺乏地區(qū)（＜1×10-3）面積7 944 km2，占調查面積的75.28%；Ge缺乏地區(qū)（＜1.3×10-6）面積8 868 km2，占調查面積的84.04%；Se缺乏地區(qū)（＜0.175×10-6）面積8 360 km2，占79.23%；有機質缺乏地區(qū)（＜20×10-3）面積9 180 km2，占調查面積87.00%.

（2）含量適中.土壤養(yǎng)分水平適合植物生長.主要有P、K、B、Co、Cu、Zn、TFe2O3、Mn、Mo、I、S、V、F，其元素指標的分布面積和占比見表4.其中，F(xiàn)含量過剩（＞700×10-6）面積1 056 km2，占調查面積的10.00%.研究區(qū)地方病主要為飲水型地方性氟中毒［20］，通過以往更換水源、改善飲水條件等措施，目前地方病已基本消除，但應持續(xù)做好區(qū)域水土監(jiān)測工作.

表4 土壤養(yǎng)分元素指標的分布面積及占比Table 4 Distribution area and proportion of soil nutrient element indexes

（3）養(yǎng)分豐富.土壤養(yǎng)分含量高時一般土壤肥力也高，能夠為植物生長發(fā)育提供充足的養(yǎng)分條件.但養(yǎng)分供給過量，也會造成植物體內養(yǎng)分或代謝物的過量累積，從而導致植物產(chǎn)量下降或農(nóng)產(chǎn)品品質下降.研究區(qū)內養(yǎng)分豐富元素主要為CaO、MgO（表5），其中CaO含量豐富（＞5.54%）面積9 704 km2，占91.96%；MgO含量豐富（＞2.15%）面積9 492 km2，占調查面積的89.95%.

表5 研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況統(tǒng)計表Table 5 Soil nutrient status in the study area

4 結論

依據(jù)固原地區(qū)2 638件表層土壤樣品的53項元素指標分析測試成果，通過迭代剔除離群數(shù)據(jù)分析運算，得到了土壤地球化學背景值和特征參數(shù)，剔除離群數(shù)據(jù)后，Sc、Th滿足正態(tài)分布，Ag、Ce、Ge、Sn滿足對數(shù)正態(tài)分布.對研究區(qū)19種土壤養(yǎng)分元素含量進行了豐缺評價，其中：養(yǎng)分缺乏元素指標為N、Ge、Se、有機質；含量適中、適合植物生長的為P、K、B、Co、Cu、Zn、T Fe2O3、Mg、Mn、Mo、I、S、V、F；養(yǎng)分豐富為CaO、MgO.研究區(qū)主要土壤類型為黃綿土，占調查面積的59.21%，成土母質主要為第四紀風成黃土，土壤侵蝕強烈，受自然條件和以往人類不合理耕作方式影響，養(yǎng)分較為貧瘠，因此在農(nóng)業(yè)開發(fā)利用過程中應科學耕作、合理施肥、保水保土.同時，調查發(fā)現(xiàn)F含量過剩（＞700×10-6）區(qū)域面積達1 056 km2，主要集中分布于基巖山區(qū)及沿麓，應持續(xù)做好農(nóng)用地水土監(jiān)測工作.

本研究僅依據(jù)土壤養(yǎng)分元素的豐缺指標來進行養(yǎng)分評價，而不同土壤、不同作物的土壤養(yǎng)分對各種養(yǎng)分元素的需求存在差異.本研究的元素指標均為全量測試，植物所能吸收的有效態(tài)含量需要進一步的測試分析.在農(nóng)業(yè)種植過程中，應根據(jù)農(nóng)作物種類及養(yǎng)分需求類型有針對性的選擇所需的肥料類型，以達到科學施肥、合理施肥的目的.同時，土壤的pH值和氧化還原狀況，也會影響到元素的有效性［21］，可通過耕作和合理灌溉調節(jié)土壤水、氣、熱狀況，來提高各種養(yǎng)分的有效性.