周聪

摘 要 以河北省秦皇岛市为研究区域，采用GIS和地统计学方法，对土壤有效铁、有效铜、有效锰和有效锌含量的空间规律和影响因素进行分析。数据采用秦皇岛市测土配方施肥数据，统计数据表明研究区土壤有效铁含量基本处于较丰富水平，有效锌、有效铜和有效锰含量基本处于适当水平。土壤中有效铁、有效锰、有效铜、有效锌的变异系数分别是52.8%、52.9%、101.8%、83.4%。土壤质地是影响有效态微量元素分布的主要原因，壤土对微量元素的富集起到了促进作用。

关键词 微量元素;空间分布特征;空间变异特性;河北省秦皇岛市

中图分类号：S625.5+4 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.32.107

微量元素在植物的正常生长中起着非常重要的作用[1-2]。

土壤微量元素是作物营养物质的重要组成部分，其丰缺状况直接影响作物的生长发育，同时一些微量元素如铜、锌等含量过高易造成重金属污染，破坏生态环境甚至危害人类健康[3-4]。

植物吸收的微量元素主要与土壤微量元素有效态有关[5]。影响土壤中微量元素有效态含量的因子很多，包括母质类型、微量元素全量、土壤pH、有机质含量、土壤质地、土壤通透性等，受土壤性质影响明显[6-7]。

国内对秦皇岛地区土壤肥力特征有了一些研究，但是缺少对微量元素特征的研究。土壤中微量元素的空间分布结构相似度较小，呈斑块状特点，准确认识其空间分布情况有助于指导肥料的科学施用[8-11]。基于此，通过地学统计和地理信息系统方法，以秦皇岛耕作土壤为研究对象，采用空间插值法对研究区的土壤微量元素有效态空间分布特征进行分析，绘制空间分布图，并主要分析土壤质地和土壤类型对空间分布特征的影响，为了解秦皇岛市微量元素分布规律和土壤养分概况提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

秦皇岛市位居于河北省东北部，地理坐标为东经118°33′～119°35′，北纬39°24′～40°37′，全市总面积7 812.4 km2;海拔由海滨的0.5 m向北呈阶梯状升高，最高峰为青龙县都山，高达1846.33 m，地貌形态主要为中山、低山、丘陵、台地等，坡度整体南部低缓、北部陡峻。

土壤类型依据第二次土壤普查共分为10个土类，其中棕壤、褐土、潮土占土地面积的80.74%以上。土地资源方面，区域差异明显：北部山区以园地、林地为主，间以零星的自然保留地、耕地和建设用地;中部山地丘陵区以林地为主，间以零星的自然保留地和建设用地;中部山前平原区以耕地为主，间以零星的建设用地;南部冲积平原区以耕地、水域为主，间以零星的园地、林地等;东南部滨海平原区以建设用地、滩涂沼泽、耕地为主[12]。

1.2 数据来源

耕地土壤中铁、锰、铜、锌的有效态含量数据主要来自2005—2011年开展的秦皇岛市测土配方施肥工作，GPS定位采样点共计26 000个。采样设计为：充分考虑第二次土壤普查信息，用土壤图与行政区划图以及土地利用现状图叠加产生的图斑作为调查的基本单元。每个单元代表面积46.2 hm2左右，采用“S”形取样法在田块中均匀随机采取15个采样点，采集0～20 cm土层土样，充分混合后采用4分法留取1 kg。土壤中的有效性铜、铁、锌、锰采用原子吸收分光光度法（DTPA提取）测定[13]。

1.3 数据处理

数据分析主要在Excel和IBM Statistics SPSS 22软件中进行，应用克里金插值法对数据进行空间分析，在ESRI ArcGIS 10.2软件中进行辅助制图。

2 结果与分析

2.1 耕作土壤微量元素含量状况

2.1.1 土壤有效铁含量

全市土壤中有效铁含量平均为28.16 mg·kg-1，变化幅度在5.49～163.64 mg·kg-1。基于土壤有效微量元素分级指标（表1），土壤中有效铁含量在4.5～10.0 mg·kg-1的区域有957 hm2，占总耕地的比例为0.5%;含量在10.0～20.0 mg·kg-1的区域有62 546.73 hm2，占总耕地的比例为32.8%;含量在20.0 mg·kg-1以上的区域有127 318.27 hm2，占总耕地的比例达到66.7%（表2）。说明研究区土壤有效铁含量处于较丰富水平。

2.1.2 土壤中有效锰含量

全市土壤有效锰含量平均为18.65 mg·kg-1，变化幅度在3.93～64.39 mg·kg-1。其中含量小于5.0 mg·kg-1的区域有18.13 hm2，占总耕地的比例小于0.1%;含量在5.0～15.0 mg·kg-1的区域有58 996.53 hm2，占总耕地的比例为30.9%;含量在15.0～30.0 mg·kg-1的区域有103 247.40 hm2，占总耕地的比例为54.1%;含量在

30.0 mg·kg-1以上的区域有28 559.94 hm2，占总耕地的比例为15.0%。说明研究区土壤有效锰含量处于适当水平。

2.1.3 土壤中有效铜含量

秦皇岛市耕层土壤中有效铜含量平均为1.56 mg·kg-1，变化幅度在0.14～33.84 mg·kg-1。其中含量小于0.2 mg·kg-1的極低区有0.47 hm2，占总耕地的比例小于0.1%;含量在0.2～1.0 mg·kg-1的区域有42301.88 hm2，占总耕地的比例为22.2%;含量在1.0～1.8 mg·kg-1的区域有88428.00 hm2，占总耕地的比例为46.3%;大于1.8 mg·kg-1的区域有60089.80 hm2，占总耕地的比例为31.5%。说明研究区土壤有效铜含量处于适量水平。

2.1.4 土壤中有效锌含量

全市土壤中有效锌含量平均为1.38 mg·kg-1，变化幅度在0.1～13.8 mg·kg-1。其中含量小于0.5 mg·kg-1的区域有8376.52 hm2，占总耕地的比例为4.3%;含量在0.5～1.0 mg·kg-1的区域有77 226.40 hm2，占总耕地的比例为40.4%;含量在1.0～3.0 mg·kg-1的区域有89 221.93 hm2，占总耕地的比例为46.8%;含量在3.0 mg·kg-1以上的区域有15 997.15 hm2，占总耕地的比例为8.4%。说明秦皇岛市土壤有效锌含量整体处于适当水平。

2.2 耕作土壤中微量元素空间变异特征

由表3可知，土壤中有效铁、有效锰、有效铜、有效锌的变异系数分别是52.8%、52.9%、101.8%、83.4%。一般认为，变异系数能反应随机变量的离散程度，变异系数10%为弱变异，变异系数10%～100%为中等变异，变异系数>100%为强变异[14]。按照变异系数的分级，有效铁、有效锌和有效锰属于中等变异，有效铜属于强变异，其变异系数达到了101.8%，变异程度高，结合原始数据显示高值比较居中。变异强度大小顺序为有效铜>有效锌>有效锰>有效铁。

为了直观反映微量元素的空间分布特征，应用ArcGIS的克里金空间插值法进行分析，绘制空间分布图，结果显示，有效铁含量在空间上整体呈环带分布，且含量>10 mg·kg-1的面积占了大部分，局部有小斑块;有效锰的高值主要分布在研究区域的西部，低值

5～15 mg·kg-1的面积集中在研究区域中部;有效铜的高值主要集中在研究区域的南部和东部，最低值集中在北部;有效锌的高值集中在研究区域东南部，低值

0.3～0.5 mg·kg-1的面积在西北部分布集中。微量元素空间分布特征无明显规律，产生这种现象的原因主要与研究区的成土母质有关。秦皇岛市的成土母质主要为风化残积物、洪积物、冲积物、海相沉积物和风积物，是影响微量元素含量和空间分布的首要因素[15]。

2.3 土壤微量元素含量分布特征影响因素

2.3.1 土壤质地与微量元素含量特征关系

利用土壤质地图对土壤微量元素有效态含量栅格数据进行统计分析（表4），一般情况下微量元素含量高低遵循黏土>壤土>砂土[5]，但由于施肥等会严重影响微量元素的空间分布，导致微量元素随质地变化无明显趋势[16]。轻壤质和砂壤质土的有效铁含量相对较高，轻壤质土的有效锌和有效锰含量较高。因此，土壤质地是影响有效态微量元素分布的重要因素，壤土对微量元素的富集起到了促进作用。

2.3.2 土类与微量元素含量特征关系

表5为不同类型土壤的微量元素含量特征。成土母质是影响微量元素含量高低的主要因素，其中棕壤中有效铁的平均含量最高，褐土中有效锰的平均含量最高，沼泽土中有效铜平均含量最高。有效铁在棕壤中含量高、有效锰在褐土中含量高，说明土壤类型对有效铁、有效锰有显著影响。有效铜和有效锌的含量在各土壤类型分布不显著，说明土壤类型对有效铜和有效锌的影响较小。

3 结论

本文利用GIS和地统计学方法对秦皇岛地区耕作土壤微量元素含量特征进行分析，主要结论如下。

1）统计数据表明，全市有效铁含量平均为

28.16 mg·kg-1，变化幅度在5.49～163.64 mg·kg-1，研究区土壤有效铁含量基本处于较丰富水平，有效锌、有效铜和有效锰含量处于适当水平。

2）土壤中有效铁、有效锰、有效铜、有效锌的变异系数分别是52.8%、52.9%、101.8%、83.4%。克里金空间插值法分析显示，有效铁含量在空间上整体呈环带分布，有效锰的高值主要分布在研究区域的西部，有效铜的高值主要集中在研究区域的南部和东部，有效锌的高值集中在区域东南部。微量元素空间分布特征无明显规律，产生这种现象的原因主要与研究区的成土母质有关，秦皇岛的成土母质主要为风化残积物、洪积物、冲积物、海相沉积物和风积物。

3）土壤质地是影响土壤有效态微量元素分布的主要原因，壤土对微量元素的富集起到了促进作用。土壤类型对有效铁、有效锰有显著影响，对有效铜和有效锌的影响较小。

参考文献：

[1] 魏孝荣，郝明德，张春霞.长期施用微量元素肥料对土壤微量元素含量的影响[J].干旱地区农业研究，2002，20（3）：22-25.

[2] 张超，刘国彬，薛萐，等.黄土丘陵区不同植被根际土壤微量元素含量特征[J].应用生态学报，2012，23（3）：645-650.

[3] 王波，毛任钊，曹健，等.海河低平原区农田重金属含量的空间变异性：以河北省肥乡县为例[J].生态学报，2006（12）：4082-4090.

[4] 张晓霞，李占斌，李鹏.黄土高原草地土壤微量元素分布特征研究[J].水土保持学报，2010，24（5）：45-48，67.

[5] 朱静，黄标，孙维侠，等.农田土壤有效态微量元素的时空变化及其影响因素研究[J].南京大学学报（自然科学版），2007（1）：1-12.

[6] 俞元春，曾曙才，罗汝英.江南丘陵林区森林土壤微量元素的含量与分布[J].安徽农业大学学报，1998（2）：3-5.

[7] 莫润苍，邹邦基.土壤锌铁铜锰形态分布及其有效性[J].热带亚热带土壤科学，1997（3）：171-175.

[8] 刘永红，倪中应，谢国雄，等.浙西北丘陵区农田土壤微量元素空间变异特征及影响因子[J].植物营养与肥料学报，2016，22（6）：1710-1718.

[9] 崔爱华，张东启，郭卢，等.亳州烟区农田耕作层土壤微量元素含量研究[J].土壤，2014，46（6）：1164-1168.

[10] 范文杰，张洪江，程金花，等.河北省吴桥县土壤微量元素空间分布特征[J].中国水土保持科学，2015，13（1）：91-95.

[11] 孟霖，宋文静，王程栋，等.贵州中部山区植烟土壤微量元素分布特征[J].中国烟草科学，2015，36（3）：57-62.

[12] 陈利国，刘建玲.河北省秦皇岛市耕地地力评价与利用[M].北京：知识产权出版社，2015：2-4.

[13] 全国农业技术推广服务中心.土壤分析技术规范[M].北京：中国农业出版社，2006：10-12.

[14] 魏小慧，佀國涵，张友臣，等.十堰植烟土壤有效态微量元素分布特征及评价[J].安徽农业科学，2017，45（8）：128-131，134.

[15] 陶澍，曹军，李本纲，等.深圳市土壤微量元素含量成因分析[J].土壤学报，2001（2）：248-255.

[16] 武婕，李玉环，李增兵，等.南四湖区农田土壤有机质和微量元素空间分布特征及影响因素[J].生态学报，2014，34（6）：1596-1605.

（责任编辑：刘 昀）