广东省揭阳市揭东区微量元素分布特征及其影响因素分析

(资料图片仅供参考)

李慧1,2,温汉辉3,蔡立梅1,2,4,徐耀辉4,罗杰4,梅敬娴4,徐述邦4

(1.长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北 武汉 430100;2.油气地球化学与环境湖北省重点实验,湖北 武汉 430100;3.广东省有色金属地质局940队,广东 清远 511500;4.长江大学 资源与环境学院,湖北 武汉 430100)

摘 要

以广东省揭阳市揭东区表层土壤B、Cu、Mn、Zn、Mo 5种元素为研究对象,在分析微量元素含量状况和分布特征的基础上,从成土母质、土地利用方式、pH值和有机质含量4个方面来分析其对土壤微量元素含量的影响。利用GIS空间分析法、SPSS数理统计法和相关分析法对揭东区土壤微量元素含量、空间分布特征和影响因素进行分析。结果显示:揭东区表层土壤B、Cu、Mn元素的平均含量分别为18.0 mg/kg、14.5 mg/kg、313 mg/kg,含量均处于缺乏水平;Zn元素的平均含量为77.3 mg/kg,总体处于较丰富水平;Mo元素的平均含量为1.31 mg/kg,含量丰富。相关分析表明B、Cu、Mn、Zn、Mo均受到成土母质和土地利用方式的影响,在粉砂岩成土母质区土壤中B和Mn含量最高,凝灰岩成土母质区土壤中Cu和Mo含量最高,Zn在第四纪沉积物中含量最高;比较各种利用方式的土壤,B、Cu在农用地中含量最高,Mn、Zn和Mo在建设用地中含量最高;土壤pH值与B、Cu、Mn、Zn含量呈极显著的正相关关系(P

关键词

揭东区;土壤;微量元素;分布特征;影响因素

0 引 言

微量元素是土壤的重要组成部分,其含量可以在一定程度上表征土壤质量的高低。多种微量元素是植物内酶和辅酶的重要组成部分,其在土壤中的含量高低很大程度上影响植物的生长发育。此外,土壤微量元素还会通过食物链影响人体健康。土壤微量元素空间分布的差异,会引起作物对微量元素的非均衡吸收,进而影响人体内微量元素含量的平衡[1-3]。土壤微量元素含量主要来源于成土母质,此外,还受到人为因素的影响,长期农药化肥的施用,工业废气、燃煤和燃油烟尘的排放等过程都会导致其含量发生改变[4-6]。土壤中微量元素全量是其贮量指标,虽然不能反映其有效态含量,但可通过调节土壤pH值、有机质含量等方法来促进其向有效态转化,提高其有效性[7]。本文基于广东揭阳市揭东区农业地质与生态地球化学调查结果,探究区域土壤中B、Cu、Mn、Zn、Mo的分布特征及其影响因素,为该地区土壤肥力的有效管控和土壤生态环境的保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

揭东区 ( 116°07"16″ ~ 116°37"39″E , 23°23"40″ ~ 23°46"27″N ) 位于广东省揭阳市东北部,区域总面积为700 km2,地处粤东四市中心地带。该区域年均气温21.5 ℃,年均降雨量为1 722.6 mm,属亚热带季风性海洋气候。揭东区农业资源丰富,有竹笋、芋头、炒茶等特色农产品,其中炒茶种植面积已达2 334.5 hm2,2021年炒茶、竹笋产业被纳入第一批市级农业产业链创建范围。区内地形地势条件复杂,由北至南依次分布山地、丘陵、盆地、平原,地势西高东低。全区成土母质主要包括第四纪沉积物、粉砂岩、花岗岩、凝灰岩4种类型,土地利用方式主要有农用地、建设用地、未利用地3种。

1.2 样品采集与处理

结合研究区的土地利用方式和地形地貌条件,按照1 km×1 km的网格单元共布设采样点212个。农业区样点布置在农田、菜地、林(果)地、草地及山地丘陵土层较厚的地带,采样避开施肥期和明显污染地带;城镇区选择在公园、林地以及其他空旷地带采集长期堆积的土壤。采样时去除表面杂物,采样深度为0~20 cm。在主采样点周围采集3~5个样点,等量混合后作为最终土壤样品。采用GPS对样点进行定位,定点误差小于10 m。样品经充分干燥后过20目尼龙筛,混匀后取500 g装瓶,送实验室进一步加工后测试相关指标。

称取样品4 g,采用X射线荧光光谱法,先将粉末进行压片处理,X射线荧光光谱仪直接测定Zn、Cu、Mn含量;称取0.2 g样品与0.2 g光谱缓冲剂研磨均匀,装双份样品,采用原子发射光谱法(ES),摄谱时间35 s,重叠摄谱,用A、B混合液洗相,使用9 W型自动测微光度计进行测光,测光时以Ge为内标,用乳剂特性曲线扣除背景,测定B含量;采用等离子体质谱法(ICP-MS),称取样品0.25 g到50 mL聚四氟乙烯坩锅中,用HCl、HNO3、HF、HClO4分解样品,赶尽HClO4,王水溶解残渣后放入25 mL的塑料比色管中定容,10%王水介质,分别放入1 mL至10 mL比色管中,3%HNO3定容,使用ICP-MS进行测定,浓度直读法测定Mo含量;采用硫酸、重铬酸钾氧化分解,硫酸亚铁铵滴定,测定有机碳,通过有机碳换算得到有机质含量。称取样品10 g,加入25 mL蒸馏水,搅拌1 min,静置30 min,离子选择电极酸度计(pHs-2F)测定pH值。上述各种分析方法的各元素检出限均满足或优于《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DD2005—01)要求。

图1揭东区样点分布图

1.3 数据处理与分析方法

利用SPSS 20.0对含量数据进行描述性统计、K-S正态分布检验和相关分析。在GS+软件中对转换后的数据进行半方差函数分析及模型拟合,并选用最优拟合模型参数,运用ArcGIS 10.0软件进行普通克里金插值,绘制微量元素空间分布图。

2 结果与讨论

2.1 土壤微量元素含量特征

研究区土壤微量元素含量的描述性统计结果如表1所示。参考《土地质量地球化学规范》和相关文献[8-9]得出土壤微量元素分级标准(表2),研究区土壤微量元素平均含量差异较大,B含量范围为1.40~56.6 mg/kg,平均值为18.0 mg/kg,较缺乏和缺乏面积占比达98.08%,缺乏问题十分突出;Cu含量范围为2.90~44.9 mg/kg,平均值为14.5 mg/kg,较缺乏和缺乏面积占比达81.13%,总体处于缺乏状态; Mn含量范围为140~860 mg/kg,平均值为313 mg/kg,缺乏面积占比达76.53%,总体处于缺乏水平;Zn含量范围为36.5~191 mg/kg,平均含量为77.3 mg/kg,丰富和较丰富面积占比达49.52%,总体处于较丰富水平;Mo含量范围为0.476~2.71 mg/kg,平均含量为1.31 mg/kg,丰富和较丰富面积占比达98.11%,总体处于丰富水平。

表1土壤微量元素含量的描述性统计(wB/(mg/kg))

表2研究区土壤微量元素含量分级标准及比例

变异系数的大小反映土壤特性空间变异程度的大小,变异系数≥ 100%为强变异程度,10%~100%为中等变异程度,≤10%为弱变异程度[9-11]。研究区土壤中5种微量元素含量的变异系数分别为B (72.24%) > Cu(55.86% ) > Mn (41.46%) > Zn(36.30%)>Mo(36.08%),均处于中等变异程度。经过K-S检验,可知B、Cu、Mn、Zn、Mo经对数转换后均符合正态分布。

2.2 土壤微量元素空间结构特征

研究区各微量元素的半方差分析结果如表3所示,B、Cu、Zn、Mo的最优模型为球状模型,Mn的最优模型为线性模型,决定系数R2均大于0.6,说明能够较好地反映其空间结构特征[9]。

表3土壤微量元素半方差模型及拟合参数

块金效应(块金值与基台值之比)能够反映变量的空间自相关程度,比值较大说明人为因素起主要作用,比值较小说明自然因素起主要作用[9],比值>75%时说明元素的空间自相关性较弱,比值处于25%~75%时说明元素的空间自相关程度中等,比值

2.3 土壤微量元素空间分布特征

根据所得的半方差函数最优理论模型和参数,利用ArcGIS 10.2进行普通克里金插值,结合土壤微量元素含量分级标准,制作微量元素含量空间分布图(图2),可以更加直观地了解微量元素的分布情况。由图2和表2可知,揭东区表层土壤微量元素空间分布差异明显,除Zn、Mo元素较为丰富外,其他3种元素均处于缺乏状态,其中B元素缺乏面积较大,全区总体缺B,缺乏和较缺乏的面积分别占表层面积的77.03%和21.05%,合计占总面积的98.08%;Cu元素含量空间分布较为分散,缺乏和较缺乏的面积占总体面积的81.13%,总体处于缺乏状态;Mn元素缺乏面积占76.53%,只有10.33%的土壤面积处于中等以上水平,主要分布在研究区的东南部;Zn元素含量在北部、西南部和东南部较为丰富,占地面积较大,丰富和较丰富面积占总面积的49.52%;Mo元素处于丰富水平的占总面积的83.96%,主要分布在研究区的中部和东南部。通过总体分析得出揭东区的微量元素含量除Zn和Mo以外,其他3种元素均处于缺乏状态。

图2土壤微量元素分布图

2.4 土壤微量元素的影响因素分析

2.4.1 成土母质

土壤微量元素主要来自成土母质,具有明显的母质继承性。由不同成土母质发育形成的土壤,其矿物组成差异很大,在很大程度上影响着土壤微量元素的含量[14-15]。研究区的成土母质主要有第四系沉积物、粉砂岩、花岗岩、凝灰岩4种。本文利用 ANOVA 法统计不同成土母质区表层土壤微量元素 B、Cu、Mn、Zn、Mo的含量(表4),结果表明不同成土母质区土壤B含量存在显著性差异,其中粉砂岩与花岗岩以及粉砂岩与凝灰岩区土壤之间有明显的差异,平均含量由高到低依次为粉砂岩>第四系沉积物>凝灰岩>花岗岩;Cu在凝灰岩区土壤中含量最高,在花岗岩区土壤中含量最低,且花岗岩与第四系沉积物区土壤Cu含量差异明显;不同成土母质区土壤Mn含量差异不明显;不同成土母质区土壤Zn含量也有差异,其中第四系沉积物与粉砂岩以及第四系沉积物与花岗岩区土壤Zn含量差异明显,平均含量依次为第四系沉积物>凝灰岩>粉砂岩>花岗岩;凝灰岩区土壤中Mo含量最高,与其他3种成土母质区土壤有明显的差异。由此推断,除了土壤Mn含量受成土母质的影响不明显外,成土母质是影响土壤B、Cu、Zn、Mo含量的重要因素。粉砂岩、第四系沉积物主要是在弱水动力条件下形成的,揭东地区中部、南部和东南部的榕江冲积平原和滨海沉积平原都是沃土平原,有利于微量元素的沉积和积累;凝灰岩是一种火山碎屑岩,其主要成分火山灰中含有大量的铜、锰、锌、钼元素,因此,凝灰岩区土壤中4种元素含量均较高;花岗岩区土壤中5种微量元素含量均较低,一方面可能与成土母质中这类元素含量低有关,另一方面是由于花岗岩形成的土壤多为粗粒砂质土,不利于对微量元素的吸附保留。

表4不同成土母质区土壤微量元素含量

2.4.2 土地利用方式

由土壤微量元素的半方差分析可知,除Mo以外,研究区其他4种土壤微量元素分布均受自然因素和人为因素的共同影响。研究区土地利用方式主要有农用地、建设用地和未利用地3种。本文利用 ANOVA 法统计不同土地利用方式下5种微量元素含量,以进一步分析土地利用方式对微量元素分布的影响。由表5可知,除Cu和Mo含量受土地利用方式影响不明显外,其余3种微量元素均受到不同程度的影响。农用地中B和Cu含量最高,这与土壤施加B、Cu肥料导致其含量增加有关[16-18]。建设用地中Mn、Zn、Mo含量较高,其主要原因是揭东区工业发达,有大量的工业开发区广泛应用这些元素。例如,钢材中添加的Mn、Zn、Mo等金属元素,能够很好地改善合金的力学性能,添加Mn元素能起到弱化基面织构的作用,对建筑用材的性能起到非常良好的改善作用[19-21]。工业开发区大量建筑材料的使用导致建筑用地中这些元素含量较高。除此之外,工业生产过程排放废水、废气和废渣也是导致其含量增加的重要原因。

表5不同土地利用方式区土壤微量元素含量

2.4.3 土壤pH值

土壤酸碱度对土壤中微量元素的活性和微量元素在土壤纵剖面的迁移有重要影响[22]。土壤pH值的相关分析如图3所示。统计结果表明,土壤 pH 介于4.0~6.5的样品占96%,研究区土壤总体呈酸性;pH值与B、Cu、Mn、Zn元素含量相关系数分别是0.254 (P

图3土壤微量元素含量与pH值的关系

2.4.4 土壤有机质

土壤有机质和微量元素的相关分析如图4所示,土壤有机质与B、Cu、Zn之间的相关系数分别为0.418(P

图4土壤微量元素含量与有机质的关系

3 结 论

(1)揭东区土壤中B、Cu、Mn元素含量水平较低,总体处于缺乏状态,其中B缺乏面积最大,缺乏和较缺乏面积占98.08%;Cu分布较为零散;Zn和Mo含量处于丰富水平的面积较大,分别占31.13%和83.96%。

(2)研究区土壤微量元素B、Cu、Zn、Mo的最优模型为球状模型,Mn最优模型为线性模型;除Mo外,其他4种元素的块金效应均处于25%~75%,空间自相关程度均处于中等程度,受到自然性因素和人为性因素的共同影响;Mo则主要受到自然因素的影响。

参考文献：

[1]GE Y, MURRAY P, HENDERSHOT W H.Trace metal speciation and bioavailability in urban soils[J]. Environmental Pollution, 2000, 107(1): 137-144.

[2]邢廷铣, 李丽立, 彭艺.土壤-作物-动物生态体系中微量元素含量[J]. 生态学杂志, 2000, 19(2): 24-29.

[3]潘方杰, 王宏志, 王璐瑶, 等.湖北省土壤微量元素县域分异特征及其与健康相关性[J]. 华中师范大学学报(自然科学版), 2019, 53(1): 137-146.

[4]袁旭音, 陈骏, 吕宝源, 等.太湖沉积物微量元素特征和变化:自然与人类活动的影响[J]. 地质论评, 2003, 68(5): 552-560.

[5]王祖伟, 徐利淼, 张文具.土壤微量元素与人类活动强度的对应关系[J]. 土壤通报, 2002, 46(4): 303-305.

[6]廖启林, 华明, 张为, 等.人为活动对江苏土壤元素含量分布的影响[J]. 地质学刊, 2012, 36(2): 147-156.

[7]陈翠玲, 蒋爱凤, 胡喜巧, 等.河南省主要土类耕层中几种微量元素全量分析[J]. 河南农业科学, 2009, 38(7): 63-66.

[8]马骁, 陈智贤, 林联桂, 等.福建浦城县耕地土壤元素地球化学评价[J]. 中国地质调查, 2020, 7(2): 89-94.

[9]余慧敏, 朱青, 傅聪颖, 等.江西鄱阳湖平原区农田土壤微量元素空间分异特征及其影响因素[J]. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(1): 172-184.

[10]孙剑虹, 张瑞庆, 王欢元, 等.陕西定边盐渍土土壤含盐量和pH的空间分布特征[J]. 西北农业学报, 2014, 23(9): 114-119.

[11]张小桐, 张瑞芳, 王红, 等.县域土壤有效态微量元素的空间变异特征及影响因素——以徐水县为例[J]. 干旱地区农业研究, 2016, 34(1): 74-80.

[12]赵泽芳. 河北省粮食主产区中微量元素含量及空间分布研究[D]. 保定: 河北农业大学, 2021: 1-51.

[13]马媛, 师庆东, 杨建军, 等.干旱区典型流域土壤微量元素的空间变异特征研究[J]. 干旱区地理, 2006, 29(5): 682-687.

[14]董国政, 刘德辉, 姜月华, 等.湖州市土壤微量元素含量与有效性评价[J]. 土壤通报, 2004, 48(4): 474-478.

[15]向万胜, 李卫红.湘北丘岗地区红壤和水稻土微量元素的有效性研究[J]. 土壤通报, 2001, 45(1): 44-46,50.

[16]何思君, 赵祥伦, 田冬, 等.增施锌肥、硼肥对花椒产量的影响试验初报[J]. 南方农业, 2019, 13(S1): 50-52.

[17]汤璐, 汤英.中、微量元素对主要农产品品质的影响综述[J]. 安徽农学通报, 2008, 14(19): 61-63.

[18]李丽霞. 微肥对作物产量、品质的影响及其生态环境效应[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2005: 1-84.

[19]韦琪, 王金辉, 马家轩, 等.Mn元素添加对Mg-Sn合金组织和力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2021, 50(7): 42-47.

[20]杨添淇, 赵修臣, 程荆卫, 等.Cu和Sb元素添加对Sn-Bi共晶合金性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2021, 50(2): 621-626.

[21]陈林恒, 邱保文, 赵晋斌, 等.Mo对超高强极地船舶用钢显微组织的影响[J]. 轧钢, 2020, 37(5): 1-5.

[22]臧振峰. 黑河中下游区域绿洲农田土壤中主要微量元素的空间分布特征及其环境影响研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2013: 1-63.

[23]穆桂珍, 罗杰, 蔡立梅, 等.广东揭西县土壤微量元素与有机质和pH的关系分析[J]. 中国农业资源与区划, 2019, 40(10): 208-215.

[24]赵翠翠, 南忠仁, 刘晓文, 等.绿洲农田土壤主要微量元素的影响因素及分布特征研究——以张掖甘州区和临泽县为例[J]. 干旱区资源与环境, 2010, 24(10): 127-132.

[25]HOU D Y, O’CONNOR D, NATHANAIL P, et al.Integrated GIS and multivariate statistical analysis for regional scale assessment of heavy metal soil contamination: A critical review[J]. Environmental Pollution, 2017, 231(1): 1188-1200.

[26]LIU X, WU J, XU J.Characterizing the risk assessment of heavy metals and sampling uncertainty analysis in paddy field by geos-tatistics and GIS[J]. Environmental Pollution, 2006, 141(2): 257-264.

[27]张承昕. 长期不同施肥下土壤团聚体对微量元素吸持规律的研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2019: 1-84.

[28]周萍, 宋国菡, 潘根兴, 等.三种南方典型水稻土长期试验下有机碳积累机制研究Ⅱ. 团聚体内有机碳的化学结合机制[J]. 土壤学报, 2009, 46(2): 263-273.

[29]张旭冉, 张卫青.土壤团聚体研究进展[J]. 北方园艺, 2020, 44(21): 131-137.

[30]KASCHL A, RÖMHELD V, CHEN Y.Cadmium binding by fractions of dissolved organic matter and humic substances from municipal solid waste compost[J]. Journal of Environmental Quality, 2002, 31(6): 1885-1892.