河南新郑大枣中元素含量与产区土壤地球化学关系研究

2020-12-29张玉明谢庆锋王丽远

矿产勘查 2020年12期

张玉明谢庆锋王丽远

（1.河南省地质调查院，河南郑州 450001；2.河南省地球化学生态修复工程技术研究中心，河南郑州 450001；3.河南省地质科学研究所，河南郑州 450001）

0 引言

新郑大枣种植区主要分布于河南省新郑市，位于河南省中部，隶属省会郑州（图1）。新郑大枣种植历史悠久，品质优良。以皮薄、肉厚、核小、味甘甜、维生素含量丰富而著称，是营养丰富的滋补佳品（刘长乐等，2008）。新郑市大枣主要产区集中在孟庄镇、薛店镇、郭店镇、龙王乡、八千乡、和庄镇、新村镇、龙湖镇8 个乡镇，种植面积66.6 km2，枣树204万株，最高年产枣量达2100 万kg，一般年产量1000万～1500 万kg，出口约占1/3。大量研究表明，名特优农产品的特殊品质除了与品种、气候、管理技术等因素有关外，还往往与当地特定的生态地质环境、地球化学条件有关，表现出与地质环境之间的相关性（严洪泽等，2018；李丹权，2003）。国内对行唐大枣、四会砂糖橘、从化荔枝等（栾文楼等，2007；黎旭荣等，2012；陈恩等，2012）名优特产地的调查研究表明，名特优农产品的品质与产地生态地球化学特征之间存在一定的关系（严洪泽等，2018）。因此，2000—2004 年，河南省地质调查院开展农业地质调查时，作为重点示范区，首次对新郑大枣的密集种植区的600 km2进行了详查，针对种植区土壤分别采集了表层样280 件，分析元素19 项；浅表层样112件，分析元素21 项；有效态样42 件，分析元素21项；植物样31 件，分析无机元素22 项，有机元素4项。获得了新郑大枣与土壤相关联的大量的数据。

本文是在充分收集、分析样品数据的基础上，对新郑大枣种植区的土壤地化特征进行了总结和关联研究。

1 新郑大枣种植区的地质背景

1.1 地形地貌

新郑市处于华北平原、豫西山地向豫东平原过渡地带，地势西高东低，中部高，南北低，山、丘、岗地和平原兼有。西部、西南部为侵蚀低山区，低山外围和西北部为山前坡洪积岗地。岗地地势起伏较大，大部分为新生代第四纪黄土覆盖，局部地区水土流失严重。

图1 新郑市政区图

境内主要有具茨山、陉山、嶂山、始祖山、泰山、梅山等山脉，其中，除始祖山主峰风后顶海拔793 m，相对高度540 m，属于低山类型外，其他各山山顶海拔均在400 m 以下，相对高度不到200 m，属于丘陵类型。

大枣种植区位于沙丘南部与残余黄土崮丘交接地带，属于嵩山山脉与黄河冲积平原交接地带的残余岗丘地貌。西侧为连绵不断海拔多在200～300 m的低山，东南侧是一望无际的冲积平原受流水侵蚀作用，形成近南北向分布岗丘、洼地相间地貌特征，海拔一般90～140 m。

1.2 第四系分布与土壤类型

新郑市西北部为晚更新世冲洪积物；东部主要为晚更新世河间带堆积物，其上为全新统风砂土覆盖；南为淮河冲积平原，成土母质主要为中更新统冲洪积物或湖积物（图2）。

图2 新郑大枣种植区土壤类型分布

分布全市的土壤有褐土、潮土、风砂土等3 个大类40 个土种。与大枣种植关系密切的土壤有沙土、黄沙潮褐土、褐土性土和脱潮沙土。褐土是地带性土壤，分布在西部和中部地区，面积达74.8%；潮土多分布在新郑市东部，面积占18.3%；风砂土分布在新郑市东部的岗丘地区，面积6.9%。受风砂的影响，褐土和潮土为主的表层覆盖砂土，按覆砂厚薄可分为薄覆砂褐土、厚覆砂褐土。岗间洼地分布潮土，同样也以覆砂厚薄进一步划分。二者之间分布过渡性土壤褐土化潮土或潮褐土，在沙丘则以砂土为主。

1.3 水文地质

枣区东部为黄河冲积平原，南为淮河冲积平原。在京广铁路以西的西部、西南部为侵蚀低山区，低山外围和西北部为山前坡洪积岗地。岗地系早期山前洪积倾斜平原，经后期流水切割作用形成。京广铁路以东地区，由于受古黄河水流切割，与西部岗地分离，形成南北向的条形岗地与古黄河隐流洼地相间的地形特征。

境内有双洎河（古洧水）、黄水河（古溱水）、溟水河、梅河、莲河、暖泉河、高路河等14 条河流，河道总长度223.82 km，除溟水河属颍河水系外，其余河流均属贾鲁河支流。

2 新郑大枣种植区的土壤地球化学

2.1 表层土壤元素分布特征

表层土壤是人类及绝大多数动植物赖以生存的基地（宋静等，2016）。土壤层作为地球关键带的核心要素，是控制地球关键带物质能量和信息流动与转化的重要节点（孙正厚等，2020）。其中的地球化学元素不仅继承了深层土壤的特征，还受各种自然营力的综合作用及人类活动的干扰（黄标和胡文友，2018）。元素地球化学分布、分配也表现出与深层土壤的较大差异（赵勇等，2006）。本次工作，在测区分别采集了表层（＜1 m）和浅表层（＞2 m）地层样，分析结果表明：种植区表层土壤由于受覆砂影响，K2O、Na2O、SiO2在大枣种植区含量普遍较高。K2O 在大枣种植区及新郑县城西南侧的黄土、褐土、立黄土、红土性土分布区形成一个高值（区）带，而在大枣主产区的孟庄镇一带形成高背景，最高值达2.45%；CaO.Fe2O3、Al2O3、P 在大枣种植区内显示为低值区，与K、Na、Si 的特征相反。生物必需的微量元素Cu、Zn、Mn、Mo、B 等在整个区域也基本上均为低背景分布，只在小乔至新郑县城到官庄一线西侧的低山区（立黄土，褐土类分布区）为高背景区。

N 和Corg 两者在枣区均为极低值区，其中corg最低含量仅328×10-6mg/kg。相对高值区分布在新郑县城西侧和南侧的黄沙褐土性土及大面积的黄土褐土中，N 的最高值达1174×10-6mg/kg，这一方面与土壤类型有关外，另一方面可能与施肥有关（陈满怀，2005）。

Se、F、I 在区内分布基本一致，在孟庄镇至新郑东的大李一带构成一北西-南东向的低值带；小乔至新郑县城一带为背景区，该带西侧为高背景区。与其他元素分布不同的是在薛店街至牛村一带的脱潮砂土分布区形成背景和高背景区。而且深、表层土壤结果基本一致。

重金属元素Pb、As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn 在不同地区含量不尽相同，除Hg 元素在新郑县城至辛店镇一带因后期污染含量稍高以外（最高点在新郑城区内），其余基本上处于低背景状态，反映出新郑地区特别是大枣种植区土壤洁净，未受污染，土地环境质量优良。

2.2 浅表层土壤地球化学元素分布

测区浅表层与表层土壤地化特征基本一致（表1）。总体表现为大枣种植区内Mo、Zn 等大多数元素的低背景分布。小乔-新郑县城-八千一带为背景区，梅山-新郑县城西侧为多数元素的高值区。高、中、低带的分布方向大致呈北西-南东向。

通过对土壤中全元素进行了统计，并对表层与深层土壤背景值进行对比分析（表1）。可以看出：大部分元素的次生富集系数接近1，说明新郑大枣种植区中大部分化学元素的表层土壤和浅表层土壤含量基本一致。而代表后期改造和人类活动强度的指示元素Corg、N、Se 元素表层含量远大于浅表层土壤中的含量，次生富集系数大于2，说明这些地区后期改造强烈（王亚莉等，1995）。

表1 新郑大枣产区土壤地球化学元素平均含量统计分析

2.3 古土壤层地球化学特征

主要出露在种植区的西北部，为中-上更新统坡积-洪积、洪积-冲积物。实测剖面如图3。其上覆盖一层很薄的全新统风积砂质壤土和粉细砂土。剖面上部为黄土状粉砂质亚粘土，垂直节理发育，含数层钙结核层和古土壤层，厚度9.5 m。中部为灰黄色、褐黄色、棕红色黄土状粘土质重亚粘土，含数层古土壤层和钙结核层与铁锰结核，厚度9.2m。下部为浅黄色砂层及泥质粉砂层。在20 m 左右深度上，自上而下分布有0～2m 的砂土5～10 m 的粉砂质亚粘土（黄土），3～5m 的粘土质重亚粘土，1～3m的重亚粘土3 m 左右的砂土、砂砾石层。

图3 新郑云湾西沟第四纪上更新统剖面

本次工作分别在表层土壤、古土壤中部的红黄土层、古土壤下部的红土层中采样进行了无机元素分析。以表层土壤元素平均值为基准，古土壤元素平均值分别与其进行对比（图4）。这些古土壤中的化学元素含量是表层土壤中的含量的1～3 倍，均高出许多。说明表层土壤一部分为风积形成，与古土壤没有直接关系。而浅表层是古土壤风化残余物，浅表层土壤化学物质来源与古土壤密切相关。古土壤在水的淋溶下，正地貌单元中易溶元素Ca、Mg、K、Na、S 等淋出土外，反映其受强烈的表生淋溶作用，这些化学成分被大量带出（李瑞敏，2007）。Si、Al 向土壤下层移动，而Fe、Mn 等则残留下来，形成古风化壳和古土壤“红层”。在这个过程中，Cu、Zn、B、Ni、Co 等元素在表生介质中聚积。古土壤层中富集的Mn、Cu、Zn、B 等元素与新郑大枣中的元素正相关。当然种植区的地球化学特征主要与其古土壤层的埋藏深度和厚度相关，与其土壤母质关系密切（宋秋平，2019）。

图4 表层土壤与古土壤地球化学元素含量对比

3 新郑大枣中元素含量与土壤地球化学关联分析

衡量大枣品质的重要指标分为糖分、维生素C、可滴定酸，以及营养元素K、P、Se、B、Zn、Cu 含量，这些元素大部分来自根部的吸收。

3.1 土壤元素全量与大枣元素相关关系

枣树根系是水平根，多分布在10～50 cm 的土层中，分枝能力较差，多年生枣树的水平根系长度可达十几米，但垂直向下延伸的能力较强，在深厚土层中可向下伸展3～4 m，同样分枝很少。所以＞2 m 深度土体内的养分状况对枣树生长、产量、品质以及树株的寿命等有明显的影响。

根据枣树根系特点，将大枣富集元素所在1 m左右土壤和2 m 以下土壤全量元素做相关分析（表2）。可以看出，大部分表层和浅表层土壤元素含量与大枣中元素含量以及品质指标相关性较差。而根据前述地质、母质以及土壤地球化学元素特征分析可知，在本研究区域部分土壤下部有古土壤层的存在。这些古土壤层中富含Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo 等多种微量元素。因此富含以上营养元素的古土壤与大枣的品质具有一定的相关性。

3.2 表层土壤元素有效态与大枣元素相关关系

一般说来，土壤养分元素有效含量对植物生产具有更重要的影响作用（张志铭等，2018）。大枣对于土壤大部分有益元素有效含量有非常大的生物富集作用（表3），其中N、P、K 的富集系数最高，而土壤中的有效态不是最高，说明生物对表层土壤中N、P、K 元素的富集作用强烈。其它元素的富集系数相对较低，尽管有的元素的土壤有效态较大，但是表层土壤中富集的元素远远达不到大枣中的含量，说明大枣中这部分元素的含量大多从深部古土壤中获得较多。这从另外一个侧面说明，新郑大枣生长所需要的各种养分不全是从表层土壤中获得。新郑大枣中部分无机元素含量与表层土壤中某些有益微量元素有效含量之间没有明显的相关关系。这些元素的获取主要来自深部土壤中的根系（龚子同和陈鸿昭，1995）。