安徽砀山县土壤锌地球化学特征及影响因素

于炎炎

(安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽 淮北 235000)

0 引言

锌(Zn)元素影响植物氮代谢和蛋白质合成、光合作用等[1]，缺锌时植物会出现一些列病变导致减产[2]。中国土壤锌分布具有区域性，与土壤类型密切相关，湖北、安徽等省北部和河北、山东等部分地区土壤表现为缺锌[3-4]。表层土壤锌储备充足与否，对农作物健康生长具有直接影响。

近年来，随着各省土地质量地球化学调查工作的开展，相继在贵州凤冈、河北饶阳、四川万源、安徽大别山、安徽石台等地区发现富锌土壤[5-9]，为当地农产品提升了附加值。安徽省北部的砀山县是农业大县，种植多种农作物，前人研究主要集中在黄河故道附近酥梨种植区[10-12]。目前，对于砀山县全域范围内土壤锌地球化学特征缺乏研究。

2016—2020年，325地质队在砀山县开展了1∶5万土地质量地球化学调查与评价工作，发现了大面积富锌土壤。在此基础上，本文通过研究表层土壤和深层土壤锌地球化学特征，分析其分布规律和影响因素，并探讨其生物有效性，为当地富锌农产品开发提供科学依据。

1 研究区概况

研究区范围为砀山县全境，地处淮北平原，地势平坦，系黄河冲积而成，属季风半湿润气候。研究区总面积约1193 km2，其中农用地面积约939.93 km2，种植酥梨、油桃、黄桃、蔬菜、小麦等多种农作物。

1.1 地质背景

研究区基岩地层为徐淮地层，包括中下奥陶统、上石炭统至下三叠统、古新统至上新统，均未出露地表。本区区域构造属豫东、鲁西南隆起的南部，经过了复杂的构造运动。第四纪开始，本区构造运动主要为地壳下沉并接受沉积。至全新世末期，地壳继续下沉，研究区大部分区域沉积了黄河泛滥物，同时在南部和北部地势较低地区形成了以淤泥质为主的土壤[13]。因此，研究区大面积分布了第四系，地层厚度约150 m，东西部厚度略有差距，总体表现为东薄西厚。

1.2 成土母质与土壤类型

全新世晚期，因黄河屡次南泛，在平原的堆积面上不断受到新的黄泛冲积物的侵蚀和覆盖，当黄河改道北涉之后，即由近代黄泛冲积物逐渐发育成今日的耕作土壤。因此，研究区成土母质主要为黄泛冲积物。本区土壤类型受地形、成土母质、水文条件等多因素影响，尤以流水速度对土壤类型的分选作用最为明显，因此区域分布上具有差异性。黄潮土是本区主要农业耕作土壤[14]，根据土壤的机械组成不同，分为飞沙土、淤土、沙土、两合土，占土壤总面积的77.30%。盐化潮土和碱化潮土分布面积较小，多呈花斑状分布在沙土和两合土之中。纵观本区，土壤分布规律是以黄河故道两侧向平原中心伸展，依次分布飞沙土、沙土、两合土和淤土，又由于受局部地形地貌和水文地质等条件影响，部分地方还分布着轻重不同的碱化潮土和盐化潮土(图1)。本区土地利用现状以果园为主，旱地次之，其他土地利用类型占比较小。

图1 研究区土壤类型分布图

2 研究方法

2.1 样品采集

研究区以1 km2为单位格子，在每个单位格子中划分为4个小格(0.25 km2)进行表层土壤样品采集。利用不锈钢取土器采集深度0～20 cm的土壤，果园由2个子样等量混匀组成一个样品，旱地由4个子样等量混匀组成1个样品，最终采集6444件表层土壤样品和129件重复样品(图2)。

土壤垂向剖面样品采集选择挖掘(46条)和浅钻(4条)的方法进行，深度为0～200 cm，兼顾各土壤类型。每一土壤发生层至少采集1个样品，若该土壤发生层的土壤类型一致，每隔30～40 cm取1个样品，每条剖面取5～8个样品，最终采集350件土壤垂向剖面样品和7件重复样品(图2)。

根系土样品采集以油桃和芹菜为主，每件根系土由1个主样点与4个子样点土壤混匀，采用四分法进行缩分获得样品。采集油桃根系土样品的深度为0～60 cm，采样工具为勺形钻，采集芹菜根系土样品的深度为0～20 cm，采样工具为不锈钢取土器，最终采集15件油桃根系土样品、10件芹菜根系土样品和2件重复样品(图2)。

图2 研究区土壤采样点位图

2.2 分析测试

所有样品均由符合测试资质的实验室完成，安徽省地质实验所负责测试表层土壤样品，江苏地质矿产设计研究院负责测试垂向剖面及根系土样品。土壤全量锌处理选用粉末压饼法，测试选用XRF法；有效锌处理选用强酸和螯合剂浸提，测试选用ICP-AES法。用于样品分析方法的检出限达到或优于规定。样品测试过程中，将控制试验准确度和精密度的国家一级标准物质分别插入样品，其中表层土壤样品分别插入156件和624件，垂向剖面样品分别插入12件和34件，根系土样品分别插入4件和5件，技术指标的一次合格率均达到100%。同时，重复性检验样和异

常点检查样分析质量水平、元素的报出率水平均达到规范要求。

2.3 数据处理与图件编制

分析数据利用SPSS和地球化学勘查一体化系统软件进行分布检验和参数计算，图件采用地调局研发的土地质量软件进行编制[15]。依据DZ/T 0295-2016[16]，以二调图斑为评价单元，有采样点的图斑按照规范要求进行赋值，无采样点的图斑采用IDW法进行赋值。富锌土壤等级划分标准参考DB23/T 2410-2019，对研究区富锌土壤进行划定，最终形成富锌土壤等级划分图。本次富锌土壤评价中，全区Zn元素最大值w(Zn)=169.9×10-6，没有过锌土壤区分布，划分标准见表1。

3 结果与讨论

3.1 土壤锌含量

表1 土壤锌含量评价等级划分

3.2 土壤锌含量空间分布

自1980年以来，研究区土壤酸碱度发生极大变化。1980年本区土壤为碱性至强碱性，但强碱性占比较大，约占85%，土壤酸碱度不适合农作物生长发育[17]。本次研究结果显示，本区土壤仍呈碱性，pH最小值为7.17，最大值为9.13，平均值为8.3，大部分地区pH值介于8～9之间，仅极小部分土壤pH值低于8或高于9，但较1980年土壤总体向酸化方向发展。

表2 土壤Zn元素地球化学参数统计

本区碱性土壤(7.5≤pH值<8.5)占农用地面积的94.29%，分布面积最大；强碱性土壤(pH值≥8.5)分布面积次之，主要分布在黄河故道两侧；中性土壤(6.5≤pH值<7.5)分布面积最小，仅在本区北部零星分布；没有酸性土壤(pH值<6.5)分布。

依据DB23/T 2410-2019，结合土壤pH值和土壤Zn含量对研究区土壤Zn元素进行等级划分(图3)，评价结果统计见表3。由表3可知，研究区富锌土壤面积为224.47 km2，占农用地面积的23.88%，主要分布在关帝庙镇地区和葛集镇地区；足锌土壤面积为432.74 km2，占农用地面积的46.04%，在研究区各乡镇均有分布；锌适量土壤面积为270.83 km2，占农用地面积的28.81%，主要分布在周寨镇北部、官庄坝镇南部、曹庄镇、赵屯镇及程庄镇；低锌土壤面积为11.87 km2，占农用地面积的1.26%，在研究区零星分布；缺锌土壤面积为0.02 km2，占农用地面积的0.01%，分布范围极小。总体来看，研究区土壤锌不缺乏，富锌、足锌、锌适量三者面积占比达到98.73%。此外，依据GB 15618-2018，对土壤Zn元素环境质量进行评价，结果显示研究区农用地Zn元素数据均未超过风险筛选值，Zn元素等级划分均为一级，农用地土壤环境评定为无风险。

图3 研究区富锌土壤等级划分图

表3 土壤锌含量评价等级划分统计

3.3 不同土壤类型锌含量对比

研究区按照沙土、两合土、碱化潮土、飞沙土、盐化潮土、淤土对土壤Zn元素参数进行统计，因苏打盐化潮土分布面积小，采集样品数仅为3件，本次未做统计，具体见表4。通过统计发现，两合土、淤土的Zn含量平均值高于全区，尤以淤土的Zn元素最为富集，碱化潮土的Zn含量平均值与全区相当，沙土、飞沙土、盐化潮土的Zn含量平均值低于全区。各土壤类型土壤Zn含量变异系数均小于25%，表明土壤Zn在相同土壤类型中分布均匀。两合土、淤土的Zn元素背景值均高于全区，可见两者的分布区为Zn元素高背景区。富Zn土壤主要集中在两合土、淤土的分布区，即关帝庙镇地区和葛集镇地区。因此，不同土壤类型影响土壤Zn元素的分布。

3.4 不同土地利用现状Zn含量对比

研究区土地利用现状主要分为果园、旱地、有林地、裸地及建设用地，其中建设用地采样数仅为2件，本次未做土壤Zn含量参数统计，具体见表5。不同土地利用现状土壤Zn含量同样具有差异性，果园、旱地的土壤Zn含量平均值高于全区，有林地、裸地的土壤Zn含量平均值明显低于全区。果园、旱地的土壤Zn含量变异系数均小于25%，表明土壤Zn在果园、旱地中分布均匀，而有林地、裸地的土壤Zn含量的变异系数介于25%～50%之间，表明土壤Zn在林地、裸地中分布不均匀。果园、旱地的土壤Zn元素背景值略高于全区，有林地、裸地的土壤Zn元素背景值低于全区。研究区果园的分布面积占农用地总面积的65.11%，旱地的分布面积占农用地总面积的26.11%，而富Zn土壤主要集中在果园、旱地的两合土分布区和淤土分布区。因此，不同土地利用现状对土壤Zn元素分布的影响程度有限。

3.5 土壤Zn影响因素分析

在区域上，影响土壤形成的各因素具有差异性，导致研究区土壤理化性质发生了变化，从而影响土壤Zn元素的分布特征[18]。本次在全区6种不同土壤类型共布设了50条土壤垂向剖面，分析土壤Zn的地球化学特征。同时，选取其中6条典型剖面，研究土壤Zn的影响因素。

表4 不同土壤类型Zn含量参数统计

表5 不同土地利用现状土壤Zn含量参数统计

3.5.1 不同土壤类型垂向剖面Zn元素含量特征

本次选取最上层(0～50 cm)和最下层(150～200 cm)样品，分析研究区表层和深层土壤Zn含量的地球化学特征，具体见表6。对比表层和深层土壤Zn含量平均值发现，飞沙土、沙土、盐化潮土表层土壤低于深层土壤，表明Zn元素在地表相对贫化；碱化潮土、两合土、淤土表层土壤高于深层土壤，表明Zn元素在地表相对富集；除两合土表层土壤Zn的变异系数大于深层土壤锌的变异系数外，其他土壤类型表层土壤均小于深层土壤，且变异系数小于50%，表明Zn元素在飞沙土、沙土、盐化潮土、碱化潮土、淤土的表层和深层土壤中分布均匀，同时相对深层土壤，表层土壤Zn元素经过迁移和人为活动的影响，分布变得更均匀化。此外，较其他土壤类型，淤土的表层和深层土壤Zn含量平均值较高，表明淤土对土壤Zn元素的富集能力较强。

表6 不同土壤类型表层和深层土壤Zn含量地球化学参数对比

3.5.2 不同土壤类型垂向剖面Zn元素分布特征

在不同土壤类型主要分布区分别选择1处典型土壤垂向剖面(图4至图9)，通过分析不同深度土壤黏粒、Zn元素、有机质、pH值的变化规律，研究影响土壤剖面Zn元素分布的因素。其中：

1)飞沙土典型剖面(P1PM6剖面)：土壤质地分两层，上部0～80 cm为壤质砂土，下部80～200 cm为砂质壤土，由下至上Zn元素、有机质、pH值总体趋于稳定而土壤黏粒在下部出现波动，表明土壤黏粒对三者影响不大，土壤Zn元素继承了成土母质的特征，受风化淋滤和人为因素影响较小。

2)沙土典型剖面(P2PM3剖面)：土壤质地分四层，0～60 cm为粉(砂)壤土，60～100 cm为粉(砂)土，100～160 cm为粉(砂)壤土，160～200 cm为粉(砂)土，由下至上Zn元素、有机质、土壤黏粒均呈现“S”型波动，pH值则趋势相反，呈现反“S”型波动，表明Zn元素与有机质、土壤黏粒呈正相关，与pH值呈负相关。

3)盐化潮土典型剖面(P9PM3剖面)：土壤质地分两层，0～175 cm为粉(砂)壤土，175～200 cm为粉(砂)质黏壤土，由下至上Zn元素、有机质均呈现“C”型波动，土壤黏粒呈现弱的“C”型波动，pH值则趋势相反，呈现弱的反“C”型波动，表明Zn元素与有机质、土壤黏粒呈正相关，与pH值呈负相关；

4)碱化潮土典型剖面(P8PM6剖面)：土壤质地单一，为粉(砂)壤土，由下至上Zn元素、有机质均呈现“S”型波动，土壤黏粒呈现稳定型，pH值则趋势相反呈现反“S”型波动，表明土壤Zn元素与有机质呈正相关，与pH值呈负相关；

5)两合土典型剖面(P1PM4剖面)：土壤质地分四层，0～100 cm为粉(砂)壤土，100～130 cm为粉(砂)质黏壤土，130～160 cm为粉(砂)壤土，160～200 cm为粉(砂)土，由下至上Zn元素、有机质、土壤黏粒均呈现“S”型波动，pH值则趋势相反呈现反“S”型波动，表明Zn元素与有机质、土壤黏粒呈正相关，与pH值呈负相关。

6)淤土典型剖面(P1PM11剖面：土壤质地分三层，0～80 cm为粉(砂)质黏土，80～130 cm为粉(砂)质黏壤土，130～200 cm为粉(砂)壤土，由下至上Zn元素、有机质、土壤黏粒均呈现稳定型—上升型—稳定型，pH值则趋势相反呈现稳定型—下降型—稳定型，表明Zn元素与有机质、土壤黏粒呈正相关，与pH值呈负相关。

总体来看，土壤Zn元素分布受有机质、土壤黏粒、pH值等因素影响明显[19-20]。由于土壤黏粒、有机质胶体的吸附作用[21]，Zn元素与有机质、土壤黏粒之间为正相关。同时，由于在碱性环境下Zn和磷酸根易形成沉淀[22]，Zn元素与pH值之间为负相关。

3.6 农作物根系土锌全量与有效态分析

研究区农作物资源丰富，品种繁多，可提供人体必需的营养元素。土壤有效锌直接影响农作物对Zn元素的吸收，进而影响农作物中Zn元素的含量。本次在富锌土壤区选取油桃、芹菜两种农作物，分析根系土中全量锌与有效锌的相关性。

油桃主要分布在北部葛集镇富锌土壤区，其根系土全量锌最大值w(Zn)=101.00×10-6，最小值w(Zn)=57.40×10-6，平均值为76.80×10-6；有效锌最大值w(Zn)=3.96×10-6，最小值w(Zn)=0.48×10-6，平均值为2.03×10-6。芹菜主要分布在南部关帝庙镇富锌土壤区，其根系土全量锌最大值w(Zn)=166.00×10-6，最小值w(Zn)=64.60×10-6，平均值为101.41×10-6；有效锌最大值w(Zn)=22.02×10-6，最小值w(Zn)=3.35×10-6，平均值为9.40×10-6。利用SPSS软件分别对油桃、芹菜根系土全量锌和有效锌作相关性分析，其中油桃根系土为中度正相关，相关系数为0.567；芹菜根系土为高度正相关，相关系数为0.950(图10)。

图4 研究区飞沙土垂向剖面

图5 研究区沙土垂向剖面

图6 研究区盐化潮土垂向剖面

图7 研究区碱化潮土垂向剖面

图8 研究区两合土垂向剖面

图9 研究区淤土垂向剖面

图10 农作物根系土全量锌和有效锌的相关性

4 结论

1)安徽省砀山县表层土壤中w(Zn)为26.8×10-6～169.9×10-6，平均值为65.8×10-6，其中富锌土壤面积为224.47 km2，占农用地面积的23.88%，主要分布在县域北部的葛集镇地区和南部的关帝庙镇地区。研究表明，土壤Zn元素分布主要受本区土壤类型制约，两合土、淤土的Zn含量平均值高于全区，属Zn元素高背景区，尤以淤土的Zn元素最为富集，碱化潮土的Zn含量平均值与全区相当，沙土、飞沙土、盐化潮土的Zn含量平均值低于全区。因此，可以在葛集镇和关帝庙的两合土、淤土分布区进行富锌土地开发利用，为当地农业经济发展提供助力。

2)在土壤垂向剖面中，土壤Zn元素含量变化受有机质、pH值、土壤黏粒影响明显，Zn元素与有机质、土壤黏粒之间为正相关，与pH值之间为负相关。因此，在低锌或缺锌土壤区，可以通过改善土壤质地、增施有机肥、降低土壤酸碱度等方法，提高土壤Zn元素含量，从而满足农作物对Zn元素的需求达到增产的目的。

3)农作物根系土中锌全量与有效态呈正相关，即随着土壤Zn元素含量的增加，农作物能吸收的Zn元素含量增加。因此，砀山县分布的富锌土壤为富锌农产品的开发提供了很好的土地基础，可以进一步研究农作物中Zn元素含量与土壤Zn元素含量之间的关系，提升农作物的附加经济值。