基于GIS的三峡库区土壤养分元素地球化学特征与影响因素研究

邓 海，王 锐，宁墨奂，罗宇洁，董金秀

（1.重庆土地质量地质调查重点实验室，重庆 400038；2.重庆市地质矿产勘查开发局川东南地质大队，重庆 400038；3.重庆市地质调查院，重庆 400038）

土壤养分元素是土壤的物质基础之一，不仅可以改善土壤的物理化学性质、提高土壤肥力，在农业生产及环境保护方面有着至关重要的作用［1-3］。氮是蛋白质及叶绿素的主要组成成分，其含量的多寡可对植物的叶面大小及光合作用产生影响，是植物生长发育不可缺少的元素之一［4，5］。磷是蛋白质、磷脂及磷酸糖的主要组成元素之一，不仅可以加强植物的光合作用，还可以提高植物的抗逆性［6］。钾参与生物体内多种生理过程，包括呼吸作用、光合作用等，此外，钾还可以提高农作物的品质，是植物必需的营养元素之一［7］。因此，土壤中养分元素空间分布特征及丰缺程度的划定对地区农业的发展有重要的意义。土壤酸化也会对土壤本身造成较大的影响，对土壤健康造成严重危害［8，9］，土壤在酸化过程中，H+含量不断增加，由于H+的活性较高，竞争土壤胶体上的吸附位使得重金属离子处于游离状态，易被植物吸收［10-13］，与此同时，在酸性条件下，土壤速效氮的有效性降低，使得土壤肥力下降［14］。土壤酸化导致土壤中交换性酸、交换性铝含量增加，抑制植物根系对营养物质的吸收，导致植物体型矮小，严重影响农作物的产量和品质［15，16］，而探明土壤酸化的原因是酸化土壤治理的重要依据［17，18］。

三峡库区由于其自然条件优越，是中国优质甜橙及水稻生产的适宜区之一。摸清地区土壤养分元素及土壤pH的地球化学特征，根据实际情况采取相应的措施，对土壤质量的提升、促进农业发展具有重要的指导意义。选择位于三峡库区腹地的开州区作为研究对象，基于地统计法分析土壤养分元素的含量特征、分布规律及影响因素，厘清土壤酸化的原因，提出因地制宜、因地治理的建议，以期为地区农业的发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于三峡库区腹地，长江支流彭溪河源地开州区，地处四川盆地东部盆边山区，重庆市东北部，东邻重庆市巫溪县、云阳县，南接重庆市万州区、梁平区，西与四川省宣汉、开江两县接壤，介于北纬30°49′30″—31°41′30″、东经107°55′48″—108°54′00″。开州区位于中纬度，具有中亚热带季风气候的一般特点，气候季节变化明显，因为盆周山巅阻挡，寒潮不易入侵，故气温比同纬度、同海拔的其他地区略高，冬暖春早，夏季海洋性季风带来大量暖湿空气，夏季雨量充沛、温湿适度。开州区地质结构复杂，地形差异大，土壤母岩风化类型多，在地层上，从古生界的寒武系到新生界的全新统皆有出露，地质构造大体由3个背斜、2个向斜和大巴山南麓支脉组成，研究区位置如图1所示。

图1 研究区地理位置

1.2 样品采集与测试

本次研究按照行业技术标准《土地质量地球化学评价技术要求》［19］，网格化采集农用地表层土壤样品，采样密度为4.5个/km2，采样深度0～20 cm，在采样中心点周围100 m范围内4～6处多点采集组合，共采集表层土壤样品639个，待土壤样品风干、干燥后敲碎，过10目粒级尼龙筛，采用牛皮纸袋加封口袋盛装送往实验室分析。

样品测试由地之源地质工程检测有限公司按《生态地球化学评价样品分析技术要求》［20］执行，本研究分析指标、测定方法及检出限如表1所示。准确度和精密度采用密码插入国家一级标准物质进行控制，元素分析准确度和精密度合格率为100%，元素报出率为100%。

表1 元素分析方法与检出限

数据整理利用Excel 2010软件完成，数据正态分布检验利用SPSS25.0软件完成，半方差函数分析利用GS+9.0软件完成，空间插值利用ArcGIS10.2软件完成。

1.3 土壤养分等级划分及土壤酸碱度

土壤养分等级划分标准参考文献［19］，如表2所示。在进行等级评价时，需将土壤K2O的含量脱氧换算成K含量。土壤pH的划分标准：pH＜5.0为强酸性，5.5≤pH＜6.5为酸性，6.5≤pH＜7.5为中性，7.5≤pH＜8.5为碱性，pH≥8.5为强碱性。

表2 土壤养分等级划分标准 （单位：g/kg）

2 结果与分析

2.1 土壤养分元素含量及土壤p H

统计研究区采集的639个土壤样品中N、P和K2O的含量及土壤pH，参照“1.3”的评价标准，划分养分元素及pH的地球化学等级并统计划分情况，结果见表3和图2。土壤N、P的平均含量分别为1 104.43、616.82 mg/kg，变异系数分别为0.53、0.29；土壤中K2O的平均含量为2.43%，变异系数为0.15；土壤pH的变化范围为3.96～8.48，变异系数为0.18。N的变异系数大于0.50，说明其含量在空间上分布不均匀［21］。

图2 土壤养分元素及p H的地球化学等级

表3 土壤养分元素及p H的描述性统计

土壤N、P、K一等所占的比例分别为4.5%、3.1%、3.9%，二等所占比例分别为14.1%、9.2%、55.1%，三等所占比例分别为33.2%、35.7%、35.1%，四等所占比例分别为20.3%、42.4%、5.6%，五等所占比例分别为27.9%、9.6%、0.5%，说明研究区养分元素含量相对缺乏；研究区酸性及强酸性土壤的比例分别为25.2%、46.3%，中性土壤的比例为16.7%，碱性土壤的比例为11.7%，土壤以酸性为主。

2.2 土壤养分元素及土壤p H的空间分布特征

利用SPSS25.0软件对土壤养分元素及pH进行正态分布检验，结果见表4。土壤养分元素及pH的偏度及峰度均较高，K-S检验的结果均小于0.05，不服从正态分布［22］，经对数变换后的数据基本符合正态分布。

表4 土壤养分元素及p H正态分布检验结果

利用GS+9.0软件进行半方差函数拟合和空间结构分析，结果见表5。土壤N、P、K2O及土壤pH的决定系数分别为0.995、0.699、0.767及0.891，块金系数分别为0.14、0.32、0.09及0.11，块金系数表示元素空间异质性程度，是反映区域化变量空间相关性程度的指标［23，24］。块金系数小于0.25，说明区域化变量空间变异性主要受自然因素控制，各变量之间具有强烈的空间相关性；0.25≤块金系数＜0.75，以随机性变异为主，受人为因素影响较大［21］。土壤N和K及pH的块金系数均小于0.25，说明空间变异性主要受自然因素的控制，土壤P的块金系数为0.32，说明其空间分布同时受随机性因素和自然因素的控制。

表5 土壤养分元素及p H半方差函数分析结果

利用ArcGIS 10.2软件对养分元素及pH进行空间插值，结果见图3。由图3可以看出，土壤N表现为南部含量高，中部、北部含量低。土壤P含量分布的规律性不明显。土壤K2O表现为南部含量低，中部含量高。南部地区土壤pH较低，中部和北部土壤pH较高。

图3 土壤养分元素含量及p H空间分布

2.3 土壤p H、养分元素与海拔的相关关系

土壤pH分析结果表明，研究区土壤以酸性为主，尤其是南部地区，出现大面积的强酸性土壤。分析土壤pH、盐基离子（K、Na、Cd和Mg离子）及海拔高度的相关性，结果见图4。由图4可以看出，随着盐基离子的减少，土壤pH逐渐降低，土壤出现酸化，主要原因为研究区为多雨的自然背景，土壤中的硅酸盐矿物会不断水解，盐基离子被释放淋溶，使得土壤的中和能力减弱，此外，随着盐基离子的减少，土壤中可风化矿物逐渐减少，土壤胶体增加，吸附的H+也不断增加，进而出现酸化的趋势［9，25］。土壤K2O含量与pH的分布规律相似，进一步说明了土壤酸化的原因。

图4 土壤p H、盐基离子含量和海拔的相关关系

随着土壤的酸化，农作物的生长可能受到一定影响，研究表明，当土壤pH＜5时，土壤中的铝会被活化，使得土壤溶液和水体中铝离子的含量增加，进而影响人体和农作物的健康。另一方面，土壤中H+的电负性较高，会争夺重金属离子在土壤表面的吸附位，使得土壤中重金属的活性增强，易被农作物吸收，使人体健康受到威胁［26］。此外，酸化后土壤微生物的数量会减少，微生物的生长和活动受到抑制，对土壤本身的健康造成负面影响［27，28］。

土壤N高含量区土壤以酸性为主，主要原因为氮的硝化作用会产生氢离子，反应方程式如下［29］。

可以看出，硝化作用会使土壤中H+的含量增加，导致土壤酸化，而土壤施氮肥是NH4+的主要来源之一。

土壤N含量与海拔高度的相关关系见图5。由图5可以看出，土壤N含量与海拔高度呈正比，低海拔区土壤N含量较低，高海拔区土壤N含量较高。研究表明，随着海拔高度的升高，气温会出现明显的下降趋势，低海拔区温度相对较高，微生物活动更为活跃［30］，反硝化作用明显，而高海拔区土壤以酸性、强酸性为主，微生物活动受到限制［31］，反硝化作用较弱。反硝化作用生化过程的通式可用下式表示［32］。

图5 土壤N含量与海拔的相关关系

可以看出，随着一系列的反应，土壤中的N会以N2的形式释放，使得土壤中N含量下降。

2.4 研究区土壤治理

不同土地利用类型土壤P含量统计结果见图6。由图6可以看出，在耕地土壤中，P含量的变化范围为389.62～1 485.05 mg/kg，平均含量为667.36 mg/kg，在其他耕地类型土壤中，P含量的变化范围为188.26～961.23 mg/kg，平均含量为566.28 mg/kg，耕地土壤中P含量明显高于其他用地类型，说明土壤P含量受到人为因素的影响，建议对低P含量的耕地土壤适当增加P肥的施用量。

图6 不同土地利用类型土壤P含量

以研究区耕地分布较密集的区域为例，如图7所示。A区土壤以中性和碱性为主，B区土壤以酸性和强酸性为主。对于酸性、强酸性土壤，可通过人为手段进行土壤pH的调整，改善土壤质量，研究表明，施用草木灰、秸秆还田及施用有机肥均可有效改善土壤酸化问题，且施用有机肥及秸秆还田可补充土壤中N、K等离子，减缓土壤盐基离子的流失，因此，对B区而言，建议适量增加有机肥和钾肥的施用量，减少氮肥施用，利用人为手段调节土壤pH，减少种植茶树、豆科作物，改善土壤酸化问题［33-35］。A区主要为中性土壤和碱性土壤，土壤N含量较低，K及P含量相对较高，因此，建议A区适当增加氮肥的施用量，此外，应增加施用有机肥，因为有机质是土壤养分元素的主要来源，施用有机肥可有效改善土壤肥力［36，37］。

3 小结

研究区土壤养分元素N、P、K丰富-较丰富的面积比例分别为15.6%、12.3%和59.0%，土壤K含量相对丰富，而N和P含量相对较低。研究区酸性及强酸性土壤的比例分别为25.2%及46.3%，土壤以酸性为主。

空间结构分析表明，研究区土壤N、K2O和pH的块金系数均小于0.25，说明空间变异性主要受自然因素的控制。土壤N含量与海拔高度呈正比，主要原因为低海拔区反硝化作用使得N流失。由于土壤盐基离子会从高海拔区迁移到低海拔区，导致高海拔区土壤以酸性为主且K2O含量较低，此外，高海拔区N的硝化作用也会导致土壤酸化。土壤P受人为因素的影响明显，耕地土壤P含量明显高于其他用地类型。

结合研究区土壤养分元素和pH的空间分布特征，建议在酸性、强酸性土壤分布区适量增加有机肥和钾肥的施用量，减少氮肥施用，利用人为手段调节土壤pH，减少种植茶树、豆科作物，改善土壤酸化问题，而在中性及碱性土壤分布区，可适量增加有机肥的施用量，改善土壤肥力。