阜平县土壤有效态微量元素的空间变异

张弛， 刘聪,3， 张瑞芳， 周大迈， 王红

(1.河北农业大学，河北 保定 071001；2.国家北方山区农业工程技术研究中心，河北 保定 071001；3.河北省唐山市自然资源和规划局，河北 唐山 063000)

土壤中的营养元素根据含量和植物的需求量，分为大量营养元素、中量营养元素、微量营养元素及有益元素。虽然植物对微量元素的需要量很少,但它们对植物的生长发育的作用与大量营养元素是同等重要的铜(Cu)，锌(Zn)，铁(Fe)，锰(Mn)等。土壤中微量元素的有效态含量是指以相对活动状态存在于土壤中，能够被作物吸收利用的那部分微量元素的含量[1]。微量元素虽然土壤中含量较低，但依旧是作物必不可少的营养物质[2-3]。有研究表明，土壤有效态微量元素的多少严重影响作物的品质和人类健康[4-5]。

人们对不同空间下土壤特性的认知，是从地质研究和生物分类学的实践中得出的。土壤分为多种类型，每种类型的土壤都有其自身的特征。从空间上看，整个研究区域被划分成一些离散的斑块，斑块之间具有完全不同的属性及特点，且认为斑块内部的土壤性质一致。到20世纪90年代，经典统计学发展日益成熟，土壤分类学家开始将土壤分类法与经典统计学相结合，运用最值、均值、方差及变异系数等参数来描述土壤的属性。同时，DENTON等[6]建立了基于区域化变量理论的地质统计学，以半方差函数描述变量在空间中的依存关系，使用克里格差值来实现对未来采样区的最优无偏估算。

近年来，土壤学家开始逐渐关注和重视土壤养分的空间变异规律，并取得了一定的效果。研究所涉及地域地形、土壤类型也在不断地丰富，如森林[7]、农田[8]、高原[9]等。目前，大量学者对土壤微量元素的相互作用关系和微量元素的空间分布特征等方面开展了大量的研究[10-12]，其研究方法也越来越复杂多样，其中主要有GIS与地统计学结合技术[13]和广义回归神经网络[14-15]。但是，这些研究也存在一些问题，如样品采集地区空间范围小，采样点数量少，研究对象主要集中于大量营养元素，而且以县域为单位进行的土壤微量元素有效态的研究较少。本研究以有效态Fe、Cu、Zn、Mn为研究对象，利用地统计学和GIS技术，对河北省阜平县微量元素的局部分布特征进行了调查，并对其影响因素进行了分析，以期为当地农业生态建设提供技术支持。

1 研究区概况

阜平县地理位置处于河北省的中西部，该地区属于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，年平均降雨量为615.6 mm，年平均气温为12.7 ℃，阳光充沛，四季分明。农用地面积为82 397.92 hm2，其中耕地面积14 573.40 hm2，是传统的农业、林果大县。地势呈现西北高、东南低的趋势。全县共包含6个土类、13个亚类、35个土属以及114个土种[16]。褐土属于地带性土壤，包括褐土亚类、碳酸盐褐土亚类、草甸褐土亚类、淋溶褐土亚类以及褐土性土亚类，占全县土地总面积的78.54%。

2 材料与方法

2.1 样品采集

本次研究中，主要通过参考阜平县土地利用现状图、土壤图及行政区划图等相关图形资料，来进行布点及采样。以全面性、客观性为原则，结合实际情况，选取具有代表性和可比性的样品采集点位，定位过程中的应用仪器为GPS定位仪，精度采用0.1″。布点及采样遵循《耕地地力调查与质量评价技术规程》[17]规定，于2012年5月，在0～20 cm厚度的土层中进行采样。必须确保有足够的采样点来表示样品单元的土壤特性，每个样本取样本点的个数为15～20个，研究区共采集0～20 cm土壤样品3 460个。采样点共55 360个，具体取样点位见图1所示。

图1 阜平县土壤样点点位分布图Fig.1 Distribution map of soil sampling points in Fuping County

2.2 样品分析与测定

采样过程中利用GPS进行采样点定位，并记录采样点地貌特征、土壤类型和作物种植等地理环境信息。土壤样品运回实验室，经自然风干、剔除杂物后碾磨过0.85 mm网筛，并进行分析测定。

2.3 数据处理

使用SPSS 22.0数据分析和统计软件，处理对土壤微量元素测得的数据，包括异常值处理，描述性统计分析以及数据正态分布检验。数据统计结果与变量空间结构特征会受到异常值的影响[17]。本研究使用域法识别异常值的方法，即域内上下限为平均值加减3倍标准差，用上限值与下限值替换超出上下限的异常值。

通过数据分析，得出最大值、最小值、标准差、平均值、峰度、偏度、变异系数等统计数据；在对数据进行空间分析前，需对数据进行正态分布检验，目的是避免产生比例效应。该研究为确保数据服从正态分布，采用正态Q-Q图与偏度-峰度检验联合检验的方法对数据进行正态分布检验。之后，以GS+9.0软件为手段，对合适的数据进行模型选择及半方差函数分析，最终获得土壤微量元素半方差函数的相关参数和理论模型。最后，利用ArcGIS 10.3软件得到普通克里格插值，绘制土壤微量元素空间分布图，再使用Spatial Analyst模块对各级分布数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 阜平县土壤微量元素有效态Cu、Zn、Fe、Mn含量的描述性统计分析

根据阜平县土壤有效态Cu、Zn、Fe、Mn含量的原始数据的描述统计结果进行处理，处理后的描述统计结果如表1所示。

表1 土壤有效态微量元素的描述统计(处理数据)Table 1 Statistical description of soil available micronutrients (processed data)

数据最大值与最小值经替换之后与原始数据相比显现出一定的差异，表1中有效态Cu、有效态Zn和有效态Mn的最大值与有效态Mn的最小值为对其进行公式运算后所产生的数值，将原有数据中的异常值用处理后的数据替换掉。将有效态微量元素的最大值进行替换，替换后，变异系数、峰度、偏度值的变化均较大。有效态Fe的原始数据经替换后，由于差值数量变化较小，因此，描述性统计分析的对比变化并不明显。将数据中的异常值剔除处理后，对数据的峰度、偏度及变异系数的影响均不显著。按照河北省土壤有效态微量元素分级标准，从平均含量来看，4种有效态微量元素的含量水平不高，土壤有效态Fe、Mn、Cu、Zn平均含量分别为17.06、11.34、1.76、1.39 mg·kg-1。

变异系数(CV)是一种统计数据，用于衡量土壤的空间变异性[18]。通常来讲，CV≤10%空间变异性较弱，CV=10%～ 100%空间变异性为中等水平，CV≥100%空间变异性强。阜平县土壤有效态Fe、Zn、Cu和Mn的含量在空间上均属于中等程度变异。按照由大到小的顺序对各微量元素的变异系数进行排列，顺序为Zn(56.71%)>Cu(49.00%)>Fe(34.15%)>Mn(33.57%)。偏度是一种评价指标，能够衡量分布不对称及偏斜程度，偏度值越接近于0，数据越服从正态分布。由表1可知，仅有效态Mn含量的峰度值和偏度接近0，并初步判断有效态Mn含量服从正态分布。初步判断其余微量元素不服从正态分布。

3.2 有效态微量元素的正态分布检验

本研究使用标准的Q-Q图检验方法来测试数据的正态分布。散点分布越接近该直线，数据越接近于正态分布[19]。

由描述性统计分析可知，只有有效态Mn含量初步认定为服从正态分布。因此，为使有效态Zn、有效态Cu、有效态Fe使其服从正态分布，将其进行对数转换。经对数转换后，3种有效态微量元素正态分布图2。

图2 土壤有效态微量元素Q-Q图

3.3 阜平县土壤有效态微量元素半方差函数分析

变异函数理论模型的各项拟合参数决定了理论模型的选择，土壤有效态Cu、Zn的最优半方差模型为线性模型，高斯模型是土壤有效态Fe的最优模型，球型模型为土壤有效态Mn的最优模型[20]。块金值与基台值的比值被定义为基底效应，若基底效应小于25%，说明系统的空间相关性处于强烈的水平；若基底效应在25%到75%之间，说明系统的空间相关性处于中等水平；若基底效应大于75%，说明系统的空间相关性处于非常弱的水平[21]。

块金值越大，表示样本间的变异更多是由随机因素引起的。其中，有效态Mn和Cu的空间相关性较强，说明这2种微量元素受气候、土壤、母质、地形等结构性因素影响较为严重。有效态Zn和Fe的空间相关性呈中等水平，说明这2种微量元素的空间变异受结构性因素和随机性因素共同影响，即自然因素与耕作、施肥等人为因素的共同影响。可变区域反映了空间相关性的最大距离。 变量范围内的变量之间存在空间相关性。 如果超出变量范围，则认为变量彼此独立[22]。

Zn和Fe决定系数在0.8左右，拟合效果比较好；Cu和Mn决定系数在0.2左右，拟合效果差。

表2 土壤有效态微量元素的半方差函数及其拟合参数

3.4 阜平县土壤有效态微量元素空间格局与分区统计分析

参考土壤微量元素有效态养分分级标准和相关文献分级标准，结合阜平县土壤微量元素的实际含量，制订阜平县微量元素有效态养分含量的分级标准，如表3。利用ArcGIS 10.3软件，对微量元素数据进行普通克里格插值，绘制出阜平县土壤有效态微量元素分布图(图3)，再应用Spatial Analyst模块分析出微量元素在阜平县的各级分布(表3)。

图3 阜平县土壤有效态微量元素分布图Fig.3 Distribution map of soil available microelements in Fuping County

表3 阜平县土壤微量元素含量分级面积统计Table 3 Grading area statistics of the contents of soil available microelements in Fuping County

由图3可以看出，有效态Fe在西南与东北方向空间分布含量较高，高值区在阜平县的西南部分布；有效态Mn含量高值区分布在阜平县的西北部，向东南方向逐渐递减。大概与土壤形成的地质环境有关，有效态Mn的含量在西北部的山地分布较高。可能受人为因素的影响，有效态Zn和有效态Cu的空间分布大体呈岛状分布，阜平县的西部区域零散分布着有效态Zn的高值区，有效态Cu的高值区零散分布在阜平县西南部。

通过分析表3的数据，全县有效态Fe含量分布最广的以高等水平16～20 mg·kg-1为主，土壤有效态Fe基本处于中等及中等偏高水平，占总面积的86.79%。有效态Fe含量低的地块，占阜平县的13.21%。以上数据表明，县域内有效态Fe含量较为丰富，基本能够满足作物生长的日常需要。全县有效态Mn含量基本处于中等水平，含量分布最广的以11～15 mg·kg-1为主，有效态Mn缺乏地区主要分布在阜平县东部和少部分西北部地区，占总面积的5.46%。空间分布最广的有效态Cu含量以1～2 mg·kg-1为主，平均值含量水平较低，缺乏地区的面积占比为71.12%，Cu元素缺乏情况十分严重，应及时对Cu元素肥料进行补充；有效态Zn以2～3 mg·kg-1的含量分布最为广泛。和有效态Fe、有效态Zn及有效态Mn的情况相似，含量分布均处于中等水平，所以需对微量元素肥料进行及时补充。

土壤有效态微量元素的含量分布不仅由自然因素决定，如：成土母质、地形、气候等，还深受施肥管理、耕作等人为因素的影响。其中，施肥管理十分影响土壤中微量元素的含量变化。结合第2次土壤普查(1980年)的调查结果，4种有效态微量元素的数量均有增加。因此，人文活动干预较多，农业生产中农民对微肥及有机肥的重视程度明显提高。第2次土壤普查中(1980年)，得到Cu、Zn、Fe、Mn 4种微量元素的含量，分别为0.547、0.418、7.674、10.02 mg·kg-1。

3.5 阜平县土壤有效态微量元素与主要元素的相关性分析

土壤有效态微量元素空间分布的影响因素较多。本研究主要探讨土壤主要营养元素对土壤有效态微量元素的影响。主要营养元素与土壤有效态微量元素含量的相关性分析见表4。

表4 土壤主要元素与微量元素的相关性

有机质、碱解氮、有效态磷和速效钾都与Cu、Zn、Mn呈极显著的正相关性，只有Fe对速效钾的正相关性不强。根据土壤有机质的定义，说明该地区的土壤肥力较强，属于优质土壤；此外，分析数据表明N、P、K养分含量高的地区，有效态微量元素的含量也就越高。由此可以推测，人们在施加普通肥料的同时开始注重微量元素的施用，可以通过人为增加土壤养分的施入量来提升土壤中各微量元素的含量。

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究以河北省阜平县为例，研究了县域土壤有效态微量元素的空间变异特征、分布规律及影响因素，主要结论如下：

1)按照河北省土壤有效态微量元素分级标准，阜平县土壤有效态Fe、Mn、Cu、Zn平均含量分别为17.06、11.34、1.76、1.39 mg·kg-1，土壤有效态Mn、有效态Zn、有效态Fe 3种微量元素含量均处于中等水平，有效态Cu含量处于偏低水平，整体土壤有效态微量元素含量不高。阜平县土壤有效态微量元素的含量在空间上均属于中等程度变异(10%～100%)。变异系数最大的是有效态Zn，为56.71%，按照由大到小的顺序对各微量元素的变异系数进行排列，顺序依次为有效态Zn、有效态Cu、有效态Fe、有效态Mn，有效态Mn的变异系数最小，为33.57%。

2)本研究利用普通克里格方法，在半方差函数拟合模型的基础之上，对阜平县有效态微量元素进行地统计特征分析，Cu和Mn的块金系数均<25%，具有强烈的空间相关性，说明这两种微量元素受人为因素影响较小；有效态Zn和Fe具有中等的空间相关性，说明这两种微量元素的空间变异是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。4种微量元素的变程为0.06～0.08 km；Cu和Zn符合线性模型，Fe符合高斯模型，Mn符合球状模型。

3)对阜平县的土壤微量元素含量的空间插值图进行了分析，其空间分布规律有效态Mn的空间分布在西北方向最多，逐渐向东南方向递减；有效态Fe的空间分布从东北地区逐渐向中部递减，有效态Zn和有效态Cu的分布形状表现出岛状。

4)有机质、碱解氮、有效磷和速效钾都与Cu、Zn、Mn呈极显著的正相关性，只有Fe对速效钾的正相关性不强。N、P、K养分含量高的地区，有效态微量元素的含量也就越高。

4.2 讨论

利用ArcGIS对微量元素的空间信息进行分析，结合土地利用现状、成土母质、地形、气候等相关数据，整合土壤中有机质含量与N、P、K大量元素信息，综合分析了土壤中养分含量，为进一步开展阜平县土壤检查与质量改良提供理论依据。

有研究发现，成土母质、土壤理化性质、地形地貌等自然因素对土壤的空间差异性有着显著的影响[23-25]。本研究发现，有效态Mn的空间分布在西北方向最多，逐渐向东南方向递减。其原因可能是阜平县的地势基本呈现西北高，东南低的表象。这与部分学者发现Mn的高含量主要分布与海拔较高的地区的结论相符合[26]。同样，Cu元素的高值区域多分布与地势平坦地区[27]。因此，阜平县的Cu分布情况呈现岛状分布状态。其中Zn、Cu 元素的相对高含量主要分布于石灰(岩) 土，因此，Zn与Cu元素相同呈现岛状分布[28]。

阜平县土壤有效态Mn、有效态Zn、有效态Fe含量均处于中等水平，有效态Cu含量处于偏低水平，整体土壤有效态微量元素含量不高。施肥可以有效增强土壤养分补给，且土壤微量元素在施肥过程中也呈现动态的变化。应结合有效态微量元素的空间分布，因地制宜配方施肥，进行分区差异化管理，从而使土壤得到不断改良，助力农业生产的可持续发展。