不同土地利用对黄土丘陵区小流域土壤微量元素的影响

张宁宁，许佳聪，田 仓，严加坤，亢福仁

(1.榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000；2.陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000)

土地资源是人类赖以生存的重要资源，合理利用土地资源有利于农业生产、改善生态环境和促进人类可持续健康发展[1]。土壤中微量元素广泛存在，参与动植物的生长和代谢调节，其含量高低可间接体现土壤的状况[2]。研究表明影响土壤微量元素的因素众多，其中土地利用方式的变化可以改变土地植被覆盖率，从而影响土壤理化性状、土地表面径流以及土壤的侵蚀状况等，进而对土壤微量元素含量产生影响[3-4]。同时，土壤微量元素有效量之间存在着相互作用关系[5]。因此，解析土壤微量元素的空间变异性成为土壤生态环境评价和土地资源可持续利用中的重要环节。

自20世纪80年代以来，为遏制水土流失，黄土高原地区实施了一系列水土保持措施，尤其是1999年开始的退耕还林(草)政策，人为治理使大面积耕地转换为林地或草地、灌木林以及苹果园等，植被覆盖明显提升、土地覆被也发生显著变化[6-8]。小流域内植被复杂，乔灌草混杂，影响土壤微量元素空间分布的因子复杂多变[9-11]。其中，不同的治理程度、不同的土地利用方式、多样的地形地貌、不同程度的侵蚀等因素均导致小流域土壤微量元素空间分布特征有较大的差异性[12-14]。因此，开展退耕还林(草)背景下黄土高原典型小流域土壤微量元素分布特征研究，对于揭示区域水土环境质量演变特征、制定合理的水土环境管理措施与开展环境效应评价具有重要的科学和实践意义。

1 材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于陕西省延安市燕沟流域的一条支沟，地处延安市南3 km处，流域面积为5.23 km2，主沟道长为4.85 km，退耕前该区植被稀疏，水土流失严重，土壤贫瘠，多年平均侵蚀模数为6000 t/(km2/a)[15]。该地区为半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量为423 mm，降雨集中，主要发生于7～9月，且多以短历时强降雨的暴雨形式出现。土壤类型为黄绵土。研究小流域于1999年开始大面积实施退耕还林(草)，并于2002年全部完成，退耕总面积1.03 km2。退耕地的植被以乔—灌—草结合的模式出现，乔木(刺槐)为主，灌木(柠条、沙棘等)次之。

1.2 土壤样品的采集和处理

根据小流域土地利用状况调查，选取林地、灌木、草地、苹果园、坡耕地和沟道6种土地利用类型为土壤采集样地，以研究区内小流域的地势和地形特点，以及每种土地利用类型的面积为依据，采用“S”法取样，采样深度为耕层20 cm，取样工具为土钻。在灌木地布设样点18个，沟道13个，苹果园15个，林地16个，草地34个，坡耕地7个，共采集206个土壤样本。土壤样品采集工作完成以后，将土壤样品带回实验室，将土壤中混杂的植物根系等杂物取出后，使土样自然风干，风干后过0.25 mm的尼龙筛，装袋备用。

1.3 指标测定

将处理好的土壤样品通过“双酸消解”的方法进行预处理，即称取处理好的土壤样品0.5 g放入聚四氟乙烯消解管，加入10 mL的氢氟酸(HF)和3 mL的高氯酸(HClO4)，置入设定好的48孔消解炉内在180 ℃下消解至氢氟酸挥发干净，再加入2 mL高氯酸继续消解至尽干，取下稍微冷却之后，加5 mL 1∶1的盐酸(HCL)使消解后的干物质充分溶解，然后转移至50 mL容量瓶，定容至刻度，此为待测样品。测定了四种典型的土壤微量元素Cu、Zn、Mn和Fe，其中Cu、Zn、Mn三种元素使用消解好的原液测定即可，而Fe元素测定时用该原液稀释25倍后的稀释液进行上机测定。微量元素含量的测定均采用火焰原子吸收分光光度计进行测定。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007对原始数据进行处理和作图，采用 SPSS 21.0软件对试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1小流域土壤微量元素的分布特征

分析了土壤微量元素在小流域的总体分布特征，结果如图1。从图1可知，四种微量元素Mn、Fe、Cu、Zn在研究区域的土壤中分布的平均值分别为535.59 mg/kg、26720 mg/kg、411.39 mg/kg、1140.34 mg/kg，即在研究小流域内，土壤Fe元素的含量显著高于Zn、Mn和Cu元素，且三种元素含量分别比Fe元素含量低95.7%、98.0%和98.5%。分析研究小流域土壤Mn、Fe、Cu、Zn四种微量元素含量之间的相关关系，结果如表1。从表1可知，土壤微量元素Fe、Cu、Zn三者之间呈极显著相关关系(P<0.01)，即随着一种微量元素含量的增加或减少，另外两者的含量也会明显受到影响。而Mn元素含量与其它三种微量元素之间均不存在显著相关关系(P>0.05)。

图1 土壤微量元素在研究小流域的分布特征

表1 土壤四种微量元素含量的相关关系分析

2.2 土壤微量元素含量在不同土地利用方式下的分布状况

四种微量元素含量在研究小流域不同土地方式下的分布状况如表2所示。从表2可知，在该研究区内，元素Mn含量的分布状况是林地>坡耕地>灌木>苹果园>沟道>草地，平均含量分别为568.25 mg/kg、558.07 mg/kg、530.46 mg/kg、522.19 mg/kg、519.56 mg/kg、516.53 mg/kg；元素Fe含量是沟道>苹果园>灌木>林地>坡耕地>草地，平均含量分别为28691.92 mg/kg、26889.17 mg/kg、26739.25 mg/kg、26400.01 mg/kg、25902.67 mg/kg、25864.78 mg/kg；元素Cu含量是沟道>苹果园>灌木>林地>草地>坡耕地，平均含量分别为449.03 mg/kg、433.87 mg/kg、424.68 mg/kg、407.16 mg/kg、377.88 mg/kg、374.43 mg/kg；元素Zn含量的分布状况是沟道>灌木>林地>苹果园>坡耕地>草地，平均含量分别为1181.92 mg/kg、1179.09 mg/kg、1143.99 mg/kg、1129.84 mg/kg、1107.60 mg/kg、1097.53 mg/kg。总之，四种微量元素除Cu元素以外，其它三种微量元素均表现为草地里含量最低；且除Mn元素以外，其它三种微量元素含量均表现为在沟道最高。

表2 不同土地利用方式下四种微量元素含量的分布状况

进一步分析发现四种元素在不同土地利用方式下的土壤中分布的变异系数均小于10%，即均属于弱变异。在坡耕地和沟道，土壤中微量元素分布的变异系数相对较大，在灌木和林地中，土壤微量元素分布的变异系数相对较小。其中，元素Mn分布的变异系数排序为草地>坡耕地>沟道=林地>苹果园>灌木，即草地中最大，灌木中最小；元素Fe排序为沟道>灌木>苹果园>坡耕地>林地>草地，沟道中最大，草地最小；元素Cu排序为沟道>草地>林地>坡耕地>灌木>苹果园，在沟道最大，苹果园最小；元素Zn排序为坡耕地>沟道>苹果园>灌木>林地>草地，即坡耕地最大，草地最小。

2.3土地利用方式对于微量元素分布的影响

2.3.1 土地利用方式对Mn元素分布特征的影响

如表3所示，不同土地利用中土壤Mn元素含量不同。其中，在林地中，除与坡耕地不存在显著差异外，与其他土地利用均达到极显著差异(P<0.01)；在灌木地中，则仅与林地和坡耕地的差异达到极显著差异(P<0.01)；在草地中，与林地、草地与坡耕地的差异达到极显著水平(P<0.01)；在苹果园中，与林地、苹果园与坡耕地的差异达到极显著水平(P<0.01)；而在沟道，仅与林地与坡耕地的差异达到极显著水平(P<0.01)。

表3 Mn元素在不同土地利用方式下分布的差异性分析

2.3.2 土地利用方式对Fe元素分布特征的影响

如表4所示， Fe元素在沟道中与其他土地利用均表现出极显著性差异(P<0.01)，其他的样地中则表现不同。其中，在林地中除沟道外，其他均无差异(P>0.05)；在灌木地，与草地和沟道具有极显著差异(P<0.01)；在草地，与灌木具有显著差异(P<0.05)，与苹果园和沟道具有极显著差异(P<0.01)；在苹果园，与草地和沟道具有极显著差异(P<0.01)；在坡耕地，与苹果园具有显著差异(P<0.05)，与沟道具有极显著差异(P<0.01)。

表4 Fe元素在不同土地利用方式下分布的差异性分析

2.3.3土地利用方式对Cu元素分布特征的影响

如表5所示，不同土地利用方式对土壤中Cu元素含量的影响不同。其中，林地、草地、坡耕地和沟道与其中的四种土地利用中Cu元素含量均存在极显著差异(P<0.01)；但是灌木和苹果园地中的土壤Cu元素分布则与其中三种土地利用中Cu元素含量均存在极显著差异(P<0.01)。

表5 Cu元素在不同土地利用方式下分布的差异性分析

2.3.4土地利用方式对Zn元素分布特征的影响

如表6所示，不同土地利用方式对土壤中Zn元素含量的影响不同。其中，在林地，Zn元素含量显著不同于草地(P<0.05)，但与其他土地利用无显著差异(P>0.05)；在灌木地，与草地、灌木与坡耕地的差异达到了极显著水平(P<0.01)；在草地，与林地、灌木地和沟道表现为极显著差异(P<0.01)；在苹果园，与灌木和沟道的差异达到了显著水平(P<0.05)；在坡耕地，与灌木和沟道具有极显著差异(P<0.01)；在沟道，与草地、苹果园和坡耕地的差异达到了极显著水平(P<0.01)。

表6 Zn元素在不同土地利用方式下分布的差异性分析

3 讨论与结论

3.1讨论

本研究结果显示，土壤中Fe元素的含量显著高于微量元素Zn、Mn和Cu，这与赵丽芳等[16]的研究结果相同，但与曾妍妍[17]的研究结论相反。造成该结果的主要原因是区域差异，本研究区的土壤性质和地形、降雨、植被覆盖率等与赵丽芳的研究区的状况比较接近，而与新疆地区的状况相差比较大。Fe的含量为26.7 g/kg，虽然显著高于其它的元素，但未能达到全国土壤背景值。Mn的含量为535.59 mg/kg，也低于全国土壤背景值，微量元素Cu和Zn在研究区内的含量高于全国土壤背景值。在后续的土壤管理中，应注意通过施肥等措施来提高Fe和Mn的含量，以保证作物的正常生命活动需要。根据已有研究可知，土壤有机质含量增加一定程度时再增加会使微量元素Mn的含量下降，使Cu的含量增加[18-19]。说明在该研究区内有机质的含量丰富，不能通过增加有机质来改善土壤中Fe、Mn的含量。研究还发现微量元素Mn与Cu、Fe、Zn之间不存在显著的相互影响关系，而除Mn外的三种元素之间有着明显的相互影响。因此，在该研究区改善某种微量元素时，要考虑到对其它微量元素可能造成的影响。

对四种微量元素在不同土地利用的研究发现，Cu、Fe和Zn三种元素的含量均在沟道中最高，而在坡耕地和草地普遍偏低。分析主要是由于土壤侵蚀作用的影响，三种元素随径流和泥沙在沟道里产生沉积[20]，而坡耕地是因为一方面受人为耕作的影响更容易产生侵蚀现象，另一方面坡耕地种植作物，作物对于微量元素的利用也是微量元素的分布低于其它土地利用的重要原因[21]。草地是由于研究小流域的草地均是自然恢复的荒草地，无人为施肥的行为，且植被类型单一，覆盖率也较低，均导致微量元素的缺乏。

除此以外，坡耕地受人为影响最大，坡耕地种植的作物类型、耕作方式以及施肥方式的不同均使土壤微量元素分布不均[10]。而沟道里土壤微量元素分布变异系数偏大的原因可能是沟道在小流域分布比较零散，且地形地势比较复杂，降雨侵蚀和泥沙沉积过程造成了在沟道里土壤微量元素分布变异系数偏大。但是总体上，微量元素在不同土地利用方式下分布的变异系数均为弱变异，即小流域内微量元素分布比较均匀。

3.2结论

(1)在该研究区内，微量元素含量总体分布状况是Fe>Zn>Mn>Cu。其中，Fe元素的含量明显高于其它的微量元素，Zn含量次之，Mn和Cu的含量相对较少。Fe元素与Cu和Zn元素之间呈极显著相关关系，但Mn元素与其它三种元素之间的相关关系不显著。

(2)土地利用方式显著影响了四种元素在研究小流域的分布特征。其中，Mn元素的分布状况是林地>坡耕地>灌木>苹果园>沟道>草地，Fe元素的分布状况是沟道>苹果园>灌木>林地>坡耕地>草地， Cu元素的分布状况是沟道>苹果园>灌木>林地>草地>坡耕地，Zn元素的分布状况是沟道>灌木>林地>苹果园>坡耕地>草地。

(3)微量元素Mn、Fe、Cu、Zn在该研究区域内的六种土地利用方式下的土壤中分布的变异系数均小于10%，属于弱变异，分布比较均匀。