滇中元谋土壤养分元素分布特征及异常分析

徐 杰 ，张 亚，王浩宇，程琰勋，徐 磊，瞿 镪

(中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心，昆明 650000)

【研究意义】土壤是农业依存和发展的载体，“发展绿色农业”和“生态文明建设”受到政府部门和社会各界的普遍关注[1]。1990—2020年这30年间，元谋县的草地、城镇、水域等的利用面积增加，耕地、林地和未利用土地面积减小。其中城镇用地面积增速最大，侧面反映出农业生产投入的土地资源和劳动力均在缩减[2]。元谋县是云南最大的冬早蔬菜主产区之一，从1977年至今，历经40余年发展，已经成为元谋县重要的经济支柱，但仍存在多元化种植主导品牌优势不突出、蔬菜种植品质不稳定等问题，掌握耕地变化规律和做好耕地保护，将有利提高全县蔬菜标准化生产水平，进而提升产品质量和产业效益[3]。【前人研究进展】早期学者对元谋干热河谷的土壤侵蚀特征进行研究，指出该区存在一定的水土流失问题[4]，后来通过卫星图像解译元谋耕地资源的时空变化特征，认为其耕地撂荒和扩张缺少理论指导，存在人地关系紧张，耕地分布和配比不均衡的情况[5]。部分学者利用动态度、土地利用程度和类型转换等多个指标分析元谋县的土地现状，认为在土地利用效率不断提高的同时，草地转入与耕地转出之间，还未能找到一个与农业发展相契合的范围。【本研究切入点】“十四五”期间，元谋县继续把高标准农田建设作为重点任务，除原有农田的改造升级外，新农村搬迁之后的耕地规划也成了此项任务的重难点之一，此时，科学的调查数据就显得尤为重要，土壤中养分含量的多少直接制约着耕地的分布与利用，它从根本上限制了农作物的生长情况，制约着农业产值的提高。养分缺乏的地区多存在水土流失问题，因此，掌握土壤养分特征也成为解决土地问题的突破口之一。在元谋县全境开展多目标土地质量地球化学调查(1∶25万)，全面掌握该区土壤中养分元素的空间展布特征就显得非常重要。【拟解决的关键问题】通过对元谋县的土壤养分空间展布特征进行调查和评价，掌握该地区土地质量现状，科学发现问题，用微观和宏观相结合的方法，探讨能有效促进农业生产的土地利用模式。为干热河谷区的生态保护问题提供数据参考，对提高防风固沙林的经济产值问题，农业生产经济化、特色化之后如何更好的带动旅游业发展等的问题提供基础理论支撑。对生态文明建设的工作规划提供科学引导，调查后发现的元素异常问题，如何因势利导，是否需要集中治理等提供解决思路，从而提高该地区土地管理和设计技术水平，科学合理使用土地。

1 材料与方法

1.1 研究区地理与地质概况

元谋县地处滇中高原北部，101°35′～102°06′E、25°23′～26°06′N，属云贵高原高海拔山区和金沙江干热河谷区[6]。南接禄丰，北邻四川，东靠武定，西倚大姚，外界交通主要凭借G1、G5两条高速和1条高铁线(元谋西站)，县内S214省道横贯东西，老108国道连接江边乡、黄瓜园镇至羊街镇。海拔898～2836 m，从低到高分为河谷南亚热带、山地中亚热带、山地北亚热带和山地温带—中温带[7]。

出露地层从老到新依次为晋宁期侵入岩脉、元古界变质基底、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、始新统和第四系。缺少寒武系、泥盆系和石炭系[8]。以南北向的元谋—绿汁江断裂为界(图1)，北东侧以片理化的沉积岩夹变质基性火山岩为主，分布铁铜多金属矿床；南西侧主要为一套强片理化的沉积岩[9]。断层切割作用明显，早期的断层破碎带被进一步风化剥蚀，形成了从江边乡—老城乡这一南北向展布的狭长谷地，第四系广布。东侧地势较高，地层产状平缓，其出露地层较新且分布特征与断层延展情况相同。

1：地层代号；2：元古界变质基底；3：晋宁期侵入岩脉； 4：断层；5：县、乡镇位置

1.2 样品采集

样点布设和采集均按《DZ/T2095—2016土地质量地球化学评价规范》(以下简称“规范”)的相关要求进行[10]，每个样点均采用三角形法或对角线法挖掘4个样坑，坑距≥20 m，各样坑均从0～20 cm采集连续土柱，用竹片削去采集污染面后放入样袋封存。共采集2368件表层土壤样品(图2)，在室温条件下自然风干，过20目尼龙筛，用四分法取200 g样品封存于聚乙烯瓶中，得到531件分析样品，样品处理全程规避外界污染源。

1：采样点位；2：重复样区域

1.3 分析方法与质量控制

样品分析在四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心进行，该中心具备岩矿化学性质测试的甲级资质，符合此次业务委托的有关要求。测定有机碳(Corg)、氮(N)、磷(P)、氧化钾(K2O)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、硫(S)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)、全铁(TFe2O3)、铜(Cu)、硼(B)等养分元素含量，各元素分析方法详见表1。准确度采用土样监控分析测试的国家一级标准，使用重复样法监控测试的精密度，标准物质合格率和重复样相对双差合格率均为100%，数据准确可靠。

表1 养分元素分析方法统计

1.4 数据统计与分析

1.4.1 元素地球化学参数特征 在土地质量地球化学评价中，Cu和Zn同属于养分和环境双评价指标，选择养分评价指标的有关要求进行数据处理和分析。先对数据分布形态进行检验，对不服从正态分布或对数正态分布的数据采用平均值±3倍离差连续剔除异常数据，用插值法对4 km2内无测试数据的单元进行赋值，得到的数据中各元素的相对误差均小于30%，满足数据处理要求，最终得到510组样品分析数据。

1.4.3 土壤养分等级评价 按照地形图内2 km×2 km网格划分评价单元，即每组分析样所能代表的最小区域，评价方法参照规范执行[11]，首先进行单元素评价，统一划分成五个等级，分别为一等(丰富)、二等(较丰富)、三等(中等)、四等(较缺乏)和五等(缺乏)。

根据养分元素影响土壤肥力的程度不同，按规范将其分成三类：Corg、N、P和K2O为大量元素，综合权重系数为0.6；CaO、MgO和S为中量元素，综合权重系数为0.2；Mn、Cu、Zn、Mo、TFe2O3和B为微量元素，综合权重系数为0.2。将单元素评价结果综合在一起，综合等级计算公式如下：

式中,f养综为土壤养分评价总得分；1≤f养综≤5；ki为单元素对应的权重系数；fi为单元素等级得分，单指标评价结果为五等、四等、三等、二等、一等时所对应的fi得分分别为1分、2分、3分、4分、5分。

2 结果与分析

2.1 养分元素分布特征

元谋县土壤养分元素参数特征见表2，将其变异系数(CV)和均衡度(H)进行综合对比，用Person相关系数法计算CV和H值之间的相关性，得到R2=0.66，表明元谋县土壤养分元素的CV和H值呈显著正相关。

表2 养分元素参数特征

元谋县养分元素分布均衡度总体较高，从高到低排序依次为B>TFe2O3>MgO>K2O>Zn>P>Corg>Mo>N>Cu>Mn>S>CaO,大量元素在物质循环中较为活跃，参与动植物代谢程度高且容易造成迁移，故其不易出现峰值且均衡度适中。CaO和S均衡度远低于其他元素，在区域上较易出现亏损和富集(图3)。

图3 CV和H散点图

2.2 土壤养分等级评价

因元素含量超出上限值的部分不属于等级评价范围，为了便于数据处理，将超出上限值的部分单独进行统计，Mo超出上限面积约13 km2，约占0.64%；Mn超出上限面积约25 km2，约占1.24%，S超出上限面积约42 km2，约占2.08%；Cu超出上限面积约116 km2，约占5.75%；Zn超出上限面积约4 km2，约占0.2%。其余元素含量均处于评价区间内。元谋县单元素等级评价结果如表4所示，遵循“短板法则”，评价单元中统计各元素评价的最低等级，为该单元的最终评价等级[12]，其中Corg一等区面积约18 km2，N一等区面积约24 km2，权重大但面积较小，导致元谋县土壤养分等级评价整体偏低。

表4 养分元素等级评价

养分等级综合评价结果显示，元谋县土壤养分元素一等区面积约0 km2，约占0%；二等区面积约142 km2，约占7.03%，分布在姜驿乡西北部、物茂乡—江边乡—黄瓜园镇—平田乡沿线、老城乡和羊街镇东南部，冬早蔬菜生产基地大多分布于此；三等区面积约624 km2，约占30.91%，在元谋县城附近较为集中，其余地区呈零星分布；四等区面积约897 km2，约占44.43%，覆盖面积最广且集中程度较高，广泛发育“土林”风貌，该区域存在一定程度的水土流失问题；五等区面积约356 km2，约占17.63%，沿元谋县界分布，在新华乡和羊街镇相对集中(图4)。

1：丰富；2：较丰富；3：中等；4：较缺乏；5：缺乏

2.3 Corg、N含量偏低和 CaO、S分布异常

土壤中Corg和N含量都和生物圈的循环作用关系密切，用Person相关系数法计算Corg和N值之间的相关性，得到R2= 0.81，元谋县土壤养分元素Corg和N呈显著正相关(图5-a)。

元谋县地势四周高，中间低，东南侧又整体高于西北侧，形成了向金沙江流域倾斜的宽缓箕状地形，降水汇流作用明显，林地、草地退减趋势增强。通过走访调研，江边乡以北(图5-b)的荒地原来种植玉米，持续的土质恶化后很难再种植作物，表层土壤结构缺失伴随着石漠化加剧，保水保肥能力降低，后期种植的桉树(Eucalyptusrobustasmith)长势较差[13]。物茂乡和新华乡以东的荒地(图5-c、5-d)原种植玉米、小麦，现在地表多被稀疏的扭黄茅(Heteropogoncontortus)和孔颖草(Bothriochloapertusa)覆盖，土壤原生结构缺失，情况与新华乡西南以及凉山乡灌木林地(图5-e、5-f)中N和Corg缺失的地块相同。

土壤中CaO分布不均衡。经调查，元谋县城周边及其他地形平缓开阔区域，均有大面积耕地用于种植葡萄、黄瓜和蕃茄，大多农户施用CaO对土壤pH进行不同程度的调节。CaO过剩区域主要分布于姜驿乡东南部、物茂乡北部、元马镇和老城乡，耕地较为集中；较缺乏区域主要沿县域边界展布，在新华乡和羊街镇相对集中，耕地相对分散，而羊街镇含量中等区域刚好对应富含Corg和N的地块(图5-h)。

a：Corg和N相关系数图；b：江边燥红土及植被照片(5月下旬)；c：环州2601 m海拔植被照片(5月上旬)；d：紫色土区耕地及植被照片(5月中旬)；e：燥红土区表层土壤近照(5月下旬)；f：王家村黄棕壤植被照片(4月下旬)；g：羊街坝区作物生长照片(4月下旬)；h：Corg和N综合评价图；1：丰富；2：较丰富；3：中等；4：较缺乏；5：缺乏

S较缺乏区域约占60.62%，中等、丰富和较丰富区域沿物茂乡—元马镇—老城乡呈NW-SE向展布。用Person系数法计算CaO和S之间的相关性，得到R2=0.13,二者不具有明显相关性，选择CaO受人为因素影响较大这一条件反推可知，元谋县土壤S元素较缺乏区域的大面积分布，更多受自然条件制约。

3 讨 论

元谋县气候炎热干燥，平均气温为21.9 ℃，年均降雨量为616 mm，年蒸发量为3627 mm，降水蒸发比严重失衡[14-15]。李德军等[16]通过研究土壤中不同浓度的N元素与植物生长之间的影响机制，认为土壤中N元素含量降低会影响植被覆盖率，同时影响到土壤中有机碳含量，加速水土流失。本文通过结合土壤分析数据和野外实况，在认同此观点的基础上，推测原生的地质结构(构造、地层等)和地貎演化早期对成土母质的控制作用，较大程度影响了后期土壤的保水保肥能力，中高海拔区成土母质地层主体为侏罗系—始新统砂质岩，风化后较易形成紫色土和燥红土，保水保肥能力较弱，此类地块的生态治理也一直是业内研究的热点问题，但相同的成土母质在地势较平和水资源丰富的地区，同样能够形成富含N和Corg的地块，土壤现状是多种因素同时作用的结果。

CaO不是植物所需要的营养成分，在农业生产中也被作为一种特殊肥料(生石灰)来施用。土壤中CaO含量过高，会与H2O产生化学反应，吸收土壤中的水分并释放热量，灼烧作物根系并导致土壤盐碱化，含量过低会导致土壤逐渐酸化，诱发作物病虫害而造成减产。元谋县土壤中CaO分布不均衡，可能与农户按自已的种植需求施用CaO有关；较缺乏区域在新华乡和羊街镇相对集中，耕地相对分散，其中羊街镇含量中等区域刚好对应富含Corg和N的地块，推测研究区土壤中CaO含量与农户耕作时选择性施用生石灰有关。

在大多数非石灰性土壤表层中有机硫占全硫的90%以上，有机硫的循环转化与生态系统丰富程度密切相关[17]。干热河谷区生态系统脆弱，岳学文等早期的研究表明，干热稀树灌草丛是金沙江干热河谷的顶级植物群落，该群落地表郁闭度低[18-19]，太阳辐射较强且蒸发量大，导致生态系统结构简单，土壤因缺水而有机质含量较低，有机硫含量也随之减少。元谋县S大面积缺乏和分布不均或与特殊的气候条件相关[20]。

在早期研究中，何毓蓉等[21]认为该区土壤存在酸化和石灰化、土壤养分贫瘠等特征，近年来，李新燕等[22]通过遥感解译，提出该区存在土壤肥力下降和人地关系紧张等问题。此次调查，将土壤养分空间展布特征进行量化，并进一步将问题根源锁定在CaO、Corg和N的地球化学特征上来，缩小了后期进行大比例尺调查工作的排查范围，也将人为因素和自然因素都进行区分，没有把CaO异常完全限定在自然成因里，提高了成果科学性，对当地农业生产中调节土壤pH，针对农作物生长环境科学合理施用CaO等具有借鉴意义，在该区域缺乏对S的具体研究，此次工作填补了这一空白，据走访调研，在农业生产中大多施用S肥来进行改良，但此方法持续作用时间短且成本较高，从数据层面，要实现该元素通过自然物质循环来达到生产需求还比较困难，目前，在不污染环境、不导致土壤贫瘠化的前提下使用S肥依然可行。欧朝蓉等[23]运用RS和GIS技术相结合的方法，提出在该区应强化特色草本植物的恢复工作并增加植被覆盖度的建议，邓卫东等[24]有关元谋县湿地生态系统的研究表明，在研究区存在过度利用生物资源的情况。以上结果均以此次实地调查中，4—5月份山地植被覆盖率低的客观实际相符。韩姣姣和赵元蛟等通过对元谋局部地区土壤水分的通径分析，认为叶面积指数、生物量和树高是影响土壤中水分含量的间接因素[25-26]。多方调查成果可归结为一点，植被覆盖率低导致了土地贫瘠，笔者在认同此类观点的基础上加以补充，土地贫瘠致使植被生长环境恶化，环境恶化加速土地贫瘠化和水土流失。一直以来，植被恢复多倚靠政府的政策扶持，很多水土流失区域“地广人稀”，专业治理队伍的工作难度也较大，治理工作推进缓慢。笔者认为，土地改良具有工作周期长、经济效益低和成果难维持的特点，经济因素直接影响着群众改良土地的自觉性，较之现代化农业，“无土栽培”产量高且已脱离土地束缚，但与之相伴的“传统绿色农产品”也越来越受到人们追捧。传统绿色农业具有不可替代性，它除了经济属性、环境和人文属性同样不可忽视，笔者认为无论科技如何发展，我们依然该把水土保持、逐步改善土地状况视为农业衡稳发展的基础。长期工作应着眼于前，在生态文明建设中，多地出现“生态文明村”、“生态农业产业园”等优质项目，农业与旅游业的深度融合一再刺激着经济发展，小范围的生态文明建设或引起大范围的效仿学习，增强环保意识，从身边的水土保持开始逐步外扩，形成一种文化渗透。因此，在经济产出和水土保持间寻找平衡点，实现农业发展和生态文明建设的整合优化依然任重道远。目前，元谋县土地利用较为合理，土壤养分问题需要在后期的土地规划利用中逐步改善，暂无速成之法。在遵循客观实际的基础上，结合地区农业发展特点做到因势利导，逐步缓减干热河谷区的生态劣势，合理施用农肥，实现农业产能的稳步提升[27-28]。

4 结 论

元谋县表层土壤中养分元素有机碳(Corg)、氮(N)、磷(P)、氧化钾(K2O)、氧化镁(MgO)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)、全铁(TFe2O3)、铜(Cu)、硼(B)分布均衡，硫(S)和氧化钙(CaO)均衡度低于其他元素。土壤养分综合评价等级偏低，主要受制于Corg和N的含量整体偏低，在成土母质相同的情况下，评级较高区域都具有植被覆盖率高的特点。土壤中CaO异常主要受人为因素影响， 干热河谷生态系统中缺少有机硫，是土壤中S缺乏和异常的主要根源。