北京市农用地土壤微量元素有效态含量特征及其影响因素分析

李欢 黄勇 闫广新 郑祺恺 黄丹 李迪 王宇辰

摘 要：土壤微量元素有效态含量不仅影响作物产量，还能够影响作物品质。选取昌平、平谷、房山和通州4处种植区，采集作物根系土样品80份，探讨土壤中有效铜、有效锌、有效铁、有效硫、有效锰、有效钼和有效硼等7种有效态的含量特征和丰缺状况，并对其影响因素进行了分析。结果表明：土壤中有效铜、有效锌含量丰富，有效铁、有效硫含量较丰富，有效锰含量中等，有效钼、有效硼含量较缺乏。土壤微量元素有效态含量的高低受元素全量、pH值、有机质含量等多种因素的共同影响，铜、锌、硫、钼元素的全量与有效态之间呈正相关性;pH值与有效硼之间呈正相关性，与其他元素有效态之间呈负相关性;有机质与有效锌、有效硫、有效锰以及有效硼之间存在较为显著的正相关性。

关键词：微量元素有效态;农用地;分级评价;影响因素

Content characteristics and influencing factors of available trace elements in agricultural soil in Beijing

LI Huan， HUANG Yong， YAN Guangxin， ZHENG Qikai， HUANG Dan， LI Di， WANG Yuchen

（Beijing Institute of Ecological Geology，Beijing 100120， China）

Abstract： The available content of soil trace elements can not only affect crop yield， but also crop quality. Four planting areas， Changping， Pinggu， Fangshan and Tongzhou， are selected to collect 80 samples of crop root soil. The content characteristics is discussed including abundance and deficiency of seven available forms in soil， such as available Cu， available Zn， available Fe， available S， available Mn， available Mo and available B， and their influencing factors are analyzed. The results show： the soil in the study area is rich in available Cu and available Zn， fairly rich in available Fe and available S， medium in available Mn， and lacking in available Mo and available B. The available content of soil trace elements is affected by many factors， such as total element content， pH value， organic matter content and so on. There is a positive correlation between the contents of Cu， Zn， S and Mo and the available state. There is a positive correlation between pH and available B， and a negative correlation with the effective state of other elements. There is a significant positive correlation between organic matters and available Zn， available S， available Mn and available B.

Keywords： effective state of trace elements; agricultural land; graded evaluation; influencing factor

土壤中微量元素主要來自岩石和矿物，但大气沉降物、农业施肥也在一定程度上影响着微量元素的分布特征（黄昌勇，2000）。硼、钼、铜、锌、锰和铁等是作物生长不可缺少的微量元素，这类元素的丰缺状况直接影响到作物的生长发育（黄增奎等，1995;杨绍聪等，2001）。作物在生长过程中缺乏微量元素，会出现不同的生理缺素症，如玉米缺锌出现花叶条纹病、桑树缺铁出现黄化病、萝卜缺硼出现褐色心腐病（刘斌等，2008），烟株缺少微量元素直接影响烟叶化学成分的协调及香味成分的含量（张文婧等，2012），荔枝缺少微量元素会出现低产、不稳产的情况（沈庆庆等，2013）。由于微量元素全量仅是贮存指标，并不能代表其有效性，因此，关于微量元素有效态的研究工作越来越受到重视。

从自然源分析，土壤类型、酸碱度、有机质、土壤质地和海拔等因素均会影响土壤中微量元素有效态的分布特征（吴彩霞等，2008;苏春田等，2015;邓邦良等，2016;李珊等，2017;Kumar et al.，2020）;从人为源分析，农业施肥与灌溉、矿山开发、土地整理与开垦等人类活动也会导致微量元素含量的变化（谢岳等，2018;Paloma et al.，2021;赵云峰等，2020;马学利，2021）。因此，需从不同角度探索影响农用地土壤微量元素有效态含量状况与分布特征的因素。

北京市的农用地主要有果园、耕地、林地等，其中北京北部山前的丘陵地带是苹果、大桃、板栗等特色果业的集中种植区，南部的平原区则是小麦、玉米、蔬菜等大宗作物的集中种植区。通过选取以苹果为特色的昌平种植区、以大桃为特色的平谷种植区、以小麦为特色的房山种植区和通州种植区为研究区，在掌握土壤微量元素有效态含量状况与丰缺特征的基础上，从多个角度对影响有效态含量的因素进行了分析，旨在为科学精准使用微肥、提升作物产量和品质提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

北京市的地势西北高东南低，基本构成西、北、东三面环山，东南低缓呈一平川的地形概貌。北京市河系属海河流域，河网发育，区内从东到西分布有蓟运河、潮白河、北运河、永定河和大清河五大水系。属暖温带、半干旱、落叶阔叶林与森林草原—褐色土地带，垂直地带性土壤为山地草甸土—棕壤—褐土—潮土（郭莉等，2012;2017）。温带大陆性季风气候，2018年全区年平均降雨量546.5 mm，年平均气温13.6℃，年平均风速2.0 m·s-1。种植结构主要为冬小麦、玉米、蔬菜等，另有苹果、大桃、葡萄、西瓜等特色农业。

为了使研究工作更具有代表性，能够反映出研究区内不同种植结构下的土壤有效态的分布特征（贾三满等，2021），在西北部的昌平（流村镇—南口镇一带）、东北部的平谷（峪口镇—刘家店镇一带）、西南部的房山（琉璃河镇—石楼镇一带）、东南部的通州（牛堡屯—漷县一带），各选定1处种植区开展研究（图1）。其中昌平种植区（简称“CP”）面积46 km2，海拔70～200 m，土壤类型以洪积冲积物褐土性土为主，种植结构以苹果为主;平谷种植区（简称“PG”）面积100 km2，海拔40～150 m，土壤类型以洪积冲积物褐土、褐土性粗骨土、酸性岩类淋溶性褐土、潮褐土为主，种植结构以大桃为主;房山种植区（简称“FS”）面积72 km2，海拔20～50 m，土壤类型以复石灰性褐土、壤质潮土、湿潮土型水稻土为主，种植结构以小麦和玉米为主;通州种植区（简称“TZ”）面积57 km2，海拔10～30 m，土壤类型以壤质潮土、黏质潮土为主，种植结构以小麦和玉米为主。

1.2  样品采集与分析测试

在作物成熟季节采集根系土样品，共计80份。其中昌平种植区采样点布设在苹果园，采集样品20份;平谷种植区采样点布设在桃园，采集样品30份;房山和通州种植区采样点布设在小麦地，分别采集样品16份和14份。采样深度为0～20 cm，每件土壤样品为5个子样的混合样，混合后样品质量大于1000 g。

样品加工包括样品干燥、过筛与拌匀、称重与装袋、送样分析、装箱入库等环节。将土壤样品进行自然风干，风干过程中要适时翻动，用木棒将大土块敲碎以防止黏连结块。将风干后的样品平铺在制样板上，用木棍碾压，剔除植物残体、石块等。利用2 mm的孔径筛对样品进行过筛，剔除未通过的大颗粒碎石;对于土质结核进行揉搓，直至通过筛子。采用对角线折叠法对过筛后的样品进行拌匀，确保每件加工后的样品质量大于500 g。一部分样品送往实验室进行分析测试，另一部分装入样品瓶进行入库保存。整个加工环节避免与金属器皿接触，如采样、制样使用不锈钢、木、竹或塑料工具，过筛使用尼龙筛，储存样品使用塑料瓶或玻璃瓶。

样品分析测试由中国冶金地质总局第一地质勘查院完成，测试样品为粒度2 mm及以下的风干土，参考DD 2005-03《生态地球化学评价样品分析技术要求》、DZ/T 0258-2014《多目标区域地球化学调查规范（1∶250 000）》、DZ/T 0295-2016《土地质量地球化学评价规范》标准执行，具体检出限、分析方法及标准号见表1。质控过程中使用的一级标样为GBW07459，GBW07460，GBW07413a，GBW07414a，分析測试质量均符合相关规范要求。

1.3  数据处理与图件编制

算术平均值、中位值、标准离差、变异系数、最小值和最大值等基本参数统计及箱线图绘制在Excel中完成，相关性分析在SPSS 19.0软件中完成，在MapGIS 6.7软件平台上进行相关图件编制。

2  结果与讨论

2.1  土壤微量元素有效态的含量状况

研究区土壤微量元素有效态的含量特征见表2。不同微量元素的有效态含量之间存在一定差异，有效铜含量为0.497～120 mg·kg-1，平均为8.26 mg·kg-1;有效锌含量为0.020～31.6 mg·kg-1，平均为6.27 mg·kg-1;有效铁含量为1.75～140 mg·kg-1，平均为19.3 mg·kg-1;有效硫含量为6.72～697 mg·kg-1，平均为35.0 mg·kg-1;有效锰含量为0.684～69.1 mg·kg-1，平均为13.8mg·kg-1;有效钼含量为0.023～0.318 mg·kg-1，平均为0.144 mg·kg-1;有效硼含量为0.074～1.45 mg·kg-1，平均为0.483 mg·kg-1。

根据变异系数判定土壤微量元素有效态的空间分布特征，有效铜、有效铁、有效硫的变异系数超过100%，说明这些指标在空间上的分布很不均匀;有效钼的变异系数仅为37.9%，空间分布较均匀。

2.2  土壤微量元素有效态的分级评价

根据DZ/T 0295-2016《土地质量生态地球化学评价规范》对研究区土壤微量元素有效态含量状况进行分级评价，分为丰富、较丰富、中等、较缺乏、缺乏5个等级（表3）。

由评价结果（图2）可知，根据含量高低可将土壤有效态大致划分为4类，第一类是有效铜、有效锌，土壤中有效态含量高，达到丰富等级以上的样品数分别占81.3%、57.5%;第二类是有效铁、有效硫，土壤中有效态含量较高，达到较丰富等级以上的样品占60%以上;第三类是有效锰，土壤中有效态含量中等，各等级样品占比较均匀;第四类是有效钼、有效硼，土壤中有效态含量较低，近60%的样品数在较缺乏等级以下。

2.3  土壤微量元素有效态之间的相关性分析

根据土壤有效态之间的Pearson相关性分析（表4）可以看出，多数元素有效态之间存在显著相关性，仅有效铜与有效铁、有效铜与有效硫、有效锌与有效锰、有效硫与有效硼、有效锰与有效钼、有效钼与有效硼之间不存在相关性。有效铜与有效锌、有效铁与有效锰、有效硫与有效锰之间的相关性较强，相关系数分别达到了0.703（P<0.01）、0.628（P<0.01）、0.612（P<0.01）。需特别指出的是，有效硼与其他元素有效态之间呈负相关。

2.4  不同种植区土壤微量元素有效态含量的对比分析

箱线图能够反映出不同含量区间的数值变化情况，直观对比不同种植区土壤微量元素有效态的含量差别;其中上、下短横线分别表示9/10和1/10分位数，箱体上限和下限分别表示3/4和1/4分位数，箱体内部短线表示中位数。

由图3可知，不同种植区土壤微量元素有效态的含量差异较大。昌平种植区位于北运河流域，平谷种植区位于蓟运河流域，二者均位于北京北部山前的丘陵地带，有效态含量特征既存在相似性，也存在一定差别;有效铜、有效硼含量相近，平谷种植区有效锌、有效铁、有效硫、有效锰、有效钼的含量普遍高于昌平种植区，特别是有效锰的含量差异最为显著。

房山种植区位于大清河流域，通州种植区位于北运河流域，二者均位于第四系冲洪积形成的平原区，土壤特征明显有别于昌平种植区和平谷种植区，因此，有效态含量特征的差异也较大;有效铜、有效锌含量偏低，有效铁、有效硼含量偏高。

2.5  土壤微量元素有效态的影响因素分析

2.5.1  土壤元素全量

土壤元素全量受成土母质来源的影响较大，4个种植区的土壤监测结果表明，位于北京北部山前丘陵地带的昌平种植区和平谷种植区土壤铜、锌、钼等金属元素的全量高于平原区的房山种植区和通州种植区。

从土壤中微量元素有效态含量与全量的Pearson相关性分析（表5）可以看出，有效铁、有效锰、有效硼与全量之间不存在显著相关性，说明这类元素全量的高低并不能直接影响有效态的含量分布;而有效铜、有效锌、有效硫、有效钼与全量之间存在显著正相关性，相关系数为0.420～0.763（P<0.01），表明随着土壤元素全量的升高，其有效态含量也相应升高，全量是决定其有效态含量分布的重要因素。特别是有效铜，其与全量的相关系数达到了0.763（P<0.01）。

2.5.2  土壤pH值

pH是反映土壤理化性质的重要指标之一，由图3可知，昌平种植区和平谷种植区土壤pH值低于房山種植区和通州种植区

根据Pearson相关性分析结果（表6）可以看出，微量元素有效态含量与pH值之间普遍存在显著相关性。其中有效硼与pH值之间呈正相关性，相关系数为0.413（P<0.01），说明pH值越大（碱性越强），土壤中有效硼含量越高;而其他元素有效态与pH值之间呈负相关性，相关性由强到弱分别为有效硫、有效钼、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌，说明pH值越小（酸性越强），有效态含量越高。土壤pH变化的本质是土壤溶液中H+浓度发生变化，从而改变微量元素的化学形态;土壤溶液中H+浓度升高，在H+的酸化作用下促进无效态向有效态的转化（邓邦良等，2016;李旭晖等，2019）。

2.5.3  土壤有机质

通过对微量元素有效态与有机质之间进行Pearson相关性分析（表7），有效锌、有效硫、有效锰、有效硼与有机质之间存在显著正相关性，相关性系数为0.209（P<0.05）、0.398（P<0.01）、0.204（P<0.05）、0.206（P<0.05）;其他微量元素有效态与有机质之间不存在相关性。多数研究结果也表明（张小桐等，2016;张浩等，2017），土壤有机质是影响微量元素有效态含量分布的重要因素之一，有机质含量升高对微量元素活性具有明显的促进作用。一般情况下，随土壤中有机质含量的升高，微量元素有效态含量也会相应升高。

3  结论

1）土壤微量元素有效态的分级评价结果表明，北京市农用地土壤中有效铜、有效锌含量丰富，有效铁、有效硫含量较丰富，有效锰含量中等，有效钼、有效硼含量较缺乏。

2）铜、锌、硫、钼元素的全量与有效态之间呈正相关性;pH值与有效硼之间呈正相关性，与其他元素有效态之间呈负相关性。位于北京北部山前丘陵地带的昌平种植区和平谷种植区土壤铜、锌、钼等金属元素的全量高于平原区的房山种植区和通州种植区，且土壤酸性强于房山种植区和通州种植区，因此，这在一定程度上造成了有效铜、有效锌、有效钼的含量高于房山种植区和通州种植区。

3）有机质与有效锌、有效硫、有效锰、有效硼之间存在较为显著的正相关性。因此，可以通过施用有机肥提高土壤有机质的含量，进而提升有效锌、有效硫、有效锰、有效硼的含量。

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