2021, Vol. 30
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2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
穆棱河-兴凯湖平原(以下简称穆兴平原)位于我国东北三江平原南部，有机质含量高，黑土层厚，是中国重要商品粮生产基地之一，对保障国家的粮食安全发挥着重要的作用[1]. 然而，在长期不合理的开发和利用过程中，穆兴平原的土壤也出现了水土流失、土壤结构破坏、肥力下降等现象. 植物正常生长发育离不开土壤，土壤提供其生长所必须的营养元素，包括大量元素(C、H、O、N、P、K)、中量元素(Ca、Mg、S)、微量元素(Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Ni、Cl)，这17种元素直接参与植物新陈代谢，不能被其他元素代替，一旦缺少其中某种元素，植物就不能完成其生理周期，并呈现专一的缺素症[2]. 而土地质量地球化学评价是依据影响土地质量的营养有益元素、重金属元素及化合物、有机污染物、土壤理化性质等地球化学指标，及其对土地基本功能的影响程度而进行的土地质量地球化学等级评定[3]. 已有相关文献报道应用地球化学方法对三江平原[4]、松嫩平原[5]等土地质量地球化学评价研究，但是对穆兴平原报道较少，所以对穆兴平原区域进行土地养分地球化学研究可以准确评价该区域土地地球化学质量，为开展黑土保护和合理粮食生产提供依据.
1 研究区概况研究区位于黑龙江省东部偏南，北以完达山为界，南抵兴凯湖之滨，东临乌苏里江，西至密山市附近. 行政区隶属虎林市、密山市下辖各县市街道及乡村，均属鸡西市管辖. 研究区面积16 608 km2，范围为东经130°30′~133°44′，北纬45°00′~46°22.
研究区属中纬度寒温带湿润、半湿润大陆性季风气候，年平均气温2.9~3.1 ℃，1月份最冷，月平均气温为-17.9 ℃；7月份最热，月平均气温为21.5 ℃. 年平均降水量为526~710 mm，降水多集中在6~9月份，占全年降水量的70%. 年平均蒸发量(小型)为1 042.8 mm，全年日照为2 343.1 h，大于等于10度积温(活动积温)为2 654.7 ℃，无霜期为141 d. 融雪在2月下旬，结冻期约180 d，平均年雷暴日数20 d.
2 样品采集与分析方法 2.1 土壤样品的采集本次土壤样品采集网度为1 km × 1 km，基本采样密度为1点/1 km2. 采样工作组根据事先设定的坐标进行实地采样，主要采集了农田、林地、园地等位置的土壤，优先选择分布面积最广的农业用地土壤. 取样点避开了局部低洼地和高岗地、明显点状污染的地段、新近搬运的堆积土、垃圾土、水土流失严重的地段、田埂等处. 采样时刮去地表植物凋落物，采集地表至20 cm深处的土柱(采用刻槽方式取样，以保证土样上下的均匀性)，并去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物. 在农田内，在每处采样点垂直垄沟30 m范围内采集3处土壤样品组合成一件样，若在林地及城市等地域受到限制区域，子坑呈三角形布设.
2.2 测定项目及方法样品由具有承担多目标地球化学调查样品分析资质的辽宁省地质矿产研究院有限责任公司承担. 该项目的分析指标为16项，分析方法和检出限见表 1 [6].
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表 1 土壤元素分析方法及检出限 Table 1 Analysis methods and detection limits of soil elements |
评价单元是土壤质量地球化学等级划分的最小的空间单位，本次1: 25万土壤质量地球化学评价按2 km × 2 km的方里网大小，即4 km2为评价单元[7]. 用1: 25万表层土壤测量实测元素含量对每个单元赋值，当一个评价单元中有1个数据时，该实测数据即为该评价单元的数据，不考虑该评价单元内由插值形成的其他数据；当一个单元中有2个以上数据时，用实测数据的平均值对评价单元经行赋值，不考虑该评价单元内由插值形成的其他数据. 当单元中没有评价数据时，可用插值法获得每个评价单元相应的评价数据. 具体方法如下：首先对原始数据进行平均值、最大值、最小值和标准离差统计计算，用平均值±3倍离差替代原始数据中的异常数据，即小于平均值-3倍离差的数据用平均值-3倍离差数据替代，大于平均值+3倍离差的数据用平均值+3倍离差数据替代[8].
2.4 数据处理及使用软件文中表应用Office2016绘制；图应用ArcGIS10.4、CorelDRAW2018绘制；数据的相关性分析应用SPSS25.0软件处理，运用Duncun (SSR)方法分析元素含量的差异显著性(p＜0.05和p＜0.01).
3 土壤养分评价 3.1 大量元素评价氮(N)是植物生长所需要的大量元素之一，植物中85%的氮用于合成蛋白质，氮是植物合成蛋白质不可或缺的元素. 在植物的代谢过程中，氮以不同的化合价形态存在于植物的光合作用与呼吸作用，可提高农作物产量[9]. 研究区土壤N含量范围为0.22×10-3~13.85×10-3，平均值为2.35×10-3. 氮元素不同等级的分布面积和比例见表 2，可以看出，研究区氮主要处于三等以上水平，属于丰富-较丰富状态，其中一等和二等土壤面积14 428 km2，占总面积的86.87%. 可见，研究区土壤普遍氮元素丰富，大部分呈现适中和较丰富，小面积严重缺氮.
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表 2 土壤大量元素含量等级分布面积及比例 Table 2 Distribution area and proportion of soil macroelements by content grade |
磷(P)是植物所必需的大量营养元素之一，它既是植物体内许多重要有机化合物的组分，同时又以多种方式参与植物体内各种代谢过程. 磷对作物高产及保持品质的优良有明显作用，它能增强作物的抗旱和抗寒能力，能增强作物对酸碱变化的影响，在提高作物抗病和抗倒伏能力方面也有一定的作用[10]. 研究区土壤P含量范围为0.13×10-3~3.60×10-3，平均值为0.91×10-3. 从表 2可以看出，研究区全区磷主要处于三等以上水平，属于丰富-中等状态，占总面积的90.82%. 其中，一等丰富土壤面积5 648 km2，占34.01%；二等较丰富土壤面积5 064 km2，占30.49%. 可见，研究区几乎一半区域磷元素富集，存在一定面积的缺乏土壤.
钾(K)是植物生长的大量营养元素之一，有重要的营养和生理作用. 钾对蛋白质合成有促进作用. 它是多种酶的活化剂，通过调节细胞的渗透压促进植物生长，增强植物的抗不良因素(旱、寒、病害、盐碱、倒伏)的能力[11]. 研究区土壤K含量范围为12.57×10-3~34.67×10-3，平均值为19.75×10-3. 从表 2可以看出，研究区钾主要处于三等以上水平，属于中等-丰富状态，占总面积的99.21%. 其中，适中钾土壤面积13 544 km2，占总面积的81.55%. 可见，研究区土壤钾含量适中.
有机质是土壤重要的组成部分，在保持水分、改善土壤结构、防止土壤侵蚀和退化、提供微生物和植物生命活动所必需的养分和能量等方面有重要作用. 有机质可以促进微生物和土壤生物的活动，促进土壤中营养元素的分解，提高土壤的保肥性和缓冲性，改善土壤的物理性质. 它与土壤的结构性、通气性、渗透性和吸附性、缓冲性有密切的关系[12]. 研究区土壤有机质含量范围为5.97×10-3~358.08×10-3，平均值为48.39×10-3.从表 2可以看出，全区有机质主要处于三等以上水平，属于丰富-中等状态，面积16 296 km2，占总面积的98.12%. 可见，研究区土壤有机质水平呈现出整体较丰富和丰富，局部缺乏的分布特征.
有研究表明：土壤有机质与土壤全量氮、磷含量有显著的相关性[13]. 如表 3，研究区有机质与全氮呈极显著正相关(p＜0.01)，有机质与全磷呈极显著正相关(p＜0.01)，全氮与全磷呈极显著正相关(p＜0.01)，原因是由于黑土中的氮磷主要以有机态存在，是土壤有机质的重要组成元素[14]；有机质与全钾呈极显著负相关(p＜0.01)，全氮与全钾呈极显著负相关(p＜0.01)，全氮与全磷呈极显著负相关(p＜0.01)，因为黑土中的钾素与氮磷不同，它主要以无机态存在于矿物质、黄土母质中，另外由于黑土有机质高的土壤肥力较高，长期农作多注重氮磷肥的施入，轻视钾肥的补给，带来钾素的过度消耗[14]
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表 3 土壤全氮、全磷、全钾、有机质相关性分析 Table 3 Correlation analysis of total nitrogen, total phosphorus, total potassium and organic matter in soil |
钙(Ca)不仅是植物所必须的营养元素，还参与调节和控制作物的许多生理性反应，在高等植物中有着重要的功能，缺钙会导致植物的膜结构及细胞壁结构的不稳定，细胞之间的黏附性减小，从而导致微生物的感染入侵. 研究区土壤CaO含量范围为3.00×10-3~49.20×10-3，平均值为9.90×10-3. 氧化钙不同等级的分布面积和比例见表 4. 研究区氧化钙主要处于三等和四等水平，属于中等-较缺乏状态，占总面积的99.37%. 其中，四等(较缺乏)土壤面积13 536 km2，比例为81.50%，主要分布在研究区内. 此外，区内局部地区存在二等以上较丰富氧化钙土壤面积64 km2.
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表 4 土壤中量元素含量等级分布面积及比例 Table 4 Distribution area and proportion of soil medium-content elements by content grade |
镁(Mg)是组成叶绿素和植物盐必不可少的成分，影响着光合作用和呼吸作用，同时也在许多酶过程、化合物水解作用中起着重要作用. 镁的缺少会抑制植物各个阶段的生长以及根的发育，老叶子会出现萎黄病. 当镁离子过多时，导致阳离子如钙、钾的缺乏，影响植物生长发育，产量降低. 研究区土壤MgO含量范围为0.90×10-3~40.10×10-3，平均值为9.20×10-3. 氧化镁不同等级的分布面积和比例见表 4. 研究区氧化镁主要处于四等和五等水平，属于较缺乏-缺乏状态，占总面积的92.17%. 其中，四等(较缺乏)土壤面积13 864 km2，比例为83.48%. 同时，区内存在二等以上富镁土壤面积240 km2.
硫(S)在植物生长过程中起着至关重要的作用，植物中的总硫含量约占植物干重的0.1%~2%. 硫能促进豆科作物形成根瘤，参与固氮酶的形成. 硫能提高氨基酸、蛋白质含量，进而提升农产品品质. 由于作物籽粒中50%硫含量存在于基叶中，因此作物可以从土壤中带走较多的硫元素. 研究区土壤S含量范围为72.35×10-6~8 297.00×10-6，平均值为294.01×10-6. 硫元素不同等级的分布面积和比例见表 4. 研究区土壤硫元素水平呈现出整体较丰富和丰富，局部中等、缺乏区交错的分布特征. 全区硫元素主要处于三等以上水平，属于丰富-中等状态，占总面积的79.24%. 其中二等土壤面积5 464 km2，比例为32.9%. 可见，研究区土壤普遍较丰富. 此外，土壤硫中等、缺乏区交错分布，占总面积的1.45%.
3.3 微量元素评价铁(Fe)是叶绿素合成必需的元素，同时在呼吸作用和光和作用中起着电子传递的作用，还可以激活酶的活性. 植物缺铁会出现萎黄病的叶子，缺少叶绿体，并且铁会停留在老叶子，不会向新叶子中转移，所以缺铁对新叶子影响更大，会出现植物顶端与新叶发黄，由叶脉开始到整片叶子出现淡黄色. 研究区土壤氧化铁含量范围为7.40×10-3~94.00×10-3，平均值为46.30×10-3. 从表 5可以看出，研究区土铁元素含量各等级比例分布较平均，二等以上富铁土壤面积8 436 km2，占总面积的50.79%；四等以下缺铁土壤面积4 540 km2，占总面积的27.34%.
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表 5 土壤微量元素含量等级分布面积及比例 Table 5 Distribution area and proportion of soil microelements by content grade |
锰(Mn)参与植物中许多生化作用，主要功能是作为酶的激活剂，对许多酶起调节作用，可以促进氨基酸的生成，有利于蛋白质的合成. 研究区土壤Mn含量范围为93.68×10-6~2542.40×10-6，平均值为764.66×10-6. 从表 5可以看出，研究区锰元素主要处于三等以上水平，属于丰富-中等状态，占总面积的78.15%. 其中，二等以上富锰土壤面积11 372 km2，占总面积的68.47%. 此外，区内四等以下缺锰土壤面积3 628 km2.
锌(Zn)在植物体内主要是作为脱氢酶、蛋白酶和肽酶的活化剂，缺锌可使酶的活性降低，影响碳水化合物的合成. 锌还参与生长素的合成，缺锌时，植物体内的生长素含量有所降低，生长发育出现停滞状态，植物矮小，并且叶小呈簇生状. 研究区土壤Zn含量范围为7.84×10-6~223.82×10-6，平均值为60.83×10-6. 从表 5可以看出，研究区锌元素含量主要处于三等以下水平，属于中等-缺乏. 二等以上富锌土壤面积3 288 km2，占总面积的19.80%. 四等以下缺锌土壤面积10 100 km2，占总面积的61.42%.
铜(Cu)参与植物生长发育过程中的多种代谢反应，参与植物体内的氧化还原过程，也存在于叶绿体的质体蓝素中，参与光合作用的电子传递. 研究区土壤Cu含量范围为1.40×10-6~241.20×10-6，平均值为21.13×10-6. 从表 5可以看出，研究区铜元素含量各等级比例分布较平均，二等以上富铜土壤面积4 088 km2，占总面积的24.62%.
硼(B)是植物中主要的非金属类微量元素之一，对植物的生长、发育、繁殖等自然现象有着重要意义. 硼可以通过调节植物体内的生长激素促使细胞伸长、细胞分化，对花粉、种子的形成提供营养元素. 研究区土壤B含量范围为4.41×10-6~134.89×10-6，平均值为34.36×10-6. 从表 5可以看出，研究区硼主要处于四等以下水平，属于较缺乏-缺乏状态，占总面积的92.48%. 可见，研究区几乎4/5区域缺硼.
钼(Mo)在植物固氮中起着重要的作用，参与根瘤菌的固氮作用，另外也是硝酸还原酶的成分之一，可以促进植物体内磷化物的形成，以及光合作用和呼吸作用. 研究区土壤Mo含量范围为0.22×10-6~2.38×10-6，平均值为0.86×10-6. 从表 5可以看出，研究区钼主要处于一等和二等水平，属于较丰富-丰富状态，面积14 264 km2，占总面积的85.89%. 可见，研究区土壤钼含量富足.
3.4 健康元素评价 3.4.1 土壤硒元素硒(Se)是植物生长的有益元素，是动物生活的必需元素[15]. 土壤中硒含量不足或过量及其存在的形态直接影响到植物的生长状况和含硒量，又进一步通过食物链而影响到人的健康[16]. 研究表明，硒能改善动物机体的免疫力，提高人体抗癌能力，抑制镉、砷、汞、银等重金属毒性[17].
研究区土壤Se含量范围为0.05×10-6~0.79×10-6，平均值为0.24×10-6. 硒元素不同等级的分布面积和比例见表 6. 结合表层土壤硒元素评价图(图 1)可以看出，研究区土壤硒元素水平整体呈现出西部缺乏、东部中等、少量丰富的分布特征. 全区硒元素主要处于三等以下水平，属于中等-缺乏状态，土壤面积16 264 km2，占总面积的97.93%. 区内局部地区存在富硒土壤，面积仅有344 km2，占总面积的2.07%，主要分布在下亮子乡东部.
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表 6 土壤健康元素含量等级分布面积及比例 Table 6 Distribution area and proportion of soil healthy elements by content grade |
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图 1 土壤硒元素评价图 Fig.1 Evaluation map of soil selenium 1-过剩(excess)；2-高(high)；3-适量(appropriate)；4-边缘(marginal)；5-缺乏(deficient) |
碘(I)对动植物的生命是极其重要的，是维持人体生长发育所必需的. 海水里的碘化物和碘酸盐进入大多数海生物的新陈代谢中. 碘是甲状腺素的重要成分，在高级哺乳动物中，碘以碘化氨基酸的形式集中在甲状腺内，缺乏碘会引起甲状腺肿大[18].
研究区土壤I含量范围为0.37×10-6~9.97×10-6，平均值为1.99×10-6. 碘元素不同等级的分布面积和比例见表 6. 结合表层土壤碘元素评价图(图 2)可以看出，研究区土壤碘元素水平呈现出整体中等-缺乏、局部丰富的分布特征. 全区碘主要处于三等以下水平，土壤面积16 576 km2，比例为99.81%. 此外，沿着穆棱河流域和七虎林河流域，存在一定面积缺碘土壤，占总面积的10.48%.
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图 2 土壤碘元素评价图 Fig.2 Evaluation map of soil iodine 1-过剩(excess)；2-高(high)；3-适量(appropriate)；4-边缘(marginal)；5-缺乏(deficient) |
在适当的pH条件下，氟(F)有助于钙、磷形成羟基磷酸石，促进成骨过程，具有预防龋齿、保护牙齿健康的作用. 氟过量会使牙釉质受到损害，还会使许多器官系统受损.
研究区土壤F含量范围为106.00×10-6~948.00×10-6，平均值为431.73×10-6. 氟元素不同等级的分布面积和比例见表 6. 结合表层土壤氟元素评价图(图 3)可以看出，研究区土壤氟元素水平整体呈现出缺乏的分布特征. 全区氟元素主要处于三等以下水平，属于中等-缺乏状态，占总面积的92.56%. 二等以上富氟土壤面积1 236 km2，占总面积的7.44%，主要分布在小兴凯湖一带.
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图 3 土壤氟元素评价图 Fig.3 Evaluation map of soil fluorine 1-过剩(excess)；2-高(high)；3-适量(appropriate)；4-边缘(marginal)；5-缺乏(deficient) |
对研究区的养分进行综合评价，结果见表 7和图 4. 由图表可知评为一等的土壤面积为5 032 km2，约占总面积的30.30%，主要分布在东北部和虎林市周围；二等土壤面积为7 472 km2，约占总面积的44.99%，主要分布在穆棱河流域和七虎林河流域一带；三等土壤面积为3 783 km2，约占总面积的22.78%，主要分布在密山市和七台河市周围；四等土壤面积为303 km2，约占总面积的1.82%，主要分布在兴凯湖一带；五等土壤面积为19 km2，约占总面积的0.11%，在研究区内零星分布. 总体来看，研究区土壤养分丰富区域位于区内东北部.
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表 7 土壤养分综合等级分布面积及比例 Table 7 Distribution area and proportion of soil nutrient by comprehensive grade |
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图 4 土壤养分综合评价图 Fig.4 Comprehensive evaluation map of soil nutrients 1-丰富(rich)；2-较丰富(relatively rich)；3-中等(medium)；4-较缺乏(relatively deficient)；5-缺乏(deficient) |
综合以上土壤养分评价数据分析得出，研究区内土壤养分总体水平较好，全氮、全磷、有机质、硫、锰、钼、氧化铁以丰富-较丰富为主，全钾以三等适中为主，研究区缺乏氧化钙、氧化镁、硼、锌、铜，建议对研究区适量施加钙、镁、硼、锌、铜肥料.
本次研究发现了富硒土地资源面积344 km2，土壤中Se含量在0.4×10-6~0.79×10-6之间，平均值为0.44×10-6，占研究区总面积的2.07%. 建议地方政府充分利用调查成果，尽快开发富硒农产品，帮助贫困区农民脱贫.
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