山地丘陵区环境因子对耕地土壤剖面微量元素含量的影响

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铜(Cu)、锌(Zn)、铁(Fe)、锰(Mn)、硼(B)是植物必需的微量营养元素,供给不足或过多,都会影响植物的正常生长发育,进而影响农作物的产量和品质。土壤中微量元素的含量分布受到多种环境因子的综合影响,清晰掌握其含量分布特征及影响因素对于微量元素肥料的施用具有重要意义。本文根据近年来在重庆市采集的479个耕地土壤剖面,分析土壤有效铜、锌、铁、锰、硼在不同土壤层次(0-20cm、20-40cm、40-60cm)的含量分布特征,并结合成土母质、土地利用类型、地形因子、植被指数、气候变量、土壤pH和有机质等环境因子,采用经典统计分析(Kruskal Wallis检验、相关性分析)和机器学习技术(梯度提升回归树、SHapley Additive exPlanations)等方法,揭示环境因子对耕地土壤剖面微量元素含量的影响,主要研究结果如下:(1)土壤有效铜、锌、铁、锰、硼含量随土层加深呈现降低趋势,表现出表层(0-20cm)富集性。分层率的计算结果表明土壤有效锌、铁、锰的表层富集程度较强,有效铜、硼的表层富集程度较弱。变异系数表明,土壤有效铁、锰含量在3个土层均为强变异,有效铜、硼含量为中等变异,有效锌含量在0-20cm土层为中等变异;在20-40cm和40-60cm土层为强变异。参照养分等级划分标准,研究区大部分土壤表层有效铜、锌、铁、锰含量充足,有效硼含量缺乏。(2)不同成土母质发育的土壤微量元素含量差异显著。土壤有效铜在0-20cm、20-40cm土层的含量大小顺序为冲洪积物>石灰岩>紫色母质;在40-60cm土层为石灰岩>冲洪积物>紫色母质。土壤有效锌在0-20cm土层的含量大小顺序为石灰岩>紫色母质>冲洪积物;在20-40cm、40-60cm土层为紫色母质>冲洪积物>石灰岩。土壤有效铁在0-20cm土层的含量大小顺序为冲洪积物>紫色母质>石灰岩;在20-40cm、40-60cm土层为紫色母质>冲洪积物>石灰岩。土壤有效锰、硼在3个土层的含量大小顺序均表现为石灰岩>冲洪积物>紫色母质。不同成土母质发育土壤微量元素含量的分层率差异较大,有效铜含量的分层率大小顺序为冲洪积物>石灰岩>紫色母质,有效锌含量的分层率大小顺序为石灰岩>紫色母质>冲洪积物,有效铁含量的分层率大小顺序为冲洪积物>石灰岩>紫色母质(SR1)和冲洪积物>紫色母质>石灰岩(SR2),有效锰含量的分层率大小顺序为石灰岩>冲洪积物>紫色母质,有效硼含量的分层率大小顺序为冲洪积物>紫色母质>石灰岩,表明冲洪积物发育的土壤有效铜、铁、硼含量的表层富集程度较强,石灰岩发育的土壤有效锌、锰含量的表层富集程度较强。(3)旱地和水田土壤有效铜、锌、铁、硼含量差异显著,有效锰含量差异不显著。土壤有效铜、铁和硼在3个土层的含量大小顺序均为水田>旱地,有效锌在3个土层的含量大小顺序为旱地>水田,有效锰在0-20cm土层的含量大小顺序为旱地>水田;在20-40cm、40-60cm土层为水田>旱地。分层率的计算结果表明,水田土壤微量元素含量的表层富集程度大于旱地。(4)土壤微量元素含量与环境因子的相关性不同。土壤有效锌、铁、锰含量在3个土层与pH呈极显著负相关,有效铜含量在0-20cm土层与pH呈显著正相关。有效铜、铁、锰、硼含量在3个土层与有机质呈极显著正相关,有效锌含量在0-20cm和20-40cm土层与有机质呈极显著正相关。有效铜、锌、硼含量分别在不同土层与多年平均温度呈显著正相关,有效锰含量与多年平均温度呈显著负相关。有效铜、锌、铁、硼含量在3个土层与多年平均降雨量呈显著负相关。有效铜、锌含量在3个土层与植被指数呈显著负相关,有效铁、硼含量分别在不同土层与植被指数呈显著负相关。有效铜、铁、锰含量与地形因子的相关性较强,有效锌、硼含量与地形因子的相关性较弱。(5)梯度提升回归树模型能较好地解释土壤微量元素含量的空间变异性(决定系数在53~87%之间)。从SHapley Additive exPlanations结果可知,土壤有效铜含量在3个土层的环境主控因子均为有机质,随土层加深,有机质、多年平均降雨、植被指数、地形因子(封闭洼地、集水处面积)的相对贡献度增加,pH、成土母质、土地利用类型的相对贡献度降低。土壤有效锌含量在3个土层的环境主控因子均为pH,随土层加深,成土母质、pH、地形因子(坡高、封闭洼地、集水处面积)的相对贡献度增加,土地利用类型、有机质、多年平均温度、多年平均降雨量、植被指数的相对贡献度降低。土壤有效铁含量在0-20cm土层的环境主控因子为土地利用类型,在20-40cm和40-60cm土层均为pH,随土层加深,pH、有机质、多年平均温度、植被指数的相对贡献度增加,土地利用类型、地形因子(坡向、坡度中位数、汇流累积量)的相对贡献度降低。土壤有效锰含量在0-20cm土层的环境主控因子为多年平均温度,在20-40cm和40-60cm土层均为pH,随土层加深,pH和有机质的相对贡献度增加,多年平均温度、多年平均降雨量的相对贡献度降低,成土母质和土地利用类型的相对贡献度均比较低。土壤有效硼含量在0-20cm和20-40cm土层的环境主控因子均为有机质,在40-60cm土层为多年平均降雨量,随土层加深,多年平均温度、多年平均降雨量、成土母质的相对贡献度增加,土地利用类型、有机质和植被指数的相对贡献度降低。结果表明环境因子对不同土壤微量元素以及不同土壤层次的同种微量元素含量变异的贡献度具有差异。
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