耕地土壤中交换态钙镁铁锰铜锌相关关系研究

`` ``` 耕地土壤中交换态钙镁铁锰铜锌相关关系研究 姜 勇* 1，张玉革2，梁文举1，闻大中1 1：中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2：沈阳市农业技术推广站，辽宁 沈阳 110034

摘要：应用主成份分析、聚类分析和相关性分析对沈阳市郊区1994个耕地土壤样本（0~20 cm）的交换态钙、镁、铁、锰、铜、锌含量进行研究，结果表明，影响钙与镁、铁与锰、铜与锌分布的主因子分别在相同的主成份组中，钙与镁、铁与锰、铜与锌之间的相关系数较大，铁、锰、铜、锌之间均为极显著正相关关系，钙与铁、锰、铜、锌均为负相关关系，说明元素的生物地球化学属性对其地理分布有较大的影响。 关键词：土壤；营养元素；主成份分析；聚类分析；相关关系 中图分类号：S153 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）02-0160-04

元素间的相关性，能反映成土过程及元素的活动情况[1]。在自然土壤中，各元素间的相关关系一般主要受到成土因素和成土过程的影响[2~3]。而人为活动如耕作、施肥、环境污染等因素可能会使各元素间的关系按照一定的规律发生变化[3~4]。耕地土壤中的营养元素会因作物吸收及土壤性质的变化而使土壤中元素的有效态含量发生较大的变化[5~7]。本文的主要目的是在对沈阳市郊区耕地土壤中有效态微量元素含量分布进行研究[8]的基础上，对土壤中交换态Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等6种金属态中微量营养元素的交换态含量的相关关系进行分析，以期为元素的地球化学循环及农田土壤营养元素的调控提供理论参考。 1 研究区域概况和研究方法 1.1 研究区域概况 研究区域为沈阳市的东陵区、苏家屯区、于洪区、新城子区。位于东径123.021°～123.798°，北纬41.474°～42.173°；东西长68.71 km；南北长81.18 km。区域地势为东北面向西南倾斜，东高西低，东部为构造剥蚀丘陵地貌，其它为山前冲积扇和冲积平原。东部为棕壤分布区，其它为草甸土和水稻土。共有58个农村乡镇，主要以城郊型农业为主，耕地面积174742 hm2，其中水田68947 hm2，旱地105795 hm2。 1.2 研究方法 共采集1994个耕地土壤样品，采样深度为0~20 cm，每个样点按S型取5点混合，代表面积为80~100 hm2。 交换态钙、镁采用1 molL-1 NH4OAc浸提，原子吸收分光光度法测定；交换态铁、锰、铜、锌采用DTPA浸提，原子吸收分光光度法（岛津6200A型）测定。测定波长分别为285.2 nm、422.7 nm、248.5 nm、279.5 nm、324.7 nm、213.8 nm[9]。 结果汇总用Microsoft Excel，汇总后利用SPSS（Statistics Programs for Social Sciences）10.0软件包进行各元素含量的分布频率制图、主成份分析、聚类分析和相关关系检验。 2 结果与讨论 2.1 耕地土壤交换态钙、镁、铁、锰、铜、锌分布概况 图1是土壤交换态钙、镁、铁、锰、铜、锌的分布频率图。交换态镁、铁、锰的分布基本上符合正态分布，交换态钙、铜、锌为偏态分布。在6种元素中，交换态镁的变幅最小，其它各元素的变幅均较大。交换态钙、镁、铁、锰、铜、锌含量的均值和中值分别为3.252 gkg-1/2.853 gkg-1、0.429 gkg-1/0.438 gkg-1、61.78 mgkg-1/67.71 mgkg-1、42.99 mgkg-1/44.89 mgkg-1、3.629 mgkg-1/3.219 mgkg-1、1.932 mgkg-1/1.378 mgkg-1。交换态镁、铁、锰的中值略大于均值，说明其受到极值的影响较小；交换态钙、铜、锌的中值均小于均值，说明其分布在不同程度上受到高含量极值的影响。研究表明[8]，交换态钙主要受沈阳市郊区西北部碳酸盐草甸土区高钙含量的影响，该区域土壤交换态钙含量一般都在5 gkg-1以上；城市近郊菜田区和污水灌溉区土壤交换态铜、锌含量均较高（冶炼厂附近的土壤交换态铜含量与市郊区土壤全铜含量的背景值接近）。由于成土母质和城市环境污染，致使土壤交换态钙、铜、锌表现为非正态分布（图1）。 `` ``` 2.2 主成份分析 表1是土壤中微量元素交换态含量的主成份分析表。从表中可以看出，提取3个主成份可以解释总变异的79.6%的方差，说明提取3个主成份能概括绝大部分信息。

表2是主成份得分系数矩阵。交换态铁、锰在第1主成份中占主导地位；交换态铜、锌在第2主成份中所占比重较大；第3成份中主要是影响交换态钙、镁的公因子占很大比重。从因子荷载图上可以直观地看出决定各因子的有哪些变量。交换态铜、锌落在第2主成份对应的坐标轴附近，说明铜、锌只在该坐标轴对应的因子上有荷载。交换态铁、锰在主成份1对应的坐标轴上、交换态钙、镁在主成份3对应的坐标轴上的正荷载较大（图2）。从主成份分析的结果可以看出，交换态钙与镁、铁与锰、铜与锌在各个主成份中所占的比重是不同的，并且都具有成对出现的现象，可以把它们分为3组；影响每一组元素含量分布的公因子都具有基本相同的特性。 2.3 聚类分析

表3是6种元素交换态含量分组聚类的结果。聚在中枢点1的交换态钙含量水平是5个中枢点中最高的，而在此中枢点中，交换态铁、锰、铜、锌的含量水平都是5个中枢点中最低的，聚在该中枢点的样本数为206个，占全部样本1981个（总样本数为1994个，缺省值为13个）的10.40%；通过分组聚类，可以从一个侧面反映出交换态钙含量很高的地区，交换态铁、锰、铜、锌的含量有可能较低。在中枢点3中，交换态铁、铜、锌的含量水平都是最高的，而交换态钙的含量却是5个中枢点中最低的，说明了交换态微量元素含量高的地区，交换态钙的含量有可能相对较低，这与中枢点1的结果形成了较为鲜明的对比。其它3组中枢点各元素含量值介于第1组和第3组之间。 2.4 各元素间相关关系分析 从表4中可以看出，交换态钙与镁、铁与锰、

16141210864205004003002001000 1.311.06.81.56.31.065004003002001000 1551301058055305

1801501209060300

交换态钙含量/(g·kg-1) 交换态镁含量/(g·kg-1) 交换性态含量/(mg·kg-1)

8373635343332313316012080400 3228242016128406005004003002001000 1086420

6005004003002001000

交换态锰含量/(mg·kg-1) 交换态铜含量/(mg·kg-1) 交换态锌含量/(mg·kg-1) 图1 土壤交换态钙、镁、铁、锰、铜、锌分布频率

表2 主成份得分系数矩阵 变量 成份1 成份2 成份3 交换态钙 -0.375 0.124 0.402

交换态镁 0.118 -0.046 0.740

交换态铁 0.358 0.081 0.021

交换态锰 0.519 -0.138 0.195

交换态铜 -0.018 0.537 0.127

交换态锌 -0.154 0.590 -0.137

表1 元素含量主成份分析 成份 特征值 因子贡献率/% 累计贡献率/% 1 2.292 38.207 38.207 2 1.335 22.253 60.460 3 1.148 19.127 79.587 4 0.570 9.497 89.084 5 0.360 6.002 95.086 6 0.295 4.914 100.00

图2 主成份分析因子荷载

表3 土壤交换态元素聚类中枢点 初始中枢点 最终中枢点 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 钙/(g·kg-1) 7.23 1.40 1.55 1.67 2.56 5.98 2.92 2.57 3.08 2.74 镁/(g·kg-1) 0.21 0.14 0.32 0.33 0.37 0.40 0.43 0.40 0.44 0.44 铁/(mg·kg-1) 2.56 86.18 163.87 35.21 110.61 21.81 72.05 113.97 47.91 91.67 锰/(mg·kg-1) 4.07 15.61 12.12 76.24 87.73 14.79 45.30 43.76 41.37 58.38 铜/(mg·kg-1) 1.07 1.58 9.67 2.86 3.66 2.28 3.51 6.10 2.89 4.55 锌/(mg·kg-1) 0.34 0.16 5.95 5.18 2.85 1.10 1.93 2.83 1.84 2.11 样本数/n 总数1981 206 676 191 566 342

样本数/n

样本数/n

-0.5 镁 钙

铜 锌

铁 锰 1.0 0.5

0.0 -0.5

1.0 0.0 -0.5 成份1

成 份 2

1.0 0.0 0.5

-0.5 成份3