锌是动植物正常生长发育以及人体健康所必需的微量元素之一^[1]。例如，锌是人体中200多种酶的组成成分和激活因子，多种复杂生理和生化过程都离不开锌的参与^[2]。此外，锌在植物生长发育过程中也积极参与酶催化或活化、光合作用、呼吸作用、花粉形成、细胞色素和核苷酸合成等^[3]。植物缺锌会导致自身发育迟缓，蛋白质含量下降，同时受真菌病毒感染性增加，进一步影响作物产量和质量，最终对人体健康产生影响^[4]。土壤是植物中锌的主要来源，土壤有效锌含量能够反映土壤中锌元素的供给水平，其主要是指用四乙三胺五醋酸(DTPA溶液)或0.1 mol/L HCl分别提取的石灰性土壤和酸性土壤有效锌含量^[5]。施用锌肥可用于缺锌土壤确保作物生长，但作为一种不可再生资源，面对日益增大的消费量，国内锌资源已不能完全保障供应^[6]，因此有效管理土壤中有效锌含量对于保障我国锌资源可持续性至关重要。

缺锌是全世界范围内最常见的微量营养素缺乏症，目前全球50% 用于种植粮食作物的耕地有效锌含量偏低^[7-8]。我国作为全球主要的农业生产国，缺锌耕地已达总耕地面积的51%^[9]，因土壤缺锌导致的作物减产量高达40%^[10]。近年，随着信息技术的快速发展，3S技术在土壤养分空间变异研究中的应用越来越广泛^[11]，基于地统计学和ArcGIS的土壤有效锌空间分布特征逐渐成为研究的热点。Ye等^[12]应用描述性统计和地统计学方法，研究了北京市延庆区耕地土壤有效锌的空间变异性，发现成土母质、有机质含量和土壤pH是影响该区域土壤有效锌含量的重要因素。姜冰等^[13]针对山东省青州市土壤有效锌含量的研究发现，有效锌含量不仅与锌元素全量水平关系密切，还受土壤pH和有机质含量的影响。夏凡等^[14]采用地统计学与GIS空间分析技术相结合的方法，探讨了小尺度茶园土壤有效锌的空间异质性，发现茶园土壤有效锌含量主要受土壤有机质的影响。可见，前人研究多集中于某一年份或茶园、烟区等某一类型土壤有效锌空间分布，并不能完全反映耕地土壤有效锌含量的长期变化趋势，而长时间尺度内耕地土壤有效锌时空变异特征的研究更少。

第二次土壤普查距今已过去40多年，随着经济社会的迅猛发展，耕地土壤现状发生了重大变化，因此了解当前耕地土壤中微量元素的时空变化特征显得十分迫切。扬州市作为沿江流域重要的粮食生产基地之一，其土壤类型、自然条件和种植制度在该区域具有一定典型性，分析其耕地土壤有效锌的时空变化特征，可为沿江类似地区土壤合理利用提供科学依据。由此，本研究以江苏省扬州市为例，利用经典统计学和地统计学方法，对比分析1984年、2005年和2020年耕地土壤有效锌含量，系统研究近37年耕地土壤有效锌含量的时空演变规律及其影响因素，以厘清该市耕地土壤有效锌状况，为沿江地区耕地土壤有效锌可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

扬州市位于长江与京杭大运河交汇处，江苏省中部(119°01′E ~ 119°54′E、31°56′N ~ 33°25′N)，总面积约为6 591 km²。地势整体呈西高东低，有里下河、通南高沙土、沿江圩区和丘陵4种地貌类型。气候类型为北亚热带湿润气候，年平均气温16.4 ℃，年均降水量为1 337.8 mm，水资源丰富。土壤类型包括水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土等4类。作物种类以小麦、水稻、豆类和各类蔬菜作物为主。

1.2 数据来源

1984年数据来源于第二次全国土壤普查，共收集4 105个土样；2005年土壤样点源于扬州市组织的土壤普查采样，共收集4 015个土样；2020年根据土壤类型、利用方式和生产力状况等土壤特点，在原有采样点基础上，突出重点，优化个数，共采集456个土样。采样过程中详细记录各采样点的地理位置、成土母质、土壤质地和土地利用方式等。其中，1984年土壤采样点数据坐标通过扬州市各县(市、区)第二次土壤普查时绘制的1∶50 000土壤农化剖面监测点分布图和土壤图等图件资料，结合扬州市行政区划图和各县(市、区)行政区划图、1∶50 000地形图等辅助资料对采样点数据进行定位及矢量化获得。其他年份采样点坐标均来自采样过程中GPS定位。土壤中有效锌含量、pH和有机质含量分析测定均参考《土壤农业化学分析方法》^[15]的测定标准，分别采用DTPA浸提法、电位法和重铬酸钾容量法。

1.3 数据分析

采用SPSS 21.0进行单因素方差分析和相关性分析。运用GS+9.0进行半变异函数拟合，根据决定系数最大和残差值最小原则，选定最优拟合模型，并通过交叉验证法检验模型的合理性。采用ArcGIS 10.2进行克里格空间插值模块绘制扬州市耕地土壤有效锌空间分布图，采用Origin 2021绘制柱状图。

2 结果与分析 2.1 扬州市耕地土壤有效锌含量描述性统计

扬州市耕地土壤有效锌含量描述性统计结果如表 1所示，1984年、2005年和2020年耕地土壤有效锌平均含量分别为0.61、1.09和1.76 mg/kg，总体呈现递增趋势。与1984年相比，近37年扬州市耕地土壤有效锌平均含量上升1.15 mg/kg，增幅达188.5%。1984—2020年耕地土壤有效锌含量变异系数在42.93% ~ 68.65%，属于中等程度变异，其中2005年和2020年变异系数均大于65%，说明当前扬州市耕地土壤有效锌含量普遍处于较高水平，但仍存在局部耕地土壤有效锌缺乏的情况。不同时期耕地土壤有效锌含量分布如表 2所示，可见，1984年第二次土壤普查时期和2005年有50% 以上耕地土壤有效锌含量处于Ⅳ级水平，其中1984年有25.69% 的耕地土壤有效锌含量处于Ⅴ级水平。随时间推移，扬州市耕地土壤有效锌含量处于Ⅳ、Ⅴ级水平占比逐渐下降，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级水平占比逐渐上升，2005年耕地土壤有效锌Ⅲ级占比由1984年的0.87% 增长至40.99%。相较于1984年和2005年，2020年耕地土壤有效锌含量涨幅明显，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级水平占比高达95.60%，大部分地区均处于中等以上水平。

2.2 扬州市耕地土壤有效锌含量时空变异特征

运用GS+9.0软件对不同时期扬州市耕地土壤有效锌含量进行半变异函数拟合，选出最优模型，结果(表 3)表明，1984年最优拟合模型为指数模型，决定系数R²小于0.5，拟合效果较差；2005年和2020年最优拟合模型均为球状模型，其决定系数R²均大于0.5，说明拟合效果较好。块金效应是描述土壤养分空间变异程度的重要指标。1984年和2020年研究区土壤有效锌含量块金效应 < 25%，表现为强空间相关性，说明有效锌空间变异主要受气候、地形等结构性因素的影响；2005年块金效应 > 25%，属于中等空间相关性，说明有效锌含量受结构性因素和人为因素的共同作用。2020年土壤有效锌含量变程为34.40 km，说明有效锌空间自相关性范围较大。

图 2显示了不同时期研究区耕地土壤有效锌含量的分布差异。1984年扬州市耕地土壤未出现有效锌含量 > 3.00 mg/kg的区域，处于Ⅴ级水平的区域主要集中在高邮市、江都区东部大部分地区以及宝应县北部部分区域。2005年有效锌含量处于Ⅳ级水平的地区主要集中在宝应县、高邮市大部分地区以及仪征市和邗江区的部分地区，江都区大部分耕地土壤有效锌含量处于Ⅲ级水平。2020年有效锌含量大幅提升，其中江都区约有1/3耕地土壤有效锌含量处于Ⅰ级水平，有效锌含量低于1.00 mg/kg的地区主要分布在宝应县、高邮市和仪征市的部分地区。

对不同时期土壤有效锌含量分布图层进行差减提取得图 3，可见，1984—2005年扬州市97% 以上耕地土壤有效锌含量有所上升，其中14% 的区域耕地土壤有效锌含量涨幅超过1.00 mg/kg，19% 的区域有效锌含量涨幅在0.50 ~ 1.00 mg/kg，64% 的区域有效锌含量涨幅在0.00 ~ 0.50 mg/kg。其中，江都区土壤有效锌含量增长面积和幅度最为明显，大部分区域有效锌含量增长幅度 > 1.00 mg/kg，其他县(市、区)有效锌含量增长幅度主要集中在0.00 ~ 0.50 mg/kg。与1984—2005年相比，2005—2020年耕地土壤有效锌增加量明显提高，同时区域变化也比较明显，有效锌含量涨幅超过1.00 mg/kg的区域面积提高了11%，有效锌含量涨幅在0.50 ~ 1.00 mg/kg的区域面积提高了24%，相反，涨幅在0.00 ~ 0.50 mg/kg的区域面积减小了35%。其中，有效锌含量增长区域主要分布在江都区、广陵区、邗江区和高邮市，这主要与2005年之后国家快速发展的经济水平导致农户重视微量元素肥料的施用以及测土配方施肥、秸秆还田等农业技术的推广实施有关。

2.3 扬州市耕地土壤有效锌含量空间变异的影响因素

扬州市土壤成土母质种类繁多，不同成土母质发育土壤有效锌含量存在显著差异。如图 4A所示，1984年不同成土母质发育的土壤有效锌平均含量在0.57 ~ 0.72 mg/kg，2005年在0.79 ~ 1.37 mg/kg，2020年在1.32 ~ 2.68 mg/kg。从成土母质种类看，1984年黄土和下蜀黄土发育土壤有效锌平均含量较高，而湖相沉积物发育土壤有效锌含量较低，与其他母质发育土壤有效锌含量有明显差异；2005年长江冲积物和下蜀黄土发育土壤有效锌含量较高，长江淤积物发育土壤有效锌含量较低；2020年长江冲积物和黄土母质发育土壤有效锌含量明显高于其他母质发育土壤。从时间尺度看，不同成土母质发育土壤中有效锌含量整体呈现上升趋势。其中，长江冲积物母质发育土壤有效锌含量增幅最为显著，由1984年的Ⅳ级水平变为2005年的Ⅲ级水平，到2020年变为Ⅱ级水平，有效锌平均含量达到2.68 mg/kg；其他母质发育土壤有效锌含量增长幅度各有差异，总体上表现为由Ⅳ级水平变为Ⅲ级水平。

扬州市主要有轻壤土、轻黏土、砂壤土、中壤土和重壤土5种类型土壤质地，不同质地土壤有效锌含量差异明显(图 4B)。1984年不同质地土壤有效锌平均含量为0.57 ~ 0.63 mg/kg，其中轻壤土较低，其他质地土壤间无显著差异；2005年有效锌平均含量在0.96 ~ 1.92 mg/kg，其中轻壤土和砂壤土有效锌含量高于其他质地土壤，重壤土含量最低；2020年有效锌平均含量在1.46 ~ 3.70 mg/kg，其中砂壤土有效锌含量明显高于其他质地土壤，重壤土最低。随着时间的推移，各质地土壤中有效锌含量均有提升，其中砂壤土中有效锌平均含量增长最为显著，由1984年Ⅳ级水平到2020年增长至Ⅰ级水平，其次是轻壤土，由Ⅳ级水平增长至Ⅱ级水平，其余质地土壤由Ⅳ级水平增长至Ⅲ级水平。

扬州市的土地利用方式主要为旱地、水田、坑塘水面以及其他利用方式。土地利用方式不同，土壤有效锌含量各有差异(图 4C)。1984年其他土地利用方式的土壤有效锌含量较高，其次是旱地，然后是水田和坑塘水面。2005年和2020年，各土地利用方式土壤有效锌含量无显著差异，除其他利用方式外，总体表现为旱地 > 水田 > 坑塘水面。与1984年相比，近37年各土地利用方式的土壤有效锌含量均有不同程度的提升。

2.4 扬州市耕地土壤有效锌含量与土壤理化指标的相关性

为进一步明确耕地土壤理化性质与土壤有效锌的相关性，选取耕地土壤pH和有机质含量与有效锌含量进行Pearson相关性分析。由表 4可知，土壤有效锌含量与土壤pH呈显著负相关(P < 0.05)，且在1984年和2005年达到极显著负相关(P < 0.01)。1984年土壤有效锌含量与有机质含量呈极显著正相关(P < 0.01)，但在2005年和2020年呈负相关，且在2005年呈极显著负相关(P < 0.01)。

3 讨论 3.1 土壤有效锌含量的时空变异

作物吸收锌元素的途径主要源于土壤，因此确保土壤中锌元素的充足供应是农作物持续高产的重要基础。近37年，扬州市耕地土壤有效锌含量呈显著上升趋势。2020年扬州市耕地土壤有效锌平均含量约是1984年全国第二次土壤普查时期的2.9倍，主要是近年来我国中微量元素肥料的广泛应用、秸秆还田技术的推广以及农户科学管理等措施使土壤中有效锌含量得以提升^[16]。

从半变异函数拟合结果分析，扬州市耕地土壤有效锌含量分布存在明显的空间异质性，总体上呈现南高北低、西高东低的分布特征，这与扬州市地形地貌、成土母质、土壤质地等结构性因素和土地利用方式、施肥等人为因素密切相关。扬州市不同成土母质形成土壤中有效锌含量差异显著，其中南部地区长江冲积物发育土壤有效锌含量较高，且随时间推移增长趋势明显，这可能是因为长江冲积物是由风化物质经河流侵蚀、搬运和沉积等过程形成的沉积物，黏粒含量多，发育土壤剖面层次分明，层内黏粒粗细均一，有利于有效锌的积累^[17]。土壤质地是根据土壤机械组成状况进行的土壤分类^[18]。扬州市目前有轻壤土、轻黏土、砂壤土、中壤土和重壤土5种类型质地，本研究结果发现，砂壤土和轻壤土中有效锌含量较高，而重壤土和轻黏土中有效锌含量较低，这与周聪^[19]的研究结果一致，这主要是因为砂壤土和轻壤土中黏粒含量少，重壤土和轻黏土中黏粒含量多。赵爽等^[20]研究发现，土壤中黏粒含量与有效锌含量呈负相关，过多的黏粒会对锌产生固定作用，降低土壤颗粒对锌元素的解吸能力，使土壤中有效锌含量下降。扬州市不同土地利用方式中，有效锌平均含量总体表现为旱地 > 水田 > 坑塘水面。土地利用方式是人类活动和自然条件共同作用的综合反映，其改变直接影响土壤中微量元素含量及其有效性的变化^[21-22]。张欣^[23]通过分析重庆市采集的479个耕地土壤剖面也发现，不同厚度的土层中，旱地土壤有效锌含量均大于水田土壤。这主要是旱地和水田的特性决定的，一方面旱地是依靠天然降水种植的耕地，土壤中矿物质以稳定态形式存在，不易流失，而水田是具有灌溉保障、种植水稻等作物的耕地，矿物质流动性大，易流失^[24]；另一方面，水田土壤的pH高于旱地^[25]，而本研究发现土壤pH与有效锌含量呈负相关，由此也可能导致旱地有效锌含量高于水田土壤。此外，气候^[26]、地形^[27]等其他结构性因素和施肥^[28]等人为活动也会对土壤中有效锌分布产生影响，这些也可能是导致扬州市耕地土壤有效锌存在空间异质性的重要因素。

3.2 土壤理化指标对有效锌含量的影响

土壤pH是影响土壤质量的重要理化指标之一，直接影响土壤中金属元素的迁移和转化。Singh等^[29]研究了pH对新西兰坎特伯雷平原土壤有效锌吸附和解吸的影响，发现土壤对锌的吸附量随pH的升高而增加，对锌的解吸量随着pH的升高而降低。王子腾等^[30]研究发现农田土壤中，土壤有效锌含量与土壤pH呈显著负相关。本研究中，通过Pearson相关性分析发现，1984年、2005年和2020年土壤有效锌含量与土壤pH相关系数小于0，且1984年和2005年呈极显著负相关，2020年呈显著负相关。这主要是因为随着pH的升高，土壤中的OH^-增多，形成大量吸附物质Zn(OH)^-和Zn(OH)₂，从而间接导致锌的解吸量减少；降低pH，伴随着H⁺增多，土壤中有效锌含量增多^[29]。

土壤有机质是土壤的重要组成部分，其含有的含氧官能团和其他官能团直接影响土壤中金属元素的迁移、转化以及生物有效性^[31]。本研究结果表明，1984年扬州市土壤有效锌含量与有机质含量呈显著正相关，导致该结果的原因可能是有机质在其分解过程中会产生酸性物质，从而降低土壤pH，提高有效锌含量，此外有机质中小分子物质可与锌形成溶解度较大的络合物，提高土壤中有效锌含量^[32-33]；而2005年和2020年土壤有效锌含量与有机质含量呈负相关，与王子腾等^[30]的研究结果不同，其原因一方面是近些年随着有机肥的大量投入，土壤肥力得以提升，进一步促进植物生长，导致植物对土壤中锌元素的需求量增加，从而直接影响土壤中有效锌含量^[32]；另一方面，崔婷婷^[34]研究发现，在田间原位条件下0.88% ~ 5.28% 的秸秆添加量处理下表层土壤有效锌含量下降，最高下降33.72%，可能是因为当大量的秸秆进入土壤，仅能改变土壤中各个形态锌之间的转化，不能提高土壤中DTPA-Zn含量^[35]。据统计，从20世纪90年代开始，扬州市秸秆还田数量显著增加，2005年达到100万t，2014年达到197万t^[36]，因此可能会出现土壤有机质含量增加而有效锌含量不变甚至减少的现象。

4 结论

1) 1984年、2005年和2020年扬州市耕地土壤有效锌平均含量分别为0.61、1.09和1.76 mg/kg，近37年来有效锌含量整体呈现上升趋势。1984—2020年，扬州市耕地土壤有效锌分布存在明显的空间异质性，总体上呈现南高北低、西高东低的分布特征。

2) 不同成土母质、土壤质地以及土地利用方式等对耕地土壤有效锌含量产生影响。长江冲积物母质发育土壤有效锌含量增幅显著高于其他母质；砂壤土有效锌含量高于其他质地土壤；旱地土壤有效锌含量高于水田和坑塘水面有效锌含量。

3) 耕地土壤有效锌含量受土壤pH和有机质等多种土壤理化指标的影响。降低土壤pH有利于提高土壤有效锌含量，土壤有效锌含量与土壤有机质含量相关性随时间变化由正相关转变为负相关。