一种基于多元素指纹方法评估不同海拔土壤垂直分异规律的技术及应用

摘要

本发明提出了一种利用多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤垂直分异的方法，包括如下步骤：S101：确定研究区域；S102：对所述研究区域不同海拔高度土壤进行采集；S103：对采集后的土壤中多元素含量及相关环境因子进行测定分析；S104：分析各海拔土壤多元素分布规律，基于冗余分析(RDA)和非度量多维尺度分析(NMDS)统计分析不同海拔高度土壤多元素垂直分异规律和关键驱动因素。本发明的利用多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤垂直分异的方法，操作简单，经济便捷，准确度高。

权利要求

1.一种基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术，其特征在于，包括如下步骤：S101：确定研究区域；

S102：对所述研究区域不同海拔高度土壤进行采集，采集土壤包括土壤淋溶层和淀积层；

S103：对采集后土壤中各元素含量以及相关环境变量进行测定分析，所述环境变量至少包括土壤有机质、pH、总氮和总磷中的一种；

S104：分析各海拔土壤多元素分布规律，基于冗余分析和非度量多维尺度分析统计分析不同海拔高度土壤多元素垂直分异规律和关键驱动因素。

2.根据权利要求1所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术，其特征在于，所述研究区域应具有明显的山地垂直自然带谱，所采集土壤涵盖不同海拔垂直梯度。

3.根据权利要求1或2所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的方法，其特征在于，在所述步骤S102后还包括如下步骤：将采集的土壤运送至实验室后冷冻干燥，并研磨过筛。

4.根据权利要求1或2所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术，其特征在于，在所述步骤S103中，若超过一半的元素浓度低于检测极限，则这些元素被认为无法检测到，并舍弃；对于其余的元素，用检测极限浓度替换低于检测极限的数值。

5.根据权利要求1或2所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术，其特征在于，在所述步骤S104中，使用CANOCO软件分析所述土壤多元素垂直分异规律与确定环境变量与多元素浓度之间的关系。

6.根据权利要求1或2所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术，其特征在于，在所述步骤S104中，采用淋溶层和淀积层元素浓度的比值来确定元素富集迁移情况，包括：当淋溶层元素浓度比上淀积层元素浓度大于1，认为元素在淋溶层富集；当淋溶层元素浓度比上淀积层元素浓度小于1，则认为元素在发生淋溶至淀积层。

7.根据权利要求1或2所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述海拔高度为800m～1700m，涵盖800m、

950m、1100m、1250m、1400m、1500m和1700m。

8.权利要求1‑7任一项所述的基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术在山地垂直系统评估领域的应用。

说明书

一种基于多元素指纹方法评估不同海拔土壤垂直分异规律的

技术及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的方法与应用。

背景技术

[0002] 长白山拥有我国谱系最多的山地垂直带系统，不同海拔高度垂直带不同关键带如植被群落、土壤理化性质、水文过程、微生物群落等均存在显著差异。以往对长白山不同生态过程研究多集中于单个关键带要素研究，并且多集中于常量元素C、N、P以及某些重金属元素，有关其他元素如Zr、Sb、镧系及锕系元素等生态过程相关研究比较匮乏。

[0003] 多元素指纹分析技术(Multi‑element analysis)是基于每种元素保留下来的特征“指纹”信息来指示和示踪来源，被广泛地应用于农产品产地溯源。多元素指纹分析是一种思维，也是一种工具，可以拓展到不同领域。事实证明，多元素分析是一种经济有效的指示土壤状况的工具。

[0004] 作为地球关键带的核心要素，土壤圈是地球表层系统最为活跃的圈层，而且是地球多圈层之间的枢纽，是解决各个圈层之间能量转换的关键带(宋照亮等，2020)。土壤过程是控制地球关键带中物质、能量和信息流动与转化的重要节点。土壤腐殖质和淋溶层是由植物死亡根系和枯落物等分解而成，通过络合反应能够富集许多元素，并且起到化学屏障作用；土壤淀积层主要反映了成土过程。不同土层之间物质能量流动具有继承性特征。长白山处于独特的国际地缘位置，并且拥有我国谱系最多的山地垂直生态系统，拥有落叶阔叶林带(海拔700m以下)、针阔叶混交林带(海拔700～1000m)、山地针叶林带(海拔1100～1800m)、亚高山岳桦林带(海拔1800‑2100m)和苔原带(海拔2100m以上)。不同海拔高度间不同土层间多元素的分布、迁移和富集地球化学特征对于理解山地土壤垂直分异规律具有重要意义。

[0005] 长白山是探索和验证多元素指纹分析在山地垂直生态系统应用的理想场所。土壤多元素生物地球化学过程与多种环境要素密切相关，特别是当叠加全球气候变化，此方面研究尤其具有重要性和紧迫性。因此，亟待研究一种经济高效便捷的方法来评估山地生态系统不同海拔土壤垂直分异规律。

发明内容

[0006] 针对现有技术中的上述问题，本发明提出了一种基于多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤元素垂直分异规律的技术。

[0007] 第一方面，本发明提出了一种利用多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤垂直分异的方法，包括如下步骤：

[0008] S101：确定研究区域；

[0009] S102：对所述研究区域不同海拔高度土壤进行采集；

[0010] S103：对采集后的土壤中多元素含量及相关环境因子进行测定分析；

[0011] S104：分析各海拔土壤多元素分布规律，基于冗余分析(RDA)和非度量多维尺度分析(NMDS)统计分析不同海拔高度土壤多元素垂直分异规律和关键驱动因素。

[0012] 本发明的利用多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤垂直分异的方法，操作简单，经济便捷，准确度高。

[0013] 作为本发明的具体实施方式，所述研究区域应具有明显的山地垂直自然带谱，所采集土壤涵盖不同海拔垂直梯度的土壤。

[0014] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S101中，所述研究区域的不同海拔高度的土壤分为淋溶层(A层)和淀积层(B层)。这是因为土壤过程是控制地球关键带中物质、能量和信息流动与转化的重要节点。并且，土壤淋溶层是由植物死亡根系和枯落物等分解而成，通过络合反应能够富集许多元素，并且起到化学屏障作用；而土壤淀积层主要反映了成土过程。

[0015] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S102后还包括如下步骤：将采集的土壤运送至实验室后冷冻干燥，并研磨过筛；优选地，采用冷冻器运送采集的土壤。

[0016] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S103前还包括如下步骤：使用陶瓷研钵或者球磨机进行粉碎和研磨，过筛。优选地，采用烧失量法测定土壤有机质；采用电感耦合等离子体质谱测定多元素浓度。

[0017] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S104中，分析各海拔土壤多元素分布规律，基于冗余分析(RDA)和非度量多维尺度分析(NMDS)统计分析不同海拔高度土壤多元素垂直分异规律和关键驱动因素。

[0018] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S103中，若超过一半的元素浓度低于检测极限，则这些元素被认为无法检测到，并舍弃；对于其余的元素，低于检测极限的值替换为检测极限浓度。

[0019] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S104中，使用CANOCO软件分析所述土壤中的环境因子与确定环境变量与多元素浓度之间的关系。

[0020] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S104中，采用淋溶层和淀积层元素浓度的比值来确定元素富集迁移情况；优选地，当淋溶层元素浓度比上淀积层元素浓度大于1，认为元素在淋溶层富集；当淋溶层元素浓度比上淀积层元素浓度小于1，则认为元素在发生淋溶至淀积层。

[0021] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S102中，所述海拔高度为800m～1700m。

[0022] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S102中，所述海拔高度至少选自800m、950m、1100m、1250m、1400m、1500m和1700m中的一种。

[0023] 作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S103中，所述环境因子至少包括多种土壤元素、土壤有机质、pH、总氮和总磷中的一种；优选地，所述元素为40～45种；更优选地，所述元素为43种。

[0024] 第二方面，本发明提出了所述的利用多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤垂直分异的方法在湿地评估领域的应用。

附图说明

[0025] 图1为长白山不同海拔高度多元素分布驱动因素示意图；

[0026] 图2为长白山不同海拔土壤淋溶层和淀积层NMDS分析示意图；

[0027] 图3为长白山不同海拔土壤垂向分布NMDS分析。

具体实施方式

[0028] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不构成对本发明的任何限制。

[0029] 实施例1

[0030] 实施例1提供了一种利用多元素指纹分析方法评估不同海拔土壤垂直分异的方法，包括如下步骤：

[0031] (1)选择位于长白山不同海拔高度土壤区域进行研究。

[0032] 选择长白山不同海拔高度(800m,950m,1100m,1250m,1400m,1500m和1700m)土壤进行采集，包括淋溶层和淀积层。每个海拔梯度设置四个采样重复

[0033] (2)对所述研究区域的土壤进行采集。

[0034] 在从土壤表面去除松散的枯枝落叶层后，用采样铲分别采集腐殖质/淋溶层(～0‑30cm)和淀积层(～30‑50cm)土壤。为了防止铲子或基质表面的污染干扰，用倒置的自封袋
3
从挖掘出的土壤底部内抓取约125cm的样品。采集后的土壤样品置于保温冷冻箱里运输到实验室，之后保持4℃，直到进一步处理。

[0035] 在实验室中，将样品冷冻干燥。一部分采用烧失量法测定土壤有机质含量；一部分采用陶瓷研钵或球磨机研磨，过筛，采用ICP‑MS测定多元素含量。

[0036] (3)对采集后的土壤中的元素进行统计分析，分析不同海拔高度间多元素垂直分异规律。

[0037] 所有元素浓度(无论是ppm还是％)都转换为mg/kg。如果半数以上的样品的元素浓度低于检测限，则认为这些样品总体上无法检测，不纳入数据分析。对于其余的样品，低于检测限的数值则用检测限浓度代替(Farnham et al.,2002)。数据的统计分析遵循Reimann et al.(2008年)。多元素垂直分异规律、环境变量(pH、TN、TP和OM)与多元素浓度之间的关系是通过使用CANOCO for Windows(5.0版)的冗余分析(RDA)以及NMDS分析来确定。

[0038] 表1为长白山不同海波梯度多元素及土壤有机质浓度分布。

[0039] 表2长白山不同海拔土壤元素淋溶和富集分析。

[0040] 表1长白山不同海波梯度多元素及土壤有机质浓度分布(平均值±标准差)[0041]

[0042]

[0043]

[0044]

[0045]

[0046]

[0047] 表2长白山不同海拔土壤元素淋溶和富集分析

[0048]

[0049] 其中，土壤元素富集/淋溶分析：同一种元素，在每一个海拔高度都>1的元素认为主要是元素富集；在每一个海拔高度都<1的元素认为主要是元素淋溶。

[0050] 根据RDA分析结果，如图1所示：总氮、土壤分层、海拔高度、总磷、土壤有机质都是影响长白山不同海拔高度梯度的多元素垂直分异的重要因素。其中：

[0051] 总氮解释分异规律差异的40.8％，显著性为P＝0.002；

[0052] 不同土壤分层解释分异规律差异的18.1％，显著性为P＝0.006；

[0053] 不同海拔高度解释分异规律差异的8.7％，显著性为P＝0.034。

[0054] 如图2所示，NMDS分析表明，土壤淋溶层与淀积层多元素分布具有明显的差异性，不同海拔高度土壤淋溶层元素位于上侧，而各海拔高度土壤淀积层元素位于下层。

[0055] 图3表明高海拔土壤多元素(1400m,1500m和1700m)与低海拔高度(800m,950m,1100m和1250m)具有明显的分异性。

[0056] 结论：研究表明，土壤多元素指纹分析技术能够很好的用于高海拔土壤垂直分异规律，不同土层间以及不同海拔间土壤分布具有明显的差异性，并且也能清晰地区分表层淋溶层土壤和底层土壤，加上该方法经济高效，是一项值得推广和应用的技术。

[0057] 在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50‑90，在本说明书中它的意思是具体列举了51‑89、52‑88……以及69‑71以及70‑71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。

[0058] 应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。