官厅、密云水库上游流域土壤Sr、Mg、Ca对相关气候要素的指示意义

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.12.70

摘要/Abstract

摘要：

为探索表生环境下土壤Sr、Mg、Ca对降水量(P)、相对湿度(RH)、气温、日照时长等气候要素的指示意义,本文以官厅、密云水库上游流域为例,利用研究区农用地土壤数据和近20年气候资料,采用多元统计分析等方法研究土壤Sr、Mg、Ca与相关气候要素之间的关系,在0.05水平上建立土壤元素比值与相关气候要素的多元线性回归模型:R_Mg/Ca=-1.68+(3.59×P+12.62×RH)×10^-3,调整后复相关系数R²为0.86;R_Sr/Ca=-3.49×10^-2+(4.95×P+47.11×RH)×10^-5,调整后复相关系数R²为0.73。模型的拟合优度均较好。研究结果表明:表生环境下土壤Sr、Mg、Ca呈显著正相关,具有相似的地球化学行为或受类似影响机制控制;降水和相对湿度是影响土壤Sr、Mg、Ca元素分布与分配特征的主要气候要素,其中降水影响更为显著,表现出气候环境越湿润土壤元素含量越低、气候环境越干燥元素含量越高的变化特点;土壤Mg/Ca值、Sr/Ca值对相关气候要素亦有较好指示作用,且效果优于Sr、Mg、Ca,一般情况下元素比值高值区往往反映相对湿润气候环境,而低值区往往反映相对干燥气候环境。

关键词: 官厅水库, 密云水库, 表生环境, 土壤, 气候, Mg/Ca, Sr/Ca, 线性回归模型

Abstract:

Taking the upstream watersheds of the Guanting and Miyun Reservoirs as examples, this paper explores the soil Sr, Mg, and Ca as indicators of climatic factors, such as temperature, precipitation (P), relative humidity (RH), and sunshine duration under supergene environments. Using regional soil data from agricultural land and regional climate data from the last 20 years, the relationships between soil Sr, Mg, Ca and climatic factors are investigated via multivariate statistical analysis. At 95% confidence level, best-fitting multiple linear regression models between soil element ratio (R_Mg/Ca or R_Sr/Ca) and climatic factors (P and RH) are established. For equation R_Mg/Ca=-1.68+(3.59×P+12.62×RH)×10^-³, the complex correlation coefficient, R², is 0.86 after outlier adjustment; for equation R_Sr/Ca=-3.49×10^-²+(4.95×P+47.11×RH)×10^-⁵, R² is 0.73 after outlier adjustment. A strong positive correlation between Sr, Ca, and Mg in soil is observed under supergene environments, suggesting the three elements may have similar geochemical properties and distribution control mechanisms. The main climatic factors that affect their soil distribution are precipitation and relative humidity, with precipitation having a greater impact. Results show that the Sr, Mg, and Ca contents in soil are inversely correlated with ambient humidity, where higher content usually correlates with drier climates, and vice versa. Compared to soil content, Mg/Ca and Sr/Ca ratios in soil are more effective climate indicators, where areas with low ratios often have relatively dry climates, and vice versa.

Key words: Guanting Reservoir, Miyun Reservoir, supergene environment, soil, climate, Mg/Ca ratio, Sr/Ca ratio, linear regression model

中图分类号:

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图/表 8

图1 研究区地理位置

Fig.1 Geographical location of the study area

表1 日常分析准确度、精密度要求

Table 1 Accuracy and precision standards for daily analysis

含量范围	准确度		精密度
含量范围	ΔlgC(GBW)= $l g C i - l g C s$		$λ = ∑ n = 1 i (l g C i - l g C s) 2 4 - 1$
检出限3倍以内	≤0.12	≤0.17
检出限3倍以上	≤0.10	≤0.15
1%~5%	≤0.07	≤0.10
>5%	≤0.05	≤0.08

表1 日常分析准确度、精密度要求

Table 1 Accuracy and precision standards for daily analysis

含量范围	准确度		精密度
含量范围	ΔlgC(GBW)= $l g C i - l g C s$		$λ = ∑ n = 1 i (l g C i - l g C s) 2 4 - 1$
检出限3倍以内	≤0.12	≤0.17
检出限3倍以上	≤0.10	≤0.15
1%~5%	≤0.07	≤0.10
>5%	≤0.05	≤0.08

表2 研究区1995—2017年各区/县气候数据统计

Table 2 1995—2017 climate data for each district/county in the study area

行政区		年均气温/℃	年均降水量/mm	年均日照时长/h	年均相对湿度/%
承德市	承德县	9.7	509.9	2 420.2	57.0
	丰宁县	7.3	453.7	2 720.2	54.6
	沽源县	2.7	406.1	2 895.1	60.7
	滦平县	8.0	511.3	2 584.8	58.4
	兴隆县	8.0	683.8	2 435.9	61.2
张家口市	市区	9.3	401.3	2 589.6	45.8
	尚义县	3.9	406.5	2 694.5	57.2
	万全县	8.5	369.8	2 679.4	49.1
	蔚县	8.0	386.4	2 785.2	53.7
	宣化县	8.4	364.8	2 638.3	53.3
	阳原县	8.2	370.4	2 762.8	50.0
	张北县	4.2	374.3	2 686.3	55.4
	涿鹿县	10.3	386.7	2 636.7	49.2
	赤城县	6.9	402.3	2 611.0	52.6
	崇礼县	4.4	464.0	2 574.7	56.4
	怀安县	8.3	383.9	2 567.6	50.2
	怀来县	10.1	374.7	2 790.4	49.5

图2 特异值剔除前(a,c,e)和剔除后(b,d,f)土壤Sr、Mg、Ca数据统计分布图

Fig.2 Statistical distribution of Sr, Mg, and Ca contents in soil before (a, c, e) and after (b, d, f) outlier adjustment

表3 各区、县土壤元素含量及元素比值的平均值统计

Table 3 Summary of Sr, Mg, and Ca contents (w%) and elemental ratios in soil by district/county

行政区		样本数/个	元素含量			元素比值
行政区		样本数/个	w(Sr)/ (mg·kg^-1)	w(Mg)/ %	w(Ca)/ %	Mg/Ca	Sr/Ca
承德市	承德县	8	119.13	0.78	0.88	0.93	0.014 3
	丰宁县	1 768	204.74	0.89	1.58	0.63	0.014 6
	沽源县	351	173.83	0.71	1.06	0.67	0.017 5
	滦平县	415	238.21	1.06	1.23	0.93	0.020 9
	兴隆县	142	181.27	1.19	1.30	1.00	0.015 7
张家口市	市区	848	278.11	1.16	3.72	0.33	0.008 0
	尚义县	283	293.73	1.04	3.34	0.35	0.010 1
	万全县	1 547	281.01	1.04	3.07	0.36	0.009 9
	蔚县	2 811	247.14	1.28	4.87	0.28	0.005 6
	宣化县	1 828	283.15	1.29	4.17	0.32	0.007 1
	阳原县	1 693	304.47	1.40	4.91	0.30	0.006 4
	张北县	33	239.83	1.03	1.64	0.68	0.016 1
	涿鹿县	1 990	255.16	1.32	4.49	0.30	0.006 0
	赤城县	3 188	211.08	1.02	2.31	0.51	0.010 8
	崇礼县	1 109	228.17	1.02	2.08	0.58	0.012 4
	怀安县	1 767	275.85	1.37	4.49	0.31	0.006 4
	怀来县	2 011	278.79	1.19	4.03	0.31	0.007 8

表4 土壤元素与气候要素Pearson相关性分析结果

Table 4 Pearson correlation coefficients between soil elements and climatic factors

气候要素	各气候要素间相关系数
气候要素	Sr含量	Mg含量	Ca含量	年均气温	年降水量	年相对湿度	年日照时长
Sr含量	1
Mg含量	0.79^*	1
Ca含量	0.79^*	0.92^*	1
年均气温	0.17	0.49	0.40	1
年降水量	-0.68^*	-0.60^*	-0.80^*	-0.12	1
年相对湿度	-0.60^*	-0.66^*	-0.70^*	-0.69^*	0.61^*	1
年日照时长	0.28	0.04	0.24	-0.36	-0.54	0.06	1

图3 土壤Mg/Ca值与年降水量、相对湿度的线性回归模型

Fig.3 Linear regression models between Mg/Ca ratio in soil and annual precipitation (left) and relative humidity (right)

图4 土壤Sr/Ca值与年降水量、相对湿度的线性回归模型

Fig.4 Linear regression models between Sr/Ca ratio in soil and annual precipitation (left) and relative humidity (right)

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