巴西马托格罗索州农业活动对土壤微量元素的影响及可持续管理策略

本研究针对全球重要产粮区巴西马托格罗索州，通过分析186份土壤样本中13种微量元素(TEs)的分布，揭示农业活动对As、Cr、Fe等自然富集元素及Zn、Cd等施肥相关元素的影响，为建立区域土壤质量参考值(QRVs)提供科学依据，对保障粮食安全与可持续农业具有重要实践意义。

　　

在当今全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，土壤作为农业生产的基础载体，其质量直接关系到作物的营养供给和食品安全。巴西马托格罗索州作为全球重要的农产品供应基地，其农业扩张与土壤健康的平衡问题日益凸显。该地区土壤中天然富含砷(As)、铬(Cr)等微量元素(Trace Elements, TEs)，同时长期施用化肥可能导致锌(Zn)、镉(Cd)等人为元素的积累。然而，该州尚未建立符合本地地质特征的土壤质量参考值(Quality Reference Values, QRVs)，使得农业活动的环境影响评估缺乏科学基准。

针对这一科学难题，联邦大学马托格罗索分校的研究团队联合英国洛桑研究所，在《Chemosphere》发表了开创性研究。团队采用王水消解法提取土壤样本，结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和发射光谱(ICP-OES)技术，系统分析了全州9个生态区186个土壤样本（0-20 cm深度）中13种TEs的空间分布特征。通过Spearman相关性分析、聚类分析等多元统计方法，结合土壤类型、地质省和岩性数据，首次揭示了该州TEs的自然本底值与农业影响的交互作用。

Territory of Mato Grosso
研究区域覆盖巴西第三大州马托格罗索（面积903,200 km²），横跨潘塔纳尔湿地、塞拉多草原和亚马逊雨林三大生物群落。热带气候（年均温20-35°C）和多样化的火成岩/沉积岩地质背景，为研究TEs自然变异提供了理想场所。

Descriptive statistics
数据显示农业区TEs平均浓度普遍高于原生植被区，其中Cd（p=0.00297）和Zn（p=0.00012）存在显著差异。75%样本的As含量低于全球土壤平均值5.0 mg kg^?1，但部分红壤样品As含量高达37.80 mg kg^?1，超出巴西调查阈值(IV)。

Discussions
研究发现：1）As异常与沉积岩岩性和巴拉那地质省密切相关；2）Cr-Fe强相关性（r=0.85）反映火成岩母质特征；3）农业区Zn(平均48.70 mg kg^?1)和Cd(平均0.23 mg kg^?1)的积累与磷肥施用有关，但仍低于预防值(PVs)；4）全州普遍缺硒(Se)，最低值仅0.12 mg kg^?1。

Conclusions
该研究证实马托格罗索州大部分农业土壤TEs处于安全水平，但需重点关注：1）新圣若阿金等As高风险区；2）磷肥驱动的Zn/Cd积累；3）天然高Cr-Fe区域的生物有效性调控。成果为制定区域特异性QRVs提供了关键数据支撑，其整合地质-生态-农业因子的研究方法，为热带地区土壤环境基准研究树立了新范式。

CRediT authorship contribution statement
第一作者Daisy Rickli Binde负责实验设计与论文撰写，项目得到巴西高等教育人才改进协调委员会(CAPES)和英国生物技术与生物科学研究理事会(BBSRC)资助。

这项研究的创新性在于：首次系统绘制了马托格罗索州TEs的地球化学图谱，通过自然本底值与农业影响的精准区分，解决了热带地区土壤环境标准缺失的难题。其成果不仅指导当地科学施肥，更为全球类似农业生态区的可持续管理提供了方法论借鉴。