鄱陽湖及周邊經濟區農業地球化學環境評價*

余忠珍,馬逸麟,衷存堤,馮昌和,梅麗輝,江俊杰

(1中國地質大學(武漢),湖北武漢430074)

(2江西省地質調查研究院,江西南昌330030)

(3江西省贛西地質大隊,江西南昌330201)

鄱陽湖及周邊經濟區農業地球化學環境評價*

余忠珍1,2,馬逸麟2,衷存堤2,馮昌和2,梅麗輝3,江俊杰2

(1中國地質大學(武漢),湖北武漢430074)

(2江西省地質調查研究院,江西南昌330030)

(3江西省贛西地質大隊,江西南昌330201)

文章以《江西省鄱陽湖及周邊經濟區1∶25萬多目標地球化學調查》資料為基礎,詳細論述了植物所需的C、H、O、N、P、K、Ca、M g、S、Cu、Zn、Fe、M n、B、M o、Cl共16種營養元素的分布特征。利用8843件表層土壤樣品中Cd、Hg、A s、Pb、Cr等重金屬元素含量及其土壤pH值,采用內梅羅指數法對區內無公害水稻產地土壤環境質量、無公害蔬菜產地土壤環境質量以及綠色食品產地土壤環境質量進行綜合評價。在此基礎上,對鄱陽湖及周邊經濟區表層土壤生態地球化學環境質量進行了綜合評價。

環境評價;地球化學;鄱陽湖

1 引言

多目標地球化學調查是一項融第四紀地質研究、礦產資源勘查、環境質量評價、土地合理使用和為農業生產服務為一體的綜合性基礎調查工作[1-3]。以《江西省鄱陽湖及周邊經濟區1∶25萬多目標地球化學調查》資料為基礎,開展農業地質環境評價是實現農業地質環境調查為農業、環境、生態、資源、人體健康等多學科研究、多領域服務,促進經濟社會持續穩定發展的重要途徑。

鄱陽湖區位于長江南岸,江西省的北部,地理座標:東經114°44′～117°33′,北緯27°25′～30°05′,范圍涵蓋了廬山區、潯陽區、九江縣、湖口縣、彭澤縣、德安縣、星子縣、永修縣、都昌縣、東湖區、西湖區、青云譜區、灣里區、青山湖區、南昌縣、新建縣、進賢縣、安義縣、東鄉縣、臨川區、鄱陽縣、余干縣、萬年縣、樂平市、余江縣、豐城市、高安市、樟樹市和奉新縣等29個市、縣(市)、區,國土面積為38 979 km2,耕地面積為761 128 ha。

2 土壤營養和有益元素豐缺分布特征

土壤是重要的農業資源和自然環境要素之一,植物所需的營養元素主要有碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、銅、鋅、鐵、錳、硼、鉬、氯16種,除了碳、氫、氧可以從空氣和水中獲得外,其他13種元素主要從土壤中獲取[4-5]。因此,土壤(耕作層)營養元素的豐缺狀況直接影響著農作物的生長發育和農產品的品質與產量。

氮、磷、鉀和有機質等是評價土壤肥力的四大要素,其含量的高低直接影響農業生產力水平。由于本次調查未對區域土壤中氮、磷、鉀的速效量進行分析,因此,僅對土壤中氮、磷、鉀的全量和有機質的豐缺狀況進行區域性評價。速效鉀采用實測三條區域性土壤大剖面上的樣品分析數據進行初步評價。

有益微量元素有效態豐缺評價,涉及元素主要為鋅、銅、鐵、鉬、硼等。

樣品分析測試工作由國土資源部南昌礦產資源監督檢測中心(江西省地礦局實驗測試中心)以及國土資源部合肥礦產資源監督檢測中心(安徽省地質實驗研究所)承擔,樣品分析測試質量監控與考核由中國地質調查局區化樣品分析質量監控專家組負責。承擔樣品分析的實驗室及樣品分析質量監控組嚴格按照中國地質調查局有關規范、規定要求完成了各類樣品測試與分析質量考核和評定。

土壤地球化學調查樣品選擇以X熒光光譜儀和ICP-A ES為主體的分析方法配套方案,方法主要有:X熒光光譜法、ICP/A ES法、原子發射光譜法、無火焰原子吸收法、激光熒光法、催化極譜法、原子熒光法及玻璃電極法等;土壤形態采用等離子體發射光譜法、石墨爐原子吸收法和等離子熒光分析法。土壤有效態采用等離子體光譜法,原子熒光法、極譜法。

2.1 土壤養分、有益微量元素有效態分級

參照《中國土壤普查技術》(1992)中土壤養分、有益微量元素有效態豐缺分級標準,根據表層土壤有機碳、氮、磷、鉀分析數據,對調查區陸地表層土壤養分、有益微量元素豐缺現狀進行評價,評價結果見表1、表2,反映區內陸地表層土壤養分豐缺程度存在較大差異,而陸地表層土壤有益微量元素有效態豐缺亦存在不同程度的差異。

表1 項目區陸地表層土壤養分豐缺狀況一覽表Table 1 Lack or abundance status of nutrient compositions in land surface soils in the studied area

表2 項目區陸地表層土壤有益微量元素有效態豐缺一覽表Table 2 Lack or abundance status of effective form of useful trace elements in land surface soils in the studied area

2.2 土壤(耕作層)養分和有益微量元素豐缺分布特征

由于受土壤類型、成土母質、農業種植結構的影響,區內土壤養分豐缺分布特征各不相同。

土壤有機質 區內土壤有機質含量總體適中,適度—很富足有機質土壤分布面積達25 166.96 km2,占調查區陸地土壤總面積的71.76%,有機質缺乏及嚴重缺乏的土壤分布面積為676.86 km2,僅占陸地土壤總面積的1.93%。土壤有機質區域分布特征主要為廬山、玉華山、九嶺山、歷山等中低山區及部分丘陵地區,南昌市周圍地區含量相對富足,鄱陽湖沖積平原、五大河沿岸、長江南岸等低丘盆地及平原區則相對缺乏。即區內現有農業種植區土壤(耕作層)有機質含量普遍缺乏。

全氮 區內土壤全氮含量總體較高,適度-很富足全氮土壤分布面積達30 227.7 km2,占調查區陸地土壤總面積的86.19%,全氮缺乏及嚴重缺乏的土壤分布面積為1 108.24 km2,僅占陸地土壤總面積的3.16%。土壤全氮區域分布特征與有機質類似,主要在廬山、九嶺山、南昌市、余干-樂平、歷山、玉華山一帶含量相對富足,沿贛、撫、信、饒、修河等五大河兩岸及長江沿岸相對缺乏,但分布面積明顯較少。區內土壤(耕作層)全氮含量總體富足。

全磷 區內土壤全磷含量總體較低,多數土壤缺磷,適度-很富足全磷土壤分布面積只有697.92 km2,僅占調查區陸地土壤總面積的1.99%,全磷缺乏及嚴重缺乏的土壤分布面積則高達30 108.45 km2,占陸地土壤總面積的85.85%。土壤(耕作層)全磷區域分布特征總體表現為缺磷,僅在南昌市、樂平市、余干縣、萬年縣、高安市、撫州市、九江市、樟樹市南部等城市周邊地區局部土壤中的全磷含量適度。

全鉀 區內土壤全鉀含量總體適中,適中-很富足全鉀土壤分布面積達21 551.12 km2,占調查區陸地土壤總面積的61.45%,全鉀缺乏及嚴重缺乏的土壤分布面積只有2426.92 km2,僅占陸地土壤總面積的6.92%。土壤全鉀區域分布特征主要為沿九嶺山、玉華山、贛江、撫河、信江兩岸、新建北部、東鄉南部、余干-萬年一帶土壤中全鉀含量很富足,高安-樟樹、撫州以南、安義-德安、進賢-余江、樂平-都昌一帶土壤中全鉀含量缺乏。以永修-樂平一線為界,調查區南部土壤中全鉀含量相對富足,北部土壤(耕作層)中全鉀含量相對缺乏。

速效鉀 區內土壤中速效鉀含量總體缺乏,適度-很富足速效鉀樣本所占比例為24.14%,缺乏速效鉀樣本所占比例為10.34%,而相對缺乏速效鉀樣本所占比例則高達65.52%。土壤速效鉀在三條剖面上的分布特征表現為,樟樹-奉新剖面上在樟樹以南土壤中速效鉀含量相對富足,樟樹以北土壤中速效鉀含量大部分缺乏;撫州-九江剖面上大部分土壤中速效鉀含量相對缺乏,僅少量樣點土壤中速效鉀含量適度;東鄉-彭澤剖面上也是大部分樣點土壤速效鉀含量相對缺乏,少量樣點土壤中速效鉀含量適度。

有效態鋅 區內土壤中有效態鋅含量總體很高,富足-很富足有效態鋅樣本所占比例高達98.28%,適度有效態鋅樣本所占比例僅占1.72%,無缺乏及很缺有效態鋅樣本。土壤有效態鋅在三條剖面上的分布特征均表現為富足-很富足,僅在長江南岸出現適度樣點。

有效態銅 區內土壤中有效態銅含量總體很高,很富足有效態銅樣本所占比例高達99.14%,適度有效態銅樣本所占比例僅占0.86%,區內土壤中不缺乏有效態銅。土壤有效態銅在三條剖面上的分布特征表現為區內土壤中有效態銅含量均很富足。

有效態鐵 區內土壤中有效態鐵含量總體很高,全部為很富足有效態鐵樣本,即區內土壤中不缺有效態鐵。土壤有效態鐵在三條剖面上的分布特征表現為區內土壤中有效態鐵含量均很富足。

有效態鉬 區內土壤中有效態鉬含量總體較低,適度-富足有效態鉬樣本所占比例只有26.73%,而有效態鉬缺乏-很缺的樣本所占比例高達73.27%,說明區內土壤總體缺有效態鉬。土壤有效態鉬在三條剖面上的分布特征表現為僅在樟樹、撫州南部、進賢-南昌、安義-永修、星子、彭澤一帶分布少量有效態鉬適度-富足的土壤,其它地區土壤中普遍缺乏有效態鉬,雖然調查區中南部土壤中全鉬含量較高,但有效態鉬仍然缺乏,因此,農業生產中應增施鉬肥。

有效態硼 區內土壤中有效態硼含量總體很低,適度有效態硼樣本所占比例僅為0.86%,缺乏有效態硼樣本所占比例為8.62%,而很缺有效態硼樣本所占比例高達90.52%,說明區內土壤總體很缺乏有效態硼。土壤有效態硼在三條剖面上的分布特征表現為區內土壤中普遍缺乏有效態硼,雖然區內除鄱陽湖區及五大河流兩岸外,其它地區土壤中全量硼含量相對較高,農業生產中還是應廣泛增施硼肥。

3 無公害食品產地環境標準土壤質量評價

3.1 采用評價標準

根據農業部頒布的《無公害水稻產地環境條件N Y5116-2002》和國家頒布的《無公害蔬菜產地環境要求GB/T18407.1-2001》,利用陸地8843件表層土壤樣品中Cd、Hg、A s、Pb、Cr等重金屬元素含量及其土壤pH值,采用內梅羅指數法對區內無公害水稻產地土壤環境質量和無公害蔬菜產地土壤環境質量進行綜合評價。

3.2 評價方法

按照上述評價標準,先對區內土壤進行單指標評價,單指標評價法主要采用下式計算各指標的土壤環境質量指數,再采用內梅羅指數法進行5項指標的綜合評價。

Pi=Xi/C

上述式子中,Pi為土壤環境質量指數;Xi為實測數據;C為土壤含量限值。

內梅羅綜合指數評價法,是通過計算土壤中重金屬指標的綜合指數,來確定土壤環境質量狀況。內梅羅綜合污染指數計算式為:

式中:P為土壤綜合評價指數;Pi為土壤中重金屬的環境質量指數;

n為土壤中參與評價的重金屬數量;

(Pi,max)2為土壤中各污染物污染指數最大值的平方。

當P<1為適宜區;P>1為不適宜區。可根據P值變化幅度,進一步劃分為輕度不適宜區(13)等級。

3.3 評價結果

參照無公害食品水稻產地土壤環境質量要求,單指標評價結果顯示(表3),區內表層土壤環境符合無公害水稻生產要求的各評價指標所占比例分別為Cd94.28%、Hg98.42%、A s98.81%、Pb99.97%、Cr99.98%,適宜的耕地(總耕地面積76.4057萬hm2)分布面積分別為Cd72.04萬hm2、Hg75.20萬hm2、A s75.50萬hm2、Pb76.38萬hm2、Cr76.39萬hm2。

表3 表層土壤適宜無公害水稻生產的分布面積統計表Table 3 Statistics of distribution areas of surface soils suitable for innoxious rice production

綜合評價結果顯示,區內表層土壤環境符合無公害水稻生產要求的比例為95.93%,不適宜發展無公害水稻的土壤面積所占比例為4.07%,適宜發展無公害水稻的耕地面積為73.30萬hm2。其中土壤中Cd、Hg、A s等含量超標是主要影響因素。不適宜發展無公害水稻的主要分布區是南昌市郊、贛江中支入湖三角洲、鄱陽-余干之間的沖積平原、彭澤-湖口南東部、德安吳山、高安雞公嶺、樟樹南部一帶,絕大多數分布面積很小,部分是山地或丘陵地區。

參照無公害蔬菜產地土壤環境質量要求,單指標評價結果顯示(表4),區內表層土壤環境符合無公害蔬菜生產要求的各評價指標所占比例分別為Hg 98.43%、A s 99.45%、Pb 99.84%、Cd 94.28%、Cr 99.82%,適宜的耕地(總耕地面積76.4057萬hm2)分布面積分別為Hg 75.21萬hm2、A s 75.99萬hm2、Pb 76.28萬hm2、Cd 72.04萬hm2、Cr 76.27萬hm2。

表4 表層土壤適宜無公害蔬菜生產的分布面積統計表Table 4 Statistics of distribution areas of surface soils suitable for innoxious vegetable production

綜合評價結果顯示,區內表層土壤環境符合無公害蔬菜生產要求的比例為95.92%,不適宜發展無公害蔬菜的土壤面積所占比例為4.08%,適宜發展無公害蔬菜的耕地面積為73.29萬hm2。其中表層土壤中Cd、Hg、A s等含量超標是主要影響因素。不適宜發展無公害蔬菜的主要分布區是彭澤東升-天紅鎮、高安市雞公嶺、南昌市郊、鄱陽-余干之間的沖積平原、樟樹市南部一帶。主要在南昌市-南昌縣的東部、鄱陽-余干之間的沖積平原、樟樹市南部等地目前不宜發展無公害蔬菜基地。

4 綠色食品產地土壤地球化學環境質量評價

4.1 采用評價標準

根據農業部頒布的《綠色食品產地環境技術條件N Y/T391-2000》,利用陸地8843件表層土壤樣品中Cd、Hg、A s、Pb、Cr、Cu等重金屬元素含量及其土壤pH值,采用內梅羅指數法對區內土壤進行綠色食品產地土壤環境質量初步綜合評價。

4.2 評價方法

按照上述評價標準,先對區內土壤進行單指標評價,單指標評價法主要采用下式計算各指標的土壤環境質量指數,再采用內梅羅指數法進行6項指標的綜合評價。

上述式子中,Pi為土壤環境質量指數;Xi為實測數據;C為土壤含量限值。

內梅羅綜合指數評價法,是通過計算土壤中重金屬指標的綜合指數,來確定土壤環境質量狀況。內梅羅綜合污染指數計算式為:

式中:P為土壤綜合評價指數;P i為土壤中重金屬的環境質量指數;

n為土壤中參與評價的重金屬數量;

(Pi,max)2為土壤中各污染物污染指數最大值的平方。

當P<1為適宜區;P>1為不適宜區。可根據P值變化幅度,進一步劃分為輕度不適宜區(13)等級。

4.3 評價結果

參照綠色食品產地旱地土壤中各項污染物的含量限值要求,單指標評價結果顯示(表5)區內表層土壤環境符合綠色食品產地旱地土壤生產要求的各評價指標所占比例分別為Cd 93.97%、Hg 97.24%、A s 98.11%、Pb 97.25%、Cr 99.46%、Cu 98.85%,適宜的耕地(總耕地面積76.4057萬hm2)分布面積分別為Cd 71.80萬hm2、Hg 74.30萬hm2、A s 74.96萬hm2、Pb 74.30萬hm2、Cr 75.99萬hm2、Cu 75.53萬hm2。

表5 表層土壤適宜綠色食品產地旱地生產的分布面積統計表Table 5 Statistics of distribution areas of surface soils suitable for green food dry-land production

綜合評價結果顯示,區內表層土壤環境符合綠色食品產地旱地生產要求的比例為93.08%,不適宜發展綠色食品產地旱地的土壤面積所占比例為6.92%,適宜發展綠色食品旱地的耕地面積為71.12萬hm2。其中表層土壤中Cd、Hg、Pb、A s、Cu等含量超標是主要影響因素。不適宜發展綠色食品旱地產地的主要分布區是彭澤縣東升-天紅鎮、德安縣吳山鄉、高安市雞公嶺、南昌市郊、鄱陽-余干之間的沖積平原、樂平市歷山及樂平-萬年之間、樟樹市南部、豐城市鐵路鎮以東、東鄉縣南部一帶。其中除南昌市郊、樟樹市南部、鄱陽-余干之間沖積平原外,其它地區主要為低山丘陵區,前三個區域目前不宜發展綠色食品(旱地)產地。

參照綠色食品產地水田中各項污染物的含量限值要求,單指標評價結果顯示(表6),區內表層土壤環境符合綠色食品產地水田生產要求的各評價指標所占比例分別為Cd 93.96%、Hg 98.34%、A s 96.68%、Pb 97.25%、Cr 99.46%、Cu 98.85%,適宜綠色食品產地水田的耕地(總耕地面積76.4057萬hm2)分布面積分別為Cd 71.79萬hm2、Hg 75.14萬hm2、A s 73.87萬hm2、Pb 74.30萬hm2、Cr 75.99萬hm2、Cu 75.53萬hm2。

表6 表層土壤適宜綠色食品產地水田生產的分布面積統計表Table 6 Statistics of distribution areas of surface soils suitable for green food water-land production

綜合評價結果顯示,區內表層土壤環境符合綠色食品產地水田生產要求的比例為92.95%,不適宜發展綠色食品產地水田的陸地土壤面積所占比例為7.05%,適宜發展綠色食品水田的耕地面積為71.02萬hm2。其中表層土壤中Cd、A s、Pb、Hg、Cu等含量超標是主要影響因素。不適宜發展綠色食品水田的主要分布區是彭澤縣東升-天紅鎮、德安縣吳山鄉、高安市雞公嶺、南昌市郊、鄱陽-余干之間的沖積平原、樂平市歷山及樂平-萬年之間、樟樹市南部、豐城市鐵路鎮以東、東鄉縣南部一帶。其中除南昌市郊、樟樹市南部、鄱陽-余干之間沖積平原外,其它地區主要為低山丘陵區,前三個區域目前不宜發展綠色食品(水田)產地。

5 表層土壤生態地球化學環境質量綜合評價

土壤生態地球化學環境質量綜合評價,應從土壤的應用功能為出發點,既要考慮土壤的酸堿度(pH)、重金屬元素(Cd、Hg、Cu、A s、Pb、Cr、Zn、N i)的含量,又要考慮土壤的基本養分(N、P、K、TOC)和有益元素(Fe、M n、B、S、M o等)的含量,同時還要考慮土壤中的微量元素Se、鹵素元素(F、I等)及常量元素(A l、Ca等)的影響。主要對前兩類指標進行等級打分,對區內表層土壤的生態地球化學環境質量作綜合評價[6～8]。綜合評價采用分項打分的辦法,具體打分的原則如下:

(1)土壤酸堿度(pH值):總分15分,共分4級,以中性(pH 6.5～7.5)得分最高,占15分(一級),微酸性(pH 5.5～6.5)或微堿性(pH 7.5～8.0)占12分(二級),酸性(pH 5.5～4.5)或堿性(pH 8.0～9.0)占6分(三級),強酸性(pH<4.5)或強堿性(pH>9.0)占6分(四級) (表7);

表7 項目區表層土壤酸堿度評價定級評分表Table 7 pH evaluation grading scoring of surface soils in the studied area

(2)八個重金屬元素:總分30分,按內梅羅綜合污染指數劃分為4級,一級占30分,二級占22分,三級占14分,四級占6分;

(3)有機碳含量:總分15分,共分6級,含量越高得分越高,六級占15分,五級占12分,四級占9分,三級占6分,二級及一級占3分。

(4)N、P、K等養分含量:總分15分,每個指標占5分,共分6級,以含量適中得分最高,四級占5分,三級及五級占3分,一、二、六級占1分;

(5)有益元素(Fe、M n、B、S、M o等)含量:總分25分,每個指標占5分,共分5級,以含量適中得分最高,適量得5分,缺乏或富足得3分,很缺或很富足得1分;

(6)以上各項指標總分100分,得分越高說明其土壤環境質量相對越好。按照上述綜合得分高低將區內土壤(8843件樣品)環境質量劃分為4個等級,各等級劃分標準為:

Ⅰ類土壤:綜合評價得分75分以上(含75分);

Ⅱ類土壤:綜合評價得分60分以上(含60分);

Ⅲ類土壤:綜合評價得分50分以上(含50分);

劣Ⅲ類土壤:綜合評價得分低于50分。

(7)在上述評分確定的土壤環境質量級別的基礎上,根據土壤中其它一些對土壤生態環境質量有影響的指標含量及分布情況,對土壤環境質量級別進行適當調整。對達到富硒土壤要求的地區可提高一級其綜合定級,對土壤中存在氟中毒或碘缺乏隱患的地區可降低一級其綜合定級,對土壤中A l、Ca含量適中的地區可提高一級其綜合定級等。

圖1 調查區表層土壤生態地球化學質量綜合評價圖Fig.1 Comprehensive evaluation map of surface soil eco-geochem ical quality in the studied area

綜合評價結果表明,區內表層土壤地球化學環境綜合質量優良(圖1),Ⅰ類土壤(4822件)占總樣本數(8843件)的54.53%,Ⅱ類土壤(2415件)占總樣本數的27.31%,Ⅲ類土壤(1451件)占總樣本數的16.41%,劣Ⅲ類土壤(155件)僅占總樣本數的1.75%。不同等級質量土壤的區域分布特征表現為,表層土壤地球化學環境綜合質量相對最好(Ⅰ類)的地區主要分布在都昌-鄱陽東北部、南昌-進賢撫河下游一帶、樂平-萬年一帶、永修-德安一帶及高安-樟樹一帶,表層土壤地球化學環境綜合質量相對較差(Ⅲ類及劣Ⅲ類)的地區主要分布在贛江三角洲瑞洪-吳城一帶、永修羅殿西北部、奉新上富鎮以西、鄱陽縣南部、萬年-進賢一帶,其它則分布較零散。區內表層土壤不同等級地球化學環境質量分布區的總體分布規律性相對較差。以上評價結果可為區內土地資源的區域分等定級提供一定的參考作用。

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Agricultural geochem ical environmental evaluation for Poyang Lake and its surrounding econom ic districts

YU Zhong-zhen1,2,MA Yi-lin2,ZHON G Cun-di2,FEN G Chang-he2, M EI li-hui3,J I AN G Jun-jie2
(1China U niversity of Geosciences(W uhan),W uhan,430074)
(2J iangx i P rovincial Institute of Geolog ical S urvey,N anchang,330030)
(3J iangx i P rovince,W estern J iangx i Geolog ical T eam,N anchang,330210)

Based on the information of 1:250,000 scale multi-purpose geochem ical survey of Poyang L akeanditssurroundingareas,this paperdiscussedindetailthedistribution characteristics of 16 nutrient elements including C,H,O,N,P,K,Ca,M g,S,Cu,Zn,Fe, M n,B,M o and Cl,which the plant requires.The comprehensive evaluation of soil environmental quality respectively for innoxious rice producing area,innoxious vegetable producing area and green food producing area wasmade by using of themethod ofN emero Index.On this basis,the comprehensive evaluation of eco-geochem ical environmental quality of surface soils in Poyang L ake and its surrounding econom ic districts was proposed.

environmental evaluation;geochem ical;Poyang L ake

book=127,ebook=22

S153

A

1671-4814(2010)02-127-09

2009-10-09

江西省鄱陽湖及周邊經濟區農業地質調查(項目編號:200414200008)

余忠珍(1965～),男,江西省都昌縣人,碩士,教授級高級工程師,主要從事礦產與農業地質、環境地質研究工作。

馬逸麟,江西省南昌市迎賓北大道938號江西省地質調查研究院,郵編330030。