威海市土壤元素地球化學(xué)分布及其意義

張帆

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276800)

威海市位于膠東半島最東端，北東南三面瀕臨黃海，北與遼東半島相對，東及東南與朝鮮半島和日本列島隔海相望，西與煙臺市接壤。地勢中部和東南部高，西部和西北部低，屬起伏緩和，谷寬坡緩的波狀丘陵區(qū)。三面環(huán)海，海岸類型屬于港灣海岸，海岸線曲折，岬灣交錯(cuò)，多港灣、島嶼。氣候?qū)儆诒睖貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退都較明顯。年均氣溫11.9℃，年均降水量730.2mm。適宜的氣候環(huán)境為農(nóng)、漁業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)越自然條件。

1 地質(zhì)概況

威海市處于秦嶺-大別-蘇魯造山帶的最東端，膠南-威海造山帶東部，發(fā)育古元古代、中生代和新生代地層，缺失太古代和古生代沉積，最大特點(diǎn)是在造山帶中存在大量的變質(zhì)表殼巖包體。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要是因造山帶在不同時(shí)段的演化產(chǎn)生的，主體構(gòu)造形跡以不同時(shí)代、不同層次的韌性剪切帶廣泛發(fā)育為其突出特點(diǎn)，斷裂以NE向、NNE向?yàn)橹鳎浯螢镾N向、NW、近EW向。巖漿巖發(fā)育，以侵入巖為主，形成時(shí)代有中元古代、新元古代及中新生代，巖石類型從超基性巖—基性巖—中性巖—酸性巖皆有發(fā)育，以中酸性巖為主。

土壤位于風(fēng)化殼最表層的地帶，是在風(fēng)化產(chǎn)物(母質(zhì))的基礎(chǔ)上經(jīng)過成土作用逐步發(fā)育形成的。根據(jù)全國土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程和《山東省第二次土壤普查土壤工作分類暫行方案》，威海市土壤共分為棕壤、白漿化棕壤、潮棕壤、棕壤性土、酸性石質(zhì)土、中性石質(zhì)土、石灰性褐土、草甸風(fēng)沙土、酸性粗骨土、中性粗骨土、潮土、鹽化潮土、堿化鹽土、濱海鹽土、濱海潮灘鹽土、淹育水稻土等16個(gè)亞類[1]。

2 工作方法

2．1 樣品采集

土壤樣品采集嚴(yán)格按照多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范[2](1∶25萬)執(zhí)行，采集的樣品包括表層和深層土壤。表層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/km2，采樣深度0～20cm；深層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/4km2，采樣深度150～200cm。表層土壤組合分析樣密度為1件/4km2，深層土壤組合分析樣密度為1件/16km2，組合分析樣送樣重量為200g。威海市表層土壤分析樣1526件，深層土壤分析樣405件。

2．2 測試元素與指標(biāo)

樣品測試由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所承擔(dān)，分析Ag，As，Au，B，Ba，Be，Bi，Br，C，Cd等54元素或指標(biāo)。采用等離子體發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法、發(fā)射光譜法、原子熒光光譜法等配套方法測試。樣品測試質(zhì)量由中國地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)評審樣品分析質(zhì)量為優(yōu)秀。

2．3 數(shù)據(jù)處理

對取得的表層土壤、深層土壤Ag，As，Au，B，Ba，Be，Bi，Br，C，Cd，Ce，Cl，Co，Cr，Cu，F(xiàn)，Ga，Ge，Hg，I，La，Li，Mn，Mo，N，Nb，Ni，P，Pb，Rb，S，Sb，Sc，Se，Sn，Sr，Th，Ti，Tl，U，V，W，Y，Zn，Zr，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O，Corg，pH值等54元素或指標(biāo)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理， 統(tǒng)計(jì)分析了樣品數(shù)、最小值、最大值、中位數(shù)、算術(shù)平均值、幾何平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)等地球化學(xué)參數(shù)。

3 主要成果

3．1 土壤元素基準(zhǔn)值特征

威海市土壤元素基準(zhǔn)值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可見，威海市土壤元素基準(zhǔn)值與山東省土壤平均值和中國土壤元素平均值[3-9]對比明顯不同，且不同元素間變異系數(shù)也有較大差別，調(diào)查區(qū)土壤元素基準(zhǔn)值有如下特征：

(1)與山東省土壤平均值對比，威海市土壤中Ba，I，Mo，Pb，Se，Sr，K2O，Na2O 等指標(biāo)基準(zhǔn)值明顯高于山東省土壤平均值，均超過1.2倍，特別是Ba，I元素基準(zhǔn)值是山東省土壤平均值的1.9倍以上，這主要與威海市地處沿海有關(guān)；As，B，C，Cd，Cr，Cu，F(xiàn)，Li，Ni，P，Sb，Sc，CaO，MgO等元素或指標(biāo)基準(zhǔn)值則明顯低于山東省土壤平均值，不到山東省土壤平均值80%；As，Cd，Cr，Cu，Ni等元素低說明區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境基礎(chǔ)好；而Ag， Au， Be，Bi，Br等大部分元素基準(zhǔn)值接近山東省土壤平均值。

(2)與中國土壤元素平均值對比，威海市土壤中除Pb外，重金屬元素Hg,As,Cu,Cd,Ni,Zn和有益元素Se,Co,Mn等均低于全國土壤平均值;重金屬元素Hg,As,Cu,Cd,Ni,Zn等元素含量低說明調(diào)查區(qū)大部分區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量好;而有益元素Se,Co,Mn含量水平低會(huì)造成土壤中有益元素Se,Co,Mn微量營養(yǎng)元素不足;特別是Cu僅為全國的65%，Se含量僅為全國土壤值的57%，這些營養(yǎng)元素在土壤中原始儲(chǔ)備量的不足，是調(diào)查區(qū)土壤出現(xiàn)缺素的根本原因。

(3)從深層土壤元素含量變異性[10-13]可以看出，Ag，As，Au，B，Bi，Br，C，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，Hg，I，La，Li，Mn，Mo，Ni，P，Sc，Se，Sr，Th，U，V，W，MgO，CaO，Corg 等大部分元素或指標(biāo)的變異系數(shù)大于等于0.30;其中Br，I，MgO，CaO，Corg等元素或指標(biāo)大于0.4，反映了這些元素或指標(biāo)的含量變化幅度較大、空間分布差異明顯； Ba，Be，Ce，F(xiàn)，Ga，Ge，N，Nb，Pb，Rb，S，Sb，Sn，Ti，Tl，Y，Zn，Zr，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，Na2O，K2O，pH值等元素或指標(biāo)的變異系數(shù)小于0.30，其中Be，Ga，Ge，Nb，Rb，S，Ti，Al2O3，K2O，SiO2，pH值的變異系數(shù)小于0.2，反映了這些元素或指標(biāo)含量變化小，空間分布均勻。

3．2 土壤元素背景值特征

威海市土壤元素背景值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可見，威海市土壤元素背景值與山東省土壤元素背景值和中國土壤元素平均值[14-17]對比明顯不同，且不同元素間變異系數(shù)也有較大差異，調(diào)查區(qū)土壤元素背景值有如下特征：

(1)Si，Al，F(xiàn)e，K，Na，Ca，Mg 等為地殼中的大量元素，其氧化物構(gòu)成土壤的主要化學(xué)成分。與中國土壤元素平均值對比，該區(qū)土壤中Al2O3，Na2O，K2O等氧化物背景值偏高；而Fe2O3，MgO，CaO背景值偏低；CaO 為全國土壤豐度的67%；MgO為全國土壤豐度的73%。土壤有益元素明顯不足，B，OrgC，Mo，Se，Ge，Zn，Co，Cu含量均低于全國均值，特別是B僅為全國的35%，OrgC為全國的36%，Mo為全國的39%，Se為全國的59%，這種現(xiàn)象應(yīng)引起重視。

土壤化學(xué)成分直接與基巖、母質(zhì)類型相關(guān)，由其母巖風(fēng)化形成的土壤地球化學(xué)元素特征總體與巖石地球化學(xué)特征一致，調(diào)查區(qū)巖石類型以中酸性、酸性侵入巖為主，特別是酸性花崗巖分布面積廣泛，這類巖石本身缺乏Fe2O3，MgO，CaO，B，Mo，Se，Ge，Zn，Co，Cu，V，Ti，Ni等，而富含Al2O3，Na2O，K2O和Ba，Sr，Zr等元素，致使這些元素的背景值較高。

(2)與山東省土壤背景值對比，略高于省內(nèi)土壤值的元素有Mo，Pb，Zr，明顯高于省內(nèi)土壤值的元素有Ba，I，Sr，Na2O，K2O；略低于省內(nèi)土壤平均值的元素有Ag，Au，Br，Co，F(xiàn)，Th，Ti，U，V，Y，Zn，F(xiàn)e2O3，Corg，pH值，明顯低于省內(nèi)土壤值的元素有As，Bi，C，Cd，Cr，Cu，Hg，Li，N，Ni，P，S，Sb，Sc，Sn，W，MgO，CaO，其中C，N，P，S，CaO為土壤營養(yǎng)元素，說明表層土壤中元素儲(chǔ)備量不足，局部地段可能出現(xiàn)缺乏，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni為土壤重金屬元素，說明這6種元素的污染程度低于全省其他地區(qū)。

表1 威海表層、深層土壤地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：含量單位C,N,OrgC和氧化物為10-2;Au為10-9;pH無量綱;其余為10-6。

(3)威海市8項(xiàng)重金屬元素背景值均低于國家土壤一級環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[18-20](圖1)，土壤環(huán)境質(zhì)量總體是清潔的。背景值與國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)比值最低的為Hg，僅為土壤一級標(biāo)準(zhǔn)的15.3%，最高的為Pb，為土壤一級標(biāo)準(zhǔn)的83.7%。因此，威海市土壤質(zhì)量是適用于國家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)(原有背景重金屬含量高的除外)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護(hù)地區(qū)的土壤，土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平。

(Cd×10-8,Hg×10-9,其他×10-6)圖1 威海市土壤重金屬元素背景值含量對比圖

(4)由于成土母質(zhì)成土過程中元素活化遷移重分配等自然作用及人為疊加擾動(dòng)的影響，某些元素的含量變化幅度較大、空間分布差異明顯，從表層土壤元素變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(表1)可以看到，不同元素在調(diào)查區(qū)內(nèi)的分布極不均勻，變異系數(shù)相差較大。其中變異系數(shù)大于等于0.30的元素有Au，B，Bi，Br，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，Hg，I，La，Mo，P，Ni，Sc，Sr，Th，U，V，W，MgO，CaO，Corg，這有可能與表層土壤中這些元素受到較強(qiáng)的人為活動(dòng)有關(guān)，造成了表層土壤中這些元素或指標(biāo)的含量變化幅度較大、空間分布差異明顯。Ag，As，Ba，Be，C，Ce，F(xiàn)，Ga，Ge，Li，Mn，N，Nb，Pb，Rb，S，Sb，Se，Sn，Ti，Tl，Y，Zn，Zr，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，Na2O，K2O，pH值等元素或指標(biāo)的變異系數(shù)[21-22]小于0.30，其中Ga，Ge，Nb， Ti，Al2O3，K2O，SiO2，pH值的變異系數(shù)小于0.2，反映了這些元素或指標(biāo)含量變化小，空間分布均勻。

3．3 基準(zhǔn)值與背景值對比

基準(zhǔn)值和背景值分別為深層土壤和表層土壤元素含量值，背景值與基準(zhǔn)值的比值(k值)代表各指標(biāo)在表層土壤中的富集程度。由威海市土壤元素基準(zhǔn)值與背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)可以看出：

(1)B，Ce，Co，I，Li，Mn，Sb，Sc，V，Al2O3，SiO2，pH值等元素或指標(biāo)的襯度系數(shù)(背景值與基準(zhǔn)值的比值)小于0.95，反映了表層土壤在風(fēng)化成壤與人類活動(dòng)作用中有少量被遷移帶出或淋溶至土壤深層，pH值襯度系數(shù)低說明表層土壤有酸化趨勢。

(2)As，Au，Ba，Be，Bi，Br，Cr，Ga，Ge，La，Mo，Nb，Ni，Pb，Rb，Sn，Sr，Th，Ti，Tl，U，W，Y，Zn，F(xiàn)e2O3，MgO，K2O等大部分元素或指標(biāo)的襯度系數(shù)在0.95～1.05之間，反映了表層土壤的背景含量與土壤成土母質(zhì)的平均含量基本一致。表層土壤保持了成土母質(zhì)的原始狀況，這些指標(biāo)在表層土壤中的含量繼承了土壤母質(zhì)，后期人類活動(dòng)對其影響較小或未受影響。

(3)Ag，Cl，Cu，F(xiàn)，S，Se，Zr，CaO，Na2O等元素或指標(biāo)的襯度系數(shù)在1.05～1.50，這些元素受土壤成土母質(zhì)和后期人為活動(dòng)的雙重影響，在表層土壤中趨于弱富集狀態(tài)。

(4)C，Cd，Hg，N，P等元素的襯度系數(shù)在1.5～2.0，在表層土壤中富集，受人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)影響較明顯，農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)化生產(chǎn)和城市化建設(shè)產(chǎn)生了大量的工業(yè)、生活污水，污水灌溉又加劇了這些元素在表層土壤中的積累，使其在表層土壤中富集。

(5)Corg的襯度系數(shù)大于2.0，表明其在表層土壤中已明顯富集，表生作用和人類活動(dòng)等因素已對Corg的分布分配產(chǎn)生明顯影響。

4 結(jié)論

通過對威海市土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值和背景值的研究，了解區(qū)內(nèi)各元素或指標(biāo)土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值和背景值的分布分配特征，認(rèn)為威海市土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平。這些成果為地方政府進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃、環(huán)境保護(hù)和國土資源管理提供了基礎(chǔ)地球化學(xué)資料和科學(xué)依據(jù)。