青州市南張樓村土地質量地球化學特征及特色土地資源評價

姜冰，張海瑞，劉陽，葛勝潭，郝志文，張洪濱

(山東省第四地質礦產勘查院，山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室，山東 濰坊 261021)

0 引言

土地是社會經濟可持續發展的重要資源和保障，其作用不但取決于數量，而且取決于質量，是確保糧食生產能力和糧油農產品安全的重要基礎保障[1-3]。近年來山東省已完成了1∶25萬比例尺生態化學地質調查[4-7]，又在此基礎上開展了一些地級市范圍內的1∶5萬土地質量地球化學調查評價[8-9]和相關推廣應用工作研究[10]，而本次村級大比例尺的土地質量調查評價工作尚屬首次，對土壤養分、土壤環境及土壤質量進行了綜合評價，并發現了耕地富硒、富鍺、富鋅等特色土地資源，為發展綠色農業、開發特色土地資源、支持鄉村振興打下堅實基礎，也為持續推進土地質量調查評價比例尺由小到大系列性工作起到示范作用。

1 研究區概況

南張樓村是青州市何官鎮最大的行政村，面積5.69km2，屬北溫帶亞濕潤大陸性季風氣候區，冬冷夏熱，年均蒸發量1530mm，年均降水量650mm。地貌屬沖洪積平原，覆蓋第四紀全新世黑土湖組灰褐色粉砂質粘土。土壤類型以砂姜黑土為主，西北部小范圍潮土。地表無水系，地下水類型屬沖洪積層孔隙潛水、承壓水。土地利用類型以耕地為主，耕地類型為水澆地(圖1)，表層土壤為堿性，pH背景值為8.14。

1—水澆地；2—果園；3—喬木林地；4—其他林地；5—其他草地；6—商服用地；7—工業倉儲用地；8—農村宅基地；9—機關團體新聞出版用地；10—廣場用地；11—科教文衛用地；12—特殊用地；13—公路用地；14—城鎮村道路用地；15—交通服務場站用地；16—農村道路；17—坑塘水面；18—溝渠；19—設施農用地；20—表層土壤取樣位置圖1 研究區土地利用類型及取樣點位

2 材料與方法

2.1 樣品采集及加工

表層土壤樣品采集于耕地內，采樣介質為地表至20cm的表層土，共計198件樣品，面積性采樣密度為34.80件/km2(圖1)。以GPS定位點為采樣點中心，向四周輻射10～20m確定分樣點，4～6個子樣等份組合成一個不少于2kg的混合樣，挑出雜物。將混合樣均勻分為2份樣品，一份作為新鮮樣品直接用塑料袋密封送交實驗室測定Hg、As元素；另一份裝入干凈布袋，置于通風陰涼處的樣品架上自然風干，然后經木棍壓碎全部過2mm孔徑尼龍篩，混勻后取不少于500g移交實驗室測定其他元素和指標。

2.2 樣品處理與測試

樣品測試分析由山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室完成。根據《生態地球化學評價樣品分析技術要求(試行)》[11]，電感耦合等離子體質譜法測定Cd，X射線熒光光譜法測定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、P、K，原子熒光光譜法測定As、Hg，酸堿容量法測定N，離子電極法測定pH。測試數據結果通過專家驗收，達到規范要求。

2.3 數據處理

利用EXCEL軟件，對數據進行處理，計算元素地球化學背景值，反復剔除平均值加減3倍標準差的離散值后，以算術平均值作為背景值。

2.4 評價指標與方法

2.4.1 評價單元及賦值

以最新的土地利用現狀圖斑作為評價單元，評價單元的界限與地塊界限一致，評價結果便于土地利用現狀結構的調整和基層生產單位的應用。一個評價單元中有2個以上數據時，用平均值進行賦值；評價單元中沒有數據時，用反距離權重插值法賦值。

2.4.2 土壤養分評價

根據《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)[12]，土壤養分評價首先進行N、P、K的單指標評價(等級劃分標準見表1)。

表1 土壤養分指標N、P、K等級劃分標準

根據N、P、K的權重系數ki(kN=0.4，kP=0.4，kK=0.2)，計算土壤養分地球化學綜合得分f綜，見公式(1)。

(1)

式中：fi為N、P、K單指標評價得分，單指標評價結果五等(缺乏)得分1，四等(較缺乏)得分2，三等(中等)得分3，二等(較豐富)得分4，一等(豐富)得分5。土壤養分地球化學綜合等級劃分含義與圖示見表2。

表2 土壤養分地球化學綜合等級劃分表

2.4.3 土壤環境評價

選取As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn等8種土壤重金屬元素作為評價指標進行土壤環境評價[13-14]。根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)[15]規定的土壤污染風險篩選值和管制值(表3、表4)，根據表5劃分界限首先進行重金屬元素的單指標評價，Ci為土壤重金屬元素i的實測濃度，Si為重金屬元素i的風險篩選值，Gi為重金屬元素i的風險管控值。土壤環境地球化學綜合等級評價采用“短板原則”，即土壤環境地球化學綜合等級等同于單指標劃分出的環境等級最差的等級。

表3 農用地土壤污染風險篩選值

表4 農用地土壤污染風險管制值

表5 土壤環境地球化學等級劃分界限

2.4.4 土壤質量綜合評價

結合《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)中的土壤養分地球化學綜合等級評價，以及《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)中的土壤環境地球化學綜合等級評價，疊加形成土壤質量地球化學綜合等級評價(表6)。

表6 土壤質量地球化學綜合等級表達圖示與含義

2.4.5 特色土地資源評價

耕地作為人類賴以生存的基本資源，作物收獲主要來源于耕地，在富硒、富鍺、富鋅等特色土地資源開發應用方面，評價耕地更具有實際意義。硒、鍺、鋅均是人體必需的微量元素，硒能改善人體免疫力,提高人體抗癌能力,抑制重金屬毒性[16]；鍺對人體具有脫氫富集氧、清除自由基、抗衰老抗氧化、排毒養顏、涼血止血以及抗腫瘤活性等生物活性[17-18]；鋅對人的身體和智力發育至關重要，同時影響腦細胞的生長[19]。

《天然富硒土地劃定與標識(試行)》[20]中，按土壤酸堿度不同劃定了不同的土壤富硒閾值，王惠艷等人根據耕作方式的差異提出了適用全國的富硒閾值[21]，結合相關標準、文獻及研究區實際情況，本文按表7劃分富硒土地。

表7 富硒土壤劃分標準

目前國內和山東省內沒有發布統一的富鍺、富鋅土壤評價標準，本文按《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)中鍺、鋅等級劃分標準的二等(較豐富)下限值作為富鍺、富鋅閾值(表8)。

表8 富鍺、富鋅土壤劃分標準

3 評價結果

3.1 元素地球化學特征參數描述性統計

表9列出了各評價指標的含量參數。變異系數(CV)的高低反映重金屬的離散程度，變異系數越大，空間分布差異性越大，CV≤0.16表示弱變異，0.160.36表示強變異[22]，Hg屬于強變異，離散程度高，分布極不均勻，N、P、Se、Cd、Zn屬于中等變異，K、Ge、pH、As、Cr、Ni、Cu、Pb屬于弱變異。研究區內各評價指標均高于濰坊市土壤背景值[23]，比值K為1.01～1.82，表明各評價指標在研究區內均有不同程度的富集。

表9 研究區表層土壤重金屬含量統計

3.2 土壤養分評價結果

客觀評價土壤養分現狀，摸清土壤肥力水平，對于指導科學合理施肥十分必要[24]。研究區土壤養分單指標評價結果見圖2。土壤N以中等、較缺乏為主，面積分別占比44.25%和49.68%，其次是缺乏，面積占比5.64%，豐富和較豐富土壤面積占比很小。土壤P以豐富為主，面積占比95.26%，施肥水平高，較豐富、中等和較缺乏土壤面積占比很小，無缺乏土壤分布。土壤K在研究區內含量穩定，僅存在中等和較豐富土壤，面積占比分別為63.12%和36.88%。土壤N主要受有機質和生物固氮能力影響[25]，所以研究區內應針對性增施N肥和有機肥。

圖2 研究區土壤養分單指標評價等級面積占比圖

土壤養分地球化學綜合等級顯示(圖3)，研究區以較豐富和中等土壤為主，面積占比分別為61.68%和36.43%，豐富和較缺乏土壤面積占比較小，無缺乏土壤分布。

1—豐富；2—較豐富；3—中等；4—較缺乏圖3 研究區土壤養分地球化學綜合等級圖

3.3 土壤環境評價結果

研究區土壤較清潔，污染較小，僅存在Zn元素的單指標污染風險，污染風險為風險可控，面積占比僅為0.19%，其他元素污染風險均為無風險。土壤環境地球化學綜合等級顯示，風險可控土壤僅在研究區北部小面積分布，面積占比0.19%，土地利用類型為其他林地，對周邊大面積耕地沒有影響，該處附近有面粉加工廠、鑄造廠等幾家企業，顯然是受到了人類活動的影響。土壤環境評價結果反映研究區土壤環境質量優良，為該區發展綠色農業奠定了基礎。

3.4 土壤質量綜合評價結果

土壤質量地球化學綜合等級顯示，研究區土壤質量較好，以一等(優質)和二等(良好)為主，面積占比分別為61.51%和36.54%，三等(中等)占比較小，僅為1.95%，無四等和五等土壤。從空間分布看，土壤質量綜合評價等級分布與土壤養分綜合評價等級分布特征相似，研究區內土壤質量綜合等級主要受控于養分綜合等級。結果表明，研究區土壤環境清潔，養分較為豐富，非常適宜于農業生產。

3.5 特色土地資源評價結果

研究區內土壤質量總體優良，為開發天然富硒、富鍺、富鋅土地提供了基礎條件，開發特色土地資源為實現改變傳統農業發展方式、提高農業綜合生產能力、增加農民收入具有重要意義。

3.5.1 富硒土壤

本次研究發現耕地富硒土壤面積0.08km2，分布于研究區北部，占耕地總面積的1.84%；耕地足硒土壤面積為3.83km2，分布范圍廣泛，占耕地總面積的91.65%，表明研究區屬足硒區；耕地硒較缺乏土壤面積0.27km2，占耕地總面積的6.51%(圖4)。

1—富硒；2—足硒；3—較缺乏圖4 研究區耕地硒地球化學等級圖

3.5.2 富鍺土壤

研究發現耕地鍺較豐富土壤面積0.93km2，相對成片分布于研究區東部和西部，占耕地總面積的22.24%；耕地鍺中等土壤面積3.01km2，占耕地總面積的71.83%；耕地鍺較缺乏、缺乏土壤面積較小，分別占耕地總面積的5.41%和0.53%(圖5)。結合富鍺閾值，圈定耕地富鍺土壤0.93km2，分布相對集中，有利于后續的特色土地資源開發。

1—較豐富；2—中等；3—較缺乏；4—缺乏圖5 研究區耕地鍺地球化學等級圖

3.5.3 富鋅土壤

研究發現耕地鋅豐富土壤面積0.59km2，研究區東部分布相對集中，占耕地總面積的14.08%；耕地鋅較豐富土壤面積3.02km2，占耕地總面積的72.02%，占比最大；耕地鋅中等土壤面積0.55km2，占耕地總面積的13.11%；耕地鋅較缺乏土壤面積較小，僅占耕地總面積的0.78%(圖6)。結合富鋅閾值，圈定耕地富鋅土壤3.61km2，占耕地總面積的86.10%，表明研究區耕地富鋅土壤資源豐富，具有開發天然富鋅產業良好的基礎條件。

1—豐富；2—較豐富；3—中等；4—較缺乏圖6 研究區耕地鋅地球化學等級圖

4 結論

(1)研究區土壤養分總體水平較好，單指標土壤N相對缺乏，可針對性增施N肥，土壤養分地球化學綜合等級以較豐富和中等為主，面積占比分別為61.68%和36.43%。土壤環境清潔，土壤環境地球化學綜合等級以無風險為主，面積占比99.81%，小面積的風險可控是由于單指標Zn元素含量超過土壤污染風險篩選值，其土地利用類型為其他林地，對農業生產沒有影響。土壤質量優良，土壤質量地球化學綜合等級以一等和二等為主，面積占比分別為61.51%和36.54%，非常適宜于農業生產。

(2)研究發現耕地富硒土壤0.08km2，富鍺土壤0.93km2，富鋅土壤3.61km2，富硒、富鍺、富鋅土壤是研究區發展現代特色農業的重要土地資源。建議以特色土地資源的開發作為鄉村振興戰略的突破口，發展綠色、特色、高附加值農業。