土地質量地球化學評價方法研究與應用
——以山東省沂南縣東部地區為例

康鵬宇，劉傳朋，劉同*，智歡，張立朋，古懷慶

(1.山東省第七地質礦產勘查院，山東省金剛石成礦機理與探測重點實驗室，“山東省金剛石成礦機理與探測”院士工作站，山東 臨沂 276006；2.山東地礦開元勘察施工總公司，山東 臨沂 276006)

0 引言

土地是地表某一地段包括地質、地貌、氣候、水文、土壤等多種自然要素在內的自然綜合體，土地質量的優劣對農業生產和居民生活有著至關重要的影響。隨著我國經濟的快速發展，土地污染、土地破壞的現象時有發生，給農業發展和居民生活質量提高產生了不可低估的影響。同時，隨著“綠水青山就是金山銀山”的理念深入人心以及發展生態文明建設的必然要求，相關土地質量評價標準陸續頒布[1-2]。為此全國各地相繼開展了土地質量調查評價與研究工作[3-8]。本次研究以“山東省沂南縣東部地區1∶5萬土地質量地球化學調查與評價”項目為依托，通過評價與研究[9-18]，查明研究區的優質的土地資源和污染情況，開展土地利用規劃等研究工作，為農業地質背景研究、土地高效利用、現代農業發展、高標準農田建設、土地污染防治、農學研究等提供基礎資料。

1 研究區概況

研究區位于山東省沂南縣東部地區(銅井鎮、沂南縣城、大莊鎮和磚埠鎮及以東)，面積約800km2。

研究區地貌為低山丘陵，地勢北高南低，西高東低，中間洼，逐漸向東南傾斜。研究區成土母質主要有3種，為殘坡積物母質、洪沖積物母質和沖積物母質。研究區土壤類型包括棕壤、褐土、潮土、水稻土以及砂姜黑土5種(圖1)。

研究區內土地利用方式主要為耕地，耕地總面積為486.97km2，占研究區總面積的62.03%，其次為建筑用地、林地(表1)。研究區主要種植作物為小麥、玉米、草莓、生姜、黃瓜、花生等。其中，“農產品地理標志產品”有“沂南黃瓜”、“磚埠草莓”，特色農產品還有生姜、柿子、冰棗等，獲得“三品一標”認證的農產品達到249個。

表1 研究區土地利用現狀統計

2 樣品采集與分析

根據土地利用現狀圖圖斑進行采樣點位布設，土壤采樣點主要布設于農用地，在建設用地進行控制。點位避開水溝、田埂、路、糞堆等無代表性地段。研究區工作比例尺1∶5萬，平均采樣密度為6.09個，同時按總樣品的2.3%均勻采集重復樣。使用竹鏟采集0～20cm表層土壤樣品，多點組合采樣，在樣點周邊30～50m范圍內5點采集均量子樣品后組合為1件樣品。

樣品分析測試工作由山東省第七地質礦產勘查院實驗室以及山東省第四地質礦產勘查院實驗室承擔，共分析樣品4890件(重復樣111件)，分析N、P、K、B、Mn、Mo、Se、I、Ge、F、Zn、Cu、Co、V、As、Cr、Cd、Hg、Pb、Ni、有機質、pH、Na、Al、Sr、Ca、Mg、S共28項指標。各元素分析方法檢出限、精密度、重復性檢驗合格率、報出率、準確度和異常點抽查合格率等質量均滿足規范要求。

3 地球化學特征

3.1 土壤元素地球化學背景值

土壤地球化學背景值反映的是成土母質在表生環境條件下，經過人類活動與自然改造所形成的表層土壤中元素的含量與分布狀態。統計研究土壤元素背景值，這對于正確認識區域地球化學特征和農業地質環境，科學進行土壤改良和合理調整農業生產結構具有一定的指導意義[19-20]。

圖2 研究區表層土壤背景值與臨沂市(K1)、山東省(K2)表層土壤背景值比值

表2 基準值相對參考值對比評判標準

表3 研究區表層土壤元素地球化學參數一覽表

3.2 土壤元素地球化學組合特征

為研究元素之間的相關性，進行因子分析、多元素R型聚類分析(圖3)。結果顯示元素之間具有不同程度的相關性，這與元素本身的性質、元素表生地球化學行為相似，在土壤風化過程成為共生的關系。

The Role of Photography in Tourism Development________________________ ZOU Xinping 38

圖3 研究區表層土壤樣品元素R型聚類分析譜系圖

土壤元素相關性可歸納為如下幾條規律，R型聚類分析在α=0.01、γ=0.5的相似水平上，可分為12大族。

第一族群為有機質(SOM)、N、I、Se；第二族群為B、F、Ge、Al2O3；第三族群為Co、V、Mn、Cr、Ni；第四族群為Cd、Pb、Zn、As；第五族群為CaO、MgO；第六族群pH；第七族群為Mo、Cu；第八族群Hg；第九族群S；第十族群K2O；第十一族群為Na2O、Sr；第十二族群P各形成單元素族群。從中可知，前11個因子特征根代表的方差已占總方差的88.9%，因此視這11個因子為主要因子，并將其初始因子作斜交旋轉，得到旋轉后斜交因子結構矩陣，以因子載荷絕對值γ>0.4的元素為該因子主要載荷元素，得出因子結構式(表4)。

表4 因子結構式及特征根

從各因子的方差貢獻來看，研究區地球化學場的起伏主要由F1、F2、F3、F4引起。F1主因子代表N、SOM、I、Se指標，從元素種類來看，元素組合與土壤中的有機質存在一定聯系，與生物循環、農耕等人為活動密切相關。F2、F11主因子分別代表Cr、Ni以及Co、V、Mn為鐵族元素組合，說明經過自然和人為擾動的干擾下，鐵族元素的組合特征保持了良好的穩定性。因此F2因子與地質背景密切相關。F3主因子代表B、Ge、Na2O、S，這些元素的組合特征在成土過程中具有較好的穩定性，這些因子分布特征與研究區地質分布特征基本吻合，如因子低值區主要與前寒武紀中酸性巖分布一致，高值區則與寒武—奧陶紀沉積巖區域分布一致，說明這類因子的主控因素為地質背景。

F4主因子代表Cd、As、Zn、Pb，這類元素的組合特征所反映的是典型的多金屬礦化劑伴生元素組合，常形成與礦床或含礦地層巖石相聯系的地球化學異常。F5主因子代表CaO、MgO，從主因子所代表的元素組合來看，元素指標主要為常量元素。因子分布特征反映的是地質背景。F6主因子代表Mo、Cu，同F4主因子相同，常形成與礦床或含礦地層巖石相聯系的地球化學異常。F7主因子代表F、Al2O3、K2O、pH，同F5因子相同，主要為地質背景引起。

F8、F9、F10主因子分別代表S、P和Hg的單元素主因子，表明表層土壤中這些元素的分布受到獨特因素的影響，因而表現出獨立特征。

3.3 土壤元素分布特征

研究區As、Cu、Hg、Mo元素分布特征相似。元素含量高值主要分布在界湖鎮西北部、銅井鎮東南部，該區主要為寒武紀長青群、九龍群碎屑巖分布區，同時早白堊紀中酸性巖漿巖發育。該區為研究區主要金礦礦區，高背景主要由地質背景引起，礦產開采活動可能加劇元素擴散。低值區分布在銅井鎮西北部龍鳳峪村、大莊鎮東部北雙泉村—湖頭鎮陸家哨一帶，該區主要為早白堊紀、前寒武紀中酸性巖漿巖分布區，低背景由地質背景引起。

研究區Cr、Ni、Co、V、Mn元素分布特征相似。元素含量高值區主要在磚埠鎮常桑杭—南黃埠，大莊鎮中部廟官莊村—南左泉村，大莊鎮西部雙禮園村—界湖鎮德勝官莊、東興村一帶以及在銅井鎮南泉村—燕子湖村有分散高值區。低值區分布在銅井鎮西部范家莊—三山溝一帶和沂河、汶河兩河流域以及大莊鎮東部考疃村—湖頭鎮東部一帶。高值區和低值區分布主要與超基性、基性巖漿巖相關。

4 結果與討論

4.1 土壤養分綜合地球化學評價

土壤養分綜合等級評價[21-23]:研究區土壤以較豐富級別和中等級別為主(圖4)，占總面積的82.62%，其中較豐富級別土地面積為290.66km2，占研究區面積的36.33%，中等級別土地面積為370.35km2，占研究區面積的46.29%。豐富、較缺乏和缺乏綜合等級分別占1.51%、15.46%、0.42%。說明研究區整體上土壤肥力較好，能夠滿足常規農業生產要求。較缺乏、缺乏級別除分布于界湖鎮(沂南縣城)外，主要分布于銅井鎮西北部及大莊鎮中東部—湖頭鎮丘陵山區一帶，主要受地質背景控制，小部分地塊已不能夠滿足農業生產需求。

圖4 土壤養分質量地球化學評價分級圖

4.2 土壤環境質量綜合地球化學評價

研究區表層土壤環境地球化學綜合等級以無風險為主，占總面積的96.42%，其次是風險可控，占3.55%，風險較高僅占0.02%。研究區土壤重金屬單指標及綜合評價均反映研究區土壤環境質量狀況整體較好，無風險的土壤資源將為現代農業、旅游農業、綠色安全農業奠定較好的基礎。

4.3 土壤質量地球化學綜合評價

根據土壤養分地球化學綜合等級與土壤環境地球化學綜合等級評價土壤質量地球化學綜合等級。研究區優質等級土壤面積為291.82km2，占研究區總面積的36.47%；良好等級土壤面積為358.22km2，占研究區總面積的44.77%；中等等級土壤面積為146.50km2，占研究區總面積的18.31%；差等等級土壤面積為3.36km2，占研究區總面積的0.42%；劣等等級土壤面積為0.19km2，占研究區總面積的0.02%。表明研究區土壤質量綜合等級以優質、良好為主。差等、劣等土地分布面積較小，零星分布于巖漿巖分布區，主要為地質背景引起,其次為工礦企業開采、農業生產活動。

4.4 土地質量地球化學綜合評價

在研究區面積性采集55件灌溉水樣品，采樣密度1件/14.55km2，大氣干濕沉降樣品20件，采樣密度1件/40.00km2，根據分析測試結果、《農田灌溉水水質標準(GB5084—2005)》《山東省1∶50000土地質量地球化學調查技術要求(試行)》(2020年12月)標準，研究區灌溉水、大氣干濕沉降物等級均為一等。土地質量地球化學綜合評價等級主要取決于土壤質量地球化學綜合評價等級(圖5)。

圖5 土壤質量地球化學綜合評價分級圖

4.5 土壤酸性緩沖能力預警

據龐緒貴[19]等對魯東地區土壤酸化預警模型研究，對研究區內土壤酸堿性進行研究，高度安全區(pH≥7.64)面積約79.26km2，占研究區面積的9.91%(圖6)；堿性土壤酸化預警區(pH處于7.13～7.64之間)，面積占研究區6.26%，該區內土壤緩沖能力處于由堿性向酸性過渡狀態，土壤緩沖能力較弱，但是加以治理，提高土壤pH值，也會較快提升酸性緩沖能力；安全區(pH處于5.57～7.13之間)，面積占研究區37.56%，pH值受土壤鹽基離子的降低會迅速升高，是放心安全區；過渡預警區(pH處于5.47～5.57)，面積占研究區3.97%，表明土壤酸化能力處于臨界點，一旦爆發會出現大面積惡化，需要提高警惕；酸性土壤酸化預警區(pH<5.47)，面積占研究區42.30%，表明基本失去了酸性緩沖能力，需要報警。

圖6 土壤酸性緩沖能力預警圖

4.6 富硒農用地劃分

根據中國地質調查局地質調查技術標準《天然富硒土地劃定與標識(試行)》(DD2019—10)，富硒土地依據土壤中硒元素含量和有益有害組分含量，分為一般富硒用地、無公害富硒土地和綠色富硒土地3種類型(圖7)。

1—綠色富硒土地；2—無公害富硒土地；3—一般富硒土地圖7 研究區富硒農用地分布圖

農用地富硒土地面積15.05km2，占研究區總面積的1.88%，其中綠色富硒土地、無公害富硒土地和一般富硒土地面積分別為6.89km2、6.46km2、1.70km2，比例分別為0.86%、0.81%、0.21%。綠色富硒土地在磚埠鎮西偏北部、大莊鎮西部、界湖鎮西部、銅井鎮東部零星分布，無公害富硒土地主要分布于大莊鎮中部，一般富硒土地主要分布于銅井鎮東南部、界湖鎮西北部[24]。

5 結論與建議

(1)與臨沂市表層土壤背景值相比，研究區CaO指標明顯偏低，F、Mo、Cd指標略偏低，有機質和P指標略偏高，其他元素基本接近。根據因子分析、多元素R型聚類分析，研究區N、SOM、I、Se指標與生物循環、農耕等人為活動密切相關；Cr、Ni、Co、V、Mn鐵族元素在經過自然和人為擾動的干擾下保持了良好的穩定性，且與地質背景密切相關；B、Ge、Na2O、S、CaO、MgO等指標分布特征與研究區地質分布特征基本吻合；Cd、As、Zn、Pb、Mo、Cu為研究區典型的多金屬礦化劑伴生元素組合，其形成與礦床或含礦地層巖石相聯系。

(2)研究區土壤元素分布主要受地質背景控制，礦產開采活動可能加劇部分元素擴散。研究區土地質量綜合等級以優質、良好等級為主，差等、劣等等級土地分布面積相對較小。優質土地資源應優先規劃為高標準基本農田建設區，加強保護，為高質量農業發展提供保障。建議差等或劣等等級土地退耕還林、還草,對中等等級進行土壤改良措施。

(3)研究區土壤環境質量整體較好，部分地塊存在重金屬超過風險篩選值。對于由地質背景、工礦開采及農業生產引起的小面積重金屬超標地塊，應定期開展土壤環境質量監控工作，將風險可控地塊風險降到最低。

(4)研究區土壤酸化問題較為突出，酸性土壤面積大，土壤酸化預警區已達到研究區面積的42.30%，需引起必要重視。土壤酸化已成為普遍的農業問題，研究區土壤酸化主要由地質背景引起，建議合理改良酸化土壤，降低土壤酸化引起的農業問題。研究區分布富硒土地，依托天然的富硒土壤發展壯大富硒產業，作為農業提質增效、轉型升級的重要突破口和切入點，做好“富硒品牌”與特色農產品有機結合的文章將有效帶動地方農民增收、農業增效和農村增色。