山東冠縣土壤元素地球化學(xué)特征與質(zhì)量評(píng)價(jià)

常彬，孫彥偉，趙涵，郭忠華，王學(xué)民，付兆健

(山東省物化探勘查院，山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東省土壤地球化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

當(dāng)前形勢(shì)下，我國工業(yè)化進(jìn)程日漸加快[1-3]，人口壓力及與之相關(guān)的土地利用變化導(dǎo)致土壤資源的負(fù)擔(dān)越來越重，對(duì)土壤資源的合理開發(fā)利用具有緊迫的現(xiàn)實(shí)需求[4]。因此，對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，研究土壤元素地球化學(xué)特征與分布，不僅有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)，也有利于人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。近年來，山東省各地陸續(xù)開展了土壤地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作，并取得了一些重要成果[5-9]。本文以2019—2021年開展的“冠縣土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目為依托，探討了冠縣土壤地球化學(xué)特征，并對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行了較為全面的分析與評(píng)價(jià)，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快土壤保護(hù)治理，制定經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為聊城市冠縣全區(qū)，位于山東省最西部，總面積1161km2，人口71.9萬，具有農(nóng)副產(chǎn)品加工、紡織、鋼壓延加工、護(hù)欄板加工四大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。近年來隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步推進(jìn)，礦物采掘、鋼鐵冶煉、工農(nóng)業(yè)排污以及過量開采地下水等活動(dòng)愈加頻繁，造成了地面沉降、水土污染等一系列地質(zhì)災(zāi)害，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[10-11]。

冠縣全境處于魯西北黃泛平原，地勢(shì)開闊平坦，地形自西南向東北傾斜，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯。區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯(cuò)，有馬頰河和京杭運(yùn)河2條主要河流。地層自下而上依次為奧陶紀(jì)馬家溝群、二疊紀(jì)石盒子群、古近紀(jì)沙河街組、新近紀(jì)館陶組、新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組和第四紀(jì)平原組。全縣土壤主要有潮土，風(fēng)沙土和鹽土3個(gè)土類，潮土土類(主要有壤質(zhì)脫潮土、粘壤質(zhì)脫潮土、壤質(zhì)潮土、粘壤質(zhì)潮土、粘質(zhì)潮土、硫酸鹽鹽化潮土)占總土地面積的94.15%，風(fēng)沙土類(主要有沖積固定草甸風(fēng)沙土)占5.68%，鹽土土類(主要有氯化物硫酸鹽草甸鹽土)占0.17%。土壤類型分布圖見圖1。

1—壤質(zhì)脫潮土；2—粘壤質(zhì)脫潮土；3—壤質(zhì)潮土；4—粘壤質(zhì)潮土；5—粘質(zhì)潮土；6—硫酸鹽鹽化潮土；7—氯化物硫酸鹽草甸鹽土；8—沖積固定草甸風(fēng)沙土圖1 山東冠縣土壤類型分布圖

2 工作方法

2.1 樣品采集與分析

土壤地球化學(xué)調(diào)查樣品采集遵循網(wǎng)格加圖斑的原則，嚴(yán)格按照《1∶50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求(試行)》執(zhí)行，以農(nóng)用地為主，并兼顧少量建設(shè)用地，共采集樣品5222件(其中設(shè)計(jì)點(diǎn)位5103個(gè)，重復(fù)樣119個(gè))，平均采樣密度為4.53個(gè)/km2。土壤元素測(cè)試分析在山東省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心完成，分析指標(biāo)為Al、As、B、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、F、Fe、Ge、Hg、I、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Ni、OrgC、P、Pb、S、Se、Si、V、Zn、pH共29項(xiàng)指標(biāo)。分析儀器以CP-MS為主體，輔以其他靈敏度較高的專項(xiàng)分析儀器，分析方法見表1。

樣品分析質(zhì)控采用標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控措施，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，樣品分析質(zhì)量均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.2 數(shù)據(jù)處理及圖件編制

對(duì)分析取得的29項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目包括樣品數(shù)、算數(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、背景值、中位數(shù)、極大值、極小值、異常下限等地球化學(xué)參數(shù)。

圖件繪制基于ArcGIS軟件與中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展中心開發(fā)的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)(應(yīng)用)子系統(tǒng)完成。

表1 土壤元素全量分析項(xiàng)目與分析方法

3 研究區(qū)土壤地球化學(xué)背景值特征

土壤地球化學(xué)背景值是指自然應(yīng)力和人類活動(dòng)共同作用影響下區(qū)域表層土壤的含量值[12]，統(tǒng)計(jì)、研究土壤元素背景值，對(duì)于全面了解區(qū)域地球化學(xué)特征和農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義[13]。研究區(qū)表層土壤剔除異常值后的數(shù)據(jù)特征見表2。

通過與聊城市和山東省土壤地球化學(xué)背景值對(duì)比，具有以下規(guī)律：

(1)研究區(qū)土壤中I、Mo、P等元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值明顯高于聊城市土壤背景值，二者其余元素或指標(biāo)較為接近。

(2)研究區(qū)土壤中OrgC、I、Mo、CaO、MgO、P、S等元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值明顯高于山東省土壤A層，而Al2O3、K2O、Pb等元素或指標(biāo)則明顯低于山東省土壤A層，二者其余元素或指標(biāo)較為接近。

(3)與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)對(duì)比，研究區(qū)As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素的背景值均低于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(圖2)，說明研究區(qū)土壤中污染物含量對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低，一般情況下可以忽略。

表2 表層土壤地球化學(xué)含量特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖2 冠縣土壤重金屬元素背景值與土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值對(duì)比圖(Cd、Hg含量單位為10-8，其余元素為10-6)

4 土壤質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

4.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)

N、P、K是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)劃分的三大要素，其含量的高低直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平[14-15]，在單指標(biāo)養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)劃分基礎(chǔ)上，計(jì)算土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合得分，計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：f養(yǎng)綜—土壤N、P、K總得分；ki—N、P、K權(quán)重系數(shù)，分別為0.4、0.4、0.2；fi—N、P、K單元素等級(jí)得分。單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果5級(jí)、4級(jí)、3級(jí)、2級(jí)、1級(jí)所對(duì)應(yīng)的fi得分分別為1、2、3、4、5分。具體劃分規(guī)則見表3。

表3 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)劃分表

通過對(duì)土壤樣品的分析，將研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)劃分為三類，即二等(較豐富)區(qū)、三等(中等)區(qū)、四等(較缺乏)區(qū)，詳細(xì)分布情況見圖3。

由圖3可見，研究區(qū)土壤養(yǎng)分以較豐富和中等為主，較豐富區(qū)主要分布于研究區(qū)東部及東南部地區(qū)，面積607.79km2，占總面積的52.32%；中等區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部及中部等地區(qū)，面積533.33km2，占總面積的45.91%；較缺乏區(qū)以片狀零星分布于中西部及北部地區(qū)，面積20.62km2，占總面積的1.77%。

1—二等(較豐富)區(qū)；2—三等(中等)區(qū)；3—四等(較缺乏)區(qū)圖3 山東冠縣表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分級(jí)圖

綜上可知，研究區(qū)土壤養(yǎng)分條件整體呈中等—較豐富水平，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有基本的肥力保障，有利于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

4.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)重金屬元素Hg、As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等元素進(jìn)行單因子污染指數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式如式(2)：

(2)

式中：Pi—土壤污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci—土壤污染物i的實(shí)測(cè)濃度；Si—污染物i在GB15618—2018中給出的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

在單指標(biāo)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)劃分基礎(chǔ)上，按照土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)等同于單指標(biāo)劃分出的環(huán)境等級(jí)最差的等級(jí)的原則劃分最終等級(jí)，分布情況見圖4。

由圖4可見，全區(qū)均為清潔土壤，符合一級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，完全能夠滿足農(nóng)業(yè)耕作土壤的環(huán)境質(zhì)量要求，故土壤環(huán)境地球化學(xué)質(zhì)量綜合等級(jí)為一等。

1—一等(清潔)區(qū)圖4 山東冠縣表層土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)圖

4.3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)與利用建議

土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)由研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)與土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)疊加產(chǎn)生[16-17]。分析結(jié)果可將研究區(qū)劃分為3類，即一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)、二等(良好)區(qū)、三等(中等)區(qū)(圖5)。 一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)：土壤質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)區(qū)主要分布于研究區(qū)西北部及東部地區(qū)，面積607.79km2，約6.08萬hm2，占總面積的52.32%。該區(qū)域可直接用于開發(fā)綠色食品、無公害農(nóng)產(chǎn)品，建議將耕地優(yōu)先保護(hù)和開發(fā)利用，規(guī)劃為高標(biāo)準(zhǔn)永久基本農(nóng)田，對(duì)于促進(jìn)發(fā)展現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)、引領(lǐng)農(nóng)民增收脫貧具有指導(dǎo)意義。 二等(良好)區(qū)：土壤質(zhì)量良好區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部及中部等地區(qū)，面積533.33km2，約5.33萬hm2，占總面積的45.91%。由于該區(qū)域土壤中風(fēng)沙土和鹽土占比較高，主要缺乏N和OrgC，可作為預(yù)警區(qū)，提示當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在施肥時(shí)重點(diǎn)關(guān)注，以改變作物缺素現(xiàn)象，同時(shí)劃為永久基本農(nóng)田進(jìn)行保護(hù)。 三等(中等)區(qū)：土壤質(zhì)量中等區(qū)主要于中西部及北部地區(qū)零星分布，面積20.62km2，約2062hm2，占總面積的1.77%。該區(qū)域應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的土壤修復(fù)，以改善土壤養(yǎng)分，提高耕地生產(chǎn)力。

從而可見，研究區(qū)土壤綜合條件較好，總體表現(xiàn)為良好—優(yōu)質(zhì)。

1—一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)；2—二等(良好)區(qū)；3—三等(中等)區(qū)圖5 山東冠縣表層土壤綜合質(zhì)量分級(jí)圖

5 結(jié)論

(1)通過土壤質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查，首次系統(tǒng)獲取了山東省冠縣1∶50000比例尺的表層土壤29項(xiàng)元素指標(biāo)含量數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了此區(qū)域研究空白。

(2)冠縣表層土壤中I、Mo、P等元素與指標(biāo)明顯高于聊城市土壤背景值，OrgC、I、Mo、CaO、MgO、P、S等元素與指標(biāo)明顯高于山東省土壤背景值，而Al2O3、K2O、Pb等元素與指標(biāo)則明顯低于山東省土壤背景值，其余均較為接近。

(3)冠縣土壤綜合質(zhì)量良好—優(yōu)質(zhì)。地球化學(xué)等級(jí)一等優(yōu)質(zhì)等級(jí)，占全區(qū)面積的52.32%；二等良好等級(jí)，占全區(qū)面積的45.91%，未出現(xiàn)較差和劣質(zhì)等級(jí)土壤。研究區(qū)較好的土壤質(zhì)量條件可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)增收和高質(zhì)量發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)。