山東省古火山地區土壤元素垂向分布特征與農產品元素富集能力研究

張紅軍,李永強,宋其峰,王強*,王薇,田興磊,許艷,謝偉,張瑞華,王奎峰,仇曉華,張龔,張太平

(1.山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013;2.昌樂縣自然資源和規劃局,山東 昌樂 262400)

0 引言

火山噴發對地質環境的影響具有雙重性,一方面火山噴發產生的火山灰、火山熔巖流、火山碎屑流和火山泥石流等摧毀城鎮、引起山火、燒毀樹林、破壞植被和侵蝕土地等[1-2]。同時,火山噴發又能帶來豐富的礦產資源,營造富含人類必須的一些微量元素土壤,如Zn、Mo、Se 等,可以帶動當地發展特色農業[3-5]。土壤母質作為土壤形成的必要因素之一,它影響著土壤的性質[6]。目前,研究不同地區土壤元素空間分布特征已經成為了學術熱點,并取得了一系列的研究成果[7-13]。劉陽[14]首次摸清了昌樂縣表層土壤元素組合分布特征,認為昌樂縣表層土壤元素分布主要與地質背景、元素自身性質和人類農業生產活動有關。李逸凡[15]通過對昌樂縣開展了表層土壤地球化學調查和深層土壤地球化學調查工作,研究了表層和深層土壤中52種元素、有機質、pH含量及其空間分布特征。

以上研究成果為古火山地區土壤元素垂向分布規律的研究奠定了基礎[16-20]。但關于山東省古火山地區土壤元素垂向分布規律的研究,目前還鮮有報道?；诖?筆者以典型新近紀火山地區—山東省昌樂縣新近紀古火山群落為研究背景,通過在該地區設計土壤垂向剖面,對土壤中N、P、K、有機質、Se、Mo、Co、Cu、Zn、Cr、Ni 等元素的垂向分布特征進行了研究和分析,并開展了不同農產品對土壤元素的富集能力研究。研究成果對豐富山東省古火山地區土壤元素垂向分布特征研究與促進當地特色農業的發展速度與規模具有十分重要的現實意義。

1 研究區概況及成土母巖

昌樂縣位于山東半島內陸,隸屬山東省濰坊市,東距濰坊城區25 km。昌樂縣屬丘陵—山前平原地區,中南部基巖裸露良好,北部第四系分布較廣且地勢較平坦。昌樂縣地形地貌如圖1 所示。區內水系發育,較大河流有白浪河、丹河、龍丹河、紅河、孟津河—汶河等,較大的水庫有高崖水庫、荊山水庫、馬宋水庫、南郝水庫等。昌樂縣屬暖溫帶半濕潤氣候,四季分明,春季多風,夏季濕熱多雨,秋季天高氣爽,冬季寒冷。

1—微弱切割丘陵;2—山間剝蝕平原;3—山間沖積—洪積平原;4—山前傾斜沖洪積平原;5—火山;6—垂直剖面位置

在昌樂的喬官、五圖等地區,分布著多達46處火山口,成土母巖主要新生代火山巖,研究區出露的火山地層為臨朐群牛山組、山旺組、堯山組,牛山組、堯山組為溢流相熔巖,分布相對較廣,山旺組以沉火山碎屑巖為主,分布局限。牛山組巖性主要為中粒橄欖玄武巖、細粒橄欖玄武巖、橄欖粗玄巖、伊丁石化斑狀橄欖玄武巖、氣孔狀強泥化中粒伊丁玄武巖、含杏仁細粒橄欖拉斑玄武巖、玄武質礫巖、玄武質砂礫巖、鈣質含礫巖屑砂巖等;堯山組主要巖性為細粒橄欖玄武巖、中粒橄欖玄武巖、含杏仁細粒伊丁石化橄欖玄武巖、伊丁石化玻基輝橄玄武巖、橄欖拉斑玄武巖、斑狀橄欖粗玄巖;山旺組巖性主要為含礫巖屑砂巖。

火山農業區土壤類型有棕壤、褐土、粗骨土3個土類,包括棕壤、棕壤性土、褐土、淋溶褐土、潮褐土、酸性粗骨土、中性粗骨土等7個亞類。

2 土壤元素垂向分布特征

2.1 土壤樣品采集

土壤剖面樣品使用洛陽鏟自上而下采集,每20 cm取樣品一件,每件樣品重量大于1 000 g。采集的各子樣點土壤掰碎,挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物。火山區共設計3 條土壤垂向剖面,其中剖面1、剖面2采集于北巖東西兩側臨朐群牛山組內,土質層厚約1 m,下為強風化層;剖面3采集于堯溝鎮東第四系內,未采集到基巖。剖面1地貌上處于山間沖積—洪積平原,剖面2地貌單元屬于微弱切割丘陵,剖面3地貌單元屬于山前傾斜沖洪積平原。地層上,剖面1和剖面2出露于中新世牛山組,主要巖性為玄武巖;剖面3出露于更新世山前組,主要巖性為含礫砂質黏土、黏土質粉砂、含礫砂、砂礫層等。

其中,剖面1和剖面3采集深度為1.4 m,剖面2采集深度為0.8 m,每0.2 m采集一件樣品,剖面1和剖面3采集7件樣品,剖面2采集4件樣品。

2.2 土壤元素垂向分布特征

2.2.1 土壤中N、P、K和有機質垂向分布

對比各元素垂向變化規律,3條土壤垂向剖面上元素變化特征如圖2所示?；鹕絽^土壤養分在垂向上主要有以下幾種變化趨勢:

圖2 昌樂縣火山區土壤中N、P、K和有機質垂向分布

(1)全N和有機質,在3個剖面上均呈現隨深度增加其含量減少的趨勢,說明土壤中N元素和有機質易在表層土壤聚集,主要受控于農業施肥或植物死亡返還等,受母巖影響較弱或無影響。

(2)由剖面1和剖面2可知,K元素呈現隨深度增加而含量減少的趨勢,但剖面3中K元素含量隨深度基本無變化。這說明,剖面1和剖面2中K含量主要受控于農業活動,而剖面3不僅受農業活動,也可能受到成土母巖影響。

(3)P元素在剖面1和剖面2中呈現隨深度增加而含量增加的趨勢,但剖面3呈現隨深度而逐漸減少。這表明,剖面1和剖面2中表層土壤P易于溶解向下遷移,而剖面3表層土壤P可能受控于成土母巖差異,而阻止了P向下遷移。

2.2.2 土壤中Se、Mo和Co垂向分布

由圖3可知,①Se在3個剖面中,整體均呈現隨深度增加而減少趨勢,表明Se元素可能受控于成土過程,而易于在表層土壤中聚集;②Co和Mo元素,在剖面1和剖面2中呈現隨深度增加而增加的趨勢,而剖面3中Co含量基本不隨深度變化,這些均表明,Co元素主要受控于成土母巖中Co含量控制。

圖3 昌樂縣火山區土壤中Se、Mo、Co垂向分布

2.2.3 土壤中As、Cr、Cd等元素垂向分布特征

據唐誦六等[21-22]研究,從中國北部到南部,氣候從干冷到濕熱,成土過程從物理風化為主到化學風化為主,土壤與母巖相比,元素濃度隨之有更大變化,但土壤重金屬含量水平在較大程度上受控于成土母巖。梁偉等[23-24]研究發現江蘇一帶土壤 Cr、Ni 含量繼承了成土母巖特征。對比3條垂向剖面As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素變化曲線圖(圖4),可以發現各元素在土壤垂向上遷移轉化具有一定的規律:

圖4 昌樂縣火山區土壤中As、Cr、Cd等不同元素垂向分布

(1)Cu、Zn、Cr、Ni等元素表現出一致的變化規律:受成土母質的影響較大,在牛山組土質層中的含量較第四系中高,自上而下有增高的趨勢,至基巖層含量有明顯的增加(剖面1和剖面2);而在第四系中,自上而下有緩慢降低的趨勢(剖面3),表明這幾種元素主要受控于成土母質以及人類活動影響。

(2)Pb和Hg兩種元素的含量在剖面中的變化呈自上而下有明顯減少的趨勢,表明Pb和Hg兩種元素主要受控于人類活動影響。

(3)Cd元素在垂向上變化不明顯,呈略微減少的趨勢,在垂向遷移相對比較穩定。

(4)As元素,剖面1和剖面2表現出隨深度增加而減小趨勢,說明剖面1和剖面2受到人為活動影響,而呈現表土富集As。剖面3呈現隨深度增加而As含量增加的趨勢,認為剖面3受成土母巖(玄武巖)影響較大。

3 農產品元素富集能力研究

3.1 農產品中各元素富集特征

As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni等典型元素的濃度在動植物體內的積累量達到一定閥值時,就會對動植物產生危害,尤其通過食物鏈進入人體內并不斷積累,對人體造成潛在性的危害,引起致畸、致癌和致突變等。因此研究農產品中重金屬含量特征是一項重要的工作,一方面可以掌握農產品的質量,另一方面可以表征產品生長的土壤中相應元素的活性強度及產品的吸收強度。

農產品中元素的含量水平及特征是反映區內農產品質量等級的一個重要參數,故研究元素在產品體內的地球化學特征,查明不同農產品對土壤元素的富集能力,為優選農產品種類,進行農產品適宜性評價提供基礎技術資料。

由圖5可得出不同元素在相同農產品中的富集規律。

圖5 昌樂縣火山區農產品中微量元素的富集系數

西紅柿對各元素富集能力:Se>Cd>Cu>Zn>Hg>Mg>Ca>Ni>Pb>As>Fe>Cr。

西瓜對各元素富集能力:Se>Cu>Mg>Zn>Ca>Hg>Ni>Pb>As>Fe>Cr>Cd。

甜瓜對各元素富集能力:Se>Zn>Mg>Cd>Ca>Cu>Hg>Ni>As>Pb>Fe>Cr。

結合各元素地球化學特征,對農產品中富集特征較明顯的元素進行簡要分析:

(1)Zn元素既是一種重金屬元素,也是一種營養元素,適當含量的Zn,不僅不會對動植物造成危害,反而是必須的,從富集能力來看,Zn元素更容易在甜瓜中富集,而西紅柿中Zn元素的富集系數也較高。

(2)Se元素是一種健康元素,在3種農產品中的富集系數和含量(根據測試結果,農產品中Se元素平均含量為0.009 mg/kg)都相對較高,結合Se元素富集特征,可以長遠規劃富硒、富鋅農產品的種植。

(3)Fe、As、Pb 3種元素在3種農產品中富集系數相對較低,說明3種產品對這3種元素比較難以吸收。

(4)重金屬元素在這些農產品中主要有3個特點:一是西紅柿中重金屬元素含量和富集系數普遍比西瓜和甜瓜高;二是產品中Cu元素的富集系數普遍較高;三是西紅柿較其他2種產品更容易富集重金屬元素,據相關研究表明,這與西紅柿對重金屬元素有較強的捕集能力有關。

3.2 農產品元素與對應土壤元素關系研究

表1揭示了火山區農產品中微量元素與對應土壤中微量元素之間的相關性。西紅柿中Zn和Se含量與對應土壤Zn和Se含量呈顯著負相關關系,即隨著土壤中Zn和Se含量升高,而西紅柿中Zn和Se含量降低。且圖5農產品中微量元素的富集系數也說明,西紅柿中易于富集Se和Zn元素,這表明土壤中總Se和總Zn含量不是控制西紅柿中富集Se和Zn的主控因素,土壤Se和Zn的生物有效性應該是控制西紅柿Se和Zn富集的主要因素。

表1 農產品元素與對應土壤元素相關系數矩陣

甜瓜中Hg和Cd與對應土壤呈顯著負相關關系,圖5農產品中微量元素的富集系數也是顯示,甜瓜對Hg和Cd富集并不是很高。西瓜中Pb和Se含量也與對應土壤呈顯著負相關關系,但西瓜中易于富集Se。3種特色農產品中重金屬與對應土壤中重金屬多呈負相關關系,這些表明火山區農產品中不易富集重金屬。

4 特色土壤資源開發與保護建議

4.1 特色土壤資源開發利用

根據山東省第四地質礦產勘查院2017年《濰坊市土地質量地球化學調查與評價報告(昌樂縣)》研究成果,區內富硒土壤、富鍺、富鋅土壤分布特征進行了總結,圈出富硒土壤3.76km2,富鍺土壤16.64km2,富鋅土壤75.89 km2。劃分出4個富硒土壤區,17個富鍺土壤區,9個富鋅土壤區,并對區內富硒、富鍺、富鋅特色農產品種植選區進行了圈定,共圈定富硒、富鍺、富鋅特色農產品種植選區3736.1 hm2,其中富硒種植區36.3 hm2,富鍺種植區19332 hm2,富鋅種植區1288.8 hm2。根據以上調查成果,并結合本次實際調查研究結果,提出以下開發利用建議:

(1)開展大比例尺的土地質量調查評價。選取有前景的區域開展特色土壤1∶10000～1∶2000大比例尺土地質量地球化學調查與評價,調查級別提高到鄉鎮級甚至村級,詳細查明區內特色土壤資源、天然特色農產品的分布情況,為鄉鎮、村級特色土壤開發利用規劃及產業園建設提供科學依據。

(2)建立產業園、開發特色農產品。建議在富硒、富鍺、富鋅等特色土壤區附近規劃建立產業園,根據農產品種類和種植規模合理規劃園內產業布局。高標準建設特色農產品生產基地,并結合市場需求和農產品特征開發適宜的特色農產品,實現特色土壤資源開發產業化。

(3)政府主導開發保護,加強宣傳推介力度。建議地方政府有關部門重視利用與保護特色土壤資源,做到科學規劃,合理開發,逐步培育火山特色農業資源產業。打造宣傳推介平臺,充分利用各種新聞媒體、政府網站等方式大力進行宣傳推介,并形成專屬鮮明品牌標識,提高產品的競爭力和附加值。

4.2 特色土壤資源保護對策

(1)調整種植結構。由以上研究成果可知,研究區西瓜、甜瓜與西紅柿3種農產品對Se和Zn 元素富集均相對較高,而對重金屬元素相對富集較低,因此可多規劃種植此3類農產品。對于已經被重金屬污染的耕地,可以根據農作物對土壤的適宜性,選擇種植低富集系數的安全品種,從而避開土壤污染對農作物和人體健康的危害。

(2)劃定特色土地資源范圍。進一步具體界定區內富硒富鍺土壤的確切地塊,劃分清楚綠色食品生產基地范圍。當地政府再根據具體情況將這些土地法納入有償使用范圍,將這些區域的土地分別實行嚴格保護與管理,不準占用,嚴防污染,形成可持續發展的區域經濟小區。

(3)開發特色土壤資源的注意事項。雖火山區較易于開發富硒、富鋅農產品,但要注意控制土壤酸堿度,土壤酸堿度過低(pH<5.0)會顯著降低土壤中Se和Zn的生物有效性,土壤酸堿度過高(pH>8.0)土壤中Se和Zn會大量淋失。因此要注意監測和維持特色土壤的酸堿度的穩定,使其保持良好的生物有效性狀態。

5 結論

(1)對土壤中N、P、K、有機質、Se、Mo、Co、Cu、Zn、Cr、Ni等元素的垂向分布特征進行了研究,其中Cu、Zn、Cr、Ni等元素表現出一致的變化規律,受成土母質的影響較大,Se元素可能受控于成土過程,而易于在表層土壤中聚集。

(2)選取甜瓜、西瓜、西紅柿3種農產品為研究對象,查明了不同農產品對土壤元素的富集能力。研究結果表明:火山區所取3種農產品,對Se和Zn 元素富集均相對較高。3種農產品中重金屬與對應土壤中重金屬多呈負相關關系,這些表明火山區農產品中不易富集重金屬。

(3)在研究成果的基礎上,提出了古火山地區開展大比例尺的土地質量調查評價、建立產業園、開發特色農產品等特色土壤資源開發利用建議,并在土壤內部因素和外部因素2個方面針對性的提出了土地生態環境保護對策,同時提出火山區在開發富硒、富鋅農產品時要注意監測和維持特色土壤酸堿度的穩定,使其保持良好的生物有效性狀態。