安徽省碭山縣葛集鎮土地質量地球化學評價

胡紅軍,徐干干

(安徽省地質礦產勘查局325地質隊,安徽 淮北 235000)

0 引言

近年來,隨著農業結構的調整,農業產業布局和施肥方式發生了較大的變化,由原來單一作物發展成大宗傳統作物、果蔬等全面發展的局面,土壤生態環境已發生了根本變化,對優質特色土地資源需求更高。土地質量地球化學調查作為一項基礎性農業地質調查工作,旨在查明土壤中養分元素(氮、磷、鉀等)、有益元素(鋅等)、有害元素(鎘、汞、砷等)的地球化學分布、分配特征及生物有效性,分析評價土地質量狀況[1-3],是目前發展特色農業、保障糧食安全的重要手段。

碭山縣位于安徽省最北端,是國家級貧困縣,葛集鎮是碭山縣重要的水果鄉鎮,也是遠近聞名的“油桃之鄉”。本文在1∶5萬土地質量專項調查基礎上,以全國第二次土地調查繪制的土地利用現狀圖斑為評價單元對葛集鎮進行土地質量地球化學評價,查明土地質量現狀,對當地農業種植結構調整、農業生產及助力鄉村振興具有重要意義。

1 研究區概況

研究區為安徽省碭山縣葛集鎮,位于碭山縣東北方向皖蘇交界處,距縣城18.8km。研究區地處淮北平原,地勢平坦,屬于季風半濕潤氣候區。研究區屬淮北地層小區前第四系地層(奧陶系中、下統,石炭系上統至三疊系下統,古近系),均隱伏于第四系(下更新統桃園組、中更新統潘集組、上更新統茆塘組、全新統蚌埠組)之下,厚150m左右,地貌類型為平原,土壤類型主要為黃潮土、堿化潮土、鹽化潮土(圖1),面積分別為76.80km2、5.34km2、2.98km2,主要土地利用類型為果園,種植油桃、酥梨、黃桃等作物。

1—黃潮土;2—堿化潮土;3—鹽化潮土圖1 安徽省碭山縣葛集鎮土壤類型圖

2 樣品采集與分析測試

2.1 樣品采集

以網格疊加二調圖斑的采樣布局,在葛集鎮一般種植區內按4個點/km2布置,省級農業產區加密至16個點/km2,土壤平均采樣密度為6.4個點/km2,研究區土壤采樣點位見圖2,樣點主要布設在地質背景、土壤類型和土地利用方式的代表性地塊內,全區兼顧均勻性與合理性。主樣點選擇在布設樣點附近的最大田塊內,子樣點選擇在周邊20～50m范圍(不能超出評價圖斑范圍)內不同田塊,土壤樣品用專用取土器(定制不銹鋼鏟)自地表向下連續采集0～20cm(旱地)、0～40cm(果園)的土壤柱,由2～4個子樣等量混合而成一個樣品,主樣、子樣采樣方法、采樣深度等一致,除去根莖、葉及石礫、蟲體等雜物,采樣時避開溝渠、路邊、林帶、舊房基、糞堆等無代表性地段。

1—道路;2—河流;3—村莊;4—采樣點位圖2 安徽省碭山縣葛集鎮土壤采樣點位圖

2.2 分析測試

土壤樣品均經自然風干并經20目尼龍篩加工處理后送實驗室,測試工作由具備地質實驗測試甲級資質的安徽省地質實驗研究所承擔。以《多目標區域地球化學調查規范(DZ/T0258—2014)》為依據,選擇使用X射線熒光光譜法(XRF)測定P、K2O,電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定Cr、Cu、Cd、Ni、Pb、Zn,原子熒光法(AFS)、凱氏氮蒸餾酸堿滴定容量法(VOL)、離子選擇性電極法(ISE)測定As、Hg、N、pH的分析方法配套方案。測試數據質量經專家驗收合格,質量可靠。

2.3 數據處理

運用Excel 2016、SPSS 21.0,基于等處理軟件進行數據分布檢驗和參數計算(平均值、最大值、最小值、變異系數等);地球化學等級圖基于土地質量地球化學調查與評價數據管理與維護(應用)子系統及MapGIS 6.7軟件成圖,研究區以二調圖斑為評價單元,利用插值法或屬性賦值法對每個評價單元進行賦值,賦值結果經比對驗證,成果可靠[4-8]。

3 評價指標與方法

3.1 土壤養分地球化學等級評價方法

選取N、P、K作為評價土壤養分指標,首先進行單指標等級評價,再按照公式(1)計算得出土壤養分綜合評價得分。

式中:f養綜—土壤N、P、K養分元素評價總得分,ki—土壤N、P、K單指標在土壤養分中所占權重的系數分別為0.4、0.4、0.2),fi—土壤N、P、K單指標評價結果(五等至一等)所對應的等級得分(1分至5分)[9]。

根據f養綜得分結果將土壤養分地球化學綜合等級劃分為一等(f養綜≥4.5)、二等(f養綜<4.5～3.5)、三等(f養綜<3.5～2.5)、四等(f養綜<2.5～1.5)、五等(f養綜<1.5)[10]。

3.2 土壤環境地球化學評價方法

本文選取Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種土壤重金屬元素及pH,參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(GB15618—2018)》[11]與《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(GB36600—2018)》[12]中的標準,進行重金屬元素單指標土壤環境地球化學等級評價,基于單指標評價結果,以每個評價單元內Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni單指標劃分的最差的環境等級作為該評價單元的土壤環境地球化學綜合等級[13-14]。

3.3 土壤質量地球化學綜合評價

土壤質量受到土壤養分、土壤環境雙重影響,疊加各評價單元的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得出土壤質量地球化學綜合等級。

4 結果與討論

4.1 土壤元素地球化學參數特征

本文對葛集鎮各評價指標元素地球化學參數進行了統計分析(表1),變異系數的大小反映元素在空間分布的均勻(變異)程度,土壤中K、Pb、Cr、pH變異系數小于0.16,分布均勻;N、P、Cd、As、Zn、Ni變異系數介于0.16～0.36之間,屬中等變異分布;Hg、Cu變異系數大于0.36,屬強變異分布,表明Hg、Cu元素在土壤中存在明顯的遷移轉化,致使局部富集或貧化。

表1 葛集鎮各評價指標元素地球化學參數統計

土壤12項指標元素經正態檢驗,不符合服從正態分布,本文選擇迭代剔除離散數據(按照算術平均值加減3倍的標準差)后的算數平均值代表各元素背景值[15-17],將各評價指標元素背景值與皖北地區表層土壤背景值相比,土壤中N元素含量明顯偏低(富集系數K1<0.8),K、Cd、Hg、As、Pb、Cr、Zn、Ni、pH含量相當(富集系數0.81.21),表明P、Cu元素在表生作用遷移過程中主要發生富集,可能與過施磷肥、農藥有關。

綜上,部分元素發生富集或貧化現象可能于土壤類型及人為活動干擾等因素有關。

4.2 土壤元素相關性分析

本文基于研究區內552件土壤樣品數據,以N、P、K、Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni、pH為變量進行R型因子分析(經計算,KMO值為0.932),選取公因子方差累計貢獻>80%的因子作方差極大正交旋轉[18],確定各因子的元素組合,結合研究區土壤地球化學特征,進行區內元素共生組合的特征研究。結果顯示,主因子F1中元素Ni、Cr、K、As、Pb、Zn、Cd、N的載荷高,呈共生組合,其中P、pH、Hg與其他元素呈負相關,其余元素呈正相關性;主因子F2中元素Zn、P、Cu、N的載荷高,呈共生組合關系,其中pH與其他元素呈負相關(表2)。

表2 葛集鎮土壤元素旋轉后因子載荷矩陣表

4.3 土壤養分地球化學等級評價結果

圖3為葛集鎮土壤養分地球化學單元素等級評價結果,土壤N以較缺乏、缺乏為主,占總評價面積的82.12%,其次為中等,占總評價面積的16.70%,較豐富土壤僅占總評價面積的1.18%,無豐富土壤分布,缺氮會導致植株生長緩慢,株小葉黃,合成有機質少,產量低等現象;P以豐富、較豐富為主,占總評價面積的93.66%,豐富土壤占比很少,無缺乏、較缺乏土壤分布,富磷可能與農業施肥的影響;K比較穩定,僅有中等、較豐富土壤分布,分別占總評價面積的54.93%、45.07%。

圖3 安徽省碭山縣葛集鎮土壤養分單元素等級面積占比圖

土壤養分地球化學綜合等級評價結果顯示(圖4),葛集鎮土地利用現狀主要為果園,土壤養分質量一般。土壤養分以三等(中等)為主,面積為49.32km2,占總評價面積的58.90%,分布面積較大,主要分布在汪小樓西北部,張馬吳莊—新華村—高寨村,以及蔣屯—李庵—范套、土山村一帶;其次為二等(較豐富),面積為30.68km2,占總評價面積的36.64%,分布面積較集中,主要分布于葛集鎮北部白蠟園村、賈寨、夏黃樓村,以及其東部毛雷莊村,該地區土壤養分較好可能與土壤類型(黃潮土中兩合土能起到供肥保肥雙協調作用)有關;四等(較缺乏)土壤分布面積較小,面積為3.73km2,占總評價面積的4.46%,呈零星分布,主要分布在汪沙灘村附近,主要受人為施肥影響;無一等及五等土壤分布。

1—二等(較豐富);2—三等(中等);3—四等(較缺乏)圖4 安徽省碭山縣葛集鎮土壤養分地球化學綜合等級圖

研究表明,葛集鎮土壤缺N,富P,K穩定,整體養分質量一般,建議當地針對性的增施N肥、控施P肥,穩施鉀肥,同時增施有機肥,以保證土壤肥力,進而提高農作物的產量。

4.4 土壤環境地球化學等級評價結果

土壤環境單元素評價等級結果(圖5),研究區土壤中重金屬元素Cd、Hg、Pb、Ni、Zn、As和Cr含量均未超出土壤污染風險篩選值。僅Cu含量在極少部分地區超出土壤污染風險篩選值,但未超出土壤污染風險管控值,占總評價面積的0.31%。經現場核實,Cu風險可控地區距離村莊較近,可能與人為活動干擾有關。

圖5 安徽省碭山縣葛集鎮土壤環境單元素評價等級面積占比圖

土壤環境地球化學綜合等級評價結果,綜合各單指標土壤環境地球化學等級,按照最嚴格原則,該區內大部分土壤環境地球化學綜合等級為一等,面積為83.47km2,占總評價面積的99.69%,土壤環境綜合評定為無風險;在葛集鎮西南部零星地塊內輕微超標,劃分等級為二等,面積為0.26km2,占總評價面積的0.31%,土壤環境綜合評定為風險可控,主要受Cu元素的污染影響;無三等風險較高土壤。評價結果顯示研究區土壤環境質量優質,無風險土壤面積占比大,可為該鎮綠色農產品產地布局提供基礎資料。

4.5 土地質量地球化學等級評價結果

土壤質量地球化學綜合等級評價結果(圖6),葛集鎮土壤質量以二等(良好)為主,面積為49.35km2,占總評價面積的58.94%;一等(優質)分布面積其次,面積為29.46km2,占總評價面積的35.18%;三等(中等)土壤分布面積最少,面積為4.92km2,占總評價面積的5.88%,無差等、劣等土壤分布。其中優質土壤主要分布在李寨溝兩邊及葛套—毛雷莊一帶,整體來看,受土壤養分和環境元素分布影響,葛集鎮中部土壤質量優于兩側區域。因此研究區土壤質量整體較好,適宜開展農業活動。

1—一等(優質);2—二等(良好);3—三等(中等)圖6 安徽省碭山縣葛集鎮土壤質量地球化學綜合等級圖

4.6 特色土地資源評價

Zn是人體必需的微量元素之一,在人體生長發育過程中起著極其重要的作用,缺鋅容易導致食欲減退、消化不良、免疫力下降、生長遲緩等多種危害[18-20]。因此,對土壤富Zn研究是非常有必要的。對葛集鎮范圍內采集的552件土壤Zn元素進行統計,Zn含量范圍為37.4～150.8mg/kg,均值為71.94mg/kg,高于皖北地區土壤背景值。依據《富鋅土壤評價技術要求》(DB23/T2410—2019)[21],對葛集鎮富鋅土壤進行劃定。土壤鋅含量評價等級劃分標準見表3。

表3 土壤鋅含量評價等級劃分

從圖7富鋅土壤等級劃分圖可知,葛集鎮土壤Zn豐缺狀況以一等(富Zn)為主,面積為37.47km2,占總評價面積的54.07%;其次為二等(足Zn),面積為22.47km2,占比32.42%;三等(Zn適量)面積為8.73km2,占比12.60%;無過鋅、低Zn和缺Zn土壤。富Zn、足Zn土壤受土壤類型(黃潮土)影響,在全鎮范圍內均有分布,分布面積廣泛,Zn適量零星分布,整體Zn元素含量中部高于兩側。研究區屬油桃、酥梨種植區,此次富Zn土壤的發現,為研究區發展特色農產品種植,提升農產品附加值和品牌效應,促進當地農業經濟發展提供科學依據。

1—一等(富鋅);2—二等(足鋅);3—三等(鋅適量);4—村莊圖7 安徽省碭山縣葛集鎮富鋅土壤等級劃分圖

5 結論

(1)葛集鎮土壤養分質量一般,中等養分占總評價面積的58.9%,主要缺乏N元素,該地區應增加N肥使用量,同時施用有機肥,提高土壤N元素的有效性,改善土壤缺N現狀,以達到農業增產目的。

(2)葛集鎮土壤環境質量優質,以一等無風險區為主,占總評價面積的99.69%;二等風險可控占總評價面積的0.31%,主要受Cu元素的污染影響;無風險較高土壤。在Cu元素風險可控地區應設立監測點,定期監測土壤中銅元素的含量變化,確保食品安全。

(3)葛集鎮土壤質量整體較好,良好和優質土壤占總評價面積的94.12%;中等土壤占總評價面積的4.92%;無差等、劣等土壤。

(4)碭山縣葛集鎮富鋅土壤面積較大,占總評價面積的54.07%,主要分布于葛套—毛雷莊一帶,建議當地政府對富鋅土地開發利用,打造特色農產品的品牌。