海河流域平原區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估

張素榮，趙更新，賀福清，滕菲，高學(xué)生

(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

海河流域平原區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估

張素榮，趙更新，賀福清，滕菲，高學(xué)生

(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

以海河流域平原區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了該區(qū)土壤肥力、土壤環(huán)境的地球化學(xué)特征，對土地質(zhì)量進(jìn)行了地球化學(xué)評估。評價結(jié)果充分反映流域平原區(qū)土地質(zhì)量整體很好，優(yōu)良級的土壤占52.49%;土壤肥力受pH值及含鹽量影響在沿海灘涂地區(qū)和永定河流域相對較低;差等級土壤在區(qū)內(nèi)分布極少，僅占總面積的1.62%，零星分布在油田和石油勘探活動的地區(qū)。筆者同時提出了本區(qū)土地質(zhì)量存在的主要生態(tài)地球化學(xué)問題。

海河流域平原區(qū)；土地質(zhì)量；地球化學(xué)評估；土壤肥力；土壤環(huán)境；分等

土地是“生命之基，萬物之母”，由于長期過量使用化學(xué)肥料、農(nóng)藥、農(nóng)膜以及污水灌溉，土壤理化性質(zhì)惡化，直接導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，土壤生產(chǎn)力下降，從而造成土地質(zhì)量下降、生態(tài)環(huán)境惡化[1]。這不僅直接影響到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國土資源環(huán)境安全，而且直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康。自2008年初以來，已有很多學(xué)者在不同地區(qū)開展了土地評估工作：劉軍保和黃春雷等[2]在慈溪市開展了土地質(zhì)量地球化學(xué)評估方法研究；王加恩和胡艷華等[3]在浙江省嘉善縣開展了土地質(zhì)量地球化學(xué)評估與農(nóng)用地分等成果整合方法研究；簡中華和王世紀(jì)等[4]在浙江省龍游縣對不同采樣密度的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估結(jié)果進(jìn)行了對比；王立勝和汪媛媛等[5]在吉林大安市開展了土地質(zhì)量地球化學(xué)評估與綠色產(chǎn)能評價研究；孫淑梅和張連志[6]等在吉林省德惠-農(nóng)安地區(qū)，姚振等[7]在西寧-樂都地區(qū)，于成廣[8]等在盤錦市都開展了土地評估工作。然而，這些研究多集中于縣、市級別的區(qū)域，尚沒有學(xué)者在海河流域平原區(qū)做過系統(tǒng)的土地評估研究。筆者在“全國土壤現(xiàn)狀調(diào)查及污染防治專項：海河流域土地質(zhì)量地球化學(xué)評估”課題中，以海河流域平原區(qū)為對象，對該區(qū)土壤肥力、土壤環(huán)境的地球化學(xué)特征進(jìn)行了綜合研究，編制出土地質(zhì)量地球化學(xué)綜合分等圖，填補了該區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估的空白，同時發(fā)現(xiàn)了該區(qū)存在的一些生態(tài)地球化學(xué)問題，并從土地科學(xué)利用角度提出了宏觀的指導(dǎo)性建議。

1 研究區(qū)概況

海河流域平原區(qū)北倚燕山，西靠太行，東臨渤海，包括北京市、天津市、河北省的平原地區(qū)，以及河南省和山東省黃河以北的平原地區(qū)。地勢由北西向南東傾斜，西北部為山區(qū)、丘陵和高原，中部和東南部為廣闊的平原，東部為海洋，多個水系在天津匯聚為海河?xùn)|流入海，古有“九河下梢”之說。平原區(qū)按成因分為沖積洪積傾斜平原、洪積沖積平原、沖積平原、海積沖積低平原和海積低平原、沖積湖積平原、洪積平原等類型，其中以沖積平原為主體部分。渤海灣屬淤泥質(zhì)海岸，自陸地向海水可分潮間淺灘、河口淺灘和水下岸坡等，具有明顯的分帶性。

土壤類型包括11個土綱，18種土類,44種土壤亞類,以潮土為主，面積98 857 km2，占70.85%；其次為褐土，面積8352 km2，占5.99%。區(qū)域上土壤呈“以面為主,條帶相間”的分布格局。潮土呈面狀分布于流域泛濫平原區(qū)，邯鄲-鶴壁一帶的沖洪積扇地區(qū)石灰性褐土和褐土呈帶狀分布，脫潮土呈帶狀分布于山東與河北省省界處，北部沖洪積扇區(qū)以褐土和潮褐土為主。

土地利用以耕地為主，占75.61%，居民及工礦用

地占12.04%，未利用土地占3.35%，水域占3.82%，林地占2.05%，園地占1.69%，交通用地和牧草地極少。

區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)資源豐富。糧食、水果、蔬菜、肉類等多種農(nóng)產(chǎn)品居全國前列，也是重要的海產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源

土地評估數(shù)據(jù)全部來自北京、天津、河北、山東、河南1：25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲得的土壤測量結(jié)果。表層土壤采樣密度為1個點/km2，采樣深度0～20 cm，4 km2組合一個分析樣。平原區(qū)表層土壤樣采樣點選擇在農(nóng)田中采集，每個土壤樣品由采樣點位及周圍一定范圍3～5個采集點分別采樣組合而成［9］。

3 研究方法

3．1 評估單元

土地評估單元是評價對象的最小單位，是由影響土地質(zhì)量諸多因素構(gòu)成的一個空間實體[10]，是開展土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作的基礎(chǔ)。按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評估技術(shù)要求》[11]規(guī)定，流域級土地質(zhì)量地球化學(xué)評估單元同采樣單元，即2 km×2 km網(wǎng)格為一個單元。

3．2 評估指標(biāo)篩選

以表征土壤肥力、土壤環(huán)境、土壤健康的地球化學(xué)指標(biāo)作為評估指標(biāo)，在系統(tǒng)研究評估區(qū)土壤地球化學(xué)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行評估指標(biāo)的篩選。

土壤肥力指標(biāo)：肥力指標(biāo)重點選擇相對低異常（缺乏）的必需大量元素、微量元素和指標(biāo)。研究區(qū)土壤中K、Ca、Mg、S、Na含量均較豐富，Cl、B含量適中，按照營養(yǎng)元素全量分級評估，適宜區(qū)和豐富區(qū)均占總評估區(qū)面積80%以上，故不作為評估指標(biāo)；研究區(qū)N、P、TOC、Mo、Cu、Mn、Zn、Si均較缺乏，且P與C、N與TOC的相關(guān)性均不顯著，P與TOC的空間自相關(guān)性均較弱，而Fe與Mn呈現(xiàn)很好的相關(guān)性,且Fe的空間變異性較強(qiáng)，塊金系數(shù)51.7%,具有中等的空間自相關(guān)性，根據(jù)主導(dǎo)性和獨立性原則［12-13］選取C、N、P、TOC、Fe、Mo、Cu、Zn、Si作為評估指標(biāo)。

土壤環(huán)境指標(biāo)：環(huán)境指標(biāo)重點選擇相對高異常（超標(biāo)）元素。在評估區(qū)土壤中，重金屬元素Pb、Cr、Hg、Ni、As含量較低，低于1級（自然背景值）的面積分別占98.21%、97.81%、97.49%、97.02%、96.90%。Cd含量相對較高，2級以上面積占8.83%。研究區(qū)的污染元素主要是Cd，因此選取Cd作為評估指標(biāo)。

土壤健康指標(biāo)主要選擇土壤中Se、I和F含量異常（過高或過低）程度較大的元素。與全國A層土壤中的元素含量相比，研究區(qū)土壤中缺乏I，小于全國A層土壤50%順序統(tǒng)計量的土壤面積所占比例為62.2%,且空間分布不均勻，變程小，塊金系數(shù)相對較大，空間自相關(guān)程度較弱，變異性較強(qiáng)；研究區(qū)土壤中Se的含量適中，空間變異性較強(qiáng)，考慮到Se能提高機(jī)體的抑癌、抗癌能力，確定I和Se元素為研究區(qū)健康元素評估指標(biāo)。

pH是土壤中一項重要的理化性質(zhì)，pH值的高低不僅反映了土壤本身的酸化或堿化程度，而且與很多元素的形態(tài)分布有著緊密的關(guān)系，會直接影響到作物對元素的吸收和利用，因此評估時pH作為必選的參評指標(biāo)。

3．3 評估指標(biāo)隸屬度函數(shù)模型建立

隸屬度函數(shù)模型主要包括線性模型和非線性模型，考慮評估工作的實用性和簡潔性，本研究以線性模型為基礎(chǔ)，采用峰值型、戒上型、戒下型模型(圖1)。研究區(qū)L、U、O1、O2閾值確定采用背景值法［11]。對于各評價指標(biāo)統(tǒng)計檢驗是否服從正態(tài)分布，不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均值±3倍離差剔除異常數(shù)據(jù)，直至服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，以累積頻率值2O%、4O%、6O%、8O%的樣本值即為L、U、O1、O2值(表1)。

各類地球化學(xué)評估指標(biāo)采用隸屬度函數(shù)模型的原則為：

（1）土壤pH和土壤健康指標(biāo)I、Se采用峰值型隸屬度函數(shù)模型。

（2）土壤TOC、P、N、C、Fe、Mo、Cu、Zn、Si等有益元素采用戒上型隸屬度函數(shù)模型。

（3）土壤Cd等有害元素采用戒下型隸屬度函數(shù)模型。

圖1 各型隸屬度函數(shù)模型曲線及隸屬值計算公式Fig．1Membership function model curve and value calculation formula

表1 各評估指標(biāo)的隸屬度函數(shù)模型及界限值Table 1Membership function model of the evaluation indexes and threshold value

3．4 評估指標(biāo)權(quán)重確定

為相對客觀地確定各指標(biāo)的權(quán)重，避免人為主觀影響太大，運用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法（AHP）［11]是將系統(tǒng)因素按支配關(guān)系分組以形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較判斷的方式確定每一層次中因素的相對重要性，然后在遞階層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行合成以得到?jīng)Q策因素相對于目標(biāo)的重要性的總順序，從而為決策提供確定性的判

據(jù)。此方法是一種定性與定量分析相結(jié)合的多因素決策分析方法，其步驟為：建立問題的遞階層次結(jié)構(gòu)—構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣—由判斷矩陣計算被比較元素單層次權(quán)重—計算各層次元素的組合權(quán)重。

在層次比較和組合權(quán)重中主要根據(jù)參評指標(biāo)在評估區(qū)的含量分布狀況及空間變異度，結(jié)合不同元素對農(nóng)作物的重要性程度［2］，再結(jié)合有關(guān)專家意見，按照層次分析法的定義，對同層次的指標(biāo)建立兩兩比較矩陣及求得相對權(quán)重（表2、3）。

運用Yaahp5.2軟件對各判斷矩陣的特征根進(jìn)行求解，獲得各層次指標(biāo)間的權(quán)重（表4），同一層次各指標(biāo)的權(quán)重加和為1。

表2 肥力指標(biāo)各層次指標(biāo)判斷矩陣Table 2 Index judgment matrix of the fertility index at all levels

表4 土地地球化學(xué)評估不同層次指標(biāo)權(quán)重Table 4 Soil geochemical evaluation index right of different levels

3．5 評估綜合指數(shù)的確定

采用加法模型，利用以下公式對各評估指標(biāo)的

實測值進(jìn)行權(quán)重和隸屬度計算，獲得土壤肥力和土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合指數(shù)。

P=∑fi×Ci（i=1，2，3，4……n）

式中：P為綜合指數(shù)；fi為第i個評估指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值；Ci為第i個評估指標(biāo)的權(quán)重，評估指標(biāo)為表征土地肥力和土地環(huán)境健康的各類指標(biāo)。

按照綜合參數(shù)計算結(jié)果，將各評估單元分為三等，各等對應(yīng)的綜合參數(shù)值見表5。

表5 評估單元分等與綜合參數(shù)對應(yīng)表Table 5 Assessment unit classification and corresponding integrated parameters

3．6 土地質(zhì)量地球化學(xué)等級劃分

依據(jù)土壤肥力質(zhì)量等級和土壤環(huán)境質(zhì)量等級劃分結(jié)果，采用表6所示的分等方案，對評估區(qū)進(jìn)行土地質(zhì)量地球化學(xué)分等。

根據(jù)分等方案對海河流域平原區(qū)土地質(zhì)量進(jìn)行了地球化學(xué)評估綜合分等（圖2），由圖可知，評估區(qū)土壤分為優(yōu)質(zhì)、優(yōu)良、良好、中等、差等五個等級。土地質(zhì)量整體很好，良好以上等級的土壤占全區(qū)69.28%，其中優(yōu)質(zhì)級占1.72%，零散分布在評估區(qū)，以河北省三河市、沙河市及山東省商河縣周邊地區(qū)分布相對較多。優(yōu)良級的土壤占52.49%，在全區(qū)廣泛分布。良好級的占15.07%，反映土壤肥力相對較低，受PH值及含鹽量影響，主要分布于沿海灘涂地區(qū)和永定河流域。中等級別土壤占總面積29.11%，反映土壤環(huán)境質(zhì)量較低，主要集中在工業(yè)發(fā)達(dá)和人口密集區(qū)。差等級土壤在區(qū)內(nèi)分布極少，僅占總面積的1.62%，零星分布在研究區(qū)南部及大港油田、黃河三角洲和南堡油田等開展石油勘探活動的地區(qū)。

綜上可見，評價結(jié)果能充分反映出研究區(qū)的實際情況，體現(xiàn)出人類活動和工業(yè)污染對土地質(zhì)量的影響。評估結(jié)果可為研究區(qū)基本農(nóng)田質(zhì)量評價提供基礎(chǔ)評價依據(jù)，為農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面提供基礎(chǔ)資料。

表6 土地質(zhì)量地球化學(xué)評估分等表Table 6 Land quality geochemical assessment grading

圖2 海河流域平原區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估分等圖Fig．2Geochemical classification of land quality in the Haihe River Basin

4 土地質(zhì)量地球化學(xué)問題的討論

通過對研究區(qū)的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估，發(fā)現(xiàn)有以下幾個值得注意的問題。

（1）流域內(nèi)地方病與土壤、地下水部分元素的缺乏和富集有關(guān)。流域內(nèi)表層土壤碘含量范圍0.04～23.8 mg/kg，中值1.96 mg/kg，均值2.28 mg/kg，變異系數(shù)61%。全國土壤碘含量中值2.2 mg/kg，與之相比，流域內(nèi)土壤碘含量處于中等偏低的水平；土壤中的F含量范圍通常為20～500 mg/kg(Kabata P，et a1．，1984)，而研究區(qū)表層土壤中F元素含量范圍為88～4006 mg/kg，平均值為546.1 mg/kg，遠(yuǎn)高于全國平均值478 mg/kg。在這樣一個低碘、高氟的元素地球化學(xué)背景條件下，加上傳統(tǒng)的生活方式、特殊的自然地理條件(干旱缺水)等因素的影響，流域內(nèi)多發(fā)甲狀腺腫和地方性克汀病、氟中毒癥、砷中毒、大骨節(jié)病等地方性疾病。對流域來說，加強(qiáng)對有益元素、營養(yǎng)元素的研究，特別是在偏堿性環(huán)境中元素性態(tài)及其生態(tài)地球化學(xué)效應(yīng)的研究，查明高氟砷地球化學(xué)背景和砷元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律對于防治氟砷中毒具有重大的意義。

（2）利用污水進(jìn)行灌溉和使用劣質(zhì)化肥引起土壤和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題。由于灌溉水缺乏，直接或間接利用污水進(jìn)行灌溉在區(qū)域內(nèi)是比較普遍的，應(yīng)注意出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題。高濃度有毒廢水灌溉農(nóng)田可能直接造成作物死苗或作物中毒的事故。有的地區(qū)長期施用劣質(zhì)化肥，使土壤重金屬富集，應(yīng)引起高度重視，防止其發(fā)展，避免一些優(yōu)良農(nóng)用土地質(zhì)量逐漸降低。

（3）一些潛在的優(yōu)良土壤資源或優(yōu)勢農(nóng)業(yè)資源尚未被認(rèn)識和保護(hù)利用。海河流域平原區(qū)是我國最重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，是我國最大的糧食作物的主要產(chǎn)區(qū)，也是我國出口農(nóng)產(chǎn)品的主要產(chǎn)區(qū)。對土壤地球化學(xué)特征和有益微量元素分布規(guī)律的研究將有助于發(fā)現(xiàn)和合理利用潛在的優(yōu)良土壤資源，從而為科學(xué)規(guī)劃農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供依據(jù)。根據(jù)土壤地球化學(xué)評估的研究結(jié)果，太行山前地區(qū)存在多處面積可觀的富硒土壤，可能構(gòu)成優(yōu)良土壤資源，值得進(jìn)一步研究。

（4）土壤環(huán)境保護(hù)形勢和任務(wù)愈來愈嚴(yán)峻。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和排放迅速增長對環(huán)境的影響，已引起人們的高度關(guān)注，對優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)土地資源的保護(hù)也十分緊迫。

5 結(jié)論

（1）海河流域平原區(qū)土壤肥力指標(biāo)選取了C、N、P、Fe、Mo、Cu、Zn、Si、有機(jī)質(zhì)，環(huán)境健康指標(biāo)選取Cd、I、Se與pH。從評估結(jié)果來看，指標(biāo)選取科學(xué)、合理，充分地反映出研究區(qū)土地質(zhì)量的實際情況。

（2)流域平原區(qū)土地質(zhì)量整體很好，優(yōu)良級的土壤占52.49%，在全區(qū)廣泛分布。土壤肥力受PH值及含鹽量影響，在沿海灘涂地區(qū)和永定河流域相對較低。差等級土壤在區(qū)內(nèi)分布極少，僅占總面積的1.62%，零星分布在油田和石油勘探活動的地區(qū)。評價結(jié)果體現(xiàn)出人類活動和工業(yè)污染對土地質(zhì)量的影響，評估結(jié)果為研究區(qū)基本農(nóng)田質(zhì)量評價提供基礎(chǔ)評價依據(jù)，為農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面提供基礎(chǔ)資料。

（3）應(yīng)加強(qiáng)對流域內(nèi)地方病、土壤和農(nóng)產(chǎn)品污染等問題的研究，重視土壤、地下水中元素的缺乏和富集問題，深化對有益元素、營養(yǎng)元素的研究，有效防治農(nóng)田污染,提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，同時，挖掘流域內(nèi)潛在的優(yōu)良土壤資源或優(yōu)勢農(nóng)業(yè)資源，加強(qiáng)對優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)土地資源及土壤環(huán)境的保護(hù)力度。

[1]楊忠芳.現(xiàn)代環(huán)境地球化學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1999.

[2]劉軍保,黃春雷,岑靜等.土地質(zhì)量地球化學(xué)評估方法研究-以慈溪市為例[J].資源調(diào)查與環(huán)境.2010,31(1)：50-59.

[3]王加恩,胡艷華,宋明義.土地質(zhì)量地球化學(xué)評估與農(nóng)用地分等成果整合方法-以浙江省嘉善縣為例[J].廣東土地科學(xué).2012,11(2)：25-31.

[4]簡中華,王世紀(jì),黃春雷等.不同采樣密度的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估結(jié)果對比-以浙江省龍游縣為例[J].現(xiàn)代地質(zhì).2011,25(1)：176-181.

[5]王立勝,汪媛媛,余濤等.土地質(zhì)量地球化學(xué)評估與綠色產(chǎn)能評價研究：以吉林大安市為例[J].現(xiàn)代地質(zhì).2012,26(5)：879-885.

[6]孫淑梅,張連志,閏冬.吉林省德惠一農(nóng)安地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估[J].現(xiàn)代地質(zhì).2008,22(6)：998-1002.

[7]姚振,田興元,姬丙艷等.西寧一樂都地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估[J].西北地質(zhì).2012,45(1)：317-323.

[8]于成廣,楊忠芳,楊曉波等.土地質(zhì)量地球化學(xué)評估方法研究與應(yīng)用：以盤錦市為例[J].現(xiàn)代地質(zhì).2012,26(5)：873-878.

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[10]周生路,石曉日,徐彬彬.桂林市土地質(zhì)量評價[J].山地研究.1997,15(4)：269-272.

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[12]周勇,田有國,任意等.定量化土地評價指標(biāo)體系及評價方法探討[J].生態(tài)環(huán)境.2003，12（1）：37-41.

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Geochemical Evaluation of Land Quality in the Haihe River Basin

ZHANG Su-rong,ZHAO Geng-xin,HE Fu-qing,TENG Fei，GAO Xue-sheng
（Tianjin Center,China Geological Survey,Tianjin 300170,China）

On the basis of the data obtained from multi-purpose regional geochemical survey in the plain area of the Haihe River Basin,the geochemical characteristics of soil fertility and soil environment was analyzed,and the geochemical evaluation of the land quality was done.The evaluation results show that the overall quality of the drainage plain area is satisfatory,and the high quality soil accounting for 52.49%;the impact of pH values and salinity on the fertility of the soil in the coastal shallow seas,tidelands region and the Yongding River Basin is relatively low.The distribution of poor quality soils in the region is very low,accouning for only 1.62%of the total area,and scattered in the oil fields and oil exploration areas in the region.The authors also put forward the main ecological and geochemical problems concerning the land quality in the region.

plain area of Haihe River Basin;land quality;geochemical evaluation;soil fertility;soil environment;grading

P596

A

1672-4135（2013）03-0182-07

2013-04-03

全國土壤現(xiàn)狀調(diào)查及污染防治專項：海河流域土地質(zhì)量地球化學(xué)評估（GZTR20070303）

張素榮（1981-），女，工程師，吉林大學(xué)碩士，現(xiàn)從事地球化學(xué)研究，Email：zhangsurong@126.com。