威海市土壤元素地球化學(xué)分布及其意義

張帆

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276800)

威海市位于膠東半島最東端，北東南三面瀕臨黃海，北與遼東半島相對(duì)，東及東南與朝鮮半島和日本列島隔海相望，西與煙臺(tái)市接壤。地勢(shì)中部和東南部高，西部和西北部低，屬起伏緩和，谷寬坡緩的波狀丘陵區(qū)。三面環(huán)海，海岸類(lèi)型屬于港灣海岸，海岸線曲折，岬灣交錯(cuò)，多港灣、島嶼。氣候?qū)儆诒睖貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退都較明顯。年均氣溫11.9℃，年均降水量730.2mm。適宜的氣候環(huán)境為農(nóng)、漁業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)越自然條件。

1 地質(zhì)概況

威海市處于秦嶺-大別-蘇魯造山帶的最東端，膠南-威海造山帶東部，發(fā)育古元古代、中生代和新生代地層，缺失太古代和古生代沉積，最大特點(diǎn)是在造山帶中存在大量的變質(zhì)表殼巖包體。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要是因造山帶在不同時(shí)段的演化產(chǎn)生的，主體構(gòu)造形跡以不同時(shí)代、不同層次的韌性剪切帶廣泛發(fā)育為其突出特點(diǎn)，斷裂以NE向、NNE向?yàn)橹?，其次為SN向、NW、近EW向。巖漿巖發(fā)育，以侵入巖為主，形成時(shí)代有中元古代、新元古代及中新生代，巖石類(lèi)型從超基性巖—基性巖—中性巖—酸性巖皆有發(fā)育，以中酸性巖為主。

土壤位于風(fēng)化殼最表層的地帶，是在風(fēng)化產(chǎn)物(母質(zhì))的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)成土作用逐步發(fā)育形成的。根據(jù)全國(guó)土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程和《山東省第二次土壤普查土壤工作分類(lèi)暫行方案》，威海市土壤共分為棕壤、白漿化棕壤、潮棕壤、棕壤性土、酸性石質(zhì)土、中性石質(zhì)土、石灰性褐土、草甸風(fēng)沙土、酸性粗骨土、中性粗骨土、潮土、鹽化潮土、堿化鹽土、濱海鹽土、濱海潮灘鹽土、淹育水稻土等16個(gè)亞類(lèi)[1]。

2 工作方法

2．1 樣品采集

土壤樣品采集嚴(yán)格按照多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范[2](1∶25萬(wàn))執(zhí)行，采集的樣品包括表層和深層土壤。表層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/km2，采樣深度0～20cm；深層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/4km2，采樣深度150～200cm。表層土壤組合分析樣密度為1件/4km2，深層土壤組合分析樣密度為1件/16km2，組合分析樣送樣重量為200g。威海市表層土壤分析樣1526件，深層土壤分析樣405件。

2．2 測(cè)試元素與指標(biāo)

樣品測(cè)試由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所承擔(dān)，分析Ag，As，Au，B，Ba，Be，Bi，Br，C，Cd等54元素或指標(biāo)。采用等離子體發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法、發(fā)射光譜法、原子熒光光譜法等配套方法測(cè)試。樣品測(cè)試質(zhì)量由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)評(píng)審樣品分析質(zhì)量為優(yōu)秀。

2．3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)取得的表層土壤、深層土壤Ag，As，Au，B，Ba，Be，Bi，Br，C，Cd，Ce，Cl，Co，Cr，Cu，F(xiàn)，Ga，Ge，Hg，I，La，Li，Mn，Mo，N，Nb，Ni，P，Pb，Rb，S，Sb，Sc，Se，Sn，Sr，Th，Ti，Tl，U，V，W，Y，Zn，Zr，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，CaO，Na2O，K2O，Corg，pH值等54元素或指標(biāo)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理， 統(tǒng)計(jì)分析了樣品數(shù)、最小值、最大值、中位數(shù)、算術(shù)平均值、幾何平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)等地球化學(xué)參數(shù)。

3 主要成果

3．1 土壤元素基準(zhǔn)值特征

威海市土壤元素基準(zhǔn)值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，威海市土壤元素基準(zhǔn)值與山東省土壤平均值和中國(guó)土壤元素平均值[3-9]對(duì)比明顯不同，且不同元素間變異系數(shù)也有較大差別，調(diào)查區(qū)土壤元素基準(zhǔn)值有如下特征：

(1)與山東省土壤平均值對(duì)比，威海市土壤中Ba，I，Mo，Pb，Se，Sr，K2O，Na2O 等指標(biāo)基準(zhǔn)值明顯高于山東省土壤平均值，均超過(guò)1.2倍，特別是Ba，I元素基準(zhǔn)值是山東省土壤平均值的1.9倍以上，這主要與威海市地處沿海有關(guān)；As，B，C，Cd，Cr，Cu，F(xiàn)，Li，Ni，P，Sb，Sc，CaO，MgO等元素或指標(biāo)基準(zhǔn)值則明顯低于山東省土壤平均值，不到山東省土壤平均值80%；As，Cd，Cr，Cu，Ni等元素低說(shuō)明區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境基礎(chǔ)好；而Ag， Au， Be，Bi，Br等大部分元素基準(zhǔn)值接近山東省土壤平均值。

(2)與中國(guó)土壤元素平均值對(duì)比，威海市土壤中除Pb外，重金屬元素Hg,As,Cu,Cd,Ni,Zn和有益元素Se,Co,Mn等均低于全國(guó)土壤平均值;重金屬元素Hg,As,Cu,Cd,Ni,Zn等元素含量低說(shuō)明調(diào)查區(qū)大部分區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量好;而有益元素Se,Co,Mn含量水平低會(huì)造成土壤中有益元素Se,Co,Mn微量營(yíng)養(yǎng)元素不足;特別是Cu僅為全國(guó)的65%，Se含量?jī)H為全國(guó)土壤值的57%，這些營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中原始儲(chǔ)備量的不足，是調(diào)查區(qū)土壤出現(xiàn)缺素的根本原因。

(3)從深層土壤元素含量變異性[10-13]可以看出，Ag，As，Au，B，Bi，Br，C，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，Hg，I，La，Li，Mn，Mo，Ni，P，Sc，Se，Sr，Th，U，V，W，MgO，CaO，Corg 等大部分元素或指標(biāo)的變異系數(shù)大于等于0.30;其中Br，I，MgO，CaO，Corg等元素或指標(biāo)大于0.4，反映了這些元素或指標(biāo)的含量變化幅度較大、空間分布差異明顯； Ba，Be，Ce，F(xiàn)，Ga，Ge，N，Nb，Pb，Rb，S，Sb，Sn，Ti，Tl，Y，Zn，Zr，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，Na2O，K2O，pH值等元素或指標(biāo)的變異系數(shù)小于0.30，其中Be，Ga，Ge，Nb，Rb，S，Ti，Al2O3，K2O，SiO2，pH值的變異系數(shù)小于0.2，反映了這些元素或指標(biāo)含量變化小，空間分布均勻。

3．2 土壤元素背景值特征

威海市土壤元素背景值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，威海市土壤元素背景值與山東省土壤元素背景值和中國(guó)土壤元素平均值[14-17]對(duì)比明顯不同，且不同元素間變異系數(shù)也有較大差異，調(diào)查區(qū)土壤元素背景值有如下特征：

(1)Si，Al，F(xiàn)e，K，Na，Ca，Mg 等為地殼中的大量元素，其氧化物構(gòu)成土壤的主要化學(xué)成分。與中國(guó)土壤元素平均值對(duì)比，該區(qū)土壤中Al2O3，Na2O，K2O等氧化物背景值偏高；而Fe2O3，MgO，CaO背景值偏低；CaO 為全國(guó)土壤豐度的67%；MgO為全國(guó)土壤豐度的73%。土壤有益元素明顯不足，B，OrgC，Mo，Se，Ge，Zn，Co，Cu含量均低于全國(guó)均值，特別是B僅為全國(guó)的35%，OrgC為全國(guó)的36%，Mo為全國(guó)的39%，Se為全國(guó)的59%，這種現(xiàn)象應(yīng)引起重視。

土壤化學(xué)成分直接與基巖、母質(zhì)類(lèi)型相關(guān)，由其母巖風(fēng)化形成的土壤地球化學(xué)元素特征總體與巖石地球化學(xué)特征一致，調(diào)查區(qū)巖石類(lèi)型以中酸性、酸性侵入巖為主，特別是酸性花崗巖分布面積廣泛，這類(lèi)巖石本身缺乏Fe2O3，MgO，CaO，B，Mo，Se，Ge，Zn，Co，Cu，V，Ti，Ni等，而富含Al2O3，Na2O，K2O和Ba，Sr，Zr等元素，致使這些元素的背景值較高。

(2)與山東省土壤背景值對(duì)比，略高于省內(nèi)土壤值的元素有Mo，Pb，Zr，明顯高于省內(nèi)土壤值的元素有Ba，I，Sr，Na2O，K2O；略低于省內(nèi)土壤平均值的元素有Ag，Au，Br，Co，F(xiàn)，Th，Ti，U，V，Y，Zn，F(xiàn)e2O3，Corg，pH值，明顯低于省內(nèi)土壤值的元素有As，Bi，C，Cd，Cr，Cu，Hg，Li，N，Ni，P，S，Sb，Sc，Sn，W，MgO，CaO，其中C，N，P，S，CaO為土壤營(yíng)養(yǎng)元素，說(shuō)明表層土壤中元素儲(chǔ)備量不足，局部地段可能出現(xiàn)缺乏，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni為土壤重金屬元素，說(shuō)明這6種元素的污染程度低于全省其他地區(qū)。

表1 威海表層、深層土壤地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：含量單位C,N,OrgC和氧化物為10-2;Au為10-9;pH無(wú)量綱;其余為10-6。

(3)威海市8項(xiàng)重金屬元素背景值均低于國(guó)家土壤一級(jí)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[18-20](圖1)，土壤環(huán)境質(zhì)量總體是清潔的。背景值與國(guó)家土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比值最低的為Hg，僅為土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的15.3%，最高的為Pb，為土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的83.7%。因此，威海市土壤質(zhì)量是適用于國(guó)家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)(原有背景重金屬含量高的除外)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場(chǎng)和其他保護(hù)地區(qū)的土壤，土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平。

(Cd×10-8,Hg×10-9,其他×10-6)圖1 威海市土壤重金屬元素背景值含量對(duì)比圖

(4)由于成土母質(zhì)成土過(guò)程中元素活化遷移重分配等自然作用及人為疊加擾動(dòng)的影響，某些元素的含量變化幅度較大、空間分布差異明顯，從表層土壤元素變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(表1)可以看到，不同元素在調(diào)查區(qū)內(nèi)的分布極不均勻，變異系數(shù)相差較大。其中變異系數(shù)大于等于0.30的元素有Au，B，Bi，Br，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，Hg，I，La，Mo，P，Ni，Sc，Sr，Th，U，V，W，MgO，CaO，Corg，這有可能與表層土壤中這些元素受到較強(qiáng)的人為活動(dòng)有關(guān)，造成了表層土壤中這些元素或指標(biāo)的含量變化幅度較大、空間分布差異明顯。Ag，As，Ba，Be，C，Ce，F(xiàn)，Ga，Ge，Li，Mn，N，Nb，Pb，Rb，S，Sb，Se，Sn，Ti，Tl，Y，Zn，Zr，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，Na2O，K2O，pH值等元素或指標(biāo)的變異系數(shù)[21-22]小于0.30，其中Ga，Ge，Nb， Ti，Al2O3，K2O，SiO2，pH值的變異系數(shù)小于0.2，反映了這些元素或指標(biāo)含量變化小，空間分布均勻。

3．3 基準(zhǔn)值與背景值對(duì)比

基準(zhǔn)值和背景值分別為深層土壤和表層土壤元素含量值，背景值與基準(zhǔn)值的比值(k值)代表各指標(biāo)在表層土壤中的富集程度。由威海市土壤元素基準(zhǔn)值與背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)可以看出：

(1)B，Ce，Co，I，Li，Mn，Sb，Sc，V，Al2O3，SiO2，pH值等元素或指標(biāo)的襯度系數(shù)(背景值與基準(zhǔn)值的比值)小于0.95，反映了表層土壤在風(fēng)化成壤與人類(lèi)活動(dòng)作用中有少量被遷移帶出或淋溶至土壤深層，pH值襯度系數(shù)低說(shuō)明表層土壤有酸化趨勢(shì)。

(2)As，Au，Ba，Be，Bi，Br，Cr，Ga，Ge，La，Mo，Nb，Ni，Pb，Rb，Sn，Sr，Th，Ti，Tl，U，W，Y，Zn，F(xiàn)e2O3，MgO，K2O等大部分元素或指標(biāo)的襯度系數(shù)在0.95～1.05之間，反映了表層土壤的背景含量與土壤成土母質(zhì)的平均含量基本一致。表層土壤保持了成土母質(zhì)的原始狀況，這些指標(biāo)在表層土壤中的含量繼承了土壤母質(zhì)，后期人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響較小或未受影響。

(3)Ag，Cl，Cu，F(xiàn)，S，Se，Zr，CaO，Na2O等元素或指標(biāo)的襯度系數(shù)在1.05～1.50，這些元素受土壤成土母質(zhì)和后期人為活動(dòng)的雙重影響，在表層土壤中趨于弱富集狀態(tài)。

(4)C，Cd，Hg，N，P等元素的襯度系數(shù)在1.5～2.0，在表層土壤中富集，受人類(lèi)生產(chǎn)和生活活動(dòng)影響較明顯，農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)化生產(chǎn)和城市化建設(shè)產(chǎn)生了大量的工業(yè)、生活污水，污水灌溉又加劇了這些元素在表層土壤中的積累，使其在表層土壤中富集。

(5)Corg的襯度系數(shù)大于2.0，表明其在表層土壤中已明顯富集，表生作用和人類(lèi)活動(dòng)等因素已對(duì)Corg的分布分配產(chǎn)生明顯影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)威海市土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值和背景值的研究，了解區(qū)內(nèi)各元素或指標(biāo)土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值和背景值的分布分配特征，認(rèn)為威海市土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平。這些成果為地方政府進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃、環(huán)境保護(hù)和國(guó)土資源管理提供了基礎(chǔ)地球化學(xué)資料和科學(xué)依據(jù)。