巨野縣土壤地球化學(xué)背景值及土地質(zhì)量地球化學(xué)評價

王增輝，任文凱，劉華峰,代杰瑞,趙西強

(山東省地質(zhì)調(diào)查院,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

土地是最基本的生產(chǎn)資料，也是人們生產(chǎn)和生活的最基本場所，土地質(zhì)量的好壞直接影響到農(nóng)、林、牧業(yè)的產(chǎn)業(yè)效益和居民的生活質(zhì)量。隨著我國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的發(fā)展，工業(yè)排放量不斷增加，農(nóng)藥、化肥、除草劑、殺蟲劑、生長調(diào)節(jié)劑、農(nóng)膜等農(nóng)用化學(xué)品的施用量長期處于高位，耕地和城市邊緣土壤的污染狀況普遍惡化，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來了不可低估的影響[1]。同時，當(dāng)前生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的理念也對土地質(zhì)量提出了更高的要求，土地質(zhì)量的內(nèi)涵也在不斷豐富[2]。為此山東省近十幾年陸續(xù)開展了多項針對土壤環(huán)境的地球化學(xué)調(diào)查和評價工作，從宏觀上展現(xiàn)了全省土地質(zhì)量的基本狀況，揭示了省域內(nèi)的土壤地球化學(xué)背景、基準(zhǔn)和異常[3-4]。近幾年又在此基礎(chǔ)上，通過開展重點地區(qū)大比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)評價工作，在掌握土地質(zhì)量狀況、保護(hù)土地資源、控制土地的過度開發(fā)、實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用等方面取得了諸多成效[5]。巨野縣即為開展該項工作的試點地區(qū)。

工作區(qū)巨野縣地處魯西南地區(qū)中部，隸屬菏澤市，轄區(qū)面積1308km2。該地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟(jì)以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主，糧食作物等主要土地產(chǎn)出附加值偏低。近年來隨著區(qū)內(nèi)煤礦開采程度逐漸深入以及大中型工業(yè)企業(yè)的建設(shè)投產(chǎn)，區(qū)內(nèi)污染風(fēng)險隨之增大[6-7]，農(nóng)耕區(qū)土壤環(huán)境受到的威脅日益突出[8]。通過對巨野縣土壤環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量及農(nóng)產(chǎn)品的土地環(huán)境的調(diào)查，劃分土地質(zhì)量地球化學(xué)等級，可為當(dāng)?shù)卣暧^決策、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)調(diào)整、環(huán)境保護(hù)、地方病防治等領(lǐng)域提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 方法

1.1 調(diào)查手段

根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，該調(diào)查主要針對地表至20cm深度表層土壤進(jìn)行，采樣密度為4個點/km2，按照規(guī)則坐標(biāo)網(wǎng)樣方均勻部署采樣點位，工作比例尺為1∶5萬。實際采樣點位以預(yù)布點為中心，在一定范圍內(nèi)根據(jù)實際情況合理選擇。平原大田區(qū)主要選擇在能代表該樣方內(nèi)主要土壤類型的地塊內(nèi)采集表層土壤樣品，同時避開鐵路或主干公路100m以上，避開局部低洼或高崗地、新近搬運堆積土、垃圾土、水土流失嚴(yán)重地段等。在城鎮(zhèn)區(qū)采樣時避開新近搬運的堆積土、垃圾土及明顯污染土體。采樣時去除雜草、礫石、磚塊、肥料團(tuán)塊等雜物后采集地表至20cm深度的土柱，為了增加樣品代表性，在樣點周邊100m范圍內(nèi)多點采集均量子樣品后組合為1件樣品，樣品干燥后用木槌適當(dāng)敲打至自然粒級后過20目尼龍篩，之后插入質(zhì)量監(jiān)控樣品一并送至實驗室進(jìn)行分析測試。

1.2 分析測試

累計分析測試土壤樣品共計6128件，分析元素或指標(biāo)包括As，B，Cd，Co，pH等28項；分析測試工作由武漢巖礦測試中心完成，分析方法的檢出限、準(zhǔn)確度和精密度要求均按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》(DD2005-01)執(zhí)行，報出率及由一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制的分析準(zhǔn)確度和精密度合格率均為100%，重復(fù)檢驗和異常點檢查合格率除Pb為95.18%，Zn為96.19%，Hg為95.23%外，其余元素合格率均大于98%。土壤樣品送樣分析前，在每批樣品(43件)中隨機抽取1件樣品作重復(fù)分析樣，分析完畢后計算2次采樣分析結(jié)果的相對雙差(RD)以檢驗分析質(zhì)量。全部122對重復(fù)分析樣分析結(jié)果相對雙差顯示，各指標(biāo)重復(fù)樣分析合格率(RD≤40%為合格)除Hg為90.57%外，其他指標(biāo)均在95%以上，Co，Cr，F(xiàn)，Mn，Mo等15項指標(biāo)合格率為100%。

1.3 統(tǒng)計和計算方法

土壤地球化學(xué)背景值代表了地表環(huán)境土壤中元素含量水平，是成土母質(zhì)在表生環(huán)境條件下，經(jīng)過人類活動與自然改造所形成的表層土壤元素地球化學(xué)平均含量，土壤背景值與基準(zhǔn)值既存在一定的聯(lián)系又有所區(qū)別。統(tǒng)計、研究土壤元素背景值，對于正確認(rèn)識區(qū)域地球化學(xué)特征和基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)認(rèn)識土壤潛在價值和缺陷具有指導(dǎo)意義[9-10]。土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計指標(biāo)包括代表元素或指標(biāo)含量水平的“最大值、最小值、算術(shù)平均值”、代表數(shù)據(jù)離散程度的“標(biāo)準(zhǔn)差，以及迭代剔除平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)離差后的“算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差”等，以算術(shù)平均值加減2倍算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差(X’±2s)代表背景值變化范圍。土地質(zhì)量地球化學(xué)評價的基本方法參照中國地質(zhì)調(diào)查局《土地質(zhì)量地球化學(xué)評估技術(shù)要求》執(zhí)行，流程包括評價指標(biāo)篩選、指標(biāo)權(quán)重賦值、隸屬函數(shù)計算、綜合參數(shù)計算、土地等級劃分等步驟，該方法經(jīng)多項研究應(yīng)用成效顯著[11-12]。

2 成果

2.1 土壤地球化學(xué)背景值

調(diào)查區(qū)土壤地球化學(xué)背景值見表1，原始數(shù)據(jù)變異系數(shù)介于0.026～3.195之間，剔除后數(shù)據(jù)變異系數(shù)降低至0.023～0.35之間，Hg，Cl，S，TOC，I，N，P指標(biāo)數(shù)據(jù)離散程度相對較高。與全省和全國背景值[13]對比來看，Ca，Cd，Hg，Mg，F(xiàn)等顯著高于全省和全國背景值；Se，Hg，Zn，As，B高于全省背景但低于全國背景；Na，Mn低于全省背景但高于全國背景。Mo，Pb，Cu，Co等指標(biāo)低于全省和全國背景值。

從各土壤類型元素統(tǒng)計特征來看，土壤質(zhì)地是決定區(qū)內(nèi)土壤N，K等元素含量的關(guān)鍵，土壤N含量受土壤水分情況和粘粒含量影響，低濕和粘重的土壤N含量一般高于排水良好、質(zhì)地較輕的土壤，區(qū)內(nèi)粘質(zhì)潮土N，K含量高于砂質(zhì)潮土，粘質(zhì)鹽化潮土也高于對應(yīng)的砂質(zhì)鹽化潮土(圖1)。土壤有機碳(TOC)空間分布與土壤N含量密切相關(guān)(圖2)，區(qū)內(nèi)二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.907。區(qū)內(nèi)由黃河沖積物發(fā)育的土壤P含量普遍較高，熟化程度較高的潮土、鹽化潮土由于耕作程度較高[14]，施肥水平高，有機物積累量大，土壤P含量也相對較高，并且有機質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的有機酸可以活化土壤中固定的P，因此有效態(tài)P也相對較高。此外土壤中的Ca含量主要取決于成土母質(zhì)、風(fēng)化作用、淋溶程度，其中成土母質(zhì)影響最為關(guān)鍵，區(qū)內(nèi)寒武紀(jì)灰?guī)r地區(qū)土壤Ca含量最高達(dá)14.61%，而Mg含量明顯偏低。受黃河沖積物母質(zhì)影響區(qū)內(nèi)土壤Mo含量僅為0.53×10-6，遠(yuǎn)低于山東省和全國平均水平。此外，城鎮(zhèn)及工業(yè)區(qū)范圍內(nèi)土壤中Hg和Pb的異常積累趨勢明顯，Hg和Pb含量均顯著高于其他地類土壤，其中土壤中Hg含量可達(dá)其他地類土壤的3倍以上(圖3)。

表1 巨野縣土壤地球化學(xué)背景值特征參數(shù)

單位：*為%；**為無量綱；其他為10-6。

A—潮土；A1—砂質(zhì)潮土；A2—壤質(zhì)潮土；A3—粘質(zhì)潮土；B—脫潮土；C—鹽化潮土；C1—壤質(zhì)氯化物鹽化潮土；C2—砂質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土；C3—壤質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土；D—大站組；E—單縣組；F—巨野組；G—魚臺組圖1 主要類型土壤N，P，K2O，TOC含量對比圖

圖2 土壤TOC與N，P散點圖

1—水澆地；2—村莊用地；3—有林地；4—城鎮(zhèn)及工業(yè)區(qū)；5—公路用地；6—近河流土地；7—近坑塘土地圖3 主要用地類型土壤Hg，Pb含量對比圖

2.2 元素(指標(biāo))分級

元素(指標(biāo))的分布規(guī)律和豐缺狀況是土地質(zhì)量地球化學(xué)評價的主要依據(jù)，土壤營養(yǎng)元素參考已有的全國或全省分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，Se的分級標(biāo)準(zhǔn)采用譚見安劃分的Se元素生態(tài)景觀界限值分級[15]。有害重金屬元素按國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)土壤N缺乏區(qū)占比達(dá)23.82%，一級和二級豐富區(qū)占比僅為3.91%。土壤P缺乏區(qū)占15.39%，土壤K較均衡，以適度和豐富為主，土壤TC比較豐富，以二級和三級為主，缺乏區(qū)占11.30%。土壤有機質(zhì)以三級和四級為主，豐富區(qū)占17.81%，缺乏區(qū)占6.47%。微量元素中Ca，Mg，S，Cl等元素較為豐富；而Mo，Si，Se，Co，Zn，Cu，F(xiàn)e，Mn等元素的缺乏狀況最突出。全區(qū)土地絕大多數(shù)土地的環(huán)境質(zhì)量達(dá)到Ⅰ類、Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，重金屬等有害元素含量水平較低，Cd的環(huán)境質(zhì)量狀況相對略差，僅Hg存在超三類土地。污染狀況由優(yōu)到劣依次為：Pb,Hg,Zn,Cr,Cu,Ni,As,Cd。具體見表2—表4。

2.3 土地質(zhì)量地球化學(xué)評價

土壤分析得到的指標(biāo)較多，以各指標(biāo)的統(tǒng)計特征、空間變異特征、相關(guān)關(guān)系及豐缺狀況等因素為評判依據(jù)，對指標(biāo)進(jìn)行合理篩選，可簡化評價指標(biāo)。對篩選得到的指標(biāo)和指標(biāo)層按照重要性不同兩兩比較后進(jìn)行權(quán)重賦值，再根據(jù)不同指標(biāo)的隸屬度函數(shù)模型和界限值進(jìn)行計算，最終得到綜合評價指數(shù)。土壤主要肥力質(zhì)量分等和土壤環(huán)境質(zhì)量分等面積統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表2 區(qū)內(nèi)土壤主要肥力指標(biāo)分級面積占比統(tǒng)計(%)

表3 區(qū)內(nèi)土壤微量元素(指標(biāo))分級面積占比統(tǒng)計(%)

表4 區(qū)內(nèi)土壤重金屬元素環(huán)境質(zhì)量分級面積占比統(tǒng)計(%)

表5 土地質(zhì)量地球化學(xué)評價分等面積統(tǒng)計

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)果即可得到土地質(zhì)量地球化學(xué)評價分等。從評價結(jié)果來看，全區(qū)大部分土地質(zhì)量以優(yōu)良為主，其他分等面積占比很小，優(yōu)質(zhì)區(qū)和差等區(qū)土地面積占比僅為0.07%和0.02%，優(yōu)良區(qū)、良好區(qū)和中等區(qū)面積分別為1188.7km2，82.4km2和30.0km2，占比分別為91.28%，6.33%和2.30%，各等級分布見圖4。區(qū)內(nèi)東北部和中西部地區(qū)土壤肥力較好，但同時有害元素含量偏高，西北部地區(qū)較差的肥力狀況導(dǎo)致該地區(qū)土地質(zhì)量等級偏低，該情況在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)引起注意。

圖4 土地質(zhì)量地球化學(xué)評價分等圖

3 結(jié)論

巨野縣土壤總體礦質(zhì)肥力較高，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為有利，但土壤有機質(zhì)含量普遍不足以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，同時局部土壤鹽含量偏高對糧食作物生長不利。土壤Cl，B，Mo，Na，Se，SiO2等指標(biāo)偏低，Mo，B，Se等元素的缺乏對某些特定作物的生長不利[16-17]，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植布局等措施和途徑規(guī)避這些不利因素。區(qū)內(nèi)土壤重金屬元素污染水平較低，大多數(shù)重金屬分布規(guī)律明顯受地質(zhì)背景控制，但Hg和Pb有所不同，其污染狀況與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況有一定聯(lián)系，土壤Hg在城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地、工業(yè)區(qū)等人類活動強烈的地帶呈點狀富集，可見生活或工業(yè)排放明顯導(dǎo)致環(huán)境中Hg和Pb總量增加，進(jìn)而加劇了土壤中Hg和Pb的積累。

土地質(zhì)量地球化學(xué)評價是我國近幾年來逐步開展的基礎(chǔ)地球化學(xué)調(diào)查工作，旨在通過將地球化學(xué)方法與傳統(tǒng)的土地分等定級方法結(jié)合起來對土壤環(huán)境質(zhì)量做出更為合理的評判[18]。目前來看，土地質(zhì)量地球化學(xué)評價的精確性和可靠性是前所未有的[19]。通過量化土地質(zhì)量準(zhǔn)確揭示其差異是地球化學(xué)評價工作的一個目的，土地質(zhì)量的地球化學(xué)評價極大地豐富了土地分等的內(nèi)涵。在永久基本農(nóng)田劃定和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田規(guī)劃過程中，可重點參考土地質(zhì)量地球化學(xué)評價工作對土壤肥力指標(biāo)和環(huán)境質(zhì)量的分等結(jié)果，同時可將區(qū)域地球化學(xué)評價成果作為農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃制定的主要依據(jù)之一[20-21]。