巨野縣土壤地球化學背景值及土地質量地球化學評價

王增輝，任文凱，劉華峰,代杰瑞,趙西強

(山東省地質調查院,山東 濟南 250014)

0 引言

土地是最基本的生產資料，也是人們生產和生活的最基本場所，土地質量的好壞直接影響到農、林、牧業(yè)的產業(yè)效益和居民的生活質量。隨著我國工業(yè)化、城市化進程的發(fā)展，工業(yè)排放量不斷增加，農藥、化肥、除草劑、殺蟲劑、生長調節(jié)劑、農膜等農用化學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，給農業(yè)生產和居民生活帶來了不可低估的影響[1]。同時，當前生態(tài)農業(yè)、綠色農業(yè)和社會經濟可持續(xù)發(fā)展的理念也對土地質量提出了更高的要求，土地質量的內涵也在不斷豐富[2]。為此山東省近十幾年陸續(xù)開展了多項針對土壤環(huán)境的地球化學調查和評價工作，從宏觀上展現了全省土地質量的基本狀況，揭示了省域內的土壤地球化學背景、基準和異常[3-4]。近幾年又在此基礎上，通過開展重點地區(qū)大比例尺土地質量地球化學評價工作，在掌握土地質量狀況、保護土地資源、控制土地的過度開發(fā)、實現土地的可持續(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，經濟以傳統(tǒng)農業(yè)產業(yè)為主，糧食作物等主要土地產出附加值偏低。近年來隨著區(qū)內煤礦開采程度逐漸深入以及大中型工業(yè)企業(yè)的建設投產，區(qū)內污染風險隨之增大[6-7]，農耕區(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)境質量、農業(yè)生產環(huán)境質量及農產品的土地環(huán)境的調查，劃分土地質量地球化學等級，可為當地政府宏觀決策、社會經濟發(fā)展、土地利用規(guī)劃、農業(yè)經濟調整、環(huán)境保護、地方病防治等領域提供重要基礎數據。

1 方法

1.1 調查手段

根據相關技術要求，該調查主要針對地表至20cm深度表層土壤進行，采樣密度為4個點/km2，按照規(guī)則坐標網樣方均勻部署采樣點位，工作比例尺為1∶5萬。實際采樣點位以預布點為中心，在一定范圍內根據實際情況合理選擇。平原大田區(qū)主要選擇在能代表該樣方內主要土壤類型的地塊內采集表層土壤樣品，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敲打至自然粒級后過20目尼龍篩，之后插入質量監(jiān)控樣品一并送至實驗室進行分析測試。

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、準確度和精密度要求均按照《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范》(DD2005-01)執(zhí)行，報出率及由一級標準物質控制的分析準確度和精密度合格率均為100%，重復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件樣品作重復分析樣，分析完畢后計算2次采樣分析結果的相對雙差(RD)以檢驗分析質量。全部122對重復分析樣分析結果相對雙差顯示，各指標重復樣分析合格率(RD≤40%為合格)除Hg為90.57%外，其他指標均在95%以上，Co，Cr，F，Mn，Mo等15項指標合格率為100%。

1.3 統(tǒng)計和計算方法

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

2 成果

2.1 土壤地球化學背景值

調查區(qū)土壤地球化學背景值見表1，原始數據變異系數介于0.026～3.195之間，剔除后數據變異系數降低至0.023～0.35之間，Hg，Cl，S，TOC，I，N，P指標數據離散程度相對較高。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，土壤質地是決定區(qū)內土壤N，K等元素含量的關鍵，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、質地較輕的土壤，區(qū)內粘質潮土N，K含量高于砂質潮土，粘質鹽化潮土也高于對應的砂質鹽化潮土(圖1)。土壤有機碳(TOC)空間分布與土壤N含量密切相關(圖2)，區(qū)內二者相關系數達0.907。區(qū)內由黃河沖積物發(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，并且有機質分解過程中產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、風化作用、淋溶程度，其中成土母質影響最為關鍵，區(qū)內寒武紀灰?guī)r地區(qū)土壤Ca含量最高達14.61%，而Mg含量明顯偏低。受黃河沖積物母質影響區(qū)內土壤Mo含量僅為0.53×10-6，遠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含量可達其他地類土壤的3倍以上(圖3)。

表1 巨野縣土壤地球化學背景值特征參數

單位：*為%；**為無量綱；其他為10-6。

A—潮土；A1—砂質潮土；A2—壤質潮土；A3—粘質潮土；B—脫潮土；C—鹽化潮土；C1—壤質氯化物鹽化潮土；C2—砂質硫酸鹽鹽化潮土；C3—壤質硫酸鹽鹽化潮土；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)分級

元素(指標)的分布規(guī)律和豐缺狀況是土地質量地球化學評價的主要依據，土壤營養(yǎng)元素參考已有的全國或全省分級標準進行分級，Se的分級標準采用譚見安劃分的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)境質量標準進行分級。統(tǒng)計發(fā)現，區(qū)內土壤N缺乏區(qū)占比達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，Fe，Mn等元素的缺乏狀況最突出。全區(qū)土地絕大多數土地的環(huán)境質量達到Ⅰ類、Ⅱ類標準，重金屬等有害元素含量水平較低，Cd的環(huán)境質量狀況相對略差，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 土地質量地球化學評價

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

表2 區(qū)內土壤主要肥力指標分級面積占比統(tǒng)計(%)

表3 區(qū)內土壤微量元素(指標)分級面積占比統(tǒng)計(%)

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

表5 土地質量地球化學評價分等面積統(tǒng)計

依據土壤肥力質量等級和土壤環(huán)境質量等級劃分結果即可得到土地質量地球化學評價分等。從評價結果來看，全區(qū)大部分土地質量以優(yōu)良為主，其他分等面積占比很小，優(yōu)質區(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)較差的肥力狀況導致該地區(qū)土地質量等級偏低，該情況在農業(yè)生產過程中應引起注意。

圖4 土地質量地球化學評價分等圖

3 結論

巨野縣土壤總體礦質肥力較高，對農業(yè)生產較為有利，但土壤有機質含量普遍不足以滿足農業(yè)生產需要，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]，因此在農業(yè)生產中應通過優(yōu)化農業(yè)種植布局等措施和途徑規(guī)避這些不利因素。區(qū)內土壤重金屬元素污染水平較低，大多數重金屬分布規(guī)律明顯受地質背景控制，但Hg和Pb有所不同，其污染狀況與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)經濟發(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)排放明顯導致環(huán)境中Hg和Pb總量增加，進而加劇了土壤中Hg和Pb的積累。

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