山東省17市土壤地球化學(xué)背景值

龐緒貴,代杰瑞, 陳磊，劉華峰，喻超，韓鎏，任天龍， 胡雪平，王紅晉,王增輝,趙西強(qiáng)，曾憲東，任文凱，王存龍

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013；2. 山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)與污染防治工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、公益性、戰(zhàn)略性的地質(zhì)調(diào)查與研究工作。近20年來(lái)，利用財(cái)政資金通過(guò)山東省黃河下游流域生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查等4個(gè)項(xiàng)目，全面完成了山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)，使山東省1∶25萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作全覆蓋，取得了一批重要的調(diào)查與評(píng)價(jià)成果[1-26]。這些成果已逐步應(yīng)用于基本農(nóng)田建設(shè)、土地資源保護(hù)、整治和開(kāi)發(fā)利用及土壤保護(hù)治理和礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域，保障了山東省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本次以其中的表層土壤Ag，As，Au，B等54項(xiàng)指標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)并研究了全省17市表層土壤地球化學(xué)參數(shù)及其特征，厘定了山東省17市土壤地球化學(xué)背景值，并與全國(guó)、全省背景值進(jìn)行對(duì)比，分析了其差異性。

1 概述

1．1 自然地理與經(jīng)濟(jì)

山東省位于中國(guó)東部沿海、黃河下游，濱臨渤

海、黃海；境域介于東經(jīng)114°47′30″～122°42′18″，北緯34°22′54″～38°24′00″之間,包括半島和內(nèi)陸兩部分，山東半島突出于渤海、黃海之中，同遼東半島遙相對(duì)峙；內(nèi)陸部分自北而南與河北、河南、安徽、江蘇4省接壤。地貌以山地、丘陵和平原為主，中部山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯(cuò)環(huán)列其間的地形大勢(shì)。泰山雄踞中部，為全省最高點(diǎn)，黃河三角洲為陸地最低處，一般海拔2～10m。水系比較發(fā)育，干流長(zhǎng)10km以上的河流有1500多條，河流分屬海河水系、黃河水系、淮河水系及直接注入渤海和黃海的其他河流。湖泊集中分布在魯中南山丘區(qū)與魯西南平原之間的魯西湖帶。氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候類(lèi)型，具有降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長(zhǎng)等特點(diǎn)，且春夏秋冬四季分明。年平均氣溫11℃～14℃，由南而北自西向東遞減。無(wú)霜期一般180～220d。光照資源充足，光照時(shí)數(shù)年均2290～2890h，熱量條件可滿(mǎn)足農(nóng)作物一年兩作的需求，平均降水量550～950mm，降水量由東南向西北遞減，降水量多集中于每年的6—9月份。

山東省是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的省份之一，2017年，全省實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值(GDP)72678.2億元，經(jīng)濟(jì)總量穩(wěn)居全國(guó)第3位，山東省是中國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)增加值長(zhǎng)期穩(wěn)居全國(guó)第一位。適宜的氣候?yàn)閰^(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)越自然條件，糧食作物種植分夏、秋兩季。夏糧主要是冬小麥，秋糧主要是玉米、地瓜、大豆、水稻、谷子、高粱和小雜糧。其中小麥、玉米、地瓜是山東的三大主要糧食作物。經(jīng)濟(jì)作物以棉花、煙葉、花生、蔬菜為主。山東為全國(guó)主要水果、蔬菜產(chǎn)地省份之一，煙臺(tái)蘋(píng)果、萊陽(yáng)梨、大澤山葡萄、沾化冬棗、肥城桃、樂(lè)陵金絲小棗、棗莊石榴、明水香米、章丘大蔥和壽光蔬菜等全國(guó)聞名。沿海及湖區(qū)水產(chǎn)較發(fā)達(dá)，遠(yuǎn)洋漁業(yè)生產(chǎn)亦具相當(dāng)規(guī)模。

1．2 地質(zhì)概況

山東省地處華北板塊東南緣和揚(yáng)子板塊東北端。地層大部屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)，發(fā)育比較齊全，地表出露以中、新生代地層為主，其次為古生代地層，元古宙地層分布局限，太古宙地層零星出露，地層分區(qū)性明顯；侵入巖類(lèi)發(fā)育，廣泛出露，占基巖面積的60%。自中太古代至新生代均有出露，以新太古代、新元古代和中生代侵入巖分布最廣，巖石類(lèi)型較為齊全，有超鎂鐵質(zhì)-鐵鎂質(zhì)巖、中性巖、酸性巖、偏堿性巖，另外還有碳酸巖和含金剛石的金伯利巖；大地構(gòu)造橫跨華北和揚(yáng)子兩大板塊，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，以沂沭斷裂帶、五蓮斷裂、牟平-即墨斷裂帶為界劃分為華北板塊和揚(yáng)子板塊二個(gè)構(gòu)造單元，斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域性分劃性斷裂有牟平-即墨斷裂、五蓮斷裂、沂沭斷裂帶、聊城-蘭考、齊河-廣饒等斷裂。礦產(chǎn)資源豐富，分布廣泛。能源、黑色金屬、有色金屬、貴金屬、稀有金屬、稀土金屬、非金屬、水氣礦產(chǎn)等礦種均有分布，區(qū)域分布特征明顯，全省已發(fā)現(xiàn)147種礦產(chǎn)資源，查明資源儲(chǔ)量的85種。

1．3 成土母質(zhì)與土壤類(lèi)型

成土母質(zhì)是指母巖經(jīng)風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)及堆積等過(guò)程后于地表形成的松散風(fēng)化殼的表層。因此，成土母質(zhì)對(duì)母巖有很好的繼承性。成土母質(zhì)又是形成土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)于土壤的形成和發(fā)育具有重要的意義，在一定的生物、氣候條件下，成土母質(zhì)的差異性往往成為土壤分異的主要因素。按巖石的地質(zhì)成因及沉積形成，山東省成土母質(zhì)可分為殘坡積物母質(zhì)、洪沖積物母質(zhì)、沖積物母質(zhì)、湖積物母質(zhì)、海相沉積物母質(zhì)、風(fēng)積物母質(zhì)、黃河沖積物母質(zhì)、黃土母質(zhì)等8種類(lèi)型。殘坡積物母質(zhì)是山東省主要的成土母質(zhì)，根據(jù)母質(zhì)的物源不同可分為酸性巖類(lèi)、基性巖類(lèi)、砂頁(yè)巖類(lèi)、石灰?guī)r類(lèi)等。

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》，山東省土壤類(lèi)型分為棕壤、褐土、紅粘土、風(fēng)沙土、火山灰土、石質(zhì)土、粗骨土、砂姜黑土、山地草甸土、潮土、鹽土、濱海鹽土、堿土、水稻土、新積土等15個(gè)土類(lèi)。按各自的發(fā)育程度、附加成土過(guò)程和土壤屬性進(jìn)一步分為分39個(gè)亞類(lèi)[27]。山東省土壤水平分布特征明顯，在西北部黃河沖積平原至東南沿海，氣候由半濕潤(rùn)到濕潤(rùn)過(guò)渡，棕壤和褐土的水平分布呈現(xiàn)與生物氣候帶相一致，魯東丘陵區(qū)和魯中南山地丘陵區(qū)東南沿海，為棕壤的集中分布區(qū)；魯中南山地丘陵區(qū)中南部，棕壤和褐土呈明顯復(fù)區(qū)分布；魯西北黃河沖積平原區(qū)是華北平原的一部分，為黃河沖積物發(fā)育的潮土所覆蓋，局部與鹽土成復(fù)區(qū)；在魯西北平原與魯中南山地丘陵區(qū)相毗鄰的南四湖濱湖洼地、北部交接洼地，以及魯中南地區(qū)東部沂沭河谷、膠萊河谷平原分布著大面積的沙姜黑土；魯東丘陵區(qū)分布大面積的酸性粗骨土和酸性石質(zhì)土，魯中南山地丘陵區(qū)北部以石灰性河潮土為主，南部為非石灰性河潮土。

2 工作方法

2．1 樣品采集與組合

土壤地球化學(xué)背景值樣品采集按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶25萬(wàn))》執(zhí)行，樣品采集0～20cm的表層土壤，樣點(diǎn)布設(shè)采用方格網(wǎng)格法，布置在農(nóng)用大田、菜地、果園、林地等，避開(kāi)存在人為污染和搬運(yùn)的堆積土，使組合的分析樣能反映采樣單元主要土壤地球化學(xué)特征的前提下，采樣點(diǎn)盡可能布設(shè)在了采樣單元格中央。實(shí)地采集時(shí)主要選擇單元樣格內(nèi)的主要土壤類(lèi)型，表層土壤采取4個(gè)單點(diǎn)樣品組合為1件組合樣品，盡可能保持每一組合樣內(nèi)的4個(gè)單點(diǎn)樣土壤類(lèi)型一致，為增加土壤樣品的代表性，采用一點(diǎn)多坑法采樣，單點(diǎn)土壤樣品的原始重量均大于1000g。土壤地球化學(xué)背景值樣品采樣密度為1點(diǎn)/km2，采集的表層土壤樣品過(guò)20目篩，并按4個(gè)相鄰網(wǎng)格樣品組合成一件樣品進(jìn)行分析，土壤地球化學(xué)背景值樣品組合樣密度為1件/4km2，組合樣送樣重量為200g。山東省共分析土壤地球化學(xué)背景值樣品39794件[28-34]。

2．2 測(cè)試元素(指標(biāo))與方法及測(cè)試質(zhì)量

表層土壤樣品批次多，分析指標(biāo)多，樣品數(shù)量大，樣品分析測(cè)試方法技術(shù)嚴(yán)格按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶25萬(wàn))》的規(guī)定執(zhí)行，土壤地球化學(xué)背景值樣品分析測(cè)試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項(xiàng)元素(指標(biāo))[35]。

土壤地球化學(xué)背景值樣品測(cè)試在武漢綜合巖礦測(cè)試中心進(jìn)行，分析儀器以先進(jìn)的現(xiàn)代化大型ICP-MS，ICP-OES，XRF為主體，加上其他先進(jìn)的靈敏度高的專(zhuān)項(xiàng)分析儀器。采用的測(cè)試方法為等離子體發(fā)射光譜法、X射線(xiàn)熒光光譜法、原子熒光光譜法、發(fā)射光譜法、石墨爐原子吸收法、泡塑吸附分離法、離子選擇性電極法、催化極譜法、激光熒光測(cè)鈾儀法、碘量法、化學(xué)發(fā)射光譜法、非水滴定法、重鉻酸鉀-硫酸消化蒸餾容量法、氧化還原法、催化比色法、離子電極法等16種配套分析方法。樣品測(cè)試質(zhì)量采用了重復(fù)樣、標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、異常點(diǎn)的重復(fù)檢驗(yàn)樣、外部監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組的驗(yàn)收，表層土壤地球化學(xué)樣品分析質(zhì)量為優(yōu)秀級(jí)。

2．3 土壤地球化學(xué)背景值參數(shù)的計(jì)算

土壤地球化學(xué)背景值的求取，首先對(duì)取得的表層土壤分析數(shù)據(jù)按年度、批次進(jìn)行整理，分離出物理點(diǎn)數(shù)據(jù)、重復(fù)樣數(shù)據(jù)和質(zhì)量監(jiān)控樣數(shù)據(jù)，再對(duì)每個(gè)物理點(diǎn)賦以高斯-克呂格坐標(biāo)。在分年度、分批次整理的基礎(chǔ)上，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，形成全區(qū)表層土壤全量54項(xiàng)元素(指標(biāo))地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)，依據(jù)《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋正態(tài)性檢驗(yàn)》(GB/T4882-2001)，在置信度α=0.05水平下，采用峰度、偏度法對(duì)數(shù)據(jù)頻率分布形態(tài)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時(shí)，用算術(shù)平均值(X)代表背景值；服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，用幾何平均值(Xg)代表背景值。不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，按照算術(shù)平均值加減3倍算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(X±3S)或幾何平均值乘除幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差(Xg·S±3)的立方進(jìn)行剔除，經(jīng)反復(fù)剔除后服從算術(shù)正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布時(shí)，用剔除后的數(shù)據(jù)算術(shù)平均值或幾何平均值代表土壤背景值，經(jīng)反復(fù)剔除后仍不滿(mǎn)足正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，當(dāng)呈偏態(tài)分布時(shí)，以剔除后數(shù)據(jù)眾值(Xmd)或算數(shù)平均值(X)代表背景值；當(dāng)呈雙峰或多峰分布時(shí)，以剔除后數(shù)據(jù)中位數(shù)值(Xme)或平均值(X)代表背景值。

pH值參數(shù)統(tǒng)計(jì)與上述方法不同，應(yīng)按下列步驟進(jìn)行，先將土壤pH值換算成[H+]平均濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后再換算成pH值，其公式為：[H+]=10-pH，[H+]平均濃度=∑10-pHn/n,pH=-lg[H+]平均濃度。

3 主要成果

3．1 背景值的概念與意義

土壤地球化學(xué)背景值[36-45]是指自然應(yīng)力和人類(lèi)活動(dòng)共同作用影響下(土壤的第Ⅱ環(huán)境)區(qū)域表層土壤的含量值，實(shí)際上是成土母質(zhì)組成、成土過(guò)程中元素遷移重分配、人為擾動(dòng)污染等各種因素長(zhǎng)期綜合作用的結(jié)果，以表層土壤地球化學(xué)調(diào)查元素含量表征。它與土壤基準(zhǔn)值有著密切繼承關(guān)系，總體受土壤基準(zhǔn)值的控制，但由于經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化、淋溶作用和人類(lèi)生產(chǎn)生活等活動(dòng)的影響和改造，表層土壤地球化學(xué)元素含量特征已發(fā)生一定的演變，導(dǎo)致元素地球化學(xué)基準(zhǔn)值和背景值兩者之間存在一定的差異。土壤元素地球化學(xué)背景值是土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、土壤肥力和營(yíng)養(yǎng)水平分級(jí)、土地管護(hù)和合理利用、土壤改良和平衡施肥、農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃、土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策的基礎(chǔ)依據(jù)。

3．2 表層土壤地球化學(xué)元素分布特征

全省17市土壤地球化學(xué)背景值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1～表6。

(1)全省17市表層土壤中絕大部分元素的含量分布相對(duì)深層土壤變化有所加大，但總體亦比較均勻，多數(shù)元素在17市中變異系數(shù)小于0.40,反映了全省17市表層土壤在長(zhǎng)期歷史中均勻演化并受土壤基準(zhǔn)值控制作用的特征。

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；括號(hào)中的數(shù)值為原始樣本數(shù)。

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；括號(hào)中的數(shù)值為原始樣本數(shù)。

表3 濰坊、濟(jì)寧和泰安土壤地球化學(xué)背景值

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；括號(hào)中的數(shù)值為原始樣本數(shù)。

表4 威海、日照和萊蕪?fù)寥赖厍蚧瘜W(xué)背景值

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；括號(hào)中的數(shù)值為原始樣本數(shù)。

表5 臨沂、德州和聊城土壤地球化學(xué)背景值

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；括號(hào)中的數(shù)值為原始樣本數(shù)。

表6 濱州和菏澤土壤地球化學(xué)背景值

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；括號(hào)中的數(shù)值為原始樣本數(shù)。

(2)全省17市元素背景值變幅較大的元素主要為Au，As，B，Br，C，Cl，Cu，Hg，N，Ni，S，Co，Sr，CaO，MgO，Na2O，Corg，其變異系數(shù)大于或等于0.40，東營(yíng)市Cl元素變異系數(shù)為1.11，Br元素的變異系數(shù)為0.80，濟(jì)寧市C元素的變異系數(shù)為0.57；一般來(lái)說(shuō)，元素背景含量的變化主要受成土母質(zhì)及后期人為等多因素的影響。東營(yíng)市Cl，Br元素含量變化大，這與東營(yíng)市所處的地理位置密切相關(guān)，具有明顯的地域特征。

(3)重金屬元素在不同的地區(qū)變化較大，總體表現(xiàn)為淄博、濟(jì)南、棗莊、濟(jì)寧等城市背景值偏高，而其他市背景值相對(duì)偏低，特別是威海、煙臺(tái)、青島、日照等沿海城市。Hg元素除在淄博較高外，一般變化不大；As元素的地區(qū)性差異較為明顯，濟(jì)南、淄博、東營(yíng)、濟(jì)寧、濱州、德州、菏澤As的背景值較高，相當(dāng)于威海、日照、臨沂的1.6～2.5倍；各市Pb元素的背景值變化不大，僅淄博和煙臺(tái)略高；Cu，Cr，Ni在各市土壤中的背景值特點(diǎn)是，青島和威海最低，Cu，Cr淄博最高，Ni淄博略高，其他市背景無(wú)顯著變化；Cd的背景值在淄博、濟(jì)寧、菏澤和濟(jì)南相對(duì)較高，威海、青島最低，其他市變化不大；Zn的背景值在青島最低，淄博最高，濟(jì)寧、萊蕪和濱州相對(duì)較高。

(4)農(nóng)業(yè)營(yíng)養(yǎng)和有益元素中，Al2O3除在萊蕪、SiO2除在青島、Mo除在淄博較高外，其余各市的背景值變化不大；平原區(qū)各市土壤中P，B，CaO，MgO的背景值較高，而膠東半島各市背景值較低，其中威海B背景值(16.7×10-6)僅是其他市的31%～44%；K2O，Na2O在膠東半島各市背景值較高，N，Se，OrgC在棗莊和淄博的背景值較高，東營(yíng)背景值最低。

(5)鹵族元素Cl，Br在東營(yíng)背景值最高，Cl背景值是其他市的20.75～66.29倍，Br背景值是其他市的2.52～7.27倍，F(xiàn)除在淄博、萊蕪、濟(jì)寧和濱州較高外，其他各市背景值變化不大；I背景值大致呈現(xiàn)出山東半島沿海各地區(qū)>魯西北平原>魯中南>魯北沿海地區(qū)的特點(diǎn)。土壤pH在威海、日照、臨沂、煙臺(tái)等4市土壤中整體顯弱酸性，其中威海土壤pH最低為6.03，在青島、萊蕪、棗莊、泰安、濰坊整體顯中性，在其余市顯弱堿性，濱州土壤pH最高為8.28。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)山東省表層土壤地球化學(xué)元素含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定了山東省54項(xiàng)指標(biāo)土壤地球化學(xué)背景值，這些成果為地方政府改善生態(tài)環(huán)境，進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃、環(huán)境保護(hù)、國(guó)土資源管理、地方病防治等領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)地球化學(xué)資料和科學(xué)依據(jù)。