貴州省鎮(zhèn)寧縣耕地土壤地球化學(xué)背景值研究

鐘方德，肖 鴻，肖 曉，郄汝兵，何錫花

(貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 貴陽 55008)

土壤是地表連接大氣、水、生物和巖石等圈層的重要界面，也是人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境(何邵麟 等，2015)。耕地土壤是人類通過耕作、施肥、灌排、土壤改良等生產(chǎn)活動(dòng)影響、改造和自然因素綜合作用形成的適應(yīng)于農(nóng)作物生長發(fā)育的土壤。地球化學(xué)背景值是反映耕地表層土壤地球化學(xué)背景特征的基本指標(biāo)，也是耕地土壤養(yǎng)分、環(huán)境、質(zhì)量等評價(jià)和土地開發(fā)利用、特色農(nóng)場產(chǎn)品開發(fā)的重要依據(jù)，具有生態(tài)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、地方病等多學(xué)科研究價(jià)值。是當(dāng)前發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)產(chǎn)品等普遍關(guān)注的熱點(diǎn)(何邵麟 等，2004，2015；張秀芝 等，2006；成杭新 等，2014)。通過對耕地土壤背景值研究，了解其成土母質(zhì)(母巖)、表生環(huán)境(土壤酸堿度、土壤類型、地形地貌等)、人類活動(dòng)等對土壤元素分布的影響，了解其元素地球化學(xué)分分布特征，摸清耕地質(zhì)量現(xiàn)狀，為基本農(nóng)田建設(shè)、耕地資源保護(hù)(整治)、土地資源合理利用等提供依據(jù)(鮑麗然 等，2015；龐緒貴 等，2019)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江水系與長江水系分水嶺處，平均水資源總量為10.62億立方米，水資源可利用率為31.9%，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，跨南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶及南溫帶等多個(gè)氣候帶。氣候獨(dú)特，具有地域性溫差較大，雨熱同季，濕暖共節(jié)等特點(diǎn)。年平均氣溫15.0℃，年平均降水量1 330 mm。區(qū)內(nèi)耕地多分布在山坡、溝谷及地勢低洼地帶，主要成因類型為殘坡積物和沖洪積物，土壤類型以黃壤為主要，石灰土次之，再次為紅壤，黃棕壤、棕壤、石質(zhì)土、水稻土等土壤類型零星分布(圖1)。

圖1 鎮(zhèn)寧縣土壤類型分布圖(據(jù)貴州省土壤圖，1992，清繪)Fig.1 Soil Types in Zhenning county1—紅壤；2—黃壤；3—黃棕壤；4—棕壤；5—石灰土；6—石質(zhì)土；7—水稻土

大地構(gòu)造位于都勻南北向隔槽式褶皺變形區(qū)(Ⅳ-4-2-3(1))和望謨北西向構(gòu)造帶(Ⅳ-4-2-2(2))之間。出露的地層有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、上白堊統(tǒng)及第四系。泥盆系以海相碳酸鹽巖及碎屑巖為主，石炭系以海相碳酸鹽巖及碎屑巖為主，二疊系以海相碳酸鹽巖及海相-陸相碎屑巖為主， 早、中三疊世以海相碳酸鹽巖為主，晚三疊世以陸相碎屑巖為主，上白堊統(tǒng)為山間盆地沉積，第四系為內(nèi)陸山地多成因松散堆積。區(qū)內(nèi)煤、鉛鋅、重晶石、建筑用砂石、制磚用頁巖等礦產(chǎn)資源豐富。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

研究區(qū)擁有耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域、水利設(shè)施用地及其他用地等地類，依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)、《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》(DZ/T 0258-2014)、《地球化學(xué)普查規(guī)范(1∶50000)》(DZ/T 0011-2015)》針對區(qū)內(nèi)的80.84萬畝耕地(旱地、水田、水澆地、果園、茶園、其他園地)(表1)進(jìn)行地球化學(xué)調(diào)查。

表1 鎮(zhèn)寧縣耕地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表 (單位：萬畝)Table 1 Statistics of cultivated land utilization in Zhenning county unit：10 000 mu

續(xù)表

樣品充分干燥后，將風(fēng)干后的樣品平鋪在制樣板上，用木棍或塑料棍碾壓，并將植物殘?bào)w、石塊等侵入體和新生體剔除干凈，細(xì)小已斷的植物須根，采用靜電吸附的方法清除。將壓碎的土樣全部通過2 mm孔徑篩，未過篩的土粒重新碾壓過篩，直至全部樣品通過2 mm孔徑篩為止。過篩后的樣品稱重后混勻，采用四分法按分析樣和副樣分別裝于紙袋和塑料瓶中，并加入內(nèi)、外標(biāo)簽，分析樣重量>200克，副樣約500克。

2.2 樣品制備與分析

表2 土壤樣品分析配套方案Table 2 Supporting scheme for soil sample analysis

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Microsoft Office Excel、Mapgis、SPSS等相結(jié)合，統(tǒng)計(jì)、分析耕地土壤中的23項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)。圖件的數(shù)據(jù)處理和表達(dá)是由中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)管理與維護(hù)(應(yīng)用)子系統(tǒng)》及Arcgis 10.2軟件聯(lián)合處理完成。

3 耕地土壤地球化學(xué)背景值及特征

3.1 耕地土壤地球化學(xué)環(huán)境

3.2 耕地土壤地球化學(xué)背景值的計(jì)算方法

圖2 耕地表層土壤樣本中元素頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of elements in surface soil samples of cultivated land

3.3 耕地土壤地球化學(xué)背景值

通過對研究區(qū)4620件耕地表層土壤樣品的有機(jī)質(zhì)(SOM)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、硼(B)、錳(Mn)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉬(Mo)、硒(Se)、鍺(Ge)、碘(I)、氟(F)、砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釩(V)、鉈(Tl)等指標(biāo)的分析研究，用于表達(dá)耕地土壤地球化學(xué)特征。Cd、Hg、Mo元素變異系數(shù)大，表明存在大量高含量帶分布，元素分布在空間上變化明顯，Ge元素變異系數(shù)小，表明其在空間上含量變化較小。部分?jǐn)?shù)據(jù)變化大，與變異系數(shù)變化吻合，表明存在異常區(qū)，受人類活動(dòng)(生活習(xí)慣、耕作輪次、施肥強(qiáng)度、采礦活動(dòng)等)影響嚴(yán)重。耕地表層土壤中的養(yǎng)分元素、微量元素、微量營養(yǎng)元素、環(huán)境元素的含量差異共同綜合構(gòu)成鎮(zhèn)寧縣耕地土壤地球化學(xué)背景(表3、表4、表5、表6)

表3 鎮(zhèn)寧縣耕地土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of soil geochemical background values of cultivated land in Zhenning county

表4 鎮(zhèn)寧縣不同成土母質(zhì)、耕地利用類型耕地土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of soil geochemical background values of cultivated land with different parent materials and cultivated land use types in Zhenning county

續(xù)表

表5 鎮(zhèn)寧縣不同土壤類型耕地土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of soil geochemical background values of different soil types in Zhenning county

3.4 耕地土壤地球化學(xué)背景值特征

(1)N、P、K、SOM地球化學(xué)特征(圖3)

圖3 養(yǎng)分元素在不同類型耕地土壤中地球化學(xué)背景值含量圖Fig.3 Eochemical background values of nutrient elements in different types of cultivated soil

N、SOM、P在碎屑巖類成土母質(zhì)耕地土壤中含量較低，在石灰?guī)r、白云巖類成土母質(zhì)中農(nóng)含量相似。K在不同成土母質(zhì)地類耕地中含量相當(dāng)。

N、SOM在旱地和園地類耕地土壤中含量相當(dāng)，在水田地類耕地土壤中含量最好。P、K在不同耕地利用類型耕地土壤中含量相當(dāng)。

N、P、SOM在紅壤類型耕地土壤中含量最低，在其他土壤類型耕地土壤中含量相近呈波動(dòng)變化。K在不同土壤類型耕地土壤中含量相當(dāng)，呈波動(dòng)變化。

N、P、SOM在丁旗、大山、城關(guān)、扁擔(dān)山、黃果樹、馬廠、募役、朵卜隴、江龍、革利、本寨、沙子等鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量相對豐富，呈波動(dòng)變化；在打幫、六馬、良田、簡嘎等鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量相對中等，呈波動(dòng)變化，變化幅度小。K在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量較豐富，呈波動(dòng)變化。

耕地土壤養(yǎng)分含量隨著土壤厚度、耕作輪次、施肥強(qiáng)度等增加其含量增加(莫光員 等，2020)。

(2)B、Co、Mn、Mo、V地球化學(xué)特征(圖4)

圖4 微量元素在不同類型耕地土壤中地球化學(xué)背景值含量圖Fig.4 Geochemical background values of trace elements in different types of cultivated soil

B在白云巖類成土母質(zhì)耕地土壤中含量較高。Co、Mn、Mo、V等在碎屑巖類成土母質(zhì)耕地土壤中各含量較低，在碳酸鹽巖類成土母質(zhì)耕地土壤中含量相當(dāng)。

B在水田地類耕地土壤中含量較高。Co、Mn、Mo、V等在旱地、園地類耕地土壤中各含量相當(dāng)。

B在不同土壤類型耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化。Co、Mn、Mo、V等在紅壤類耕地土壤中含量較低，在其他土壤類型耕地土壤中各含量相近，呈波動(dòng)變化。

B在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化。Co、Mn、Mo、V等在丁旗、大山、城關(guān)、扁擔(dān)山、黃果樹、馬廠、募役、朵卜隴、江龍、革利、本寨、沙子等鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中各含量相對較高，呈波動(dòng)變化；在打幫、六馬、良田、簡嘎等耕地土壤中各含量相對較低，呈波動(dòng)變化。

(3)Se、I、F、Ge地球化學(xué)特征(圖5)

圖5 微量營養(yǎng)元素在不同類型耕地土壤中地球化學(xué)背景值含量圖Fig.5 Geochemical background values of micronutrients in different types of cultivated soil

F在碳酸鹽巖類成土母質(zhì)耕地土壤中含量相對過剩，在碎屑巖類耕地土壤中含量相對較高；Se、I、Ge在不同成土母質(zhì)耕地土壤中各含量相近。

F在不同耕地利用類型耕地土壤中含量相對過剩，但在水田類耕地土壤中相對較高；I在水田類耕地土壤中含量相對較適量，在旱地和園地類土壤中相對較高；Se、Ge在不同耕地利用類型土壤中各含量相近。

F在水稻土中含量相對較高，在其他土壤類型耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化；I在石質(zhì)土中含量相對較高，在其他土壤類型耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化；Se、Ge在不同耕地利用類型土壤中各含量相近。

F在大山鄉(xiāng)耕地土壤中含量較高，在其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化；I在革利鄉(xiāng)耕地土壤中含量相對較高，在其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化；Se在沙子鄉(xiāng)耕地土壤中含量相對較高，在其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化，變化較??；Ge在丁旗鎮(zhèn)、革利鄉(xiāng)耕地土壤中含量相對較高，在其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量呈波動(dòng)變化，變化較小。

F含量受成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用等影響，F(xiàn)含量在碳酸鹽巖類、水田類耕地土壤中含量相對較高。

(4)As、Cd、Hg、Tl、Cu、Ni、Pb、Cr、Zn地球化學(xué)特征(圖6)

圖6 環(huán)境元素在不同類型耕地土壤中地球化學(xué)背景值含量圖Fig.6 Geochemical background values of environmental elements in different types of cultivated soil

Tl、Hg、Pb等在白云巖類成土母質(zhì)耕地土壤中各自含量相對較高；As、Cd、Cu、Ni、Cr、Zn等在碎屑巖類成土母質(zhì)耕地土壤中含量相對較低。

Cd、Pb等在水田類耕地土壤中含量相對較高；As、Hg、Tl、Cu、Ni、Cr、Zn等在不同耕地利用類型中各自含量相近。

Tl、Pb含量在不同土壤類型耕地土壤中含量走勢一致；Cd、Cu、Ni含量在不同土壤類型耕地土壤中含量走勢一致，在紅壤類耕地土壤中含量相對較低；As含量在石灰土類耕地土壤中含量相對較高；Cr、Hg 、Zn含量在不同土壤類型耕地土壤中含量走勢一致，呈波動(dòng)變化。

As在馬廠鄉(xiāng)耕地土壤中含量相對較高；Cd、Cu、Ni含量在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量走勢一致；Tl、Pb含量在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤中含量走勢大體一致，Tl在大山鄉(xiāng)耕地土壤中含量相對較高，Tl、Pb在募役鄉(xiāng)耕地土壤中含量相對較低；Cr、Hg 、Zn含量在不同土壤類型耕地土壤中含量走勢一致，呈波動(dòng)變化。

受成土母質(zhì)、土地利用、耕作方式等影響，碳酸鹽巖母質(zhì)類型耕地土壤環(huán)境元素含量高于碎屑巖母質(zhì)類耕地土壤。

(5)與毗鄰區(qū)土壤背景值比較(表7、圖7)

圖7 鎮(zhèn)寧縣耕地表層土壤地球化學(xué)背景值與貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值對比圖Fig.7 Comparison of the geochemical background values of the surface soil of cultivated land in Zhenning county with the surface soil of Guiyang city and the urban soil of Guiyang

表7 鎮(zhèn)寧縣耕地表層土壤地球化學(xué)背景值與貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值對比統(tǒng)計(jì)Table 7 Comparison and statistics of surface soil geochemical background values of cultivated land in Zhenning county with surface soil and urban soil background values of Guiyang city

續(xù)表

養(yǎng)分元素N、P背景值均大于貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值，與人為使用N、P肥料有關(guān)；微量元素Mn、V背景值均高于貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值，B、Mo、Co背景值變化不大；微量營養(yǎng)元素I、F、Ge背景值均小于貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值，Se背景值介于兩者之間；環(huán)境元素As、Hg、Pb、Tl背景值均小于貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值，Cd、Cu、Ni、Zn背景值介于兩者之間，Cr背景值大于貴陽市表層土壤、貴陽市城市土壤背景值。

鎮(zhèn)寧縣耕地土壤地球化學(xué)背景值與中國土壤背景值相比較，其環(huán)境元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg 、Ni、Pb、Tl、Zn)背景值均高于中國土壤；與美國大陸土壤背景值相比較，其環(huán)境元素(As、Cr、Cu、Hg 、Ni、Pb、Zn)背景值均高于美國大陸土壤；與日本土壤背景相比較，其環(huán)境元素(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)背景值均高于日本土壤；與英國土壤背景值相比較，其環(huán)境元素(As、Cr、Cu、Hg 、Ni、Zn)背景值均高于英國土壤，Cd、Pb背景值均低于英國土壤(魏復(fù)盛 等，1991)。

4 結(jié)論與建議

通過對鎮(zhèn)寧縣耕地表層土壤23項(xiàng)元素(指標(biāo))測試數(shù)據(jù)分析研究，首次獲得研究區(qū)耕地土壤地球化學(xué)背景值，為土壤質(zhì)量評價(jià)、耕地資源保護(hù)(治理)、土壤改良和平衡施肥、農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃、定量研究區(qū)內(nèi)山地特色農(nóng)業(yè)提供依據(jù)。

背景值與成土母質(zhì)(母巖)、表生環(huán)境(土壤酸堿度、土壤類型、地形地貌等)、人類活動(dòng)(耕作輪次，施肥強(qiáng)度等)密切相關(guān)，能反映耕地土壤現(xiàn)實(shí)環(huán)境，元素變異系數(shù)大，表明存在大量高含量帶分布，元素分布在空間上變化明顯。元素變異系數(shù)小，表明其在空間上含量變化較小。

研究區(qū)有益元素Se、Ge背景值較高，表明耕地土壤中Se、Ge含量范圍較高(李艷 等，2020)，富Se、富Ge特色耕地資源豐富。

耕地土壤養(yǎng)分含量隨著土壤厚度、耕作輪次、施肥強(qiáng)度等增加其含量增加，土壤養(yǎng)分豐富；碳酸鹽巖母質(zhì)類型耕地土壤環(huán)境元素含量普遍高于碎屑巖母質(zhì)類耕地土壤。

對比其背景值，發(fā)現(xiàn)多數(shù)元素土壤背景值高于中國、美國大陸、日本及英國等土壤背景值；其背景值與貴陽市表層土壤和貴陽市城市土壤相比，背景值有所變化，但變化不大，表明本文獲得的背景值可靠。