福建浦城縣耕地土壤元素地球化學評價

馬驍,陳智賢,林聯(lián)桂,王彪,敦妍冉

(1.河北地質(zhì)大學資源與環(huán)境工程研究所,石家莊 050031;2.福建省地質(zhì)測繪院地勘分院,福州 350000 )

0 引言

土壤既是人類賴以生存的自然資源,也是與人類關系密切的環(huán)境要素[1]，查明土壤元素組成及其分布特征,對土壤環(huán)境質(zhì)量及污染程度進行評價[2-3]，已經(jīng)成為21世紀農(nóng)業(yè)地質(zhì)研究的熱點，這些研究成果可較好地服務于國土資源規(guī)劃利用、環(huán)境整治及生態(tài)保護等領域[4]。浦城縣經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為重，主產(chǎn)水稻，享有“閩北糧倉”盛名 ，浦城薏米作為福建特產(chǎn)已成為中國國家地理標志性產(chǎn)品。因此，研究浦城縣土壤元素對農(nóng)作物的影響尤為重要。以往農(nóng)業(yè)部門只對浦城縣土壤進行了局部耕地地力調(diào)查，并未查明重金屬元素的分布，對研究區(qū)的土壤元素地球化學評價也未見報道。因此，本文基于浦城縣1∶5萬比例尺農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查成果[5]，對土壤植物生長必需營養(yǎng)元素、重金屬環(huán)境質(zhì)量和植物生長有益元素Se進行了評價，為浦城地區(qū)耕地土壤元素研究及浦城水稻和薏米等農(nóng)作物的高效種植提供了科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

浦城縣屬福建省閩北地區(qū)，位于福建省最北端，是閩、浙、贛三省七縣結(jié)合部(圖1)。浦城縣屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，一年四季分明，由于地形復雜，區(qū)域性小，氣候差異顯著，南部比較溫熱，北部比較寒冷。

地層屬華南地層區(qū)中武夷地層分區(qū)的建甌地層小區(qū)，5個地質(zhì)時期的不同巖性都有。主要巖石類型有花崗巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖、片麻巖、砂巖、頁巖及未成巖的黏土、泥砂等(圖1)。研究區(qū)大部分屬閩西北低山谷盆地紅壤、灰泥田、中山低山暗紅壤、山地黃壤和冷浸田土壤。耕地土壤的成土母質(zhì)為沖積物，坡積物和坡、沖積異元母質(zhì)。全縣土壤可分為6個土類、14個亞類、36個土屬，其中紅壤占82%，水稻土占12.9%。

1.礫巖、砂礫巖、粉砂巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、鉀長流紋巖；2.凝灰質(zhì)砂礫巖、砂巖、粉砂巖、英安巖、流紋巖夾粗面巖；3.凝灰質(zhì)砂礫巖、粉砂巖、紙狀頁巖；4.砂礫巖、石英粗砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤線；5.片巖、變粒巖、千枚巖、夾變質(zhì)火山碎屑巖、熔巖；6.花崗巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖；7.片麻狀花崗巖、片麻狀二長花崗巖；8.黑云石英片巖、黑云片巖、片麻巖、斜長角閃石

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖
Fig.1Geologicalmapofthestudyarea

2 樣品采集與分析測試

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016進行采樣及研究。耕層土壤樣品采集運用多點組合形式實施，采樣密度為4～16個樣品/km2，取樣深度為0～20 cm，樣品質(zhì)量為1.0～1.5 kg，標注樣品號，共采集表層土壤樣品2 987件。樣品風干之后，用木棍碾壓，并將植物殘體、石塊等雜物剔除干凈，壓碎的土樣全部過10目標準篩。過篩后的土壤樣品稱重，然后混勻裝袋，分正負樣，質(zhì)量均為300 g。

樣品分析測試委托福建省地質(zhì)測試研究中心，按照《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016的要求進行測試質(zhì)量的監(jiān)督審查和控制管理，重點測試有機質(zhì)、速效鉀、堿解氮、速效磷、N、P、K、S、B、Mo、Mn、Cu、Pb、Se等，檢測結(jié)果均符合相關要求。

3 結(jié)果與評價

土壤質(zhì)量地球化學是指土壤養(yǎng)分質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤健康質(zhì)量3方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維持生物的生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質(zhì)量及促進動植物健康的能力。本次研究是參照土壤質(zhì)量內(nèi)涵的這3個方面,對其表層土壤元素的豐缺性進行評價。

根據(jù)植物正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，將表征土壤肥力的土壤養(yǎng)分元素分為植物生長必需營養(yǎng)元素和植物生長有益元素。其中，植物生長必需營養(yǎng)元素按照其在植物體內(nèi)的含量高低分為必需大量元素(有機質(zhì)、N、P、K等)、必需中量元素(S、Ca、Mg)和必需微量元素(Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl)；植物生長有益元素主要指Se。根據(jù)《土壤養(yǎng)分豐缺指標》[7]，在評價土壤營養(yǎng)元素全量(相對)豐缺狀況和供應潛力的基礎上,結(jié)合各元素的速效態(tài)含量來進一步評價研究區(qū)土壤肥力的實際豐缺狀況,為更好地指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學依據(jù)[8]。

3.1 植物生長必需營養(yǎng)元素

植物對氮、磷、鉀、鈣、鎂、有機質(zhì)等的吸收主要來自土壤，但這些元素在土壤中的空間分布差異較大?；诖耍瑢ν寥乐兄参锷L必需大量元素進行含量分級，其中有機質(zhì)、N、P、K及其速效態(tài)按照《全國第二次土壤普查分類標準》[9]進行評價。植物生長必需中量元素Ca、Mg、S及植物生長必需微量元素Fe參考1990年出版的《中國土壤元素背景》[10]，以全國土壤A層背景值的25%、50%、75%和90%順序統(tǒng)計量作為土壤分級標準。其余植物生長必需微量元素B、Mo、Cu、Zn、Mn、Cl運用《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016中養(yǎng)分分級標準進行分級評價。另外，土壤的養(yǎng)分單元素或單指標也依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016中養(yǎng)分分級標準進行評價，硼、鉬、錳、銅、鋅等土壤養(yǎng)分的等級劃分通過對全國多目標地球化學調(diào)查的表層土壤(0～20 cm)數(shù)據(jù)分布形態(tài)進行檢驗，對不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用平均值±3倍離差連續(xù)剔除異常數(shù)據(jù)，直至報價正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，然后按照20%、40%、60%、80%百分位值進行適當調(diào)整，分成5個等級。

3.1.1 必需大量元素

由表1可知:有機質(zhì)豐富區(qū)占研究區(qū)面積的28.01%,適中區(qū)占研究區(qū)面積的47.24%,有機質(zhì)整體處于適中狀態(tài);N元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的16.21%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的37.20%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的36.70%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的3.27%，浦城縣耕地土壤中氮等級較好，其中，很豐富—適中等級面積占比達到了90.11%，分布面較廣；堿解氮等級分布以很豐富—豐富為主，總分布面積占比達69.37%，而缺乏—很缺乏分布面積只占9.29%，說明調(diào)查區(qū)的堿解氮含量比較理想；P元素缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的37.75%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的20.00%，磷的等級分布以缺乏—很缺乏為主；速效磷缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的20.30%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的33.80%，速效磷同樣以缺乏—很缺乏為主；K元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的56.48%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的24.38%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的14.25%，鉀的等級分布以很豐富—適中為主；速效鉀豐富區(qū)占研究區(qū)面積的17.88%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的34.53%，速效鉀的等級分布以豐富—適中為主。

表1 研究區(qū)表層土壤中植物必需大量元素含量分級標準及統(tǒng)計值Tab.1 Classification standards and statistical values of essential macro elements in the surface soil of the study area

3.1.2 必需中量元素

由于福建浦城紅壤地區(qū)鈣、鎂流失嚴重，因此對鈣、鎂的評價應根據(jù)福建省土壤養(yǎng)分等級劃分標準執(zhí)行。由表2可知:CaO適中區(qū)占研究區(qū)面積的25.90%，缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的23.38%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的21.50%，鈣的等級分布以適中—很缺乏為主;MgO缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的21.64%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的28.90%，鎂的等級分布主要以缺乏—很缺乏為主;S元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的38.60%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的31.45%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的17.81%，硫的等級分布情況主要以豐富—適中為主，總面積占比達到了87.86%。

表2 研究區(qū)表層土壤中植物必需中量元素含量分級標準及統(tǒng)計值Tab.2 Classification standards and statistical values of essential moderate elements in the surface soil of the study area

3.1.3 必需微量元素

植物對其生長所需的必需微量元素的需要量很少，但是植物生長必需微量元素的全量反映的是其有效量的供給能力，對合理施肥具有指導意義，所以對植物生長必需微量元素的研究也十分重要。由表3可知：研究區(qū)Fe、B、Mn元素處于很缺乏狀態(tài)；Cu元素缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的18.25%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的51.90%，由此可見Cu的等級分布以缺乏—很缺乏為主；Mo元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的45.85%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的16.53%，由此可見Mo的等級分布以很豐富—豐富為主；Zn、Cl 2種元素很豐富區(qū)和豐富區(qū)總面積分別占研究區(qū)面積的68.41%和65.41%，由此可見Zn和Cl元素等級分布以很豐富—豐富為主。

表3 研究區(qū)表層土壤中植物必須微量元素含量分級標準及統(tǒng)計值Tab.3 Classification standards and statistical values of essential trace elements in the surface soil of the study area

3.2 重金屬環(huán)境質(zhì)量

通過對Cu、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cr、Ni有害元素評價來判定土壤環(huán)境健康指標，運用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染評價法[11]并結(jié)合國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[12]GB 15618—1995，說明研究區(qū)土壤環(huán)境重金屬污染狀況。在對研究區(qū)耕地土壤單指標等級劃分結(jié)果進行統(tǒng)計分析后，得出研究區(qū)耕地土壤環(huán)境地球化學質(zhì)量綜合等級評價結(jié)果(表4)。

表4 研究區(qū)表層土壤重金屬元素等級比例Tab.4 Scale of heavy metal elements in the surface soil of the study area

由表4可知：研究區(qū)土壤中Zn、Cu、Hg、Pb、As、Cr、Ni元素在Ⅰ級土壤中的分布比例均超過95%，整體表現(xiàn)非常潔凈；Cr、As元素在Ⅲ、Ⅳ級土壤中無分布;Ni元素在Ⅳ級土壤中無分布；Cd元素在Ⅰ級土壤中的分布比例為87.47%，在Ⅱ級土壤中的分布比例為10.96%，相對其他重金屬元素來說較為富集。Zn、Cu、Pb、Cd元素在Ⅳ級土壤中的分布主要集中在永興東部，經(jīng)過實地考察核實，查明是由于銀礦廠等工礦企業(yè)導致的局部污染；Hg元素在Ⅳ級土壤中的分布主要集中在盤亭北部，經(jīng)過實地考察核實，查明是由于此區(qū)域有一小型化工廠，旁邊有一較大河流，小部分污水污染河流，而Hg元素富集區(qū)正處于河流拐角處沖洪積灘，所以造成汞超標。

以上運用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行評價，研究區(qū)Ⅰ、Ⅱ級土壤分別占研究區(qū)面積的75.46%和16.05%。總體而言，浦城縣耕地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量狀況健康，土壤重金屬超標非常低，具備了較為健康的發(fā)展綠色農(nóng)產(chǎn)品的土壤環(huán)境生態(tài)條件。但調(diào)查區(qū)內(nèi)仍分布有極小面積的污染土壤，所以在大力發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的同時，應加強對其危害性的認識。

3.3 植物生長有益元素Se

Se元素是一種稀有分散元素，在自然環(huán)境中廣泛分布，作為人和動物必需的微量元素，適當濃度的硒能提高動物體的免疫功能[13]。通過對研究區(qū)植物生長有益元素Se的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016中的Se等級劃分標準，對浦城縣耕地土壤中Se元素含量進行等級劃分評價(表5)。

表5 研究區(qū)表層土壤有益元素Se含量分級標準及統(tǒng)計值Tab.5 Classification standards and statistical values of beneficial element Se in the surface soil of the study area

由表5可知，Se元素缺乏—較缺區(qū)面積占研究區(qū)面積的42.21%。經(jīng)計算，研究區(qū)富硒面積為6.41 km2，分布較少。Se元素適量區(qū)主要分布鄉(xiāng)鎮(zhèn)有九牧、官路、古樓、永興和山下，另外在濠村、石陂、楓溪、水北街、臨江、蓮塘和仙陽等鄉(xiāng)鎮(zhèn)也有零星分布(圖2)。

通過浦城縣耕地土壤環(huán)境質(zhì)量評價可知，富硒土壤的整體環(huán)境質(zhì)量良好，但也存在著個別富硒地方重金屬元素含量偏高的狀況。

利用SPSS軟件，剔除異常值后，做出硒與鎘的相關性分析，得出決定數(shù)R2值為0.201，具有一定的相關性。其中，在九牧鎮(zhèn)富硒地區(qū)，鎘含量同時也較高(圖3)，并達到中度污染，超出了無公害綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地的要求。因此在富硒土壤的開發(fā)與利用中，應注意對這些有害元素的影響程度進行鑒別，合理調(diào)整富硒農(nóng)產(chǎn)品的種植。

圖2 浦城縣表層土壤Se元素分布Fig.2 Distribution of beneficial element Se in the surface soil of Pucheng County

圖3 九牧鎮(zhèn)Se元素與Cd元素的分布區(qū)對照圖
Fig.3ComparisonofelementSedistributionandelementCddistributioninJiumuVillage

4 結(jié)論與建議

(1)由研究區(qū)土壤肥力評價可知:植物生長必需大量元素有機質(zhì)、N及堿解氮總體處于豐富—適中狀態(tài)，P總體處于適中—缺乏狀態(tài)，速效磷處于缺乏—很缺乏狀態(tài)，K及速效鉀含量豐富；植物生長必需中量元素S的分布情況主要以豐富—適中為主；植物生長必需微量元素Fe、B、Mn處于很缺乏狀態(tài)，Cu的分布主要以缺乏—很缺乏為主，Mo的分布主要以很豐富—豐富為主，Zn和Cl的分布主要以很豐富—豐富為主。評價結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤普遍缺硼，而根用植物需硼量較大，所以應適當增加稻田的硼肥實施。另外，針對銅和鋅同時缺乏的土壤，應按比例適當增施銅、鋅微肥，提高大宗谷類糧食作物的產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，但在微肥施用時，應注意銅、鋅養(yǎng)分平衡，若鋅肥過量，易誘發(fā)土壤缺銅。

(2)研究區(qū)植物生長有益元素Se總體處于適量狀態(tài)，富硒土壤面積為6.41 km2。整體環(huán)境質(zhì)量良好，但富硒區(qū)個別重金屬元素含量偏高的區(qū)域應排除在開發(fā)范圍之外。

(3)薏米作為浦城久負盛名的特色農(nóng)產(chǎn)品，建議加大力度發(fā)展薏米的種植面積，更重要的是配合富硒土壤的分布區(qū)域進行種植，促進富硒薏米生產(chǎn)的可能性。