昌樂縣表層土壤元素地球化學組合特征研究

劉陽

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊，山東 濰坊 261021)

土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價是關系千秋大業(yè)、惠及千家萬戶的一項重大民生工程，在實現(xiàn)土地質(zhì)量與生態(tài)管護、保障國家糧食安全、大幅提升土地資源利用價值、顯著改善民生等方面均具有重要意義。山東各地陸續(xù)開展了土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價工作，并取得了一些成果[1-5]。濰坊市作為全國重點蔬菜基地之一，土地質(zhì)量情況直接關系到國家食品安全問題。為摸清濰坊市土地質(zhì)量現(xiàn)狀，濰坊市政府設立專項資金進行“濰坊市土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價”項目。昌樂土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價為該項目的一期工作。

1 概述

昌樂縣位于山東半島中部，面積1101km2，人口62.3萬，轄4個鎮(zhèn)、4個街道。地勢南高北低，西高東低，屬暖溫帶半濕潤氣候，四季分明。年平均氣溫12.3℃，年平均降水量為792.5mm，年平均蒸發(fā)量1912mm，日照時間歷年平均為2367.9h，全年無霜期在200d左右，平均結(jié)冰期80d，凍土深度一般為30～80mm。

昌樂縣地層屬于華北地層區(qū)之魯西地層分區(qū)，新太古界、新元古界、古生界及新生界均有不同程度分布，自下而上劃分為新太古代泰山巖群，新元古代青白口紀—震旦紀土門群，古生代寒武紀長清群、九龍群，中生代侏羅紀—白堊紀淄博群，白堊紀萊陽群、青山群、大盛群，新生代古近紀五圖群，新近紀臨朐群及第四紀松散堆積物。昌樂縣侵入巖較為發(fā)育，集中分布于昌樂縣中南、東南部及高崖庫區(qū)，以酸性巖為主，基性和中性巖多以包體或者脈狀產(chǎn)出。形成時代為新太古代、中元古代，以新太古代侵入巖最為發(fā)育。區(qū)內(nèi)火山巖較發(fā)育，主要分布于喬官鎮(zhèn)及五圖鎮(zhèn)附近，出露的火山地層有：中生代萊陽群城山后組、青山群八畝地組、大盛群馬朗溝組及新生代臨朐群牛山組、堯山組。昌樂位于華北板塊之魯西隆起與膠遼隆起的結(jié)合部位，跨沂沭斷裂帶和魯中隆起2個Ⅲ級構(gòu)造單元。昌樂縣斷裂構(gòu)造發(fā)育，以NE向沂沭斷裂帶的鄌郚-葛溝斷裂為主，其次是與沂沭斷裂帶相交的NW向(五圖斷裂、鳳岐官莊斷裂)和NE向(喬官斷裂)斷裂。

昌樂縣地貌有微弱切割丘陵、山間平原、山前傾斜平原。按山東省水文地質(zhì)分區(qū)，北部屬于魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，南部屬于魯中南中低山丘陵碳酸鹽類為主的水文地質(zhì)區(qū)。土壤分為棕壤、褐土、粗骨土、潮土4個土類。

2 樣品采集及分析測試

2.1 樣品布設、采集、加工及質(zhì)量評述

昌樂縣土壤表層樣采樣點布設在1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖上(第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù))。采樣點以網(wǎng)格狀布設，土壤樣品采樣密度平均為5件/km2，采樣深度為0～20cm，采樣時以“多點取樣”的方式進行(圖1)。

圖1 樣品布設及“多點取樣”示意圖

野外采集的土壤樣品經(jīng)自然風干，用木棍或橡皮錘碾壓后全部通過2mm的尼龍孔徑篩，過篩后土壤樣品重量不少于500g，裝瓶送樣。在土壤樣品采集、風干、研磨、過篩、運輸和儲存等各個環(huán)節(jié)中，沒有接觸可能造成污染的金屬器皿。昌樂縣共取表層土壤樣點5818件(不包含重復樣)，采集重復樣135件。根據(jù)地球化學普查規(guī)范(DZ/T0011-2015)，重復樣兩次采樣分析結(jié)果相對雙差(RD=|A1-A2|/(A1+A2)×2×100%)≤33%為合格，要求合格率≥85%。本次重復樣檢驗全部合格，全部大于90%。

2.2 樣品分析測試

測試分析工作在山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊實驗測試中心完成。樣品測試質(zhì)量由中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所進行監(jiān)控，通過密碼樣、監(jiān)控樣、標準樣多種監(jiān)控手段，保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性。樣品分析結(jié)果均合格，分析測試項目為有機質(zhì)、N，P，K，B，Mo，Mn，Se，I，Ge，F(xiàn)，Pb，Zn，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Co，V，pH和全鹽量(表1)。

表1 昌樂縣土壤元素全量樣品分析項目及分析方法

3 元素組合特征

3.1 聚類分析

通過spss軟件，對昌樂縣表層土壤元素(指標)地球化學數(shù)據(jù)進行聚類分析，按距離15，可將23種元素(指標)分為3個元素組合簇群及9個單元素簇(圖2)。

圖2 昌樂縣表層土壤元素聚類譜系圖

第一簇群為Ni，Co，Cr，V，Mn，Cu，Zn，P組合；第二簇群為As，B組合；第三簇群為有機質(zhì)，N，Se組合；其余Cd，Ge，F(xiàn)，pH，全鹽量，I，Hg，Pb，K等元素(指標)各自形成單元素簇。

(1)第一簇群：主體元素為親鐵元素(Ni，Co，Cr，V，Mn)，它們的地球化學性質(zhì)相近，這些元素與Fe共生，親鐵元素在金屬相和硅酸鹽相有非常高的分配系數(shù)，主要存在于基性巖、超基性巖中。它們被歸為同一簇群與表層土壤的成土母質(zhì)有很大的關系。

(2)第二簇群：As，B元素被劃分到同一簇群，可能與土壤中黏土礦物有關。成土過程中的黏粒和鐵鋁氧化物，對元素積累和淋溶具有重要影響，土壤中黏土礦物對As，B及鐵錳氧化物具有較強的吸附作用[6]。它們被劃分到同一簇群可能與黏土礦物對它們的吸附有關。

(3)第三簇群：有機質(zhì)、N都是親生物元素，親生物元素是生物圈中富集于腐殖質(zhì)中的元素，有機質(zhì)和N是腐殖質(zhì)的重要組成部分。昌樂縣在表層土壤中有機質(zhì)和N表現(xiàn)出良好的相關性，其相關系數(shù)為0.82，為顯著正相關。而有機質(zhì)與Se的相關系數(shù)為0.55，為正相關。相關研究表明，Se可以以有機結(jié)合態(tài)被有機質(zhì)快速大量的固定[7-9]，因此它們會被劃分到同一簇群中。

3.2 因子分析

通過SPSS軟件對昌樂縣表層土壤23項元素(指標)進行數(shù)據(jù)處理，得到Bartlett球度檢驗和KMO檢驗結(jié)果(表2)。KMO值為0.874，Bartlett球度檢驗統(tǒng)計值為78772.192，在自由度為253的條件下，在0.000水平上達到顯著，概率P值為0.000。如果顯著性水平α為0.05，則概率P值小于顯著性水平α，因此，昌樂縣表層土壤地球化學數(shù)據(jù)適合作因子分析。首先計算得到相關矩陣的特征根和相應的特征向量，根據(jù)特征根百分比(方差貢獻)得到累計百分比，取特征根較大且累計貢獻率達80%以上的前若干因子選作主要因子[10]。

表2 Bartlett與KMO檢驗

昌樂縣表層土壤前10個因子的累計百分比為80.496%，即用前10個因子的分布特征就基本可以代表表層土壤23項原始變量的分布特點，它們所包含的原始變量的信息為80.496%(表3)。

表3 昌樂縣表層土壤特征根及因子提取結(jié)果

從昌樂縣因子分析正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣可知(表4)，假設以常數(shù)值0.5作為標準，取絕對值大于0.5的因子載荷，得到表層土壤元素組合特征。第1主因子代表的變量組合為Ni，Co，Cr，V，Mn，Mo，Cu，K(-)；第2主因子代表的變量組合為N，有機質(zhì)，Se；其余主因子代表的變量分別為As，F(xiàn)，Pb，Ge，pH，I，全鹽量，Hg，單元素主因子的出現(xiàn)，表明影響表層土壤元素原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的因素具多源性和相對獨立性，可能與元素自身性質(zhì)和人類活動造成的地表污染有關[5]。

使用MapGIS軟件的DTM分析功能，繪制了昌樂縣表層土壤F1，F(xiàn)2因子得分分布圖(圖3、圖4)。

(1)表層土壤F1因子代表了Ni，Co，Cr，V，Mn，Mo，Cu，K(-)的元素組合，其方差貢獻為30.268%。 Ni，Co，Cr，V，Mn等親鐵元素地球化學性質(zhì)相近，它們在自然界與Fe共生。從地質(zhì)背景分析，這5種元素主要存在于基性巖、超基性巖等巖漿來源較深的巖石中；從化學性質(zhì)分析，這5種元素活潑性較弱，難以與氧或弱酸發(fā)生化學反應，它們在氧化、弱酸—堿性環(huán)境下，母巖風化產(chǎn)物較難發(fā)生遷移與轉(zhuǎn)化，只能分布在母巖附近，因此F1因子與地質(zhì)背景密切相關。從因子得分圖可以發(fā)現(xiàn)(圖3)，表層土壤高背景區(qū)主要分布在喬官鎮(zhèn)中部和西部、五圖街道中部及鄌郚鎮(zhèn)西北部，與新近紀臨朐群堯山組、牛山組分布位置相同，可能與臨朐群玄武巖有關[11]?？偟膩碚f，影響土壤中這類元素區(qū)域分布特點的主導因素是地質(zhì)背景，與它們的成土母質(zhì)來源有密切關系，可以認為F1因子代表了成土母質(zhì)與母巖[12]。

(2)表層土壤F2因子代表了N、有機質(zhì)、Se元素組合，方差貢獻率為12.863%，有機質(zhì)和N是腐殖質(zhì)的重要組成元素，表層土壤中N元素與有機質(zhì)之間具有顯著正相關關系，相關系數(shù)為0.82。腐殖質(zhì)在高硒表生環(huán)境硒生物地球化學循環(huán)過程中扮演著重要的源匯雙重角色[13]，Se元素被劃入F2因子可能是因為表層土壤中含有較多的腐殖質(zhì)有關。

表4 昌樂縣因子分析正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

圖3 昌樂縣表層土壤F1因子得分等值線圖

從因子得分圖看(圖4)，表層土壤中有機質(zhì)和N元素含量分布較廣泛，但主要分布在昌樂縣的中部和北部等農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)?？赡芘c該地區(qū)表層土壤含有較多腐殖質(zhì)及人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關，受自然因素和人類活動雙重影響。

圖4 昌樂縣表層土壤F2因子得分等值線圖

4 結(jié)論

(1)通過聚類分析，將昌樂縣23種元素劃分為3個元素組合簇群和9個單元素簇，第一簇群主要受地質(zhì)背景的影響；第二簇群主要受黏土礦物的影響；第三簇群主要與自然因素及人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關。

(2)通過因子分析，用10個因子就基本可以代表原來23種元素(指標)的分布特征，進一步證實了Ni，Co，Cr，V，Mn等親鐵元素與地質(zhì)背景密切相關；有機質(zhì)，N，Se則與自然因素及人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關。

(3)綜合分析認為，昌樂縣表層土壤元素分布主要與地質(zhì)背景、元素自身性質(zhì)和人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關，為地方政府決策施政提供了基礎地球化學資料和科學依據(jù)。