山東省青州市土壤地球化學(xué)背景值及其分區(qū)研究

劉 陽，姜 冰，張海瑞，武 斌，董美川，郝志文

（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）

山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價工作已順利完成并取得了一些成果[1-9]，但對于青州市的土壤地球化學(xué)背景值研究還沒有開展，筆者利用濰坊市土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價成果集成與應(yīng)用和濰坊市特色土地資源開發(fā)應(yīng)用示范項目數(shù)據(jù)，首次查明青州市土壤地球化學(xué)背景值，為政府的科學(xué)決策和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施肥提供數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)鄉(xiāng)村振興。

青州市位于濰坊市西約60 km處，東鄰昌樂縣、西接淄博市臨淄區(qū)和淄川區(qū)，南連臨朐縣，東北與壽光市接壤，西北與東營市廣饒縣毗鄰，屬濰坊市轄區(qū)的縣級市。青州市地理極值坐標(biāo)東經(jīng)118°10′20″～118°46′30″，北緯36°24′27″～36°57′25″。轄八個鎮(zhèn)和四個街道辦事處，總面積1561.9 km2。

1 區(qū)域概況

青州市屬北溫帶亞濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受大陸性和海洋性氣候交替影響，冬冷夏熱、四季分明。多年平均年降水量為664 mm，多年平均氣溫12.7℃，多年平均無霜期191.7天，多年平均積溫為4331.7℃。全年主導(dǎo)風(fēng)向為東和南東東，多年平均風(fēng)速2.5m/s。區(qū)內(nèi)沖溝較多，河流縱橫，以近南北向河流為主，少量近東西向，水系源頭多在西南部的中低山區(qū)，流向呈由南而北，注入萊州灣。有大小河流近20條，分屬彌河、淄河（匯入小清河）水系。研究區(qū)隸屬華北板塊華北坳陷區(qū)（I）濟陽坳陷（Ia）牛頭—濰北潛斷陷（Ia8）之牛頭潛凹陷（Ia82）、壽光潛凸起（Ia84）、昌樂縣斷陷（Ia9）之昌樂凹陷（Ia91）和魯西隆起區(qū)（IIa）魯山—鄒平斷?。↖Ia2）之博山凸起（IIa22）和柳山—昌樂斷?。↖Ia3）之鄭母凹陷（IIa31）、魯山凸起（IIa32）以及沂山—臨朐斷?。↖Ia8）之臨朐凹陷（IIa81）的相毗鄰地帶。研究區(qū)地處魯西隆起區(qū)的東南部邊緣，地層分區(qū)為華北地層區(qū)之華北平原地層分區(qū)與魯西地層分區(qū)，根據(jù)地層的劃分，可分為古生代寒武系、奧陶系及新生代新近系、第四系。寒武—奧陶紀(jì)地層分布在青州市西南部，地層露頭良好，層序連續(xù)且完整，其主要為一套厚度達千余米海相碳酸鹽巖沉積建造，主要巖性為灰?guī)r、頁巖、白云巖。新近紀(jì)地層主要為臨朐群玄武巖為主。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東向為主，北西向次之，東西向較少。研究區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育，僅零星見有中生代閃長玢巖、新生代輝綠玢巖，出露面積小，呈巖脈、小巖株狀產(chǎn)出（圖1）。

青州市南北跨濰西南中低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)之濰西南中低山水文地質(zhì)亞區(qū)、濰北平原水文地質(zhì)區(qū)之濰北山前沖洪積平原水文地質(zhì)亞區(qū)和濰北沖積平原水文地質(zhì)亞區(qū)。青州市地下水劃分為三大類型：即松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和噴出巖類孔洞裂隙水。

圖1 青州市地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of Qingzhou city

青州市處于魯中山區(qū)和魯北平原交接處，總的地勢是西南高，東北低，即有SW向NE呈緩坡逐漸傾斜。主要地貌類型有中山、低山、丘陵，主要分布在研究區(qū)的西南部和東南部，西南部主要為碳酸鹽巖類組成的中山、低山、丘陵區(qū)，面積約644.63 km2，占總面積的41.27%，東南部主要由玄武巖構(gòu)成的丘陵區(qū)，面積約24.56 km2，占總面積的1.57%。研究區(qū)內(nèi)最高點是西南山區(qū)的三縣頂（青崖頂），海拔954.3 m。山間平原可分為剝蝕平原和沖積—洪積平原，主要分布于青州市中部和東南部，面積約263.60 km2，占總面積的16.88%。剝蝕平原主要分布在譚坊鎮(zhèn)南部和邵莊鎮(zhèn)中部，面積約50.44 km2；沖積—洪積平原主要分布在譚坊鎮(zhèn)中部、彌河鎮(zhèn)南部、王府街道、益都街道西南部，面積約213.15 km2。山間平原主要由洪積物組成。研究區(qū)內(nèi)分布有山前傾斜平原之沖積—洪積平原，分布在研究區(qū)中部及東北部，面積約629.14 km2，占總面積的40.28%，主要由沖積物和洪積物組成。最低點在何官鎮(zhèn)的張高村，海拔16.2 m。青州市土壤類型有棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土[10]。

2 工作方法

2.1 樣品采集

青州市土壤表層樣采樣點以網(wǎng)格狀布設(shè)在第二次全國土地調(diào)查青州市1:5萬土地利用現(xiàn)狀圖上。土壤樣品采樣密度平均為5件/km2，采樣深度為0～20 cm，采樣時以“X”或“S”形多點等量取樣合并為一個樣品的方式進行。野外采集的土壤樣品經(jīng)室內(nèi)晾干后，全部過10目尼龍篩，過篩后用“四分法”將重量大于500 g的待測樣品裝牛皮紙袋中送檢。

全青州市共取表層土壤樣點8132件。

2.2 樣品分析

本項目分析測試由具有甲級實驗測試資質(zhì)的山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊實驗測試中心承擔(dān)。樣品測試質(zhì)量由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所進行監(jiān)控，通過密碼樣、監(jiān)控樣、標(biāo)準(zhǔn)樣等多種監(jiān)控手段，保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性。測試項目及測試精度滿足設(shè)計及規(guī)范要求，土壤樣品處理及分析方法見表1。

表1 土壤樣品處理及分析方法Table 1 Soil sample treatment and analysis method

2.3 數(shù)據(jù)處理

本項目的數(shù)據(jù)是用Excel、SPSS等軟件處理，統(tǒng)計了平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、背景值等數(shù)據(jù)，并做了相關(guān)性分析。圖件用MapGIS和土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價數(shù)據(jù)管理與維護（應(yīng)用）子系統(tǒng)繪制。

3 青州市土壤元素地球化學(xué)背景值

3.1 土壤地球化學(xué)背景值

本文是以青州市表層土壤（0～20 cm）分析測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和正態(tài)分布檢驗后求得的平均值為青州市表層土壤元素地球化學(xué)背景值。青州市土壤地球化學(xué)背景值見表2。

表2 青州市土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計表Table 2 Geochemical background value of soil in Qingzhou city

（續(xù)表2）

土壤地球化學(xué)背景值代表土壤中的元素含量水平[12-13]。從圖2和表2可以看出數(shù)據(jù)處理前后多數(shù)指標(biāo)算術(shù)平均值與背景值差別不大，僅I、pH、有機質(zhì)三個指標(biāo)剔除率超過10%，而I、Hg、有機質(zhì)三個指標(biāo)剔除后背景值與剔除前算術(shù)平均值相比，背景值變化率均超過20%，表明元素的離散程度相對較大，分布不均勻，容易受到外界環(huán)境的干擾。

圖2 青州市土壤算數(shù)均值（剔除前）與背景值（剔除后）對比圖Fig.2 Comparisons of soil arithmetic mean (before excluding)and background value (after excluding) in Qingzhou city

3.2 青州市土壤元素變異系數(shù)

青州市土壤元素變異系數(shù)見表2、圖3。

圖3 青州市土壤元素變異系數(shù)分布柱狀圖Fig.2 Distribution of variability coeきcient of soil elements in Qingzhou city

青州市土壤指標(biāo)分布均勻的有：K、V、Ge、Mn、B、As、Co、Cr。它們含量變化很小，空間分布均勻，其中K、V、Ge的變異系數(shù)最小，只有0.17，說明它們分布的最均勻，在自然界中容易遷移，這個和他們的化學(xué)性質(zhì)較活躍有關(guān)。

青州市土壤指標(biāo)分布較不均勻的有：F、Zn、P、Ni、Cu、Se、N、Cd、Mo、有機質(zhì)、Pb、I、pH，說明它們在自然界較不容易遷移，這可能受到了成土母質(zhì)和人類活動的雙重影響。

青州市土壤指標(biāo)分布極不均勻的有：Hg，變異系數(shù)最高，為3.54，Hg含量高的土壤主要集中分布在青州市區(qū)及周邊，這可能與人類活動造成的局部Hg污染有關(guān)[14]。

3.3 青州市土壤元素與濰坊和山東省表層土壤的關(guān)系

K值是單個元素背景值與參比區(qū)（全濰坊市K1、全山東省K2）的比值，見圖4，利用襯度系數(shù)我們可比較出單個元素的相對富集或貧乏特點。

圖4 青州市土壤地球化學(xué)背景值與濰坊市土壤背景值比值K1山東省土壤背景值比值（K2）折線圖Fig.4 The ratio of soil geochemical background value in Qingzhou city to that in Weifang city (K1) and Shandong province (K2)

與濰坊市相比（K1），青州市土壤背景值接近的元素 有：F、Pb、Ge、Co、Cu、pH、Ni、Cr、Mn、Mo。與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值接近的指標(biāo)有：Pb、Mo、Cu、Co、Ge、Mn、Ni、Zn、pH、P；說明這些指標(biāo)在區(qū)域分布總體較均勻。

與濰坊市相比（K1），青州市土壤背景值偏高的元素有：I、V、Zn、B；與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值偏高的指標(biāo)有：V、Cr、B、I、Se、Cd。

與濰坊市相比（K1），青州市土壤背景值明顯偏高的元素有：P、Hg、N、Se、As、Cd、有機質(zhì)；與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值明顯偏高的指標(biāo)有：Hg、As、N、有機質(zhì)。說明這些元素受自然作用和人類活動的影響較大；其中青州土壤有機質(zhì)背景值與濰坊和山東背景值相比都超過兩倍，說明青州市表層土壤中有機質(zhì)含量相對豐富；青州市表層土壤中有機質(zhì)豐富（＞40 g/kg）和N豐富（＞2 g/kg）的區(qū)域多集中在南部山區(qū)，這可能與山區(qū)林草茂盛，表層土壤中含有較多腐殖質(zhì)有關(guān)；而青州市的富硒土壤（0.4～3.0 mg/kg）也多集中在南部山區(qū)，與土壤中有機質(zhì)和N含量的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.80，呈顯著正相關(guān)，說明南部山區(qū)的硒含量明顯偏高與土壤中有機質(zhì)和N較多有關(guān)，硒多以有機結(jié)合態(tài)賦存于表層土壤中。青州市硒元素是濰坊市的1.34倍，且主要集中在西南部山區(qū)，應(yīng)結(jié)合青州市西南部山區(qū)的旅游資源，適時開發(fā)利用。而Hg元素分別是濰坊市和山東省的1.23和1.27倍，且高值主要集中的青州市區(qū)及周邊，應(yīng)引起關(guān)注。

與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值偏低的指標(biāo)有：F。青州市表層土壤F大多屬于適量等級（500～550 mg/kg），僅在青州市廟子鎮(zhèn)中部有少量F過剩（大于700 mg/kg）土壤。而山東省土壤中氟元素背景值比青州市高，這可能與山東省是全國地方性氟中毒（簡稱地氟?。┳顬閲乐氐牟^(qū)省份之一有關(guān)[15]。

青州市pH值含量接近濰坊市背景值和山東省背景值，總體呈中性—堿性，僅在青州市邵莊鎮(zhèn)西部和廟子鎮(zhèn)西部存在少量強堿性（pH＞8.5）土壤。

3.4 青州市土壤地球化學(xué)分區(qū)

土壤地球化學(xué)分區(qū)是對長期地質(zhì)歷史過程中地球表生帶在各種地質(zhì)綜合作用下所形成的性質(zhì)不同的地球化學(xué)場所特征的歸納與合并。從區(qū)域地質(zhì)角度看，研究區(qū)位于華北板塊的昌樂凹陷和博山凸起接觸部位，巖漿巖不發(fā)育，成土母質(zhì)主要為寒武—奧陶系長清群、九龍群和馬家溝群的灰?guī)r、白云巖、頁巖，新近紀(jì)臨朐群玄武巖及第四系沖洪積物等。從地形、地貌角度看，地貌類型西南部以中山、低山、丘陵為主，東北部山間平原和山前傾斜平原為主。由于上述獨特的地質(zhì)、地形、地貌特征等差異，使區(qū)域內(nèi)成土母質(zhì)體由于同生和后生地球化學(xué)作用，造成元素及元素組合的進一步演化而具有不均勻分布的特征，從而形成具有不同成分或不同元素組合的地球化學(xué)區(qū)。研究區(qū)共劃分為2個地球化學(xué)區(qū)和5個地球化學(xué)亞區(qū)（圖5）。

圖5 青州市土壤地球化學(xué)分區(qū)Fig.5 Schematic diagram of soil geochemical zoning in Qingzhou city

3.4.1 西南部山地丘陵地球化學(xué)區(qū)（I）

該地球化學(xué)區(qū)位于青州市西南部山地丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景以古生代寒武紀(jì)九龍群、馬家溝群為主，巖性主要有灰?guī)r、白云巖和頁巖等，另有第四紀(jì)山前組松散堆積物沿山間平原少量分布。土壤中As、Cd、Co、Cu、F、I、K、Mo、N、Pb、Se、Zn、pH、有機質(zhì)等元素呈高背景，Cr、P、全鹽量等元素呈低背景。

根據(jù)元素組合的不同，將該區(qū)劃分成2個地球化學(xué)亞區(qū)，分別為王墳鎮(zhèn)和廟子鎮(zhèn)南部地球化學(xué)亞區(qū)和廟子鎮(zhèn)北部及王墳鎮(zhèn)以北地球化學(xué)亞區(qū)。各亞區(qū)分區(qū)特征如下：

（1）王墳鎮(zhèn)和廟子鎮(zhèn)南部地球化學(xué)亞區(qū)（I-1）

成土母質(zhì)以灰?guī)r、白云巖和頁巖形成的風(fēng)化物為主。土壤類型以石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土、黃土質(zhì)石灰性褐土、灰質(zhì)石灰性褐土和灰質(zhì)褐土性土為主。土壤中As、Cd、Co、Cu、F、I、K、Mo、N、Pb、Se、Zn、有機質(zhì)等元素呈高背景，P、全鹽量等元素呈低背景。

（2）廟子鎮(zhèn)北部及王墳鎮(zhèn)以北地球化學(xué)亞區(qū)（I-2）

山前平原的分布面積相對王墳鎮(zhèn)和廟子鎮(zhèn)南部地球化學(xué)亞區(qū)較多，成土母質(zhì)以灰?guī)r、白云巖和頁巖形成的風(fēng)化物為主，以沖洪積物為輔。土壤類型以石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土、黃土質(zhì)石灰性褐土為主。土壤中As、F、I、Mo、N、Pb、Se、Zn、pH、有機質(zhì)等元素呈高背景，Cr、K、P、全鹽量等元素呈低背景。

3.4.2 東部和北部平原地球化學(xué)區(qū)（Ⅱ）

該地球化學(xué)區(qū)位于東部及北部平原區(qū)，區(qū)內(nèi)大面積分布第四紀(jì)臨沂組、黑土湖組和山前組，小面積沿彌河分布沂河組，另譚坊鎮(zhèn)南部少量分布新近紀(jì)臨朐群牛山組和堯山組玄武巖，土壤中B、Co、Cr、Cd、Cu、F、Ge、Hg、K、Mn、Ni、P、Pb、Se、V、Zn、全鹽量、有機質(zhì)等元素呈高背景，As、I、Mo、Ni等元素呈低背景。

根據(jù)元素組合的不同，將該區(qū)劃分成3個地球化學(xué)亞區(qū)，分別為青州市區(qū)地球化學(xué)亞區(qū)、譚坊鎮(zhèn)中南部地球化學(xué)亞區(qū)和譚坊鎮(zhèn)北部至高柳鎮(zhèn)一帶地球化學(xué)亞區(qū)。各亞區(qū)分區(qū)特征如下：

（1）青州市區(qū)地球化學(xué)亞區(qū)（Ⅱ-1）

該地球化學(xué)亞區(qū)位于青州市區(qū)及周邊，區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景為第四系山前組和臨沂組松散堆積物，成土母質(zhì)為沖洪積物。土壤類型為砂姜黑土、洪沖積潮褐土和洪積褐土。土壤中Cd、Cu、Ge、Hg、Mo、P、Pb、Se、Zn、全鹽量、有機質(zhì)等元素呈高背景，I、K等元素呈低背景。

（2）譚坊鎮(zhèn)中南部地球化學(xué)亞區(qū)（Ⅱ-2）

該地球化學(xué)亞區(qū)位于譚坊鎮(zhèn)中部及南部，區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景以第四系山前組為主，以新近紀(jì)臨朐群牛山組和堯山組為輔。成土母質(zhì)主要為沖洪積物和玄武巖的風(fēng)化物。土壤類型為洪沖積潮褐土、洪積石灰性褐土、洪沖積淋溶褐土、暗泥淋溶褐土、基性巖類中性粗骨土。土壤中Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、P、V、Zn等元素呈高背景，As、B、K、Pb等元素呈低背景。

（3）譚坊鎮(zhèn)北部至高柳鎮(zhèn)一帶地球化學(xué)亞區(qū)（Ⅱ-3）

該地球化學(xué)亞區(qū)位于譚坊鎮(zhèn)北部至高柳鎮(zhèn)一帶，區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景為第四系臨沂組和黑土湖組，成土母質(zhì)為沖洪積物。土壤類型主要為洪沖積潮褐土、洪積褐土、壤質(zhì)潮土、粘質(zhì)潮土、覆蓋石灰性砂姜黑土、壤質(zhì)脫潮土。土壤中B、F、Hg、K、P等元素呈高背景，Co、Cu、I、Mo、Ni、Pb等元素呈低背景。

4 結(jié)論

（1）本文首次查明了青州市表層土壤元素地球化學(xué)背景值，為政府科學(xué)決策和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施肥提供了數(shù)據(jù)支撐。

（2）青州市表層土壤元素分布大多都比較均勻，只有Hg元素分布極不均勻，高值集中分布在青州市區(qū)及周邊，應(yīng)引起關(guān)注。

（3）青州市表層土壤元素背景值與濰坊市和山東省A層土壤均值比較，含量較高的指標(biāo)有有N和有機質(zhì)，而Se元素與濰坊相比含量也較高，且Se元素與N和有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)，且青州富硒土壤多分布在南部山區(qū)，應(yīng)結(jié)合南部山區(qū)的旅游資源，適時開發(fā)利用。而與全山東相比，明顯偏低的為F，這可能與山東省是全國地方性氟中毒（簡稱地氟病）最為嚴重的病區(qū)省份之一有關(guān)。