湖北省屈家?guī)X管理區(qū)土壤質(zhì)量地球化學(xué)等級劃分及應(yīng)用建議

王 宇， 阮業(yè)東， 劉冬勤， 楊偉衛(wèi)， 閆 芳， 劉孟合

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,湖北 大冶 435100)

土壤作為土地的重要載體,是不可缺少、難以再生的自然資源,土壤的質(zhì)量直接影響到人類的生產(chǎn)、生活和發(fā)展[1]。隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的深入,中國土壤環(huán)境污染不斷加劇,土壤環(huán)境質(zhì)量不斷降低,人口、資源、環(huán)境之間的矛盾日趨尖銳,極大地限制了經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,因上述問題造成的土壤退化總面積約460萬km2,占中國土地總面積的40%,占全球土壤退化總面積的1/4[2]。因此,土壤質(zhì)量研究已經(jīng)成為發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要前提和基礎(chǔ)性工作[3-4]。

屈家?guī)X管理區(qū)是“中國農(nóng)谷”建設(shè)的核心區(qū)，土地總面積為223.33 km2,其中農(nóng)用地173.58 km2,占土地總面積的77.72%。該區(qū)土壤質(zhì)量直接關(guān)系到農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì),因此亟待開展土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價。本文以屈家?guī)X管理區(qū)1∶5萬土壤地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取土壤中養(yǎng)分元素、環(huán)境元素、健康元素開展土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價,并進(jìn)行土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級劃分,以期為當(dāng)?shù)赝恋乩靡?guī)劃、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)土地資源發(fā)掘與開發(fā)、生態(tài)環(huán)境治理等工作提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

屈家?guī)X管理區(qū)地處湖北省荊門市東南部,背靠大洪山麓,面向江漢平原，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°47′～112°58′，北緯30°42′～31°05′。該區(qū)為南方與北方氣候過渡地帶,屬亞熱帶季風(fēng)氣候。溫暖多雨,年平均氣溫為16.3 ℃;寒冷期短,無霜期長,全年無霜期一般為251 d左右;年平均降雨量為1 112.4 mm,年平均降雨日為119.8 d;年平均日照時數(shù)為1 873.2 h,全年蒸發(fā)量為1 339.2 mm左右;年相對濕度為77%,六七月間梅雨季節(jié)空氣濕度最大。夏季多東南風(fēng),冬季多西北風(fēng),年平均風(fēng)速2.4 m/s。

研究區(qū)總體呈NW向展布的狹長地帶，地勢東北高西南低,東北部為丘陵和低山,海拔高程一般為+100 m左右;西南部為沖積平原,海拔高程一般為+32～+37 m。低丘坡崗地土壤類型多為地帶性黃棕壤,成土母質(zhì)主要為第四紀(jì)粘土,以人工熟化土壤—水稻土為主,黃泥田次之。平原土壤為近代河流沖積母質(zhì)發(fā)育的成潮土(灰潮土亞類),土種主要為砂土型和壤土型灰潮土。區(qū)內(nèi)自然植被主要有闊葉林、竹林、灌叢、藤本、草本五種類型,主要農(nóng)作物類型為糧食作物(水稻、大麥、蠶豆、大豆、玉米、高粱、紅苕)和經(jīng)濟(jì)作物(棉花、油菜、花生、芝麻、綠豆)。

2 樣品的采集與測試

2.1 樣品采集與處理

在整個研究區(qū)采集1∶5萬土壤地球化學(xué)測量樣品1 801件(包含35件重復(fù)樣),全區(qū)平均采樣密度為7.92點/km2。采樣深度除1∶1萬果園采集毛根區(qū)為0～60 cm外,其它土地利用類型均為0～20 cm。在20～50 m范圍內(nèi)采取5點組合采樣,沿“S”形、“X”形或棋盤形采集子樣,樣品總重量為1 000～1 500 g。對于濕樣均在樣袋外套塑料袋以免相互污染。

土壤樣品在當(dāng)天核對登記后,置于干凈整潔的通風(fēng)場地并懸掛在樣品架上自然風(fēng)干。將風(fēng)干后的樣品平鋪在制樣板上,用木棍或塑料棍碾壓,除去植物殘體、石塊等雜物后過2 mm(10目)孔徑的尼龍篩,將未過篩的土粒重新碾壓過篩,直至樣品全部過篩為止。將過篩后的土壤樣品稱重后混勻,一部分樣品用紙袋盛裝，送實驗室分析；副樣(質(zhì)量不低于300 g)裝入干凈塑料瓶,送樣品庫保存。

2.2 檢測項目與分析方法

樣品檢測由湖北省地質(zhì)實驗測試中心和湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊實驗室完成。檢測項目為：Al、As、B、Ca、Cd、Cl、Co、Corg、Cr、Cu、F、Fe、Ge、Hg、I、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Ni、P、Pb、pH、S、Se、Si、V、Zn等,共30項。測試采用X射線熒光光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法,結(jié)合原子熒光光譜法、離子選擇電極法和容量法等專項分析方法,各元素檢出限均能滿足規(guī)范要求，各檢測項目的數(shù)據(jù)報出率、準(zhǔn)確度合格率、精密度合格率及內(nèi)檢合格率均為100%,符合規(guī)范要求[5]。

3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)等級劃分依據(jù)

3.1 評價單元

以土地利用現(xiàn)狀圖斑作為最小等級評價單元,當(dāng)評價單元中有一個評價數(shù)據(jù)時,該實測數(shù)據(jù)即為該評價單元的數(shù)據(jù)；當(dāng)評價單元中沒有評價數(shù)據(jù)時,采用距離加權(quán)反比插值法獲得每個評價單元相應(yīng)的評價數(shù)據(jù)。

3.2 單指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)及方法

3.2.1單指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

土壤pH、土壤健康元素Se、I、F和土壤養(yǎng)分元素N、P、K、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn的地球化學(xué)等級劃分指標(biāo)參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[6]所列國家標(biāo)準(zhǔn)值,土壤養(yǎng)分元素Na2O、SiO2、Al2O3、Cl的地球化學(xué)等級劃分指標(biāo)依據(jù)湖北省多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查樣品分析測試數(shù)據(jù)的20%、40%、60%和80%分別取近似值作為湖北省標(biāo)準(zhǔn)值。土壤環(huán)境元素As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb的地球化學(xué)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[7]。

3.2.2單指標(biāo)評價方法

土壤養(yǎng)分元素、健康元素及土壤pH的單指標(biāo)地球化學(xué)等級劃分是以上述分級指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，直接對土壤養(yǎng)分元素含量值、健康元素含量值及pH值進(jìn)行等級劃分。當(dāng)評價單元內(nèi)某一元素含量值或pH值處于某一分級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時,即認(rèn)為該評價單元為相應(yīng)的等級。土壤養(yǎng)分元素、健康元素地球化學(xué)等級中的一等、二等、三等、四等、五等對應(yīng)的含義分別為豐富、較豐富、中等、較缺乏和缺乏。

土壤環(huán)境元素單指標(biāo)地球化學(xué)等級劃分采用污染指數(shù)法，污染指數(shù)計算公式為：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi為i指標(biāo)污染指數(shù);Ci為i指標(biāo)的實測值,單位為mg/kg;Si為i指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)值,單位為mg/kg。

計算出單指標(biāo)污染指數(shù)后,按照土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分界限值,進(jìn)行土壤環(huán)境地球化學(xué)單指標(biāo)等級劃分(表1)。

表1 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分表Table 1 Geochemical classification table of soil environment

3.3 綜合評價標(biāo)準(zhǔn)及方法

3.3.1土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及方法

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分是在N、P、K單指標(biāo)地球化學(xué)等級劃分基礎(chǔ)上,計算得到養(yǎng)分元素地球化學(xué)綜合得分f養(yǎng)綜。計算公式為：

(2)

式中:f養(yǎng)綜為N、P、K綜合評價總得分;ki為N、P、K權(quán)重系數(shù),分別為0.4、0.4和0.2;fi分別為N、P、K單指標(biāo)評價等級得分,單指標(biāo)評價等級中的五等、四等、三等、二等、一等所對應(yīng)的fi分別為1分、2分、3分、4分、5分。土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分要求見表2。

表2 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分表Table 2 Comprehensive classification of soil nutrient geochemistry

3.3.2土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及方法

在土壤單指標(biāo)環(huán)境地球化學(xué)等級劃分基礎(chǔ)上,視單指標(biāo)劃分出的最差環(huán)境等級等同于該評價單元的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級。如As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Ni、Zn劃分出的環(huán)境地球化學(xué)等級分別為四等、二等、三等、二等、二等、三等、二等和二等,則該評價單元的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級為四等。

3.3.3土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及方法

土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級由評價單元的土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級與土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級疊加產(chǎn)生。土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級的表達(dá)圖示見表3。

表3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級劃分表Table 3 Diagram and meaning of comprehensive evaluationgrade of soil geochemical quality

4 土壤質(zhì)量地球化學(xué)等級

4.1 土壤養(yǎng)分元素地球化學(xué)等級

土壤養(yǎng)分是評價土壤肥力的重要標(biāo)志,能供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)與環(huán)境條件,對土地的可持續(xù)利用具有重要作用[8]。利用“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(hù)(應(yīng)用)子系統(tǒng)”軟件對各元素等級圖斑進(jìn)行面積統(tǒng)計(表4,圖1)。結(jié)果表明,研究區(qū)土壤V、Co含量最為豐富,較豐富—豐富等級面積占比超過93.48%;Fe2O3、SiO2、B、Mn、Mo、Ge、Cu等元素豐富,較豐富—豐富等級面積占比均>75.43%;Corg、Na2O缺乏,較缺乏—缺乏等級面積占比達(dá)74%以上;P、CaO、MgO、S、Cl、Al2O3、Zn較為缺乏,較缺乏—缺乏等級面積占比為30.02%～72.47%;N、K2O含量適中,中等級別面積占比為57.87%～64.56%。

圖1 土壤養(yǎng)分元素等級面積比例對比圖Fig.1 Comparison chart of soil nutrient element grade area ratio

表4 土壤養(yǎng)分元素豐缺等級面積統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of abundance and deficiency grade area of soil nutrient elements

4.2 土壤環(huán)境元素地球化學(xué)等級

土壤重金屬不僅會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì),還會隨著環(huán)境變化發(fā)生遷移并進(jìn)入生物鏈危害人體健康[9-11]。對各環(huán)境元素含量等級圖斑進(jìn)行面積統(tǒng)計(表5,圖2)。結(jié)果表明,研究區(qū)土壤環(huán)境元素質(zhì)量狀況非常好,各元素清潔區(qū)面積所占比例均在99%以上。As、Cd、Cr、Hg、Ni僅存在極小面積的輕微及以下程度污染，這些污染主要分布于郭灣生產(chǎn)隊和鴉谷山生產(chǎn)隊等基巖出露區(qū),成土母質(zhì)主要為二疊系茅口組灰?guī)r,土壤一般呈中性—弱酸性。

圖2 土壤環(huán)境元素污染等級面積比例對比圖Fig.2 Area chart of soil environmental element pollution grade

表5 土壤環(huán)境元素污染程度面積統(tǒng)計表Table 5 Area statistical table of soil environmental element pollution degree

4.3 土壤健康元素地球化學(xué)等級

土壤健康元素地球化學(xué)評價結(jié)果見表6。評價區(qū)土壤健康元素含量普遍較高,Se含量為適量、高含量、極高含量的面積占比分別為94.94%、3.16%、0.02%，合計為98.12%；I含量為適量、高含量的面積分別占63.54%、4.92%，合計為68.46%；F含量為適量、高含量、極高含量的面積分別占19.95%、38.90%、5.38%，合計為64.23%。

表6 土壤健康元素質(zhì)量等級面積統(tǒng)計表Table 6 Area statistical table of soil health element quality grade

隨著全國土地普查的深入開展,富Ge土壤及農(nóng)作物得到了眾多專家學(xué)者的關(guān)注。Ge是生命的必需元素,能提高人體細(xì)胞的供養(yǎng)能力,具有殺菌、消炎、抑制腫瘤惡化、治療老年癡呆、延緩衰老等作用[12]。本次對土壤Ge進(jìn)行了等級劃分,發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)富Ge土壤(Ge≥1.4 mg/kg)面積為189.60 km2,占全區(qū)面積的84.90%。

4.4 土壤pH地球化學(xué)等級

通過對研究區(qū)土壤pH地球化學(xué)進(jìn)行評價(表7),發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)以酸性土壤為主(面積占57.29%),其次為堿性土壤(面積占27.30%),中性土壤面積僅占15.41%。

表7 土壤酸堿度面積統(tǒng)計表Table 7 Area statistical table of soil pH

5 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級

5.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分結(jié)果見表8和圖3。研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級以中等為主,該等級面積為109.58 km2，占研究區(qū)面積的49.07%；較缺乏等級次之，該等級面積為76.31 km2，占比34.17%；再次為較豐富等級，面積為33.07 km2,占比14.81%；豐富、缺乏等級面積較小。土壤養(yǎng)分元素較缺乏區(qū)和缺乏區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部梭墩、趙坡、郭灣、鴉谷山、龍?zhí)?、姜畈等生產(chǎn)隊,在其它地區(qū)零星分布。

表8 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級面積統(tǒng)計表Table 8 Area statistical table of soil nutrient geochemistry comprehensive grade

圖3 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級圖Fig.3 Area chart of soil nutrient elements comprehensive grade

5.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級

土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級劃分結(jié)果見表9和圖4。研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量以清潔為主,清潔區(qū)面積占比98.90%，幾乎分布于整個研究區(qū)。輕度污染區(qū)面積為0.36 km2,中度污染區(qū)面積為0.06 km2,二者僅占總面積的0.18%,分布于鴉谷山和郭灣生產(chǎn)隊一帶的基巖出露區(qū)。

圖4 土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級圖Fig.4 Area chart of soil environment comprehensive grade

表9 土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級面積統(tǒng)計表Table 9 Area statistical table of soil environment geochemical comprehensive grade

5.3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級

土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級劃分結(jié)果見表10和圖5。研究區(qū)土壤質(zhì)量以良好(二等)為主,面積為108.85 km2,所占比例為48.74%；其次為中等(三等),面積和比例分別為76.85 km2和34.41%；優(yōu)質(zhì)(一等)地面積為33.06 km2,所占比例為14.80%；差等—劣等土壤很少，其面積僅占總面積的2.05%。在空間分布上,土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級分布特征與土壤養(yǎng)分綜合等級相似。

圖5 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級圖Fig.5 Area chart of soil quality comprehensive grade

表10 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級面積統(tǒng)計表Table 10 Area statistical table of soil quality geochemical comprehensive grade

6 應(yīng)用建議

6.1 永久性基本農(nóng)田劃定調(diào)整建議

建議以本次調(diào)查的土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級劃分結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合屈家?guī)X管理區(qū)土地利用總體規(guī)劃,對該區(qū)永久基本農(nóng)田進(jìn)行重新規(guī)劃調(diào)整。具體建議如下：

(1) 將土壤質(zhì)量達(dá)到三等以上、未劃入永久基本農(nóng)田區(qū)的耕地作為新增基本農(nóng)田區(qū)。按此建議，需保留的永久基本農(nóng)田為83.09 km2,占研究區(qū)耕地面積的64.20%；需調(diào)入的永久基本農(nóng)田為45.47 km2,占比為35.17%。

(2) 將土壤質(zhì)量為四等或五等、原已劃入的永久基本農(nóng)田調(diào)出,作為其它用地。按此建議，需劃出的永久基本農(nóng)田為0.72 km2，占比0.56%。

(3) 將土壤質(zhì)量達(dá)到二等以上的永久基本農(nóng)田調(diào)整為永久基本農(nóng)田示范區(qū)。按此建議，需調(diào)整為永久基本農(nóng)田示范區(qū)的農(nóng)田為43.18 km2,占比為33.40%。

6.2 土壤重金屬污染治理建議

區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量較好,污染區(qū)主要分布于林地、采礦用地,自然高背景的Cd、Ni是導(dǎo)致土壤重金屬污染的主要原因，但由于重金屬污染遠(yuǎn)離大片耕地區(qū),目前影響不大。研究區(qū)土地利用應(yīng)以預(yù)防污染為主,具體建議如下：

(1) 一等、二等、三等土壤以預(yù)防污染為主。西南平原地帶農(nóng)業(yè)種植區(qū)應(yīng)合理施用農(nóng)藥和化肥,使用高效、低毒、低殘留的農(nóng)藥。城鎮(zhèn)周邊應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管,對糞便、垃圾和生活污水進(jìn)行無害化處理。慎重推廣污水灌溉,對灌溉農(nóng)田的污水要嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)測和控制。加強(qiáng)對工業(yè)廢氣、廢水、廢渣的治理和綜合利用,防止向一等、二等、三等土壤任意排放含各種污染物質(zhì)的廢物。

(2) 四等土壤以調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和耕作方式為主。建議在有害重金屬元素高值區(qū)或富集區(qū)種植對該元素不富集、低富集或有拮抗能力的農(nóng)作物,盡量不選擇對該種元素明顯富集的農(nóng)作物種類,如土壤Cd高值區(qū)或富集區(qū)內(nèi)盡量不種植水稻;土壤Pb高值區(qū)或富集區(qū)內(nèi)盡量不種植蔬菜等葉類農(nóng)產(chǎn)品。

(3) 五等土壤以土壤修復(fù)為主?？煞N植綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化土壤中的污染物,降低其對環(huán)境的危害，該方法成本低、效果較好且不破壞環(huán)境，值得推廣。

7 總結(jié)

研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級以中等及以上等級為主，較缺乏次之，缺乏較少，前兩者面積分別為142.82 km2、76.31 km2，分別占研究區(qū)面積的63.95%、34.17%。土壤環(huán)境地球化學(xué)等級以清潔為主，輕微污染及以下等級很少，前者面積為220.87 km2，占比98.90%。土壤質(zhì)量地球化學(xué)等級以良好—優(yōu)質(zhì)、中等為主，差等和劣等較少，前兩者面積分別為141.91 km2、76.85 km2，分別占研究區(qū)面積的65.54%、34.41%。此外區(qū)內(nèi)富Ge土壤面積為189.60 km2，為發(fā)展富鍺農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)提供了地質(zhì)依據(jù)。

以土壤質(zhì)量地球化學(xué)等級劃分為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)土地利用總體規(guī)劃，提出了調(diào)整永久性基本農(nóng)田劃定、治理土壤重金屬污染的建議。