四川省南部縣土壤地球化學(xué)元素分布特征研究

曾琴琴，王永華，劉才澤，趙 禁，雷風(fēng)華

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610081）

四川省南部縣物產(chǎn)豐富，屬?lài)?guó)家商品糧基地縣。該縣屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候，全年氣候溫和、四季分明、雨量充沛、日照偏少。主要土壤類(lèi)型為紫泥土和水稻土。主要的土地利用類(lèi)型為耕地和有林地，分別占區(qū)域面積的53.45%和30.38%。區(qū)域物產(chǎn)豐富，糧食和經(jīng)濟(jì)作物主要有水稻、小麥、紅苕、油菜、棉花等，有國(guó)家商品糧食地縣、國(guó)家優(yōu)質(zhì)棉地縣、全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣、全省糧油基地縣等美譽(yù)。為強(qiáng)化綠色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品供給，目前南部縣正大力發(fā)展無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品、綠色食品、有機(jī)食品和地理標(biāo)志產(chǎn)品，著力打造親水、綠色、有機(jī)農(nóng)業(yè)區(qū)域品牌。本文通過(guò)對(duì)比研究調(diào)查區(qū)土壤地球化學(xué)元素分布特征，進(jìn)一步分析了影響元素分布的因素，為調(diào)查區(qū)土壤養(yǎng)分管理和發(fā)展綠色、無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品提供基礎(chǔ)信息。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川省東北部、南充市西北部，地理坐標(biāo)介于E105°27′～E106°24′、N31°04′～N31°30′。其北連閬中市、劍閣市，南靠西充縣、順慶區(qū)，東接儀隴縣、蓬安縣，西鄰鹽亭縣、梓潼縣，面積達(dá)2235km2（圖1）。該區(qū)地處廣南高速、成巴高速以及國(guó)道212 線(xiàn)、省道101 線(xiàn)、204 線(xiàn)及嘉陵江交匯處。區(qū)內(nèi)地貌主要為低山、丘陵（深丘、中丘、淺丘、緩丘）和平壩，地勢(shì)西北高、南東低，嘉陵江由北向東貫穿境內(nèi)，東岸屬大巴山余脈，西岸屬劍門(mén)山余脈，沿江岸為沖積平壩。

該區(qū)在川北坳陷和川中坳陷兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元所在的區(qū)域里，屬華夏古陸的一部分，為河湖相沉積碎屑巖系，相變甚大，巖性亦不穩(wěn)定。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，出露地層由老至新分別為中生界侏羅系上統(tǒng)遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組，白堊系下統(tǒng)蒼溪組、白龍組，第四系上更新統(tǒng)堆積層和全新統(tǒng)沖積層，主要巖性特征見(jiàn)表1、圖1。

表1 區(qū)域地層巖性表Table 1 Regional lithology and statigraphy

圖1 四川省南部縣區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Nanbu County，Sichuan Province

2 樣品采集、分析測(cè)試與數(shù)據(jù)處理

依據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》（中國(guó)人民共和國(guó)，2015）要求，采用雙層網(wǎng)格布點(diǎn)，分別采集表層和深層土壤樣品。表層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)／km2，垂直采集地表至20cm深度土壤，保證上下均勻采集，并去除表層枯枝、落葉、草根、礫石、肥料等雜物；深層土壤樣品采集密度為1 個(gè)點(diǎn)／4km2，采樣深度達(dá)到150cm以下，樣品自規(guī)定的起始深度以下連續(xù)采10～50cm 長(zhǎng)的土柱，避免采集基巖風(fēng)化層。土壤樣品原始重量大于1000g。樣品干燥后用尼龍篩，截取0.8mm（20 目）粒級(jí)的樣品不低于800g。表層、深層土壤樣品分別按4km2和16km2大格，等重量組合成一個(gè)分析樣。全區(qū)共采集表層土壤單點(diǎn)樣品2388 件，組合分析樣592 件；深層土壤樣品612 件，組合分析樣153 件。

樣品測(cè)試由四川省礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局成都綜合巖礦測(cè)試中心完成。分析方法包括X 射線(xiàn)熒光光譜法、等離子體發(fā)射光譜法、等離子體質(zhì)譜法、原子熒光光譜法、催化比色法等，表層、深層土壤組合樣品分析測(cè)試指標(biāo)包括Ag、Al2O3、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、C、CaO、Cd、Ce、Cl、Cu、Cr、Co、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、MgO、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、TFe2O3、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Na2O、K2O、Org.C、pH 等54 項(xiàng)元素（指標(biāo)）。按照規(guī)范執(zhí)行樣品分析質(zhì)量要求及控制。

土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值指土壤發(fā)育過(guò)程中，元素（氧化物）含量未經(jīng)人類(lèi)明顯作用的、更接近自然豐度的第四系原生地球化學(xué)含量，反映在一定范圍內(nèi)深層土壤地球化學(xué)特征；土壤地球化學(xué)背景值指元素（氧化物）含量受自然應(yīng)力和人類(lèi)活動(dòng)共同作用影響，更接近現(xiàn)代工業(yè)化影響的次生含量，反映在一定范圍內(nèi)表層土壤地球化學(xué)特征（奚小環(huán)，2008；王云和魏復(fù)盛，1995）。二者既有區(qū)別又有聯(lián)系，土壤背景值一定程度上繼承了土壤基準(zhǔn)值的特征，總體上受土壤基準(zhǔn)值的控制。自從在花崗巖中發(fā)現(xiàn)元素分布服從正態(tài)分布以來(lái)，勘查地球化學(xué)家通過(guò)對(duì)地球化學(xué)數(shù)據(jù)分布形式（正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)）的檢驗(yàn)，來(lái)計(jì)算地球化學(xué)基準(zhǔn)值（Ahrens，1953，1954）。對(duì)深層土壤樣品分析數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，當(dāng)服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布時(shí)，分別采用算術(shù)平均值和幾何平均值代表基準(zhǔn)值；當(dāng)既不服從正態(tài)也不服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，則采用中位值和絕對(duì)中位置差的穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)方法來(lái)估算該元素的基準(zhǔn)值（成航新等，2014）。土壤地球化學(xué)背景值由表層土壤分析數(shù)據(jù)經(jīng)同樣方法處理得出。

依據(jù)元素變異系數(shù)、富集系數(shù)等分析不同地質(zhì)、地表環(huán)境土壤分布規(guī)律。變異系數(shù)（Cν）表示元素含量分布的均勻程度，Cν ＝標(biāo)準(zhǔn)差／平均值，其值越大表示越不均勻；富集系數(shù)（q）表示局部元素相對(duì)于全區(qū)的富集程度，q ＝單元平均值／全區(qū)平均值。參考成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)數(shù)據(jù)特征，變異系數(shù)Cν ＜0.2為均勻分布，0.25～0.4 為較均勻分布，Cν ＞0.4 為不均勻分布；q ＜0.7 表示貧乏，q ＞1.3 統(tǒng)稱(chēng)為富集。

3 分析與討論

3.1 土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值與背景值特征

研究區(qū)深層土壤C、CaO、Hg、Mo 等分布不均勻（表2）。與全國(guó)土壤基準(zhǔn)值相比，四川省南部縣Cd、Cr、F等基準(zhǔn)值較高，As、Co、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Se、V、Zn 等基準(zhǔn)值較低。與成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)基準(zhǔn)值比較，本區(qū)Bi、Br、C、Co、Org.C、Cr、Cu、Ga、Hg、I、Li、Mn、Mo、N、Ni、P、S、Sc、Se、TFe2O3、Th、V、W等較低，Ag、CaO、Na2O、pH、Sr等較高。

表層土壤CaO、Hg、La、Mo、S 等元素分布較不均勻，以CaO、Hg 等2 個(gè)指標(biāo)變異系數(shù)較高（＞0.4），但低于深層土壤變異系數(shù)，表明這些元素在成土過(guò)程和風(fēng)化淋濾等表生作用中，有明顯的地球化學(xué)遷移過(guò)程（鮑麗然等，2015）。與中國(guó)土壤背景值相比較，調(diào)查區(qū)土壤元素背景值以高CaO、Cd、Cr、F、Li、MgO、Ni、pH 值和低Ag、Al2O3、As、Bi、Br、Ge、Hg、I、La、Mo、Sb、Se、Sr、Th、U、W 為主要特征；與成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤背景值相比，多數(shù)元素（指標(biāo)）背景值較低，僅CaO、Na2O、pH、Sr 等較高。對(duì)比四川省僅有的21 個(gè)土壤背景值數(shù)據(jù)，僅CaO、Cd、F、Hg、MgO、Se等較高（CaO、Cd、F等元素（指標(biāo)）高達(dá)2 倍以上）；Cr、K2O、Ni等3 個(gè)元素（指標(biāo)）相當(dāng)，其余指標(biāo)均較低。本區(qū)土壤以堿性為主，重金屬元素總體含量偏低，為清潔土壤，同時(shí)Se、I、Org.C較為缺乏。通過(guò)合理改善土壤肥力條件，可進(jìn)一步推進(jìn)該區(qū)綠色、有機(jī)農(nóng)業(yè)品牌打造進(jìn)程。

3.2 土壤元素富集與貧化分析

土壤化學(xué)成分受控于母巖類(lèi)型，與母巖元素地球化學(xué)特征一致（林才浩等，2007）。同時(shí)，成土過(guò)程中表層土壤受自然風(fēng)化淋濾作用影響及人為作用等多種外源輸入，表層土壤與深層土壤元素地球化學(xué)特征出現(xiàn)了明顯的特征差異。對(duì)比區(qū)內(nèi)土壤背景值與基準(zhǔn)值，可以推斷成土過(guò)程中元素的富集與貧化特征。

由表2 可知，區(qū)內(nèi)多數(shù)元素背景值與基準(zhǔn)值相當(dāng)，差異較小，而C、CaO、Cd、Org.C、I、MgO、N、P、S、Se等10 種元素（指標(biāo)）背景值明顯高于基準(zhǔn)值，表明這些元素在成土過(guò)程因受自身地球化學(xué)行為和人為活動(dòng)的影響而富集。研究區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)施肥及植物凋落是表層土壤Org.C、C、N、S、P 的主要輸入源；工業(yè)生產(chǎn)、生活垃圾、農(nóng)業(yè)施肥等多種因素導(dǎo)致Cd等重金屬元素在表層土壤積累；Se 的局部富集主要是由于成土過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的吸附作用，使其流失較少（魏然等，2012）；土壤有機(jī)質(zhì)是決定I元素持留能力的重要因素，富含有機(jī)質(zhì)的土壤往往富含I（劉宇麗，2011），本區(qū)有機(jī)質(zhì)和I元素均較缺乏。Au、B、Hg、Mo 等背景值低于基準(zhǔn)值，表生條件下元素淋溶流失造成Mo、Au等元素貧化，尤其是Hg 自身的不穩(wěn)定性，使得背景值與基準(zhǔn)值產(chǎn)生了巨大的差異。

表2 四川南部縣土壤元素（指標(biāo)）地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Elements and geochemical parameters of soil in Nanbu County，Sichuan Province

3.3 表層土壤元素地球化學(xué)特征

表層土壤能夠不斷供應(yīng)和協(xié)調(diào)作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的水分、養(yǎng)分、空氣、熱量和其他生活必須的條件，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的中物質(zhì)與能量交換的重要場(chǎng)所，也是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。

3.3.1 不同地質(zhì)背景（母巖）表層土壤元素地球化學(xué)特征

母巖是土壤最基本、最直接的物質(zhì)來(lái)源。對(duì)比不同母巖區(qū)土壤富集系數(shù)（圖2）發(fā)現(xiàn)，As、Au、Hg、Mo、Sb、Se等元素在第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)地層富集特征明顯，但CaO在更新統(tǒng)地層分布較為貧乏；Cd、Co、Cu、Li、MgO、Mo、V 等元素在侏羅系遂寧組地層中富集特征明顯。各元素（指標(biāo)）在白堊系地層中富集系數(shù)變化較小，而侏羅系地層元素（指標(biāo)）富集系數(shù)變化差異最大，且以遂寧組元素（指標(biāo)）富集特征差異較大，可能與砂巖中火山碎屑關(guān)系密切。

圖2 不同pH值范圍元素（指標(biāo)）含量變化柱狀圖Fig.2 Column diagrams showing relation between elemets contents and different pH values

續(xù)表2

調(diào)查區(qū)各地層元素（指標(biāo)）變異系數(shù)變化趨勢(shì)總體一致，僅第四系地層部分元素變異系數(shù)大于0.4外，表明各母巖區(qū)元素分布比較均勻，尤以侏羅系遂寧組地層元素（指標(biāo)）分布最為均勻（變異系數(shù)小于0.2）。

3.3.2 不同pH 環(huán)境表層土壤中重金屬元素及生物營(yíng)養(yǎng)有益指標(biāo)地球化學(xué)特征

土壤pH值反映土壤的酸堿程度，是土壤基本的理化性質(zhì)之一，它影響著土壤中各種元素的含量、存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化（蔡曉明和尚玉昌，1995）。研究區(qū)表層土壤主要呈堿性，堿性強(qiáng)堿性（pH≥7.5）占調(diào)查面積的96.8%。通過(guò)分析表層土壤重金屬元素和生物營(yíng)養(yǎng)有益等24 項(xiàng)指標(biāo)（圖2），依據(jù)土壤酸堿度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國(guó)，2016），統(tǒng)計(jì)土壤pH值對(duì)元素的影響。

對(duì)As、Cd、Cr 等8 個(gè)重金屬元素分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)重金屬元素含量對(duì)土壤pH 反應(yīng)較為敏感，其中部分元素含量隨著pH 值增加呈遞減趨勢(shì)，如As、Cr、Cu、Pb等，這是因?yàn)樵谒嵝詶l件下土壤粘粒礦物和有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷減少，重金屬吸附能力下降，As 等易于形成可溶態(tài)遷移淋失（鐘曉蘭等，2009）。另有部分元素含量隨pH 值變化而發(fā)生波動(dòng)，如Hg、Ni、Zn，其中，Hg 元素含量在酸性環(huán)境（pH值5.5～6.5）中最高，而堿性環(huán)境中（pH 值7.5～8.5）最低；Ni 在中酸性（pH 值5.5～7.5）最低，而在強(qiáng)酸性和堿性環(huán)境中含量均升高；而Zn 含量最低值在酸性環(huán)境中（pH 值5.5～6.5），最高值在強(qiáng)酸性環(huán)境中，在中堿性環(huán)境中含量趨于穩(wěn)定。僅Cd元素含量隨著pH 值增加而增加。楊忠芳等研究表明，當(dāng)pH ＜6.5 時(shí)，水溶態(tài)鎘含量隨pH值迅速增加，導(dǎo)致Cd 大量淋失、或被植物吸收而遷移出土壤環(huán)境，而堿性條件易于促進(jìn)鎘在土壤沉積介質(zhì)環(huán)境中沉積從而加大環(huán)境介質(zhì)中總鎘的含量（楊忠芳等，2005）。

土壤中Se、I元素在酸性土壤中含量最高，中性和堿性土壤中含量降低，但最低值一般出現(xiàn)在強(qiáng)酸性土壤中；F元素在強(qiáng)酸性和堿性土壤中元素含量高于中酸性土壤。

Mn、Cl、N、P、K2O、S、C、CaO、Org.C 等元素（指標(biāo)）含量變化呈漸增型，高值均出現(xiàn)在堿性環(huán)境中。其中，碳酸鈣水解是土壤中OH-的主要來(lái)源之一，Ca2＋、K＋增加，OH-濃度升高，而溶解在水中的O2在堿性條件下可以將Mn2＋氧化成Mn（OH）2，并加速C、N、P、S、Cl、Org.C 的分解，由此形成了堿性環(huán)境中相對(duì)高含量的特征。

Co、B、Mo、Ge、SiO2、TFe2O3等元素（指標(biāo)）含量變化呈遞減型，說(shuō)明在強(qiáng)酸性環(huán)境中易于富集，不易淋失。

本區(qū)pH值較高，重金屬活性低，植物吸收重金屬的能力也較低。在土壤未受到重金屬污染的情況下，可適度降低pH值，防止土壤中鎘等重金屬元素的沉積富集，避免被農(nóng)作物吸收而威脅人類(lèi)健康。

4 結(jié)論

四川省南部縣土壤地球化學(xué)物質(zhì)組成豐富，受成土母質(zhì)影響較大，有益及有害元素分布不均、豐缺程度不等。其中，表層土壤以高CaO、Cd、Cr、F、Li、MgO、Ni、pH 值，低Ag、Al2O3、As、Bi、Br、Ge、Hg、I、La、Mo、Sb、Se、Sr、Th、U、W等為主要特征；深層土壤As、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Co、Mn、Se、V 等低于全國(guó)土壤基準(zhǔn)值。該區(qū)地表環(huán)境中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8 個(gè)重金屬元素含量普遍較低，具有發(fā)展綠色、無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)業(yè)的潛力。

研究區(qū)內(nèi)多數(shù)元素對(duì)土壤酸堿度反應(yīng)敏感。因地制宜、科學(xué)合理施肥，適當(dāng)改善土壤酸堿度，對(duì)區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地影響具有重要的意義。