山東省聊城市“聊茌東”都市區(qū)地球化學(xué)背景值研究

喻超，王英鵬，王增輝，蔡青，王紅晉，任文凱

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院,山東 濟(jì)南 250014; 2.山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)與污染防治工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250012)

0 引言

2003—2016年，山東省通過(guò)4個(gè)1∶25萬(wàn)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了全省陸域范圍全覆蓋，這些調(diào)查成果在國(guó)家和省級(jí)層面取得了豐碩成果[1-11]。隨后，為適應(yīng)縣域級(jí)應(yīng)用需求，山東省在1∶25萬(wàn)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，相繼開(kāi)展了多個(gè)縣域范圍的1∶5萬(wàn)大比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作[12-18]。2019年，通過(guò)在山東省聊城市東昌府區(qū)、茌平區(qū)和東阿縣開(kāi)展的1∶5萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查，分析獲取了各類重金屬和營(yíng)養(yǎng)元素指標(biāo)共計(jì)28項(xiàng)，基于地質(zhì)背景、土壤類型和行政區(qū)單元統(tǒng)計(jì)并研究了調(diào)查區(qū)地球化學(xué)背景及特征，并與2003年調(diào)查區(qū)獲取的1∶25萬(wàn)土壤地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[11]，分析了其差異性。

1 概述

1.1 自然地理

“聊茌東”都市區(qū)，是以涵蓋聊城市中心城區(qū)(東昌府區(qū)、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、高新區(qū)、旅游度假區(qū))、茌平區(qū)和東阿縣為中心所形成的城鎮(zhèn)群，總面積約3173km2，本次調(diào)查范圍包括山東省聊城市東昌府區(qū)、茌平縣和東阿縣，野外調(diào)查總面積2576km2(圖1)。聊城市處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有顯著的季節(jié)變化和季風(fēng)氣候特征，屬半干旱大陸性氣候，年平均氣溫為13.5℃，近10年平均年降水量為578.7mm，全年最多風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)、偏南風(fēng)，又以春季出現(xiàn)的頻率最高，其次為北風(fēng)、偏北風(fēng)。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

1.2 地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)位于黃河下游流域，位于魯西平原區(qū)，地勢(shì)自西南向東北傾斜，地質(zhì)背景比較單一，99.97%區(qū)域?yàn)榈谒募o(jì)地層沉積覆蓋區(qū)。調(diào)查區(qū)自上而下主要發(fā)育有第四紀(jì)魚(yú)臺(tái)組、巨野組和單縣組，占調(diào)查區(qū)面積的95.58%，另外第四紀(jì)黑土湖組和黃河組占調(diào)查區(qū)面積的4.39%，寒武紀(jì)九龍群炒米店組和三山子組僅占調(diào)查區(qū)面積的0.03%。聊城市境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造屬華北板塊的一部分，聊考(聊城-蘭考)斷裂帶又將全市分為2個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，其西部為遼冀臺(tái)向斜，東部為魯西臺(tái)背斜。遼冀臺(tái)向斜中有2個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，即臨清坳陷區(qū)和魯中隆起區(qū)；魯西臺(tái)背斜中有1個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，即茌平凸起區(qū)。自西向東又分3個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元；館陶凸起區(qū)、堂邑凸起區(qū)、東阿凹陷區(qū)。境內(nèi)分布許多斷裂，其走向一般呈NE向。較大的斷裂為聊考大斷裂，其次有堂邑?cái)嗔选④萜綌嗔?、東阿斷裂。另外，還有許多小斷裂。

1.3 土壤類型

根據(jù)全國(guó)土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程和《山東省第二次土壤普查土壤工作分類暫行方案》，區(qū)內(nèi)土壤共分潮土、脫潮土、鹽化潮土及草甸風(fēng)砂土等共8種土壤類型。潮土是區(qū)內(nèi)占比最大的土壤亞類，分布面積廣泛，其次為鹽化潮土和脫潮土，占比分別為55.65%，20.81%和15.13%，其余土壤類型面積占比均低于3%。

1.4 土地利用類型

調(diào)查區(qū)內(nèi)土地利用類型多樣，區(qū)內(nèi)土體深厚，灌溉便利，因此農(nóng)耕區(qū)面積較大，是重要的糧食作物產(chǎn)區(qū)，農(nóng)用地大類占76.59%，其中耕地和園地(水田、水澆地、旱地、果園、其他園地)面積較大，占調(diào)查區(qū)面積的67.79%，以水澆地為主(67.24%)；水田和旱地面積僅占0.05%；果園和其他園地面積占0.51%；有林地面積占5.81%。建設(shè)用地面積占調(diào)查區(qū)的17.86%，未利用地占5.55%。

2 工作方法

2.1 樣品采集

調(diào)查區(qū)土壤表層樣品的布設(shè)以第二次全國(guó)土地調(diào)查1∶5萬(wàn)土地利用圖斑為依據(jù)，以1∶5萬(wàn)的千米網(wǎng)格為參照控制布點(diǎn)密度，每個(gè)千米網(wǎng)格中每500m×500m小網(wǎng)格內(nèi)至少布設(shè)一個(gè)土壤樣點(diǎn)，土地利用方式復(fù)雜多樣時(shí)，在主要的地類中進(jìn)行樣品布設(shè)。本次調(diào)查重點(diǎn)以農(nóng)用地為主要調(diào)查對(duì)象，優(yōu)先針對(duì)耕地、林地和園地，其次為建設(shè)用地和未利用地。土壤樣點(diǎn)布設(shè)在地類中央，離主要路網(wǎng)至少100m，避免人為因素干擾。每個(gè)樣點(diǎn)均在布設(shè)點(diǎn)位東南西北4個(gè)方向15～20m及中心點(diǎn)采集表層0～20cm深度土壤樣品，各分樣點(diǎn)等量采集組合成樣，原始樣重大于1000g。每個(gè)點(diǎn)位的土壤樣品均經(jīng)過(guò)通風(fēng)陰干，并全部過(guò)10目尼龍篩，過(guò)篩后的土壤樣品用“四分法”將250g待測(cè)樣品裝牛皮紙袋送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步樣品前處理。整個(gè)調(diào)查區(qū)共采集表層土壤樣品9497件。

2.2 樣品分析

本次土壤樣品測(cè)試指標(biāo)包括As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Ge、Hg、I、Mn、Mo、Ni、P、Pb、S、Se、V、Zn、N、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、K2O、SOM、pH共計(jì)28項(xiàng)。樣品分析測(cè)試由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心(國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心)完成。土壤樣品采用等離子體發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法、發(fā)射光譜法、原子熒光光譜法、石墨爐原子吸收法、離子選擇性電極法、催化極譜法、化學(xué)發(fā)射光譜法等配套方法測(cè)試。樣品測(cè)試質(zhì)量由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組進(jìn)行監(jiān)控，采用了標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段，保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性，測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試精度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3 地球化學(xué)背景值

土壤是在成土母質(zhì)、氣候、地形、生物和時(shí)間及人為活動(dòng)等綜合因素作用下形成的，這些因素始終是同時(shí)地、不可分割地影響著土壤的發(fā)生和發(fā)展，不可相互代替地參加了土壤的形成過(guò)程，制約著土壤的形成和演化，因而形成不同的化學(xué)元素區(qū)域背景。為了詳細(xì)了解區(qū)內(nèi)不同自然原始狀態(tài)條件的土壤地球化學(xué)背景值的特點(diǎn)，土壤元素地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)按照全區(qū)、地質(zhì)背景(成土母質(zhì))、土壤類型和行政區(qū)等4個(gè)不同單元統(tǒng)計(jì)了元素指標(biāo)地球化學(xué)背景特征參數(shù)來(lái)研究土壤中的元素地球化學(xué)特征。

本文以調(diào)查區(qū)表層土壤(0～20cm)分析測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理[1-2]和正態(tài)分布檢驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)獲取的平均值為統(tǒng)計(jì)單元表層土壤元素地球化學(xué)背景值。將統(tǒng)計(jì)獲取的背景值與參比區(qū)進(jìn)行對(duì)比研究，K值是單元元素背景值與參比區(qū)(全省、全市、調(diào)查區(qū))的比值，利用K值可比較出單元元素的相對(duì)富集或貧乏特點(diǎn)。這里定義比值<0.70時(shí)為明顯偏低，比值在0.7～0.90時(shí)為略偏低，比值0.90～1.10時(shí)為接近(或相當(dāng))，比值在1.10～1.30時(shí)為略偏高，比值>1.30時(shí)為明顯偏高，>2.0為顯著偏高。變異系數(shù)是反映元素分布均勻程度的一個(gè)重要參數(shù)，變異系數(shù)<0.3，元素分布均勻；0.3≤變異系數(shù)<1.0，元素分布較不均勻；1.0≤變異系數(shù)<1.5，元素分布不均勻；變異系數(shù)≥1.5，元素分布極不均勻。

3.1 全區(qū)地球化學(xué)背景值

調(diào)查區(qū)表層土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表 1。

表1 聊茌東調(diào)查區(qū)表層土壤地球化學(xué)背景統(tǒng)計(jì)特征值

調(diào)查區(qū)表層土壤地球化學(xué)背景值與聊城市[11]及山東省[11]表層土壤均值對(duì)比特征如下：

與全市土壤背景值相比(圖2)，明顯偏高的指標(biāo)為I、SOM、P、N和S，略偏高的指標(biāo)為Cd、Hg、Mo、F、Se、Mn、TFe2O3、Zn和Cu，基本接近的指標(biāo)為B、Ni、Co、MgO、As、Pb、pH、CaO、Ge、K2O、SiO2、Cr、V和Al2O3。

與全省表層土壤均值相比(圖2)，明顯偏高的指標(biāo)為P、I、CaO、Hg、S、SOM、N、Cd、As和MgO，略偏高的指標(biāo)為B、F、Se、Mo、pH和Zn，基本接近的指標(biāo)為TFe2O3、Mn、Ni、Cu、Cr、Ge、V、SiO2、Co、Pb、K2O，略偏低的指標(biāo)為Al2O3。

圖2 調(diào)查區(qū)表層土壤背景值與聊城市及山東省背景值比值

調(diào)查區(qū)表層土壤元素指標(biāo)原始變異系數(shù)介于0.03～1.04之間。變異系數(shù)大于1的指標(biāo)僅為Hg元素，變異系數(shù)在0.3～1.0之間的指標(biāo)包括S、Se、I、Cd和P，數(shù)據(jù)離散程度較大，含量變化較大。變異系數(shù)小于0.3的指標(biāo)為SOM、N、Cu、Zn、Pb、Mo、As、CaO、F、Ni、Co、Mn、Cr、V、MgO、B、TFe2O3、Al2O3、Ge、K2O、SiO2、pH，數(shù)據(jù)離散程度小，含量分布均勻。對(duì)原始數(shù)據(jù)采用均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)離差離群值后，數(shù)據(jù)離散程度明顯降低，變異系數(shù)介于0.027～0.39之間，I和Hg變異系數(shù)為0.39和0.30，其余指標(biāo)變異系數(shù)均<0.3，原始數(shù)據(jù)和剔除離群值后數(shù)據(jù)的變異系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)查區(qū)表層土壤原始數(shù)據(jù)和剔除離群值后數(shù)據(jù)的變異系數(shù)對(duì)比

3.2 主要地質(zhì)背景單元地球化學(xué)背景值

調(diào)查區(qū)表層土壤主要包含第四紀(jì)全新世巨野組、單縣組、魚(yú)臺(tái)組、黃河組和黑土湖組。各母質(zhì)單元土壤地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表2，由表2可知，不同成土母質(zhì)單元中各元素指標(biāo)的地球化學(xué)背景值存在一致性和差異性，不同單元之間指標(biāo)的變異系數(shù)也有較大差異。各成土母質(zhì)單元土壤地球化學(xué)背景值與調(diào)查區(qū)背景值對(duì)比特征如下：

單縣組、巨野組和魚(yú)臺(tái)組成土母質(zhì)單元表層土壤統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，3個(gè)成土母質(zhì)單元元素指標(biāo)地球化學(xué)背景值與全區(qū)背景值一致，各元素指標(biāo)與全區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果比值均在0.9～1.1范圍之內(nèi)，說(shuō)明元素指標(biāo)在3種地質(zhì)單元的背景值差異不明顯。

黑土湖組單元表層土壤中I、N、SOM、Cd、Hg、P和S背景值與全區(qū)相比略偏低，與全區(qū)背景值相比，比值介于0.7～0.9之間，其中SOM背景值最低，是全區(qū)背景值的75%；As、B、Co、Cr、Cu、Ge、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、V、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、K2O和pH與全區(qū)基本一致，與全區(qū)背景值比值在0.9～1.1之間。

黃河組單元表層土壤中僅I元素明顯偏低，背景值為全區(qū)背景值的69%；P、Hg、N、S、Se和SOM背景值與全區(qū)相比偏低，與全區(qū)背景值比值在0.7～0.9之間；As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Ge、Mn、Mo、Ni、Pb、V、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、K2O和pH背景值與全區(qū)基本一致，與全區(qū)背景值比值在0.9～1.1之間；CaO背景值與全區(qū)背景值比值為1.15，略偏高。

調(diào)查區(qū)主要由單縣組、巨野組和魚(yú)臺(tái)組3種成土母質(zhì)單元組成，此3種單元土壤指標(biāo)背景值與全區(qū)一致；黃河組和黑土湖組面積占比相對(duì)較小，分布較少，元素指標(biāo)背景值存在一些差異，差異指標(biāo)主要為I、Hg、SOM、N、P和S等。從背景值統(tǒng)計(jì)中的變異系數(shù)來(lái)看，Hg和I在各成土母質(zhì)單元中的變異系數(shù)均相對(duì)較高，黃河組中I、N、P、S、SOM變異系數(shù)均大于0.35，相對(duì)較大，說(shuō)明這幾個(gè)指標(biāo)的含量變化相對(duì)較大。

3.3 主要土壤類型單元地球化學(xué)背景值

調(diào)查區(qū)分布有8種土壤類型，分別為草甸風(fēng)沙土、草甸鹽土、濕潮土、潮土、沖積土、堿化潮土、脫潮土和鹽化潮土，最主要的分布類型為潮土、鹽化潮土和脫潮土3種，面積占調(diào)查區(qū)的91.59%，其余土壤類型面積占比均低于3%，其中7種土壤類型統(tǒng)計(jì)量超過(guò)30件，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，不同土壤類型由于成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)對(duì)元素產(chǎn)生遷移轉(zhuǎn)化的影響，各元素的含量和變異系數(shù)具有較大差異。

續(xù)表2 主要土壤類型單元指標(biāo)地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)特征

草甸風(fēng)沙土單元中I、SOM、N、Cu、S、Hg背景值與全區(qū)相比明顯偏低，與全區(qū)背景值比值低于0.7，最低的為I元素，是全區(qū)背景值的49%；Se、Ni、Cd、Co、B、Zn、Mo、As、TFe2O3、V、F、Mn、Cr、Pb和MgO背景值與全區(qū)相比略偏低，與全區(qū)背景值比值在0.7～0.9之間；Ge、P、Al2O3、CaO、K2O、pH和SiO2與全區(qū)基本一致，與全區(qū)比值在0.9～1.1之間。

草甸鹽土單元中僅I元素略偏低，為全區(qū)背景值的80.8%；僅S元素略偏高，為全區(qū)背景值的1.1倍；其余指標(biāo)與全區(qū)背景值基本一致，與全區(qū)比值在0.9～1.1之間。

脫潮土單元中僅I元素背景值略高于全區(qū)背景值，是全區(qū)背景值的1.18倍；其余元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值與全區(qū)背景值大致相當(dāng)，與全區(qū)背景值比值在0.9～1.1之間。

鹽化潮土單元中僅I元素背景值略低于全區(qū)背景值，為全區(qū)背景值的88.9%；其余元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值與全區(qū)背景值大致相當(dāng)，與全區(qū)背景值比值在0.9～1.1之間。

潮土和堿化潮土單元中元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值與全區(qū)基本一致，與全區(qū)背景值相比，比值均在0.9～1.1之間。

從不同土壤類型單元中元素的背景值與全區(qū)的比較來(lái)看，草甸鹽土、潮土、堿化潮土、脫潮土和鹽化潮土中絕大部分元素指標(biāo)與全區(qū)一致，差異較小；草甸風(fēng)沙土和沖積土單元中元素指標(biāo)的背景值與全區(qū)差異明顯。

3.4 行政區(qū)單元地球化學(xué)背景值

為了滿足地方對(duì)環(huán)境評(píng)價(jià)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各方面的需要，分析研究各縣(區(qū))土壤地球化學(xué)背景值狀況，分別按縣(區(qū))行政區(qū)域進(jìn)行了土壤地球化學(xué)背景值的參數(shù)統(tǒng)計(jì)(表3)。

表3 主要成土母質(zhì)單元土壤指標(biāo)地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)特征

與整個(gè)調(diào)查區(qū)土壤地球化學(xué)背景值對(duì)比，東昌府區(qū)和茌平區(qū)土壤元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值與全區(qū)基本一致，其指標(biāo)地球化學(xué)背景值與全區(qū)背景值比值均在0.9～1.1范圍之內(nèi)；東阿縣P和I元素背景值相較全區(qū)略偏低，與全區(qū)背景值比值在0.7～0.9之間；CaO略偏高，為全區(qū)背景值的1.12倍，其余指標(biāo)與全區(qū)基本一致，比值在0.9～1.1范圍之內(nèi)?？傮w而言，3個(gè)行政區(qū)的元素指標(biāo)地球化學(xué)背景值大體相當(dāng)，東阿縣僅少量指標(biāo)出現(xiàn)輕微差異。

從各指標(biāo)的變異系數(shù)來(lái)看，原始數(shù)據(jù)中東昌府區(qū)和茌平縣Cd、Hg、I、S、Se，東阿縣Hg和I指標(biāo)變異系數(shù)相對(duì)較大，含量變化相較其他指標(biāo)明顯，其余指標(biāo)的變異性在3個(gè)行政區(qū)均相對(duì)較小，變異系數(shù)小于0.4。地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)剔除后，各指標(biāo)變異系數(shù)均小于0.4，3個(gè)區(qū)均表現(xiàn)為Hg和I元素的變異系數(shù)最大，背景含量變化相對(duì)其余指標(biāo)略明顯。

以上統(tǒng)計(jì)特征分析表明，東昌府區(qū)和茌平縣土壤元素地球化學(xué)背景特征基本一致，東阿縣總體與全區(qū)大致相當(dāng)，少量指標(biāo)存在些許差異(表4)。

表4 主要行政區(qū)單元土壤指標(biāo)地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)特征

4 結(jié)論

(1)相對(duì)聊城市和全省背景表層土壤的背景情況而言，調(diào)查區(qū)各指標(biāo)背景值表現(xiàn)為大致相當(dāng)或偏高為主；全區(qū) SOM、N、Cu、Zn、Pb、Mo、As、CaO、F、Ni、Co、Mn、Cr、V、MgO、B、TFe2O3、Al2O3、Ge、K2O、SiO2和pH數(shù)據(jù)離散程度小，含量分布總體均勻；Hg、S、Se、I、Cd和P數(shù)據(jù)離散程度較大，含量變化較大。

(2)調(diào)查區(qū)單縣組、巨野組、魚(yú)臺(tái)組成土母質(zhì)單元各指標(biāo)背景值與全區(qū)基本一致；黃河組和黑土湖組存在差異，這些存在差異的指標(biāo)主要為I、Hg、SOM、N、P和S等，相較全區(qū)背景偏低。從背景值統(tǒng)計(jì)中的變異系數(shù)來(lái)看，Hg和I在各成土母質(zhì)單元中的變異系數(shù)均相對(duì)較高；黃河組中I、N、P、S、SOM含量變化相對(duì)較大。

(3)調(diào)查區(qū)草甸鹽土、潮土、堿化潮土、脫潮土和鹽化潮土中絕大部分元素指標(biāo)與全區(qū)一致，差異較?。徊莸轱L(fēng)沙土和沖積土單元中元素指標(biāo)的背景值與全區(qū)差異明顯，大量指標(biāo)背景值偏低。

(4)東昌府區(qū)、茌平區(qū)和東阿縣表層土壤各指標(biāo)背景值僅東阿縣僅P和I略偏低，CaO略偏高，其余指標(biāo)在三區(qū)基本一致，與全區(qū)大致相當(dāng)。