青州市南張樓村土地質(zhì)量地球化學(xué)特征及特色土地資源評(píng)價(jià)

姜冰，張海瑞，劉陽(yáng)，葛勝潭，郝志文，張洪濱

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261021)

0 引言

土地是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要資源和保障，其作用不但取決于數(shù)量，而且取決于質(zhì)量，是確保糧食生產(chǎn)能力和糧油農(nóng)產(chǎn)品安全的重要基礎(chǔ)保障[1-3]。近年來(lái)山東省已完成了1∶25萬(wàn)比例尺生態(tài)化學(xué)地質(zhì)調(diào)查[4-7]，又在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了一些地級(jí)市范圍內(nèi)的1∶5萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)[8-9]和相關(guān)推廣應(yīng)用工作研究[10]，而本次村級(jí)大比例尺的土地質(zhì)量調(diào)查評(píng)價(jià)工作尚屬首次，對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤環(huán)境及土壤質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并發(fā)現(xiàn)了耕地富硒、富鍺、富鋅等特色土地資源，為發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、開(kāi)發(fā)特色土地資源、支持鄉(xiāng)村振興打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為持續(xù)推進(jìn)土地質(zhì)量調(diào)查評(píng)價(jià)比例尺由小到大系列性工作起到示范作用。

1 研究區(qū)概況

南張樓村是青州市何官鎮(zhèn)最大的行政村，面積5.69km2，屬北溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱，年均蒸發(fā)量1530mm，年均降水量650mm。地貌屬?zèng)_洪積平原，覆蓋第四紀(jì)全新世黑土湖組灰褐色粉砂質(zhì)粘土。土壤類型以砂姜黑土為主，西北部小范圍潮土。地表無(wú)水系，地下水類型屬?zèng)_洪積層孔隙潛水、承壓水。土地利用類型以耕地為主，耕地類型為水澆地(圖1)，表層土壤為堿性，pH背景值為8.14。

1—水澆地；2—果園；3—喬木林地；4—其他林地；5—其他草地；6—商服用地；7—工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)用地；8—農(nóng)村宅基地；9—機(jī)關(guān)團(tuán)體新聞出版用地；10—廣場(chǎng)用地；11—科教文衛(wèi)用地；12—特殊用地；13—公路用地；14—城鎮(zhèn)村道路用地；15—交通服務(wù)場(chǎng)站用地；16—農(nóng)村道路；17—坑塘水面；18—溝渠；19—設(shè)施農(nóng)用地；20—表層土壤取樣位置圖1 研究區(qū)土地利用類型及取樣點(diǎn)位

2 材料與方法

2.1 樣品采集及加工

表層土壤樣品采集于耕地內(nèi)，采樣介質(zhì)為地表至20cm的表層土，共計(jì)198件樣品，面積性采樣密度為34.80件/km2(圖1)。以GPS定位點(diǎn)為采樣點(diǎn)中心，向四周輻射10～20m確定分樣點(diǎn)，4～6個(gè)子樣等份組合成一個(gè)不少于2kg的混合樣，挑出雜物。將混合樣均勻分為2份樣品，一份作為新鮮樣品直接用塑料袋密封送交實(shí)驗(yàn)室測(cè)定Hg、As元素；另一份裝入干凈布袋，置于通風(fēng)陰涼處的樣品架上自然風(fēng)干，然后經(jīng)木棍壓碎全部過(guò)2mm孔徑尼龍篩，混勻后取不少于500g移交實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其他元素和指標(biāo)。

2.2 樣品處理與測(cè)試

樣品測(cè)試分析由山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。根據(jù)《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》[11]，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定Cd，X射線熒光光譜法測(cè)定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、P、K，原子熒光光譜法測(cè)定As、Hg，酸堿容量法測(cè)定N，離子電極法測(cè)定pH。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)專家驗(yàn)收，達(dá)到規(guī)范要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用EXCEL軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算元素地球化學(xué)背景值，反復(fù)剔除平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差的離散值后，以算術(shù)平均值作為背景值。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

2.4.1 評(píng)價(jià)單元及賦值

以最新的土地利用現(xiàn)狀圖斑作為評(píng)價(jià)單元，評(píng)價(jià)單元的界限與地塊界限一致，評(píng)價(jià)結(jié)果便于土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的調(diào)整和基層生產(chǎn)單位的應(yīng)用。一個(gè)評(píng)價(jià)單元中有2個(gè)以上數(shù)據(jù)時(shí)，用平均值進(jìn)行賦值；評(píng)價(jià)單元中沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，用反距離權(quán)重插值法賦值。

2.4.2 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[12]，土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)首先進(jìn)行N、P、K的單指標(biāo)評(píng)價(jià)(等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1)。

表1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)N、P、K等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)N、P、K的權(quán)重系數(shù)ki(kN=0.4，kP=0.4，kK=0.2)，計(jì)算土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合得分f綜，見(jiàn)公式(1)。

(1)

式中：fi為N、P、K單指標(biāo)評(píng)價(jià)得分，單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果五等(缺乏)得分1，四等(較缺乏)得分2，三等(中等)得分3，二等(較豐富)得分4，一等(豐富)得分5。土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)劃分含義與圖示見(jiàn)表2。

表2 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)劃分表

2.4.3 土壤環(huán)境評(píng)價(jià)

選取As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn等8種土壤重金屬元素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行土壤環(huán)境評(píng)價(jià)[13-14]。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)[15]規(guī)定的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值(表3、表4)，根據(jù)表5劃分界限首先進(jìn)行重金屬元素的單指標(biāo)評(píng)價(jià)，Ci為土壤重金屬元素i的實(shí)測(cè)濃度，Si為重金屬元素i的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，Gi為重金屬元素i的風(fēng)險(xiǎn)管控值。土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)評(píng)價(jià)采用“短板原則”，即土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)等同于單指標(biāo)劃分出的環(huán)境等級(jí)最差的等級(jí)。

表3 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值

表4 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值

表5 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)劃分界限

2.4.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中的土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)評(píng)價(jià)，以及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)評(píng)價(jià)，疊加形成土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)評(píng)價(jià)(表6)。

表6 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)表達(dá)圖示與含義

2.4.5 特色土地資源評(píng)價(jià)

耕地作為人類賴以生存的基本資源，作物收獲主要來(lái)源于耕地，在富硒、富鍺、富鋅等特色土地資源開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面，評(píng)價(jià)耕地更具有實(shí)際意義。硒、鍺、鋅均是人體必需的微量元素，硒能改善人體免疫力,提高人體抗癌能力,抑制重金屬毒性[16]；鍺對(duì)人體具有脫氫富集氧、清除自由基、抗衰老抗氧化、排毒養(yǎng)顏、涼血止血以及抗腫瘤活性等生物活性[17-18]；鋅對(duì)人的身體和智力發(fā)育至關(guān)重要，同時(shí)影響腦細(xì)胞的生長(zhǎng)[19]。

《天然富硒土地劃定與標(biāo)識(shí)(試行)》[20]中，按土壤酸堿度不同劃定了不同的土壤富硒閾值，王惠艷等人根據(jù)耕作方式的差異提出了適用全國(guó)的富硒閾值[21]，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)及研究區(qū)實(shí)際情況，本文按表7劃分富硒土地。

表7 富硒土壤劃分標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)和山東省內(nèi)沒(méi)有發(fā)布統(tǒng)一的富鍺、富鋅土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文按《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中鍺、鋅等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的二等(較豐富)下限值作為富鍺、富鋅閾值(表8)。

表8 富鍺、富鋅土壤劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 元素地球化學(xué)特征參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)

表9列出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的含量參數(shù)。變異系數(shù)(CV)的高低反映重金屬的離散程度，變異系數(shù)越大，空間分布差異性越大，CV≤0.16表示弱變異，0.160.36表示強(qiáng)變異[22]，Hg屬于強(qiáng)變異，離散程度高，分布極不均勻，N、P、Se、Cd、Zn屬于中等變異，K、Ge、pH、As、Cr、Ni、Cu、Pb屬于弱變異。研究區(qū)內(nèi)各評(píng)價(jià)指標(biāo)均高于濰坊市土壤背景值[23]，比值K為1.01～1.82，表明各評(píng)價(jià)指標(biāo)在研究區(qū)內(nèi)均有不同程度的富集。

表9 研究區(qū)表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)

3.2 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果

客觀評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀，摸清土壤肥力水平，對(duì)于指導(dǎo)科學(xué)合理施肥十分必要[24]。研究區(qū)土壤養(yǎng)分單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。土壤N以中等、較缺乏為主，面積分別占比44.25%和49.68%，其次是缺乏，面積占比5.64%，豐富和較豐富土壤面積占比很小。土壤P以豐富為主，面積占比95.26%，施肥水平高，較豐富、中等和較缺乏土壤面積占比很小，無(wú)缺乏土壤分布。土壤K在研究區(qū)內(nèi)含量穩(wěn)定，僅存在中等和較豐富土壤，面積占比分別為63.12%和36.88%。土壤N主要受有機(jī)質(zhì)和生物固氮能力影響[25]，所以研究區(qū)內(nèi)應(yīng)針對(duì)性增施N肥和有機(jī)肥。

圖2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分單指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)面積占比圖

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)顯示(圖3)，研究區(qū)以較豐富和中等土壤為主，面積占比分別為61.68%和36.43%，豐富和較缺乏土壤面積占比較小，無(wú)缺乏土壤分布。

1—豐富；2—較豐富；3—中等；4—較缺乏圖3 研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)圖

3.3 土壤環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)土壤較清潔，污染較小，僅存在Zn元素的單指標(biāo)污染風(fēng)險(xiǎn)，污染風(fēng)險(xiǎn)為風(fēng)險(xiǎn)可控，面積占比僅為0.19%，其他元素污染風(fēng)險(xiǎn)均為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)顯示，風(fēng)險(xiǎn)可控土壤僅在研究區(qū)北部小面積分布，面積占比0.19%，土地利用類型為其他林地，對(duì)周邊大面積耕地沒(méi)有影響，該處附近有面粉加工廠、鑄造廠等幾家企業(yè)，顯然是受到了人類活動(dòng)的影響。土壤環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果反映研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良，為該區(qū)發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

3.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)顯示，研究區(qū)土壤質(zhì)量較好，以一等(優(yōu)質(zhì))和二等(良好)為主，面積占比分別為61.51%和36.54%，三等(中等)占比較小，僅為1.95%，無(wú)四等和五等土壤。從空間分布看，土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)分布與土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)分布特征相似，研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量綜合等級(jí)主要受控于養(yǎng)分綜合等級(jí)。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤環(huán)境清潔，養(yǎng)分較為豐富，非常適宜于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.5 特色土地資源評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量總體優(yōu)良，為開(kāi)發(fā)天然富硒、富鍺、富鋅土地提供了基礎(chǔ)條件，開(kāi)發(fā)特色土地資源為實(shí)現(xiàn)改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、增加農(nóng)民收入具有重要意義。

3.5.1 富硒土壤

本次研究發(fā)現(xiàn)耕地富硒土壤面積0.08km2，分布于研究區(qū)北部，占耕地總面積的1.84%；耕地足硒土壤面積為3.83km2，分布范圍廣泛，占耕地總面積的91.65%，表明研究區(qū)屬足硒區(qū)；耕地硒較缺乏土壤面積0.27km2，占耕地總面積的6.51%(圖4)。

1—富硒；2—足硒；3—較缺乏圖4 研究區(qū)耕地硒地球化學(xué)等級(jí)圖

3.5.2 富鍺土壤

研究發(fā)現(xiàn)耕地鍺較豐富土壤面積0.93km2，相對(duì)成片分布于研究區(qū)東部和西部，占耕地總面積的22.24%；耕地鍺中等土壤面積3.01km2，占耕地總面積的71.83%；耕地鍺較缺乏、缺乏土壤面積較小，分別占耕地總面積的5.41%和0.53%(圖5)。結(jié)合富鍺閾值，圈定耕地富鍺土壤0.93km2，分布相對(duì)集中，有利于后續(xù)的特色土地資源開(kāi)發(fā)。

1—較豐富；2—中等；3—較缺乏；4—缺乏圖5 研究區(qū)耕地鍺地球化學(xué)等級(jí)圖

3.5.3 富鋅土壤

研究發(fā)現(xiàn)耕地鋅豐富土壤面積0.59km2，研究區(qū)東部分布相對(duì)集中，占耕地總面積的14.08%；耕地鋅較豐富土壤面積3.02km2，占耕地總面積的72.02%，占比最大；耕地鋅中等土壤面積0.55km2，占耕地總面積的13.11%；耕地鋅較缺乏土壤面積較小，僅占耕地總面積的0.78%(圖6)。結(jié)合富鋅閾值，圈定耕地富鋅土壤3.61km2，占耕地總面積的86.10%，表明研究區(qū)耕地富鋅土壤資源豐富，具有開(kāi)發(fā)天然富鋅產(chǎn)業(yè)良好的基礎(chǔ)條件。

1—豐富；2—較豐富；3—中等；4—較缺乏圖6 研究區(qū)耕地鋅地球化學(xué)等級(jí)圖

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤養(yǎng)分總體水平較好，單指標(biāo)土壤N相對(duì)缺乏，可針對(duì)性增施N肥，土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)以較豐富和中等為主，面積占比分別為61.68%和36.43%。土壤環(huán)境清潔，土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)以無(wú)風(fēng)險(xiǎn)為主，面積占比99.81%，小面積的風(fēng)險(xiǎn)可控是由于單指標(biāo)Zn元素含量超過(guò)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其土地利用類型為其他林地，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沒(méi)有影響。土壤質(zhì)量?jī)?yōu)良，土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級(jí)以一等和二等為主，面積占比分別為61.51%和36.54%，非常適宜于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

(2)研究發(fā)現(xiàn)耕地富硒土壤0.08km2，富鍺土壤0.93km2，富鋅土壤3.61km2，富硒、富鍺、富鋅土壤是研究區(qū)發(fā)展現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)的重要土地資源。建議以特色土地資源的開(kāi)發(fā)作為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的突破口，發(fā)展綠色、特色、高附加值農(nóng)業(yè)。