黑龍江省望奎縣黑土地土壤環(huán)境質量現(xiàn)狀研究

劉立芬

(1.黑龍江省自然資源調查院，黑龍江 哈爾濱 150036； 2.黑龍江省自然資源調查院 黑龍江省黑土地水土資源研究重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150036)

黑土是自然界最肥沃的土壤，其性狀好，肥力高，是最適宜農耕的優(yōu)質土地，被譽為“土壤中的大熊貓”。黑土地上生機無限，黑土地的保護利用和可持續(xù)發(fā)展一直是全社會關注的熱點問題。黑龍江省位于世界三大黑土帶之一的中國東北黑土帶上，松嫩平原、三江平原地勢平坦，土質肥沃，淡水資源豐富，具有得天獨厚的農業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，是我國重要的商品糧生產基地和畜牧業(yè)產地，為我國實現(xiàn)糧食自給作出了貢獻。而綏化市望奎縣就位于松嫩平原腹地寒地黑土的核心分布區(qū)，是國家商品糧生產基地縣，在這一地區(qū)開展土壤環(huán)境質量狀況調查研究工作，可為當地的綠色農業(yè)發(fā)展、土地資源科學管護等提供參考資料。

黑土地大自然賦予人類的寶藏，學者專家從未停止探索它的腳步。廣義上的黑土包含了黑土、黑鈣土、暗棕壤、白漿土、草甸土等[1-2]，其具有腐殖質含量高、顏色呈黑色的顯著特[3]。早在19世紀各國學者就對黑土的形成和演化進行研究[4]；到20世紀，黑土分類演化等研究得到快速發(fā)展[5-6]；進入21世紀，對黑土地的研究方向愈加廣泛，黑土地應用保護方面研究逐步增多[7]。國內學者研究對象主要集中在我國東北黑土地，劉景雙等[8-9]對黑土中有機碳的含量及空間分布進行了深入研究；于磊等[10-11]對黑土退化原因及治理提出了對策；李娜等[12-13]對土壤肥力進行了研究評價；李嫣然等[14]對黑土地保護對策進行了研究探討。隨著研究的深入，人們對黑土地的認識逐步加深，學者研究主要對應東北黑土地，鮮少針對某一地區(qū)開展大比例尺的掃面調查。本文所述是根據黑龍江省綏化市開展的1∶5萬土地質量地球化學調查工作取得資料，經整理分析，系統(tǒng)研究評價黑龍江省望奎縣主要農耕區(qū)土壤環(huán)境質量現(xiàn)狀，為當地綠色農業(yè)生產提供有用資料，為鄉(xiāng)村振興建設積極助力。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江省綏化市望奎縣中東部地區(qū)，地處黑龍江省中部松嫩平原與小興安嶺西南邊緣的過渡地帶，三面臨河，位于呼蘭河北岸、通肯河東岸、呼蘭河西岸，總體呈現(xiàn)東高西低，由崗丘狀高平原、微傾斜高平原向河谷平原過渡。研究區(qū)總面積約為1 745 km2，東、南與綏化市北林區(qū)接壤，北與海倫市相鄰，高速公路、省道、縣道貫通，“村村通”鄉(xiāng)村路網發(fā)達，交通十分便利。

研究區(qū)內地層以第四系中更新統(tǒng)沖洪積覆蓋為主[15-16]，巖相主要為黏土、亞黏土；東部和南部地區(qū)有局部的白堊系四方臺組、嫩江組分布，巖性以泥巖、頁巖為主；而在河流沿岸為全新統(tǒng)河漫灘堆積，巖性主要有亞黏土、亞砂土、砂和砂礫石。區(qū)內分布土壤類型主要有黑土、黑鈣土和草甸土[17-20]，其中黑土為主，廣泛分布于全區(qū)，其次為草甸土，主要分布于河流水系沿岸，而黑鈣土僅在后三鄉(xiāng)一帶有少量分布。研究土地利用以耕地為主，約占全區(qū)的81.81%，其中旱田為主，種植作物主要為玉米、大豆，馬鈴薯亦有較大面積種植，水田種植水稻，果園、林地、草地約占9.85%，林地以人工林為主，其他地區(qū)為水系、灘涂、建設用地等。

2 工作方法

2.1 樣品采集

研究土壤樣品采集在秋季農作物成熟后和春耕前完成，盡量降低農業(yè)生產施肥對樣品的影響。采用1∶5萬比例尺進行土壤樣品采集工作，采樣密度為4個點/ km2，采樣深度為表層1～20 cm，每個樣品為一定范圍內三點取子樣組合而成。采樣時去除表面枯枝、殘根、礫石等雜物，垂直采集地表0～20 cm深的土壤，收集樣品時在樣坑壁上刻槽取樣，混合均勻后采集，樣品質量大于1 000 g。詳細記錄樣點坐標，土壤顏色、土地利用方式等樣品信息和周邊環(huán)境信息。樣品采集后自然條件下晾干，時常揉搓，以防樣品黏結成塊，待干燥后以木棒敲打粉碎，過孔徑2 mm篩后150 g裝樣品袋送測試部門進一步分析。樣品的分析測試工作由黑龍江省地質礦產測試應用研究所完成。

2.2 樣品分析測試

本次采集土壤樣品分析測試了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、pH值9項元素指標，分析方法檢出限、準確度、精密度參照《土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)。土壤樣品分析指標的所用分析方法報出率大于90%，總報出率高于98%。分析的準確度和精密度均采用國家一級標準物質(GBW 系列)檢驗分析方法準確度。對選用的國家一級標準物質，用被選定分析方法對每個標準物質進行12次分析，分別計算每個標準物質平均值與標準值之間對數偏差(ΔlgC)，以此衡量土壤樣品分析的準確度，計算每個標準物質多次測定數據的相對標準偏差(RSD)用來檢驗分析方法精密度，各元素分析方法準確度、精密度合格率要求為100%。各元素指標分析方法檢出限及準確度、精密度見表1。

表1 樣本各指標分析方法檢出限及準確度和精密度Tab.1 Detection limit，accuracy and precision of each index analysis method for samples

2.3 數據處理

本次研究主要使用Excel、MapGIS67、ArcGIS10.0、GeoIPAS4.0等應用軟件對取得的數據資料進行整理統(tǒng)計和圖件繪制。

3 取得成果

本次研究區(qū)內共采集表層以土壤樣品7 005件，分析了8項重金屬元素及土壤pH值，取得了一系列數據資料，通過對數據資料的研究分析，系統(tǒng)查明了研究區(qū)內重金屬元素的含量及分布特征，并依據相關標準對土壤環(huán)境現(xiàn)狀進行了研究評價。

3.1 土壤重金屬元素及酸堿度地球化學特征

3.1.1 參數地球化學特征

通過樣品測試分析取得了大量的數據資料，計算統(tǒng)計了研究區(qū)表層土壤中砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅及其pH值九項元素指標的算術平均值、標準偏差、變異系數等一系列地球化學參數(表2)。

表2 表層土壤樣品元素地球化學參數統(tǒng)計Tab.2 Statistical of geochemical parameters of elements from surface soil samples

通過地球化學參數統(tǒng)計信息可見，研究區(qū)內各重金屬元素平均含量均不高，均顯著低于農用地土壤污染風險篩選值。除鎘、汞元素外，其他6種重金屬元素的平均值與中位數相近，變異系數也較小，均在0.20以下，6種元素在該區(qū)內分異不大，總體呈現(xiàn)相對均勻或較均勻的狀態(tài)，鮮少有異常分布區(qū)。研究區(qū)表層土壤中汞元素變異系數最高，為0.665，可見汞元素在該區(qū)內分異較大，呈較顯著的不均勻分布特征；鎘元素變異系數為0.452，在該區(qū)內呈現(xiàn)不均勻分布特征，可能存在局部貧化或富集。而研究區(qū)內表層土壤pH值平均為6.34，中位數為6.08，呈微弱酸性。

本次研究通過迭代剔除3倍離差方法統(tǒng)計調查區(qū)內各元素背景值，并對比松嫩平原南部表層土壤、黑龍江省及全國土壤A層背景值，以反映調查區(qū)表層土壤中各元素相對于各不同統(tǒng)計單元的富集或貧化程度(表3)。

表3 表層土壤相對不同對比單元富集系數統(tǒng)計Tab.3 Statistical of concentration coefficients of relatively different comparative units of surface soil

由表1中統(tǒng)計可見，研究區(qū)表層土壤中砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅元素背景值均高于松嫩平原南部背景值，富集系數(K1)大于1，其中鎘元素富集系數為1.03，富集不明顯；砷、鉻、銅、鎳、鉛、鋅元素富集系數1.1≤K1<1.3，呈現(xiàn)相對輕微富集；汞元素1.3≤K1<1.5，呈現(xiàn)相對富集狀態(tài)；而該調查區(qū)土壤pH背景值為6.33，總體呈現(xiàn)弱酸性。

對比黑龍江省A層土壤背景值，研究區(qū)內鎘、鉻、鉛、鋅元素富集系數(K2)0.9≤K2<1.1，相對富集或貧化均不明顯，銅、鎳元素富集系數1.1≤K2<1.3，呈現(xiàn)輕微富集；砷元素富集系數K2為1.35，呈相對富集狀態(tài)；而汞元素富集系數為0.84，顯示該區(qū)土壤中汞元素相對于黑龍江省A層土壤呈輕微貧化狀態(tài)。

對比全國土壤A層背景值，鎘、鉻、銅、鎳、鉛富集系數(K3)均在0.9～1.1，富集或貧化均不明顯；砷、鋅元素富集系數0.7≤K2<0.9，呈現(xiàn)輕微貧化，而汞元素富集系數為0.48，呈現(xiàn)顯著貧化狀態(tài)。

表3中需要說明的是，①pH值無量綱，其他元素含量單位為10-6，表中“—”表示未收集到數據；②松嫩平原南部表層土壤背景值引自《黑龍江省松嫩平原南部農業(yè)地質調查總體綜合評價報告》；③K1、K2、K3分別為望奎縣表層土壤背景值對比松嫩平原表層土壤、黑龍江省A層土壤和中國A層土壤背景值的富集系數。

本次研究區(qū)內土壤類型主要為黑土、黑鈣土和草甸土3種，本次采集樣品中，有5 298件位于黑土分布區(qū)，約占總樣品的75.6%；有1 658件位于草甸土分布區(qū)，約占總樣品的23.7%；僅有49件位于黑鈣土分布區(qū)，約占總樣品的0.70%。對不同土壤類型分布區(qū)采集樣品中重金屬元素平均含量進行統(tǒng)計研究，結果見表4。由統(tǒng)計可見，重金屬元素在各土壤類型中平均含量較為相近，多數元素在黑鈣土中平均含量略高于黑土和草甸土。

3.1.2 重金屬元素分布特征

根據樣品分析取得的數據信息，編制研究區(qū)表層土壤地球化學圖，詳細查明了研究區(qū)內表層土壤中砷、鎘等8項重金屬元素的分布特征及土壤酸堿度特征。

(1)砷元素。由砷元素地球化學圖可見，研究區(qū)內砷元素含量普遍較低，總體呈現(xiàn)西北高、東南低的分布狀態(tài)，較高背景場主要分布在西北部后三鄉(xiāng)—靈山滿族鄉(xiāng)一帶以及前三—前頭—后惠村一帶地區(qū)，此外在望奎縣城周邊以及火箭鄉(xiāng)附近砷元素含量亦較高；砷低背景地區(qū)主要分布在克音河、呼蘭河沿岸地區(qū)，河流近岸灘涂地區(qū)呈現(xiàn)顯著砷元素低含量分布，頭道烏龍溝、二道烏龍溝沿岸砷元素含量亦較低。

(2)鎘元素。由鎘元素地球化學圖可見，研究區(qū)鎘元素分布不均勻，總體呈現(xiàn)西高東低的分布狀態(tài)。區(qū)內鎘元素含量高背景地區(qū)多呈現(xiàn)零星的點狀分布狀態(tài)，主要分布在中西部地區(qū)，僅在望奎縣城周邊及東郊鄉(xiāng)一帶呈現(xiàn)較大面積的高背景場分布，這可能與該地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展較發(fā)達有關。燈塔鄉(xiāng)—蓮花鎮(zhèn)一帶分布有顯著的大面積鎘元素低背景區(qū)，而在海豐鎮(zhèn)南信二后村—恭頭一村一帶地區(qū)亦呈現(xiàn)鎘元素低背景分布。

(3)鉻元素。鉻元素在研究區(qū)內分布較均勻，含量多處于60～70 mg/kg，僅在望奎縣城區(qū)一帶及衛(wèi)星鎮(zhèn)—海豐鎮(zhèn)—蓮花鎮(zhèn)一帶地區(qū)鉻元素含量略高。

(4)銅元素。由銅元素地球化學圖可見，研究區(qū)內銅元素分布較為均勻。偏高背景場主要分布在望奎縣城周邊以及蓮花鎮(zhèn)周邊一帶地區(qū)，先鋒鎮(zhèn)和東郊鄉(xiāng)城區(qū)銅元素含量亦較高，城鎮(zhèn)化生產生活可能影響了周邊的銅元素的累積富集。此外，在頭道烏龍溝、二道烏龍溝、三道烏龍溝上游沿岸呈現(xiàn)較明顯的沿河近岸銅元素高含量分布；銅元素偏低背景場主要分布在火箭鄉(xiāng)西部蘭頭—廂蘭四村一帶、東郊鄉(xiāng)東南部水四—敏三村一帶地區(qū)。

(5)汞元素。由汞元素地球化學圖可見，研究區(qū)表層土壤中汞元素分布不均勻，高背景場主要集中在望奎縣城周邊一帶地區(qū)，此外在東郊鄉(xiāng)、廂白滿族鄉(xiāng)、惠七滿族鎮(zhèn)、蓮花鎮(zhèn)等范圍較大的村鎮(zhèn)居民地周邊亦呈現(xiàn)零星的汞元素高背景分布，這些地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展較好，人類的生產生活活動可能是影響汞元素在該地區(qū)呈現(xiàn)較高背景分布的因素之一。而該區(qū)低背景場分布亦較為零散，靈山滿族鄉(xiāng)東南部至廂白滿族鄉(xiāng)一帶、東升鄉(xiāng)南及衛(wèi)星鎮(zhèn)北部汞元素含量略低。

(6)鎳元素。研究區(qū)表層土壤中鎳元素含量總體呈現(xiàn)西高東低的分布特征，含量主要在25～33 mg/kg，高背景場分布在后三鄉(xiāng)、靈山滿族鄉(xiāng)至望奎縣城南及火箭鄉(xiāng)一帶地區(qū)，呼蘭河沿岸以及克音河西岸東升鄉(xiāng)—海豐鎮(zhèn)一帶鎳元素含量呈低背景分布。

(7)鉛元素。由鉛元素地球化學圖可見，研究區(qū)內鉛元素分布較為均勻。高背景場主要分布在望奎縣城周邊及后三鄉(xiāng)、靈山滿族鄉(xiāng)一帶地區(qū)，火箭鄉(xiāng)西部及衛(wèi)星鎮(zhèn)北部鉛元素含量亦略高。而在頭道烏龍溝、二道烏龍溝及呼蘭河、克音河沿岸地區(qū)呈現(xiàn)較明顯的沿河近岸鉛低背景分布，燈塔鄉(xiāng)一帶鉛元素含量亦較低。

(8)鋅元素。由鋅元素地球化學圖可見，研究區(qū)內鋅元素總體上呈現(xiàn)西高東低的分布特征。高背景場主要集中在望奎縣城周邊一帶地區(qū)，在頭道烏龍溝、二道烏龍溝、三道烏龍溝上游沿岸呈現(xiàn)較明顯的沿河近岸鋅元素較高含量分布；鋅低背景場主要分布在海豐鎮(zhèn)一帶地區(qū)。

此外，土壤酸堿度方面，通過研究統(tǒng)計，研究區(qū)內表層土壤pH值主要在5.0～6.5之間，以酸性狀態(tài)為主，無pH值低于5.0的強酸性土壤；研究區(qū)內各水系沿岸土壤pH值略高，為中性至弱堿性，這主要與綏化地區(qū)地表河流水質多呈現(xiàn)弱堿性有關。

3.2 土壤環(huán)境地球化學評價

砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅八種重金屬元素是土壤環(huán)境質量評價的主要指標，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布實施的《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)和《土壤環(huán)境質量建設土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)對不同土地利用類型土壤中各重金屬元素含量限定了風險篩選值和管制值，見表5。

表5 農用地和建設用地土壤污染風險篩選值及管制值Tab.5 Screening value and control value of soil pollution risk of agricultural land and construction land

本次研究以第二次土壤調查取得地塊信息為主要評價單元，參照上述標準統(tǒng)計，結果表明，望奎地區(qū)土壤中各種金屬元素含量普遍低于土壤污染風險篩選值，對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風險低，一般情況可以忽略。其中砷、鉻、銅、汞、鎳、鋅6種元素含量全部低于土壤污染風險篩選值，僅個別地塊中鎘元素含量高于土壤污染風險篩選值且低于管控值，約有5.78 km2，5處地塊鉛元素含量高于土壤污染風險篩選值且低于管控值，約有0.22 km2，其土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風險，應重點進行關注。

表6 土壤環(huán)境地球化學等級劃分界限Tab.6 Dividing boundaries of soil environmental geochemical grade

通過研究統(tǒng)計，望奎縣區(qū)內土壤環(huán)境質量現(xiàn)狀非常優(yōu)良，砷、鉻、銅、鋅元素100%為清潔狀態(tài)。研究區(qū)內土壤99.65%為鎘元素清潔狀態(tài)；約5.72 km2為輕微污染，約占全區(qū)0.33%，為零散地塊分布，2處地塊為鎘元素輕度污染，面積約0.47 km2，約占全區(qū)0.03%；無鎘元素中度污染和重度污染土壤。區(qū)內土壤約99.94%為汞元素清潔狀態(tài)，約1.10 km2呈現(xiàn)輕微污染，約占全區(qū)0.06%，無汞元素輕度污染、中度污染和重度污染土壤。區(qū)內土壤約99.91%呈現(xiàn)鎳元素清潔狀態(tài)，約1.60 km2呈輕微污染狀態(tài)，約占全區(qū)0.09%，無鎳元素輕度污染、中度污染和重度污染土壤。區(qū)內99.99%為鉛元素清潔土壤，僅有一處地塊為鉛元素輕微污染狀態(tài)，面積為0.17 km2，約占全區(qū)0.01%，無鉛元素中度污染和重度污染土壤。綜合8種重金屬元素的評價統(tǒng)計，對研究區(qū)土壤環(huán)境地球化學綜合評價，結果表明，該研究區(qū)內99.49%均為清潔土壤；有8.41 km2為輕微污染土壤，約占調查區(qū)0.48%；有0.47 km2處于輕度污染狀態(tài)，約占調查區(qū)0.03%。

綜合可見望奎縣地區(qū)農耕區(qū)黑土地壤環(huán)境質量優(yōu)良，區(qū)內沒有大面積集中連片污染地塊，農耕區(qū)普遍為一等清潔狀態(tài)，鮮少的輕微污染地塊分布較為零散，極個別地塊達到輕度污染狀態(tài)，建議謹慎種植蔬菜類農作物[23-25]。

4 結論

通過上述研究可見，在黑龍江省望奎縣黑土地土壤中砷、鎘、鉻等8項重金屬元素含量普遍低于土壤污染風險篩選值，對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風險低，一般情況可以忽略。極少數地塊有個別重金屬元素高于土壤污染風險篩選值且低于管控值，其土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風險，應重點進行關注，此類地塊謹慎種植蔬菜作物。綜合研究表明該區(qū)土壤環(huán)境質量優(yōu)良，全區(qū)99.49%為一等清潔土壤，且農耕地塊集中連片，綠色農業(yè)發(fā)展條件得天獨厚。