山西大同桑干河流域富鍶土壤地球化學(xué)特征及資源潛力評價

劉軍帥，鄭吉林，蔡艷龍，魏小勇，郭曉宇，王大可，孫靖堯，楊志偉

中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150000

鍶是人體必需的微量元素之一，是對于人體健康的有益元素［1-4］.隨著鍶在人體中重要性研究的深入和人們對健康關(guān)注度的提高，富鍶資源的開發(fā)利用具有較大的潛在價值.本研究利用太行山區(qū)山西段生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查資料，在對山西大同桑干河流域富鍶土壤地球化學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上，進行富鍶土壤資源潛力評價，為當(dāng)?shù)馗绘J土壤資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省大同市東南部桑干河流域，東至敖石，南至馮莊，面積1 580 km2.其地處大同盆地內(nèi)，年降水量400 mm左右，年均溫7℃左右，屬溫帶半干旱地區(qū)干草原地帶.盆地周圍山麓地帶普遍發(fā)育著洪積扇，組合成山麓傾斜平原.大同－朔州一帶桑干河兩岸，地面平坦寬廣，為盆地的中心，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點地區(qū).部分地勢低洼的地方排水不良，有不同程度的鹽漬化現(xiàn)象.主要土壤類型為栗褐土和栗鈣土，主要土地利用類型為耕地和林地.

研究區(qū)出露地層主要為新生界第四系、新近系（主要分布在北部平川區(qū)），古生界石炭系、奧陶系、寒武系、和中元古界長城系（主要分布在南部山地丘陵區(qū)）（圖1）.第四系：沱陽組以粉細砂、粉砂土、薄層亞黏土為主；選仁組以粉砂土、亞砂土為主；方村組以漂礫、礫石、砂及亞砂土為主；峙峪組以亞砂土、亞黏土互層夾銹黃色中粒砂層；冊田玄武巖主要為層狀灰黃色玄武巖夾玄武質(zhì)砂礫巖；馬蘭組為灰黃色亞砂土，垂直節(jié)理發(fā)育；泥河灣組為灰綠、灰黃色亞砂土、亞黏土互層夾薄層粉細砂或砂線.新近系保德組：砂礫石層夾棕紅色砂質(zhì)黏土.石炭系太原組：砂巖、炭質(zhì)頁巖、灰?guī)r及泥巖夾煤層為主.奧陶系：馬家溝組以白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主；三山子組主要為白云巖，含燧石結(jié)核.寒武系饅頭組：紫紅色頁巖夾粉砂巖、白云巖為主.長城系高于莊組：燧石條帶、結(jié)核－粉晶白云巖、白云質(zhì)砂巖.古元古界變質(zhì)輝綠巖，黑綠色、細粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.中太古界：土嶺片麻巖，巖性主要為條帶狀黑云斜長片麻巖；義興寨片麻巖，巖性主要為角閃斜長片麻巖.

圖1 山西大同桑干河流域地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of Sanggan River basin in Datong，Shanxi Province

2 材料和方法

2.1 樣品采集與處理

對研究區(qū)進行表層土壤、深層土壤、基巖殘坡積物質(zhì)和巖石采樣、化驗及分析.土壤采用雙層網(wǎng)格化方式取樣.可采區(qū)土壤采樣點密度為1件/2.5 km2，分別采集表層和深層土壤樣品.表層樣品采樣深度為0～20 cm，共取樣454件；深層樣品采樣深度為150～200 cm，共采集樣品448件.同時在低山丘陵區(qū)系統(tǒng)采集了主要基巖樣品共55件.采樣點一般布設(shè)于耕地、園地、林地、草地及低山丘陵等地帶，采樣時避開新近搬運的堆積土、垃圾堆和局部污染明顯區(qū)域.

2.2 樣品測試分析

土壤和巖石樣品分析由中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心實驗室承擔(dān)，測試過程嚴格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250 000）》（DZ/0258—2014）［5］進行，采用ICP－OES電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定土壤全鍶，檢出限為2×10－6，元素實際檢出限、準確度、精密度等質(zhì)量指標(biāo)達到或優(yōu)于多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范的要求.所有樣品報出率為100%，準確度和精密度監(jiān)控樣品合格率100%.

2.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計前對所有數(shù)據(jù)進行異常值剔除，采用Surfer、GeolPAS、MapGIS等軟件繪制工作區(qū)鍶彩色等量線圖，直觀反映土壤中鍶的空間分布，利于SPSS和Excel軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析和分類參數(shù)統(tǒng)計.

3 土壤鍶元素地球化學(xué)特征

土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表1、表2.可以看出，調(diào)查區(qū)表層土壤鍶元素含量平均值高于中國土壤A層背景值［6］和太原市基準值［7］，是中國土壤A層的1.60倍.表層土壤鍶元素變化為108.7×10－6～413.9×10－6，平均值為261.73×10－6，與湖北隨州北部［8］相當(dāng)；深層土壤鍶元素含量平均值同樣高于中國土壤C層背景值［6］和太原市背景值，其平均含量是中國土壤C層的1.49倍.深層土壤鍶元素變化為106.2×10－6～467×10－6，平均值為279.19×10－6，略高于湖北隨州北部區(qū).

表1 表層土壤鍶元素地球化學(xué)特征值Table 1 Geochemical eigenvalues of Sr in surface soil

表2 深層土壤鍶元素地球化學(xué)特征值Table 2 Geochemical eigenvalues of Sr in deep soil

土壤鍶元素空間分布特征見圖2.可以看出在空間分布上，表、深層土壤表現(xiàn)出高度的一致性，分布不均勻，且明顯受水巖作用影響，高值區(qū)分布于桑干河及其支流兩岸以及盆山結(jié)合區(qū)域.

圖2 研究區(qū)土壤鍶元素分布圖Fig.2 Distribution maps of Sr in soil of the study area

3.1 不同酸堿性土壤中鍶元素特征

不同酸堿性土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表3.表層土壤中鍶元素平均含量表現(xiàn)為極強堿性土壤＞強堿性土壤＞堿性土壤，表明表層土壤中極強堿性土壤鍶更為活躍.深層土壤鍶元素平均含量表現(xiàn)為強堿性土壤＞堿性土壤＞極強堿性土壤，表明深層土壤中強堿性土壤更有利于鍶的聚集.

表3 不同土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表Table 3 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different acid-base properties

3.2 不同地質(zhì)單元土壤鍶元素特征

不同成土母質(zhì)土壤鍶元素地球化學(xué)特征值（見表4）表現(xiàn)為：表層土壤鍶平均含量248×10－6～278×10－6，泥河灣組中平均含量最高，馬蘭組中平均含量最低.不同地質(zhì)單元鍶平均含量依次為泥河灣組＞峙峪組＞方村組＞沱陽組＞選仁組＞土嶺片麻巖＞冊田玄武巖＞馬蘭組.深層土壤鍶平均含量269×10－6～313×10－6，冊田玄武巖中平均含量最高，馬蘭組中平均含量最低.不同地質(zhì)單元土壤鍶平均含量依次為冊田玄武巖＞峙峪組＞泥河灣組＞方村組＞沱陽組＞選仁組＞土嶺片麻巖＞馬蘭組.

表4 不同地質(zhì)單元土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表Table 4 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different geological units

3.3 不同土壤類型鍶元素特征

不同土壤類型土壤鍶元素地球化學(xué)特征（見表5）.表現(xiàn)為：表層土壤鍶平均含量244×10－6～293×10－6，鹽堿土中平均含量最高，粗骨土中最低，不同土壤類型土壤鍶平均含量依次為鹽堿土＞栗褐土＞栗鈣土＞潮土＞粗骨土.深層土壤鍶平均含量274×10－6～319×10－6，鹽堿土中平均含量最高，栗褐土中最低，不同土壤類型土壤鍶平均含量依次為鹽堿土＞潮土＞粗骨土＞栗鈣土＞栗褐土.

表5 不同土壤類型鍶元素地球化學(xué)特征值表Table 5 Geochemical eigenvalues of Sr in different types of soil

3.4 不同土地利用鍶元素特征

不同土地利用類型土壤鍶元素地球化學(xué)特征（見表6）表現(xiàn)為：表層土壤鍶平均含量255×10－6～265×10－6，含量依次為耕地＞草地＞園地＞林地；深層土壤鍶平均含量267×10－6～286×10－6，含量依次為耕地＞林地＞草地＞園地.

表6 不同土地利用土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表Table 6 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different land use types

3.5 土壤鍶元素與其他元素相關(guān)性分析

在一定的地球化學(xué)環(huán)境下，土壤元素表現(xiàn)出共同消長或此消彼長的關(guān)系，調(diào)查區(qū)土壤鍶元素與其他元素指標(biāo)相關(guān)系數(shù)見表7.通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)查區(qū)土壤鍶元素與Ba的相關(guān)性最高，表、深層相關(guān)系數(shù)分別為0.663和0.568，為強相關(guān)和中等程度相關(guān).除此之外，表層土壤鍶與B、Cr、La、Nb、Na等相關(guān)性較高.深層土壤鍶與As、B、Nb、Sb、Si等相關(guān)性較高.

表7 土壤鍶元素與其他元素相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients between Sr and other elements in soil

3.6 鍶的物質(zhì)來源

鍶分布相當(dāng)廣泛，各類巖石中幾乎均含有鍶元素，特別是在含鍶礦物的閃長巖、富鈣花崗巖、黏土巖以及碳酸鹽巖中，鍶含量相對比較富集，是提供鍶元素物質(zhì)來源的主要母巖［9-11］.由于Sr2＋的離子半徑與Ca2＋的離子半徑十分接近，從而Sr經(jīng)常進入到各種富Ca的礦物中.山西土壤母質(zhì)中含有一定的富Ca礦物，從而Sr的含量隨之增高［12］.

通過對研究區(qū)水樣品的測試分析表明，桑干河水中鍶含量普遍較高.在冊田水庫附近鍶含量最大值可達1.58 mg/L，平均值1.09 mg/L，是飲用天然礦泉水標(biāo)準［13］的5倍以上.地下水在運移過程中不斷與圍巖發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致化學(xué)元素的遷移、聚散和分散，圍巖中的鍶是地下水鍶元素的物質(zhì)來源.盆地型平原區(qū)地下水中鍶最富集，主要得益于地下水從補給區(qū)—徑流區(qū)—排泄區(qū)構(gòu)成一個完整的區(qū)域地下水流系統(tǒng).地下水通過深部運移進行循環(huán)［14-16］，徑流路徑長，在含水層中滯留時間長，有利于鍶的溶解和累積.鍶在風(fēng)化作用中為活動性陽離子，其水遷移系數(shù)Kx為0.1～1，屬遷移能力強的元素［17］.在風(fēng)化作用下，鍶以重碳酸鹽形式進入水溶液中，呈真溶液形式搬運，搬運過程中發(fā)生化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，在水動力降低的位置再沉淀下來［18］.

本研究系統(tǒng)采取了大同盆地周邊巖石樣品55件，對比大同火山群東區(qū)和西區(qū)10件樣品測試結(jié)果［19］，發(fā)現(xiàn)前寒武紀變質(zhì)巖和大同火山群西區(qū)巖石具有較高的鍶含量.前寒武紀老變質(zhì)巖內(nèi)鍶含量最高達1 259×10－6，大同火山群西區(qū)鍶含量最高達913×10－6（表8）.大同火山群西區(qū)巖石鍶含量均值為776×10－6，整體水平高于大同火山群東區(qū).研究區(qū)附近主要的富鍶地層如下.

表8 研究區(qū)主要巖石中鍶元素含量統(tǒng)計表Table 8 Contents of Sr in main rocks of the study area

蔡樹莊片麻巖：巖性主要為黑云二長片麻巖，位于西咀村西山和聚樂堡鄉(xiāng)西山.巖石中鍶含量平均值586×10－6，最大值726×10－6.

于家窯片麻巖：巖性主要為條帶狀黑云二長片麻巖，位于集仁村－西營村北山.其巖性主要為肉紅色、淺肉紅色黑云二長片麻巖、黑云角閃二長片麻巖.中細?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造.淺色礦物以斜長石（25%～35%）、鉀長石（25%～40%）、石英（10%～15%）為主，暗色礦物15%～25%，以角閃石、黑云母為主.巖石中鍶含量平均值452×10－6，最大值625×10－6.

土嶺片麻巖：巖性主要為條帶狀黑云二長片麻巖，位于云州區(qū)南部，桑干河南部山區(qū).巖石中鍶含量平均值646×10－6，最大值1259×10－6，可以認為它是位于桑干河南岸土壤中鍶的主要來源.

大同火山群玄武巖：巖性主要為玄武巖、凝灰?guī)r、火山碎屑錐，位于西坪鎮(zhèn)西南部大同火山群地質(zhì)公園.巖石中鍶含量平均值776×10－6，最大值913×10－6，遠大于土壤中含量，可以認為它是桑干河北部土壤中鍶的主要來源.

4 富鍶土壤資源潛力評價

4.1 評價分級標(biāo)準

目前對鍶土壤資源評價分級沒有全國統(tǒng)一標(biāo)準，本研究中的評價根據(jù)全國A層土壤鍶背景值165×10－6（中國土壤背景值，1990），結(jié)合山西省鍶的分布特點，提出劃分鍶的標(biāo)準（表9）.

表9 鍶資源評價劃分標(biāo)準Table 9 Classification criteria of Sr resource evaluation

根據(jù)本區(qū)表層土壤鍶的地球化學(xué)分布特征，本評價將以區(qū)內(nèi)表層土壤中鍶含量大于或等于240×10－6作為富鍶標(biāo)準進行評價.按照劃分標(biāo)準將區(qū)內(nèi)富鍶土壤劃分為兩大區(qū)：一級富鍶區(qū)，鍶平均含量大于270×10－6；二級富鍶區(qū)，鍶平均含量在240×10－6～270×10－6.

4.2 富鍶土壤資源分布特征

按照土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準（GB15618—2018）［20］，對區(qū)內(nèi)土壤中鎘、汞、砷、鉛、鎘、銅、鎳、鋅和pH等9項指標(biāo)進行了分析評價（表10），pH變化范圍在7.63～10.2之間.對照農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值（表11），可以得出結(jié)論：區(qū)內(nèi)土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅等污染物含量均小于其農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險低，能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求.

表10 農(nóng)用地主要污染元素含量統(tǒng)計表Table 10 Contents of major polluting elements in agricultural land

表11 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值（基本項目）Table 11 Soil pollution risk screening values of agricultural land（basic items）

按照鍶劃分標(biāo)準，結(jié)合區(qū)內(nèi)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險評價結(jié)果，圈出富鍶土壤（Sr≥240×10－6）面積1 104 km2，占調(diào)查區(qū)面積的69.87%，其中，富鍶農(nóng)產(chǎn)品推薦種植產(chǎn)地442 km2.富鍶農(nóng)產(chǎn)品推薦種植產(chǎn)地主要集中在桑干河及其支流兩岸的耕地區(qū).

4.3 富鍶土壤資源潛力評價

根據(jù)區(qū)內(nèi)富鍶土壤分布特征和農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控相關(guān)指標(biāo)，結(jié)合土壤類型和水源條件，將區(qū)內(nèi)富鍶土壤劃分為3類（圖3）.

圖3 富鍶土壤資源分布及開發(fā)建議圖Fig.3 Distribution of Sr-rich soil resources and development suggestion

Ⅰ類區(qū)（適宜開發(fā)區(qū)）：能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求，且土壤中鍶平均含量大于或等于270×10－6的區(qū)域.主要分布于黨留莊鄉(xiāng)、杜莊鄉(xiāng)、瓜園鄉(xiāng)、河頭鄉(xiāng)及峰峪鄉(xiāng)北部，總面積442 km2.具有較好的開發(fā)潛力，屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適宜開發(fā)的富鍶土壤資源區(qū).

Ⅱ類區(qū)（具開發(fā)潛力區(qū)）：能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求，且土壤中鍶平均含量為240×10－6～270×10－6，處于低山丘陵區(qū)、水源條件不好以及土壤鹽堿化嚴重的區(qū)域，面積662 km2，主要分布在盆山結(jié)合部和桑干河沿岸地下水位較淺的區(qū)域.具有一定的開發(fā)潛力，但需要科學(xué)的有針對性的選擇農(nóng)產(chǎn)品，并對土地因地制宜地進行人工干預(yù).

Ⅲ類區(qū)（不具備開發(fā)潛力區(qū)）：土壤中鍶的平均含量不足240×10－6的區(qū)域，總面積476 km2，主要分布于工作區(qū)東南山地帶和西部毛家皂鎮(zhèn)、馬辛莊鄉(xiāng)、吉家莊鄉(xiāng)、許堡鄉(xiāng)和友宰鎮(zhèn)的南部區(qū)域，一般不具開發(fā)潛力，屬不適宜富鍶土壤開發(fā)的區(qū)域.

5 結(jié)論

（1）調(diào)查區(qū)表、深層土壤鍶元素含量平均值均高于中國土壤C層背景值，表層平均含量是中國土壤A層的1.57倍.深層平均含量是中國土壤C層的1.65倍.在空間分布上，表、深層土壤表現(xiàn)出高度的一致性，分布不均勻，且明顯受水－巖作用控制，高值區(qū)分布于桑干河及其支流兩岸.

（2）通過相關(guān)性分析，工作區(qū)表、深層土壤中鍶與Ba、B、Cr、La、Nb、Na、As、Sb、Si等關(guān)系密切.

（3）不同地質(zhì)單元中表、深層土壤鍶含量平均值最高均為峙峪組，最低均為馬蘭組，說明土壤中鍶的聚集過程與成土過程存在必然聯(lián)系.不同土地利用類型中表、深層土壤鍶含量平均值最高為耕地，這意味著區(qū)內(nèi)富鍶農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)具備較好的先天條件.

（4）桑干河以南山區(qū)前寒武紀老變質(zhì)巖是區(qū)內(nèi)最主要的巖石類型，其鍶含量平均值高達646×10－6，是區(qū)內(nèi)表層土壤鍶平均含量的2.47倍，是深層土壤鍶平均含量的2.31倍，為土壤富鍶提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ).

（5）調(diào)查區(qū)土壤鍶元素含量高，存在大量的富鍶土壤，且全區(qū)鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅等元素含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長和土壤生態(tài)環(huán)境風(fēng)險低.全區(qū)富鍶土壤（Sr≥240×10－6）面積1 104 km2，占調(diào)查區(qū)面積的69.87%，其中適宜開發(fā)區(qū)面積442 km2，區(qū)內(nèi)具有較好的開發(fā)富鍶土壤資源潛力.