人類活動對江漢平原地區(qū)土地質(zhì)量的影響
——以洪湖市為例

鄭雄偉，陶夢珺，張芷宜，查亞，王亞風(fēng)，張響榮

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430100; 2.湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊,湖北 武漢430056;3.國防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院,湖北 武漢 430030; 4.湖北工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,湖北 武漢 430068;5.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司,江蘇 南京 210000;6.湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊,湖北 鄂州 436000;7.湖北省地質(zhì)實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

0 引言

土地作為地球表面上由土壤、巖石、氣候、水文、地貌、植被等組成的自然綜合體,土地質(zhì)量自然會受到這些因素的影響,而隨著人類活動的日益頻繁和加劇，土地質(zhì)量受人類活動的影響也越來越大[1-3]。從農(nóng)田區(qū)域的角度出發(fā)，人類活動主要從大氣干濕沉降、施用灌溉水和施用化肥3方面對土壤元素含量產(chǎn)生影響，造成土壤重金屬的累積，然后通過食物鏈進(jìn)入人體，給人體的健康帶來威脅[4-5]。近年來關(guān)于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中單獨(dú)元素的通量研究很多[6-11]，但較少涉及幾種元素輸入途徑及輸入量等方面的研究。本研究以2014～2019年完成的1∶5萬“湖北省‘金土地’工程(洪湖1-3期)”和“洪湖市全域土地質(zhì)量地球化學(xué)評價暨地方特色農(nóng)業(yè)硒資源調(diào)查”項目的測試數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，探討大氣干濕沉降、灌溉水和化肥3種途徑對土地質(zhì)量的影響，以期為研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品種植提供重要科學(xué)依據(jù)，也為研究區(qū)科學(xué)的制定土地利用規(guī)劃、保護(hù)和改善土地資源提供理論支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于湖北省中南部，長江中游北岸，江漢平原東南端，面積2 519 km2，包含20個鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦區(qū)和洪湖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

研究區(qū)地層屬揚(yáng)子地層區(qū)，基巖零星分布于城區(qū)。區(qū)內(nèi)第四系全新統(tǒng)分布廣泛，具有類型多、相變大、物質(zhì)成分復(fù)雜的特點(diǎn),按成因類型劃分為沖積、湖積、湖沖積、沼澤沉積等4種成因類型(表1)。

表1 研究區(qū)地層單位劃分

根據(jù)第三次土地調(diào)查的成果，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)研究區(qū)以耕地、水域及水利設(shè)施用地為主，按照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)，耕地面積有799.25 km2，占32.66%；水域及水利設(shè)施用地面積有1 408.34 km2，占57.55%；園地面積有2.66 km2，占0.11%，林地面積有76.56 km2，占3.13%,見圖1。

圖1 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

洪湖市土地資源結(jié)構(gòu)以耕地和水域為主要土地類型，占全市總面積的90.21%，其土地利用的主要特點(diǎn)為：水域面積大、建設(shè)用地面積大；耕地面積小、未利用地面積小。

2 樣品采集及分析測試方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究起止年份為2014～2019年, 研究數(shù)據(jù)分 4個部分：①2014年湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊開展的湖北省“金土地”工程(洪湖一期)調(diào)查；②2016年湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊開展的湖北省“金土地”工程(洪湖二期)調(diào)查；③2018年湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊開展的湖北省“金土地”工程(洪湖三期)調(diào)查；④2019年湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊和湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊共同開展的“洪湖市全域土地質(zhì)量地球化學(xué)評價暨地方特色農(nóng)業(yè)硒資源調(diào)查”，見圖2。

2.2 采樣方法

按照1個點(diǎn)/16 km2的采樣密度，在灌溉水取水口或其上游位置布設(shè)灌溉水取樣點(diǎn)，采集時間為農(nóng)作物的灌溉期，采集現(xiàn)場測試水體的pH值和水溫等指標(biāo)，根據(jù)測試指標(biāo)不同，添加不同的保護(hù)劑。單點(diǎn)樣分析指標(biāo)23項，具體為pH、As、Mo、Se、Cr6+、K、N、Ba、Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、Mn、Fe、P、硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、高錳酸鉀指數(shù)、總硬度、溶解性總固體。

肥料樣品采集密度約為1個點(diǎn)/20 km2，樣品覆蓋了整個研究區(qū)，兼顧空間分布的均勻性。一般要求在上茬作物成熟或收獲以后，下茬作物尚未種植以前，田間管理人員正在施用底肥期間采集樣品，以反映采樣地塊的真實養(yǎng)分狀況和供肥能力。按照實際施肥種類進(jìn)行化肥、農(nóng)家肥或泥炭等樣品采集，采集不同種類和不同廠家生產(chǎn)、當(dāng)?shù)厥褂脧V泛的大宗肥料及各點(diǎn)肥料的輸入量，樣品質(zhì)量大于500 g。

在研究區(qū)布設(shè)6 處大氣沉降監(jiān)測點(diǎn)，布署在洪湖市的主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)。每處樣點(diǎn)放置 2 個接沉缸，半年回收1次大氣干濕沉降物樣品，樣點(diǎn)布設(shè)位置見圖2。

圖2 2014～2019年各時段工作范圍及大氣干濕沉降樣品點(diǎn)位

研究區(qū)共采集92件灌溉水樣，86件大氣降塵樣，95件肥料樣，見表2。

表2 研究區(qū)樣品類型工作量統(tǒng)計

樣品的采集、加工和保存均嚴(yán)格按照《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0289—2015)執(zhí)行。

2.3 分析測試方法

所有樣品測試及分析工作均由湖北省地質(zhì)實驗測試中心承擔(dān),分析測試過程的質(zhì)量控制嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》執(zhí)行,測試結(jié)果都滿足相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定的準(zhǔn)確度和精密度等質(zhì)量要求。所有樣品分析合格率100%，各元素異常抽查合格率均>95%。

3 研究區(qū)人類活動對土地質(zhì)量的影響

3.1 大氣干濕沉降對土地質(zhì)量的影響

3.1.1 大氣干濕沉降輸入量結(jié)果與分析

在研究區(qū)均勻布設(shè)的 6個觀測點(diǎn)大氣干濕沉降指標(biāo)地球化學(xué)特征值見表3、表4。

表3 研究區(qū)大氣降塵地球化學(xué)指標(biāo)特征值

表4 研究區(qū)大氣降水地球化學(xué)指標(biāo)特征值

從變異系數(shù)看，大氣降塵、大氣降水各分析指標(biāo)在研究區(qū)均為較弱分異型，表明大氣降塵和大氣降水中各指標(biāo)(元素)在研究區(qū)分布較為均勻。

從區(qū)域分布來看(表5)，不論是干沉降還是濕沉降，4號觀測點(diǎn)大氣沉降中重金屬元素含量較其他觀測點(diǎn)高數(shù)倍。 這主要是由于4號觀測點(diǎn)附近固體廢棄物露天焚燒產(chǎn)生大量煙塵，攜帶大量有害物質(zhì)進(jìn)入大氣造成的。

表5 研究區(qū)大氣干濕沉降中元素含量的特征

大氣干濕沉降降落到土壤中后，對土壤中重金屬元素含量的影響可能是正向的，也可能是負(fù)向的。由于濕沉降對土壤耕層體積不會產(chǎn)生影響，因此濕沉降都會增加土壤中元素的含量水平。但干沉降情況相對復(fù)雜，如果干沉降中的元素含量高于土壤中的元素含量，那么干沉降會造成表層土壤元素的累積；如果干沉降中的元素含量小于表層土壤的元素含量，那么干沉降就會使土壤中的元素含量降低，起到稀釋作用[6]。在扣除土壤本底的影響下，計算得出大氣干濕沉降年凈增通量。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，除Se和Hg外，其他重金屬元素的顆粒態(tài)沉降量均大于大氣降水中的沉降量，說明研究區(qū)重金屬大氣沉降輸入途徑以降塵為主。由表6可知，重金屬元素Zn的干濕沉降總量在研究區(qū)內(nèi)最高，最低者為Hg。

表6 研究區(qū)大氣干濕沉降年通量

3.1.2 大氣干濕沉降評價標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》要求，大氣干濕沉降物環(huán)境地球化學(xué)等級劃分指標(biāo)為Cd和Hg，研究區(qū)所有監(jiān)測點(diǎn)Cd和Hg年通量密度值均小于標(biāo)準(zhǔn)值，Cd、Hg大氣干濕沉降環(huán)境質(zhì)量均為一等。依據(jù)上述綜合指標(biāo)評價方法，研究區(qū)大氣干濕沉降單指標(biāo)均達(dá)到一等，因此評價區(qū)干濕沉降綜合質(zhì)量為一等，見圖3。

圖3 大氣干濕沉降年通量綜合等級

3.2 灌溉水對土地質(zhì)量的影響

在研究區(qū)采集了92件灌溉水，灌溉水中重金屬元素含量及輸入通量見表7。灌溉水輸入通量為元素的含量與用水量的乘積，用水量采用2018年度《湖北省水資源公報》公布的數(shù)據(jù)，全省農(nóng)田實灌畝均用水量356 m3，折合為每公頃用水量為5 337 m3。

表7 研究區(qū)灌溉水重金屬元素含量及年平均輸入通量

從表中可以看出，與農(nóng)田灌溉水標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084—2005)相比，研究區(qū)灌溉水中的重金屬元素含量均較低。不同元素含量的差異較大，受不同水系來源的影響，各點(diǎn)位的含量也呈現(xiàn)較大的差別。灌溉水pH值較適宜，以中偏堿性為主。As的輸入通量最大，達(dá)28.57 g/(hm2·a)，其次為Zn，輸入通量最小為Hg，為0.35g/(hm2·a)。

3.3 農(nóng)業(yè)施肥對土地質(zhì)量的影響

為了研究從化肥中輸入土壤中的重金屬元素通量，采集了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常施用的肥料及不同生產(chǎn)家廠的產(chǎn)品，共94件，其中包括復(fù)合肥樣品79件，氮肥樣品15件。通過野外調(diào)查統(tǒng)計出的每種化肥的年平均使用量來計算重金屬元素的輸入量。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，研究區(qū)農(nóng)田復(fù)合肥畝均用量120 kg、氮肥50kg，折算出年均施肥量:復(fù)合肥年均施肥量為每公頃1 800 kg，氮肥年均施肥量為每公頃750 kg。化肥中重金屬元素含量及輸入通量見表8。

表8 化肥中重金屬元素含量及年平均輸入通量

重金屬元素的年輸入通量最大的為Zn，達(dá)45.182 g/(hm2·a)，其次為Cr，Hg的輸入通量最小，為0.018 g/(hm2·a)。

4 不同輸入途徑重金屬元素對土地質(zhì)量的影響

不同輸入途徑的重金屬元素通量存在較大差異(表9)，對土壤元素含量的貢獻(xiàn)也不一樣?？傮w上灌溉水的年輸入通量較大，除Zn、Cr、Pb外，其他元素的通量中灌溉水對土壤的貢獻(xiàn)都是最大的，尤其是Hg和As兩種重金屬元素表現(xiàn)最為明顯，其灌溉水通量分別占到總通量的91.45%、80.92%，見圖4。對于大氣干濕沉降的通量，As、Hg和Cr表現(xiàn)較低，As僅占到2.84%，Hg也僅占到4.00%，Hg的灌溉水輸入通量比較低。從3種途徑的輸入通量總和來看，不同元素表現(xiàn)差異較大，反映了元素本身地球化學(xué)循環(huán)的差異。

表9 不同輸入途徑重金屬元素年輸入通量

圖4 不同輸入途徑重金屬元素年輸入通量各占比例分布

按土壤深度取20 cm，土壤容重取水稻土容重1 820 kg/m3(根據(jù)全域數(shù)據(jù))，計算總通量引起的土壤元素年增加量。與土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值(GB 15618—2018)相比，可以了解不同元素通量對土壤質(zhì)量的影響大小。從表中可以看出，7種重金屬元素年增加量與標(biāo)準(zhǔn)值相比，比值都小于0.05%，對土壤的影響都較小[12]。

5 結(jié)論

1)通過對研究區(qū)大氣干濕沉降、灌溉水和化肥3種不同輸入途徑重金屬元素對土地質(zhì)量的影響研究，As、Pb、Zn等7種重金屬元素年增加量與標(biāo)準(zhǔn)值相比，比值都小于0.05%，證實研究區(qū)土地質(zhì)量的安全性受人類活動的影響較小。

2)從3種途徑的輸入通量總和來看,不同元素表現(xiàn)差異較大，反映了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動輸入的差異。

3)灌溉水的年輸入通量較大，除Zn、Cr、Pb外，其他元素的通量中灌溉水對土壤的貢獻(xiàn)都是最大的。

致謝：對在工區(qū)工作的同仁表示由衷的敬意，感謝嚴(yán)向軍教授級高工對文章的審閱。樣品分析由自然資源部武漢巖礦測試中心曾慧美等協(xié)助完成，在此一并表示感謝！