廣西寧明縣海淵鎮(zhèn)土地質(zhì)量地球化學(xué)評價

鮑波，雷天賜*，姜華，徐宏林，王磊，郝志紅

1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心（中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），湖北 武漢 430205;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000

土地是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源和物質(zhì)基礎(chǔ)，如何科學(xué)合理利用土地資源是學(xué)者們關(guān)注的熱點（路婕等，2011；王立勝等，2012）。農(nóng)作物中的微量元素含量很大程度上受土壤中各元素含量和形態(tài)的影響；農(nóng)作物被動物或人直接攝入后進入食物鏈，從而可能影響到人體健康或生態(tài)環(huán)境。因此，了解糧食作物或其他經(jīng)濟作物賴以生存的耕地資源土壤質(zhì)量狀況顯得尤為重要。

本次研究選擇在廣西寧明縣海淵鎮(zhèn)開展1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價工作，采用土壤養(yǎng)分指標（氮、磷、鉀、硒）、環(huán)境指標（pH、鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鉻、鎳）（Callender，2014；Fitzgerald and Lamborg，2014；Plant et al.，2014；肖凱琦等，2021），農(nóng)作物評價指標（硒和鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鉻、鎳），以第二次全國土地調(diào)查成果中的土地利用圖斑為評價單元，進行土地質(zhì)量地球化學(xué)分等定級（Yang Z F et al.，2014；賈黎黎等，2017；劉國棟等，2017；姜華等，2020），旨在提出富硒土地資源開發(fā)利用和規(guī)劃建議，為研究區(qū)所在地方政府履行土地資源管理、實施土壤環(huán)境保護等管理職能提供科學(xué)依據(jù)（李括等，2019；夏學(xué)齊等，2020；郭軍等，2021；朱鑫等，2021），同時對推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)海淵鎮(zhèn)位于廣西西南部崇左市寧明縣境內(nèi)（經(jīng)度范圍：E107°23′1.43″～107°33′40.20″、緯度范圍：N21°59′40.87″～22°13′4.04″），屬溫暖濕潤的亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫22℃，年均降水量1200 mm；土壤類型以赤紅壤為主，其次為紫色土和水稻土；土地利用類型為水田、有林地、旱地、其他林地和灌木林地。

研究區(qū)地層自二疊系到新近系均有出露，主要包括沉積建造和玄武巖建造（圖1）。其中，二疊系主要為淺灰色-深灰色厚層狀礁灰?guī)r；三疊紀羅樓組（T1l）包括一套灰黃～深灰色生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r以及玄武巖，主要分布在海淵鎮(zhèn)北部地區(qū)，相應(yīng)的土地利用類型為旱地和灌木林地，除羅樓組外，三疊紀石炮組（T1s）至新近紀寧明組（N1nm）主體巖石類型為碎屑巖，如含礫砂巖、長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖等。

圖1 海淵鎮(zhèn)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of Haiyuan Town,Guangxi

2 研究方法

2.1 樣品采集與加工

為確保樣品代表性和均勻性，表層土壤樣品均勻采集0～20 cm深土壤，采用圖斑加網(wǎng)格的原則進行采樣點布設(shè)，平均采樣密度為8點/km2。為進一步確保樣品的代表性，在野外實際確定的主采樣點周圍20～50 m范圍內(nèi)采集3～5個子樣進行等份組合。樣品采集避開垃圾堆、主要公路、居民地等潛在污染源。土壤樣品自然風干后使用木棍進行碎樣并過10目尼龍篩，收取通過尼龍篩的土壤樣品攪拌均勻后用四分法縮分送樣。本次研究的農(nóng)作物樣品為水稻稻穗，水稻收獲盛期，在采樣點及其周圍地塊進行多點采樣，然后等量混合成一件樣品，樣品風干后人工脫穗送樣。

2.2 樣品分析測試

所有樣品測試均在湖北省地質(zhì)實驗測試中心完成。土壤樣品測試方法：使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定Cd、Cu、Zn、Pb含量；使用X射線熒光光譜法（XRF）測定P、Cr、K2O含量；使用原子熒光光譜法（AFS）測定Hg、Se、As含量；使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）測定Ni含量；使用容量法（VOL）測定N含量；使用離子選擇性電極法（ISE）測定樣品pH值。水稻樣品測試方法：使用ICP-MS測定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量；使用AFS測定Hg、Se、As含量。

樣品測試準確度控制采用國家一級標準物質(zhì)進行監(jiān)控，由質(zhì)管部門在每500件樣品中以密碼形式插入12個GBW標準物質(zhì)與樣品同條件進行分析測試，每種元素的每次分析結(jié)果單獨計算測量值與標準值的對數(shù)偏差，其準確度合格率要求≥98%，本次測試準確度合格率為100%。pH值測定采用六個國家一級標準物質(zhì)（GBW07412～GBW07417）控制準確度，計算測定值與標準值的絕對偏差，允許限要求小于0.1，本次分析準確度合格率為100%。精密度控制采用四個兼顧大部分元素高中低含量的土壤一級標準物質(zhì)進行監(jiān)控，由質(zhì)管部門以密碼形式插入到每一分析批次中，與樣品一起分析，每批分析完成后，按每個標準物質(zhì)計算測定值與標準值的對數(shù)偏差，然后計算四個監(jiān)控樣的對數(shù)標準偏差，用以衡量樣品分析的精密度，此次測試精密度合格率達100%。綜上所述，本次研究樣品測試質(zhì)量符合《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）（國土資源部，2016）要求。

2.3 評價指標與方法

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)評價指標為氮、磷、鉀、硒；土壤環(huán)境地球化學(xué)評價指標包括酸堿度、鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鉻、鎳。農(nóng)作物樣品地球化學(xué)評價指標為硒和鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鉻、鎳。

2.3.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)評價

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)評價參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）（國土資源部，2016），養(yǎng)分元素氮、磷、鉀單指標等級評價標準見表1。在單指標養(yǎng)分元素評價基礎(chǔ)上，依據(jù)f養(yǎng)綜=0.4fN+0.4fP+0.2fK計算土壤養(yǎng)分綜合評價得分。其中fN、fP、fK分別代表土壤氮、磷、鉀單指標等級得分，氮、磷、鉀單指標評價結(jié)果為五等、四等、三等、二等、一等時對應(yīng)的評價得分為1分、2分、3分、4分、5分。根據(jù)計算的f養(yǎng)綜以及土壤養(yǎng)分綜合等級評價標準（表2）確定評價單元土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級。土壤硒元素等級評價標準見表3。

表1 土壤養(yǎng)分元素單指標等級評價標準Table 1 Assessment standard for geochemical grade of soil nutrient

表2 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級評價標準Table 2 Assessment standard for geochemical comprehensive grade of soil nutrient

表3 土壤硒元素等級評價標準Table 3 Assessment standard for soil selenium

2.3.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)評價

土壤酸堿度（pH）等級評價標準（國土資源部，2016）見表4?！锻寥拉h(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）（生態(tài)環(huán)境部，2018）規(guī)定了農(nóng)用地土壤中鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鉻、鎳的風險篩選值以及鎘、汞、砷、鉛、鉻的風險管制值。風險篩選值按不同土地利用類型（水田、果園、其他）以及酸堿度分別規(guī)定界限值，此次評價選擇最嚴格的風險篩選值（表5）作為界限值進行土壤環(huán)境單指標等級劃分（表6）。對于沒有風險管制值的銅、鋅、鎳，低于和高于風險篩選值分別評價為無風險和風險可控兩個等級。在單指標土壤環(huán)境地球化學(xué)評價基礎(chǔ)上，將單指標評價得到的最差環(huán)境等級賦為評價單元的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級。

表4 土壤酸堿度（pH）等級評價標準Table 4 Assessment standard for soil pH

表5 農(nóng)用地土壤污染風險篩選值和管制值（×10-6）Table 5 Risk screening and intervention values(×10-6)for soil contamination of agricultural land

表6 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分Table 6 Classification scheme for geochemical grade of soil environment

2.3.3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合評價

土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合評價參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）（國土資源部，2016）。土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級由評價單元土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級與土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級疊加產(chǎn)生，評價方法見表7。其中一等為優(yōu)質(zhì)；二等為良好；三等為中等；四等為差等；五等為劣等。

表7 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級劃分Table 7 Classification scheme for geochemical comprehensive grade of soil quality

2.3.4 無污染風險富硒土地劃分

無污染風險富硒土地需要同時滿足以下兩點要求：（1）土壤重金屬含量低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）（生態(tài)環(huán)境部，2018）規(guī)定的風險篩選值；（2）土壤Se含量介于0.40×10-6～3.0×10-6之間（國土資源部，2016）。

2.3.5 水稻富硒與重金屬評價

根據(jù)《富硒稻谷》（GB/T 22499—2008）（國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008）規(guī)定：通過自然生長過程而富集形成的硒含量介于0.04×10-6～0.30×10-6之間的稻谷（加工成三級大米）稱為富硒稻谷。稻谷重金屬評價依據(jù)《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）（國家食品藥品監(jiān)督管理總局，2017）和《糧食（含谷物、豆類、薯類）及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004）（農(nóng)業(yè)部，2004）等標準規(guī)定的限量值（表8）。

表8 稻谷重金屬元素限量（×10-6）Table 8 Limit of heavy metals in paddy(×10-6)

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)等級

3.1.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級

土壤養(yǎng)分單元素評價等級及面積比例見圖2。海淵鎮(zhèn)土壤氮肥力較差，豐富和較豐富土壤面積之和僅占全區(qū)總面積的10.13%，中等和較缺乏土壤面積分別占全區(qū)總面積的38.62%和37.91%；土壤磷肥力很差，較缺乏和缺乏土壤面積之和占全區(qū)總面積的86.77%，豐富和較豐富土壤面積之和僅占全區(qū)總面積的2.17%；土壤鉀肥力很差，較缺乏和缺乏土壤面積之和占全區(qū)總面積的87.82%，豐富和較豐富土壤面積之和僅占全區(qū)總面積的3.90%。海淵鎮(zhèn)土壤酸化現(xiàn)象明顯，其中強酸性土壤（pH＜5.0）占全區(qū)總面積的64.80%，酸性土壤（5.0≤pH＜6.5）占比24.65%。楊忠芳等（2006）、余濤等（2006）研究表明，土壤酸化會使其鹽基離子淋失，養(yǎng)分貧瘠，尤其是會大大降低土壤有益元素有效態(tài)的含量，從而顯著降低土壤肥力。

圖2 海淵鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分單元素等級面積比例圖Fig.2 The percentage of soil nutrient geochemical grade area in Haiyuan Town,Guangxi

從土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級評價結(jié)果（圖3）可知，海淵鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分質(zhì)量較差，各等級土壤分布情況如下：全區(qū)無豐富等級土壤分布；較缺乏等級土壤面積為122.69 km2，占全區(qū)總面積的55.68%；缺乏等級土壤面積為60.99 km2，占全區(qū)總面積的27.68%，主要在那才村、友福村、那祿村、三臺村、北巖村等附近分布；中等等級土壤面積為32.49 km2，集中分布于華僑農(nóng)場、桐骨村附近；較豐富等級土壤僅有4.18 km2，主要在桐骨村附近分布。

圖3 海淵鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級評價圖Fig.3 Map showing geochemical comprehensive grade of soil nutrient,Haiyuan Town,Guangxi

3.1.2 土壤硒元素地球化學(xué)等級

土壤硒元素地球化學(xué)等級評價結(jié)果見圖4。海淵鎮(zhèn)土壤硒等級以適量為主，面積為156.74 km2，占全區(qū)總面積的71.13%；高硒等級土壤面積44.82 km2，占全區(qū)總面積的20.34%，主要在桐骨村、那祿村、北巖村、那才村等附近分布；邊緣硒等級土壤面積15.90 km2，主要分布在研究區(qū)中北部地區(qū)；硒缺乏土壤2.89 km2，僅占全區(qū)總面積的1.31%，零星分布于區(qū)內(nèi)。

圖4 海淵鎮(zhèn)土壤硒元素地球化學(xué)等級評價圖Fig.4 Map showing geochemical grade of soil selenium,Haiyuan Town,Guangxi

參考宋江濤等（2021）的方法，對研究區(qū)內(nèi)不同成土母巖發(fā)育土壤硒元素含量進行統(tǒng)計分析（土壤樣品數(shù)量低于15件不統(tǒng)計）（表9），探究不同成土母巖對土壤硒含量的影響。由表可見，8組地層中共有5組成土母巖地層的土壤硒平均含量低于富硒標準（0.40×10-6），同一地層組內(nèi)土壤硒含量變化大，變異系數(shù)均在25%以上，部分變異系數(shù)可達50%以上。同時，區(qū)內(nèi)不同時代地層中出現(xiàn)一個明顯的富硒高峰，即三疊系羅樓組和二疊系礁灰?guī)r。羅樓組主體巖性為灰?guī)r和玄武巖，土壤硒含量為0.33×10-6～1.30×10-6，大部分土壤樣品達到富硒標準；二疊系地層為生物礁灰?guī)r，土壤硒含量為0.39×10-6～0.99×10-6，該組土壤樣品富硒率達95%，這與雷天賜等（2020）研究的廣西巖溶區(qū)土壤富硒比例高的結(jié)論相一致。

表9 不同成土母巖土壤硒元素地球化學(xué)特征值Table 9 Selenium contents characteristics of soils derived from different parent rocks

3.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級

3.2.1 土壤酸堿度（pH）地球化學(xué)等級

從土壤酸堿度（pH）地球化學(xué)等級評價結(jié)果（圖5）可知，海淵鎮(zhèn)土壤以強酸性～酸性為主，其中強酸性土壤面積為142.80 km2，占比64.80%；酸性土壤面積為54.31 km2，占比24.65%；中性土壤面積為14.67 km2，占比6.66%，主要分布于研究區(qū)北部桐骨村、三臺村一帶；堿性與強堿性土壤面積之和為8.57 km2，占比3.89%，與中性土壤分布位置大體相近。

圖5 海淵鎮(zhèn)土壤酸堿度等級評價圖Fig.5 Geochemical map showing soil pH grade,Haiyuan Town,Guangxi

3.2.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級

土壤環(huán)境單元素評價等級及面積比例見圖6。海淵鎮(zhèn)土壤環(huán)境質(zhì)量好，土壤重金屬（鎘、汞、銅、鉛、鋅、鉻、鎳）和類金屬元素（砷）均以無風險等級為主，無風險等級土壤占全區(qū)總面積均大于96%。海淵鎮(zhèn)僅有鎘存在風險較高等級土壤，且該等級土壤僅占全區(qū)總面積的1.28%。

圖6 海淵鎮(zhèn)土壤環(huán)境單元素評價等級面積比例圖Fig.6 The percentage of soil environment geochemical grade area in Haiyuan Town,Guangxi

從土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級評價結(jié)果（圖7）可以看出：海淵鎮(zhèn)土壤環(huán)境質(zhì)量好，各等級土壤分布情況如下：海淵鎮(zhèn)土壤以無風險等級為主，面積為210.59 km2，占比95.57%；風險可控土壤面積為6.93 km2，占比3.15%；風險較高土壤面積僅2.83 km2，主要分布在桐骨村以北地區(qū)。由環(huán)境單元素等級評價結(jié)果可知，決定海淵鎮(zhèn)風險較高土壤分布范圍的元素為鎘。

由圖7可見，土壤鎘風險較高區(qū)域大體與二疊紀礁灰?guī)r分布區(qū)（圖1）相吻合，該地層分布區(qū)共采集表層土壤樣品19件，其中鎘含量屬于風險較高等級的樣品12件，風險可控等級樣品6件，二者之和占樣品總數(shù)的94.74%。此外，三疊系羅樓組（灰?guī)r、玄武巖）分布區(qū)（圖1）也有較大比例的鎘風險可控區(qū)域。綜上所述，海淵鎮(zhèn)灰?guī)r分布區(qū)表層土壤鎘含量整體較高，這與Chen H Y et al.（2015）的研究結(jié)論相同：因為擁有大面積巖溶分布區(qū)，廣西具有全國最高的表層土壤鎘平均含量（1.05×10-6），遠高于全國土壤Cd背景值（0.09×10-6）。余濤等（2006）、馬宏宏等（2020）、王銳等（2020）研究表明：隨著土壤酸化，重金屬，尤其是Cd、Pb的生物活性顯著提高，從而增加農(nóng)作物對相應(yīng)重金屬的富集系數(shù)，給農(nóng)作物安全生產(chǎn)帶來潛在危害。

圖7 海淵鎮(zhèn)土壤環(huán)境綜合等級評價圖Fig.7 Map showing geochemical comprehensive grade of soil environment,Haiyuan Town,Guangxi

3.3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級

海淵鎮(zhèn)土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級評價結(jié)果見圖8。從總體評價情況來看，海淵鎮(zhèn)土壤質(zhì)量一般，以中等為主，面積124.01 km2，占比56.28%；差等土壤面積為60.04 km2，占比27.25%；劣等土壤面積為2.83 km2，占比1.28%，主要分布于桐骨村附近；優(yōu)質(zhì)和良好土壤面積之和為33.47 km2，占比15.19%，主要分布于思州村、華僑農(nóng)場、峙北村、海灣村、桐骨村等附近。海淵鎮(zhèn)土壤質(zhì)量主要受土壤養(yǎng)分缺乏影響，劣等土壤主要由土壤鎘超標導(dǎo)致。

圖8 海淵鎮(zhèn)土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級評價圖Fig.8 Map showing geochemical comprehensive grade of soil quality,Haiyuan Town,Guangxi

3.4 水稻富硒及重金屬安全性評價

水稻是海淵鎮(zhèn)主產(chǎn)的糧食作物，本次研究共采集水稻樣品60件，稻谷硒平均含量為0.06×10-6，高于國家富硒大米標準的下限（0.04×10-6）（國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008），研究區(qū)水稻的高硒特征為打造天賜廣“硒”奠定了重要的基礎(chǔ)。60件水稻樣品中，富硒樣品共有40件，占比為66.67%，只有ZSP028樣品的Cd含量（0.21×10-6）輕微超標（限量標準為0.20×10-6）（國家食品藥品監(jiān)督管理總局，2017），其他樣品所有重金屬元素含量均未超標，其中富硒、重金屬不超標樣品39件，占比65.00%；不富硒、重金屬不超標樣品20件，占比33.33%；富硒、重金屬超標樣品1件，占比1.67%；沒有不富硒且重金屬超標的樣品。因此，在海淵鎮(zhèn)產(chǎn)出的天然富硒稻谷安全性很高，可成為打造安全富硒農(nóng)產(chǎn)品的主導(dǎo)糧食作物類型。

3.5 無污染風險富硒土地劃分

海淵鎮(zhèn)無污染風險富硒土地劃分結(jié)果見圖9，共圈定無污染風險富硒土地35.69 km2，其中集中連片分布區(qū)7個，即桐骨村南部、三臺村東部、蔗元村、華僑農(nóng)場、峙北村-北巖村、那祿村東部、那才村分布區(qū)。劃定的無污染風險富硒土地可用于富硒無污染風險農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)與安全利用，在保障農(nóng)產(chǎn)品安全性的前提下提高產(chǎn)品附加值，可以有效支撐鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施。

圖9 海淵鎮(zhèn)無污染風險富硒土地分布圖Fig.9 Map showing the distribution of Se-rich with no contamination risks land,Haiyuan Town,Guangxi

4 結(jié)論

（1）海淵鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分質(zhì)量較差，全區(qū)無豐富等級土壤分布。較缺乏和缺乏等級土壤面積占全區(qū)總面積的83.36%；土壤環(huán)境質(zhì)量好，無風險等級土壤占全區(qū)總面積的95.57%；土壤質(zhì)量一般，以中等為主，占全區(qū)總面積的56.28%。

（2）海淵鎮(zhèn)土壤硒等級以適量為主，占全區(qū)總面積的71.13%。三疊紀羅樓組和二疊紀礁灰?guī)r分布區(qū)土壤富硒比例明顯高于其他沉積地層分布區(qū)。

（3）海淵鎮(zhèn)水稻樣品中富硒稻谷占比高達66.67%，水稻樣品重金屬超標率僅為1.67%。無污染風險富硒土地面積35.69 km2，其中集中連片分布區(qū)有7個，為富硒無重金屬污染風險農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)提供了有利的條件。