鄆城縣北部地區(qū)土壤元素地球化學(xué)背景值特征

宋亮,白新飛,楊時驕,宋津宇,于超,王濤

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟南 250109)

0 引言

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ),近幾十年來,隨著經(jīng)濟發(fā)展,人類對土地資源開發(fā)利用強度的增加,工業(yè)排放和不合理的耕作、施肥[1-3]方式都對土壤中的元素環(huán)境水平造成了重要影響,尤其是重金屬元素的累積對農(nóng)業(yè)安全和人類生活構(gòu)成了嚴重威脅[4-7]。鄆城縣作為全國產(chǎn)糧大縣,土地質(zhì)量情況直接關(guān)系到國家糧食安全問題。為摸清研究區(qū)的土地質(zhì)量現(xiàn)狀,2019年開展了山東省鄆城縣北部地區(qū)1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價項目(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東省鄆城縣北部地區(qū)1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價報告,2021年。。在獲得研究區(qū)土壤元素背景值的基礎(chǔ)上,對區(qū)內(nèi)土壤中元素的累積趨勢[8]進行了研究,為鄆城縣土壤重金屬元素的監(jiān)測、預(yù)測提供研究案例,為土地高效利用、污染防治等提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省西南部,隸屬于菏澤市鄆城縣,包括鄆城縣北部的李集鄉(xiāng)、黃集鄉(xiāng)、張魯集鄉(xiāng)、侯咽集鎮(zhèn)、程屯鎮(zhèn)、水堡鄉(xiāng)、玉皇廟鎮(zhèn)、潘渡鎮(zhèn)、楊莊集鎮(zhèn)9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及鄆城縣城,總面積約858km2。區(qū)內(nèi)氣候四季分明,陽光充足,常年平均氣溫14.0℃,平均降水量約649.9mm,適合小麥、玉米等糧食作物生長,是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。土地利用類型以水澆地、林地、園地為主,土壤成土母質(zhì)為沖積物母質(zhì)。因受歷次黃河決口泛濫的影響,形成了以緩平坡地、淺平洼地、河槽地和沿黃洼地等4種微地貌類型為主,并以大面積分布的開闊波狀傾斜地為主要特征的地貌類型。土壤類型較單一(圖1),區(qū)內(nèi)土壤劃分為2個土類:潮土和新積土;潮土分為2個亞類:潮土(砂質(zhì)潮土、壤質(zhì)潮土、黏質(zhì)潮土)和鹽化潮土(砂質(zhì)氯化物鹽化潮土、壤質(zhì)氯化物鹽化潮土、砂質(zhì)濱海鹽化潮土、砂質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土、壤質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土)。

1—砂質(zhì)潮土;2—壤質(zhì)潮土;3—黏質(zhì)潮土;4—砂質(zhì)氯化物鹽化潮土;5—壤質(zhì)氯化物鹽化潮土;6—砂質(zhì)濱海鹽化潮土;7—砂質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土;8—壤質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土;9—黃河灘沖積土。圖1 研究區(qū)土壤類型分布圖

2 樣品采集與分析測試

本次調(diào)查采集深度為0～20cm的表層土壤,采樣密度在農(nóng)用地區(qū)域為6～8個點/km2,建設(shè)用地區(qū)域為4個點/km2,平均采樣密度6點/km2,共采集樣品5148件。采樣時,以采樣點為中心向周圍輻射50～100m范圍,采集4～6個子樣,等量混合成一個樣品。樣品采集時挑出植物根系、石塊等雜物,裝入干凈的棉布樣袋,經(jīng)風(fēng)干、碾碎后過孔徑20目的尼龍篩。

分析指標(biāo)為pH、有機質(zhì)、P、Fe2O3、Mn、MgO、CaO、K2O、Se、Hg、Mo、F、N、S、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Zn、B、Co、Cd、Ge、I、As共26項指標(biāo),分析方法及檢出限見表1。樣品分析測試工作由山東省物化探勘查院巖礦測試中心和山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實驗室共同完成,通過標(biāo)準樣、密碼樣、監(jiān)控樣多種監(jiān)控手段,對樣品的分析質(zhì)量進行嚴格的質(zhì)量控制,保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性。質(zhì)控結(jié)果為:報出率均為100%,每項指標(biāo)的分析準確度、精密度均達到100%,隨機抽取5.50%的樣品編制成密碼進行重復(fù)性分析,合格率大于95%。

表1 各參數(shù)分析方法及檢出限 單位:mg/kg

3 研究區(qū)土壤地球化學(xué)背景特征

土壤地球化學(xué)背景值是指自然應(yīng)力和人類活動共同作用影響下區(qū)域表層土壤的含量值,受成土母質(zhì)組成、成土過程中的元素遷移以及人類活動等因素的影響[9-13]。除了受到土壤基準值的控制外,還受到風(fēng)化、淋濾以及人為擾動、污染的影響。對土壤地球化學(xué)背景值的研究是評價土壤環(huán)境質(zhì)量及進行預(yù)測的基礎(chǔ),對土壤環(huán)境質(zhì)量評價、研究和確定土壤環(huán)境容量、土壤生態(tài)環(huán)境保護以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[14-15]。

研究區(qū)表層土壤剔除異常值后的元素地球化學(xué)背景值參數(shù)統(tǒng)計見表2,通過與菏澤市和山東省土壤地球化學(xué)背景值對比,具有以下規(guī)律:

表2 表層土壤地球化學(xué)含量特征參數(shù)統(tǒng)計表

(1)研究區(qū)表層土壤元素背景值與菏澤市背景值相比,元素K1值在0.98～1.43之間,接近的指標(biāo)(0.901.2)為有機質(zhì)、N、S、Cd、I。

(2)與山東省背景值相比,元素K2值在0.94～1.85之間,接近的指標(biāo)(0.901.2)為B、I、有機質(zhì)、N、As、S、MgO、Cd、P、CaO。

(3)表層土壤中分布較不均勻的指標(biāo)(0.4≤變異系數(shù)<1.0)有I,這可能與其在灌溉水中含量分布極不均勻有關(guān);其他元素在區(qū)內(nèi)分布均勻,這是由于研究區(qū)位于黃河下游流域分布區(qū),屬黃河沖積平原,成土母質(zhì)均為沖積物母質(zhì),與其他地區(qū)相比較,成土母質(zhì)土壤類型較為單一。

(4)研究區(qū)pH背景值為8.344,且各點位的pH均大于7.5。表層土壤中Hg、Cr、Pb、Cd、As 5種重金屬元素背景值含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(GB15618—2018)中的篩選值(表3),由此,研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬污染總體上極低。極個別樣品中Cd含量最大值超過標(biāo)準篩選值,在個別地方存在點源污染。

表3 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值(pH>7.5) 單位:mg/kg

4 土壤重金屬元素累積趨勢

4.1 研究基礎(chǔ)

2003年龐緒貴等開展的山東省黃河下游流域多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查(1∶25萬)項目,范圍覆蓋本研究區(qū),該項目土壤表層樣品采樣深度0～20cm,采樣密度1件/4km2,測試指標(biāo)54項,位于研究區(qū)內(nèi)表層土壤組合樣品(分析測試樣品)數(shù)為221件。與本次調(diào)查相比,二者除了調(diào)查比例尺引起的采樣密度有差別以外,在采樣技術(shù)方法、樣品加工、野外工作質(zhì)量監(jiān)控、樣品測試、分析數(shù)據(jù)驗收等關(guān)鍵環(huán)節(jié)基本一致。

本研究是基于2003年項目所獲取的數(shù)據(jù)與本次取得的數(shù)據(jù)進行對比,對我國土壤污染監(jiān)測和調(diào)查的主要元素指標(biāo)[17]As、Cd、Cr、Hg、Pb在過去時間段內(nèi)的變化趨勢進行研究,并對未來土壤中重金屬含量進行預(yù)測。

研究區(qū)內(nèi)兩組調(diào)查樣本的間隔時間為16年,為便于討論,將研究區(qū)內(nèi)1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查采集的表層土壤樣點數(shù)據(jù)集稱為WA,將本次1∶5萬土地質(zhì)量球化學(xué)評價采集的全部表層土壤樣點數(shù)據(jù)集稱為WB1。為了將2組數(shù)進行對比,以WA為中心,劃定評價單元(2km×2km),每4km2內(nèi)的WB1數(shù)據(jù)取平均值,獲得數(shù)據(jù)集WB2,共得到221個點位數(shù)據(jù)與WA進行一一配對。

4.2 土壤重金屬元素累積趨勢

分別對2次調(diào)查數(shù)據(jù)中重金屬元素含量的算術(shù)平均值進行了統(tǒng)計(表4),可以看出,除了As元素之外,WB2數(shù)據(jù)集重金屬含量要比WA數(shù)據(jù)集大,表明2003—2019這16年間,研究區(qū)Hg、Cr、Pb、As四種重金屬的含量總體是增加的,而As元素有輕微減少的趨勢。

表4 表層土壤調(diào)查樣點元素含量算術(shù)平均值統(tǒng)計 單位:mg/kg

對一一配對的2組數(shù)據(jù)元素含量對比(圖2),發(fā)現(xiàn)重金屬元素中,Hg、Cr、Pb、As四種重金屬元素含量增大的點位個數(shù)均遠遠超過含量減少的點位個數(shù)。從增減幅度來看,含量增大的樣點元素含量增幅的絕對值也大于含量減小的樣點減幅的絕對值。

圖2 表層土壤調(diào)查單元重金屬元素增減數(shù)量和增減幅度統(tǒng)計圖

圖2—圖4可以看出,相較于2003年,2019年表層土壤中Hg、Cr、Pb、Cd元素含量以增加為主。Hg元素平均增幅約48%,減幅約21%,其中以張魯集鎮(zhèn)西部的南李樓村一帶增幅最高,增幅超過180%。Cr元素平均增幅約13%,減幅約7%,其中以潘渡鎮(zhèn)西部的堿店村增幅最高,增幅最大超過30%,其余區(qū)域增幅相對較低。Pb元素平均增幅為15%,減幅約6%,增幅較高的區(qū)域集中在縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地。Cd元素平均增幅達到25%,減幅約10%,其中鄆城鎮(zhèn)東部的劉梅村一帶增幅最高,最高增幅達到了170%,其余區(qū)域增幅相對較低。

圖3 2003—2019年Hg、Cr、Pb、Cd元素增減幅度等值線圖

圖4 2003—2019年As元素增減幅度等值線圖

As元素含量增加和減少個數(shù)基本持平,增加的幅度和減少幅度也基本相等。平均增減幅度相對較低,均在10%左右。含量增加的區(qū)域主要位于李集和程屯2個鄉(xiāng)鎮(zhèn),最高點出現(xiàn)在玉皇廟鎮(zhèn)東部的北鄭莊村,增幅超過60%。

4.3 土壤重金屬元素含量預(yù)測

4.3.1 預(yù)測模型的構(gòu)建

以某一時點的土壤重金屬含量為基礎(chǔ),對之后的某一時點土壤重金屬含量的估計進行預(yù)測[16],土壤重金屬含量預(yù)測的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)模型為:

Wt=W0+t×ΔW

(1)

式中:Wt—預(yù)測經(jīng)歷了t年的土壤重金屬含量(mg/kg);W0—土壤初始的重金屬含量(mg/kg);ΔW—重金屬含量的年變化率(kg/(km2·a))。

本研究選擇單時段增量模型來進行預(yù)測,該模型是基于一段時間內(nèi)至少2組實際調(diào)查數(shù)據(jù)所建立的模型[17-20]。本研究中歷史數(shù)據(jù)為前述WA,當(dāng)前數(shù)據(jù)為前述WB2。由式(1)得:

ΔW1=(WB2-WA)/T

(2)

Wt=WB2+t×(WB2-WA)/T

(3)

式中:ΔW1—該模型2003—2019年的重金屬含量的年變化率(kg/(km2·a));WB2—2019年的土壤重金屬含量(mg/kg);WA—2003年的土壤重金屬含量(mg/kg);T—2組數(shù)據(jù)的間隔時間為16年;Wt—預(yù)測經(jīng)歷了t年的土壤重金屬含量(mg/kg);t—預(yù)測年限。

4.3.2 預(yù)測結(jié)果

在每年的土壤元素含量不發(fā)生較大變化的情況下,采用以上模型,預(yù)測每個點位2035年土壤中元素含量,并對預(yù)測含量進行土壤環(huán)境質(zhì)量評價,從預(yù)測的評價結(jié)果來看,Hg、Cr、Pb、As含量均低于表2的篩選值,對土壤的污染風(fēng)險低。Cd元素有4個4km2連片網(wǎng)格,網(wǎng)格含量達到0.60mg/kg、0.62mg/kg、0.74mg/kg、0.79mg/kg,超過表2篩選值,可能存在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險,該地區(qū)位于工業(yè)園區(qū)附近,同時分布有一定數(shù)量的蔬菜大棚和耕地,應(yīng)引起足夠的重視(圖5)。

圖5 表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量預(yù)測圖

5 結(jié)論

(1)通過土壤質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查,首次系統(tǒng)獲取了研究區(qū)1∶5萬比例尺的表層土壤26項元素指標(biāo)含量數(shù)據(jù),填補了此區(qū)域研究空白。

(2)與山東省背景值相比,研究區(qū)內(nèi)明顯偏高的指標(biāo)有:B、I、有機質(zhì)、N、As、S、MgO、Cd、P、CaO。區(qū)內(nèi)重金屬As、Cd含量分別為全省土壤背景值的1.38倍、1.42倍,其含量明顯高于全省均值。

(3)通過對重金屬元素累積趨勢的研究,發(fā)現(xiàn)土壤中的Hg、Cr、Pb、Cd元素含量在2003—2019年期間總體是增加的,而As元素有輕微減少的趨勢。根據(jù)單時段增量模型預(yù)測的結(jié)果,到2035年,Cd元素在局部地區(qū)超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準中的篩選值,可能存在一定的風(fēng)險,需加強對該地區(qū)的監(jiān)測。