貴州省平壩區(qū)耕地土壤地球化學(xué)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

何本蜻，鄢興旭，羅 沙，孟超領(lǐng)

(1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.貴州榮源環(huán)?？萍加邢薰荆F州 貴陽(yáng) 550008)

耕地質(zhì)量、耕地肥力及耕地重金屬污染是當(dāng)前十分關(guān)注的問(wèn)題，耕地?cái)?shù)量減少，耕地質(zhì)量退化對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅(沈仁芳 等，2012)，縣域是農(nóng)業(yè)基層管理和技術(shù)推廣的基本單位，許多研究針對(duì)縣域尺度了解土壤肥力情況(李文紅 等，2016；徐志強(qiáng)，2020；孔鵬飛 等，2020)用各種方法評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量(聶艷，2005；王大偉 等，2015；吳會(huì)軍 等，2019；于松林 等，2020；石睿 等，2020)，劃分耕地土壤質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)，為全面掌握耕地土壤質(zhì)量、優(yōu)化養(yǎng)分管理、調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)(蔡大為 等，2020；周琦，2020)。貴州省平壩區(qū)(文中所述平壩區(qū)皆含現(xiàn)劃至貴安新區(qū)的高峰鎮(zhèn)及馬場(chǎng)鎮(zhèn))是貴州高原上的魚(yú)米之鄉(xiāng)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，自古有“黔中大糧倉(cāng)”的美譽(yù)。早在六七十年代區(qū)域地球化學(xué)資料已在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用(周?chē)?guó)華 等，1994)。本文擬通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)的土壤地球化學(xué)調(diào)查科學(xué)規(guī)劃土地利用，指導(dǎo)土地施肥及作物種植等，以期通過(guò)科學(xué)管理促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

區(qū)境內(nèi)以巖溶地貌為主，高原臺(tái)地、山地、丘陵盆地壩子交錯(cuò)分布。區(qū)內(nèi)山脈屬苗嶺山群，由于長(zhǎng)期的風(fēng)化侵蝕，各山脈連續(xù)性很差，山脈脊線不明顯。山地區(qū)面積占27.7%，丘陵區(qū)面積占47.3%，山間平壩區(qū)面積占25%。

平壩區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，平壩區(qū)雨量充沛，常年每畝地面降水量約800立方米，但由于降水的月、季分布不均，作物往往因降雨不適時(shí)而受到不同程度的影響。

1.2 樣品采集

以1∶50000土地利用現(xiàn)狀圖及奧維地圖衛(wèi)星遙感圖作為工作底圖；表層土壤樣品采樣點(diǎn)區(qū)域的點(diǎn)密度范圍控制在9個(gè)點(diǎn)/ km2，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)布設(shè)采樣點(diǎn)的合理性、代表性等對(duì)布設(shè)的采樣點(diǎn)進(jìn)行了100 m范圍內(nèi)的調(diào)整。于2017年6月至2018年12月使用竹片、鐵鍬等共計(jì)完成耕地表層土壤樣品采集3885件，基本樣3805件，重復(fù)樣77件。此外布置剖面3個(gè)，均位于平壩區(qū)西北部，采集了12件土壤樣品和3件成土母巖樣品；大氣干濕沉降樣3件，位于高峰鎮(zhèn)小白巖村、樂(lè)平鎮(zhèn)高院村及十字鄉(xiāng)四甲村，于2017年11月布設(shè)，2018年11月采集，大氣干濕沉降物采樣器為頂面直徑為43 cm，底面直徑為35 cm，高為48 cm的塑料桶；以及灌溉水樣品16件。

1.3 樣品分析

分析測(cè)試由國(guó)土資源部成都綜合巖礦測(cè)試中心完成。采用X射線熒光光譜法(XRF)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子熒光光譜法(AFS)、催化光度法(COL)、pH電極法(ISE)、容量法、比色法和高鹽霧化器等離子體光譜法等對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)采用外部質(zhì)量控制和內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合的方法控制分析質(zhì)量，內(nèi)部樣中基礎(chǔ)樣所有元素測(cè)試合格率為100%，元素重復(fù)分析按三倍檢出限內(nèi)RD≤30%，三倍檢出限外RD≤25%統(tǒng)計(jì)質(zhì)量，并對(duì)全部突變高點(diǎn)和突變低點(diǎn)進(jìn)行重新取樣分析。外部控制樣中各批次各元素合格率均大于90%，各批次各元素相關(guān)系數(shù)均大于0.91；雙樣本方差檢驗(yàn)(F檢驗(yàn))各批次均小于臨界值。

圖1 采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Sampling position1—平壩鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱；2—灌溉水采樣點(diǎn)；3—剖面采樣點(diǎn)；4—大氣沉降采樣點(diǎn)；5—表層土壤采樣點(diǎn)；6—平壩區(qū)縣界；7—平壩區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤地球化學(xué)環(huán)境

平壩區(qū)耕地土壤以酸性為主，強(qiáng)堿性(pH≥8.5)的耕地面積0.03萬(wàn)畝，占全區(qū)耕地面積的0.05%；堿性(pH7.5-8.5)耕地面積3.08萬(wàn)畝，占全區(qū)耕地面積的5.03%；中性(pH6.5-7.5)耕地面積16.86萬(wàn)畝，占全區(qū)耕地面積的27.54%；酸性(pH5.0-6.5)耕地面積38.70萬(wàn)畝，占全區(qū)耕地面積的63.23%；強(qiáng)酸性(pH<5.0)耕地面積2.54萬(wàn)畝，占全區(qū)耕地面積的4.15%。

一般以石灰?guī)r、白云巖等較純碳酸鹽巖類(lèi)為母質(zhì)的土壤環(huán)境呈中至堿性，對(duì)重金屬有鈍化作用；以砂泥質(zhì)巖、泥炭質(zhì)巖等不純碳酸鹽巖類(lèi)為母巖的土壤環(huán)境呈堿性，對(duì)重金屬有活化作用(何邵麟 等，2015)。區(qū)內(nèi)酸性土壤面積占67.38%，可能引起重金屬活化。

圖2 平壩區(qū)耕地土壤酸堿度等級(jí)圖Fig.2 pH value degree of cultivated land in Pingba1—平壩區(qū)縣界；2—平壩區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線；3—強(qiáng)堿性 ≥8.5；4—堿性 7.5<8.5；5—中性 6.5<7.5；6—酸性 5<6.5；7—強(qiáng)酸性 <5

2.2 耕地元素特征

對(duì)耕地土壤養(yǎng)分元素有機(jī)質(zhì)、氮(N)、堿解氮、磷(P)、速效磷、鉀(K)、速效鉀、硼(B)、有效硼、鋅(Zn)、有效鋅、鉬(Mo)、有效鉬、銅(Cu)、鈷(Co)、釩(V)、錳(Mn)、硒(Se)、鍺(Ge)、碘(I)和氟(F)21個(gè)參數(shù)，以及土壤環(huán)境元素砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鎳(Ni)和鉈(Tl)7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。分別統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、背景值等地球化學(xué)參數(shù)，以平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除原始數(shù)據(jù)離群樣品后，計(jì)算各元素的平均值作為背景值。

養(yǎng)分元素中，K元素平均值顯著偏低，平均值和背景值均低于中等土壤養(yǎng)分含量要求，其余B、Co、Cu、Mn、Mo、N、P、V、Zn、有機(jī)質(zhì)等，平均值和背景值均高于中等土壤養(yǎng)分含量要求。

As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Tl 8個(gè)環(huán)境元素的平均值和背景值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(GB 15618-2018)，其中Hg、Cd元素變異系數(shù)大(張莉 等，2005；張澤東 等，2018)。其余有效量方面，速效磷、有效硼平均值和背景值均低于中等土壤養(yǎng)分含量要求，其余堿解氮、有效鉬、有效鋅、速效鉀及陽(yáng)離子較換量平均值及背景值均高于中等土壤養(yǎng)分含量要求。

表1 平壩區(qū)耕地土壤地球化學(xué)參數(shù)表Table 1 Geochemical parameters of cultivated land in Pingba

2.3 土壤發(fā)育及遷移

土壤剖面中常量、微量元素的含量和分布模式特征可以反映土壤的發(fā)育程度及遷移過(guò)程(成曉夢(mèng)，2016；李艷 等，2020)。硅鋁比(Sa=SiO2/ Al2O3)的大小，可以反映土壤風(fēng)化發(fā)育程度，Sa越小，表示土壤風(fēng)化發(fā)育程度越強(qiáng)，同時(shí)也可以用硅鋁比的突異程度來(lái)判別成土過(guò)程中是否存在異源母質(zhì)(陳武 等，2010)?；瘜W(xué)蝕變系數(shù)(CIA=[ Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]*100)，CIA則反映了長(zhǎng)石風(fēng)化成粘土礦物的程度(Nesbitt 1982)。CIA值越高則巖石風(fēng)化和土壤成土過(guò)程中Na、K、Ca從母巖中淋失越多，化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng)(Nesbitt et al.，1984；Kautz et al.，2007)。土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)(ba =(CaO + MgO + K2O + Na2O) / Al2O3)反映了土壤各層風(fēng)化淋溶程度，ba 越小，表明淋溶作用越強(qiáng)(Guggenberger et al 1998)。

表2 剖面元素比值Table 2 Element ratios of the section

2.4 灌溉水及大氣沉降

根據(jù)實(shí)測(cè)的16件灌溉水樣品測(cè)試數(shù)據(jù)(表3)，對(duì)照表4可知，平壩區(qū)灌溉水pH值最小值7.26，最大值8.36，在限量標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)；F-、硼、鋅、鍺、鎘、鉛、汞、砷、硒、六價(jià)鉻各單項(xiàng)指標(biāo)含量均低于限量標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 灌溉水環(huán)境地球化學(xué)含量Table 3 Eco-geochemical content of the irrigation water

表4 灌溉水限量標(biāo)準(zhǔn)表(GB 5084-2005)Table 4 Limit standard of the irrigation water

平壩區(qū)大氣干濕沉降物元素含量特征見(jiàn)表5和表6。同時(shí)為了研究大氣沉降對(duì)土壤元素含量的影響，計(jì)算了與大氣干濕沉降物同年采集的平壩區(qū)全區(qū)表層土壤基本樣(3805件)重金屬元素含量平均值，將大氣干濕沉降物輸入濃度與土壤含量值進(jìn)行比較。

表5 干沉降物元素含量特征Table 5 Characteristics of element content in dry fallout

表6 濕沉降物元素含量特征Table 6 Characteristics of element content in wet fallout

干沉降重金屬元素平均值中Pb、Cr、Cd元素含量相對(duì)其他元素高，As、Hg元素含量相對(duì)較低，重金屬元素含量的平均值與土壤中重金屬元素的平均值比值從大到小依次為Cd>Pb>Hg>Cr>As。平壩區(qū)大氣濕沉降物pH值偏酸性，元素含量平均值中B、Zn元素含量相對(duì)其他元素高，濕沉降中元素含量的平均值與土壤中元素的平均值比值僅Se大于0，表明濕沉降中重金屬元素對(duì)土壤影響較小。

3 結(jié)論與建議

(1)平壩區(qū)耕地以酸性為主，酸性土壤面積占67.38%，土壤發(fā)育較強(qiáng)，易影響耕地土壤中重金屬的活性，改變耕地土壤中養(yǎng)分的形態(tài)和養(yǎng)分的有效性?？蛇m量使用改酸材料(如白云石粉)，適當(dāng)提高耕地土壤pH。

(2)養(yǎng)分元素K平均值偏低，其余B、Co、Cu、Mn、Mo、N、P、V、Zn、有機(jī)質(zhì)等也僅達(dá)到中等土壤養(yǎng)分含量要求，在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可進(jìn)行針對(duì)性施肥。

(3)貴州省平壩區(qū)耕地土壤地球化學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也對(duì)制定土壤合理利用提供了重要依據(jù)。