貴州耕地主要元素地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)與分析

蔡大為，李龍波， 蔣國才，嚴(yán) 琦，任明強(qiáng)

(1.貴州省耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院；3.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局六總隊(duì))

1 引言

土壤元素背景值原始含義是指土壤在自然成土過程中所形成的物質(zhì)的含量，它僅僅來自于天然源，未受到人為活動(dòng)干擾(陳懷滿，2018)。但自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)對(duì)土壤的干擾越來越大，釋放的各種物質(zhì)已在地球表層土壤中得到了大量累積，顯著改變了地球表層土壤中化學(xué)元素的自然背景含量和分布模式。近30年文獻(xiàn)中對(duì)地球化學(xué)背景值的概念和應(yīng)用途徑進(jìn)行了廣泛討論(中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990；Darnley A G，et al.1995；Salminen R and Gregorauskiene V，2000；陳懷滿，2018)。雖然土壤元素背景值含義的表述還未完全統(tǒng)一，但一般是指某一特定時(shí)間點(diǎn)上、一個(gè)地區(qū)或區(qū)域范圍內(nèi)土壤中某個(gè)元素或化合物的實(shí)際含量，既包括自然背景濃度，也包括人類活動(dòng)影響后的實(shí)際背景濃度(Cicchella D，et al.2005；Albanese S，et al.2007；陳懷滿，2018)

本文利用貴州省耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目數(shù)據(jù)資料，通過對(duì)貴州全省耕地表層土壤23項(xiàng)測試指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析及背景值計(jì)算方法的討論，確定了貴州省耕地表層土壤測試指標(biāo)的背景值，可為科學(xué)認(rèn)識(shí)貴州省耕地表層土壤元素含量現(xiàn)狀及政府部門制定有效監(jiān)管措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 樣品采集與分析測試

土壤樣品分析測試工作由經(jīng)過自然資源部資格認(rèn)證的五家實(shí)驗(yàn)室完成。五家實(shí)驗(yàn)室分析測試工作均執(zhí)行《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》(DZ/T0258)及《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》(DD2005)，均使用統(tǒng)一的國家標(biāo)樣物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，且分析測試數(shù)據(jù)均由中國地質(zhì)調(diào)查局地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目樣品分析質(zhì)量監(jiān)控專家?guī)鞂＜因?yàn)收。

3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)果與討論

4.1 貴州省耕地表層土壤地球化學(xué)背景值

迭代剔除異常值前，只有Ge和Tl元素服從正態(tài)分布；經(jīng)迭代剔除異常值后有機(jī)質(zhì)、N、P、Hg、V、F、Se、Cr、Co、Ni、B、Zn、Pb、Mn、As、K、Mo等元素或指標(biāo)符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，Cu、Cd元素呈偏態(tài)分布，I元素和pH呈雙峰分布(表1)。一般認(rèn)為，正態(tài)分布是大量相互獨(dú)立又相對(duì)微小的隨機(jī)變量共同作用的結(jié)果，反映的是一個(gè)漸變過程和平穩(wěn)過程；對(duì)數(shù)正態(tài)分布是某些因素起了突出作用但是未起到左右全局的結(jié)果，因此不經(jīng)過轉(zhuǎn)換無法運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)(趙志飛，閆暉，姚嵐，等，2013)。

4.2 貴州省不同土壤類型耕地表層土壤地球化學(xué)背景值

對(duì)于N、P、K、有機(jī)質(zhì)4項(xiàng)指標(biāo)，棕壤有機(jī)質(zhì)的背景值最高，富集系數(shù)(背景值與全省耕地土壤背景值的比值)為1.49，其在黃棕壤中的富集系數(shù)為1.25，在其余土壤類型中的背景值變化較為均勻；棕壤N元素背景值最高，在其余土壤類型中的背景值變化較為均勻；棕壤P元素背景值最高，其次為黃棕壤，富集系數(shù)分別為1.70和1.46；除棕壤和黃棕壤K元素含量背景值較低外，在其余土壤類型耕地土壤中背景值變化較均勻(表2)。

微量元素中，總體來說，Cu、Zn、Mn、Mo在棕壤、黃棕壤、紫色土、粗骨土中出現(xiàn)不同程度的富集，B元素則正好相反。Cu、Zn、Mn、Mo在紅壤中含量相對(duì)較低，B元素則相對(duì)富集。

特色元素Se和Ge在黃棕壤、棕壤中的富集系數(shù)較高，Se在各類土壤中背景值高低趨勢為棕壤>黃棕壤>粗骨土>黃壤>石灰土>水稻土>紫色土>紅壤；Ge在各類土壤中背景值高低趨勢為黃棕壤>紫色土>黃壤、棕壤>紅壤、石灰土、粗骨土。

環(huán)境元素普遍在棕壤、黃棕壤、石灰土中富集，在紅壤、黃壤、紫色土和水稻土中背景值相對(duì)較低。例如，Cd在棕壤和黃棕壤中富集系數(shù)分別高達(dá)4.71和3.67，在紅壤、水稻土、黃壤和紫色土中富集系數(shù)分別為0.5、0.85、0.925和0.975。

圖1 貴州省耕地表層土壤元素(指標(biāo))含量頻率分布圖

表1 貴州省耕地表層土壤元素(或指標(biāo))背景值(樣品數(shù)454431件)

表2 貴州省不同土壤類型耕地表層土壤元素(或指標(biāo))背景值

續(xù)表

4.3 貴州省不同成土母巖耕地表層土壤地球化學(xué)背景值

在不同成土母巖耕地表層土壤N、P、K、有機(jī)質(zhì)中，紫紅色砂頁巖型土壤N元素背景值最低，千枚巖(片巖)型土壤N元素背景值最高，從富集程度上來看，僅在紫紅色砂頁巖和砂巖(含硅質(zhì)巖)型土壤中貧化，在白云巖型土壤中變化不明顯，在其他成土母巖型土壤中均有不同程度的富集；玄武巖及輝綠巖型土壤P元素背景值最高，除此之外還在灰?guī)r型土壤中富集，在其他成土母巖型土壤中均有不同程度的貧化；K元素在花崗巖型土壤中含量最高，在除灰?guī)r、玄武巖及輝綠巖和泥砂礫之外的其他成土母巖型土壤中有不同程度的富集；有機(jī)質(zhì)含量在千枚巖(片巖)型土壤中分布最高，在其他成土母巖型土壤中分布差異不大(表3)。

微量元素在不同成土母巖型土壤中含量變化較大，其中Cu、Zn、Mn、Mo均在玄武巖及輝綠巖型土壤大量富集，尤其是Cu，富集系數(shù)高達(dá)4.96，而在黑色頁巖型土壤中有不同程度的貧化，但B元素在黑色巖性型土壤中含量最高?？傮w來看各元素在碎屑巖、變質(zhì)巖型土壤中分布含量較低。

有益元素中Ge在不同成土母巖型土壤中含量分布相差不大，Co、F、Se、V、I的含量分布受不同成土母巖型土壤影響較大，其中Se在黑色頁巖型土壤中含量分布最高，其次為千枚巖(片巖)和玄武巖及輝綠巖型土壤，再次為灰?guī)r型土壤，在變質(zhì)巖和碎屑巖型土壤中分布含量較低。

總體來看，環(huán)境元素在灰?guī)r和白云巖型土壤中分布含量高，在碎屑巖和變質(zhì)巖型土壤中分布含量較低，其中Cd在玄武巖及輝綠巖型土壤中分布含量最高，富集系數(shù)為2.45，其次為灰?guī)r型土壤，再次為白云巖型土壤，在其他成土母巖型土壤中含量分布相對(duì)較低。

表3 貴州省不同成土母巖耕地表層土壤元素(或指標(biāo))背景值

5 結(jié)論

(1)本研究在樣品采集、分析測試、分析數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)均執(zhí)行了嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且樣本量巨大。因此，本項(xiàng)研究的貴州省耕地主要元素地球化學(xué)背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有可信度。

(2)總體來看，貴州省耕地土壤有機(jī)質(zhì)、N、P等養(yǎng)分組分的背景值較高，養(yǎng)分元素K的背景值略低；Se、Ge特色元素的背景值較高，表明我省具有發(fā)展富硒、富鍺特色農(nóng)業(yè)的巨大潛力；As、Cr、Hg、Pb等環(huán)境元素的背景值較低，Cd的背景值略高，在耕地的開發(fā)利用時(shí)應(yīng)關(guān)注其安全性。

(3)貴州省耕地土壤化學(xué)元素背景值的統(tǒng)計(jì)對(duì)全面認(rèn)識(shí)全省耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也對(duì)制定耕地土壤質(zhì)量保護(hù)法規(guī)及地方標(biāo)準(zhǔn)的提供了重要依據(jù)。

致謝：本項(xiàng)研究成果屬于貴州省自然資源廳，屬于貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局、貴州省煤田地質(zhì)局、貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局及其下屬30余家地勘單位1000余名地質(zhì)科技人員共同所有。在收齊原始分析測試數(shù)據(jù)后，作者進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算與總結(jié)執(zhí)筆。在此，特向參加貴州省耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目的所有工作人員致謝。