桓臺(tái)縣土壤地球化學(xué)背景值及分區(qū)特征

刁海忠，楊小三，李文全，楊偉紅

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查始于1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查，是一項(xiàng)服務(wù)于國土資源管理、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和精準(zhǔn)扶貧的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作。山東省自2003年開始，前后歷時(shí)15年，實(shí)現(xiàn)了全省陸域范圍1∶25萬土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查工作全覆蓋[1-2]。在此期間，開展了章丘大蔥生產(chǎn)基地地球化學(xué)環(huán)境研究工作，工作比例尺為1∶5萬[3-5]，為全省開展大比例尺土地質(zhì)量調(diào)查與評(píng)價(jià)工作奠定基礎(chǔ)。2016年，山東省安排省財(cái)政資金在全省范圍內(nèi)開展1∶5萬土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)工作，桓臺(tái)縣為選中地區(qū)之一。研究區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，為全國百強(qiáng)縣市，同時(shí)作為我國江北第一個(gè)“噸糧縣”，土地肥沃，研究區(qū)內(nèi)土地環(huán)境質(zhì)量面臨污染壓力。本次研究工作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，大致理清表層土壤中各元素物質(zhì)來源及影響因素，為當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

桓臺(tái)地理位置處于魯中山區(qū)和魯北平原的結(jié)合地帶，行政區(qū)劃隸屬于山東省淄博市(圖1)，面積509km2，總?cè)丝?0.16萬。區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低，地形平坦[6]，分為南部緩崗、中部微斜平地、北部洼地3種地貌單元。研究區(qū)未見基巖出露，為第四紀(jì)松散堆積物掩蓋，其下伏隱伏地層有中新生代陸相沉積和古生代海相—海陸交互相沉積巖系等。土壤類型分為褐土、潮褐土、潮土。土地利用類型主要為耕地、林地、園地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、工礦倉儲(chǔ)用地、公共管理及公共服務(wù)用地、其他土地等。

1—河流：2—行政區(qū)界線；3—研究區(qū)位置

2 工作方法

2.1 樣品采集與分析

采集樣品2803件，平均采樣密度5.51點(diǎn)/km2。樣品采集深度0～20cm，樣品采集采用多點(diǎn)組合方法，每個(gè)分樣點(diǎn)采樣部位、采集深度、重量保持一致，采集樣品時(shí)，避開新搬運(yùn)的堆積土、垃圾土及明顯污染的土壤。不同土地利用類型的地塊分樣點(diǎn)的數(shù)量不同，耕層土壤由4～6個(gè)子樣等量混合組成1件樣品，林地土壤由2～3個(gè)子樣等量混合組成1件樣品。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，過2mm的孔徑篩，縮分后正、副樣各留300g，正樣送往實(shí)驗(yàn)室，副樣留存。分析測(cè)試工作由中國冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心完成，分析方法以電感耦合等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)、X射線熒光光譜法(XRF)為主(表1)，各分析方法質(zhì)量參數(shù)符合要求，分析過程按照規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室外部質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部質(zhì)量控制。

表1 研究區(qū)土壤元素全量指標(biāo)分析方法

外部質(zhì)量控制累計(jì)插入150件外控樣與樣品同時(shí)分析，分別計(jì)算各元素測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間對(duì)數(shù)偏差的合格率(%)、相關(guān)系數(shù)(r)、雙樣本的方差分析(F)控制樣品分析質(zhì)量，質(zhì)控合格率均大于99.46%；共采集重復(fù)樣66件，2次采樣分析結(jié)果相對(duì)雙差(RD=2×|A1-A2|×100%/(A1+A2))≤30%為合格[7]，合格率均大于90%，符合要求。

2.2 背景值計(jì)算方法

土壤地球化學(xué)背景值是指自然應(yīng)力和人類活動(dòng)共同作用影響下(土壤的第Ⅱ環(huán)境)區(qū)域表層土壤的含量值,實(shí)際上是成土母質(zhì)組成、成土過程中元素遷移重分配、人為擾動(dòng)污染等各種因素長期綜合作用的結(jié)果,以表層土壤地球化學(xué)調(diào)查元素含量表征[8-9]。

求取背景值時(shí)，首先采用峰度、偏度法對(duì)數(shù)據(jù)頻率分布形態(tài)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)[10-11]。當(dāng)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布時(shí)，分別采用算術(shù)平均值和幾何平均值為土壤背景值；若數(shù)據(jù)分布形態(tài)均不符合上述2種形態(tài)時(shí)，按照算術(shù)平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)離差的方法迭代剔除數(shù)據(jù)，直至無離散值。對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，若為正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，用算術(shù)平均值或幾何平均值代表土壤背景值；若為偏態(tài)分布，以眾值代表土壤背景值。計(jì)算背景值變化范圍時(shí)，部分元素采用“1.5倍標(biāo)準(zhǔn)離差”，未統(tǒng)一采用算術(shù)平均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)離差或幾何平均值乘除幾何標(biāo)準(zhǔn)離差的平方，這是因?yàn)椋行┰厝暨x擇“2倍標(biāo)準(zhǔn)離差”背景值變化范圍會(huì)超出實(shí)際樣品測(cè)試的含量范圍或出現(xiàn)負(fù)值。

3 土壤元素地球化學(xué)背景值

研究區(qū)表層土壤元素地球化學(xué)背景值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

(1)研究區(qū)表層土壤背景值與淄博市土壤背景值相比，Se，I，P，N，Hg，Cd元素含量明顯偏高，是淄博市土壤元素平均值的1.23～1.52倍，Se為淄博市土壤平均值的1.52倍，其余元素除有機(jī)質(zhì)，Ge外與淄博市土壤元素背景值相當(dāng)。

(2)研究區(qū)表層土壤背景值與山東省土壤平均值(A層)相比，Se，有機(jī)質(zhì)，N，Zn，P，Hg，Cd，V，F(xiàn)，I元素含量明顯偏高，是山東省土壤元素平均值的1.31～1.78倍，其中Se為山東省土壤平均值的1.78倍，研究區(qū)表層土壤Se含量平均值為0.38×10-6，按中酸性土壤Se含量大于0.4×10-6，堿性土壤中Se含量大于0.3×10-6[12]，劃定富硒土地面積291.91km2，富硒土地連片性較好，便于開發(fā)利用，同時(shí)研究區(qū)內(nèi)有益元素含量水平較高，為研究區(qū)開發(fā)名優(yōu)特農(nóng)產(chǎn)品提供了優(yōu)勢(shì)。

表2 表層土壤地球化學(xué)含量特征參數(shù)

(3)根據(jù)Wilding對(duì)變異系數(shù)(Coefficient of Variation,CV)的分級(jí)[13-14]，研究區(qū)表層土壤元素pH，F(xiàn)，K，Ge屬于低度變異(CV<0.16)；B，Cr，V，Pb，Ni，Mn，N，有機(jī)質(zhì)，Co，As，P，Cu，Mo，Zn，I，Cd的變異系數(shù)分別為0.18，0.18，0.19，0.2，0.2，0.2，0.22，0.22，0.22，0.22，0.26，0.27，0.28，0.3，0.33，0.35，屬于中度變異(0.160.36)。說明區(qū)內(nèi)I，Cd，Se，Hg元素分布不均，這種現(xiàn)象多是由于地形地貌及人類生產(chǎn)活動(dòng)引起的。結(jié)合有害元素含量情況，研究區(qū)雖然面臨土壤污染的壓力，但絕大部分土壤為無風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(圖2)。

1—無風(fēng)險(xiǎn)；2—風(fēng)險(xiǎn)可控；3—風(fēng)險(xiǎn)較高

4 土壤元素地球化學(xué)分區(qū)

4.1 分區(qū)依據(jù)及方法

因所處地質(zhì)背景不同，成土母質(zhì)在物質(zhì)組成方面存在差異，這些因素導(dǎo)致了元素組合呈現(xiàn)區(qū)域性的差異[9]。土壤形成過程中元素發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，因元素的地球化學(xué)行為存在差異性，習(xí)性相近的元素在遷移轉(zhuǎn)化過程中傾向于聚集在一起。用聚類分析和因子分析進(jìn)行指標(biāo)組合和變量降維，根據(jù)元素分組特征和因子組合特征尋求分區(qū)信息。分區(qū)時(shí)綜合考慮地形地貌、土壤類型及土地利用方式的不同。

4.2 聚類分析

通過spss軟件對(duì)表層土壤元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行R型聚類分析，根據(jù)表層土壤R型聚類分析譜系圖(圖3)，按距離15，將22個(gè)指標(biāo)分為2個(gè)元素組合簇群及5個(gè)單元素簇。

圖3 研究區(qū)表層土壤元素聚類譜系圖

第一簇群為Cr，Cd，Cu，Pb，Ni，Zn，Co，V，Mn，Ge，Mo，K；第二簇群為N、有機(jī)質(zhì)、Se，P，Hg；As，B，F(xiàn)，I，pH與其他簇群相關(guān)系數(shù)相差太大，各自獨(dú)立成單元素(組分)簇。第一簇群元素組合以有害元素及微量營養(yǎng)元素為主，主要為鐵族元素，受地質(zhì)背景影響較大；第二簇群以親生物元素為主，體現(xiàn)了自然背景疊加人類活動(dòng)影響的組合特征；其余單元素(組分)因土地利用類型、土壤類型、地形地貌等因素造成與其他元素相關(guān)性較差，各自形成單元素(組分)簇。與因子分析相比存在一定的差異性，主要是由于因子組合特征為因子方差極大正交旋轉(zhuǎn)后的分析結(jié)果。

4.3 因子分析

通過SPSS軟件進(jìn)行因子分析，為了降低數(shù)據(jù)特高值的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。首先對(duì)所選數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn)(表3)，看是否適合做因子分析。研究區(qū)表層土壤各變量KMO值為0.903，KMO值接近1，概率P<0.001，說明變量間的相關(guān)性較強(qiáng)，表明選取變量適合做因子分析基于主成分模型，提取8個(gè)因子，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為81.69%，較大程度地代表了原有變量蘊(yùn)含的信息。為了使各因子與原始變量的相關(guān)系數(shù)有明顯的差別，采用方差極大正交旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣(表4)，對(duì)因子分析的結(jié)果進(jìn)行剖析[15-20]。

表3 KMO和Bartlett's的檢驗(yàn)

表4 方差極大正交旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣

利用MapGIS軟件繪制表層土壤F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3因子得分分布圖(圖4、圖5、圖6)。

圖4 研究區(qū)表層土壤F1因子得分分布圖

圖5 研究區(qū)表層土壤F2因子得分分布圖

F1因子與V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge顯著性相關(guān)，除Ni，Ge以外，其余變量元素與F1因子相關(guān)系數(shù)均大于0.70，上述元素為鐵族元素為主，難以遷移，其風(fēng)化物以各種次生礦物的形式固滯在母質(zhì)的有限范圍內(nèi)，并在風(fēng)化過程中易于聚集和離散。Ge元素在表生作用條件下相對(duì)穩(wěn)定，也呈現(xiàn)傾向于殘留在成土母質(zhì)有限范圍內(nèi)的特征。K元素主要以礦物鉀形式存于土壤粗粒部分，占全鉀的90%左右，植物極難吸收[21-23]。雖然人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有鉀肥的輸入，同時(shí)農(nóng)作物對(duì)于鉀的需要量均高于氮、磷，所以人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)于表層土壤鉀元素的影響有限，因此F1因子受控于成土母質(zhì)，反映了本區(qū)表層土壤元素空間分布的主體格架主要為鐵族元素等難以遷移的元素。

F2因子與有機(jī)質(zhì)，N，Se，Hg，P顯著相關(guān)，為親生物元素。相關(guān)分析表明，土壤中的氮和有機(jī)質(zhì)呈顯著性相關(guān)(顯著性水平為0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.86。土壤中氮元素主要以有機(jī)態(tài)氮形式存在，能被植物直接吸收利用的無機(jī)態(tài)氮含量約為全氮量的5%。一般認(rèn)為土壤中C/N存在平衡狀態(tài)，土壤氮素含量大體上決定了有機(jī)碳的含量，土壤碳的保持在很大程度上決定于土壤氮素的水平，反過來土壤有機(jī)碳含量的高低間接反映出土壤的供氮能力[24-26]。從空間分布范圍來看，因子得分高值區(qū)主要集中在馬橋-荊家-田莊一帶，該區(qū)域?yàn)槭烷_采區(qū)，硒元素的地球化學(xué)特征表明，硒元素一般富集在有機(jī)質(zhì)內(nèi)，黑頁巖、煤、石油中含有較多的硒，這也是硒元素進(jìn)入該因子的原因之一。該因子體現(xiàn)了在自然背景下，疊加人類活動(dòng)或表生作用影響下的營養(yǎng)元素含量的分布特征。

圖6 研究區(qū)表層土壤F3因子得分分布圖

F3因子元素組合特征為：Zn，Cu，Pb，Cd，Mo(按與因子相關(guān)性由大到小排序)，上述元素組合易受人類活動(dòng)影響，空間上主要分布在人口密集，為人類活動(dòng)因子。表層土壤As，I，F(xiàn)，pH是以單一因子出現(xiàn)的因子，顯示這些元素地球化學(xué)行為具有獨(dú)立性或著元素來源不同。As異常主要分布在工業(yè)開發(fā)區(qū)周邊，為工業(yè)污染因子；碘鹽一般不穩(wěn)定，易于分解和揮發(fā)，難于與其他元素組合形成較穩(wěn)定的鹽類和礦物，所以在表層土壤中呈單因子出現(xiàn)的主要原因。F元素在風(fēng)化過程中有較高的活性，可以富集于可溶性載體中，借助水體介質(zhì)遷移，表明它的遷移聚集狀況受現(xiàn)今環(huán)境如地形、地貌等的制約。pH，B因子受控于成土母質(zhì)及人類生產(chǎn)生活的影響。

4.4 地球化學(xué)分區(qū)

根據(jù)上述土壤地球化學(xué)分區(qū)原則及方法,全區(qū)共劃分5個(gè)地球化學(xué)分區(qū)(圖7),其中Ⅰ區(qū)分為南北2個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行編號(hào)，兩者特征相近，統(tǒng)一描述，各分區(qū)特征如下:

Ⅰ區(qū):主要分布于研究區(qū)北部邊緣及東南部,元素組合特征為V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，As；其中Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，As呈高值分布，這與該區(qū)域土地利用方式有明顯的關(guān)系，研究區(qū)2個(gè)工業(yè)園區(qū)位于該區(qū)域，該區(qū)反映了在自然背景基礎(chǔ)上，疊加人類工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響下的分布特點(diǎn)。

Ⅱ區(qū):主要分布于馬橋—田莊—荊家一帶,元素組合特征為V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，有機(jī)質(zhì)，N，Se，Hg，P，該組合特征主要由難以遷移元素及親生物元素組成，其中有機(jī)質(zhì)，N，Se，Hg，P等親生物元素呈高值分布，桓臺(tái)石油開采主要集中于該區(qū)域，Se元素作為有機(jī)物(煤、石油)指示元素在該區(qū)域內(nèi)富集。

Ⅲ區(qū):主要分布于起鳳一帶,元素組合特征V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，F(xiàn)，I；其中V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge呈低背景。F，I呈高背景，這種分布與該區(qū)域地形地貌有關(guān)，該區(qū)位于地勢(shì)低洼處，F(xiàn)，I在風(fēng)化過程中有較高的活性，通過可溶性載體在該區(qū)域富集。

Ⅳ區(qū)：主要分布在研究區(qū)中南部，區(qū)內(nèi)元素均呈現(xiàn)以自然背景為主的分布特征。

Ⅴ區(qū)：主要分布索鎮(zhèn)—唐山一帶,元素組合以Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，pH等元素高背景為特征，區(qū)域內(nèi)為人口密集區(qū)，反應(yīng)了人類生活對(duì)于該區(qū)域的影響。

1—分區(qū)編號(hào)；2—分區(qū)界線；3—鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤中大部分有益元素含量普遍高于淄博市、山東省表層土壤含量水平，其中Se元素含量水平較高，富硒土地連片性好，易于開發(fā)利用。部分有害元素高于山東省，評(píng)價(jià)結(jié)果表明區(qū)內(nèi)絕大部分土地為無風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。研究結(jié)果對(duì)推動(dòng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。

(2)聚類分析及因子分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)元素空間分布的主體格架受地質(zhì)背景控制，人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)元素的分布產(chǎn)生的影響有限。難以遷移的元素固滯在成土母質(zhì)的有限范圍內(nèi)，易于遷移的元素受地形地貌的影響通過可溶性載體在區(qū)內(nèi)低洼處富集。

(3)研究區(qū)分為5個(gè)地球化學(xué)分區(qū)，其中Ⅴ區(qū)分布在縣城周邊，人類活動(dòng)影響較大，其余分區(qū)空間元素分布特征具有在元素自然背景基礎(chǔ)上，疊加人類工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響下的特點(diǎn)。