貴州省畢節(jié)市耕地土壤元素含量特征與質(zhì)量評(píng)價(jià)

張德明，駱 珊，彭成龍，安亞運(yùn)，秦興志

(貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引言

耕地是農(nóng)作物生長(zhǎng)的搖籃，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，耕地土壤的質(zhì)量直接決定著一個(gè)地區(qū)的糧食生產(chǎn)能力，進(jìn)而關(guān)系到該區(qū)域的糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及生態(tài)安全(張晉科 等，2006；沈仁芳 等，2012；高雪 等，2013)，因此耕地土壤的元素含量特征研究及其質(zhì)量評(píng)價(jià)一直是耕地保護(hù)利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所關(guān)注的焦點(diǎn)，而耕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的內(nèi)容主要包括土壤養(yǎng)分和土壤環(huán)境兩個(gè)方面(GUO L B and GIFFORD R M，2002；劉鳳枝 等，2006；陳印軍 等，2011；嚴(yán)玉梅 等，2019；任明強(qiáng) 等，2020)。自全國(guó)第二次土壤普查以來(lái)，關(guān)于烏蒙山集中連片貧困地區(qū)畢節(jié)市耕地土壤質(zhì)量的地球化學(xué)研究工作稀少或缺乏，無(wú)法滿足該地區(qū)扶貧攻堅(jiān)、合理開(kāi)發(fā)利用耕地資源和發(fā)展特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)耕地土壤質(zhì)量地球化學(xué)數(shù)據(jù)的需求。本文依托2017—2019年貴州省1∶50000耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目之“畢節(jié)市8縣(區(qū))耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)”及“貴州省畢節(jié)市耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告匯總編制”，系統(tǒng)分析畢節(jié)市耕地土壤元素含量特征及其影響因素，對(duì)耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，以便農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜的利用方式開(kāi)發(fā)耕地資源，調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)展山地特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，為畢節(jié)市進(jìn)一步開(kāi)展扶貧攻堅(jiān)提供新的地球化學(xué)支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

2.2 采樣與測(cè)試

樣品測(cè)試由具備地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試甲級(jí)資質(zhì)的貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實(shí)驗(yàn)室按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》(DZ/T0258-2014)、《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求》(DD2005-03)等執(zhí)行，以ICP-OES法、ICP-MS法、X熒光光譜法為主，輔以原子熒光法、容量法和分光光度法等組成分析配套方案，準(zhǔn)確度和精密度采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行控制，每種元素的分析準(zhǔn)確度和精密度合格率均為100%、報(bào)出率均高于97%，能滿足本研究樣品分析要求。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)的地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析采用中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心編制的地球化學(xué)找礦一體化處理子系統(tǒng)(GeoChem studio2.5.7)、Statistica及SPASS 21等軟件來(lái)共同完成。

2.4 評(píng)價(jià)方法

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/ T 0295-2016)，運(yùn)用土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)管理與維護(hù)(應(yīng)用)子系統(tǒng)及Arcgis 10.2、Mapgis6.7軟件聯(lián)合處理和圖件繪制。

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)單元及賦值

選取耕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，即土壤養(yǎng)分和土壤環(huán)境指標(biāo)，前者包括氮、磷、鉀，后者包括酸堿度、砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅。評(píng)價(jià)單元為畢節(jié)市2015年土地變更調(diào)查的1∶5萬(wàn)耕地圖斑，采用距離加權(quán)反比插值法，每個(gè)耕地圖斑均得到賦值。

2.4.2 土壤酸堿性評(píng)價(jià)

土壤中酸堿度(pH)是土壤環(huán)境的重要指標(biāo)，是評(píng)估土壤質(zhì)量較基礎(chǔ)和關(guān)鍵的理化指標(biāo)(邵文靜 等，2016；王亞男 等，2018)，本研究將耕地土壤酸堿度劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 土壤酸堿度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Soil pH grading standard

2.4.3 土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

選取氮、磷、鉀單指標(biāo)養(yǎng)分等級(jí)，按照下列公式計(jì)算土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合得分f養(yǎng)綜，進(jìn)行土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量等級(jí)劃分：豐富、較豐富、中等、較缺乏和缺乏(表2)。

表2 土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量等級(jí)劃分表 Table 2 Table of soil nutrient comprehensivequality grade division

2.4.4 土壤環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)在單指標(biāo)環(huán)境等級(jí)劃分基礎(chǔ)上，每個(gè)評(píng)價(jià)單元的土壤環(huán)境綜合質(zhì)量等級(jí)等同于單指標(biāo)劃分出的環(huán)境等級(jí)最差的等級(jí)。土壤中環(huán)境指標(biāo)含量(Ci)對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值(Si)和管制值(Gi)將土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分為3類(lèi)：優(yōu)先保護(hù)類(lèi)：Ci≤Si，土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)很低或可忽略；安全利用類(lèi)：SiGi，土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。

2.4.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量等級(jí)劃分為：一等、二等、三等、四等和五等，由評(píng)價(jià)單元的土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量與土壤環(huán)境綜合質(zhì)量疊加產(chǎn)生(表3)。

表3 土壤質(zhì)量等級(jí)劃分表Table 3 Division table of soil quality grade

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤元素含量特征

畢節(jié)市耕地土壤中鎘、錳、銅、硒、鈷、釩、碘含量背景值明顯高于貴州耕地土壤，氮、錳、銅、硒、鈷、釩、鎘、鉻、鎳含量背景值與全國(guó)A層土壤比值均在2倍以上(表4)；對(duì)比全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，氮、磷、硼、銅、鋅、鉬處于含量豐富級(jí)別，鉀、有機(jī)質(zhì)處于中等水平?？傮w顯示耕地土壤中硒、鎘、銅、錳、鈷、釩處于較高含量水平。

表4 土壤元素含量特征統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of elements content characteristics in soil

將畢節(jié)市耕地土壤全量元素原始數(shù)據(jù)分別用平均值±3倍方差替換離群數(shù)據(jù)后進(jìn)行R型聚類(lèi)分析，得到4個(gè)相關(guān)性較強(qiáng)的元素自然組合：(1)B、F、K聚為一類(lèi)，其中B與F、K相關(guān)系數(shù)分別為0.61和0.55；(2)Cu、V、Co、Cr、Ni、Mn聚為一類(lèi)，其中Cu與V相關(guān)系數(shù)為0.87，Ni與Cr相關(guān)系數(shù)為0.7；(3)N、有機(jī)質(zhì)、Se聚為一類(lèi)，其中N與有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)為0.86，N與Se相關(guān)系數(shù)為0.51，有機(jī)質(zhì)與Se相關(guān)系數(shù)為0.55；(4)Pb、Zn聚為一類(lèi)，其中Pb與Zn相關(guān)系數(shù)為0.68，共同反映了耕地土壤中元素因化學(xué)性質(zhì)不同以及自然營(yíng)力和人類(lèi)活動(dòng)的影響下，發(fā)生了遷移、富集等作用，表現(xiàn)出較好的相關(guān)性(圖1)。

圖1 畢節(jié)市耕地土壤元素R型聚類(lèi)圖Fig.1 R-type cluster diagram of cultivated soil elements in Bijie city

3.2 土壤元素自然分布特征

3.2.1 成土母質(zhì)

根據(jù)土壤下伏基巖時(shí)代的不同，從震旦紀(jì)至第四紀(jì)按主要巖石組合類(lèi)型和含礦性劃分出16個(gè)成土母質(zhì)單元，分別為震旦系碳酸鹽巖(占比0.37%)、寒武系碎屑巖(占比0.56%)、寒武系碳酸鹽巖(占比1.95%)、奧陶系碎屑巖(占比0.33%)、志留系碎屑巖(1.15%)、泥盆系碳酸鹽巖(占比0.95%)、石炭系碎屑巖(占比1.91%)、石炭系碳酸鹽巖(占比12.88%)、二疊系下統(tǒng)碎屑巖(占比0.91%)、峨眉山玄武巖(占比7.89%)、二疊系碳酸鹽巖(占比15.54%)、二疊系含煤碎屑巖(占比8.40%)、三疊系碎屑巖(17.32%)、三疊系碳酸鹽巖(24.20%)、侏羅系碎屑巖(5.30%)及白堊系-第四系碎屑巖(占比0.32%)，其中碳酸鹽巖類(lèi)共占比55.91%、碎屑巖類(lèi)共占比36.20%、峨眉山玄武巖共占比7.89%。通過(guò)對(duì)不同成土母質(zhì)單元分布區(qū)耕地土壤中元素含量的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明土壤中硼、氟、鉀在寒武系及三疊系碳酸鹽巖中平均含量較高；銅、釩、鈷、鉻、鎳、錳在二疊系中上統(tǒng)碳酸鹽巖、峨眉山玄武巖和三疊系下統(tǒng)碎屑巖中平均含量較高；氮、有機(jī)質(zhì)、硒、鉬、碘在二疊系中上統(tǒng)含煤碎屑巖、碳酸鹽巖和峨眉山玄武巖中平均含量較高；鉛、鋅、砷、鎘、鍺在二疊系-三疊系碳酸鹽巖中平均含量較高；磷、汞在震旦系碳酸鹽巖中平均含量較高。

3.2.2 土壤類(lèi)型

受地形、氣候等因素影響，畢節(jié)市土壤類(lèi)型豐富多樣，主要有黃壤(占比30.37%)、黃棕壤(占比24.33%)、石灰土(占比15.24%)、紫色土(占比14.40%)、粗骨土(占比7.01%)、水稻土(占比4.38%)、棕壤(占比2.05%)、沼澤土(占比0.44%)、山地草甸土(占比0.39%)。通過(guò)對(duì)不同土壤類(lèi)型分布區(qū)耕地土壤中元素含量的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明棕壤分布區(qū)耕地土壤中氮、有機(jī)質(zhì)、鋅、碘、鎘、汞、砷、鉛、鉈平均含量較高；水稻土分布區(qū)耕地土壤中硒平均含量較高；紫色土分布區(qū)耕地土壤中鍺平均含量較高；石灰土分布區(qū)耕地土壤中鉀平均含量較高；沼澤土分布區(qū)耕地土壤中硼、鉬、氟平均含量較高；山地草甸土分布區(qū)耕地土壤中磷、錳、銅、鈷、釩、鉻、鎳平均含量較高。

3.2.3 土壤酸堿度

土壤pH值的高低很大程度上影響土壤元素的有效性和肥力(李佳 等，2019)，不同酸堿度值域范圍內(nèi)耕地土壤元素平均含量均存在不同程度的差異。酸性、強(qiáng)酸性(pH<6.5)耕地土壤中，氮、磷、有機(jī)質(zhì)、鉬、硒、碘、鍺、釩、鎘、銅、鎳、鉻顯示相對(duì)富集特征；中性(6.5≤pH<7.5)耕地土壤中，錳、鋅、鈷、砷、鉛、汞顯示相對(duì)富集特征；堿性、強(qiáng)堿性(pH≥7.5)耕地土壤中，鉀、硼、氟、鉈顯示相對(duì)富集特征。氮、磷、有機(jī)質(zhì)、硒、碘、鍺、鎘等顯示土壤酸性增強(qiáng)，其平均含量呈逐漸增加的特征，并在酸性土壤中平均含量均達(dá)到最高；耕地土壤硼、氟、鉀顯示土壤堿性增強(qiáng)，其平均含量呈逐漸增加的特征，并在堿性土壤中平均含量均達(dá)到最高；耕地土壤鋅、錳、鈷、砷、鉛等顯示在中性土壤環(huán)境中平均含量最高，在偏酸或偏堿性環(huán)境中元素平均含量逐漸降低，且降低程度偏堿性環(huán)境中較偏酸性環(huán)境中大。

3.2.4 土地利用方式

畢節(jié)市土地利用方式主要以耕地(占比36.94%)、林地(43.27%)和牧草地(占比5.97%)為主，耕地中則以旱地為主，面積1 412.21萬(wàn)畝。與本次研究相關(guān)的土地利用方式主要為旱地、水田、水澆地、果園、茶園、采礦用地及裸地。通過(guò)對(duì)不同土地利用方式分布區(qū)耕地土壤中元素含量的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明水田分布區(qū)耕地土壤中氮、鉀、有機(jī)質(zhì)、硼平均含量較高；水澆地分布區(qū)耕地土壤中磷、銅、鈷、釩、鉻、鎳平均含量較高；茶園分布區(qū)耕地土壤中碘平均含量較高；采礦用地分布區(qū)耕地土壤中鋅、鉬、硒、鍺、鎘、砷、鉛、鉈、氟平均含量較高；裸地分布區(qū)耕地土壤中汞、錳平均含量較高。

3.3 耕地土壤質(zhì)量狀況

3.3.1 酸堿性環(huán)境

圖2 畢節(jié)市耕地土壤酸堿度等級(jí)分布圖

3.3.2 土壤養(yǎng)分豐缺狀況

畢節(jié)市耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為：豐富47.97萬(wàn)畝，占比3.20%；較豐富964.92萬(wàn)畝，占比64.37%；中等414.75萬(wàn)畝，占比27.67%；較缺乏68.71萬(wàn)畝，占比4.58%；缺乏2.77萬(wàn)畝，占比0.18%。顯示全市耕地土壤養(yǎng)分以中等-較豐富等級(jí)為主，占比92.04%。

3.3.3 土壤環(huán)境質(zhì)量狀況

畢節(jié)市耕地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為：優(yōu)先保護(hù)類(lèi)113.10萬(wàn)畝，占比7.54%；安全利用類(lèi)1121.83萬(wàn)畝，占比74.83%；嚴(yán)格管控類(lèi)264.19萬(wàn)畝，占比17.62%。全市耕地土壤環(huán)境優(yōu)先保護(hù)類(lèi)-安全利用類(lèi)耕地占比82.37%，總體良好。

3.3.4 土壤質(zhì)量狀況

畢節(jié)市耕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為：一等39.37萬(wàn)畝，占比2.63%；二等47.43萬(wàn)畝，占比3.16%；三等1 145.11萬(wàn)畝，占比76.39%；四等2.83萬(wàn)畝，占比0.19%；五等264.38萬(wàn)畝，占比17.63%。全市耕地土壤三等及以上耕地面積1 231.91萬(wàn)畝，占比82.18%，總體良好，其中一等-二等耕地占比5.79%，多集中于東部大方縣、黔西縣及金沙縣，而四等-五等耕地占比17.82%，集中于西部赫章縣與威寧縣(圖3)。

4 討論

4.1 成土母質(zhì)是影響耕地土壤元素高含量與分布的主要因素

如前所述，耕地土壤元素的高含量及分布與成土母質(zhì)、土壤酸堿度、土壤類(lèi)型及土地利用方式的影響關(guān)系密切，對(duì)比不同影響因子單元分布區(qū)耕地土壤中元素高含量分布特征與元素聚類(lèi)相關(guān)性的關(guān)系，顯示成土母質(zhì)與其一致性較高，具體為B、F、K高含量區(qū)集中于寒武系-奧陶系碳酸鹽巖、碎屑巖以及三疊系中上統(tǒng)碳酸鹽巖分布區(qū)，表現(xiàn)出一套與沉積環(huán)境關(guān)系密切的元素組合特征；Cu、V、Co、Cr、Ni、Mn高含量區(qū)集中于二疊系中上統(tǒng)碳酸鹽巖、玄武巖、輝綠巖，三疊系下統(tǒng)碎屑巖分布區(qū)，最高含量區(qū)為峨眉山玄武巖分布區(qū)，可能與峨眉山玄武巖成巖及風(fēng)化作用后富集關(guān)系密切；N、有機(jī)質(zhì)、Se高含量區(qū)集中于二疊系中上統(tǒng)梁山組含煤層碎屑巖、棲霞組-茅口組碳酸鹽巖、峨眉山玄武巖及龍?zhí)督M/宣威組含煤系碎屑巖分布區(qū)； Pb、Zn高含量區(qū)集中于石炭-二疊系碳酸鹽巖分布區(qū)，可能與區(qū)內(nèi)埡都-蟒硐鉛鋅礦帶分布有關(guān)。由此表明成土母質(zhì)是影響畢節(jié)市耕地土壤元素高含量與分布的主要因素。

4.2 磷、鉀較缺乏-缺乏是制約養(yǎng)分質(zhì)量的重要因素

畢節(jié)市耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量總體較好，統(tǒng)計(jì)養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)、氮、磷及鉀單指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)情況(表5)，顯示有機(jī)質(zhì)和氮較豐富-豐富等級(jí)占比分別為72.04%和83.75%，而磷、鉀較缺乏-缺乏占比分別為20.91%、53.38%。另外，對(duì)比20世紀(jì)80年代土壤普查資料，顯示畢節(jié)市耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮豐富-較豐富水平顯著提高，而全磷、全鉀及其有效量中等-較缺乏面積增加較多的變化趨勢(shì)(貴州土壤，1994；駱珊 等，2020)。表明磷、鉀豐缺是制約全市耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量的重要因素，而土壤養(yǎng)分大量元素豐缺變化與人類(lèi)從事農(nóng)業(yè)種植、施肥活動(dòng)關(guān)系密切(高雪 等，2013)。

表5 養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)及N、P、K全量指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果Table 5 Results of nutrient Organic matter and N, P, K index evaluation grade

4.3 鎘高含量分布是影響環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素

畢節(jié)市耕地土壤中鎘含量背景值為0.66 mg/kg，相較于貴州省0.40 mg/kg、全國(guó)0.10 mg/kg分別達(dá)1.65和6.60倍。全市耕地土壤環(huán)境質(zhì)量總體良好，統(tǒng)計(jì)耕地土壤主要環(huán)境指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)情況(表6)，顯示環(huán)境鎘單指標(biāo)評(píng)價(jià)為嚴(yán)格管控類(lèi)的耕地土壤面積占比達(dá)17.08%，其次砷、鉛、汞分別為0.54%、0.43%和0.26，而鎳、鉛、鋅則無(wú)嚴(yán)格管控類(lèi)耕地分布，表明鎘高含量分布是影響環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素。前述成土母質(zhì)背景分析以分布廣泛的石炭系-二疊系碳酸鹽巖為成土母巖的耕地土壤中鎘含量較高，另外當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)冶煉如土法煉鋅時(shí)產(chǎn)生大量堆渣的淋濾、土法煉鋅時(shí)含鎘氣體的沉降等進(jìn)一步增加耕地土壤中鎘含量(楊元根 等，2003)，二者的疊加作用使得畢節(jié)市耕地土壤鎘高含量分布在貴州西部地區(qū)較為突出。

表6 環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of environmental index evaluation grade results

4.4 特色耕地分布與開(kāi)發(fā)

圖4 畢節(jié)市特色耕地分布圖(a-富硒耕地；b-富鍺耕地)Fig.4 Distribution map of characteristic cultivated land soil in Bijie city

5 結(jié)論

(1)畢節(jié)市耕地土壤中硒、鎘、銅、錳、鈷、釩等元素含量處于較高水平，元素的高含量及分布與成土母質(zhì)、土壤酸堿度、土壤類(lèi)型及土地利用方式的影響關(guān)系密切，其中成土母質(zhì)是主要影響因素。

(2)畢節(jié)市中-酸性耕地占比85.31%，三等及以上耕地占比82.18%，耕地質(zhì)量狀況總體良好。耕地土壤中磷、鉀較缺乏-缺乏等級(jí)占比較高是制約耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量的重要因素，而鎘高含量區(qū)的分布則是影響耕地土壤環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

(3)畢節(jié)市耕地土壤中有益微量元素硒、鍺等含量較高、分布廣，且土壤養(yǎng)分中等-較豐富等級(jí)占比92.04%、土壤環(huán)境優(yōu)先保護(hù)類(lèi)-安全利用類(lèi)耕地占比82.37%，共同表明全市擁有開(kāi)發(fā)特色耕地的優(yōu)越基礎(chǔ)和條件。因此，本研究成果將為該市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中選擇適宜的利用方式開(kāi)發(fā)耕地資源和發(fā)展山地特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)提供有效的地球化學(xué)支撐。