山東省茌平縣土壤元素地球化學(xué)特征與質(zhì)量評價

常彬，郭忠華，趙涵，孫彥偉

(山東省物化探勘查院，山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東省土壤地球化學(xué)工程實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

土壤是鏈接巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，是元素遷移和再分配的重要場所[2]，同時土壤作為基本的生產(chǎn)資料和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基地，與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)[3]，也是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支撐界面。近年來，山東省各地陸續(xù)開展了土壤地球化學(xué)評價工作，并取得了一些重要成果[4-8]，為農(nóng)業(yè)的綜合開發(fā)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了重要依據(jù)。茌平縣作為全國重要的糧食、蔬菜和林果深加工出口基地，對土地的投入相對較大[9]，趙魯全[10]研究了茌平縣1985—2005年土壤有機質(zhì)的時空變異性；李菡[11]等探討了不同種植模式與土壤理化性狀和質(zhì)量的關(guān)系；喻超[12]等基于大比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查獲取了茌平縣土壤各指標(biāo)的地球化學(xué)背景值，并與聊城市和山東省進行了對比；劉衍君[13]等對茌平縣土壤8種重金屬濃度進行了監(jiān)測分析，認(rèn)為茌平縣土壤受到了中等程度的重金屬污染風(fēng)險。本文以2015—2017年開展的“山東省茌平縣農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評價”項目為依托，摸清了茌平縣土壤地球化學(xué)特征，并對土壤質(zhì)量進行較為全面的質(zhì)量評價，為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地科學(xué)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為聊城市茌平縣全區(qū)，位于山東省西部，聊城市東部，總面積1003.37km2，人口57.21萬。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，礦物采掘、鋼鐵冶煉、工農(nóng)業(yè)排污以及過量開采地下水等活動愈加頻繁，造成了地面沉降、水土污染等一系列地質(zhì)災(zāi)害，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[14-15]。

茌平縣地處黃河沖積平原，地勢較平緩，地面傾斜方向基本隨河流流向自西南向東北微傾，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯。區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯，有徒駭河和馬頰河2條主要河流。研究區(qū)無基巖出露，屬覆蓋區(qū)，地層自下而上依次為奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭—二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，古近系、新近系和第四系。全縣土壤主要有潮土，風(fēng)沙土和鹽土三個土類，潮土類占總土地面積的95.61%，風(fēng)沙土類占4.37%，鹽土類占0.02%(圖1)。

1—脫潮土；2—潮土；3—鹽化潮土；4—濕潮土；5—草甸鹽土；6—草甸風(fēng)沙土圖1 茌平縣土壤類型分布圖

2 樣品采集與分析

本文參考《山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范(試行)》要求開展系統(tǒng)的采樣工作，按照1∶10萬采樣密度，以農(nóng)用地為主，并兼顧少量建設(shè)用地[16]。表層土壤樣品采樣密度在農(nóng)用地區(qū)域為2～3個點/km2，建設(shè)用地區(qū)域為1個點/2km2，采樣深度為0～20cm；深層土壤樣品采樣密度為1個點/36km2，采樣深度為150～200cm，并按照3%比例采集重復(fù)樣，共采集表層樣品1222個、深層樣品27個。

土壤元素測試分析在山東省物化探勘查院巖礦測試中心完成，分析指標(biāo)為Cd、Hg、Pb、As、Ni、Cr、V、Co、有機質(zhì)、Se、Zn、Cu、N、P、K、B、Mn、Mo、pH、I、堿解氮、速效磷、速效鉀23項指標(biāo)。分析儀器以ICP-OES為主體，輔以其他靈敏度較高的專項分析儀器。

3 評價區(qū)土壤地球化學(xué)特征

3.1 評價區(qū)土壤地球化學(xué)含量特征

研究區(qū)表層土壤地球化學(xué)背景值特征見表1。

表1 茌平縣表層土壤背景值情況一覽表

通過與山東省和聊城市土壤地球化學(xué)背景值對比[17]，具有以下規(guī)律：

(1)研究區(qū)土壤中K、Mn、Pb、V、Mo、I等元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值明顯低于山東省土壤地球化學(xué)背景值，而有機質(zhì)、As、Cd、Hg、B等元素背景值則明顯高于山東省土壤地球化學(xué)背景值；二者其余元素較為接近。

(2)研究區(qū)土壤中K、V等元素或指標(biāo)地球化學(xué)背景值明顯低于聊城市土壤地球化學(xué)背景值，而有機質(zhì)、P、Mn等元素則明顯高于聊城市土壤地球化學(xué)背景值；二者其余元素較為接近。

從上述規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，茌平市表層土壤元素地球化學(xué)背景值與山東省和聊城市的差異，主要與土壤地球化學(xué)環(huán)境、元素來源有關(guān)。

土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值是指能夠反映土壤原始沉積環(huán)境的地球化學(xué)元素含量值[18]，土壤地球化學(xué)背景值與土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值有著密切的承繼關(guān)系，總體上受土壤基準(zhǔn)值的控制。但由于長期的風(fēng)化、淋溶作用和人類生產(chǎn)生活等活動的改造，表層土壤地球化學(xué)特征已發(fā)生一定的演變，導(dǎo)致土壤地球化學(xué)背景值與土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值兩者之間存在一定的差異。研究區(qū)土壤基準(zhǔn)值與背景值參數(shù)對比情況見表2。

表2 茌平縣土壤基準(zhǔn)值與背景值參數(shù)對比表

通過對比可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)研究區(qū)表層土壤中有機質(zhì)、N、P、Cu、As、Hg、Pb、B、Mo、I等元素或指標(biāo)含量明顯高于深層土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值，其中表層土壤的有機質(zhì)背景值是深層土壤基準(zhǔn)值的2.88倍；表層土壤的Zn、Se、Ni、V等元素含量則明顯低于土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值；其余元素兩者較為接近?？傮w來看，表層土壤大部分元素相較于深層土壤均值偏高，這是由于表層土壤在表生地球化學(xué)作用下發(fā)生了富集及貧化，以及受到了人類活動等因素疊加影響導(dǎo)致的[19]。

(2)表層土壤中除極少數(shù)元素如K、Mn、Zn、Se、pH、Cd、Cr、Ni、V等，富集系數(shù)小于1.00，趨于貧化狀態(tài)，其余元素均趨于富集狀態(tài)。

(3)在趨于較強富集狀態(tài)(富集系數(shù)≥1.50)的元素中，P元素的富集與農(nóng)業(yè)施肥關(guān)系密切[20]，Mo元素的富集與工業(yè)活動如燃煤、化工等有關(guān)[21]，表層土壤中存在的大量生物遺體，是有機質(zhì)在表層土壤中強烈富集的直接原因[22]，I元素的富集與地下鹵水有直接的關(guān)系[23]。

3.2 土壤地球化學(xué)異常分布

參考中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》(1∶25萬)異常分類劃分方案，結(jié)合調(diào)查區(qū)實際情況，本次主要研究Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni等與環(huán)境相關(guān)的有害金屬污染元素的異常情況。

3.2.1 異常圈定

異常下限確定方法采用剔除2倍算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差后的算術(shù)平均值加兩倍標(biāo)準(zhǔn)離差求取，異常上限確定方法采用剔除2倍算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差后的算術(shù)平均值減兩倍標(biāo)準(zhǔn)離差求取，各表層土壤元素異常上、下限值見表3。

表3 表層土壤元素異常上、下限統(tǒng)計表

3.2.2 異常研究

環(huán)境類地球化學(xué)異常一般為自然背景、表生富集和人類活動等因素共同作用的結(jié)果[24-25]。研究區(qū)環(huán)境相關(guān)元素異常分布相似度較高，具有各元素套合關(guān)系好、異常襯度不高、富集系數(shù)小的特點。環(huán)境元素異常特征見表4。

表4 表層土壤元素異常地球化學(xué)特征表

通過對表層土壤污染元素的分析研究，在研究區(qū)圈定了7類異常區(qū)域，分布情況如圖2所示。

Ⅰ區(qū)：主要分布于振興街道東北以及馮官屯鎮(zhèn)東南，異常污染元素有As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb、V，分布面積為52.53km2，占研究區(qū)總面積的5.24%，主要土壤類型為潮土，距離信發(fā)工業(yè)園區(qū)較近，是造成土壤異常的主要原因。

1—異常分區(qū)Ⅰ；2—異常分區(qū)Ⅱ；3—異常分區(qū)Ⅲ；4—異常分區(qū)Ⅳ；5—異常分區(qū)Ⅴ；6—異常分區(qū)Ⅵ；7—異常分區(qū)Ⅶ圖2 表層土壤異常元素綜合分區(qū)圖

Ⅱ區(qū)：主要分布于信發(fā)街道中西部、振興街道西北以及樂平鋪鎮(zhèn)南部，異常污染元素有As、Cd、Co、Hg、Ni、Pb、Zn，分布面積為63.89km2，占研究區(qū)總面積的6.37%，主要土壤類型為潮土及鹽化潮土，北部位于信發(fā)工業(yè)園區(qū)，南部距離郝集工業(yè)園較近，是造成土壤異常的主要原因。

Ⅲ區(qū)：主要分布于樂平鋪鎮(zhèn)東北、杜郎口鎮(zhèn)東南，異常污染元素有As、Cd、Co、Ni、Pb、V，分布面積為13.59km2，占研究區(qū)總面積的1.35%，主要土壤類型為潮土，位于郝集工業(yè)園附近，是造成土壤異常的主要原因。

Ⅳ區(qū)：主要分布于賈寨鎮(zhèn)西北、菜屯鎮(zhèn)西北，異常污染元素有As、Co、Cr、Ni、Pb、V，分布面積為4.44km2，占研究區(qū)總面積的0.44%，主要土壤類型為潮土，附近以前有過黏土礦采礦行為，是造成土壤異常的主要原因。

Ⅴ區(qū)：主要分布于洪官屯鎮(zhèn)南及楊官屯鎮(zhèn)南，呈片狀分布，異常污染元素有As、Co、Hg、Ni、Pb、V，分布面積為15.36km2，占研究區(qū)總面積的1.53%，主要土壤類型為潮土，位于一化工企業(yè)附近，是造成土壤異常的主要原因。

Ⅵ區(qū)：主要分布于博平鎮(zhèn)及溫陳街道、樂平鋪鎮(zhèn)西部，異常污染元素有As、Cd、Hg、Pb，分布面積為27.77km2，占研究區(qū)總面積的2.77%，主要土壤類型為潮土，附近以前有過黏土礦采礦行為，是造成土壤異常的主要原因。

Ⅶ區(qū)：主要分布于韓屯鎮(zhèn)東北、振興街道與樂平鋪鎮(zhèn)相接處，異常污染元素有Co、Ni、Pb、V，分布面積為29.27km2，占研究區(qū)總面積的0.92%，主要土壤類型為潮土。

以上圈定的地球化學(xué)異常區(qū)，均是由于工業(yè)生產(chǎn)造成的，因此應(yīng)重視工業(yè)生產(chǎn)，加強企業(yè)隱患排查和排污治理，防止造成周邊土壤環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化。

4 土壤質(zhì)量等級評價

4.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級

N、P、K是評價土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分的三大要素，其含量的高低直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平[26]，通過對土壤樣品的分析，將研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分為三類，即二等(較豐富)區(qū)、三等(中等)區(qū)、四等(較缺乏)區(qū)，詳細(xì)分布情況如圖3所示。

1—二等(較豐富)區(qū)；2—三等(中等)區(qū)；3—四等(較缺乏)區(qū)圖3 表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分級圖

區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)質(zhì)量整體以較豐富為主，占全區(qū)總面積的73.96%；其次是養(yǎng)分中等水平的土壤，占全區(qū)面積的24.67%；養(yǎng)分較缺乏的土壤僅占全區(qū)面積的1.36%。

綜上可見，研究區(qū)土壤養(yǎng)分條件較好，總體表現(xiàn)為較豐富。優(yōu)質(zhì)的土壤養(yǎng)分條件，為研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保障基礎(chǔ)的肥力要素，有利于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。

4.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級

通過對研究區(qū)內(nèi)重金屬元素Hg、As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等元素進行單因子進行單項污染指數(shù)計算，在單指標(biāo)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分基礎(chǔ)上，按照土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級等同于單指標(biāo)劃分出的環(huán)境等級最差的等級的原則劃分最終等級，結(jié)果表明，全區(qū)均為清潔土壤，符合一級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，完全能夠滿足農(nóng)業(yè)耕作土壤的環(huán)境質(zhì)量要求，故土壤環(huán)境地球化學(xué)質(zhì)量綜合等級為一等。

4.3 土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級與利用建議

土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級由研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級與土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級疊加產(chǎn)生[27]。分析結(jié)果可將研究區(qū)劃分為三類，即一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)、二等(良好)區(qū)、三等(中等)區(qū)(圖4)。

1—一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)；2—二等(良好)區(qū)；3—三等(中等)區(qū)圖4 表層土壤綜合質(zhì)量分級圖

一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)：土壤質(zhì)量優(yōu)質(zhì)區(qū)于全區(qū)廣泛分布，區(qū)域面積共計約742.14km2，約占全區(qū)面積的73.96%。該類土壤適宜作為綠色或無公害農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)，應(yīng)當(dāng)在充分開發(fā)利用的同時加以嚴(yán)格保護。

二等(良好)區(qū)：土壤質(zhì)量良好區(qū)主要分布于研究區(qū)西北部，總體較少，區(qū)域面積共計約247.56km2，約占全區(qū)面積的24.67%。該類土壤建議因地制宜進行特色開發(fā)，比如菜屯鎮(zhèn)南部和肖莊鎮(zhèn)北部地區(qū)，目前種植了圓鈴大棗、西瓜等茌平縣特色農(nóng)產(chǎn)品，可向土壤特征相似程度較高的賈寨鎮(zhèn)、洪官屯鎮(zhèn)、楊官屯鄉(xiāng)的部分地區(qū)擴大特色農(nóng)產(chǎn)品的種植區(qū)域，以提高茌平縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的多樣性。

三等(中等)區(qū)：土壤質(zhì)量中等區(qū)分布少，主要在西北部的菜屯鎮(zhèn)、肖莊鎮(zhèn)以及楊官屯鄉(xiāng)有零星分布，區(qū)域面積共計約13.67km2，約占全區(qū)面積的1.36%。該類土壤可根據(jù)元素的豐缺情況進行科學(xué)施肥，改善土壤養(yǎng)分，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

從而可見，研究區(qū)土壤綜合條件較好，總體表現(xiàn)為一等優(yōu)質(zhì)。

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)獲取了茌平縣1∶10萬比例尺的表層和深層土壤20余項元素指標(biāo)含量數(shù)據(jù)，填補了此區(qū)域研究空白。

(2)與山東省土壤元素背景值相比，研究區(qū)土壤中K、Mn、Pb、V、Mo、I等元素偏低，而有機質(zhì)、As、Cd、Hg、B等元素偏高；表層土壤大部分元素相較于深層土壤偏高；表層土壤在成土過程中元素發(fā)生了活化遷移重新分配等現(xiàn)象。

(3)研究區(qū)土壤綜合質(zhì)量較好。地球化學(xué)等級一等優(yōu)質(zhì)等級，占全區(qū)面積的73.96%；二等良好等級，占全區(qū)面積的24.67%，未出現(xiàn)較差和劣質(zhì)等級土壤。研究區(qū)較好的土壤質(zhì)量條件為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)高質(zhì)提供良好的基礎(chǔ)。