寧夏永寧地區(qū)中產(chǎn)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉海燕,馬玉學(xué),趙志鵬,趙銀鑫

(1.寧夏回族自治區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院,寧夏銀川 750021；2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院,寧夏銀川 750021)

土壤質(zhì)量是保障土壤生態(tài)安全及土地資源可持續(xù)利用的重要指標(biāo)。土壤的健康、肥力和環(huán)境質(zhì)量的綜合,能夠全面反映土壤的狀況,土壤的綜合質(zhì)量表征了土壤促進(jìn)生產(chǎn)力、環(huán)境保護(hù)能力及保障動(dòng)植物健康的能力[1]。土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)概念與環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)類似,評(píng)估指標(biāo)也相似,需要從山、水、林、田、湖、草整體分析土壤的綜合質(zhì)量。功能優(yōu)良的土壤質(zhì)量相對(duì)高,反之,其質(zhì)量低[1]。

永寧地區(qū)農(nóng)田以中產(chǎn)田為主,近年來,為提高農(nóng)作物產(chǎn)量,大量使用化肥、農(nóng)藥,導(dǎo)致淺層地表質(zhì)量下降、土壤環(huán)境污染等。為進(jìn)一步了解永寧地區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量,開展土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)十分必要。

土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法較多[2],常用的有綜合指數(shù)法[3]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[4-5]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[6]、主成分分析綜合得分法[7-8]等?；凇秾幭难攸S經(jīng)濟(jì)區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目》(項(xiàng)目編號(hào)：0617-16130812)取得的土樣數(shù)據(jù),該研究以影響永寧地區(qū)土壤質(zhì)量的54種理化指標(biāo)為主,用GIS與模糊數(shù)學(xué)方法相結(jié)合,對(duì)永寧地區(qū)耕作區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分級(jí)評(píng)定,為永寧地區(qū)耕地土地高效利用、生產(chǎn)力提高、耕地區(qū)生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[9]。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況永寧地區(qū)主體位于銀川市永寧縣,其北部、東南部局部地區(qū)跨入銀川市西夏區(qū)和吳忠市所屬青銅峽市管轄范圍,地理坐標(biāo)總體介于北緯38°10′～38°20′,東經(jīng)106°00′～106°15′。永寧縣地處銀川平原,地勢(shì)由西向東逐漸傾斜,海拔高程1 113～1 148 m,相對(duì)高差10～20 m。永寧縣位于銀川平原引黃灌區(qū)中部,是銀川平原主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)之一,農(nóng)田以中產(chǎn)田為主,該土壤研究區(qū)范圍根據(jù)引黃灌溉水田范圍劃分,總面積254.31 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 Location diagram of study area

永寧地區(qū)耕地面積占70%以上,種植農(nóng)作物種類較多,不同農(nóng)作物交替種植,作物的種植直接改變著埋深0.5～1.0 m土體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)灌溉、施肥、施藥等同時(shí)也改變著土壤化學(xué)組分等。

1.2 樣品采集、加工與測(cè)試

1.2.1野外樣品采集方法、技術(shù)。研究區(qū)內(nèi)地貌類型為平原區(qū),該次采樣粒級(jí)0.85～4.75 mm,采樣深度為0～20 cm。

(1)采樣點(diǎn)位的布置。采樣點(diǎn)在平原區(qū)按照采樣格子(1 km2)均勻布設(shè),點(diǎn)間距≥500 m(圖2)。

圖2 采樣點(diǎn)分布Fig.2 Sampling point distribution

(2)樣品采集。依據(jù)《區(qū)域地球化學(xué)勘查規(guī)范》(DZ/T 0011—1991)技術(shù)要點(diǎn),選擇在殘(坡)積物發(fā)育的地段采集樣品,每個(gè)樣品由3～5個(gè)子樣組合成,共采集樣品251組。

1.2.2樣品加工與測(cè)試。該次樣品測(cè)試以Ag、Cd、Cu、Cr、F、Hg、I、K、Mn、Mo、N、Ni、P、Pb、S、Se、Zn、TFe(全鐵)、MgO、CaO、OrgC(有機(jī)質(zhì))、pH 22種指標(biāo)為主。寧夏基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院化學(xué)與核素分析室按照區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0279.(1—34)—2016進(jìn)行測(cè)樣,實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀器以大型X射線熒光光譜儀(日本理學(xué)公司ZSX Primus)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國熱電公X Series)為主。

TFe、CaO、MgO、Cr、Cu、Mn、Ni、P、S、Zn 10個(gè)主、次、痕量元素和化合物采用粉末樣品壓片制樣,用X射線熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試元素采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法與散射線內(nèi)標(biāo)法校正元素相互間的基體效應(yīng)；Cd和Pb元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定；Ag元素采用發(fā)射光譜法(ES)測(cè)定；As、Hg元素采用氫化物-原子熒光光譜法(HG-AFS)測(cè)定；Se元素采用氫化物-原子熒光光譜法(HG-AFS)測(cè)定；F元素采用離子選擇性電極法(ISE)測(cè)定；IMo元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定；Mo元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)；OrgC(有機(jī)質(zhì))采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；N元素采用凱式蒸餾-容量法測(cè)定；pH采用離子選擇性電極法測(cè)定[10]。

2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.1 土壤重金屬元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

2.1.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995》選擇該次測(cè)試內(nèi)容中8項(xiàng)主要環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于研究區(qū)內(nèi)土壤pH偏堿性(pH=7.76～9.50),土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值Table 1 Screening value of soil pollution risk of agricultural land 單位: mg/kg

2.1.2評(píng)價(jià)方法。

(1)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)方法[11]。因地質(zhì)背景與人為活動(dòng)影響的程度存在著差異,土壤中元素含量及對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)不盡一致[12]。依據(jù)土壤單元素質(zhì)量分級(jí)統(tǒng)計(jì),Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr等8項(xiàng)元素的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(Zi)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

Zi=Xi/CⅠ(Xi≤CⅠ時(shí))

Zi=1+(Xi-CⅠ)/(CⅡ-CⅠ)(CⅠ

Zi=2+(Xi-CⅡ)/(CⅢ-CⅡ)(CⅡ

Zi=3+(Xi-CⅢ)/CⅢ(Xi>CⅢ時(shí))

式中，Zi為土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Xi為土壤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；CⅠ為土壤一級(jí)臨界值上限；CⅡ?yàn)橥寥纏H>7.5 時(shí)二級(jí)臨界值上限；CⅢ為土壤三級(jí)臨界值上限。

(2)尼梅羅綜合污染指數(shù)法[11]。為了表示上述n項(xiàng)元素的綜合污染程度,采用尼梅羅公式計(jì)算多元素污染指數(shù)Pi。土壤污染綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)如表2所示。

式中，Pj為單元素污染指數(shù)值；Pj最大為選取元素中最大的指數(shù)值；n為參加統(tǒng)計(jì)的元素個(gè)數(shù)。

由上式可知,多元素污染指數(shù)P的大小取決于Pj最大值。

2.2 必需營養(yǎng)元素、有益微量元素豐缺評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)展農(nóng)業(yè),土地利用結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)種植為主,土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響農(nóng)作物生長(zhǎng)[13]。氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、鈣、鎂、鐵、硫、銅、錳、鉬、鋅等為生物完成其生命周期和維持正常新陳代謝過程所必不可少的營養(yǎng)元素,硒、碘、氟為維持人體生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素。各類元素的過量或缺乏都會(huì)引起動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育缺陷。

2.2.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范DZ/T 0295—2016,土壤中氮、磷、鉀全量，有機(jī)質(zhì)、鈣、鎂、鐵、硫、銅、錳、鉬、鋅等必需元素等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示,硒、碘、氟等有益元素等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表2 土壤污染綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)Table 2 Classification of comprehensive evaluation index of soil pollution

表3 土壤必需元素指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of soil essential element index

表4 土壤有益元素指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of soil beneficial element index

2.2.2評(píng)價(jià)方法。

(1)單元素等級(jí)劃分。土壤必需營養(yǎng)元素依據(jù)表3中標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其單指標(biāo)養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)進(jìn)行劃分。土壤養(yǎng)分不同等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：一等,含量豐富；二等,含量較豐富；三等,含量中等；四等,含量較缺乏；五等,含量缺乏。

式中，f養(yǎng)綜為土壤氮、磷、鉀評(píng)價(jià)總得分,1≤f養(yǎng)綜≤5；ki為氮、磷、鉀權(quán)重系數(shù),分別為0.4、0.4和0.2；fi為土壤氮、磷、鉀的單元素等級(jí)得分,單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果為五等、四等、三等、二等、一等時(shí)所對(duì)應(yīng)的fi得分分別為1分、2分、3分、4分、5分。②土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：一等,f養(yǎng)綜≥4.5；二等,3.5≤f養(yǎng)綜<4.5；三等,2.5≤f養(yǎng)綜<3.5；四等,1.5≤f養(yǎng)綜<2.5；五等,f養(yǎng)綜<1.5。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 土壤重金屬元素評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)照要求,研究區(qū)執(zhí)行Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)表1中分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分別計(jì)算了研究區(qū)內(nèi) Cr、Cu、Zn、Hg、As、Cd、Pb、Ni 8種重金屬單元素土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和多元素綜合質(zhì)量指數(shù),評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量。單元素土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 土壤單元素質(zhì)量分級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of soil single element quality classification

土壤環(huán)境質(zhì)量的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,8種指標(biāo)均滿足農(nóng)作物正常生長(zhǎng)、維護(hù)人體健康需要。結(jié)合《寧夏回族自治區(qū)銀川盆地多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告》中元素背景值的對(duì)比分析,除Cd(背景值為126.06)外,各指標(biāo)元素的含量基本保持著自然背景水平,土壤環(huán)境質(zhì)量良好。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果(表6、圖3),研究區(qū)內(nèi)大部分土壤屬清潔區(qū)、基本清潔區(qū),土壤質(zhì)量均為一等質(zhì)量區(qū),綜合評(píng)價(jià)值在1.5以下,占研究區(qū)內(nèi)土壤總面積99%以上。研究區(qū)內(nèi)基本清潔區(qū)面積為19.35 km2,主要分布于中南部農(nóng)聲—農(nóng)豐—西玉—位團(tuán)、西邵—沙湖—李俊—東方一帶。

表6 土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 6 Comprehensive evaluation results of soil environmental quality

圖3 永寧地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.3 Zoning of comprehensive evaluation of soil environmental quality in Yongning area

3.2 必需營養(yǎng)元素、有益微量元素評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1必需營養(yǎng)元素評(píng)價(jià)結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)土壤氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等級(jí)劃分豐缺面積和占比如表7所示。

表7 土壤必需元素等級(jí)劃分豐缺面積一覽Table 7 List of soil essential element grades

氮是促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提升的重要元素[14]。其含量均值1 004.67 mg/kg,中等級(jí)土壤面積145.08 km2,占總面積57.05%；缺乏-較缺乏級(jí)土壤面積109.22km2,較缺乏-缺乏氮元素含量低于1 000 mg/kg,占總面積的42.95%。磷是增加產(chǎn)量的主要元素,其平均含量1 003.37 mg/kg；較豐富-豐富區(qū)面積為237.10 km2,占總面積93.24%；中等級(jí)面積約15.32 km2,占總面積6.02%。鉀元素含量均值為25.4 g/kg,最小值為18.2 g/kg,均大于15 g/kg；中等-豐富區(qū)面積為254.30 km2。有機(jī)質(zhì)是氮源物質(zhì),其礦質(zhì)化時(shí)釋放的營養(yǎng)元素為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分,含量均值為8.9 g/kg;中等級(jí)土壤分布面積0.33 km2,占總面積的0.13%;缺乏-較缺乏級(jí)土壤面積為253.97 km2,占全區(qū)面積的99.87%,含量低于20 g/kg。氧化鈣含量均值為7.88%,均在較豐富及以上；氧化鎂含量均值為2.69%,豐富級(jí)土壤分布面積245.99 km2,占全區(qū)面積的96.73%。三氧化二鐵含量均值5.03%,中等-豐富級(jí)土壤分布面積243.86 km2,占全區(qū)面積的95.89%。銅元素含量均值27.0 mg/kg,中等-豐富級(jí)土壤分布面積247.91 km2,占全區(qū)面積的97.49%。硫元素含量均值501.9 1 mg/kg；中等-豐富級(jí)土壤分布面積253.60 km2,占全區(qū)面積的99.73%。錳元素含量均值657.75 mg/kg；中等-豐富級(jí)土壤分布面積249.96 km2,占全區(qū)面積的98.29%。鉬元素含量均值0.77 mg/kg；中等-豐富級(jí)土壤分布面積249.39 km2,占全區(qū)面積的 98.07%。鋅元素含量均值73.1 mg/kg；中等-豐富級(jí)土壤分布面積233.40 km2,占全區(qū)面積的 91.78%。

3.2.2有益微量元素評(píng)價(jià)結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)土壤有益元素包括硒、氟、碘3種,含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。通過評(píng)價(jià)分析,各元素含量統(tǒng)計(jì)情況見表8。

3種土壤有益微量元素中[15],碘元素含量基本全屬于適量區(qū),均值4.02 mg/kg,分布較均勻。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)硒含量較低,適量區(qū)占比21.03%,邊緣區(qū)占比達(dá)到73.39%,表現(xiàn)出硒含量空間分布較不均勻。氟是人體必需的且含量較大的微量元素之一,它主要分布于人體的骨骼和牙齒中。過量和缺氟都會(huì)對(duì)人體骨骼產(chǎn)生危害[16]。研究區(qū)內(nèi)土壤氟元素平均含量 596 mg/kg,多為氟元素含量高區(qū)。氟元素大多為適量區(qū)之上,高等級(jí)區(qū)占比達(dá)到84.58%,氟含量的空間分布較為均勻。碘是人體及哺乳動(dòng)物必需的營養(yǎng)元素,兒童更容易出現(xiàn)因碘過量導(dǎo)致的甲狀腺腫大[17]。研究區(qū)土壤內(nèi)碘元素平均含量4.02 mg/kg,整體為碘元素適量區(qū),不存在邊緣區(qū)、缺乏區(qū)及過剩區(qū)。

表8 土壤有益元素等級(jí)劃分豐缺面積和比例一覽Table 8 List of areas and proportions of soil beneficial elements

4 結(jié)語

依據(jù)土壤測(cè)試結(jié)果,永寧地區(qū)土壤pH介于7.76～9.50,土壤環(huán)境偏堿性。選取永寧地區(qū)農(nóng)田表層土壤中與農(nóng)作物生長(zhǎng)關(guān)系密切的Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種重金屬,N、P、K、有機(jī)質(zhì)、Fe、MgO、CaO、S、Cu、Mn、Mo、Zn 12項(xiàng)生長(zhǎng)必需營養(yǎng)元素,Se、I、F 3種有益元素作為評(píng)價(jià)因子指標(biāo)。采用單因子評(píng)價(jià)方法和尼梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),得到以下結(jié)論。

(1)研究區(qū)土壤Cr、Cu、Zn、Hg、As、Cd、Pb、Ni均滿足農(nóng)作物正常生長(zhǎng)、維護(hù)人體健康需要。除Cd外,各指標(biāo)元素的含量基本保持著自然背景水平,土壤環(huán)境質(zhì)量良好。研究區(qū)土壤清潔度均在基本清潔區(qū)以上,土壤質(zhì)量均為一等質(zhì)量區(qū),綜合評(píng)價(jià)值在1.5以下,未受重金屬影響。研究區(qū)內(nèi)清潔區(qū)面積為234.96 km2,基本清潔區(qū)面積為19.35 km2,適合研究區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)。

(2)研究區(qū)內(nèi)土壤必需元素磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、硫(S)、銅(Cu)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)含量多屬二等(較豐富)以上,均滿足研究區(qū)農(nóng)作物正常生長(zhǎng)需要。氮(N)元素含量屬四等-三等(較缺乏-中等),部分地區(qū)較虧缺。有機(jī)質(zhì)(SOC)含量多屬五等(缺乏),虧缺尤為嚴(yán)重。

(3)研究區(qū)內(nèi)土壤有益元素碘含量基本全屬于適量區(qū),均值4.02 mg/kg,分布較均勻。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)硒含量較低,適量區(qū)占比21.03%,邊緣區(qū)占比達(dá)到73.39%,表現(xiàn)出硒含量空間分布較不均勻。氟元素大多為適量區(qū)之上,高等級(jí)區(qū)占比達(dá)到84.58%,研究區(qū)氟含量富足。