山東省古火山地區(qū)土壤元素垂向分布特征與農(nóng)產(chǎn)品元素富集能力研究

張紅軍,李永強,宋其峰,王強*,王薇,田興磊,許艷,謝偉,張瑞華,王奎峰,仇曉華,張龔,張?zhí)?/p>

(1.山東省地質(zhì)科學研究院,山東 濟南 250013;2.昌樂縣自然資源和規(guī)劃局,山東 昌樂 262400)

0 引言

火山噴發(fā)對地質(zhì)環(huán)境的影響具有雙重性,一方面火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、火山熔巖流、火山碎屑流和火山泥石流等摧毀城鎮(zhèn)、引起山火、燒毀樹林、破壞植被和侵蝕土地等[1-2]。同時,火山噴發(fā)又能帶來豐富的礦產(chǎn)資源,營造富含人類必須的一些微量元素土壤,如Zn、Mo、Se 等,可以帶動當?shù)匕l(fā)展特色農(nóng)業(yè)[3-5]。土壤母質(zhì)作為土壤形成的必要因素之一,它影響著土壤的性質(zhì)[6]。目前,研究不同地區(qū)土壤元素空間分布特征已經(jīng)成為了學術(shù)熱點,并取得了一系列的研究成果[7-13]。劉陽[14]首次摸清了昌樂縣表層土壤元素組合分布特征,認為昌樂縣表層土壤元素分布主要與地質(zhì)背景、元素自身性質(zhì)和人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關(guān)。李逸凡[15]通過對昌樂縣開展了表層土壤地球化學調(diào)查和深層土壤地球化學調(diào)查工作,研究了表層和深層土壤中52種元素、有機質(zhì)、pH含量及其空間分布特征。

以上研究成果為古火山地區(qū)土壤元素垂向分布規(guī)律的研究奠定了基礎(chǔ)[16-20]。但關(guān)于山東省古火山地區(qū)土壤元素垂向分布規(guī)律的研究,目前還鮮有報道?；诖?筆者以典型新近紀火山地區(qū)—山東省昌樂縣新近紀古火山群落為研究背景,通過在該地區(qū)設計土壤垂向剖面,對土壤中N、P、K、有機質(zhì)、Se、Mo、Co、Cu、Zn、Cr、Ni 等元素的垂向分布特征進行了研究和分析,并開展了不同農(nóng)產(chǎn)品對土壤元素的富集能力研究。研究成果對豐富山東省古火山地區(qū)土壤元素垂向分布特征研究與促進當?shù)靥厣r(nóng)業(yè)的發(fā)展速度與規(guī)模具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況及成土母巖

昌樂縣位于山東半島內(nèi)陸,隸屬山東省濰坊市,東距濰坊城區(qū)25 km。昌樂縣屬丘陵—山前平原地區(qū),中南部基巖裸露良好,北部第四系分布較廣且地勢較平坦。昌樂縣地形地貌如圖1 所示。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,較大河流有白浪河、丹河、龍丹河、紅河、孟津河—汶河等,較大的水庫有高崖水庫、荊山水庫、馬宋水庫、南郝水庫等。昌樂縣屬暖溫帶半濕潤氣候,四季分明,春季多風,夏季濕熱多雨,秋季天高氣爽,冬季寒冷。

1—微弱切割丘陵;2—山間剝蝕平原;3—山間沖積—洪積平原;4—山前傾斜沖洪積平原;5—火山;6—垂直剖面位置

在昌樂的喬官、五圖等地區(qū),分布著多達46處火山口,成土母巖主要新生代火山巖,研究區(qū)出露的火山地層為臨朐群牛山組、山旺組、堯山組,牛山組、堯山組為溢流相熔巖,分布相對較廣,山旺組以沉火山碎屑巖為主,分布局限。牛山組巖性主要為中粒橄欖玄武巖、細粒橄欖玄武巖、橄欖粗玄巖、伊丁石化斑狀橄欖玄武巖、氣孔狀強泥化中粒伊丁玄武巖、含杏仁細粒橄欖拉斑玄武巖、玄武質(zhì)礫巖、玄武質(zhì)砂礫巖、鈣質(zhì)含礫巖屑砂巖等;堯山組主要巖性為細粒橄欖玄武巖、中粒橄欖玄武巖、含杏仁細粒伊丁石化橄欖玄武巖、伊丁石化?；x橄玄武巖、橄欖拉斑玄武巖、斑狀橄欖粗玄巖;山旺組巖性主要為含礫巖屑砂巖。

火山農(nóng)業(yè)區(qū)土壤類型有棕壤、褐土、粗骨土3個土類,包括棕壤、棕壤性土、褐土、淋溶褐土、潮褐土、酸性粗骨土、中性粗骨土等7個亞類。

2 土壤元素垂向分布特征

2.1 土壤樣品采集

土壤剖面樣品使用洛陽鏟自上而下采集,每20 cm取樣品一件,每件樣品重量大于1 000 g。采集的各子樣點土壤掰碎,挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物。火山區(qū)共設計3 條土壤垂向剖面,其中剖面1、剖面2采集于北巖東西兩側(cè)臨朐群牛山組內(nèi),土質(zhì)層厚約1 m,下為強風化層;剖面3采集于堯溝鎮(zhèn)東第四系內(nèi),未采集到基巖。剖面1地貌上處于山間沖積—洪積平原,剖面2地貌單元屬于微弱切割丘陵,剖面3地貌單元屬于山前傾斜沖洪積平原。地層上,剖面1和剖面2出露于中新世牛山組,主要巖性為玄武巖;剖面3出露于更新世山前組,主要巖性為含礫砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、含礫砂、砂礫層等。

其中,剖面1和剖面3采集深度為1.4 m,剖面2采集深度為0.8 m,每0.2 m采集一件樣品,剖面1和剖面3采集7件樣品,剖面2采集4件樣品。

2.2 土壤元素垂向分布特征

2.2.1 土壤中N、P、K和有機質(zhì)垂向分布

對比各元素垂向變化規(guī)律,3條土壤垂向剖面上元素變化特征如圖2所示。火山區(qū)土壤養(yǎng)分在垂向上主要有以下幾種變化趨勢:

圖2 昌樂縣火山區(qū)土壤中N、P、K和有機質(zhì)垂向分布

(1)全N和有機質(zhì),在3個剖面上均呈現(xiàn)隨深度增加其含量減少的趨勢,說明土壤中N元素和有機質(zhì)易在表層土壤聚集,主要受控于農(nóng)業(yè)施肥或植物死亡返還等,受母巖影響較弱或無影響。

(2)由剖面1和剖面2可知,K元素呈現(xiàn)隨深度增加而含量減少的趨勢,但剖面3中K元素含量隨深度基本無變化。這說明,剖面1和剖面2中K含量主要受控于農(nóng)業(yè)活動,而剖面3不僅受農(nóng)業(yè)活動,也可能受到成土母巖影響。

(3)P元素在剖面1和剖面2中呈現(xiàn)隨深度增加而含量增加的趨勢,但剖面3呈現(xiàn)隨深度而逐漸減少。這表明,剖面1和剖面2中表層土壤P易于溶解向下遷移,而剖面3表層土壤P可能受控于成土母巖差異,而阻止了P向下遷移。

2.2.2 土壤中Se、Mo和Co垂向分布

由圖3可知,①Se在3個剖面中,整體均呈現(xiàn)隨深度增加而減少趨勢,表明Se元素可能受控于成土過程,而易于在表層土壤中聚集;②Co和Mo元素,在剖面1和剖面2中呈現(xiàn)隨深度增加而增加的趨勢,而剖面3中Co含量基本不隨深度變化,這些均表明,Co元素主要受控于成土母巖中Co含量控制。

圖3 昌樂縣火山區(qū)土壤中Se、Mo、Co垂向分布

2.2.3 土壤中As、Cr、Cd等元素垂向分布特征

據(jù)唐誦六等[21-22]研究,從中國北部到南部,氣候從干冷到濕熱,成土過程從物理風化為主到化學風化為主,土壤與母巖相比,元素濃度隨之有更大變化,但土壤重金屬含量水平在較大程度上受控于成土母巖。梁偉等[23-24]研究發(fā)現(xiàn)江蘇一帶土壤 Cr、Ni 含量繼承了成土母巖特征。對比3條垂向剖面As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素變化曲線圖(圖4),可以發(fā)現(xiàn)各元素在土壤垂向上遷移轉(zhuǎn)化具有一定的規(guī)律:

圖4 昌樂縣火山區(qū)土壤中As、Cr、Cd等不同元素垂向分布

(1)Cu、Zn、Cr、Ni等元素表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律:受成土母質(zhì)的影響較大,在牛山組土質(zhì)層中的含量較第四系中高,自上而下有增高的趨勢,至基巖層含量有明顯的增加(剖面1和剖面2);而在第四系中,自上而下有緩慢降低的趨勢(剖面3),表明這幾種元素主要受控于成土母質(zhì)以及人類活動影響。

(2)Pb和Hg兩種元素的含量在剖面中的變化呈自上而下有明顯減少的趨勢,表明Pb和Hg兩種元素主要受控于人類活動影響。

(3)Cd元素在垂向上變化不明顯,呈略微減少的趨勢,在垂向遷移相對比較穩(wěn)定。

(4)As元素,剖面1和剖面2表現(xiàn)出隨深度增加而減小趨勢,說明剖面1和剖面2受到人為活動影響,而呈現(xiàn)表土富集As。剖面3呈現(xiàn)隨深度增加而As含量增加的趨勢,認為剖面3受成土母巖(玄武巖)影響較大。

3 農(nóng)產(chǎn)品元素富集能力研究

3.1 農(nóng)產(chǎn)品中各元素富集特征

As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni等典型元素的濃度在動植物體內(nèi)的積累量達到一定閥值時,就會對動植物產(chǎn)生危害,尤其通過食物鏈進入人體內(nèi)并不斷積累,對人體造成潛在性的危害,引起致畸、致癌和致突變等。因此研究農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量特征是一項重要的工作,一方面可以掌握農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,另一方面可以表征產(chǎn)品生長的土壤中相應元素的活性強度及產(chǎn)品的吸收強度。

農(nóng)產(chǎn)品中元素的含量水平及特征是反映區(qū)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等級的一個重要參數(shù),故研究元素在產(chǎn)品體內(nèi)的地球化學特征,查明不同農(nóng)產(chǎn)品對土壤元素的富集能力,為優(yōu)選農(nóng)產(chǎn)品種類,進行農(nóng)產(chǎn)品適宜性評價提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。

由圖5可得出不同元素在相同農(nóng)產(chǎn)品中的富集規(guī)律。

圖5 昌樂縣火山區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中微量元素的富集系數(shù)

西紅柿對各元素富集能力:Se>Cd>Cu>Zn>Hg>Mg>Ca>Ni>Pb>As>Fe>Cr。

西瓜對各元素富集能力:Se>Cu>Mg>Zn>Ca>Hg>Ni>Pb>As>Fe>Cr>Cd。

甜瓜對各元素富集能力:Se>Zn>Mg>Cd>Ca>Cu>Hg>Ni>As>Pb>Fe>Cr。

結(jié)合各元素地球化學特征,對農(nóng)產(chǎn)品中富集特征較明顯的元素進行簡要分析:

(1)Zn元素既是一種重金屬元素,也是一種營養(yǎng)元素,適當含量的Zn,不僅不會對動植物造成危害,反而是必須的,從富集能力來看,Zn元素更容易在甜瓜中富集,而西紅柿中Zn元素的富集系數(shù)也較高。

(2)Se元素是一種健康元素,在3種農(nóng)產(chǎn)品中的富集系數(shù)和含量(根據(jù)測試結(jié)果,農(nóng)產(chǎn)品中Se元素平均含量為0.009 mg/kg)都相對較高,結(jié)合Se元素富集特征,可以長遠規(guī)劃富硒、富鋅農(nóng)產(chǎn)品的種植。

(3)Fe、As、Pb 3種元素在3種農(nóng)產(chǎn)品中富集系數(shù)相對較低,說明3種產(chǎn)品對這3種元素比較難以吸收。

(4)重金屬元素在這些農(nóng)產(chǎn)品中主要有3個特點:一是西紅柿中重金屬元素含量和富集系數(shù)普遍比西瓜和甜瓜高;二是產(chǎn)品中Cu元素的富集系數(shù)普遍較高;三是西紅柿較其他2種產(chǎn)品更容易富集重金屬元素,據(jù)相關(guān)研究表明,這與西紅柿對重金屬元素有較強的捕集能力有關(guān)。

3.2 農(nóng)產(chǎn)品元素與對應土壤元素關(guān)系研究

表1揭示了火山區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中微量元素與對應土壤中微量元素之間的相關(guān)性。西紅柿中Zn和Se含量與對應土壤Zn和Se含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系,即隨著土壤中Zn和Se含量升高,而西紅柿中Zn和Se含量降低。且圖5農(nóng)產(chǎn)品中微量元素的富集系數(shù)也說明,西紅柿中易于富集Se和Zn元素,這表明土壤中總Se和總Zn含量不是控制西紅柿中富集Se和Zn的主控因素,土壤Se和Zn的生物有效性應該是控制西紅柿Se和Zn富集的主要因素。

表1 農(nóng)產(chǎn)品元素與對應土壤元素相關(guān)系數(shù)矩陣

甜瓜中Hg和Cd與對應土壤呈顯著負相關(guān)關(guān)系,圖5農(nóng)產(chǎn)品中微量元素的富集系數(shù)也是顯示,甜瓜對Hg和Cd富集并不是很高。西瓜中Pb和Se含量也與對應土壤呈顯著負相關(guān)關(guān)系,但西瓜中易于富集Se。3種特色農(nóng)產(chǎn)品中重金屬與對應土壤中重金屬多呈負相關(guān)關(guān)系,這些表明火山區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中不易富集重金屬。

4 特色土壤資源開發(fā)與保護建議

4.1 特色土壤資源開發(fā)利用

根據(jù)山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院2017年《濰坊市土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價報告(昌樂縣)》研究成果,區(qū)內(nèi)富硒土壤、富鍺、富鋅土壤分布特征進行了總結(jié),圈出富硒土壤3.76km2,富鍺土壤16.64km2,富鋅土壤75.89 km2。劃分出4個富硒土壤區(qū),17個富鍺土壤區(qū),9個富鋅土壤區(qū),并對區(qū)內(nèi)富硒、富鍺、富鋅特色農(nóng)產(chǎn)品種植選區(qū)進行了圈定,共圈定富硒、富鍺、富鋅特色農(nóng)產(chǎn)品種植選區(qū)3736.1 hm2,其中富硒種植區(qū)36.3 hm2,富鍺種植區(qū)19332 hm2,富鋅種植區(qū)1288.8 hm2。根據(jù)以上調(diào)查成果,并結(jié)合本次實際調(diào)查研究結(jié)果,提出以下開發(fā)利用建議:

(1)開展大比例尺的土地質(zhì)量調(diào)查評價。選取有前景的區(qū)域開展特色土壤1∶10000～1∶2000大比例尺土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價,調(diào)查級別提高到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級甚至村級,詳細查明區(qū)內(nèi)特色土壤資源、天然特色農(nóng)產(chǎn)品的分布情況,為鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級特色土壤開發(fā)利用規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)園建設提供科學依據(jù)。

(2)建立產(chǎn)業(yè)園、開發(fā)特色農(nóng)產(chǎn)品。建議在富硒、富鍺、富鋅等特色土壤區(qū)附近規(guī)劃建立產(chǎn)業(yè)園,根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品種類和種植規(guī)模合理規(guī)劃園內(nèi)產(chǎn)業(yè)布局。高標準建設特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地,并結(jié)合市場需求和農(nóng)產(chǎn)品特征開發(fā)適宜的特色農(nóng)產(chǎn)品,實現(xiàn)特色土壤資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)化。

(3)政府主導開發(fā)保護,加強宣傳推介力度。建議地方政府有關(guān)部門重視利用與保護特色土壤資源,做到科學規(guī)劃,合理開發(fā),逐步培育火山特色農(nóng)業(yè)資源產(chǎn)業(yè)。打造宣傳推介平臺,充分利用各種新聞媒體、政府網(wǎng)站等方式大力進行宣傳推介,并形成專屬鮮明品牌標識,提高產(chǎn)品的競爭力和附加值。

4.2 特色土壤資源保護對策

(1)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。由以上研究成果可知,研究區(qū)西瓜、甜瓜與西紅柿3種農(nóng)產(chǎn)品對Se和Zn 元素富集均相對較高,而對重金屬元素相對富集較低,因此可多規(guī)劃種植此3類農(nóng)產(chǎn)品。對于已經(jīng)被重金屬污染的耕地,可以根據(jù)農(nóng)作物對土壤的適宜性,選擇種植低富集系數(shù)的安全品種,從而避開土壤污染對農(nóng)作物和人體健康的危害。

(2)劃定特色土地資源范圍。進一步具體界定區(qū)內(nèi)富硒富鍺土壤的確切地塊,劃分清楚綠色食品生產(chǎn)基地范圍。當?shù)卣俑鶕?jù)具體情況將這些土地法納入有償使用范圍,將這些區(qū)域的土地分別實行嚴格保護與管理,不準占用,嚴防污染,形成可持續(xù)發(fā)展的區(qū)域經(jīng)濟小區(qū)。

(3)開發(fā)特色土壤資源的注意事項。雖火山區(qū)較易于開發(fā)富硒、富鋅農(nóng)產(chǎn)品,但要注意控制土壤酸堿度,土壤酸堿度過低(pH<5.0)會顯著降低土壤中Se和Zn的生物有效性,土壤酸堿度過高(pH>8.0)土壤中Se和Zn會大量淋失。因此要注意監(jiān)測和維持特色土壤的酸堿度的穩(wěn)定,使其保持良好的生物有效性狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)對土壤中N、P、K、有機質(zhì)、Se、Mo、Co、Cu、Zn、Cr、Ni等元素的垂向分布特征進行了研究,其中Cu、Zn、Cr、Ni等元素表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,受成土母質(zhì)的影響較大,Se元素可能受控于成土過程,而易于在表層土壤中聚集。

(2)選取甜瓜、西瓜、西紅柿3種農(nóng)產(chǎn)品為研究對象,查明了不同農(nóng)產(chǎn)品對土壤元素的富集能力。研究結(jié)果表明:火山區(qū)所取3種農(nóng)產(chǎn)品,對Se和Zn 元素富集均相對較高。3種農(nóng)產(chǎn)品中重金屬與對應土壤中重金屬多呈負相關(guān)關(guān)系,這些表明火山區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中不易富集重金屬。

(3)在研究成果的基礎(chǔ)上,提出了古火山地區(qū)開展大比例尺的土地質(zhì)量調(diào)查評價、建立產(chǎn)業(yè)園、開發(fā)特色農(nóng)產(chǎn)品等特色土壤資源開發(fā)利用建議,并在土壤內(nèi)部因素和外部因素2個方面針對性的提出了土地生態(tài)環(huán)境保護對策,同時提出火山區(qū)在開發(fā)富硒、富鋅農(nóng)產(chǎn)品時要注意監(jiān)測和維持特色土壤酸堿度的穩(wěn)定,使其保持良好的生物有效性狀態(tài)。