巨野县土壤地球化学背景值及土地质量地球化学评价

王增辉，任文凯，刘华峰,代杰瑞,赵西强

(山东省地质调查院,山东 济南 250014)

0 引言

土地是最基本的生产资料，也是人们生产和生活的最基本场所，土地质量的好坏直接影响到农、林、牧业的产业效益和居民的生活质量。随着我国工业化、城市化进程的发展，工业排放量不断增加，农药、化肥、除草剂、杀虫剂、生长调节剂、农膜等农用化学品的施用量长期处于高位，耕地和城市边缘土壤的污染状况普遍恶化，给农业生产和居民生活带来了不可低估的影响[1]。同时，当前生态农业、绿色农业和社会经济可持续发展的理念也对土地质量提出了更高的要求，土地质量的内涵也在不断丰富[2]。为此山东省近十几年陆续开展了多项针对土壤环境的地球化学调查和评价工作，从宏观上展现了全省土地质量的基本状况，揭示了省域内的土壤地球化学背景、基准和异常[3-4]。近几年又在此基础上，通过开展重点地区大比例尺土地质量地球化学评价工作，在掌握土地质量状况、保护土地资源、控制土地的过度开发、实现土地的可持续利用等方面取得了诸多成效[5]。巨野县即为开展该项工作的试点地区。

工作区巨野县地处鲁西南地区中部，隶属菏泽市，辖区面积1308km2。该地区人口稠密，经济以传统农业产业为主，粮食作物等主要土地产出附加值偏低。近年来随着区内煤矿开采程度逐渐深入以及大中型工业企业的建设投产，区内污染风险随之增大[6-7]，农耕区土壤环境受到的威胁日益突出[8]。通过对巨野县土壤环境质量、农业生产环境质量及农产品的土地环境的调查，划分土地质量地球化学等级，可为当地政府宏观决策、社会经济发展、土地利用规划、农业经济调整、环境保护、地方病防治等领域提供重要基础数据。

1 方法

1.1 调查手段

根据相关技术要求，该调查主要针对地表至20cm深度表层土壤进行，采样密度为4个点/km2，按照规则坐标网样方均匀部署采样点位，工作比例尺为1∶5万。实际采样点位以预布点为中心，在一定范围内根据实际情况合理选择。平原大田区主要选择在能代表该样方内主要土壤类型的地块内采集表层土壤样品，同时避开铁路或主干公路100m以上，避开局部低洼或高岗地、新近搬运堆积土、垃圾土、水土流失严重地段等。在城镇区采样时避开新近搬运的堆积土、垃圾土及明显污染土体。采样时去除杂草、砾石、砖块、肥料团块等杂物后采集地表至20cm深度的土柱，为了增加样品代表性，在样点周边100m范围内多点采集均量子样品后组合为1件样品，样品干燥后用木槌适当敲打至自然粒级后过20目尼龙筛，之后插入质量监控样品一并送至实验室进行分析测试。

1.2 分析测试

累计分析测试土壤样品共计6128件，分析元素或指标包括As，B，Cd，Co，pH等28项；分析测试工作由武汉岩矿测试中心完成，分析方法的检出限、准确度和精密度要求均按照《多目标区域地球化学调查规范》(DD2005-01)执行，报出率及由一级标准物质控制的分析准确度和精密度合格率均为100%，重复检验和异常点检查合格率除Pb为95.18%，Zn为96.19%，Hg为95.23%外，其余元素合格率均大于98%。土壤样品送样分析前，在每批样品(43件)中随机抽取1件样品作重复分析样，分析完毕后计算2次采样分析结果的相对双差(RD)以检验分析质量。全部122对重复分析样分析结果相对双差显示，各指标重复样分析合格率(RD≤40%为合格)除Hg为90.57%外，其他指标均在95%以上，Co，Cr，F，Mn，Mo等15项指标合格率为100%。

1.3 统计和计算方法

土壤地球化学背景值代表了地表环境土壤中元素含量水平，是成土母质在表生环境条件下，经过人类活动与自然改造所形成的表层土壤元素地球化学平均含量，土壤背景值与基准值既存在一定的联系又有所区别。统计、研究土壤元素背景值，对于正确认识区域地球化学特征和基础地质环境，科学认识土壤潜在价值和缺陷具有指导意义[9-10]。土壤地球化学背景值统计指标包括代表元素或指标含量水平的“最大值、最小值、算术平均值”、代表数据离散程度的“标准差，以及迭代剔除平均值加减3倍标准离差后的“算术平均值、标准差”等，以算术平均值加减2倍算术标准差(X’±2s)代表背景值变化范围。土地质量地球化学评价的基本方法参照中国地质调查局《土地质量地球化学评估技术要求》执行，流程包括评价指标筛选、指标权重赋值、隶属函数计算、综合参数计算、土地等级划分等步骤，该方法经多项研究应用成效显著[11-12]。

2 成果

2.1 土壤地球化学背景值

调查区土壤地球化学背景值见表1，原始数据变异系数介于0.026～3.195之间，剔除后数据变异系数降低至0.023～0.35之间，Hg，Cl，S，TOC，I，N，P指标数据离散程度相对较高。与全省和全国背景值[13]对比来看，Ca，Cd，Hg，Mg，F等显著高于全省和全国背景值；Se，Hg，Zn，As，B高于全省背景但低于全国背景；Na，Mn低于全省背景但高于全国背景。Mo，Pb，Cu，Co等指标低于全省和全国背景值。

从各土壤类型元素统计特征来看，土壤质地是决定区内土壤N，K等元素含量的关键，土壤N含量受土壤水分情况和粘粒含量影响，低湿和粘重的土壤N含量一般高于排水良好、质地较轻的土壤，区内粘质潮土N，K含量高于砂质潮土，粘质盐化潮土也高于对应的砂质盐化潮土(图1)。土壤有机碳(TOC)空间分布与土壤N含量密切相关(图2)，区内二者相关系数达0.907。区内由黄河冲积物发育的土壤P含量普遍较高，熟化程度较高的潮土、盐化潮土由于耕作程度较高[14]，施肥水平高，有机物积累量大，土壤P含量也相对较高，并且有机质分解过程中产生的有机酸可以活化土壤中固定的P，因此有效态P也相对较高。此外土壤中的Ca含量主要取决于成土母质、风化作用、淋溶程度，其中成土母质影响最为关键，区内寒武纪灰岩地区土壤Ca含量最高达14.61%，而Mg含量明显偏低。受黄河冲积物母质影响区内土壤Mo含量仅为0.53×10-6，远低于山东省和全国平均水平。此外，城镇及工业区范围内土壤中Hg和Pb的异常积累趋势明显，Hg和Pb含量均显著高于其他地类土壤，其中土壤中Hg含量可达其他地类土壤的3倍以上(图3)。

表1 巨野县土壤地球化学背景值特征参数

单位：*为%；**为无量纲；其他为10-6。

A—潮土；A1—砂质潮土；A2—壤质潮土；A3—粘质潮土；B—脱潮土；C—盐化潮土；C1—壤质氯化物盐化潮土；C2—砂质硫酸盐盐化潮土；C3—壤质硫酸盐盐化潮土；D—大站组；E—单县组；F—巨野组；G—鱼台组图1 主要类型土壤N，P，K2O，TOC含量对比图

图2 土壤TOC与N，P散点图

1—水浇地；2—村庄用地；3—有林地；4—城镇及工业区；5—公路用地；6—近河流土地；7—近坑塘土地图3 主要用地类型土壤Hg，Pb含量对比图

2.2 元素(指标)分级

元素(指标)的分布规律和丰缺状况是土地质量地球化学评价的主要依据，土壤营养元素参考已有的全国或全省分级标准进行分级，Se的分级标准采用谭见安划分的Se元素生态景观界限值分级[15]。有害重金属元素按国家土壤环境质量标准进行分级。统计发现，区内土壤N缺乏区占比达23.82%，一级和二级丰富区占比仅为3.91%。土壤P缺乏区占15.39%，土壤K较均衡，以适度和丰富为主，土壤TC比较丰富，以二级和三级为主，缺乏区占11.30%。土壤有机质以三级和四级为主，丰富区占17.81%，缺乏区占6.47%。微量元素中Ca，Mg，S，Cl等元素较为丰富；而Mo，Si，Se，Co，Zn，Cu，Fe，Mn等元素的缺乏状况最突出。全区土地绝大多数土地的环境质量达到Ⅰ类、Ⅱ类标准，重金属等有害元素含量水平较低，Cd的环境质量状况相对略差，仅Hg存在超三类土地。污染状况由优到劣依次为：Pb,Hg,Zn,Cr,Cu,Ni,As,Cd。具体见表2—表4。

2.3 土地质量地球化学评价

土壤分析得到的指标较多，以各指标的统计特征、空间变异特征、相关关系及丰缺状况等因素为评判依据，对指标进行合理筛选，可简化评价指标。对筛选得到的指标和指标层按照重要性不同两两比较后进行权重赋值，再根据不同指标的隶属度函数模型和界限值进行计算，最终得到综合评价指数。土壤主要肥力质量分等和土壤环境质量分等面积统计结果见表5。

表2 区内土壤主要肥力指标分级面积占比统计(%)

表3 区内土壤微量元素(指标)分级面积占比统计(%)

表4 区内土壤重金属元素环境质量分级面积占比统计(%)

表5 土地质量地球化学评价分等面积统计

依据土壤肥力质量等级和土壤环境质量等级划分结果即可得到土地质量地球化学评价分等。从评价结果来看，全区大部分土地质量以优良为主，其他分等面积占比很小，优质区和差等区土地面积占比仅为0.07%和0.02%，优良区、良好区和中等区面积分别为1188.7km2，82.4km2和30.0km2，占比分别为91.28%，6.33%和2.30%，各等级分布见图4。区内东北部和中西部地区土壤肥力较好，但同时有害元素含量偏高，西北部地区较差的肥力状况导致该地区土地质量等级偏低，该情况在农业生产过程中应引起注意。

图4 土地质量地球化学评价分等图

3 结论

巨野县土壤总体矿质肥力较高，对农业生产较为有利，但土壤有机质含量普遍不足以满足农业生产需要，同时局部土壤盐含量偏高对粮食作物生长不利。土壤Cl，B，Mo，Na，Se，SiO2等指标偏低，Mo，B，Se等元素的缺乏对某些特定作物的生长不利[16-17]，因此在农业生产中应通过优化农业种植布局等措施和途径规避这些不利因素。区内土壤重金属元素污染水平较低，大多数重金属分布规律明显受地质背景控制，但Hg和Pb有所不同，其污染状况与各乡镇经济发展情况有一定联系，土壤Hg在城区及乡镇驻地、工业区等人类活动强烈的地带呈点状富集，可见生活或工业排放明显导致环境中Hg和Pb总量增加，进而加剧了土壤中Hg和Pb的积累。

土地质量地球化学评价是我国近几年来逐步开展的基础地球化学调查工作，旨在通过将地球化学方法与传统的土地分等定级方法结合起来对土壤环境质量做出更为合理的评判[18]。目前来看，土地质量地球化学评价的精确性和可靠性是前所未有的[19]。通过量化土地质量准确揭示其差异是地球化学评价工作的一个目的，土地质量的地球化学评价极大地丰富了土地分等的内涵。在永久基本农田划定和高标准农田规划过程中，可重点参考土地质量地球化学评价工作对土壤肥力指标和环境质量的分等结果，同时可将区域地球化学评价成果作为农业远景发展规划制定的主要依据之一[20-21]。