湖北随州北部富锶土壤地球化学特征及资源潜力评价

胡江龙, 胡绍祥, 杨清富, 万 能, 尹 猛

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

锶是人体中必需微量元素之一,它与人体骨骼的形成密切相关,是骨骼、牙齿的主要成分,身体所有组织中都有锶,在肠内它与钠竞争吸收部位,使人体降低对钠的吸收,有利于心血管正常活动[1]。随着社会经济的发展、生活质量的提高,人类自身健康越来越成为社会关注的热点,富锶土壤作为一种特殊的地质资源，应得到有效的开发利用和保护。利用湖北随州北部土地质量地球化学调查资料,在对湖北随州北部富锶土壤地球化学特征研究的基础上,进行富锶土壤资源潜力评价,为本地区富锶土壤资源开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于湖北省随州市北部,北与河南省南阳、信阳二市毗邻,西临湖北省襄阳市所辖枣阳市,东接湖北省孝感市大悟县,面积5 000 km2。研究区夹持于华北地块和扬子地块之间,是秦岭复合造山带的东延部分,处于两大构造单元结合部的强烈构造活动带,经历多期复杂的构造变动。区内岩石组合类型复杂、构造变形强烈、岩浆活动频繁,出露地层主要为元古代南华纪双台组、耀岭河组、七角山岩组,震旦纪陡山沱组,新生代古近纪公安寨组及第四纪等(图1)。主要土壤类型为黄棕壤和水稻土,主要土地利用方式为林地和水田。

2 材料和方法

2.1 样品采集与处理

采用双层网格化方法采样。表层土壤样的采样密度为1件/km2,采样深度为0～20 cm,在采样梅花形布点法(平缓区)或蛇形布点法(沟谷区)等量采集5个子样,通过缩分组成一个样品,1件/4 km2组合分析。深层样采样密度为1件/4 km2,采样深度为150～200 cm,1件/16 km2组合分析。共采集到表层组合样1 270件,深层组合样319件。采样点一般布设于农田、园地、林地、草地及山地丘陵等土层较厚地带,采样时避开新近搬运的堆积土、垃圾堆和局部污染明显的地区。采集的样品充分晾干后过20目筛,按要求组合成每个样500 g,取200 g送样测试分析。组合样点成土母质类型以单点类型所占比例最多的一类作为其类型,当4个单点样为不同类型时,根据区域成土母质的变化趋势,判定组合样所属类型。

2.2 样品测试分析

土壤样品分析由湖北省地质实验测试中心承担,测试过程严格按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)进行,采用ICP-OES电感耦合等离子体原子发射光谱法测定土壤全锶,检出限为2 μg/g,元素实际检出限、准确度、精密度等质量指标达到或优于多目标区域地球化学调查规范的要求。所有样品报出率为100%,准确度和精密度监控样合格率100%。

图1 湖北随州北部地质简图Fig.1 Geological sketch of northern Suizhou,Hubei1.第四系;2.古近系;3.白垩系;4.泥盆系;5.古生代杂岩;6.寒武系;7.震旦系;8.南华系;9.青白口系;10.滹沱系—太古代;11.中生代中酸性岩;12.古生代基性岩;13.古生代中酸性岩;14.元生代中酸性岩。

2.3 数据处理

统计前对所有数据进行异常值剔除,采用MapGIS软件中的TIN模型绘制全锶含量分布图,数据统计分析采用SPSS 19.0和Excel 2010软件完成。

3 土壤锶元素地球化学特征

土壤锶元素地球化学特征值见表1、表2,可以看出,调查区深层土壤锶元素含量平均值均高于十堰—丹江地区平均值(1)徐宏林、杨清富、胡绍祥等，湖北省十堰—丹江口地区多目标地球化学调查报告，湖北省地质调查院,2016年。和中国土壤(C层)背景值,其平均含量是中国土壤(C)层的1.49倍。是十堰—丹江平均值的2.04倍。深层土壤锶元素变化为59.43～728.1 μg/g,平均值为252.74 μg/g;表层土壤锶元素含量平均值与深层一样,均高于十堰—丹江地区平均值和中国土壤(A层)背景值,其平均含量是中国土壤(A)层[2]的1.60倍。是十堰—丹江地区平均值的2.07倍。表层土壤锶元素变化为38.5～981 μg/g,平均值为263.40 μg/g。

在空间分布上(图2),表、深层土壤表现出高度的一致性,分布不均匀,且明显受成土母岩控制,高值区分布于中酸性侵入岩母质中。

表1 深层土壤锶元素地球化学特征值表(μg/g)Table 1 Eigenvalue of geochemistry of strontium in deep soil

表2 表层土壤锶元素地球化学特征值表(μg/g)Table 2 Eigenvalue of geochemistry of strontium in surface soil

3.1 不同酸碱性土壤中锶元素特征

不同酸碱性土壤锶元素地球化学特征值见表3,如表3所示,深层土壤锶元素表现为酸性土壤>中性土壤>碱性土壤,表明深层土壤中酸性土壤更有利于锶的聚集,通过相关性分析,pH值与Sr的相关系数为-0.32(p<0.01),为显著负相关。表层土壤锶元素表现为碱性土壤>酸性土壤>中性土壤,表明表层土壤中碱性土壤锶更为活跃,通过相关性分析,pH值与Sr的相关系数为-0.11(p<0.01),为显著负相关。

3.2 不同成土母质锶元素特征

不同成土母质土壤锶元素地球化学特征值见表4。

不同成土母质土壤锶含量特征表现为:深层土壤锶含量平均值143.42～368.16 μg/g,中生代中酸性岩中平均含量最高,寒武系—震旦系中平均含量最低,不同成土母质土壤锶平均含量依次为中生代中酸性岩>元古代中酸性岩>滹沱系—太古代>古生代基性岩>古生代杂岩>古近系—白垩系>南华系>第四系>寒武系—震旦系;表层土壤锶含量平均值128.56～390.57 μg/g,中生代中酸性岩中平均含量最高,寒武系—震旦系中平均含量最低,不同成土母质土壤锶平均含量依次为中生代中酸性岩>元古代中酸性岩>古生代基性岩>滹沱系—太古代>南华系>古近系—白垩系>古生代杂岩>第四系>寒武系—震旦系。

图2 调查区表层(左)、深层(右)土壤锶元素地球化学图Fig.2 Geochemical maps of strontium elements in surface (left) and deep (right) soils in the investigation area

表3 不同酸碱性土壤锶元素地球化学特征值表(μg/g)Table 3 Eigenvalue of geochemistry of strontium elements in soils with different acidity and alkalinity

采样层位土壤类型样本数平均值最大值最小值中值标准差变异系数深层酸性138291.94728.1073.15257.90152.9752.40中性166224.65639.4059.43191.00110.2949.10碱性15202.94491.18108.66153.00112.8055.58全区319252.74728.1059.43219.07134.7253.30表层酸性1 138268.57981.0038.49223.81155.1757.78中性127215.05883.9050.89186.75123.2557.31碱性5314.96681.5048.01305.35258.7482.15全区1 270263.40981.0038.49217.00153.4958.27

表4 不同成土母质土壤锶元素地球化学特征值表(μg/g)Table 4 Eigenvalue of geochemistry of strontium in soils with different parent materials

3.3 不同土壤类型锶元素特征

不同土壤类型土壤锶元素地球化学特征值见表5,不同土壤类型土壤锶含量特征表现为:深层土壤锶含量平均值163.67～272.43 μg/g,黄棕壤性土中平均含量最高,黄褐土中平均含量最低,不同土壤类型土壤锶平均含量依次为黄棕壤性土>淹土型水稻土>黄棕壤>潴育型水稻田>黄褐土;表层土壤锶含量平均值144.41～403.29 μg/g,暗棕壤中平均含量最高,黄褐土中平均含量最低,不同土壤类型土壤锶平均含量依次为暗棕壤>黄棕壤性土>淹土型水稻土>黄棕壤>潜潴育型水稻田>潴育型水稻田>黄褐土。

表5 不同土壤类型锶元素地球化学特征值表(μg/g)Table 5 Eigenvalue of geochemistry of strontium elements in different soil types

3.4 不同土地利用锶元素特征

不同土地利用土壤锶元素地球化学特征值见表6,不同土地利用土壤锶含量特征表现为:深层土壤锶含量平均值160.07～316.58 μg/g,其他林地中平均含量最高,旱地中平均含量最低,不同土地利用土壤锶平均含量依次为其他林地>有林地>水田>旱地;表层土壤锶含量平均值180.17～335.71 μg/g,其他林地中平均含量最高,旱地中平均含量最低,不同土地利用土壤锶平均含量依次为其他林地>有林地>水库水面>灌木林地>水田>旱地。

表6 不同土地利用土壤锶元素地球化学特征值表(μg/g)Table 6 Eigenvalue of geochemistry of strontium elements in soils under different land use

3.5 土壤锶元素与其它元素相关性分析

在一定的地球化学环境下,土壤元素表现出共同消涨或此涨彼消的关系,调查区土壤锶元素与其它元素相关系数见表7,通过相关性分析发现,调查区土壤锶元素与Ba相关性最高,表、深层相关系数分别为0.75和0.80,表层土壤锶与Ba、Na、Be、Ga、La、K等关系较为密切。深层土壤锶与Ba、Na、Be、Ga、La、K等关系较为密切。

表7 土壤锶元素与其它元素相关系数Table 7 Correlation coefficient between strontium and other elements in soil

3.6 锶的物质来源

通过分析土壤锶地球化学特征得知,调查区土壤锶含量明显受成土母岩控制,表、深层土壤锶高值区主要分布于中酸性侵入岩母质中。成土母质是岩石经过风化作用后,就地残积或搬运再积在地壳表层的,可形成未来土壤的疏松堆积物,从调查区中酸性侵入岩中锶含量统计结果看(表8),岩石中锶含量18.9～2 005 μg/g,平均值达659.91 μg/g。岩石中锶平均含量是表层土壤锶平均含量的2.5倍,是深层土壤锶平均含量的2.6倍,高锶岩石为土壤富锶提供了丰富的物质基础。

表8 调查区中酸性侵入岩锶元素含量统计表(单位：μg/g)Table 8 Statistical table of strontium content of intermediate-acid intrusive rocks in the investigation area

注:资料来源于湖北省区域地质志(2)胡正祥、毛新武、邓乾忠等，湖北省区域地质志，湖北省地质调查院,2017。(湖北省地质调查院,2017年)。

4 富锶土壤资源潜力评价

4.1 评价分级标准

目前对锶土壤资源评价分级没有全国统一标准,本次评价根据全国A层土壤锶背景值165 mg/kg(中国土壤背景值1990),结合湖北省锶的分布特点,提出的划分锶的标准(表9)。

根据本区表层土壤锶的地球化学分布特征,本次评价将以区内表层土壤中的锶含量≥200 μg/g作为富锶标准进行评价。结合无公害农产品种植业产地环境条件(NYT 5010—2016)标准,将区内富硒土壤进一步划分为两大区:满足无公害农产品种植业产地环境条件富锶土壤区、不能满足无公害农产品种植业产地环境条件富锶土壤区。

表9 锶资源评价划分标准(单位:μg/g)Table 9 Classification criteria of strontium resources evaluation

4.2 富锶土壤资源分布特征

按上述标准统计,富锶土壤(Sr≥200 μg/g)面积2 824 km2,占调查区面积的55.59%,其中,能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求的富锶土壤面积2 740 km2,尚不能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求的富锶土壤面积84 km2。图3显示,富锶土壤区主要呈北西南东向分布于新城—万和西南及新城—殷店—蔡河与淮河—草店—三里城所夹区域。

图3 富锶土壤资源分布及开发建议图Fig.3 Suggestion map for distribution and developmentof strontium-rich soil resources

4.3 富锶土壤资源潜力评价

根据富锶区土壤是否无公害农产品种植业产地环境条件要求,以及土地利用方式的差异,将区内富锶土壤划分为3类:

Ⅰ类区(适宜开发区):能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求,且土壤中的Sr≥200 μg/g的区域。主要分布于新城—万和西南及新城—殷店—蔡河与淮河—草店—三里城所夹区域。总面积2 740 km2。具有较好的开发潜力,属农业生产适宜开发的富锶土壤资源区。

Ⅱ类区(具开发潜力区):不能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求,但土壤中的Sr≥200 μg/g的区域。面积84 km2，零星分布于全区。具有一定的开发潜力,但需要对其农作物进行安全性评价。

Ⅲ类区(不具开发潜力区):土壤中的Sr<200 μg/g的区域。总面积2 256 km2。主要是分布于调查区东北小林及中南部,一般不具开发潜力,属不适宜开发的富锶土壤区。

5 结论

(1) 调查区表、深层土壤锶元素含量平均值均高于十堰—丹江平均值和中国土壤(C层)背景值,表层平均含量是中国土壤(A)层的1.60倍,是十堰—丹江平均值的2.07倍。深层平均含量是中国土壤(C)层的1.49倍,是十堰—丹江平均值的2.04倍。在空间分布上,表、深层土壤表现出高度的一致性,分布不均匀,且明显受成土母岩控制,高值区分布于中酸性侵入岩母质中。

(2) 通过相关性分析,pH值与Sr显著负相关。表、深层土壤锶与Ba、Na2O、Be、Ga、La、K2O等关系较为密切。

(3) 不同成土母质中深层土壤锶含量平均值143.421～368.155 μg/g,表层土壤锶含量平均值128.578～390.574 μg/g,表、深层土壤均为中生代中酸性岩中平均含量最高,寒武系—震旦系中平均含量最低。不同土壤类型中深层土壤锶含量平均值163.667～272.426 μg/g,表层土壤144.409～403.286 μg/g。深层土壤黄棕壤性土中平均含量最高,黄褐土中平均含量最低,表层土壤暗棕壤中平均含量最高,黄褐土中平均含量最低。不同土地利用中深层土壤锶含量平均值160.071～316.583 μg/g,表层土壤锶含量平均值180.170～335.706 μg/g,表、深层土壤均为其他林地中平均含量最高,旱地中平均含量最低。

(4) 调查区中酸性侵入岩中锶含量18.9～2 005 μg/g,平均值达659.91 μg/g。岩石中锶平均含量是表层土壤锶平均含量的2.5倍,是深层土壤锶平均含量的2.6倍,高锶岩石为土壤富锶提供了丰富的物质基础。

(5) 调查区土壤锶元素含量高,存在大量的富锶土壤,富锶(土壤锶含量≥200 μg/g)面积2 824 km2,占调查区面积的55.59%,其中,适宜开发区(能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求的富锶土壤面积2 740 km2,区内具有较好的开发富锶土壤资源潜力。