高密市土壤地球化学背景值研究

刘阳

（山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，山东·潍坊 261021）

2013年6月8日，中国地质调查局在京组织召开土地质量地球化学调查评价可行性报告论证会，专家组认为：“开展土地质量地球化学调查评价是关系千秋大业、惠及千家万户的一项重大民生工程，在实现土地质量与生态管护、保障国家粮食安全、大幅提升土地资源利用价值、显著改善民生等方面均具有重要意义”。山东各地陆续开展了土地质量地球化学调查与评价工作，并取得了一些成果[1-9]。潍坊市作为全国农业及蔬菜基地，土地质量情况起到了决定性的支撑作用。为积极响应上级号召，潍坊市设立专项资金进行“潍坊市土地质量地球化学调查与评价”项目。高密市土地质量地球化学调查与评价为该项目的二期工作。

高密市地处山东半岛中部，胶莱平原腹地，东邻胶州市，西依安丘市、昌邑市，南连高密市，北接平度市。全市辖7镇、3街道，总面积1525.7km2。地理坐标：东经119°26´～120°00´、北纬 36°08´～36°41´。高密市地势南高北低。最高点位于柴沟镇梁尹岭张林北侧，海拔109.4m；最低点位于大牟家镇曹家北近北胶莱河处，海拔7.5m。地面总坡度约1/600。高密市属季风区暖温带大陆性半湿润气候，冬冷夏热，四季分明。年平均气温12℃，年平均降水量689.1mm，年蒸发量1227.6mm，相对湿度平均为69%。年平均日照总量2452.7小时，无霜期226天。（年平均值为1971～2000年30年资料平均）。高密市处于潍东南丘陵水文地质区。高密市土壤类型分为棕壤、褐土、粗骨土、黑土、潮土共5个土类[10]。

1 地质概况

高密市地处华北板块—胶辽隆起区—胶莱盆地西部，北部为高密—景芝凹陷，南部为胶州—兰底凹陷。高密地层隶属于华北地层区之鲁东地层分区，仅出露中生代白垩纪莱阳群、青山群、大盛群以及第四纪松散堆积物。其中中生代地层出露面积约占全市总面积的25%，第四纪出露面积约占75%，高密市地质构造单元全貌是中生代白垩纪沉积盖层和新生代第四纪松散堆积物，构造形式突出表现为断裂构造，构造方位以北东向为主，高密市岩浆岩不发育，仅有脉状—岩柱状的浅成—超浅成中酸性侵入岩和火山岩。

2 工作方法

2.1 样品采集

高密市土壤表层样采样点布设在1:5万土地利用现状图上（第二次全国土地调查数据）。采样点以网格状布设，土壤样品采样密度平均为5.5件/km2，采样深度为0～20cm，采样时以“多点取样”的方式进行，同时要避开沟渠、林带、田埂、路边、旧房基、粪堆及微地形高低不平无代表性地段。野外采集的土壤样品经自然风干，全部过10目尼龙筛，过筛后样品重量大于500g。

全高密市市共取表层土壤样点8197件。

2.2 样品分析

分析测试项目有：有机质、氮（N）、磷（P）、钾（K）、硼（B）、钼（Mo）、锰（Mn）、硒（Se）、碘（I）、锗（Ge）、氟（F）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、汞（Hg）、镍（Ni）、钴（Co）、矾（V）和酸碱度（pH），共22项。

本项目分析测试由具有甲级实验测试资质的山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队实验测试中心承担，采用等离子体质谱法（ICP-MS）、X射线荧光光谱法（XRF）为主要检测方法，辅以原子荧光光谱法（AFS）、发射光谱法（ES）、离子电极法（ISE）、容量法（VOL）和分光光度法（COL）等方法的多元素分析配套方法。样品测试质量由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所进行监控，通过密码样、监控样、标准样等多种监控手段，保证样品分析质量的可靠性。测试项目及测试精度满足设计及规范要求。

3 讨论及结论

土壤地球化学背景值又称土壤本底值，它代表一定环境单元中的一个统计量的特征值。背景值是指各区域正常地理条件和地球化学条件下元素在各类自然体（岩石、风化产物、土壤、沉积物、天然水、近地大气等）中的正常含量。在环境科学中，土壤背景值是指在未受或少受人类活动影响下，尚未受或少受污染和破坏的土壤中元素的含量[11]。由于人类活动的长期积累和社会的高速发展，真正未受污染和破坏的土壤是不存在的，因此，土壤地球化学背景值只是一个相对概念。本文是以高密市表层土壤（0～20cm）分析测试数据为基础，经过数据处理后求得的平均值为高密市表层土壤地球化学背景值。

3.1 土壤地球化学背景值计算方法

众多研究结果表明，常量元素接近正态分布，微量元素取对数后接近正态分布，同时认为，把地壳中元素含量空间分布构成的曲面成为地球化学面，这个面的变化也服从正态或对数正态分布。均值标准差法的使用前提是原始数据服从正态分布或对数正态分布。因此，使用均值标准差法时，应该先对原始数据进行正态检验。常用的检验方法有偏度—峰度法、Q-Q概率图法和P-P概率图法。本文用偏度—峰度法：当样本数量较大（N＞100），若取信度α=0.05时，偏度的临界值不超过，峰度的临界值不超过，说明实测数据在所研究的地质体中服从正态分布，有一个不满足则不服从正态分布[12]。检验对数正态分布，需将原始数据转换成对数，然后计算偏度、峰度。

将分析测试数据利用Excel、SPSS等数据处理工具，统计元素含量平均值、标准离差、变异系数、浓集系数（K）等地球化学特征值。首先，对数据频率分布形态进行正态检验。当统计数据服从正态分布时，用算术平均值代表背景值；服从对数正态分布的数据，用几何平均值代表背景值；不服从正态分布的数据，按照算术平均值加减3倍算术标准离差或几何平均值乘以几何标准离差的立方进行剔除，经反复剔除后服从算术正态分布或对数正态分布时，用算术平均值或几何平均值代表土壤背景值。经反复剔除后仍不满足正态分布或对数正态分布，当呈偏态分布时，以众值或平均值代表背景值；当呈双峰或多峰分布时，以中位值或平均值代表背景值。

在进行pH值参数统计时，应先将土壤pH值换算成[H+]平均浓度进行统计计算，然后再换算成pH值，其公式为：[H+]=10-pH，[H+]平均浓度=∑10-pH/n ，pH=-lg[H+]平均浓度。

3.2 土壤地球化学背景值特征

高密市土壤地球化学背景值见表1。

表1 高密市土壤地球化学背景值Table 1 Geochemical background value of soil in Gaomi city

土壤地球化学背景值是土壤地球化学调查研究的最基础的特征参数，代表土壤中的元素含量水平[14-18]。从图1可以看出剔除前与剔除后多数元素算术平均值与背景值差别不大，仅pH一种元素（指标）剔除率超过10%，而pH、Mo、Cu、Hg四种元素（指标）剔除后背景值与剔除前算术平均值相比，背景值变化率均超过20%，表明元素（指标）的离散程度相对较大，易于受到外源影响因素的扰动。

变异系数是反映元素分布均匀程度的一个重要参数，采用如下经验值判别：变异系数小于0.4，元素分布均匀；0.4≤变异系数＜1.0，元素分布较不均匀；1.0≤变异系数＜1.5，元素分布不均匀；变异系数≥1.5，元素分布极不均匀。高密市土壤元素变异系数见表1。

高密市土壤元素元素（指标）分布均匀的有：K、Ge、B、V、Pb、Cr、Co、Ni、N、Mn、I。在这种情况下，元素含量变化很小，空间分布均匀，其中K的变异系数最小，只有0.07，说明它们分布最均匀。

高密市土壤元素（指标）分布较不均匀的有：pH、有机质、F、Se、As、P、Zn、Cd、Cu；高密市土壤元素（指标）分布极不均匀的有：Hg、Mo。Hg变异系数为4.12，Hg含量较高的土壤主要集中分布在高密市区及周边，Mo含量较高的土壤主要集中分布在高密市区及周边和夏庄镇中部，这可能与人类活动造成的局部污染有关。

K值是单个元素背景值与参比区（全潍坊市K1、全山东省K2）的比值，见图2，利用K值可比较出单个元素的相对富集或贫乏特点。规定比值小于0.80时为明显偏低，比值在0.80～0.90时为偏低，比值0.90～1.10时为接近（或相当），比值在1.10～1.20时为偏高，比值大于1.20时为明显偏高。

图1 高密市土壤算数平均值（剔除前）与背景值（剔除后）对比Fig.1Comparisons of soil arithmetic mean (before excluding)and background value (after excluding) in Gaomi city

图2 高密市土壤地球化学背景值与潍坊市土壤背景值比值K11）、山东省土壤背景值比值（K2）折线图Fig.2 The ratio of soil geochemical background value in Gaomi City to that in Weifang City (K1) and Shandong Province (K2)

与潍坊市相比（K1），高密市土壤背景值接近的元素（指标）有：Cr、F、B、V、Mn、Pb、Se；与全山东省相比（K2），高密市土壤背景值接近的元素（指标）有：Ge、B、I、V、Se、Mn、Cr、Pb、As、P；

与潍坊市相比（K1），高密市土壤背景值偏高的元素（指标）有：As、N、P、有机质、K；与全山东省相比（K2），高密市土壤背景值偏高的元素（指标）有：N；

与潍坊市相比（K1），高密市土壤背景值明显偏高的元素（指标）有：有机质；与全山东省相比（K2），高密市土壤背景值明显偏高的元素（指标）有：有机质。高密市土壤有机质背景值与潍坊和山东背景值相比都接近两倍，说明高密市表层土壤中有机质含量相对较丰富，可能农业生产活动中的有机肥施用有关。

与潍坊市相比（K1），高密市土壤背景值偏低的元素（指标）有：Ni、Hg、Cu、Cd、I、Ge。与全山东省相比（K2），高密市土壤背景值偏低的元素（指标）有：Ni、F、Hg；

与潍坊市相比（K1），高密市土壤背景值明显偏低的元素（指标）有：Mo、Zn、Co。与全山东省相比（K2），高密市土壤背景值明显偏低的元素（指标）有：Mo、Zn、Cd、Co、Cu。高密市Mo缺乏（Mo≤0.45 mg/kg）的土壤分布较广泛，主要分布在大牟家镇大部、醴泉街道大部、井沟镇大部、柴沟镇大部、阚家镇大部、柏城镇大部、朝阳街道大部、夏庄镇西南部、密水街道南部，面积为1177.73km2，占高密市总面积的比例为77.19%。高密市Zn缺乏（Zn≤50 mg/kg）的土壤主要分布在的井沟镇大部、柴沟镇大部、柏城镇大部、朝阳街道大部及大牟家镇大部和姜庄镇北部，面积为1000.72km2，占高密市总面积的比例分别为65.59%。高密市Co较缺乏（8mg/kg＜Co≤11mg/kg）的土壤为高密市大部，面积为876.07km2，占高密市总面积的比例为57.42%；高密市Co缺乏（Co≤8mg/kg）的土壤主要分布于五龙河、潍河、胶河沿岸，分布区域为柴沟镇西部及中南部马旺水库、李家沟水库附近，柏城镇中部和南部王吴水库附近，朝阳街道西部和夏庄镇南部，面积为374.59km2，占高密市总面积的比例为24.55%。高密市Cd元素总体良好，以无风险为主，无风险土壤面积为1522.94km2，占高密市总面积的99.82%；

高密市pH值含量接近潍坊市背景值和山东省背景值，高密市中部和北部总体呈中性—碱性，高密市南部的柴沟镇大部、密水街道南部、柏城镇中部和南部土壤总体呈酸性（pH值在5.0～6.5之间）。

通过对高密市土壤地球化学研究，掌握了高密市22种元素（指标）土壤地球化学背景值及分布特征，这些成果可为地方政府的决策施政提供基础资料和科学依据[19-20]。

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