贵州耕地主要元素地球化学背景值统计与分析

蔡大为，李龙波， 蒋国才，严 琦，任明强

(1.贵州省耕地质量地球化学调查评价领导小组办公室；2.贵州省地质环境监测院；3.贵州省有色金属和核工业地质勘查局六总队)

1 引言

土壤元素背景值原始含义是指土壤在自然成土过程中所形成的物质的含量，它仅仅来自于天然源，未受到人为活动干扰(陈怀满，2018)。但自18世纪工业革命以来，人类活动对土壤的干扰越来越大，释放的各种物质已在地球表层土壤中得到了大量累积，显著改变了地球表层土壤中化学元素的自然背景含量和分布模式。近30年文献中对地球化学背景值的概念和应用途径进行了广泛讨论(中国环境监测总站，1990；Darnley A G，et al.1995；Salminen R and Gregorauskiene V，2000；陈怀满，2018)。虽然土壤元素背景值含义的表述还未完全统一，但一般是指某一特定时间点上、一个地区或区域范围内土壤中某个元素或化合物的实际含量，既包括自然背景浓度，也包括人类活动影响后的实际背景浓度(Cicchella D，et al.2005；Albanese S，et al.2007；陈怀满，2018)

本文利用贵州省耕地质量地球化学调查评价项目数据资料，通过对贵州全省耕地表层土壤23项测试指标的统计分析及背景值计算方法的讨论，确定了贵州省耕地表层土壤测试指标的背景值，可为科学认识贵州省耕地表层土壤元素含量现状及政府部门制定有效监管措施提供科学依据。

2 样品采集与分析测试

土壤样品分析测试工作由经过自然资源部资格认证的五家实验室完成。五家实验室分析测试工作均执行《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》(DZ/T0258)及《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005)，均使用统一的国家标样物质进行监控，且分析测试数据均由中国地质调查局地球化学调查项目样品分析质量监控专家库专家验收。

3 数据处理与统计

4 结果与讨论

4.1 贵州省耕地表层土壤地球化学背景值

迭代剔除异常值前，只有Ge和Tl元素服从正态分布；经迭代剔除异常值后有机质、N、P、Hg、V、F、Se、Cr、Co、Ni、B、Zn、Pb、Mn、As、K、Mo等元素或指标符合对数正态分布，Cu、Cd元素呈偏态分布，I元素和pH呈双峰分布(表1)。一般认为，正态分布是大量相互独立又相对微小的随机变量共同作用的结果，反映的是一个渐变过程和平稳过程；对数正态分布是某些因素起了突出作用但是未起到左右全局的结果，因此不经过转换无法运用标准正态模型进行评价(赵志飞，闫晖，姚岚，等，2013)。

4.2 贵州省不同土壤类型耕地表层土壤地球化学背景值

对于N、P、K、有机质4项指标，棕壤有机质的背景值最高，富集系数(背景值与全省耕地土壤背景值的比值)为1.49，其在黄棕壤中的富集系数为1.25，在其余土壤类型中的背景值变化较为均匀；棕壤N元素背景值最高，在其余土壤类型中的背景值变化较为均匀；棕壤P元素背景值最高，其次为黄棕壤，富集系数分别为1.70和1.46；除棕壤和黄棕壤K元素含量背景值较低外，在其余土壤类型耕地土壤中背景值变化较均匀(表2)。

微量元素中，总体来说，Cu、Zn、Mn、Mo在棕壤、黄棕壤、紫色土、粗骨土中出现不同程度的富集，B元素则正好相反。Cu、Zn、Mn、Mo在红壤中含量相对较低，B元素则相对富集。

特色元素Se和Ge在黄棕壤、棕壤中的富集系数较高，Se在各类土壤中背景值高低趋势为棕壤>黄棕壤>粗骨土>黄壤>石灰土>水稻土>紫色土>红壤；Ge在各类土壤中背景值高低趋势为黄棕壤>紫色土>黄壤、棕壤>红壤、石灰土、粗骨土。

环境元素普遍在棕壤、黄棕壤、石灰土中富集，在红壤、黄壤、紫色土和水稻土中背景值相对较低。例如，Cd在棕壤和黄棕壤中富集系数分别高达4.71和3.67，在红壤、水稻土、黄壤和紫色土中富集系数分别为0.5、0.85、0.925和0.975。

图1 贵州省耕地表层土壤元素(指标)含量频率分布图

表1 贵州省耕地表层土壤元素(或指标)背景值(样品数454431件)

表2 贵州省不同土壤类型耕地表层土壤元素(或指标)背景值

续表

4.3 贵州省不同成土母岩耕地表层土壤地球化学背景值

在不同成土母岩耕地表层土壤N、P、K、有机质中，紫红色砂页岩型土壤N元素背景值最低，千枚岩(片岩)型土壤N元素背景值最高，从富集程度上来看，仅在紫红色砂页岩和砂岩(含硅质岩)型土壤中贫化，在白云岩型土壤中变化不明显，在其他成土母岩型土壤中均有不同程度的富集；玄武岩及辉绿岩型土壤P元素背景值最高，除此之外还在灰岩型土壤中富集，在其他成土母岩型土壤中均有不同程度的贫化；K元素在花岗岩型土壤中含量最高，在除灰岩、玄武岩及辉绿岩和泥砂砾之外的其他成土母岩型土壤中有不同程度的富集；有机质含量在千枚岩(片岩)型土壤中分布最高，在其他成土母岩型土壤中分布差异不大(表3)。

微量元素在不同成土母岩型土壤中含量变化较大，其中Cu、Zn、Mn、Mo均在玄武岩及辉绿岩型土壤大量富集，尤其是Cu，富集系数高达4.96，而在黑色页岩型土壤中有不同程度的贫化，但B元素在黑色岩性型土壤中含量最高。总体来看各元素在碎屑岩、变质岩型土壤中分布含量较低。

有益元素中Ge在不同成土母岩型土壤中含量分布相差不大，Co、F、Se、V、I的含量分布受不同成土母岩型土壤影响较大，其中Se在黑色页岩型土壤中含量分布最高，其次为千枚岩(片岩)和玄武岩及辉绿岩型土壤，再次为灰岩型土壤，在变质岩和碎屑岩型土壤中分布含量较低。

总体来看，环境元素在灰岩和白云岩型土壤中分布含量高，在碎屑岩和变质岩型土壤中分布含量较低，其中Cd在玄武岩及辉绿岩型土壤中分布含量最高，富集系数为2.45，其次为灰岩型土壤，再次为白云岩型土壤，在其他成土母岩型土壤中含量分布相对较低。

表3 贵州省不同成土母岩耕地表层土壤元素(或指标)背景值

5 结论

(1)本研究在样品采集、分析测试、分析数据处理与统计均执行了严格的质量标准，且样本量巨大。因此，本项研究的贵州省耕地主要元素地球化学背景值统计结果具有可信度。

(2)总体来看，贵州省耕地土壤有机质、N、P等养分组分的背景值较高，养分元素K的背景值略低；Se、Ge特色元素的背景值较高，表明我省具有发展富硒、富锗特色农业的巨大潜力；As、Cr、Hg、Pb等环境元素的背景值较低，Cd的背景值略高，在耕地的开发利用时应关注其安全性。

(3)贵州省耕地土壤化学元素背景值的统计对全面认识全省耕地土壤养分质量、环境质量现状具有重要的现实意义，也对制定耕地土壤质量保护法规及地方标准的提供了重要依据。

致谢：本项研究成果属于贵州省自然资源厅，属于贵州省地质矿产勘查开发局、贵州省煤田地质局、贵州省有色金属和核工业地质勘查局及其下属30余家地勘单位1000余名地质科技人员共同所有。在收齐原始分析测试数据后，作者进行了统计计算与总结执笔。在此，特向参加贵州省耕地质量地球化学调查评价项目的所有工作人员致谢。