曲阳县土地质量地球化学评价

2020-11-09马雪梅田大争李伟何锦

华北地质 2020年3期

关键词：锌元素土壤环境土壤

马雪梅，田大争，李伟*，何锦

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定070151；2.河北省地质工程勘查院，河北保定071051）

土地质量地球化学评价是依据影响土地质量的营养有益元素、重金属元素及化合物、有机污染物、土壤理化性质等地球化学指标，及其对土地基本功能的影响程度而进行的土地质量地球化学等级评价，是实现土地资源质量与生态管护的一项重要工作[1-2]。

自2008年中国地质调查局组织开展了多目标区域地球化学调查和土地质量地球化学评价工作，通过对土地资源的生态环境调查和评价，获得了合理开发、利用、防治和保护土地资源的必要信息，为综合评价土地质量提供了广泛的数据基础[3]。

2019年项目组在曲阳县开展了1/5万土地质量地球化学调查评价工作，查明了曲阳县土壤及农作物中有益微量元素分布特征，并通过探究土壤中锌元素的来源及影响农作物吸收锌元素的因素，为富锌特色耕地的开发利用提出有效建议。

1 调查区概况

曲阳县位于保定市西南部，属暖温带半干旱季风区大陆性气候，年平均温度12.2℃，年平均降雨量为570 mm[4]。本次土地质量地球化学调查范围包括曲阳县平原区（文德镇全镇面积和燕赵镇、恒州镇、晓林镇、路庄子乡4 个乡镇部分面积）、齐村镇刘庄村、定窑窑址（岗北、磁涧），调查区范围及区域地质简图（图1，图5）。

研究区西北部为中低山地貌，中部为丘陵地貌，东南部为堆积平原；其地处中朝准地台（Ⅰ级）、燕山台褶带（Ⅱ级）、军都山岩浆岩带（Ⅲ级）、狼牙山凹褶断束（Ⅳ级）；出露的地层包括新太古界变质岩基底与中、新元古界、古生界及新生界的沉积盖层。

该区成土母质复杂，发育多种土壤类型，主要土属有石质土、石灰性褐土、潮褐土等，其中石质土主要分布于西北部低山区，褐土性土主要分布于中部丘陵区，潮褐土主要分布在东南部平原区。

2 样品的采集与分析

按照网格叠加土地利用图斑（第二次土地调查图斑）的总体原则部署调查采样，山区、平原区农用地（耕地和园地）按照8～10个点/km2的密度进行土壤调查采样，工矿企业密集区农用地按照8～16 个点/km2的密度进行土壤调查采样，土壤样点分布在网格内主要土壤类型和主要土地利用方式的代表性地块内，同时兼顾空间分布的均匀性，本次全区共采集土壤样品735件，其中重复样15件，占样品总数2%，样品晾干加工后过10目尼龙筛，留用。在以土壤为主要调查对象的基础上，兼顾农产品调查，农产品调查依据工作区农产品的地理分布、规模、品种、产量等条件布设样品，原则上调查采集耕种面积大于80%的农作物可食部分。东南部平原地区以小麦－玉米两熟制为主，调查共采集小麦样品18件、玉米样品19件。

图1 调查区位置图Fig.1 Map of location of survey area

样品送河北省地质实验测试中心分析，分析测试参考了《多目标区域地球化学调查规范》（DZ/T0258—2014）[5]、《生态地球化学评价样品分析技术（试行）》（DD2005-03）[6]等中的有关方法（表1），实验室样品分析检出限见表2，所有元素（指标）报出率均为100%；重复性检验合格率除Hg、pH为95%、Mo为97.5%外，其余元素（指标）均为100%；异常点重复性异常检验，统计合格率均为100%，除pH外所有上述方法准确度和精密度试验，通过对土壤国家标准物质（GSS1—GSS12）各项目12次测定，按每个标准物质的推荐值作参考，计算测量值与推荐值的对数偏差（ΔlgC）和RSD等，pH用编号为ASA-1a～ASA-4a四个土壤国家一级标准物质进行12次测定，计算精密度（RSD）和正确度（RE），结果均优于规范要求质量参数。

3 参数统计及编图方法

3.1 参数统计方法

地球化学参数是研究调查区区域地球化学特征的重要工作方法，本次调查利用Excel2010、Map-GIS6.7、ArcGIS10.3、GeoIPASV4.2 等软件对土壤样品进行了统计分析，本文选取营养元素（N、P、K2O、Corg.、CaO、MgO、S、Mo、B、Fe2O3、Mn、SiO2、Al2O3、Se、Na2O、TC、V、Co、Ge）和重金属元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）等28项指标作为土地质量评价指标，计算统计了各参数的含量范围、算术平均值、中位数、标准离差、变异系数、剔除2倍离差后平均值，并与河北平原区平均值进行比较。根据研究需要，对取得数据成果进行相关性分析、聚类分析、因子分析等多元统计分析，研究土壤中元素相关性、元素组合等特征[6-18]。

表1 元素和指标分析测试方法Tab.1 Analysis methods for testing elements and indexes

表2 元素和指标分析方法检出限Tab.2 Detection limit of analysis method

3.2 土壤元素地球化学图编制方法

地球化学图的制作是用Geochem Studio 3.5.9，利用距离幂指数反比加权法进行数据网格化，网格化参数：网格间距300 m×300 m，距离幂指数2，四方向搜索，搜索半径1 500 m，每搜索方向的最多点数为6，形成网格节点的最少点数为5。

成果图件编制遵循参考《地球化学普查规范（1/50 000）（DZ/T0011—2015）》[7]、《土地质量地球化学评价规范（DZ/T0295—2016）》。

3.3 土地质量地球化学评价方法

土壤养分地球化学等级、土壤环境地球化学等级的最小空间单位为评价单元。当一个单元中有2个以上数据时，用平均值进行评价单元的指标赋值。当单元中没有评价数据时，用插值法（平均值）赋值，获得每个评价单元相应的评价数据。

（1）土壤丰缺分级图

土壤中有机质、氮、磷、钾全量、氧化钙、氧化镁、氧化铁、钴、钒、硼、钼、锰、硒按照《土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295—2016）》中相应划分标准及图示进行地球化学等级评价。

土壤养分地球化学综合评价是在氮、磷、钾土壤单指标养分地球化学等级划分基础上，按照下列公式计算土壤养分地球化学综合得分f养综。

式中，f 养综为土壤N、P、K评价总得分，1≤f 养综≤5；ki为N、P、K权重系数，分别为0.4、0.4和0.2；fi分别为土壤N、P、K的单元素等级得分。单指标评价结果五等、四等、三等、二等、一等所对应的fi得分分别为1、2、3、4、5分。

（2）土壤环境质量分级图

按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）[19]对砷、铬、镉、汞、镍、铜、铅、锌进行评价，分为一等无风险、二等风险可控、三等风险较高三个等级。

土壤环境综合质量评价是在单指标土壤环境地球化学等级划分基础上，按照以下原则进行土壤环境地球化学综合等级划分：每个评价单元的土壤环境地球化学综合等级等同于单指标划分出的环境等级最差的等级。如As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Ni、Zn 划分出的环境地球化学等级分别为三等、二等、二等、二等、二等、二等、一等和二等，该评价单元的土壤环境地球化学综合等级为三等。

4 结果与分析

4.1 土壤元素地球化学特征与等级

调查区土壤有益元素指标的基准值等地球化学参数见表3。由表可见，N、K2O、Mo、B、Corg、Al2O3等营养元素的含量范围及变异系数较小，表征其空间分布比较均匀。通过对以上元素进行分析，发现SiO2、CaO、MgO、Fe2O3相关性极好，这几种元素的丰缺与地球化学背景差异有关；调查区土壤硒含量范围0.02～0.43 mg/kg，平均值为0.2 mg/kg，变异系数较小（26%），反映其空间分布比较均匀，空间分布特征总体表现为调查区北部高于南部，高值区（＞0.27 mg/kg）主要分布于七里庄、西河流等地，可能与人为活动有关。按照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295—2016）要求，在土壤氮、磷、钾单指标评价分级基础上，计算养分综合指数，并进行土壤养分地球化学综合分级，分为五等（表4）。调查区土壤养分较丰富、中等等级面积分别为39.18 km2、30.77 km2，面积占比分别为46.89%、36.84%。如图2所示，养分较丰富的农用地主要分布在东部，养分中等的农用地主要围绕在较丰富等级边缘；养分较缺乏面积为13.33 km2，主要分布在调查区西南部。

表3 调查区土壤营养元素含量特征统计表（N=688）Tab.3 Statistical table of soil nutrient element content characteristics in the investigation area（N=688）

4.2 土壤环境地球化学特征与等级

表5、6列出了调查区土壤重金属元素含量的统计参数及分级统计表[20]，由表可见，Hg、Cu等含量变化范围相对较大，最大值与最小值相差几十倍，其变异系数均大于45%，反映它们具有较大的空间变异性。相比而言，As、Cr、Pb、Cu等元素含量范围及变异系数较小，表征其空间分布比较均匀，这一点也可以从这些元素的微弱的背景值变化中得以反映。按照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295—2016）要求，在土壤重金属元素单指标评价分级基础上，采用最大指数法，计算农用地土壤环境地球化学质量综合指数，并进行质量综合等级划分，分为三等，结果统计见表6。调查区农用地土壤以一等（无风险）为主，比例为99.87%；风险可控比例为0.13%，综合分级图见图3。

表4 农用地土壤养分综合分级统计Tab.4 Comprehensive classification statistics of soil nutrients in agricultural land

图2 土壤养分综合分级图Fig.2 Comprehensive grading map of soil nutrients

表5 调查区重金属元素含量特征统计表（N=688）Tab.5 Statistical table of heavy metal element content characteristics in the investigation area（N=688）

4.3 富锌土地资源评价

4.3.1 土壤锌元素含量特征

对曲阳县平原区研究范围内735件土壤锌元素进行统计分析，算出锌元素含量范围为39.5～163.2 mg/kg，平均含量为66.8 mg/kg，略低于河北平原区土壤背景值（69.6 mg/kg）[21]，低于全国土壤A 层（74.2 mg/kg），对土壤锌元素含量丰缺等级进行统计结果见表7：其中锌元素含量较丰富及以上面积为21.34 km2，占比为25.54%；较缺乏及以下面积为24.72 km2，占比为29.59%。

表6 土壤环境地球化学综合分级统计Tab.6 Comprehensive classification statistics of soil environmental geochemistry

图3 土壤环境地球化学综合分级图Fig.3 Comprehensive grading map of soil environmental geochemistry

表7 土壤锌元素含量等级划分Tab.7 The classification of soil zinc concentrations

土壤中锌元素空间分布特征见图4，其变异系数为16%，空间分布相对均匀，总体上东北部锌元素含量高于西南部，高值区主要分布调查区东部的耕地区，且集中呈连片分布，主要位于李赵邱-张西旺、大西旺-西流德、北洪德-慈村-燕赵-北留营-西沿里一带；低值区为西南的杜家庄、东南的南平乐及中部的沙道-靳羊村-西流村一带。

4.3.2 土壤中锌元素来源分析

对比研究区不同层位（0～20 cm、150～200 cm）土壤中Zn元素随深度变化关系曲线以及研究区第四系沉积物的分布情况（图5、图6），并对土壤中Zn、TFe2O3、Mn、Al2O3等指标进行相关性分析，各元素间的相关性分析结果见表8。

图5 曲阳县区域地质图Fig.5 Regional geological map of Quyang County

图6 各土壤垂向剖面锌元素含量变化趋势Fig.6 Trend profile of zinc content in vertical soil profile

表8 表层土壤元素相关性分析Tab.8 Correlation analysis between topsoil elements

研究区表层土壤中Zn 与TFe2O3、Mn 等指标具有显著正相关性，说明了其均来源于铁镁等硅酸盐矿物，如辉石、角闪石和黑云母，锌在这些矿物中同晶置换了原来的Fe2+和Mn2+。土壤中Al2O3指标主要代表了黏土矿物，与细颗粒物质密切相关，而SiO2指标多代表砂粒等粗颗粒沉积物，Zn与Al2O3、Corg形成正相关关系，与SiO2形成负相关关系，说明研究区土壤中Zn元素主要来源于第四系冲洪积物，其母质颗粒较细，富含有机物和黏土矿物，Zn元素容易受到吸附而在表层土壤中富集。

此外，表层（0～20 cm）Zn 元素也较深部Zn（150～200 cm）元素更加富集（图6），说明Zn元素容易受到吸附而在表层土壤中富集。同时根据前人测定肥料中的锌元素结果可以看出（表9）[21]，不同肥料中锌元素含量在165.5～664.8 mg/kg，是研究区土壤背景值的2.5～10倍，因此，研究区内化肥的广泛使用也是引起表层土壤锌元素富集的原因之一。

4.3.3 农作物可食部位锌含量及影响吸收的因素

结合小麦、玉米的种植情况，2019年在曲阳县平原区范围采集了18件小麦籽实、19件玉米籽实样品，对其锌元素含量进行统计分析（表10）。

土壤是植物锌营养的主要来源，土壤供锌能力取决于土壤锌含量、形态及有效性[22-27]，影响农作物对土壤中各种元素吸收的因素是多种多样的[28-30]，按以下公式计算玉米、小麦中的吸收率，即富集系数Ci: