山东省青州市土壤地球化学背景值及其分区研究

刘 阳，姜 冰，张海瑞，武 斌，董美川，郝志文

（山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，山东·潍坊 261021）

山东省土地质量地球化学调查与评价工作已顺利完成并取得了一些成果[1-9]，但对于青州市的土壤地球化学背景值研究还没有开展，笔者利用潍坊市土地质量地球化学调查评价成果集成与应用和潍坊市特色土地资源开发应用示范项目数据，首次查明青州市土壤地球化学背景值，为政府的科学决策和指导农业精准施肥提供数据支撑，服务乡村振兴。

青州市位于潍坊市西约60 km处，东邻昌乐县、西接淄博市临淄区和淄川区，南连临朐县，东北与寿光市接壤，西北与东营市广饶县毗邻，属潍坊市辖区的县级市。青州市地理极值坐标东经118°10′20″～118°46′30″，北纬36°24′27″～36°57′25″。辖八个镇和四个街道办事处，总面积1561.9 km2。

1 区域概况

青州市属北温带亚湿润大陆性季风气候区，受大陆性和海洋性气候交替影响，冬冷夏热、四季分明。多年平均年降水量为664 mm，多年平均气温12.7℃，多年平均无霜期191.7天，多年平均积温为4331.7℃。全年主导风向为东和南东东，多年平均风速2.5m/s。区内冲沟较多，河流纵横，以近南北向河流为主，少量近东西向，水系源头多在西南部的中低山区，流向呈由南而北，注入莱州湾。有大小河流近20条，分属弥河、淄河（汇入小清河）水系。研究区隶属华北板块华北坳陷区（I）济阳坳陷（Ia）牛头—潍北潜断陷（Ia8）之牛头潜凹陷（Ia82）、寿光潜凸起（Ia84）、昌乐县断陷（Ia9）之昌乐凹陷（Ia91）和鲁西隆起区（IIa）鲁山—邹平断隆（IIa2）之博山凸起（IIa22）和柳山—昌乐断隆（IIa3）之郑母凹陷（IIa31）、鲁山凸起（IIa32）以及沂山—临朐断隆（IIa8）之临朐凹陷（IIa81）的相毗邻地带。研究区地处鲁西隆起区的东南部边缘，地层分区为华北地层区之华北平原地层分区与鲁西地层分区，根据地层的划分，可分为古生代寒武系、奥陶系及新生代新近系、第四系。寒武—奥陶纪地层分布在青州市西南部，地层露头良好，层序连续且完整，其主要为一套厚度达千余米海相碳酸盐岩沉积建造，主要岩性为灰岩、页岩、白云岩。新近纪地层主要为临朐群玄武岩为主。研究区内构造以北东向为主，北西向次之，东西向较少。研究区内岩浆岩不发育，仅零星见有中生代闪长玢岩、新生代辉绿玢岩，出露面积小，呈岩脉、小岩株状产出（图1）。

青州市南北跨潍西南中低山丘陵水文地质区之潍西南中低山水文地质亚区、潍北平原水文地质区之潍北山前冲洪积平原水文地质亚区和潍北冲积平原水文地质亚区。青州市地下水划分为三大类型：即松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和喷出岩类孔洞裂隙水。

图1 青州市地质简图Fig.1 Geological map of Qingzhou city

青州市处于鲁中山区和鲁北平原交接处，总的地势是西南高，东北低，即有SW向NE呈缓坡逐渐倾斜。主要地貌类型有中山、低山、丘陵，主要分布在研究区的西南部和东南部，西南部主要为碳酸盐岩类组成的中山、低山、丘陵区，面积约644.63 km2，占总面积的41.27%，东南部主要由玄武岩构成的丘陵区，面积约24.56 km2，占总面积的1.57%。研究区内最高点是西南山区的三县顶（青崖顶），海拔954.3 m。山间平原可分为剥蚀平原和冲积—洪积平原，主要分布于青州市中部和东南部，面积约263.60 km2，占总面积的16.88%。剥蚀平原主要分布在谭坊镇南部和邵庄镇中部，面积约50.44 km2；冲积—洪积平原主要分布在谭坊镇中部、弥河镇南部、王府街道、益都街道西南部，面积约213.15 km2。山间平原主要由洪积物组成。研究区内分布有山前倾斜平原之冲积—洪积平原，分布在研究区中部及东北部，面积约629.14 km2，占总面积的40.28%，主要由冲积物和洪积物组成。最低点在何官镇的张高村，海拔16.2 m。青州市土壤类型有棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土[10]。

2 工作方法

2.1 样品采集

青州市土壤表层样采样点以网格状布设在第二次全国土地调查青州市1:5万土地利用现状图上。土壤样品采样密度平均为5件/km2，采样深度为0～20 cm，采样时以“X”或“S”形多点等量取样合并为一个样品的方式进行。野外采集的土壤样品经室内晾干后，全部过10目尼龙筛，过筛后用“四分法”将重量大于500 g的待测样品装牛皮纸袋中送检。

全青州市共取表层土壤样点8132件。

2.2 样品分析

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。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，保证了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，土壤样品处理及分析方法见表1。

表1 土壤样品处理及分析方法Table 1 Soil sample treatment and analysis method

2.3 数据处理

本项目的数据是用Excel、SPSS等软件处理，统计了平均值、标准离差、变异系数、背景值等数据，并做了相关性分析。图件用MapGIS和土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护（应用）子系统绘制。

3 青州市土壤元素地球化学背景值

3.1 土壤地球化学背景值

本文是以青州市表层土壤（0～20 cm）分析测试数据为基础，经过数据处理和正态分布检验后求得的平均值为青州市表层土壤元素地球化学背景值。青州市土壤地球化学背景值见表2。

表2 青州市土壤地球化学背景值统计表Table 2 Geochemical background value of soil in Qingzhou city

（续表2）

土壤地球化学背景值代表土壤中的元素含量水平[12-13]。从图2和表2可以看出数据处理前后多数指标算术平均值与背景值差别不大，仅I、pH、有机质三个指标剔除率超过10%，而I、Hg、有机质三个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%，表明元素的离散程度相对较大，分布不均匀，容易受到外界环境的干扰。

图2 青州市土壤算数均值（剔除前）与背景值（剔除后）对比图Fig.2 Comparisons of soil arithmetic mean (before excluding)and background value (after excluding) in Qingzhou city

3.2 青州市土壤元素变异系数

青州市土壤元素变异系数见表2、图3。

图3 青州市土壤元素变异系数分布柱状图Fig.2 Distribution of variability coeきcient of soil elements in Qingzhou city

青州市土壤指标分布均匀的有：K、V、Ge、Mn、B、As、Co、Cr。它们含量变化很小，空间分布均匀，其中K、V、Ge的变异系数最小，只有0.17，说明它们分布的最均匀，在自然界中容易迁移，这个和他们的化学性质较活跃有关。

青州市土壤指标分布较不均匀的有：F、Zn、P、Ni、Cu、Se、N、Cd、Mo、有机质、Pb、I、pH，说明它们在自然界较不容易迁移，这可能受到了成土母质和人类活动的双重影响。

青州市土壤指标分布极不均匀的有：Hg，变异系数最高，为3.54，Hg含量高的土壤主要集中分布在青州市区及周边，这可能与人类活动造成的局部Hg污染有关[14]。

3.3 青州市土壤元素与潍坊和山东省表层土壤的关系

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4，利用衬度系数我们可比较出单个元素的相对富集或贫乏特点。

图4 青州市土壤地球化学背景值与潍坊市土壤背景值比值K1山东省土壤背景值比值（K2）折线图Fig.4 The ratio of soil geochemical background value in Qingzhou city to that in Weifang city (K1) and Shandong province (K2)

与潍坊市相比（K1），青州市土壤背景值接近的元素 有：F、Pb、Ge、Co、Cu、pH、Ni、Cr、Mn、Mo。与全山东省相比（K2），青州市土壤背景值接近的指标有：Pb、Mo、Cu、Co、Ge、Mn、Ni、Zn、pH、P；说明这些指标在区域分布总体较均匀。

与潍坊市相比（K1），青州市土壤背景值偏高的元素有：I、V、Zn、B；与全山东省相比（K2），青州市土壤背景值偏高的指标有：V、Cr、B、I、Se、Cd。

与潍坊市相比（K1），青州市土壤背景值明显偏高的元素有：P、Hg、N、Se、As、Cd、有机质；与全山东省相比（K2），青州市土壤背景值明显偏高的指标有：Hg、As、N、有机质。说明这些元素受自然作用和人类活动的影响较大；其中青州土壤有机质背景值与潍坊和山东背景值相比都超过两倍，说明青州市表层土壤中有机质含量相对丰富；青州市表层土壤中有机质丰富（＞40 g/kg）和N丰富（＞2 g/kg）的区域多集中在南部山区，这可能与山区林草茂盛，表层土壤中含有较多腐殖质有关；而青州市的富硒土壤（0.4～3.0 mg/kg）也多集中在南部山区，与土壤中有机质和N含量的Pearson相关系数分别为0.82、0.80，呈显著正相关，说明南部山区的硒含量明显偏高与土壤中有机质和N较多有关，硒多以有机结合态赋存于表层土壤中。青州市硒元素是潍坊市的1.34倍，且主要集中在西南部山区，应结合青州市西南部山区的旅游资源，适时开发利用。而Hg元素分别是潍坊市和山东省的1.23和1.27倍，且高值主要集中的青州市区及周边，应引起关注。

与全山东省相比（K2），青州市土壤背景值偏低的指标有：F。青州市表层土壤F大多属于适量等级（500～550 mg/kg），仅在青州市庙子镇中部有少量F过剩（大于700 mg/kg）土壤。而山东省土壤中氟元素背景值比青州市高，这可能与山东省是全国地方性氟中毒（简称地氟病）最为严重的病区省份之一有关[15]。

青州市pH值含量接近潍坊市背景值和山东省背景值，总体呈中性—碱性，仅在青州市邵庄镇西部和庙子镇西部存在少量强碱性（pH＞8.5）土壤。

3.4 青州市土壤地球化学分区

土壤地球化学分区是对长期地质历史过程中地球表生带在各种地质综合作用下所形成的性质不同的地球化学场所特征的归纳与合并。从区域地质角度看，研究区位于华北板块的昌乐凹陷和博山凸起接触部位，岩浆岩不发育，成土母质主要为寒武—奥陶系长清群、九龙群和马家沟群的灰岩、白云岩、页岩，新近纪临朐群玄武岩及第四系冲洪积物等。从地形、地貌角度看，地貌类型西南部以中山、低山、丘陵为主，东北部山间平原和山前倾斜平原为主。由于上述独特的地质、地形、地貌特征等差异，使区域内成土母质体由于同生和后生地球化学作用，造成元素及元素组合的进一步演化而具有不均匀分布的特征，从而形成具有不同成分或不同元素组合的地球化学区。研究区共划分为2个地球化学区和5个地球化学亚区（图5）。

图5 青州市土壤地球化学分区Fig.5 Schematic diagram of soil geochemical zoning in Qingzhou city

3.4.1 西南部山地丘陵地球化学区（I）

该地球化学区位于青州市西南部山地丘陵区，区内地质背景以古生代寒武纪九龙群、马家沟群为主，岩性主要有灰岩、白云岩和页岩等，另有第四纪山前组松散堆积物沿山间平原少量分布。土壤中As、Cd、Co、Cu、F、I、K、Mo、N、Pb、Se、Zn、pH、有机质等元素呈高背景，Cr、P、全盐量等元素呈低背景。

根据元素组合的不同，将该区划分成2个地球化学亚区，分别为王坟镇和庙子镇南部地球化学亚区和庙子镇北部及王坟镇以北地球化学亚区。各亚区分区特征如下：

（1）王坟镇和庙子镇南部地球化学亚区（I-1）

成土母质以灰岩、白云岩和页岩形成的风化物为主。土壤类型以石灰岩钙质粗骨土、黄土质石灰性褐土、灰质石灰性褐土和灰质褐土性土为主。土壤中As、Cd、Co、Cu、F、I、K、Mo、N、Pb、Se、Zn、有机质等元素呈高背景，P、全盐量等元素呈低背景。

（2）庙子镇北部及王坟镇以北地球化学亚区（I-2）

山前平原的分布面积相对王坟镇和庙子镇南部地球化学亚区较多，成土母质以灰岩、白云岩和页岩形成的风化物为主，以冲洪积物为辅。土壤类型以石灰岩钙质粗骨土、黄土质石灰性褐土为主。土壤中As、F、I、Mo、N、Pb、Se、Zn、pH、有机质等元素呈高背景，Cr、K、P、全盐量等元素呈低背景。

3.4.2 东部和北部平原地球化学区（Ⅱ）

该地球化学区位于东部及北部平原区，区内大面积分布第四纪临沂组、黑土湖组和山前组，小面积沿弥河分布沂河组，另谭坊镇南部少量分布新近纪临朐群牛山组和尧山组玄武岩，土壤中B、Co、Cr、Cd、Cu、F、Ge、Hg、K、Mn、Ni、P、Pb、Se、V、Zn、全盐量、有机质等元素呈高背景，As、I、Mo、Ni等元素呈低背景。

根据元素组合的不同，将该区划分成3个地球化学亚区，分别为青州市区地球化学亚区、谭坊镇中南部地球化学亚区和谭坊镇北部至高柳镇一带地球化学亚区。各亚区分区特征如下：

（1）青州市区地球化学亚区（Ⅱ-1）

该地球化学亚区位于青州市区及周边，区内地质背景为第四系山前组和临沂组松散堆积物，成土母质为冲洪积物。土壤类型为砂姜黑土、洪冲积潮褐土和洪积褐土。土壤中Cd、Cu、Ge、Hg、Mo、P、Pb、Se、Zn、全盐量、有机质等元素呈高背景，I、K等元素呈低背景。

（2）谭坊镇中南部地球化学亚区（Ⅱ-2）

该地球化学亚区位于谭坊镇中部及南部，区内地质背景以第四系山前组为主，以新近纪临朐群牛山组和尧山组为辅。成土母质主要为冲洪积物和玄武岩的风化物。土壤类型为洪冲积潮褐土、洪积石灰性褐土、洪冲积淋溶褐土、暗泥淋溶褐土、基性岩类中性粗骨土。土壤中Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、P、V、Zn等元素呈高背景，As、B、K、Pb等元素呈低背景。

（3）谭坊镇北部至高柳镇一带地球化学亚区（Ⅱ-3）

该地球化学亚区位于谭坊镇北部至高柳镇一带，区内地质背景为第四系临沂组和黑土湖组，成土母质为冲洪积物。土壤类型主要为洪冲积潮褐土、洪积褐土、壤质潮土、粘质潮土、覆盖石灰性砂姜黑土、壤质脱潮土。土壤中B、F、Hg、K、P等元素呈高背景，Co、Cu、I、Mo、Ni、Pb等元素呈低背景。

4 结论

（1）本文首次查明了青州市表层土壤元素地球化学背景值，为政府科学决策和指导农业精准施肥提供了数据支撑。

（2）青州市表层土壤元素分布大多都比较均匀，只有Hg元素分布极不均匀，高值集中分布在青州市区及周边，应引起关注。

（3）青州市表层土壤元素背景值与潍坊市和山东省A层土壤均值比较，含量较高的指标有有N和有机质，而Se元素与潍坊相比含量也较高，且Se元素与N和有机质呈显著正相关，且青州富硒土壤多分布在南部山区，应结合南部山区的旅游资源，适时开发利用。而与全山东相比，明显偏低的为F，这可能与山东省是全国地方性氟中毒（简称地氟病）最为严重的病区省份之一有关。