济南市土壤地球化学背景值及环境质量评价

王红晋，郭艳，任文凯，喻超

(1.山东省地质调查院,山东 济南 250014; 2.山东省土地质量地球化学与污染防治工程技术研究中心,山东 济南 250012)

0 引言

随着工业化进程的逐渐加快，人类也在面临着环境恶化、资源枯竭等一系列严峻问题，土地是保障人类生存最基本的资源，协调好人地关系，保持土地资源可持续利用是当务之急，因此，对土地质量进行精确评价，确定土地质量等级对提高土地利用效率具有现实指导意义。自2003年开始，山东省历时15年，实现了全省陆域范围1∶25万多目标区域地球化学调查全覆盖[1-5]，本次研究所用数据均来源于该成果。济南市作为黄河下游流域的中心城市，对其进行土壤质量地球化学评价研究具有重要意义。

1 研究区概况

济南位于山东省中西部，华北平原东南部边缘，南依泰山，北跨黄河，地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲击平原的交接带上，总面积10244.45km2(图1)。地势南高北低，呈现由南向北依次为低山丘陵、山前冲积—洪积倾斜平原和黄河冲积平原的地貌形态。大地构造处于华北板块的华北拗陷区的济阳坳陷和鲁西隆起区之鲁中隆起的衔接地带。北部为济阳坳陷、淄博-茌平坳陷，南部为鲁中隆起，属向N倾斜的单斜构造。地层南老北新，南部以古生代石灰岩为主，北部以新生代松散堆积物为主。土壤类型有棕壤、褐土、潮土、沙姜黑土、水稻土、风砂土6 种土类，其中以棕壤、褐土两大土类为主。土地利用类型主要有水田、水浇地、旱地、果园、有林地、其他林地、其他草地、城市建设用地、交通用地、水面、滩涂和其他土地等。

1—省界；2—地市界；3—河流；4—研究区位置

2 工作方法

2.1 样品采集与分析

土壤表层样品采样深度为0～20cm，按1点/km2的采样密度进行采集，4 km2组合成一个分析样；共分析测试2543件。全量分析Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、La、Li、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、Rb、Sb、Sn、Sr、Th、Ti、U、V、W、Y、Zn、Zr、Ge、Ce、Tl、Se、Ga、Sc、Cl、Br、I、N、C、S、OrgC、K2O、MgO、CaO、Al2O3、TFe2O3、SiO2、Na2O、pH等54项指标，测试工作由湖北省地质实验测试中心完成。以国家一级土壤标准物质进行准确度和精密度监控，按比例随机检查和异常点抽查进行样品分析质量监控，以重复分析来评定采样和分析误差是否对区域地球化学变化有显著影响，保证了分析质量的可靠性[6]。

2.2 背景值计算方法

土壤元素地球化学背景值是指经过自然改造和人为活动(第II环境)所形成的区域表层土壤元素的含量值，是第I环境和第II环境共同作用的结果，一方面其与土壤基准值有着密切的继承关系，总体受土壤基准值的控制，同时由于长期的风化、淋滤等自然作用以及人类生产生活等人为活动的改造影响，表层土壤地球化学特征会发生一定的变化，致使其与土壤基准值存在一定的差异[7-13]。

济南市土壤地球化学背景值的计算依据《数据的统计处理和解释正态性检验》(GB/T 4882—2001)，首先对数据频率分布形态进行正态性检验[7-20]。当统计数据服从正态分布时，用算术平均值代表背景值，算术平均值加减2倍的算术标准偏差代表背景值的变化范围；服从对数正态分布的数据，用几何平均值代表背景值，几何平均值乘除几何标准偏差的平方代表背景值的变化范围；不服从正态分布的数据，按照算术平均值加减3倍算术标准偏差或几何平均值乘除几何标准偏差的立方进行剔除，反复剔除后数据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，算术平均值加减2倍算术标准偏差或几何平均值乘除几何标准偏差的平方代表背景值的变化范围。反复剔除后仍不满足正态分布或对数正态分布时，若呈偏态分布，以众值或平均值代表背景值；若呈双峰或多峰分布时，以中位值或平均值代表背景值。

3 土壤元素地球化学背景值

济南市表层土壤元素地球化学背景值参数统计见表1。

表1 表层土壤地球化学含量特征参数统计表

(1)济南市表层土壤背景值与山东省土壤平均值(A层)相比(图2)，C和CaO指标含量明显偏高，分别是山东省土壤元素平均值的1.21和1.20倍；As、B、Bi、Li、Se、OrgC指标含量偏高，Sr元素含量偏低，其余元素与全省土壤元素背景值含量相当。与全国土壤A层相比，Cd、Cr、Cu、F、Ni、Sn、MgO、CaO、Na2O、pH为全国土壤A层丰度的1.14～1.92倍，其中，CaO、Cd含量分别是全国土壤丰度的1.88和1.54倍，Ag、Hg、Mo、Sb、W、Se、I、OrgC背景值是全国丰度的52%～74%，多为植物生长所需的有益元素，应引起重视。

1—山东省土壤元素背景值；2—全国土壤元素背景值

(2)济南市原始数据变异系数介于0.09～3.61之间，变异系数大于1的指标为Hg、Sb和Cl元素，数据离散程度较高，含量变化大，特别在人口密集的市区含量偏高；变异系数在0.3～1.0之间的指标包括Ag、Bi、Cd、Cr、Cu、Au、Ni、P、Pb、Sn、Th、W、Zn、Se、Br、I、C、S、OrgC、CaO等指标，数据离散程度较高，含量变化较大；变异系数小于0.15的指标包括Nb、Ti、Y、Ge、Al2O3、SiO2、K2O和pH，数据离散程度较小，含量分布均匀。对原始数据剔除均值±3倍标准离差外离群值后，数据离散程度明显降低，变异系数介于0.04～0.46之间。

(3)济南市行政区划在2019年进行了变动，变动前后的土壤元素背景值也随之发生了变化[10]，其中Be、Rb、Th、Tl、Se、Ga、Al2O3、Na2O等指标背景值明显升高，As、B、Hg、P、Cl、Br、C、S、Sb、MgO、CaO等指标背景值下降，其他指标变化不大。

4 土壤质量地球化学综合分级

4.1 分级依据及方法

首先对研究区的表层土壤进行土壤养分和土壤环境质量地球化学综合等级划分，然后参照表2对土壤养分地球化学综合等级与土壤环境质量地球化学综合等级进行叠加，最终得出土壤质量地球化学综合等级。

表2 土壤质量地球化学综合等级表达图示与含义

4.2 评价结果

评价结果显示(图3)，济南市表层土壤质量总体较好，优质、良好和中等之和占研究区总面积的99.76%，其中，占比最高的为良好土壤，面积为6034.74km2，占济南市总面积的58.91%，主要分布在商河、济阳、章丘、平阴和主城区的部分地区；优质土壤面积为3020.96km2，占29.49%，主要分布在商河南部、济阳北部、章丘区和市区东南部；中等区土壤分布面积为1163.72km2，占11.36%，主要分布在莱芜区、钢城区和济南城区和东南部，其他地区零散分布，城区东南部Cd、Cr、Cu、Ni含量较高与基岩区的高背景值有关，其他地区与人类生产生活活动有关；差等土壤分布面积最少，面积为24.59km2，占0.24%，主要分布在市区化工厂、热电厂和钢铁煤矿企业附近(图4)，污染元素主要为Hg、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb，这与这些企业工业燃煤和粉尘、废水、废渣排放密切相关。

1—优质；2—良好；3—中等；4—差等

1—无风险；2—风险可控；3—风险较高

5 结论

(1)与山东省土壤平均值(A层)相比，C和CaO指标含量明显偏高，分别是山东省土壤元素平均值的1.21和1.20倍；As、B、Bi、Li、Se、OrgC指标含量偏高，Sr元素含量偏低，其余元素与全省土壤元素背景值含量相当；与全国土壤A层相比，Cd、Cr、Cu、F、Ni、Sn、MgO、CaO、Na2O、pH为全国土壤A层丰度的1.14～1.92倍，其中，Cd含量是全国土壤丰度的1.6倍，Ag、Sb、W、Se、I、OrgC背景值是全国丰度的52%～74%，多为植物生长所需的有益元素，应引起重视。

(2)济南市原始数据变异系数大于1的指标为Hg、Sb和Cl元素，数据离散程度很高，含量变化大；变异系数在0.3～1.0之间的指标包括Ag、Bi、Cd、Cr、Cu、Au、Ni、P、Pb、Sn、Th、W、Zn、Se、Br、I、C、S、OrgC、CaO等指标，数据离散程度较高，含量变化较大，受人为活动污染影响，城镇土壤明显富集重金属、OrgC、N、P等指标，同时由于燃煤和金属冶炼作用，城镇周边也会富集Se、TFe2O3等。

(3)济南市表层土壤质量总体较好，优质、良好和中等之和占研究区总面积的99.76%，中等和差等土壤主要分布在莱芜区、钢城区和济南城区的化工厂、热电厂和钢铁煤矿企业附近，污染元素主要为Hg、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb，这与这些企业工业燃煤和粉尘、废水、废渣排放密切相关，有关部门应引起重视。