山东省聊城市“聊茌东”都市区地球化学背景值研究

喻超，王英鹏，王增辉，蔡青，王红晋，任文凯

(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

2003—2016年，山东省通过4个1∶25万区域地球化学调查与评价项目实现了全省陆域范围全覆盖，这些调查成果在国家和省级层面取得了丰硕成果[1-11]。随后，为适应县域级应用需求，山东省在1∶25万区域地球化学调查成果的基础上，相继开展了多个县域范围的1∶5万大比例尺土地质量地球化学调查工作[12-18]。2019年，通过在山东省聊城市东昌府区、茌平区和东阿县开展的1∶5万土地质量地球化学调查，分析获取了各类重金属和营养元素指标共计28项，基于地质背景、土壤类型和行政区单元统计并研究了调查区地球化学背景及特征，并与2003年调查区获取的1∶25万土壤地球化学调查数据进行对比[11]，分析了其差异性。

1 概述

1.1 自然地理

“聊茌东”都市区，是以涵盖聊城市中心城区(东昌府区、经济开发区、高新区、旅游度假区)、茌平区和东阿县为中心所形成的城镇群，总面积约3173km2，本次调查范围包括山东省聊城市东昌府区、茌平县和东阿县，野外调查总面积2576km2(图1)。聊城市处于温带季风气候区，具有显著的季节变化和季风气候特征，属半干旱大陆性气候，年平均气温为13.5℃，近10年平均年降水量为578.7mm，全年最多风向为南风、偏南风，又以春季出现的频率最高，其次为北风、偏北风。

图1 研究区范围示意图

1.2 地质概况

调查区位于黄河下游流域，位于鲁西平原区，地势自西南向东北倾斜，地质背景比较单一，99.97%区域为第四纪地层沉积覆盖区。调查区自上而下主要发育有第四纪鱼台组、巨野组和单县组，占调查区面积的95.58%，另外第四纪黑土湖组和黄河组占调查区面积的4.39%，寒武纪九龙群炒米店组和三山子组仅占调查区面积的0.03%。聊城市境内地质构造属华北板块的一部分，聊考(聊城-兰考)断裂带又将全市分为2个二级构造单元，其西部为辽冀台向斜，东部为鲁西台背斜。辽冀台向斜中有2个三级构造单元，即临清坳陷区和鲁中隆起区；鲁西台背斜中有1个三级构造单元，即茌平凸起区。自西向东又分3个四级构造单元；馆陶凸起区、堂邑凸起区、东阿凹陷区。境内分布许多断裂，其走向一般呈NE向。较大的断裂为聊考大断裂，其次有堂邑断裂、茌平断裂、东阿断裂。另外，还有许多小断裂。

1.3 土壤类型

根据全国土壤普查暂行技术规程和《山东省第二次土壤普查土壤工作分类暂行方案》，区内土壤共分潮土、脱潮土、盐化潮土及草甸风砂土等共8种土壤类型。潮土是区内占比最大的土壤亚类，分布面积广泛，其次为盐化潮土和脱潮土，占比分别为55.65%，20.81%和15.13%，其余土壤类型面积占比均低于3%。

1.4 土地利用类型

调查区内土地利用类型多样，区内土体深厚，灌溉便利，因此农耕区面积较大，是重要的粮食作物产区，农用地大类占76.59%，其中耕地和园地(水田、水浇地、旱地、果园、其他园地)面积较大，占调查区面积的67.79%，以水浇地为主(67.24%)；水田和旱地面积仅占0.05%；果园和其他园地面积占0.51%；有林地面积占5.81%。建设用地面积占调查区的17.86%，未利用地占5.55%。

2 工作方法

2.1 样品采集

调查区土壤表层样品的布设以第二次全国土地调查1∶5万土地利用图斑为依据，以1∶5万的千米网格为参照控制布点密度，每个千米网格中每500m×500m小网格内至少布设一个土壤样点，土地利用方式复杂多样时，在主要的地类中进行样品布设。本次调查重点以农用地为主要调查对象，优先针对耕地、林地和园地，其次为建设用地和未利用地。土壤样点布设在地类中央，离主要路网至少100m，避免人为因素干扰。每个样点均在布设点位东南西北4个方向15～20m及中心点采集表层0～20cm深度土壤样品，各分样点等量采集组合成样，原始样重大于1000g。每个点位的土壤样品均经过通风阴干，并全部过10目尼龙筛，过筛后的土壤样品用“四分法”将250g待测样品装牛皮纸袋送实验室进一步样品前处理。整个调查区共采集表层土壤样品9497件。

2.2 样品分析

本次土壤样品测试指标包括As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Ge、Hg、I、Mn、Mo、Ni、P、Pb、S、Se、V、Zn、N、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、K2O、SOM、pH共计28项。样品分析测试由湖北省地质实验测试中心(国土资源部武汉矿产资源监督检测中心)完成。土壤样品采用等离子体发射光谱法、X射线荧光光谱法、发射光谱法、原子荧光光谱法、石墨炉原子吸收法、离子选择性电极法、催化极谱法、化学发射光谱法等配套方法测试。样品测试质量由中国地质调查局区域地球化学分析质量监督检查组进行监控，采用了标准样、密码样、监控样等多种监控手段，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。

3 地球化学背景值

土壤是在成土母质、气候、地形、生物和时间及人为活动等综合因素作用下形成的，这些因素始终是同时地、不可分割地影响着土壤的发生和发展，不可相互代替地参加了土壤的形成过程，制约着土壤的形成和演化，因而形成不同的化学元素区域背景。为了详细了解区内不同自然原始状态条件的土壤地球化学背景值的特点，土壤元素地球化学背景值统计按照全区、地质背景(成土母质)、土壤类型和行政区等4个不同单元统计了元素指标地球化学背景特征参数来研究土壤中的元素地球化学特征。

本文以调查区表层土壤(0～20cm)分析测试数据为基础，经过数据处理[1-2]和正态分布检验后统计获取的平均值为统计单元表层土壤元素地球化学背景值。将统计获取的背景值与参比区进行对比研究，K值是单元元素背景值与参比区(全省、全市、调查区)的比值，利用K值可比较出单元元素的相对富集或贫乏特点。这里定义比值<0.70时为明显偏低，比值在0.7～0.90时为略偏低，比值0.90～1.10时为接近(或相当)，比值在1.10～1.30时为略偏高，比值>1.30时为明显偏高，>2.0为显著偏高。变异系数是反映元素分布均匀程度的一个重要参数，变异系数<0.3，元素分布均匀；0.3≤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。

3.1 全区地球化学背景值

调查区表层土壤地球化学背景值统计见表 1。

表1 聊茌东调查区表层土壤地球化学背景统计特征值

调查区表层土壤地球化学背景值与聊城市[11]及山东省[11]表层土壤均值对比特征如下：

与全市土壤背景值相比(图2)，明显偏高的指标为I、SOM、P、N和S，略偏高的指标为Cd、Hg、Mo、F、Se、Mn、TFe2O3、Zn和Cu，基本接近的指标为B、Ni、Co、MgO、As、Pb、pH、CaO、Ge、K2O、SiO2、Cr、V和Al2O3。

与全省表层土壤均值相比(图2)，明显偏高的指标为P、I、CaO、Hg、S、SOM、N、Cd、As和MgO，略偏高的指标为B、F、Se、Mo、pH和Zn，基本接近的指标为TFe2O3、Mn、Ni、Cu、Cr、Ge、V、SiO2、Co、Pb、K2O，略偏低的指标为Al2O3。

图2 调查区表层土壤背景值与聊城市及山东省背景值比值

调查区表层土壤元素指标原始变异系数介于0.03～1.04之间。变异系数大于1的指标仅为Hg元素，变异系数在0.3～1.0之间的指标包括S、Se、I、Cd和P，数据离散程度较大，含量变化较大。变异系数小于0.3的指标为SOM、N、Cu、Zn、Pb、Mo、As、CaO、F、Ni、Co、Mn、Cr、V、MgO、B、TFe2O3、Al2O3、Ge、K2O、SiO2、pH，数据离散程度小，含量分布均匀。对原始数据采用均值±3倍标准离差离群值后，数据离散程度明显降低，变异系数介于0.027～0.39之间，I和Hg变异系数为0.39和0.30，其余指标变异系数均<0.3，原始数据和剔除离群值后数据的变异系数对比见图3。

图3 调查区表层土壤原始数据和剔除离群值后数据的变异系数对比

3.2 主要地质背景单元地球化学背景值

调查区表层土壤主要包含第四纪全新世巨野组、单县组、鱼台组、黄河组和黑土湖组。各母质单元土壤地球化学背景值统计特征见表2，由表2可知，不同成土母质单元中各元素指标的地球化学背景值存在一致性和差异性，不同单元之间指标的变异系数也有较大差异。各成土母质单元土壤地球化学背景值与调查区背景值对比特征如下：

单县组、巨野组和鱼台组成土母质单元表层土壤统计结果表明，3个成土母质单元元素指标地球化学背景值与全区背景值一致，各元素指标与全区统计结果比值均在0.9～1.1范围之内，说明元素指标在3种地质单元的背景值差异不明显。

黑土湖组单元表层土壤中I、N、SOM、Cd、Hg、P和S背景值与全区相比略偏低，与全区背景值相比，比值介于0.7～0.9之间，其中SOM背景值最低，是全区背景值的75%；As、B、Co、Cr、Cu、Ge、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、V、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、K2O和pH与全区基本一致，与全区背景值比值在0.9～1.1之间。

黄河组单元表层土壤中仅I元素明显偏低，背景值为全区背景值的69%；P、Hg、N、S、Se和SOM背景值与全区相比偏低，与全区背景值比值在0.7～0.9之间；As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Ge、Mn、Mo、Ni、Pb、V、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、K2O和pH背景值与全区基本一致，与全区背景值比值在0.9～1.1之间；CaO背景值与全区背景值比值为1.15，略偏高。

调查区主要由单县组、巨野组和鱼台组3种成土母质单元组成，此3种单元土壤指标背景值与全区一致；黄河组和黑土湖组面积占比相对较小，分布较少，元素指标背景值存在一些差异，差异指标主要为I、Hg、SOM、N、P和S等。从背景值统计中的变异系数来看，Hg和I在各成土母质单元中的变异系数均相对较高，黄河组中I、N、P、S、SOM变异系数均大于0.35，相对较大，说明这几个指标的含量变化相对较大。

3.3 主要土壤类型单元地球化学背景值

调查区分布有8种土壤类型，分别为草甸风沙土、草甸盐土、湿潮土、潮土、冲积土、碱化潮土、脱潮土和盐化潮土，最主要的分布类型为潮土、盐化潮土和脱潮土3种，面积占调查区的91.59%，其余土壤类型面积占比均低于3%，其中7种土壤类型统计量超过30件，统计结果见表2，不同土壤类型由于成土母质、土壤理化性质对元素产生迁移转化的影响，各元素的含量和变异系数具有较大差异。

续表2 主要土壤类型单元指标地球化学背景值统计特征

草甸风沙土单元中I、SOM、N、Cu、S、Hg背景值与全区相比明显偏低，与全区背景值比值低于0.7，最低的为I元素，是全区背景值的49%；Se、Ni、Cd、Co、B、Zn、Mo、As、TFe2O3、V、F、Mn、Cr、Pb和MgO背景值与全区相比略偏低，与全区背景值比值在0.7～0.9之间；Ge、P、Al2O3、CaO、K2O、pH和SiO2与全区基本一致，与全区比值在0.9～1.1之间。

草甸盐土单元中仅I元素略偏低，为全区背景值的80.8%；仅S元素略偏高，为全区背景值的1.1倍；其余指标与全区背景值基本一致，与全区比值在0.9～1.1之间。

脱潮土单元中仅I元素背景值略高于全区背景值，是全区背景值的1.18倍；其余元素或指标地球化学背景值与全区背景值大致相当，与全区背景值比值在0.9～1.1之间。

盐化潮土单元中仅I元素背景值略低于全区背景值，为全区背景值的88.9%；其余元素或指标地球化学背景值与全区背景值大致相当，与全区背景值比值在0.9～1.1之间。

潮土和碱化潮土单元中元素或指标地球化学背景值与全区基本一致，与全区背景值相比，比值均在0.9～1.1之间。

从不同土壤类型单元中元素的背景值与全区的比较来看，草甸盐土、潮土、碱化潮土、脱潮土和盐化潮土中绝大部分元素指标与全区一致，差异较小；草甸风沙土和冲积土单元中元素指标的背景值与全区差异明显。

3.4 行政区单元地球化学背景值

为了满足地方对环境评价及农业生产等各方面的需要，分析研究各县(区)土壤地球化学背景值状况，分别按县(区)行政区域进行了土壤地球化学背景值的参数统计(表3)。

表3 主要成土母质单元土壤指标地球化学背景值统计特征

与整个调查区土壤地球化学背景值对比，东昌府区和茌平区土壤元素或指标地球化学背景值与全区基本一致，其指标地球化学背景值与全区背景值比值均在0.9～1.1范围之内；东阿县P和I元素背景值相较全区略偏低，与全区背景值比值在0.7～0.9之间；CaO略偏高，为全区背景值的1.12倍，其余指标与全区基本一致，比值在0.9～1.1范围之内。总体而言，3个行政区的元素指标地球化学背景值大体相当，东阿县仅少量指标出现轻微差异。

从各指标的变异系数来看，原始数据中东昌府区和茌平县Cd、Hg、I、S、Se，东阿县Hg和I指标变异系数相对较大，含量变化相较其他指标明显，其余指标的变异性在3个行政区均相对较小，变异系数小于0.4。地球化学背景值统计剔除后，各指标变异系数均小于0.4，3个区均表现为Hg和I元素的变异系数最大，背景含量变化相对其余指标略明显。

以上统计特征分析表明，东昌府区和茌平县土壤元素地球化学背景特征基本一致，东阿县总体与全区大致相当，少量指标存在些许差异(表4)。

表4 主要行政区单元土壤指标地球化学背景值统计特征

4 结论

(1)相对聊城市和全省背景表层土壤的背景情况而言，调查区各指标背景值表现为大致相当或偏高为主；全区 SOM、N、Cu、Zn、Pb、Mo、As、CaO、F、Ni、Co、Mn、Cr、V、MgO、B、TFe2O3、Al2O3、Ge、K2O、SiO2和pH数据离散程度小，含量分布总体均匀；Hg、S、Se、I、Cd和P数据离散程度较大，含量变化较大。

(2)调查区单县组、巨野组、鱼台组成土母质单元各指标背景值与全区基本一致；黄河组和黑土湖组存在差异，这些存在差异的指标主要为I、Hg、SOM、N、P和S等，相较全区背景偏低。从背景值统计中的变异系数来看，Hg和I在各成土母质单元中的变异系数均相对较高；黄河组中I、N、P、S、SOM含量变化相对较大。

(3)调查区草甸盐土、潮土、碱化潮土、脱潮土和盐化潮土中绝大部分元素指标与全区一致，差异较小；草甸风沙土和冲积土单元中元素指标的背景值与全区差异明显，大量指标背景值偏低。

(4)东昌府区、茌平区和东阿县表层土壤各指标背景值仅东阿县仅P和I略偏低，CaO略偏高，其余指标在三区基本一致，与全区大致相当。