青州市南张楼村土地质量地球化学特征及特色土地资源评价
2022-02-18姜冰张海瑞刘阳葛胜潭郝志文张洪滨
姜冰，张海瑞，刘阳，葛胜潭，郝志文，张洪滨
(山东省第四地质矿产勘查院，山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室，山东 潍坊 261021)
0 引言
土地是社会经济可持续发展的重要资源和保障，其作用不但取决于数量，而且取决于质量，是确保粮食生产能力和粮油农产品安全的重要基础保障[1-3]。近年来山东省已完成了1∶25万比例尺生态化学地质调查[4-7]，又在此基础上开展了一些地级市范围内的1∶5万土地质量地球化学调查评价[8-9]和相关推广应用工作研究[10]，而本次村级大比例尺的土地质量调查评价工作尚属首次，对土壤养分、土壤环境及土壤质量进行了综合评价，并发现了耕地富硒、富锗、富锌等特色土地资源，为发展绿色农业、开发特色土地资源、支持乡村振兴打下坚实基础，也为持续推进土地质量调查评价比例尺由小到大系列性工作起到示范作用。
1 研究区概况
南张楼村是青州市何官镇最大的行政村，面积5.69km2，属北温带亚湿润大陆性季风气候区，冬冷夏热，年均蒸发量1530mm，年均降水量650mm。地貌属冲洪积平原，覆盖第四纪全新世黑土湖组灰褐色粉砂质粘土。土壤类型以砂姜黑土为主，西北部小范围潮土。地表无水系，地下水类型属冲洪积层孔隙潜水、承压水。土地利用类型以耕地为主，耕地类型为水浇地(图1)，表层土壤为碱性，pH背景值为8.14。
1—水浇地；2—果园；3—乔木林地；4—其他林地；5—其他草地；6—商服用地；7—工业仓储用地；8—农村宅基地；9—机关团体新闻出版用地；10—广场用地；11—科教文卫用地；12—特殊用地；13—公路用地；14—城镇村道路用地；15—交通服务场站用地；16—农村道路；17—坑塘水面；18—沟渠；19—设施农用地；20—表层土壤取样位置图1 研究区土地利用类型及取样点位
2 材料与方法
2.1 样品采集及加工
表层土壤样品采集于耕地内，采样介质为地表至20cm的表层土，共计198件样品，面积性采样密度为34.80件/km2(图1)。以GPS定位点为采样点中心，向四周辐射10～20m确定分样点，4～6个子样等份组合成一个不少于2kg的混合样，挑出杂物。将混合样均匀分为2份样品，一份作为新鲜样品直接用塑料袋密封送交实验室测定Hg、As元素；另一份装入干净布袋，置于通风阴凉处的样品架上自然风干，然后经木棍压碎全部过2mm孔径尼龙筛，混匀后取不少于500g移交实验室测定其他元素和指标。
2.2 样品处理与测试
样品测试分析由山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室完成。根据《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》[11]，电感耦合等离子体质谱法测定Cd，X射线荧光光谱法测定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、P、K，原子荧光光谱法测定As、Hg，酸碱容量法测定N，离子电极法测定pH。测试数据结果通过专家验收，达到规范要求。
2.3 数据处理
利用EXCEL软件，对数据进行处理，计算元素地球化学背景值，反复剔除平均值加减3倍标准差的离散值后，以算术平均值作为背景值。
2.4 评价指标与方法
2.4.1 评价单元及赋值
以最新的土地利用现状图斑作为评价单元，评价单元的界限与地块界限一致，评价结果便于土地利用现状结构的调整和基层生产单位的应用。一个评价单元中有2个以上数据时，用平均值进行赋值；评价单元中没有数据时，用反距离权重插值法赋值。
2.4.2 土壤养分评价
根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[12]，土壤养分评价首先进行N、P、K的单指标评价(等级划分标准见表1)。
表1 土壤养分指标N、P、K等级划分标准
根据N、P、K的权重系数ki(kN=0.4，kP=0.4，kK=0.2)，计算土壤养分地球化学综合得分f综，见公式(1)。
(1)
式中：fi为N、P、K单指标评价得分，单指标评价结果五等(缺乏)得分1，四等(较缺乏)得分2，三等(中等)得分3，二等(较丰富)得分4，一等(丰富)得分5。土壤养分地球化学综合等级划分含义与图示见表2。
表2 土壤养分地球化学综合等级划分表
2.4.3 土壤环境评价
选取As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Cu、Zn等8种土壤重金属元素作为评价指标进行土壤环境评价[13-14]。根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)[15]规定的土壤污染风险筛选值和管制值(表3、表4)，根据表5划分界限首先进行重金属元素的单指标评价，Ci为土壤重金属元素i的实测浓度，Si为重金属元素i的风险筛选值，Gi为重金属元素i的风险管控值。土壤环境地球化学综合等级评价采用“短板原则”，即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。
表3 农用地土壤污染风险筛选值
表4 农用地土壤污染风险管制值
表5 土壤环境地球化学等级划分界限
2.4.4 土壤质量综合评价
结合《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中的土壤养分地球化学综合等级评价，以及《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)中的土壤环境地球化学综合等级评价，叠加形成土壤质量地球化学综合等级评价(表6)。
表6 土壤质量地球化学综合等级表达图示与含义
2.4.5 特色土地资源评价
耕地作为人类赖以生存的基本资源，作物收获主要来源于耕地，在富硒、富锗、富锌等特色土地资源开发应用方面，评价耕地更具有实际意义。硒、锗、锌均是人体必需的微量元素，硒能改善人体免疫力,提高人体抗癌能力,抑制重金属毒性[16]；锗对人体具有脱氢富集氧、清除自由基、抗衰老抗氧化、排毒养颜、凉血止血以及抗肿瘤活性等生物活性[17-18]；锌对人的身体和智力发育至关重要，同时影响脑细胞的生长[19]。
《天然富硒土地划定与标识(试行)》[20]中，按土壤酸碱度不同划定了不同的土壤富硒阈值，王惠艳等人根据耕作方式的差异提出了适用全国的富硒阈值[21]，结合相关标准、文献及研究区实际情况，本文按表7划分富硒土地。
表7 富硒土壤划分标准
目前国内和山东省内没有发布统一的富锗、富锌土壤评价标准，本文按《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中锗、锌等级划分标准的二等(较丰富)下限值作为富锗、富锌阈值(表8)。
表8 富锗、富锌土壤划分标准
3 评价结果
3.1 元素地球化学特征参数描述性统计
表9列出了各评价指标的含量参数。变异系数(CV)的高低反映重金属的离散程度，变异系数越大，空间分布差异性越大，CV≤0.16表示弱变异，0.16
表9 研究区表层土壤重金属含量统计
3.2 土壤养分评价结果
客观评价土壤养分现状，摸清土壤肥力水平，对于指导科学合理施肥十分必要[24]。研究区土壤养分单指标评价结果见图2。土壤N以中等、较缺乏为主，面积分别占比44.25%和49.68%，其次是缺乏，面积占比5.64%，丰富和较丰富土壤面积占比很小。土壤P以丰富为主，面积占比95.26%，施肥水平高，较丰富、中等和较缺乏土壤面积占比很小，无缺乏土壤分布。土壤K在研究区内含量稳定，仅存在中等和较丰富土壤，面积占比分别为63.12%和36.88%。土壤N主要受有机质和生物固氮能力影响[25]，所以研究区内应针对性增施N肥和有机肥。
图2 研究区土壤养分单指标评价等级面积占比图
土壤养分地球化学综合等级显示(图3)，研究区以较丰富和中等土壤为主，面积占比分别为61.68%和36.43%，丰富和较缺乏土壤面积占比较小，无缺乏土壤分布。
1—丰富；2—较丰富；3—中等；4—较缺乏图3 研究区土壤养分地球化学综合等级图
3.3 土壤环境评价结果
研究区土壤较清洁，污染较小，仅存在Zn元素的单指标污染风险，污染风险为风险可控，面积占比仅为0.19%，其他元素污染风险均为无风险。土壤环境地球化学综合等级显示，风险可控土壤仅在研究区北部小面积分布，面积占比0.19%，土地利用类型为其他林地，对周边大面积耕地没有影响，该处附近有面粉加工厂、铸造厂等几家企业，显然是受到了人类活动的影响。土壤环境评价结果反映研究区土壤环境质量优良，为该区发展绿色农业奠定了基础。
3.4 土壤质量综合评价结果
土壤质量地球化学综合等级显示，研究区土壤质量较好，以一等(优质)和二等(良好)为主，面积占比分别为61.51%和36.54%，三等(中等)占比较小，仅为1.95%，无四等和五等土壤。从空间分布看，土壤质量综合评价等级分布与土壤养分综合评价等级分布特征相似，研究区内土壤质量综合等级主要受控于养分综合等级。结果表明，研究区土壤环境清洁，养分较为丰富，非常适宜于农业生产。
3.5 特色土地资源评价结果
研究区内土壤质量总体优良，为开发天然富硒、富锗、富锌土地提供了基础条件，开发特色土地资源为实现改变传统农业发展方式、提高农业综合生产能力、增加农民收入具有重要意义。
3.5.1 富硒土壤
本次研究发现耕地富硒土壤面积0.08km2，分布于研究区北部，占耕地总面积的1.84%；耕地足硒土壤面积为3.83km2，分布范围广泛，占耕地总面积的91.65%，表明研究区属足硒区；耕地硒较缺乏土壤面积0.27km2，占耕地总面积的6.51%(图4)。
1—富硒；2—足硒；3—较缺乏图4 研究区耕地硒地球化学等级图
3.5.2 富锗土壤
研究发现耕地锗较丰富土壤面积0.93km2，相对成片分布于研究区东部和西部，占耕地总面积的22.24%；耕地锗中等土壤面积3.01km2，占耕地总面积的71.83%；耕地锗较缺乏、缺乏土壤面积较小，分别占耕地总面积的5.41%和0.53%(图5)。结合富锗阈值，圈定耕地富锗土壤0.93km2，分布相对集中，有利于后续的特色土地资源开发。
1—较丰富；2—中等；3—较缺乏；4—缺乏图5 研究区耕地锗地球化学等级图
3.5.3 富锌土壤
研究发现耕地锌丰富土壤面积0.59km2，研究区东部分布相对集中，占耕地总面积的14.08%；耕地锌较丰富土壤面积3.02km2，占耕地总面积的72.02%，占比最大；耕地锌中等土壤面积0.55km2，占耕地总面积的13.11%；耕地锌较缺乏土壤面积较小，仅占耕地总面积的0.78%(图6)。结合富锌阈值，圈定耕地富锌土壤3.61km2，占耕地总面积的86.10%，表明研究区耕地富锌土壤资源丰富，具有开发天然富锌产业良好的基础条件。
1—丰富；2—较丰富；3—中等；4—较缺乏图6 研究区耕地锌地球化学等级图
4 结论
(1)研究区土壤养分总体水平较好，单指标土壤N相对缺乏，可针对性增施N肥，土壤养分地球化学综合等级以较丰富和中等为主，面积占比分别为61.68%和36.43%。土壤环境清洁，土壤环境地球化学综合等级以无风险为主，面积占比99.81%，小面积的风险可控是由于单指标Zn元素含量超过土壤污染风险筛选值，其土地利用类型为其他林地，对农业生产没有影响。土壤质量优良，土壤质量地球化学综合等级以一等和二等为主，面积占比分别为61.51%和36.54%，非常适宜于农业生产。
(2)研究发现耕地富硒土壤0.08km2，富锗土壤0.93km2，富锌土壤3.61km2，富硒、富锗、富锌土壤是研究区发展现代特色农业的重要土地资源。建议以特色土地资源的开发作为乡村振兴战略的突破口，发展绿色、特色、高附加值农业。
