青海门源县土壤质量地球化学评价

刘庆宇，马 瑛，程 莉

(1.青海省第五地质勘查院，青海西宁 810099；2.青海省地质矿产测试应用中心，青海西宁 810000)

0 引言

土地质量地球化学调查工作是一项涉及地质学、地球化学、农学、环境学、生态学、动植物营养学等多学科多领域，服务于公众的系统工程。它包括土地质量地球化学调查、区域生态地球化学评价、局部生态地球化学评价、土地质量地球化学评估和综合研究等。土地质量地球化学调查已经在协调经济发展和保护环境，开发名优特产品，打破贸易技术壁垒，建立生态保护体系及为政府规划决策提供依据等许多方面均取得了丰硕成果。

2004年～2020年，青海省已完成1:25万土地质量地球化学调查31900 km2，前期项目优先选择在农业发达、耕地分布相对集中的西宁、平安、乐都、循化、化隆等地区开展，调查范围主要集中在湟水河流域和黄河谷地，2016年开始在门源县地区开展土地质量地球化学评价工作。门源县属于祁连山脉地区，产业结构为农业与牧业并重，林草地是该地区重要的畜牧业资源基地，门源县也是青海省首次在林草地区试验开展土地质量地球化学调查评价工作，对青海省东部农牧业的发展、区域产业规划、生态环境保护等具有重要意义，也为青藏高原林草地区开展土地质量地球化学调查提供科学的方法技术及成果借鉴。

1 研究区概况

门源回族自治县位于青海省东北角，属于祁连山脉东部，隶属海北州管辖。县内以山地为主，占比大于80%，南北两侧分别为属于祁连山脉的达坂山和冷龙岭，大通河自西向东贯穿全县境内，地形地貌变化复杂，全县平均海拔高度在2800 m以上。气候具有日照长、太阳辐射强、日夜温差大等特点，属于高原大陆性气候，全年平均气温不到1 ℃，无绝对无霜期。门源地区主要的土壤类型有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、灰褐土、黑钙土、栗钙土等(青海省农业资源区划办公室，1997)。门源县土地利用类型主要包括水浇地、旱地、林地、草地以及较难利用的裸地、沙地、裸岩及沙地等(曾永年等，2012)。全县主要耕种的农作物以小油菜、青稞为主(李玉虹，2019)，特色经济作物为蕨麻、甘蓝、甜菜等，畜牧业以养殖牛羊为主。

2 采样与方法

2.1 样品采集与处理

2016年6月～10月，在门源县境内完成表层土壤样采样工作，执行中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T0258-2014)要求(奚小环等，2014；张立等，2020)，在1:50000地形图上套合二调图斑图，根据图斑图对点位进行布设(吴永强等，2018)。采样原则为“大图斑优先，耕地图斑优先”，表层土壤采样基本密度为1个点/km2。样品采样深度为0～20 cm，原始土壤样品重量大于1 kg，采样中全程使用GPS定点，并填写记录卡，用红油漆或红布条标记，通过防污、晾晒、过筛、称重，按偶数方里网为界(2 km×2 km)，按4 km2大格单元由等重量组合成1件分析样品，组合完成分析样784件，分析样点位图见图1。

图1 青海省门源县地区表层土壤样组合点位分布图

2.2 检查项目与分析方法

本次样品分析测试由安徽省地质实验研究所(国土资源部合肥矿产资源监督检测中心)承担完成。依据中国地质调查局《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-05)要求(叶家瑜等，2005)，土地质量地球化学调查土壤样品需要分析测试54项元素和指标(邓宾等，2016)，使用的分析方法和检出限均能满足中国地质调查局地质调查技术标准《规范(DZ/T0258-2014)》、《规范(DD2005-03)》的要求。土壤样测试中每个批次都插入国家一级标准物质进行控制精密度和准确度(李欢等，2021；王乔林等，2021；张锡贵等，2021)，确保样品分析质量，合格率为100%，测试的各元素和指标的一次报出率均为100%。本次全部测试数据通过中国地质调查局西安地质调查中心专家组验收，被评为优秀级。

2.3 土壤地球化学等级划分

按《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)要求(杨忠芳等，2016)对研究区土壤养分地球化学等级进行划分，土壤养分评价包含必需大量元素(氮、磷、钾)和有益微量元素(硼、铁、钒、锗、铜、锌、钼、锰、有机质等)，单指标土壤养分等级划分按《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)中国家级土地质量养分等级划分标准进行评价(郑雄伟等，2020)。土壤养分地球化学综合等级由大量必须元素氮、磷、钾三种元素计算得出，土壤养分地球化学综合得分f养综由公式(1)计算得出：

(1)

公式(1)中，f养综为土壤中必须大量元素(N、P、K)评价总得分(丁兆举等，2018)，1≤f养总≤5；ki为权重系数，N和P权重系数0.4，K权重系数是0.2；fi为三个元素(N、P、K)单元素养分等级得分(付嵩等，2018；刘亮等，2020)。5等对应的fi得分为1分，4等对应的fi得分为2分，以此类推，1等对应的fi得分为5分，Se元素按《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)中等级划分标准进行等级划分(贾三满等，2020)。

土壤环境地球化学等级划分先通过划分土壤中8项重金属(Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni)和土壤pH值单项土壤环境等级(贾黎黎等，2017)，在单项土壤环境地球化学等级划分基础上，采样“一损俱损”的方式评价土壤环境地球化学综合等级，8项重金属单指标划分出的环境等级最差的等级即土壤环境地球化学综合等级(刘军保等，2010)。如某个评价单元的8项重金属划分出的单指标环境地球化学等级为7个1等和1个5等，该评价单元的土壤环境地球化学综合等级为5等。

土壤pH分级标准按《土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295—2016)》中土壤酸碱度分级标准划分，土壤有害元素按照公式(2)，计算土壤污染物i的单项污染指数Pi：

Pi=Ci/Si

(2)

公式(2)中，Ci为土壤中八项重金属指标i的实际测试数值(肖高强等，2021)；Si为8项重金属i在GB15618《中国土壤环境质量标准》中给出的二级标准值(夏家淇等，1995；赵传东等，2003；郭莉，2017；刘国栋等，2017)。

2.4 土壤综合等级划分

由各评价单元的土壤养分地球化学综合等级和土壤环境地球化学综合等级叠加来划分土壤质量地球化学综合等级(鲍丽然等，2018；刘国栋等，2020)，评价结果进行叠加分等(具体分级标准见表1)。

表1 土壤质量地球化学综合等级

3 结果与讨论

3.1 土壤养分地球化学评价

为方便对门源县地区土壤质量进行评估，以4 km2为评估单元按实际取得的测试数据进行了数据处理，并制作了系地球化学评价等级图件①。土壤养分依其丰缺程度及供应能力直接影响作物的生长发育和产量，土壤的肥力决定着作物产量的高低及品质的优劣。而土壤内有机质和全氮含量对土壤的物理、化学及土壤肥力有重要作用(范薇等，2019)。研究区土壤有机质的平均含量为75.9 g·kg-1，变化范围为10.3～207.4 g·kg-1；总体上有机质含量高，丰富、较丰富面积占95.2%，较缺乏面积仅占1.1%；从空间分布来看，研究区南北两侧山区有机质含量相对较高，中部盆地及低山丘陵区有机质含量相对偏低；土壤全氮量通常用于衡量土壤内氮素的基础肥力(贺灵等，2016)。研究区全氮含量跨度大，含量从0.43～ 9.73 g·kg-1不等，平均值为4.29 g·kg-1，土壤全氮量分布规律明显。研究区仙米林场至大阪山一带，土壤全氮含量丰富、较丰富土壤占比97.19%(见表2)，东川镇至泉口镇一带黄土覆盖低山丘陵区氮含量较低，面积占比2.68%；研究区土壤全磷含量较丰富，其分布与土壤全氮分布趋势一致，其中土壤全磷含量丰富、较丰富面积约占89.16%；研究区土壤全钾含量丰富，一、二级土壤面积约占调查区的97.12%，三级适中区域占总面积的2.68%，无含量较缺乏或缺乏的四级和五级土壤。微量元素中Fe、V、Mo、Mn、Cu、Zn丰富至中等土壤占比均大于90%，Ge较缺乏、缺乏占53.3%，B较缺乏、缺乏占29.5%，二者分布范围近似，在黑峡口至达龙一带。

表2 土壤养分指标评价结果统计表

从土壤养分地球化学综合等级图(图2a)中可以看出，门源县地区土壤养分整体属于丰富或较丰富，一、二等养分充足区域面积占99.1%，仅在孔家庄和上铁迈地区显示养分中等，本地区养分无缺乏或较缺乏的四、五等土壤。

3.2 土壤环境质量地球化学评价

3.2.1 土壤酸碱度评价

研究区土壤pH值从强酸性-强碱性都有分布(图2b)，平均值为7.7，以碱性土壤为主，占64.2%，强碱性占2.6%，中性占27.7%，酸性占5.5%，中酸性土壤主要分布在达坂山近脑山区，无强酸性土壤。

图2 表层土壤养分综合等级空间分布图(a)和pH综合等级空间分布图(b)

3.2.2 土壤重金属单指标及土壤环境综合评价

土壤环境指标主要是指对植物的生长发育和人体健康直接或间接有害的元素和指标(于成广等，2012)，主要包括Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等有害元素。其中Cu和Zn元素在含量水平较低时，是作物的有益元素，当含量超过一定值时，则是有害元素(王文俊，2014)，因此这些元素对于作物生长具有双阈值。查清这些元素的含量范围、赋存状态和影响因素对于保证粮食品质安全生产具有重要的指导意义。研究区土壤环境总体指标优良，仅有Cd、As、Cu、Ni个别样品显示轻微污染或轻度污染。Cd轻微污染区占1.3%(见表3)，均分布在大阪山区，人迹罕至，是地质背景致使；As轻微污染和轻度污染区占3.8%，分布在冷龙岭盘坡一带，无密集人类活动，是地质背景异常；Cu二等至五等土壤占比1.1，均分布在红沟铜矿附近，可能为采矿形成的污染；Ni轻微污染区占比2.9%，分布范围与As轻微污染区重叠，明显受地质背景影响。

表3 土壤环境指标评价结果统计表

在单指标土壤环境地球化学等级划分基础上，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(刘春英等，2020)。研究区土壤环境较好(图3a)，一等清洁土壤面积比例达到92.6%；二等、三等轻微污染及轻度污染土壤面积比例仅占7.0%，零星分布在研究区；五等重度污染土壤分布在红沟铜矿附近，占比0.4%。

3.3 土壤质量地球化学综合评价

土壤质量地球化学综合等级由评价单元的土壤养分地球化学综合等级与土壤环境地球化学综合等级叠加产生(刘文辉等，2013；单承恒等，2019)。从土壤质量综合地球化学等级图(图3b)上可以看出：研究区一、二等优良土壤占比达到93.2%，广泛分布于全区；差等和劣等的四、五等污染土壤面积比例仅占1.2%，主要分布在红沟铜矿区附近；三等土壤主要沿大阪山和冷龙岭分布，占比5.6%。

图3 表层土壤环境综合等级空间分布图(a)和土壤质量综合等级空间分布图(b)

3.4 土壤硒评价

硒可以调节人体内蛋白质和核酸代谢，促进RNA和DNA合成，能调节身体对维生素吸收与消耗，缺硒将直接导致40多种疾病的发生。人体的健康与硒密不可分，硒是决定人类生命最重要的微量元素之一(郦逸根，2005；王刚等，2018)。本次土壤硒评价表明，研究区内适量土壤占89.8%(见表4)，边缘和缺乏土壤共占5.5%，富硒土地面积占4.7%，约148 km2,位于浩门农场、瓜拉煤矿及铁迈煤矿附近，为门源县地区特色富硒土地资源开发利用，发展特色富硒农牧业奠定了良好基础(马强等，2012)。目前青海省地矿局结合前期成果，已经启动建设门源地区(浩门农场)富硒种养殖试验示范基地，优选适合门源地区种植且具有开发潜力的特色农畜产品，为门源县民生地质、扶贫攻坚和乡村振兴提供科技支撑。

表4 土壤硒含量评价指标结果统计表

4 结论

(1)研究区内土壤养分整体属于丰富或较丰富，一、二等养分充足土壤面积占99.1%，氮、钾和有机质等含量丰富，仅磷显示养分中等、占比面积较大。为持续保持好本地区土壤养分，建议耕种阶段适量多施磷肥，以满足现代农业生产的需要。

(2)研究区内土壤环境地球化学综合质量总体较好，一等环境清洁土壤面积比例达到92.6%；二等、三等土壤零星分布，多受地质背景影响；五等重度污染土壤仅在红沟铜矿附近，受采矿影响，占比0.4%。

(3)研究区内土壤质量一等优质土壤占比92.4%，二等良好土壤占0.8%，三等中等土壤占5.6%，四等差等土壤占0.9%，五等劣等土壤占0.3%，差劣土壤受地质背景及采矿因素影响较大，零星分布。

(4)研究区内发现约148 km2富硒土地，今后可在门源地区开展大比例尺富硒土壤调查评价工作，为发展高海拔地区特色富硒产业开发和规划提供科学建议。

(5)门源县优良土壤占比93.2%，具有良好的绿色有机农畜产品输出地建设所需的基础条件，有助于门源地区农牧业高质量发展。

[注 释]

① 马瑛,刘庆宇,黄强,张浩,邱瑜,田兴元.2019.青海门源-湟中地区1:25万土地质量地球化学调查成果报告[R].西宁:青海省第五地质勘查院.