山东省茌平县土壤元素地球化学特征与质量评价

2022-08-01常彬郭忠华赵涵孙彦伟

山东国土资源 2022年7期

常彬，郭忠华，赵涵，孙彦伟

(山东省物化探勘查院，山东省地质勘查工程技术研究中心，山东省土壤地球化学工程实验室，山东济南 250013)

0 引言

土壤是链接岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的关键环节[1]，是元素迁移和再分配的重要场所[2]，同时土壤作为基本的生产资料和农业生产的基地，与人类的生产生活息息相关[3]，也是经济社会发展的重要支撑界面。近年来，山东省各地陆续开展了土壤地球化学评价工作，并取得了一些重要成果[4-8]，为农业的综合开发和农业结构调整提供了重要依据。茌平县作为全国重要的粮食、蔬菜和林果深加工出口基地，对土地的投入相对较大[9]，赵鲁全[10]研究了茌平县1985—2005年土壤有机质的时空变异性；李菡[11]等探讨了不同种植模式与土壤理化性状和质量的关系；喻超[12]等基于大比例尺土地质量地球化学调查获取了茌平县土壤各指标的地球化学背景值，并与聊城市和山东省进行了对比；刘衍君[13]等对茌平县土壤8种重金属浓度进行了监测分析，认为茌平县土壤受到了中等程度的重金属污染风险。本文以2015—2017年开展的“山东省茌平县农业生态地球化学调查评价”项目为依托，摸清了茌平县土壤地球化学特征，并对土壤质量进行较为全面的质量评价，为农业结构调整、土地科学利用和生态环境保护提供地质依据。

1 研究区概况

研究区为聊城市茌平县全区，位于山东省西部，聊城市东部，总面积1003.37km2，人口57.21万。近年来，随着工农业迅速发展，矿物采掘、钢铁冶炼、工农业排污以及过量开采地下水等活动愈加频繁，造成了地面沉降、水土污染等一系列地质灾害，给生态环境造成了严重破坏[14-15]。

茌平县地处黄河冲积平原，地势较平缓，地面倾斜方向基本随河流流向自西南向东北微倾，属暖温带半湿润季风气候区，四季变化明显。区域内河流纵横交错，有徒骇河和马颊河2条主要河流。研究区无基岩出露，属覆盖区，地层自下而上依次为奥陶纪马家沟群，石炭—二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组，二叠纪石盒子群，古近系、新近系和第四系。全县土壤主要有潮土，风沙土和盐土三个土类，潮土类占总土地面积的95.61%，风沙土类占4.37%，盐土类占0.02%(图1)。

1—脱潮土；2—潮土；3—盐化潮土；4—湿潮土；5—草甸盐土；6—草甸风沙土图1 茌平县土壤类型分布图

2 样品采集与分析

本文参考《山东省土地质量地球化学评价规范(试行)》要求开展系统的采样工作，按照1∶10万采样密度，以农用地为主，并兼顾少量建设用地[16]。表层土壤样品采样密度在农用地区域为2～3个点/km2，建设用地区域为1个点/2km2，采样深度为0～20cm；深层土壤样品采样密度为1个点/36km2，采样深度为150～200cm，并按照3%比例采集重复样，共采集表层样品1222个、深层样品27个。

土壤元素测试分析在山东省物化探勘查院岩矿测试中心完成，分析指标为Cd、Hg、Pb、As、Ni、Cr、V、Co、有机质、Se、Zn、Cu、N、P、K、B、Mn、Mo、pH、I、碱解氮、速效磷、速效钾23项指标。分析仪器以ICP-OES为主体，辅以其他灵敏度较高的专项分析仪器。

3 评价区土壤地球化学特征

3.1 评价区土壤地球化学含量特征

研究区表层土壤地球化学背景值特征见表1。

表1 茌平县表层土壤背景值情况一览表

通过与山东省和聊城市土壤地球化学背景值对比[17]，具有以下规律：

(1)研究区土壤中K、Mn、Pb、V、Mo、I等元素或指标地球化学背景值明显低于山东省土壤地球化学背景值，而有机质、As、Cd、Hg、B等元素背景值则明显高于山东省土壤地球化学背景值；二者其余元素较为接近。

(2)研究区土壤中K、V等元素或指标地球化学背景值明显低于聊城市土壤地球化学背景值，而有机质、P、Mn等元素则明显高于聊城市土壤地球化学背景值；二者其余元素较为接近。

从上述规律可以发现，茌平市表层土壤元素地球化学背景值与山东省和聊城市的差异，主要与土壤地球化学环境、元素来源有关。

土壤地球化学基准值是指能够反映土壤原始沉积环境的地球化学元素含量值[18]，土壤地球化学背景值与土壤地球化学基准值有着密切的承继关系，总体上受土壤基准值的控制。但由于长期的风化、淋溶作用和人类生产生活等活动的改造，表层土壤地球化学特征已发生一定的演变，导致土壤地球化学背景值与土壤地球化学基准值两者之间存在一定的差异。研究区土壤基准值与背景值参数对比情况见表2。

表2 茌平县土壤基准值与背景值参数对比表

通过对比可以发现以下规律：

(1)研究区表层土壤中有机质、N、P、Cu、As、Hg、Pb、B、Mo、I等元素或指标含量明显高于深层土壤地球化学基准值，其中表层土壤的有机质背景值是深层土壤基准值的2.88倍；表层土壤的Zn、Se、Ni、V等元素含量则明显低于土壤地球化学基准值；其余元素两者较为接近。总体来看，表层土壤大部分元素相较于深层土壤均值偏高，这是由于表层土壤在表生地球化学作用下发生了富集及贫化，以及受到了人类活动等因素叠加影响导致的[19]。

(2)表层土壤中除极少数元素如K、Mn、Zn、Se、pH、Cd、Cr、Ni、V等，富集系数小于1.00，趋于贫化状态，其余元素均趋于富集状态。

(3)在趋于较强富集状态(富集系数≥1.50)的元素中，P元素的富集与农业施肥关系密切[20]，Mo元素的富集与工业活动如燃煤、化工等有关[21]，表层土壤中存在的大量生物遗体，是有机质在表层土壤中强烈富集的直接原因[22]，I元素的富集与地下卤水有直接的关系[23]。

3.2 土壤地球化学异常分布

参考中国地质调查局地质调查技术标准《多目标区域地球化学调查规范》(1∶25万)异常分类划分方案，结合调查区实际情况，本次主要研究Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni等与环境相关的有害金属污染元素的异常情况。

3.2.1 异常圈定

异常下限确定方法采用剔除2倍算术标准偏差后的算术平均值加两倍标准离差求取，异常上限确定方法采用剔除2倍算术标准偏差后的算术平均值减两倍标准离差求取，各表层土壤元素异常上、下限值见表3。

表3 表层土壤元素异常上、下限统计表

3.2.2 异常研究

环境类地球化学异常一般为自然背景、表生富集和人类活动等因素共同作用的结果[24-25]。研究区环境相关元素异常分布相似度较高，具有各元素套合关系好、异常衬度不高、富集系数小的特点。环境元素异常特征见表4。

表4 表层土壤元素异常地球化学特征表

通过对表层土壤污染元素的分析研究，在研究区圈定了7类异常区域，分布情况如图2所示。

Ⅰ区：主要分布于振兴街道东北以及冯官屯镇东南，异常污染元素有As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb、V，分布面积为52.53km2，占研究区总面积的5.24%，主要土壤类型为潮土，距离信发工业园区较近，是造成土壤异常的主要原因。

1—异常分区Ⅰ；2—异常分区Ⅱ；3—异常分区Ⅲ；4—异常分区Ⅳ；5—异常分区Ⅴ；6—异常分区Ⅵ；7—异常分区Ⅶ图2 表层土壤异常元素综合分区图

Ⅱ区：主要分布于信发街道中西部、振兴街道西北以及乐平铺镇南部，异常污染元素有As、Cd、Co、Hg、Ni、Pb、Zn，分布面积为63.89km2，占研究区总面积的6.37%，主要土壤类型为潮土及盐化潮土，北部位于信发工业园区，南部距离郝集工业园较近，是造成土壤异常的主要原因。

Ⅲ区：主要分布于乐平铺镇东北、杜郎口镇东南，异常污染元素有As、Cd、Co、Ni、Pb、V，分布面积为13.59km2，占研究区总面积的1.35%，主要土壤类型为潮土，位于郝集工业园附近，是造成土壤异常的主要原因。

Ⅳ区：主要分布于贾寨镇西北、菜屯镇西北，异常污染元素有As、Co、Cr、Ni、Pb、V，分布面积为4.44km2，占研究区总面积的0.44%，主要土壤类型为潮土，附近以前有过黏土矿采矿行为，是造成土壤异常的主要原因。

Ⅴ区：主要分布于洪官屯镇南及杨官屯镇南，呈片状分布，异常污染元素有As、Co、Hg、Ni、Pb、V，分布面积为15.36km2，占研究区总面积的1.53%，主要土壤类型为潮土，位于一化工企业附近，是造成土壤异常的主要原因。

Ⅵ区：主要分布于博平镇及温陈街道、乐平铺镇西部，异常污染元素有As、Cd、Hg、Pb，分布面积为27.77km2，占研究区总面积的2.77%，主要土壤类型为潮土，附近以前有过黏土矿采矿行为，是造成土壤异常的主要原因。

Ⅶ区：主要分布于韩屯镇东北、振兴街道与乐平铺镇相接处，异常污染元素有Co、Ni、Pb、V，分布面积为29.27km2，占研究区总面积的0.92%，主要土壤类型为潮土。

以上圈定的地球化学异常区，均是由于工业生产造成的，因此应重视工业生产，加强企业隐患排查和排污治理，防止造成周边土壤环境污染和生态环境恶化。

4 土壤质量等级评价

4.1 土壤养分地球化学综合等级

N、P、K是评价土壤养分地球化学综合等级划分的三大要素，其含量的高低直接影响农业生产力水平[26]，通过对土壤样品的分析，将研究区土壤养分地球化学综合等级划分为三类，即二等(较丰富)区、三等(中等)区、四等(较缺乏)区，详细分布情况如图3所示。

1—二等(较丰富)区；2—三等(中等)区；3—四等(较缺乏)区图3 表层土壤养分质量分级图

区域内土壤养分地球化学质量整体以较丰富为主，占全区总面积的73.96%；其次是养分中等水平的土壤，占全区面积的24.67%；养分较缺乏的土壤仅占全区面积的1.36%。

综上可见，研究区土壤养分条件较好，总体表现为较丰富。优质的土壤养分条件，为研究区农业生产保障基础的肥力要素，有利于农业经济发展。

4.2 土壤环境地球化学综合等级

通过对研究区内重金属元素Hg、As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等元素进行单因子进行单项污染指数计算，在单指标土壤环境地球化学等级划分基础上，按照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的原则划分最终等级，结果表明，全区均为清洁土壤，符合一级土壤环境质量标准，完全能够满足农业耕作土壤的环境质量要求，故土壤环境地球化学质量综合等级为一等。

4.3 土壤质量地球化学综合等级与利用建议

土壤质量地球化学综合等级由研究区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[27]。分析结果可将研究区划分为三类，即一等(优质)区、二等(良好)区、三等(中等)区(图4)。

1—一等(优质)区；2—二等(良好)区；3—三等(中等)区图4 表层土壤综合质量分级图

一等(优质)区：土壤质量优质区于全区广泛分布，区域面积共计约742.14km2，约占全区面积的73.96%。该类土壤适宜作为绿色或无公害农产品种植区，应当在充分开发利用的同时加以严格保护。

二等(良好)区：土壤质量良好区主要分布于研究区西北部，总体较少，区域面积共计约247.56km2，约占全区面积的24.67%。该类土壤建议因地制宜进行特色开发，比如菜屯镇南部和肖庄镇北部地区，目前种植了圆铃大枣、西瓜等茌平县特色农产品，可向土壤特征相似程度较高的贾寨镇、洪官屯镇、杨官屯乡的部分地区扩大特色农产品的种植区域，以提高茌平县农业经济结构的多样性。

三等(中等)区：土壤质量中等区分布少，主要在西北部的菜屯镇、肖庄镇以及杨官屯乡有零星分布，区域面积共计约13.67km2，约占全区面积的1.36%。该类土壤可根据元素的丰缺情况进行科学施肥，改善土壤养分，提高农作物产量和经济效益。

从而可见，研究区土壤综合条件较好，总体表现为一等优质。