土地质量地球化学评价方法研究与应用——以山东省沂南县东部地区为例

康鹏宇，刘传朋，刘同*，智欢，张立朋，古怀庆

(1.山东省第七地质矿产勘查院，山东省金刚石成矿机理与探测重点实验室，“山东省金刚石成矿机理与探测”院士工作站，山东 临沂 276006；2.山东地矿开元勘察施工总公司，山东 临沂 276006)

0 引言

土地是地表某一地段包括地质、地貌、气候、水文、土壤等多种自然要素在内的自然综合体，土地质量的优劣对农业生产和居民生活有着至关重要的影响。随着我国经济的快速发展，土地污染、土地破坏的现象时有发生，给农业发展和居民生活质量提高产生了不可低估的影响。同时，随着“绿水青山就是金山银山”的理念深入人心以及发展生态文明建设的必然要求，相关土地质量评价标准陆续颁布[1-2]。为此全国各地相继开展了土地质量调查评价与研究工作[3-8]。本次研究以“山东省沂南县东部地区1∶5万土地质量地球化学调查与评价”项目为依托，通过评价与研究[9-18]，查明研究区的优质的土地资源和污染情况，开展土地利用规划等研究工作，为农业地质背景研究、土地高效利用、现代农业发展、高标准农田建设、土地污染防治、农学研究等提供基础资料。

1 研究区概况

研究区位于山东省沂南县东部地区(铜井镇、沂南县城、大庄镇和砖埠镇及以东)，面积约800km2。

研究区地貌为低山丘陵，地势北高南低，西高东低，中间洼，逐渐向东南倾斜。研究区成土母质主要有3种，为残坡积物母质、洪冲积物母质和冲积物母质。研究区土壤类型包括棕壤、褐土、潮土、水稻土以及砂姜黑土5种(图1)。

研究区内土地利用方式主要为耕地，耕地总面积为486.97km2，占研究区总面积的62.03%，其次为建筑用地、林地(表1)。研究区主要种植作物为小麦、玉米、草莓、生姜、黄瓜、花生等。其中，“农产品地理标志产品”有“沂南黄瓜”、“砖埠草莓”，特色农产品还有生姜、柿子、冰枣等，获得“三品一标”认证的农产品达到249个。

表1 研究区土地利用现状统计

2 样品采集与分析

根据土地利用现状图图斑进行采样点位布设，土壤采样点主要布设于农用地，在建设用地进行控制。点位避开水沟、田埂、路、粪堆等无代表性地段。研究区工作比例尺1∶5万，平均采样密度为6.09个，同时按总样品的2.3%均匀采集重复样。使用竹铲采集0～20cm表层土壤样品，多点组合采样，在样点周边30～50m范围内5点采集均量子样品后组合为1件样品。

样品分析测试工作由山东省第七地质矿产勘查院实验室以及山东省第四地质矿产勘查院实验室承担，共分析样品4890件(重复样111件)，分析N、P、K、B、Mn、Mo、Se、I、Ge、F、Zn、Cu、Co、V、As、Cr、Cd、Hg、Pb、Ni、有机质、pH、Na、Al、Sr、Ca、Mg、S共28项指标。各元素分析方法检出限、精密度、重复性检验合格率、报出率、准确度和异常点抽查合格率等质量均满足规范要求。

3 地球化学特征

3.1 土壤元素地球化学背景值

土壤地球化学背景值反映的是成土母质在表生环境条件下，经过人类活动与自然改造所形成的表层土壤中元素的含量与分布状态。统计研究土壤元素背景值，这对于正确认识区域地球化学特征和农业地质环境，科学进行土壤改良和合理调整农业生产结构具有一定的指导意义[19-20]。

图2 研究区表层土壤背景值与临沂市(K1)、山东省(K2)表层土壤背景值比值

表2 基准值相对参考值对比评判标准

表3 研究区表层土壤元素地球化学参数一览表

3.2 土壤元素地球化学组合特征

为研究元素之间的相关性，进行因子分析、多元素R型聚类分析(图3)。结果显示元素之间具有不同程度的相关性，这与元素本身的性质、元素表生地球化学行为相似，在土壤风化过程成为共生的关系。

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图3 研究区表层土壤样品元素R型聚类分析谱系图

土壤元素相关性可归纳为如下几条规律，R型聚类分析在α=0.01、γ=0.5的相似水平上，可分为12大族。

第一族群为有机质(SOM)、N、I、Se；第二族群为B、F、Ge、Al2O3；第三族群为Co、V、Mn、Cr、Ni；第四族群为Cd、Pb、Zn、As；第五族群为CaO、MgO；第六族群pH；第七族群为Mo、Cu；第八族群Hg；第九族群S；第十族群K2O；第十一族群为Na2O、Sr；第十二族群P各形成单元素族群。从中可知，前11个因子特征根代表的方差已占总方差的88.9%，因此视这11个因子为主要因子，并将其初始因子作斜交旋转，得到旋转后斜交因子结构矩阵，以因子载荷绝对值γ>0.4的元素为该因子主要载荷元素，得出因子结构式(表4)。

表4 因子结构式及特征根

从各因子的方差贡献来看，研究区地球化学场的起伏主要由F1、F2、F3、F4引起。F1主因子代表N、SOM、I、Se指标，从元素种类来看，元素组合与土壤中的有机质存在一定联系，与生物循环、农耕等人为活动密切相关。F2、F11主因子分别代表Cr、Ni以及Co、V、Mn为铁族元素组合，说明经过自然和人为扰动的干扰下，铁族元素的组合特征保持了良好的稳定性。因此F2因子与地质背景密切相关。F3主因子代表B、Ge、Na2O、S，这些元素的组合特征在成土过程中具有较好的稳定性，这些因子分布特征与研究区地质分布特征基本吻合，如因子低值区主要与前寒武纪中酸性岩分布一致，高值区则与寒武—奥陶纪沉积岩区域分布一致，说明这类因子的主控因素为地质背景。

F4主因子代表Cd、As、Zn、Pb，这类元素的组合特征所反映的是典型的多金属矿化剂伴生元素组合，常形成与矿床或含矿地层岩石相联系的地球化学异常。F5主因子代表CaO、MgO，从主因子所代表的元素组合来看，元素指标主要为常量元素。因子分布特征反映的是地质背景。F6主因子代表Mo、Cu，同F4主因子相同，常形成与矿床或含矿地层岩石相联系的地球化学异常。F7主因子代表F、Al2O3、K2O、pH，同F5因子相同，主要为地质背景引起。

F8、F9、F10主因子分别代表S、P和Hg的单元素主因子，表明表层土壤中这些元素的分布受到独特因素的影响，因而表现出独立特征。

3.3 土壤元素分布特征

研究区As、Cu、Hg、Mo元素分布特征相似。元素含量高值主要分布在界湖镇西北部、铜井镇东南部，该区主要为寒武纪长青群、九龙群碎屑岩分布区，同时早白垩纪中酸性岩浆岩发育。该区为研究区主要金矿矿区，高背景主要由地质背景引起，矿产开采活动可能加剧元素扩散。低值区分布在铜井镇西北部龙凤峪村、大庄镇东部北双泉村—湖头镇陆家哨一带，该区主要为早白垩纪、前寒武纪中酸性岩浆岩分布区，低背景由地质背景引起。

研究区Cr、Ni、Co、V、Mn元素分布特征相似。元素含量高值区主要在砖埠镇常桑杭—南黄埠，大庄镇中部庙官庄村—南左泉村，大庄镇西部双礼园村—界湖镇德胜官庄、东兴村一带以及在铜井镇南泉村—燕子湖村有分散高值区。低值区分布在铜井镇西部范家庄—三山沟一带和沂河、汶河两河流域以及大庄镇东部考疃村—湖头镇东部一带。高值区和低值区分布主要与超基性、基性岩浆岩相关。

4 结果与讨论

4.1 土壤养分综合地球化学评价

土壤养分综合等级评价[21-23]:研究区土壤以较丰富级别和中等级别为主(图4)，占总面积的82.62%，其中较丰富级别土地面积为290.66km2，占研究区面积的36.33%，中等级别土地面积为370.35km2，占研究区面积的46.29%。丰富、较缺乏和缺乏综合等级分别占1.51%、15.46%、0.42%。说明研究区整体上土壤肥力较好，能够满足常规农业生产要求。较缺乏、缺乏级别除分布于界湖镇(沂南县城)外，主要分布于铜井镇西北部及大庄镇中东部—湖头镇丘陵山区一带，主要受地质背景控制，小部分地块已不能够满足农业生产需求。

图4 土壤养分质量地球化学评价分级图

4.2 土壤环境质量综合地球化学评价

研究区表层土壤环境地球化学综合等级以无风险为主，占总面积的96.42%，其次是风险可控，占3.55%，风险较高仅占0.02%。研究区土壤重金属单指标及综合评价均反映研究区土壤环境质量状况整体较好，无风险的土壤资源将为现代农业、旅游农业、绿色安全农业奠定较好的基础。

4.3 土壤质量地球化学综合评价

根据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评价土壤质量地球化学综合等级。研究区优质等级土壤面积为291.82km2，占研究区总面积的36.47%；良好等级土壤面积为358.22km2，占研究区总面积的44.77%；中等等级土壤面积为146.50km2，占研究区总面积的18.31%；差等等级土壤面积为3.36km2，占研究区总面积的0.42%；劣等等级土壤面积为0.19km2，占研究区总面积的0.02%。表明研究区土壤质量综合等级以优质、良好为主。差等、劣等土地分布面积较小，零星分布于岩浆岩分布区，主要为地质背景引起,其次为工矿企业开采、农业生产活动。

4.4 土地质量地球化学综合评价

在研究区面积性采集55件灌溉水样品，采样密度1件/14.55km2，大气干湿沉降样品20件，采样密度1件/40.00km2，根据分析测试结果、《农田灌溉水水质标准(GB5084—2005)》《山东省1∶50000土地质量地球化学调查技术要求(试行)》(2020年12月)标准，研究区灌溉水、大气干湿沉降物等级均为一等。土地质量地球化学综合评价等级主要取决于土壤质量地球化学综合评价等级(图5)。

图5 土壤质量地球化学综合评价分级图

4.5 土壤酸性缓冲能力预警

据庞绪贵[19]等对鲁东地区土壤酸化预警模型研究，对研究区内土壤酸碱性进行研究，高度安全区(pH≥7.64)面积约79.26km2，占研究区面积的9.91%(图6)；碱性土壤酸化预警区(pH处于7.13～7.64之间)，面积占研究区6.26%，该区内土壤缓冲能力处于由碱性向酸性过渡状态，土壤缓冲能力较弱，但是加以治理，提高土壤pH值，也会较快提升酸性缓冲能力；安全区(pH处于5.57～7.13之间)，面积占研究区37.56%，pH值受土壤盐基离子的降低会迅速升高，是放心安全区；过渡预警区(pH处于5.47～5.57)，面积占研究区3.97%，表明土壤酸化能力处于临界点，一旦爆发会出现大面积恶化，需要提高警惕；酸性土壤酸化预警区(pH<5.47)，面积占研究区42.30%，表明基本失去了酸性缓冲能力，需要报警。

图6 土壤酸性缓冲能力预警图

4.6 富硒农用地划分

根据中国地质调查局地质调查技术标准《天然富硒土地划定与标识(试行)》(DD2019—10)，富硒土地依据土壤中硒元素含量和有益有害组分含量，分为一般富硒用地、无公害富硒土地和绿色富硒土地3种类型(图7)。

1—绿色富硒土地；2—无公害富硒土地；3—一般富硒土地图7 研究区富硒农用地分布图

农用地富硒土地面积15.05km2，占研究区总面积的1.88%，其中绿色富硒土地、无公害富硒土地和一般富硒土地面积分别为6.89km2、6.46km2、1.70km2，比例分别为0.86%、0.81%、0.21%。绿色富硒土地在砖埠镇西偏北部、大庄镇西部、界湖镇西部、铜井镇东部零星分布，无公害富硒土地主要分布于大庄镇中部，一般富硒土地主要分布于铜井镇东南部、界湖镇西北部[24]。

5 结论与建议

(1)与临沂市表层土壤背景值相比，研究区CaO指标明显偏低，F、Mo、Cd指标略偏低，有机质和P指标略偏高，其他元素基本接近。根据因子分析、多元素R型聚类分析，研究区N、SOM、I、Se指标与生物循环、农耕等人为活动密切相关；Cr、Ni、Co、V、Mn铁族元素在经过自然和人为扰动的干扰下保持了良好的稳定性，且与地质背景密切相关；B、Ge、Na2O、S、CaO、MgO等指标分布特征与研究区地质分布特征基本吻合；Cd、As、Zn、Pb、Mo、Cu为研究区典型的多金属矿化剂伴生元素组合，其形成与矿床或含矿地层岩石相联系。

(2)研究区土壤元素分布主要受地质背景控制，矿产开采活动可能加剧部分元素扩散。研究区土地质量综合等级以优质、良好等级为主，差等、劣等等级土地分布面积相对较小。优质土地资源应优先规划为高标准基本农田建设区，加强保护，为高质量农业发展提供保障。建议差等或劣等等级土地退耕还林、还草,对中等等级进行土壤改良措施。

(3)研究区土壤环境质量整体较好，部分地块存在重金属超过风险筛选值。对于由地质背景、工矿开采及农业生产引起的小面积重金属超标地块，应定期开展土壤环境质量监控工作，将风险可控地块风险降到最低。

(4)研究区土壤酸化问题较为突出，酸性土壤面积大，土壤酸化预警区已达到研究区面积的42.30%，需引起必要重视。土壤酸化已成为普遍的农业问题，研究区土壤酸化主要由地质背景引起，建议合理改良酸化土壤，降低土壤酸化引起的农业问题。研究区分布富硒土地，依托天然的富硒土壤发展壮大富硒产业，作为农业提质增效、转型升级的重要突破口和切入点，做好“富硒品牌”与特色农产品有机结合的文章将有效带动地方农民增收、农业增效和农村增色。