山西大同桑干河流域富锶土壤地球化学特征及资源潜力评价

刘军帅，郑吉林，蔡艳龙，魏小勇，郭晓宇，王大可，孙靖尧，杨志伟

中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江 哈尔滨 150000

锶是人体必需的微量元素之一，是对于人体健康的有益元素［1-4］.随着锶在人体中重要性研究的深入和人们对健康关注度的提高，富锶资源的开发利用具有较大的潜在价值.本研究利用太行山区山西段生态修复支撑调查资料，在对山西大同桑干河流域富锶土壤地球化学特征研究的基础上，进行富锶土壤资源潜力评价，为当地富锶土壤资源开发利用提供科学依据.

1 研究区概况

研究区位于山西省大同市东南部桑干河流域，东至敖石，南至冯庄，面积1 580 km2.其地处大同盆地内，年降水量400 mm左右，年均温7℃左右，属温带半干旱地区干草原地带.盆地周围山麓地带普遍发育着洪积扇，组合成山麓倾斜平原.大同－朔州一带桑干河两岸，地面平坦宽广，为盆地的中心，是农业生产的重点地区.部分地势低洼的地方排水不良，有不同程度的盐渍化现象.主要土壤类型为栗褐土和栗钙土，主要土地利用类型为耕地和林地.

研究区出露地层主要为新生界第四系、新近系（主要分布在北部平川区），古生界石炭系、奥陶系、寒武系、和中元古界长城系（主要分布在南部山地丘陵区）（图1）.第四系：沱阳组以粉细砂、粉砂土、薄层亚黏土为主；选仁组以粉砂土、亚砂土为主；方村组以漂砾、砾石、砂及亚砂土为主；峙峪组以亚砂土、亚黏土互层夹锈黄色中粒砂层；册田玄武岩主要为层状灰黄色玄武岩夹玄武质砂砾岩；马兰组为灰黄色亚砂土，垂直节理发育；泥河湾组为灰绿、灰黄色亚砂土、亚黏土互层夹薄层粉细砂或砂线.新近系保德组：砂砾石层夹棕红色砂质黏土.石炭系太原组：砂岩、炭质页岩、灰岩及泥岩夹煤层为主.奥陶系：马家沟组以白云质灰岩、泥质灰岩为主；三山子组主要为白云岩，含燧石结核.寒武系馒头组：紫红色页岩夹粉砂岩、白云岩为主.长城系高于庄组：燧石条带、结核－粉晶白云岩、白云质砂岩.古元古界变质辉绿岩，黑绿色、细粒变晶结构，块状构造.中太古界：土岭片麻岩，岩性主要为条带状黑云斜长片麻岩；义兴寨片麻岩，岩性主要为角闪斜长片麻岩.

图1 山西大同桑干河流域地质简图Fig.1 Geological sketch map of Sanggan River basin in Datong，Shanxi Province

2 材料和方法

2.1 样品采集与处理

对研究区进行表层土壤、深层土壤、基岩残坡积物质和岩石采样、化验及分析.土壤采用双层网格化方式取样.可采区土壤采样点密度为1件/2.5 km2，分别采集表层和深层土壤样品.表层样品采样深度为0～20 cm，共取样454件；深层样品采样深度为150～200 cm，共采集样品448件.同时在低山丘陵区系统采集了主要基岩样品共55件.采样点一般布设于耕地、园地、林地、草地及低山丘陵等地带，采样时避开新近搬运的堆积土、垃圾堆和局部污染明显区域.

2.2 样品测试分析

土壤和岩石样品分析由中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心实验室承担，测试过程严格按照《多目标区域地球化学调查规范（1∶250 000）》（DZ/0258—2014）［5］进行，采用ICP－OES电感耦合等离子体原子发射光谱法测定土壤全锶，检出限为2×10－6，元素实际检出限、准确度、精密度等质量指标达到或优于多目标区域地球化学调查规范的要求.所有样品报出率为100%，准确度和精密度监控样品合格率100%.

2.3 数据处理

统计前对所有数据进行异常值剔除，采用Surfer、GeolPAS、MapGIS等软件绘制工作区锶彩色等量线图，直观反映土壤中锶的空间分布，利于SPSS和Excel软件对数据进行相关性分析和分类参数统计.

3 土壤锶元素地球化学特征

土壤锶元素地球化学特征值见表1、表2.可以看出，调查区表层土壤锶元素含量平均值高于中国土壤A层背景值［6］和太原市基准值［7］，是中国土壤A层的1.60倍.表层土壤锶元素变化为108.7×10－6～413.9×10－6，平均值为261.73×10－6，与湖北随州北部［8］相当；深层土壤锶元素含量平均值同样高于中国土壤C层背景值［6］和太原市背景值，其平均含量是中国土壤C层的1.49倍.深层土壤锶元素变化为106.2×10－6～467×10－6，平均值为279.19×10－6，略高于湖北随州北部区.

表1 表层土壤锶元素地球化学特征值Table 1 Geochemical eigenvalues of Sr in surface soil

表2 深层土壤锶元素地球化学特征值Table 2 Geochemical eigenvalues of Sr in deep soil

土壤锶元素空间分布特征见图2.可以看出在空间分布上，表、深层土壤表现出高度的一致性，分布不均匀，且明显受水岩作用影响，高值区分布于桑干河及其支流两岸以及盆山结合区域.

图2 研究区土壤锶元素分布图Fig.2 Distribution maps of Sr in soil of the study area

3.1 不同酸碱性土壤中锶元素特征

不同酸碱性土壤锶元素地球化学特征值见表3.表层土壤中锶元素平均含量表现为极强碱性土壤＞强碱性土壤＞碱性土壤，表明表层土壤中极强碱性土壤锶更为活跃.深层土壤锶元素平均含量表现为强碱性土壤＞碱性土壤＞极强碱性土壤，表明深层土壤中强碱性土壤更有利于锶的聚集.

表3 不同土壤锶元素地球化学特征值表Table 3 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different acid-base properties

3.2 不同地质单元土壤锶元素特征

不同成土母质土壤锶元素地球化学特征值（见表4）表现为：表层土壤锶平均含量248×10－6～278×10－6，泥河湾组中平均含量最高，马兰组中平均含量最低.不同地质单元锶平均含量依次为泥河湾组＞峙峪组＞方村组＞沱阳组＞选仁组＞土岭片麻岩＞册田玄武岩＞马兰组.深层土壤锶平均含量269×10－6～313×10－6，册田玄武岩中平均含量最高，马兰组中平均含量最低.不同地质单元土壤锶平均含量依次为册田玄武岩＞峙峪组＞泥河湾组＞方村组＞沱阳组＞选仁组＞土岭片麻岩＞马兰组.

表4 不同地质单元土壤锶元素地球化学特征值表Table 4 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different geological units

3.3 不同土壤类型锶元素特征

不同土壤类型土壤锶元素地球化学特征（见表5）.表现为：表层土壤锶平均含量244×10－6～293×10－6，盐碱土中平均含量最高，粗骨土中最低，不同土壤类型土壤锶平均含量依次为盐碱土＞栗褐土＞栗钙土＞潮土＞粗骨土.深层土壤锶平均含量274×10－6～319×10－6，盐碱土中平均含量最高，栗褐土中最低，不同土壤类型土壤锶平均含量依次为盐碱土＞潮土＞粗骨土＞栗钙土＞栗褐土.

表5 不同土壤类型锶元素地球化学特征值表Table 5 Geochemical eigenvalues of Sr in different types of soil

3.4 不同土地利用锶元素特征

不同土地利用类型土壤锶元素地球化学特征（见表6）表现为：表层土壤锶平均含量255×10－6～265×10－6，含量依次为耕地＞草地＞园地＞林地；深层土壤锶平均含量267×10－6～286×10－6，含量依次为耕地＞林地＞草地＞园地.

表6 不同土地利用土壤锶元素地球化学特征值表Table 6 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different land use types

3.5 土壤锶元素与其他元素相关性分析

在一定的地球化学环境下，土壤元素表现出共同消长或此消彼长的关系，调查区土壤锶元素与其他元素指标相关系数见表7.通过相关性分析发现，调查区土壤锶元素与Ba的相关性最高，表、深层相关系数分别为0.663和0.568，为强相关和中等程度相关.除此之外，表层土壤锶与B、Cr、La、Nb、Na等相关性较高.深层土壤锶与As、B、Nb、Sb、Si等相关性较高.

表7 土壤锶元素与其他元素相关系数Table 7 Correlation coefficients between Sr and other elements in soil

3.6 锶的物质来源

锶分布相当广泛，各类岩石中几乎均含有锶元素，特别是在含锶矿物的闪长岩、富钙花岗岩、黏土岩以及碳酸盐岩中，锶含量相对比较富集，是提供锶元素物质来源的主要母岩［9-11］.由于Sr2＋的离子半径与Ca2＋的离子半径十分接近，从而Sr经常进入到各种富Ca的矿物中.山西土壤母质中含有一定的富Ca矿物，从而Sr的含量随之增高［12］.

通过对研究区水样品的测试分析表明，桑干河水中锶含量普遍较高.在册田水库附近锶含量最大值可达1.58 mg/L，平均值1.09 mg/L，是饮用天然矿泉水标准［13］的5倍以上.地下水在运移过程中不断与围岩发生各种化学反应，从而导致化学元素的迁移、聚散和分散，围岩中的锶是地下水锶元素的物质来源.盆地型平原区地下水中锶最富集，主要得益于地下水从补给区—径流区—排泄区构成一个完整的区域地下水流系统.地下水通过深部运移进行循环［14-16］，径流路径长，在含水层中滞留时间长，有利于锶的溶解和累积.锶在风化作用中为活动性阳离子，其水迁移系数Kx为0.1～1，属迁移能力强的元素［17］.在风化作用下，锶以重碳酸盐形式进入水溶液中，呈真溶液形式搬运，搬运过程中发生化学或生物化学反应生成沉淀，在水动力降低的位置再沉淀下来［18］.

本研究系统采取了大同盆地周边岩石样品55件，对比大同火山群东区和西区10件样品测试结果［19］，发现前寒武纪变质岩和大同火山群西区岩石具有较高的锶含量.前寒武纪老变质岩内锶含量最高达1 259×10－6，大同火山群西区锶含量最高达913×10－6（表8）.大同火山群西区岩石锶含量均值为776×10－6，整体水平高于大同火山群东区.研究区附近主要的富锶地层如下.

表8 研究区主要岩石中锶元素含量统计表Table 8 Contents of Sr in main rocks of the study area

蔡树庄片麻岩：岩性主要为黑云二长片麻岩，位于西咀村西山和聚乐堡乡西山.岩石中锶含量平均值586×10－6，最大值726×10－6.

于家窑片麻岩：岩性主要为条带状黑云二长片麻岩，位于集仁村－西营村北山.其岩性主要为肉红色、浅肉红色黑云二长片麻岩、黑云角闪二长片麻岩.中细粒花岗变晶结构，片麻状构造.浅色矿物以斜长石（25%～35%）、钾长石（25%～40%）、石英（10%～15%）为主，暗色矿物15%～25%，以角闪石、黑云母为主.岩石中锶含量平均值452×10－6，最大值625×10－6.

土岭片麻岩：岩性主要为条带状黑云二长片麻岩，位于云州区南部，桑干河南部山区.岩石中锶含量平均值646×10－6，最大值1259×10－6，可以认为它是位于桑干河南岸土壤中锶的主要来源.

大同火山群玄武岩：岩性主要为玄武岩、凝灰岩、火山碎屑锥，位于西坪镇西南部大同火山群地质公园.岩石中锶含量平均值776×10－6，最大值913×10－6，远大于土壤中含量，可以认为它是桑干河北部土壤中锶的主要来源.

4 富锶土壤资源潜力评价

4.1 评价分级标准

目前对锶土壤资源评价分级没有全国统一标准，本研究中的评价根据全国A层土壤锶背景值165×10－6（中国土壤背景值，1990），结合山西省锶的分布特点，提出划分锶的标准（表9）.

表9 锶资源评价划分标准Table 9 Classification criteria of Sr resource evaluation

根据本区表层土壤锶的地球化学分布特征，本评价将以区内表层土壤中锶含量大于或等于240×10－6作为富锶标准进行评价.按照划分标准将区内富锶土壤划分为两大区：一级富锶区，锶平均含量大于270×10－6；二级富锶区，锶平均含量在240×10－6～270×10－6.

4.2 富锶土壤资源分布特征

按照土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）［20］，对区内土壤中镉、汞、砷、铅、镉、铜、镍、锌和pH等9项指标进行了分析评价（表10），pH变化范围在7.63～10.2之间.对照农用地土壤污染风险筛选值（表11），可以得出结论：区内土壤中镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌等污染物含量均小于其农用地土壤污染风险筛选值，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求.

表10 农用地主要污染元素含量统计表Table 10 Contents of major polluting elements in agricultural land

表11 农用地土壤污染风险筛选值（基本项目）Table 11 Soil pollution risk screening values of agricultural land（basic items）

按照锶划分标准，结合区内农用地土壤污染风险评价结果，圈出富锶土壤（Sr≥240×10－6）面积1 104 km2，占调查区面积的69.87%，其中，富锶农产品推荐种植产地442 km2.富锶农产品推荐种植产地主要集中在桑干河及其支流两岸的耕地区.

4.3 富锶土壤资源潜力评价

根据区内富锶土壤分布特征和农用地土壤污染风险管控相关指标，结合土壤类型和水源条件，将区内富锶土壤划分为3类（图3）.

图3 富锶土壤资源分布及开发建议图Fig.3 Distribution of Sr-rich soil resources and development suggestion

Ⅰ类区（适宜开发区）：能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求，且土壤中锶平均含量大于或等于270×10－6的区域.主要分布于党留庄乡、杜庄乡、瓜园乡、河头乡及峰峪乡北部，总面积442 km2.具有较好的开发潜力，属于农业生产适宜开发的富锶土壤资源区.

Ⅱ类区（具开发潜力区）：能满足无公害农产品种植业产地环境条件要求，且土壤中锶平均含量为240×10－6～270×10－6，处于低山丘陵区、水源条件不好以及土壤盐碱化严重的区域，面积662 km2，主要分布在盆山结合部和桑干河沿岸地下水位较浅的区域.具有一定的开发潜力，但需要科学的有针对性的选择农产品，并对土地因地制宜地进行人工干预.

Ⅲ类区（不具备开发潜力区）：土壤中锶的平均含量不足240×10－6的区域，总面积476 km2，主要分布于工作区东南山地带和西部毛家皂镇、马辛庄乡、吉家庄乡、许堡乡和友宰镇的南部区域，一般不具开发潜力，属不适宜富锶土壤开发的区域.

5 结论

（1）调查区表、深层土壤锶元素含量平均值均高于中国土壤C层背景值，表层平均含量是中国土壤A层的1.57倍.深层平均含量是中国土壤C层的1.65倍.在空间分布上，表、深层土壤表现出高度的一致性，分布不均匀，且明显受水－岩作用控制，高值区分布于桑干河及其支流两岸.

（2）通过相关性分析，工作区表、深层土壤中锶与Ba、B、Cr、La、Nb、Na、As、Sb、Si等关系密切.

（3）不同地质单元中表、深层土壤锶含量平均值最高均为峙峪组，最低均为马兰组，说明土壤中锶的聚集过程与成土过程存在必然联系.不同土地利用类型中表、深层土壤锶含量平均值最高为耕地，这意味着区内富锶农产品开发具备较好的先天条件.

（4）桑干河以南山区前寒武纪老变质岩是区内最主要的岩石类型，其锶含量平均值高达646×10－6，是区内表层土壤锶平均含量的2.47倍，是深层土壤锶平均含量的2.31倍，为土壤富锶提供了丰富的物质基础.

（5）调查区土壤锶元素含量高，存在大量的富锶土壤，且全区镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌等元素含量均小于农用地土壤污染风险筛选值，农产品质量安全、农作物生长和土壤生态环境风险低.全区富锶土壤（Sr≥240×10－6）面积1 104 km2，占调查区面积的69.87%，其中适宜开发区面积442 km2，区内具有较好的开发富锶土壤资源潜力.