山东冠县土壤元素地球化学特征与质量评价

2022-12-02常彬孙彦伟赵涵郭忠华王学民付兆健

山东国土资源 2022年11期

常彬，孙彦伟，赵涵，郭忠华，王学民，付兆健

(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

当前形势下，我国工业化进程日渐加快[1-3]，人口压力及与之相关的土地利用变化导致土壤资源的负担越来越重，对土壤资源的合理开发利用具有紧迫的现实需求[4]。因此，对土壤质量进行合理评价，研究土壤元素地球化学特征与分布，不仅有利于农业生态环境良性循环，也有利于人类社会可持续发展。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[5-9]。本文以2019—2021年开展的“冠县土地质量地质调查评价”项目为依托，探讨了冠县土壤地球化学特征，并对土壤质量进行了较为全面的分析与评价，为促进农业经济区划和种植结构调整，加快土壤保护治理，制定经济社会可持续发展规划提供地质依据。

1 研究区概况

研究区为聊城市冠县全区，位于山东省最西部，总面积1161km2，人口71.9万，具有农副产品加工、纺织、钢压延加工、护栏板加工四大主导产业。近年来随着城市化、工业化进程进一步推进，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[10-11]。

冠县全境处于鲁西北黄泛平原，地势开阔平坦，地形自西南向东北倾斜，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，有马颊河和京杭运河2条主要河流。地层自下而上依次为奥陶纪马家沟群、二叠纪石盒子群、古近纪沙河街组、新近纪馆陶组、新近纪明化镇组和第四纪平原组。全县土壤主要有潮土，风沙土和盐土3个土类，潮土土类(主要有壤质脱潮土、粘壤质脱潮土、壤质潮土、粘壤质潮土、粘质潮土、硫酸盐盐化潮土)占总土地面积的94.15%，风沙土类(主要有冲积固定草甸风沙土)占5.68%，盐土土类(主要有氯化物硫酸盐草甸盐土)占0.17%。土壤类型分布图见图1。

1—壤质脱潮土；2—粘壤质脱潮土；3—壤质潮土；4—粘壤质潮土；5—粘质潮土；6—硫酸盐盐化潮土；7—氯化物硫酸盐草甸盐土；8—冲积固定草甸风沙土图1 山东冠县土壤类型分布图

2 工作方法

2.1 样品采集与分析

土壤地球化学调查样品采集遵循网格加图斑的原则，严格按照《1∶50000土地质量地球化学调查评价技术要求(试行)》执行，以农用地为主，并兼顾少量建设用地，共采集样品5222件(其中设计点位5103个，重复样119个)，平均采样密度为4.53个/km2。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Al、As、B、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、F、Fe、Ge、Hg、I、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Ni、OrgC、P、Pb、S、Se、Si、V、Zn、pH共29项指标。分析仪器以CP-MS为主体，辅以其他灵敏度较高的专项分析仪器，分析方法见表1。

样品分析质控采用标准样、密码样、监控样等多种监控措施，保证了分析结果的准确性和可靠性，样品分析质量均满足相关规范要求。

2.2 数据处理及图件编制

对分析取得的29项指标数据进行分析整理，统计分析项目包括样品数、算数平均值、标准离差、变异系数、背景值、中位数、极大值、极小值、异常下限等地球化学参数。

图件绘制基于ArcGIS软件与中国地质调查局发展中心开发的土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护(应用)子系统完成。

表1 土壤元素全量分析项目与分析方法

3 研究区土壤地球化学背景值特征

土壤地球化学背景值是指自然应力和人类活动共同作用影响下区域表层土壤的含量值[12]，统计、研究土壤元素背景值，对于全面了解区域地球化学特征和农业地质环境，科学指导农业生产具有一定的指导意义[13]。研究区表层土壤剔除异常值后的数据特征见表2。

通过与聊城市和山东省土壤地球化学背景值对比，具有以下规律：

(1)研究区土壤中I、Mo、P等元素或指标地球化学背景值明显高于聊城市土壤背景值，二者其余元素或指标较为接近。

(2)研究区土壤中OrgC、I、Mo、CaO、MgO、P、S等元素或指标地球化学背景值明显高于山东省土壤A层，而Al2O3、K2O、Pb等元素或指标则明显低于山东省土壤A层，二者其余元素或指标较为接近。

(3)与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)对比，研究区As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8种重金属元素的背景值均低于土壤污染风险筛选值(图2)，说明研究区土壤中污染物含量对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可以忽略。

表2 表层土壤地球化学含量特征参数统计表

图2 冠县土壤重金属元素背景值与土壤污染风险筛选值对比图(Cd、Hg含量单位为10-8，其余元素为10-6)

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[14-15]，在单指标养分地球化学等级划分基础上，计算土壤养分地球化学综合得分，计算公式如式(1)：

(1)

式中：f养综—土壤N、P、K总得分；ki—N、P、K权重系数，分别为0.4、0.4、0.2；fi—N、P、K单元素等级得分。单指标评价结果5级、4级、3级、2级、1级所对应的fi得分分别为1、2、3、4、5分。具体划分规则见表3。

表3 土壤养分地球化学综合等级划分表

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，详细分布情况见图3。

由图3可见，研究区土壤养分以较丰富和中等为主，较丰富区主要分布于研究区东部及东南部地区，面积607.79km2，占总面积的52.32%；中等区主要分布于研究区西南部及中部等地区，面积533.33km2，占总面积的45.91%；较缺乏区以片状零星分布于中西部及北部地区，面积20.62km2，占总面积的1.77%。

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

综上可知，研究区土壤养分条件整体呈中等—较丰富水平，农业生产具有基本的肥力保障，有利于农业经济的发展。

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等元素进行单因子污染指数计算，计算公式如式(2)：

(2)

式中：Pi—土壤污染物i的单项污染指数；Ci—土壤污染物i的实测浓度；Si—污染物i在GB15618—2018中给出的土壤污染风险筛选值。

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，分布情况见图4。

由图4可见，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。

1—一等(清洁)区图4 山东冠县表层土壤环境质量分级图

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[16-17]。分析结果可将研究区划分为3类，即一等(优质)区、二等(良好)区、三等(中等)区(图5)。一等(优质)区：土壤质量优质区主要分布于研究区西北部及东部地区，面积607.79km2，约6.08万hm2，占总面积的52.32%。该区域可直接用于开发绿色食品、无公害农产品，建议将耕地优先保护和开发利用，规划为高标准永久基本农田，对于促进发展现代高效农业、引领农民增收脱贫具有指导意义。二等(良好)区：土壤质量良好区主要分布于研究区西南部及中部等地区，面积533.33km2，约5.33万hm2，占总面积的45.91%。由于该区域土壤中风沙土和盐土占比较高，主要缺乏N和OrgC，可作为预警区，提示当地农民在施肥时重点关注，以改变作物缺素现象，同时划为永久基本农田进行保护。三等(中等)区：土壤质量中等区主要于中西部及北部地区零星分布，面积20.62km2，约2062hm2，占总面积的1.77%。该区域应当进行必要的土壤修复，以改善土壤养分，提高耕地生产力。

从而可见，研究区土壤综合条件较好，总体表现为良好—优质。