黄河流域(济南段)土壤元素分布特征及作物营养元素分析

孙述海,郝 杰,姚文静,岳伟佳,李岩涛,李高源,魏金钊

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队/山东省地矿工程勘察院,济南 250014;2.济南新旧动能转换起步区管理委员会建设管理部,济南 250000)

【研究意义】区域土壤元素含量分布反映该地区成土地质特点和人为活动对土壤环境质量的影响,土壤质量影响作物品质和食品安全[1-2]。黄河流域(济南段)是贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略发展区的主要组成部分,研究土壤元素含量及分布特点对合理开发和利用土地资源具有重要指导意义[3-7]。【前人研究进展】土壤元素地球化学背景值作为重要的地质指标,黎彤等[8-9]在该方面作了大量研究,其应用方向也从最初的土壤元素分析、矿产资源预测和环境质量评价[10-11],逐渐发展成为土地利用、区域发展规划和生态评估等研究的重要数据[12]。土壤元素地球化学背景值作为研究土地质量及土壤环境质量的重要指标,2003年山东省开展了为期15年的全省陆地区域地球化学调查[13-14]。2021年王红晋等[15]对济南市土壤地球化学背景值进行了初步分析,介绍了济南市土壤元素含量与山东省及全国土壤元素含量的相对丰缺关系。【本研究切入点】前人研究未对不同土壤类型、不同土地利用类型、不同行政区域的土壤元素含量差异及土壤中农作物营养元素分布特征进行研究。全面合理的发展规划必须建立在详实的土壤评价数据基础之上,在黄河流域生态保护和高质量发展时期,准确评估区域土壤质量,对指导区域因地制宜,科学规划工农业发展具有重要意义。【拟解决的关键问题】选取黄河流域(济南段)为研究区域,分析土壤元素丰缺状况、区域分布差异和人类活动对土壤质量的影响情况及作物营养元素N、P、K的空间分布特征,为调查区土地资源综合利用提供基础地球化学资料。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

济南新旧动能转换起步区地处济南西北部,横跨黄河两岸,涉及黄河沿岸21个街镇,总面积1030 km2。调查区为起步区直管区,包括太平、孙耿、崔寨和大桥4个镇(街道),地理极值坐标:116°52′08.5″～117°10′18.5″ E,36°43′29.9″～37°22′40.6″ N,总面积450 km2。该区域地处鲁中低山丘陵与鲁北平原交接地带,地势南高北低。地面标高18.9～30.0 m,最低点为济阳区邝家—寺前刘一带,地面标高18.9 m。地貌类型为黄河冲积平原。属暖温带大陆性气候,济南地区属暖温带大陆性季风气候,具有春季易旱,夏季炎热多雨,秋季天高气爽,冬季寒冷干燥的气候特征。调查区地貌类型如图1所示,调查区土壤类型如图2所示。

图1 黄河流域(济南段)地貌类型Fig.1 Geomorphic types of the Huanghe River basin (Jinan section)

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集 本研究参照山东省地质调查规范《1∶50 000土地质量地球化学调查评价技术要求(试行)》和《DZ/T2095—2016土地质量地球化学评价规范》,结合实际规划,根据代表性、均匀性、合理性并兼顾土地利用现状的原则布设采样点。按照每平方公里4个采样点的基本密度要求布设采样点,在规划建设区较密集位置(大桥组团、崔寨组团)则按照每平方公里5个采样点的密度加密布设,平均采样密度为每平方公里4.32个采样点。

1.2.2 土壤样品制备及加工 土壤样品在自然状态下晾干,研磨至样品粒度小于2 mm(10目)。通过四分法取样,根据测试需求分别研磨至不同粒度。样品(一)用于pH测试,粒度小于2 mm;样品(二)用于土壤有机质、土壤中的全氮及重金属形态分析测试,粒度小于0.25 mm(60目)。样品(三)用于土壤全量测试,粒度小于0.074 mm(200目)。多余样品作为留存副样。

1.2.3 土壤样品分析 样品分析由山东省地矿工程勘察院实验室和山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队实验室完成,主要采用ICP、ICP-MS、ES、AFS、VOL等方法进行测试[17-19],具体如表1所示。

表1 元素的分析方法、检出限、报出率Table 1 Analysis method, detection limit and reporting rate of each element

1.3 数据处理

1.3.1 土壤元素地球化学背景值 土壤元素含量及区域分布特征是需重点关注的土壤数据[20-27],土壤元素地球化学背景值指经过自然改造和人为活动(第II环境)形成的区域表层土壤元素的含量值,是第I环境和第II环境共同作用的结果[6,17],一方面其与土壤基准值有密切继承关系,总体受土壤基准值的控制,另一方面经长期风化、淋滤等自然作用以及人类生产生活等人为活动的改造,表层土壤地球化学特征已发生一定的变化。

1.3.2 土壤元素地球化学背景值的统计方法 依据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)DZ/T0258—2014)》“同一沉积环境、同一物质来源、满足正态分布”的土壤地球化学背景值确定原则。依据《数据的统计处理和解释正态性检验》(GB/T4882—2001)求取土壤地球化学背景值,对数据频率分布形态进行正态检验。当统计数据服从正态分布时,用算术平均值(X)代表背景值,算术平均值加减2倍算术标准偏差(X±2S)代表背景值变化范围;服从对数正态分布的数据,用几何平均值(Xg)代表背景值,几何平均值乘除几何标准偏差的平方(Xg·S±2)代表背景值变化范围;不服从正态分布的数据,按照算术平均值加减3倍算术标准偏差(X±3S)或几何平均值乘除几何标准偏差的立方(Xg·S±3)进行剔除,经反复剔除后服从算术正态分布或对数正态分布时,用算术平均值或几何平均值代表土壤背景值,算术平均值加减2倍算术标准偏差(X±3S)或几何平均值乘除几何标准偏差的平方(Xg·S±2)代表背景值变化范围。经反复剔除后仍不满足正态分布或对数正态分布,当呈偏态分布时,以众值或平均值代表背景值;当呈双峰或多峰分布时,以中位值或平均值代表背景值。

以上是针对统计样品数不少于30个而言。当统计单元样品数少于30个时,则用中位数值(Xme)代表背景值,算术平均值加减2倍算术标准偏差(Xme±2S)代表背景值变化范围。

在进行pH参数统计时,应先将土壤pH换算成H+的平均浓度进行统计计算,然后再换算成pH,其公式为:

c=10-pH

(1)

c=Σ10-pH/n

(2)

pH=-lgc

(3)

式中,c为H+平均浓度,n为样本数。

1.3.3 土壤元素K值和变异系数 为便于描述N、P、Hg、As、Cd、S、Corg、Co、B、CaO、Se等29种土壤地球化学元素指标的含量特征,采用K值和变异系数研究元素特征参数和区域差异。其中K值是单元元素背景值与参比区(山东省、济南)的比值,利用K值可比较单元元素的相对富集贫乏特点,其评判标准如表2所示。

表2 背景值相对参考值对比评判标准(K值)Table 2 Comparison and evaluation criteria of background value and reference value (K value)

变异系数是反映元素分布均匀程度的一个重要参数,采用经验值判别(表3)。

表3 元素分布均匀度评判标准(变异系数)Table 3 Evaluation criteria of element distribution uniformity (variation coefficient)

2 结果与分析

2.1 黄河流域(济南段)土壤元素地球化学背景值基本统计

黄河流域(济南段)土壤样品的各评价指标统计参数如表4所示。由图3可知,与山东省土壤元素背景值相比,黄河流域(济南段)内背景值最高的元素是S,其K值达1.944,其次是Co和Hg;调查区内背景值最低的组分是Al2O3,K值为0.494。

图3 调查区土壤元素背景值与济南市、山东省背景值比值Fig.3 Ratio of background values of soil elements in the survey area to those in Jinan city and Shandong province

表4 全区表层土壤各指标地球化学含量特征参数Table 4 Characteristic parameters of geochemical content of surface soil in the whole region

以1.2、1.1、0.9和0.8为阈值将土壤元素贫富水平分为明显偏高(K>1.20)、偏高(1.10

对变异系数分析发现,黄河流域(济南段)内表层土壤元素分布均匀,除Hg、N、MgO外,变异系数均在0.40以下,多数有害元素变异系数则在0.25以下,说明黄河流域(济南段)土壤污染压力较小,与直管区工业发展程度整体不高的背景相吻合。

pH背景值与济南市土壤背景值极为接近,但比山东省和全国土壤背景值高,这主要与黄河流域(济南段)广泛分布的土壤类型为普通潮土密切相关。黄河流域(济南段)土壤通体有石灰反应,是碱性反应,成土母质中CaCO3含量丰富,使pH高于7.5。

2.2 黄河流域(济南段)不同类型土地特征参数分析

2.2.1 不同土壤类型中元素含量分析 不同土壤类型中元素含量如表5所示。黄河流域(济南段)分布有2个土类,可分4个土壤亚类,表层土壤的主要土壤亚类有6种,分别是冲积固定草甸沙土、砂质潮土、壤质潮土、砂质湿潮土、壤质湿潮土和壤质硫酸盐盐化潮土。黄河流域(济南段)各土壤类型中元素含量平均值与黄河流域全区背景值对比特征如下。

表5 不同土壤类型下各指标元素含量特征参数Table 5 Characteristic parameters of each index element content under different soil types

(1)冲积固定草甸沙土:与全区背景值相比,黄河流域(济南段)土壤中MgO含量明显偏高,其次偏高的有P、I、Mo、CaO、Na2O元素,N、Corg、Co含量偏低于全区背景值,其它指标则与全区背景值相差不大。

(2)砂质潮土和壤质潮土:无明显偏高和偏高的元素分别为S和N、P,黄河流域(济南段)土壤中其它指标则与全区背景值相差不大,K值在0.90～1.10。

(3)砂质湿潮土:黄河流域(济南段)土壤中S元素含量明显偏高,Mn、V、Pb、Zn、Ni含量偏低于全区背景值,Cu和MgO含量则明显偏低,其它指标与全区背景值相差不大。

(4)壤质湿潮土:S元素含量明显偏高,Ni元素含量偏低,MgO含量明显偏低,其余指标则与全区背景值相差不大。

(5)壤质硫酸盐盐化潮土:S、K元素含量明显偏高,且K值高达1.64,CaO和Zn含量偏高,其余指标则与全区背景值相差不大。

2.2.2 不同土地利用类型中元素含量分析 不同土地利用类型中元素含量如表6所示。黄河流域(济南段)内主要土地利用类型分为水浇地、乔木林地、其他林地和农村宅基地4种类型。各主要土地利用类型中土壤元素背景值与全区背景值对比特征如下。

表6 不同土地利用类型及不同行政区划下各指标元素含量特征参数Table 6 Characteristic parameters of each index element content under different land use types and different administrative divisions

(1)水浇地土壤元素背景值与全区背景值的比值明显偏高的为S元素,偏高的为Corg和N,其余指标均在0.99～1.10,与全区背景值相接近。

(2)乔木林地土壤元素背景值与全区背景值的比值在0.70～1.10。背景值明显偏低的为N,偏低的为Corg,其余指标均与全区背景值接近。

(3)其他林地土壤元素背景值与乔木林地背景值类似,比值也在0.70～1.10,其中背景值明显偏低的指标为N;偏低的为Corg,其余指标均与全区背景值相接近。

(4)农村宅基地土壤元素背景值与全区背景值的比值在0.61～1.22。其中背景值明显偏高的为CaO,偏高的为Zn、MgO和Na2O,背景值明显偏低的为Corg和N,并以Corg最低,比值为0.61,其余指标均与全区背景值基本接近。

2.2.3 不同行政单位中元素含量分析 不同行政单位中土壤元素含量如表6所示。调查区包括4个街道,分别是大桥街道、崔寨街道、孙耿街道和太平街道,以街道为行政单位分析其土壤地球化学背景值特征如下。

(1)崔寨街道、大桥街道和孙耿街道的S元素含量均明显高于全区S含量的平均水平,只有太平街道的S含量较低,但也高于济南和山东的平均水平。崔寨街道的N含量最低,大桥街道MgO指标含量最低。太平街道,大桥街道和孙耿街道的Hg含量均高于全区Hg含量的平均水平。

(2)与济南市土壤背景值相比,太平街道的Co、S、Corg、Hg、N含量明显偏高,其中Co的K值最大,为1.33,孙耿、崔寨和大桥街道中S和Co元素含量均较高,其中S元素K值均超过2.0;另外,孙耿和大桥街道Corg丰富,大桥街道Hg含量也相对较高。太平街道含量偏高的元素为F和I,孙耿街道含量偏高的元素为Hg和N,崔寨街道则Corg和Pb含量偏高。MgO和Al2O3含量在4个街道中均明显偏低,比值多在0.60以下,孙耿、大桥街道P含量也明显偏低,比值分别为0.77和0.73。太平街道含量偏低的元素包括Na2O、Zn、CaO和P,孙耿街道含量偏低的元素为CaO,大桥街道含量偏低的元素则包括Zn、Ni、Cu等重金属和Na2O、CaO、P等有益元素;崔寨街道仅Na2O和P含量偏低。

(3)与山东省土壤背景值相比,4个街道的Hg、S、Co、N、As元素含量明显偏高,其中孙耿、崔寨和大桥街道中S元素K值最大,均超过2.2;其次为Corg,K值最大值出现在大桥、太平街道,分别为1.54和1.51;含量明显偏低的元素有Al2O3、MgO和Na2O,其中含量最低的是Al2O3,K值范围在0.48～0.52,其次为MgO,多在0.7～0.8,而在大桥街道K值仅为0.50。

2.3 黄河流域(济南段)主要营养元素区域分布特征及成因

根据表层土壤样品取样分析结果,调查区土壤全氮含量在0.03～39.54 g/kg,平均为1.38 g/kg,高于全省土壤平均值(0.89 g/kg)。

依据规范分级标准,调查区表层土壤全氮含量以中等为主,占调查区面积的62.60%;丰富和较丰富区分布面积分别占调查区面积的4.59%和8.47%;稍缺乏和缺乏区分布面积则分别占全区的17.09%和7.25%,表明调查区全氮储备量中等偏上(表7)。

表7 黄河流域(济南段)土壤全氮含量分级、面积统计Table 7 Classification and area statistics of soil total nitrogen contents

由表层土壤全氮的养分地球化学等级(图4-a)可知,氮元素养分地球化学等级以中等为主,面积为279.60 km2;丰富和较丰富的土壤主要集中分布在太平街道西部官庄一带和大桥街道东部的司家—崔寨街道西部史家村一带,总面积58.33 km2;较缺乏和缺乏区除主要环绕丰富和较丰富区周边分布外,在鹊山水库西南部也有较大面积的分布,总面积108.70 km2。

a.养分地球化学等级图;b.不同土壤类型;c.不同土地利用类型。a.Grade map of nutrient geochemistry; b.Different soil types; c.Different land use types.图4 氮元素养分地球化学特征及不同条件下元素丰度比例Fig.4 Nutrient geochemical characteristics and element abundance ratio of nitrogen under different conditions

对比不同土壤类型土壤全氮的评价分级结果(图4-b)可知,土壤类型对氮元素含量影响较大,其中以壤质潮土中等以上级别占比较大,比例之和接近80%;冲积固定草甸沙土占比最小,低于50%,其余相差不大。

对比不同土地利用类型下土壤全氮的评价分级结果(图4-c)可知,农用地氮元素含量相对较高,中等以上占比最大,为77.80%,其次为建设用地,为73.18%,未利用地中占比最小,为47.80%。

黄河流域(济南段)表层土壤全磷含量为0.070～4.28 g/kg,平均为0.728 g/kg,略低于山东省表层土壤背景值(0.824 g/kg)。

按照规范分级标准进行养分地球化学评价,调查区土壤全磷含量丰富,中等以上等级区面积占调查区总面积的80.69%,较缺乏和缺乏区(四、五级)占比19.31%,表明区内磷元素储备较为充足(表8)。

表8 土壤全磷含量分级及面积统计Table 8 Classification and area statistics of soil total phosphorus contents

由表层土壤全磷养分地球化学评价(5-a)可知,磷元素含量一级丰富与二级较丰富等级的分布与氮元素类似,主要集中在太平和孙耿街道交界的洪官屯及其周边一带和大桥与崔寨交界的胡家庄—何家村一带,另外太平东部寺西张—小王家一带也有较大范围分布,总面积为105.63 km2,占调查面积的23.65%;含量三级中等的土壤在全区内大面积分布,面积254.74 km2,占调查区面积57.04%;含量为四级较缺乏和五级缺乏地区分布相对分散,除呈条带状分布于孙耿街道中西部和大桥、崔寨街道北部以及鹊山水库周边外,其余地段一般呈星点状分布,区域面积合计86.26 km2,占调查区面积的19.31%。

对比不同土壤类型土壤全磷的评价分级结果(图5-b)可知,以黄土状母质为主的冲击固定草甸沙土中,磷元素中等以上含量区占比之和超过80%,明显高于以冲积、沉积为主的潮土。

a.养分地球化学等级图;b.不同土壤类型;c.不同土地利用类型。a.Grade map of nutrient geochemistry; b.Different soil types; c.Different land use types.图5 磷元素养分地球化学特征及不同条件下元素丰度比例Fig.5 Nutrient geochemical characteristics and element abundance ratio of phosphorus under different conditions

对比不同土地利用类型下土壤全磷的评价分级结果(图5-c)可知,三级中等以上含量区在未利用地中占比最大,为90.40%,建设用地次之,为83.68%,农用地最低,为79.59%。

黄河流域(济南段)表层土壤全钾含量在1.0～179.9 g/kg,平均含量为23.5 g/kg,略低于全省表层土壤平均值(24.7 g/kg)。

按照规范分级标准进行评价,调查区表层土壤全钾以二级较丰富为主,面积占调查区76.87%,一级丰富和三级中等区占比接近,分别为10.87%和11.65%,较缺乏和缺乏仅占0.62%(表9)。

从图6-a可知,黄河流域(济南段)北部、中部和西部土壤钾元素含量相对丰富,东南部和南部的部分区域土壤钾元素含量较低。整个调查区内钾元素的变异系数仅为0.14,反映该元素的分布变异较小,含量变化不大。按土壤类型进行统计(图6-b)可知,湿潮土中三级中等以上区占比最小,其余均超95%;而冲击固定草甸沙土中土壤钾元素一级丰富和二级较丰富等级的占比最高,在90%以上,其余则不超80%。

a.养分地球化学等级图;b.不同土壤类型;c.不同土地利用类型。a.Grade map of nutrient geochemistry; b.Different soil types; c.Different land use types.图6 钾元素养分地球化学特征及不同条件下元素丰度比例Fig.6 Nutrient geochemical characteristics and element abundance ratio of potassium under different conditions

对比不同土地利用类型下土壤全钾的评价分级结果(图6-c)可知,各土地利用类型中,中等以上区域占比差异不大,但一级丰富和二级较丰富区占比以建设用地最高,为89.93%,农用地次之,为87.66%,未利用地最低,为78.63%,三级中等区占比则呈相反趋势。

3 讨 论

黄河流域(济南段)内元素组分F、I、Pb、Se、SiO2、As、pH、B、Fe2O3、Cr、Cd、Mn、Mo、Ge、K2O、Ni、Zn与济南市土壤元素背景值相当,pH背景值与济南市土壤背景值极为接近,但比山东省和全国土壤背景值均偏高,该研究结果与代杰瑞等[13]和庞绪贵等[14]对济南市和山东省的土壤元素背景值调查结果一致[23],科学准确地揭示了区域土壤元素丰缺状况。调查区内S、K元素背景值明显偏高,Al2O3和MgO的背景值则偏低,说明土壤元素背景值存在区域差异性,有必要为区域发展规划建立精细化的土壤调查数据,不可盲目参考省、市整体的土壤调查结果。

不同土壤类型中元素变异系数较小,即元素含量整体分布均匀;只有少量元素变异系数大于0.4,如MgO和Hg。其中,MgO最大变异系数(0.82)发生在砂质湿潮土土壤中,因此,MgO区域差异的主因是成土母质不同。Hg的最大变异系数(0.643)发生在农村宅基地土壤中,导致该变异系数较大的主因可能是人类活动。

S元素整体含量偏高,在各土地类型中,只有冲积固定草甸沙土和砂质潮土中S元素含量稍低,其他类型土壤中S元素含量均明显高于省、市平均值。冲积固定草甸沙土和砂质潮土中S元素含量较低,主要是由于硫元素在砂质土中易于淋失[19]。4种土地利用类型中,水浇地中S元素含量明显高于乔木林地、其他林地和农村宅基地,说明农业生产活动对土壤S元素含量产生了影响,主要是由于水浇地中施加复合肥较多,特别是高浓度复合肥通常含有较高含量的S(硫在化肥中质量百分比约5%～15%),后续可考虑调整施肥结构,合理搭配氮、磷、尿素、碳铵、高氯和高硫复合肥。

土壤pH是影响土壤金属元素存在状态(水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、弱有机结合态、强有机结合态和残渣态)的重要因素,金属存在状态直接影响作物对金属的吸收情况[30-31]和农产品质量。正常土壤pH在4～8,调查区pH比山东省和全国土壤背景值高。影响土壤pH的因素有成土母质、农业生产活动(如施肥)和环境污染[32-34]。结合土壤类型调查结果,发现黄河流域(济南段)广泛分布普通潮土,CaCO3含量丰富,所以pH偏高主要是源于成土母质,李超等[35]研究也发现成土母质中CaCO3对土壤pH有影响。

土壤中钼、铜和锌元素背景值与济南市和山东省元素背景值相当,为改善作物生长发育情况,可适当施加含相关元素的肥料。黄河流域(济南段)P背景值与济南市背景值相当,但明显高于山东省P背景值,对作物生长是有利的。

从不同街道之间的对比情况来看,太平街道N、P、K、I、F、Al等营养元素指标明显高于其他街道,这与其为重要的农业种植区相吻合。从各指标的变异系数来看,各地区表层土壤中大多数元素的变异系数较小,能够达到均匀分布程度。但人类活动影响可能使重金属元素和营养元素分布不均,如Hg元素在各地区变异系数均大于0.4。另外每个区均有2种或2种以上的指标变异系数大于0.4,个别元素指标变异系数可达0.7以上(MgO),说明人为因素对此类元素指标的影响较大。

土壤营养元素分级评价成果对指导农田施肥、充分发挥土壤的潜力具有重要意义。不同土壤类型中含氮量的差异主要与土壤粘粒含量有关,冲积固定草甸沙土粘粒含量少,氮流失严重,含量较低。农业用地氮含量较高,建设用地次之,这是由于农用地肥料施用较多,而建设用地取样点多位于菜地、绿化带等,菜地施肥或者绿化带固氮植物的存在,使建设用地氮素含量相对较高。黄河流域(济南段)内农业用地的磷元素含量低于其他类型用地,可能与农用地磷肥施用不足而又吸收较多有关,可结合作物生长情况,适当增加磷肥用量。

4 结 论

黄河流域(济南段)内高于山东省平均值的有害元素主要有Hg、As和Cd,其它元素有S、Corg、Co、N、B、CaO、Se、F。高于济南市平均值的元素主要有S、Corg、Co、Hg、N。其中太平街道的N、P、K等元素较富集,这与太平街道作为主要产粮和蔬菜基底的背景一致,后续农业规划也可参考该土壤元素地球化学元素背景值数据。

在不同的土壤类型中,除S元素整体偏高外,不同元素含量也有一定差异,如冲积固定草甸沙土的MgO含量明显偏高,壤质硫酸盐盐化潮土的K元素明显偏高,其余元素含量只存在略微差异。

黄河流域(济南段)表层土壤中大多数元素的变异系数较小,能够达到均匀分布程度。但在人类活动影响下,可能使重金属元素和营养元素分布不均,如Hg元素在各地区变异系数均大于0.4。大桥、崔寨、孙耿、太平4个街道中均有2种或2种以上的指标变异系数大于0.4,个别元素指标变异系数可达0.7以上(MgO),说明人为因素对此类元素指标的影响较大。

土壤主要营养元素中,全氮含量高于全省平均值,全磷和全钾含量略低于全省平均值。种植农作物时,需要根据区域差异及作物生长需要,调整N、P、K的施加量。