劉立芬

(1.黑龍江省自然資源調(diào)查院，黑龍江 哈爾濱 150036； 2.黑龍江省自然資源調(diào)查院 黑龍江省黑土地水土資源研究重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150036)

黑土是自然界最肥沃的土壤，其性狀好，肥力高，是最適宜農(nóng)耕的優(yōu)質(zhì)土地，被譽為“土壤中的大熊貓”。黑土地上生機無限，黑土地的保護利用和可持續(xù)發(fā)展一直是全社會關(guān)注的熱點問題。黑龍江省位于世界三大黑土帶之一的中國東北黑土帶上，松嫩平原、三江平原地勢平坦，土質(zhì)肥沃，淡水資源豐富，具有得天獨厚的農(nóng)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地和畜牧業(yè)產(chǎn)地，為我國實現(xiàn)糧食自給作出了貢獻。而綏化市望奎縣就位于松嫩平原腹地寒地黑土的核心分布區(qū)，是國家商品糧生產(chǎn)基地縣，在這一地區(qū)開展土壤環(huán)境質(zhì)量狀況調(diào)查研究工作，可為當(dāng)?shù)氐木G色農(nóng)業(yè)發(fā)展、土地資源科學(xué)管護等提供參考資料。

黑土地大自然賦予人類的寶藏，學(xué)者專家從未停止探索它的腳步。廣義上的黑土包含了黑土、黑鈣土、暗棕壤、白漿土、草甸土等[1-2]，其具有腐殖質(zhì)含量高、顏色呈黑色的顯著特[3]。早在19世紀各國學(xué)者就對黑土的形成和演化進行研究[4]；到20世紀，黑土分類演化等研究得到快速發(fā)展[5-6]；進入21世紀，對黑土地的研究方向愈加廣泛，黑土地應(yīng)用保護方面研究逐步增多[7]。國內(nèi)學(xué)者研究對象主要集中在我國東北黑土地，劉景雙等[8-9]對黑土中有機碳的含量及空間分布進行了深入研究；于磊等[10-11]對黑土退化原因及治理提出了對策；李娜等[12-13]對土壤肥力進行了研究評價；李嫣然等[14]對黑土地保護對策進行了研究探討。隨著研究的深入，人們對黑土地的認識逐步加深，學(xué)者研究主要對應(yīng)東北黑土地，鮮少針對某一地區(qū)開展大比例尺的掃面調(diào)查。本文所述是根據(jù)黑龍江省綏化市開展的1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作取得資料，經(jīng)整理分析，系統(tǒng)研究評價黑龍江省望奎縣主要農(nóng)耕區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，為當(dāng)?shù)鼐G色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有用資料，為鄉(xiāng)村振興建設(shè)積極助力。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江省綏化市望奎縣中東部地區(qū)，地處黑龍江省中部松嫩平原與小興安嶺西南邊緣的過渡地帶，三面臨河，位于呼蘭河北岸、通肯河?xùn)|岸、呼蘭河西岸，總體呈現(xiàn)東高西低，由崗丘狀高平原、微傾斜高平原向河谷平原過渡。研究區(qū)總面積約為1 745 km2，東、南與綏化市北林區(qū)接壤，北與海倫市相鄰，高速公路、省道、縣道貫通，“村村通”鄉(xiāng)村路網(wǎng)發(fā)達，交通十分便利。

研究區(qū)內(nèi)地層以第四系中更新統(tǒng)沖洪積覆蓋為主[15-16]，巖相主要為黏土、亞黏土；東部和南部地區(qū)有局部的白堊系四方臺組、嫩江組分布，巖性以泥巖、頁巖為主；而在河流沿岸為全新統(tǒng)河漫灘堆積，巖性主要有亞黏土、亞砂土、砂和砂礫石。區(qū)內(nèi)分布土壤類型主要有黑土、黑鈣土和草甸土[17-20]，其中黑土為主，廣泛分布于全區(qū)，其次為草甸土，主要分布于河流水系沿岸，而黑鈣土僅在后三鄉(xiāng)一帶有少量分布。研究土地利用以耕地為主，約占全區(qū)的81.81%，其中旱田為主，種植作物主要為玉米、大豆，馬鈴薯亦有較大面積種植，水田種植水稻，果園、林地、草地約占9.85%，林地以人工林為主，其他地區(qū)為水系、灘涂、建設(shè)用地等。

2 工作方法

2.1 樣品采集

研究土壤樣品采集在秋季農(nóng)作物成熟后和春耕前完成，盡量降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥對樣品的影響。采用1∶5萬比例尺進行土壤樣品采集工作，采樣密度為4個點/ km2，采樣深度為表層1～20 cm，每個樣品為一定范圍內(nèi)三點取子樣組合而成。采樣時去除表面枯枝、殘根、礫石等雜物，垂直采集地表0～20 cm深的土壤，收集樣品時在樣坑壁上刻槽取樣，混合均勻后采集，樣品質(zhì)量大于1 000 g。詳細記錄樣點坐標(biāo)，土壤顏色、土地利用方式等樣品信息和周邊環(huán)境信息。樣品采集后自然條件下晾干，時常揉搓，以防樣品黏結(jié)成塊，待干燥后以木棒敲打粉碎，過孔徑2 mm篩后150 g裝樣品袋送測試部門進一步分析。樣品的分析測試工作由黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)測試應(yīng)用研究所完成。

2.2 樣品分析測試

本次采集土壤樣品分析測試了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、pH值9項元素指標(biāo)，分析方法檢出限、準(zhǔn)確度、精密度參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)。土壤樣品分析指標(biāo)的所用分析方法報出率大于90%，總報出率高于98%。分析的準(zhǔn)確度和精密度均采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 系列)檢驗分析方法準(zhǔn)確度。對選用的國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，用被選定分析方法對每個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行12次分析，分別計算每個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間對數(shù)偏差(ΔlgC)，以此衡量土壤樣品分析的準(zhǔn)確度，計算每個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)多次測定數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)用來檢驗分析方法精密度，各元素分析方法準(zhǔn)確度、精密度合格率要求為100%。各元素指標(biāo)分析方法檢出限及準(zhǔn)確度、精密度見表1。

表1 樣本各指標(biāo)分析方法檢出限及準(zhǔn)確度和精密度Tab.1 Detection limit，accuracy and precision of each index analysis method for samples

2.3 數(shù)據(jù)處理

本次研究主要使用Excel、MapGIS67、ArcGIS10.0、GeoIPAS4.0等應(yīng)用軟件對取得的數(shù)據(jù)資料進行整理統(tǒng)計和圖件繪制。

3 取得成果

本次研究區(qū)內(nèi)共采集表層以土壤樣品7 005件，分析了8項重金屬元素及土壤pH值，取得了一系列數(shù)據(jù)資料，通過對數(shù)據(jù)資料的研究分析，系統(tǒng)查明了研究區(qū)內(nèi)重金屬元素的含量及分布特征，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對土壤環(huán)境現(xiàn)狀進行了研究評價。

3.1 土壤重金屬元素及酸堿度地球化學(xué)特征

3.1.1 參數(shù)地球化學(xué)特征

通過樣品測試分析取得了大量的數(shù)據(jù)資料，計算統(tǒng)計了研究區(qū)表層土壤中砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅及其pH值九項元素指標(biāo)的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)等一系列地球化學(xué)參數(shù)(表2)。

表2 表層土壤樣品元素地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Tab.2 Statistical of geochemical parameters of elements from surface soil samples

通過地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計信息可見，研究區(qū)內(nèi)各重金屬元素平均含量均不高，均顯著低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值。除鎘、汞元素外，其他6種重金屬元素的平均值與中位數(shù)相近，變異系數(shù)也較小，均在0.20以下，6種元素在該區(qū)內(nèi)分異不大，總體呈現(xiàn)相對均勻或較均勻的狀態(tài)，鮮少有異常分布區(qū)。研究區(qū)表層土壤中汞元素變異系數(shù)最高，為0.665，可見汞元素在該區(qū)內(nèi)分異較大，呈較顯著的不均勻分布特征；鎘元素變異系數(shù)為0.452，在該區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布特征，可能存在局部貧化或富集。而研究區(qū)內(nèi)表層土壤pH值平均為6.34，中位數(shù)為6.08，呈微弱酸性。

本次研究通過迭代剔除3倍離差方法統(tǒng)計調(diào)查區(qū)內(nèi)各元素背景值，并對比松嫩平原南部表層土壤、黑龍江省及全國土壤A層背景值，以反映調(diào)查區(qū)表層土壤中各元素相對于各不同統(tǒng)計單元的富集或貧化程度(表3)。

表3 表層土壤相對不同對比單元富集系數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistical of concentration coefficients of relatively different comparative units of surface soil

由表1中統(tǒng)計可見，研究區(qū)表層土壤中砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅元素背景值均高于松嫩平原南部背景值，富集系數(shù)(K1)大于1，其中鎘元素富集系數(shù)為1.03，富集不明顯；砷、鉻、銅、鎳、鉛、鋅元素富集系數(shù)1.1≤K1<1.3，呈現(xiàn)相對輕微富集；汞元素1.3≤K1<1.5，呈現(xiàn)相對富集狀態(tài)；而該調(diào)查區(qū)土壤pH背景值為6.33，總體呈現(xiàn)弱酸性。

對比黑龍江省A層土壤背景值，研究區(qū)內(nèi)鎘、鉻、鉛、鋅元素富集系數(shù)(K2)0.9≤K2<1.1，相對富集或貧化均不明顯，銅、鎳元素富集系數(shù)1.1≤K2<1.3，呈現(xiàn)輕微富集；砷元素富集系數(shù)K2為1.35，呈相對富集狀態(tài)；而汞元素富集系數(shù)為0.84，顯示該區(qū)土壤中汞元素相對于黑龍江省A層土壤呈輕微貧化狀態(tài)。

對比全國土壤A層背景值，鎘、鉻、銅、鎳、鉛富集系數(shù)(K3)均在0.9～1.1，富集或貧化均不明顯；砷、鋅元素富集系數(shù)0.7≤K2<0.9，呈現(xiàn)輕微貧化，而汞元素富集系數(shù)為0.48，呈現(xiàn)顯著貧化狀態(tài)。

表3中需要說明的是，①pH值無量綱，其他元素含量單位為10-6，表中“—”表示未收集到數(shù)據(jù)；②松嫩平原南部表層土壤背景值引自《黑龍江省松嫩平原南部農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查總體綜合評價報告》；③K1、K2、K3分別為望奎縣表層土壤背景值對比松嫩平原表層土壤、黑龍江省A層土壤和中國A層土壤背景值的富集系數(shù)。

本次研究區(qū)內(nèi)土壤類型主要為黑土、黑鈣土和草甸土3種，本次采集樣品中，有5 298件位于黑土分布區(qū)，約占總樣品的75.6%；有1 658件位于草甸土分布區(qū)，約占總樣品的23.7%；僅有49件位于黑鈣土分布區(qū)，約占總樣品的0.70%。對不同土壤類型分布區(qū)采集樣品中重金屬元素平均含量進行統(tǒng)計研究，結(jié)果見表4。由統(tǒng)計可見，重金屬元素在各土壤類型中平均含量較為相近，多數(shù)元素在黑鈣土中平均含量略高于黑土和草甸土。

3.1.2 重金屬元素分布特征

根據(jù)樣品分析取得的數(shù)據(jù)信息，編制研究區(qū)表層土壤地球化學(xué)圖，詳細查明了研究區(qū)內(nèi)表層土壤中砷、鎘等8項重金屬元素的分布特征及土壤酸堿度特征。

(1)砷元素。由砷元素地球化學(xué)圖可見，研究區(qū)內(nèi)砷元素含量普遍較低，總體呈現(xiàn)西北高、東南低的分布狀態(tài)，較高背景場主要分布在西北部后三鄉(xiāng)—靈山滿族鄉(xiāng)一帶以及前三—前頭—后惠村一帶地區(qū)，此外在望奎縣城周邊以及火箭鄉(xiāng)附近砷元素含量亦較高；砷低背景地區(qū)主要分布在克音河、呼蘭河沿岸地區(qū)，河流近岸灘涂地區(qū)呈現(xiàn)顯著砷元素低含量分布，頭道烏龍溝、二道烏龍溝沿岸砷元素含量亦較低。

(2)鎘元素。由鎘元素地球化學(xué)圖可見，研究區(qū)鎘元素分布不均勻，總體呈現(xiàn)西高東低的分布狀態(tài)。區(qū)內(nèi)鎘元素含量高背景地區(qū)多呈現(xiàn)零星的點狀分布狀態(tài)，主要分布在中西部地區(qū)，僅在望奎縣城周邊及東郊鄉(xiāng)一帶呈現(xiàn)較大面積的高背景場分布，這可能與該地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展較發(fā)達有關(guān)。燈塔鄉(xiāng)—蓮花鎮(zhèn)一帶分布有顯著的大面積鎘元素低背景區(qū)，而在海豐鎮(zhèn)南信二后村—恭頭一村一帶地區(qū)亦呈現(xiàn)鎘元素低背景分布。

(3)鉻元素。鉻元素在研究區(qū)內(nèi)分布較均勻，含量多處于60～70 mg/kg，僅在望奎縣城區(qū)一帶及衛(wèi)星鎮(zhèn)—海豐鎮(zhèn)—蓮花鎮(zhèn)一帶地區(qū)鉻元素含量略高。

(4)銅元素。由銅元素地球化學(xué)圖可見，研究區(qū)內(nèi)銅元素分布較為均勻。偏高背景場主要分布在望奎縣城周邊以及蓮花鎮(zhèn)周邊一帶地區(qū)，先鋒鎮(zhèn)和東郊鄉(xiāng)城區(qū)銅元素含量亦較高，城鎮(zhèn)化生產(chǎn)生活可能影響了周邊的銅元素的累積富集。此外，在頭道烏龍溝、二道烏龍溝、三道烏龍溝上游沿岸呈現(xiàn)較明顯的沿河近岸銅元素高含量分布；銅元素偏低背景場主要分布在火箭鄉(xiāng)西部蘭頭—廂蘭四村一帶、東郊鄉(xiāng)東南部水四—敏三村一帶地區(qū)。

(5)汞元素。由汞元素地球化學(xué)圖可見，研究區(qū)表層土壤中汞元素分布不均勻，高背景場主要集中在望奎縣城周邊一帶地區(qū)，此外在東郊鄉(xiāng)、廂白滿族鄉(xiāng)、惠七滿族鎮(zhèn)、蓮花鎮(zhèn)等范圍較大的村鎮(zhèn)居民地周邊亦呈現(xiàn)零星的汞元素高背景分布，這些地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展較好，人類的生產(chǎn)生活活動可能是影響汞元素在該地區(qū)呈現(xiàn)較高背景分布的因素之一。而該區(qū)低背景場分布亦較為零散，靈山滿族鄉(xiāng)東南部至廂白滿族鄉(xiāng)一帶、東升鄉(xiāng)南及衛(wèi)星鎮(zhèn)北部汞元素含量略低。

(6)鎳元素。研究區(qū)表層土壤中鎳元素含量總體呈現(xiàn)西高東低的分布特征，含量主要在25～33 mg/kg，高背景場分布在后三鄉(xiāng)、靈山滿族鄉(xiāng)至望奎縣城南及火箭鄉(xiāng)一帶地區(qū)，呼蘭河沿岸以及克音河西岸東升鄉(xiāng)—海豐鎮(zhèn)一帶鎳元素含量呈低背景分布。

(7)鉛元素。由鉛元素地球化學(xué)圖可見，研究區(qū)內(nèi)鉛元素分布較為均勻。高背景場主要分布在望奎縣城周邊及后三鄉(xiāng)、靈山滿族鄉(xiāng)一帶地區(qū)，火箭鄉(xiāng)西部及衛(wèi)星鎮(zhèn)北部鉛元素含量亦略高。而在頭道烏龍溝、二道烏龍溝及呼蘭河、克音河沿岸地區(qū)呈現(xiàn)較明顯的沿河近岸鉛低背景分布，燈塔鄉(xiāng)一帶鉛元素含量亦較低。

(8)鋅元素。由鋅元素地球化學(xué)圖可見，研究區(qū)內(nèi)鋅元素總體上呈現(xiàn)西高東低的分布特征。高背景場主要集中在望奎縣城周邊一帶地區(qū)，在頭道烏龍溝、二道烏龍溝、三道烏龍溝上游沿岸呈現(xiàn)較明顯的沿河近岸鋅元素較高含量分布；鋅低背景場主要分布在海豐鎮(zhèn)一帶地區(qū)。

此外，土壤酸堿度方面，通過研究統(tǒng)計，研究區(qū)內(nèi)表層土壤pH值主要在5.0～6.5之間，以酸性狀態(tài)為主，無pH值低于5.0的強酸性土壤；研究區(qū)內(nèi)各水系沿岸土壤pH值略高，為中性至弱堿性，這主要與綏化地區(qū)地表河流水質(zhì)多呈現(xiàn)弱堿性有關(guān)。

3.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)評價

砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅八種重金屬元素是土壤環(huán)境質(zhì)量評價的主要指標(biāo)，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布實施的《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)和《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)對不同土地利用類型土壤中各重金屬元素含量限定了風(fēng)險篩選值和管制值，見表5。

表5 農(nóng)用地和建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險篩選值及管制值Tab.5 Screening value and control value of soil pollution risk of agricultural land and construction land

本次研究以第二次土壤調(diào)查取得地塊信息為主要評價單元，參照上述標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計，結(jié)果表明，望奎地區(qū)土壤中各種金屬元素含量普遍低于土壤污染風(fēng)險篩選值，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險低，一般情況可以忽略。其中砷、鉻、銅、汞、鎳、鋅6種元素含量全部低于土壤污染風(fēng)險篩選值，僅個別地塊中鎘元素含量高于土壤污染風(fēng)險篩選值且低于管控值，約有5.78 km2，5處地塊鉛元素含量高于土壤污染風(fēng)險篩選值且低于管控值，約有0.22 km2，其土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險，應(yīng)重點進行關(guān)注。

表6 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分界限Tab.6 Dividing boundaries of soil environmental geochemical grade

通過研究統(tǒng)計，望奎縣區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀非常優(yōu)良，砷、鉻、銅、鋅元素100%為清潔狀態(tài)。研究區(qū)內(nèi)土壤99.65%為鎘元素清潔狀態(tài)；約5.72 km2為輕微污染，約占全區(qū)0.33%，為零散地塊分布，2處地塊為鎘元素輕度污染，面積約0.47 km2，約占全區(qū)0.03%；無鎘元素中度污染和重度污染土壤。區(qū)內(nèi)土壤約99.94%為汞元素清潔狀態(tài)，約1.10 km2呈現(xiàn)輕微污染，約占全區(qū)0.06%，無汞元素輕度污染、中度污染和重度污染土壤。區(qū)內(nèi)土壤約99.91%呈現(xiàn)鎳元素清潔狀態(tài)，約1.60 km2呈輕微污染狀態(tài)，約占全區(qū)0.09%，無鎳元素輕度污染、中度污染和重度污染土壤。區(qū)內(nèi)99.99%為鉛元素清潔土壤，僅有一處地塊為鉛元素輕微污染狀態(tài)，面積為0.17 km2，約占全區(qū)0.01%，無鉛元素中度污染和重度污染土壤。綜合8種重金屬元素的評價統(tǒng)計，對研究區(qū)土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合評價，結(jié)果表明，該研究區(qū)內(nèi)99.49%均為清潔土壤；有8.41 km2為輕微污染土壤，約占調(diào)查區(qū)0.48%；有0.47 km2處于輕度污染狀態(tài)，約占調(diào)查區(qū)0.03%。

綜合可見望奎縣地區(qū)農(nóng)耕區(qū)黑土地壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，區(qū)內(nèi)沒有大面積集中連片污染地塊，農(nóng)耕區(qū)普遍為一等清潔狀態(tài)，鮮少的輕微污染地塊分布較為零散，極個別地塊達到輕度污染狀態(tài)，建議謹慎種植蔬菜類農(nóng)作物[23-25]。

4 結(jié)論

通過上述研究可見，在黑龍江省望奎縣黑土地土壤中砷、鎘、鉻等8項重金屬元素含量普遍低于土壤污染風(fēng)險篩選值，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險低，一般情況可以忽略。極少數(shù)地塊有個別重金屬元素高于土壤污染風(fēng)險篩選值且低于管控值，其土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險，應(yīng)重點進行關(guān)注，此類地塊謹慎種植蔬菜作物。綜合研究表明該區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，全區(qū)99.49%為一等清潔土壤，且農(nóng)耕地塊集中連片，綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展條件得天獨厚。