劉 陽(yáng), 張海瑞, 姜 冰, 孫增兵, 王松濤

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第四地質(zhì)大隊(duì)，濰坊 261021；2.山東省地礦局 海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261021)

0 引言

隨著國(guó)家“土十條”的發(fā)布和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，山東省陸續(xù)開(kāi)展了多項(xiàng)土地質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工作，并取得了大量的成果[1-5]。統(tǒng)計(jì)分析方法中的因子分析和聚類分析可以將眾多指標(biāo)進(jìn)行“降維”和歸納，從而發(fā)現(xiàn)隱藏在大量數(shù)據(jù)中的潛在聯(lián)系，近年來(lái)在土地質(zhì)量調(diào)查工作中得到廣泛應(yīng)用[6-9]。這里以山東省高密市表層土壤測(cè)量成果為基礎(chǔ)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析地球化學(xué)數(shù)據(jù)，試圖總結(jié)高密市表層土壤元素組合特征，發(fā)現(xiàn)元素共生組合關(guān)系和成因聯(lián)系。

1 研究區(qū)概況

高密市地處山東半島中部，面積為1 525.7 km2，轄3個(gè)街道、7個(gè)鎮(zhèn)(圖1)。高密市屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年平均氣溫12℃，年平均降水量為689.1 mm，年蒸發(fā)量為1 227.6 mm。

高密市地層出露有：①中生代白堊紀(jì)萊陽(yáng)群，為一套復(fù)雜的陸相雜色碎屑巖沉積；②青山群，為一套復(fù)雜陸相酸性火山巖、中性—中基性火山巖及火山—沉積巖；③大盛群，為一套陸相碎屑巖夾火山巖,以及第四紀(jì)松散堆積物,巖漿巖不發(fā)育。高密市的構(gòu)造形式主要為斷裂構(gòu)造，走向以北東向?yàn)橹鳌Ｉw層沉積以單斜形式存在，傾向南東為主，傾角較緩。褶皺構(gòu)造極不發(fā)育。

高密市地勢(shì)南高北低，主要地貌類型為剝蝕平原、剝蝕—溶蝕平原、沖積—洪積平原。高密市位于濰東南丘陵水文地質(zhì)區(qū)，由南向北可分為南部緩丘區(qū)，中部緩平坡區(qū)和北部沖積平原區(qū)三個(gè)水文地質(zhì)單元。

高密市土壤分為棕壤、褐土、粗骨土、黑土、潮土共5個(gè)土類、10個(gè)亞類(圖1)。

1)棕壤包含棕壤、潮棕壤、棕壤性土三個(gè)亞類。棕壤粘粒含量較高，質(zhì)地粘重，pH在5.5～7.2之間，農(nóng)用為主；潮棕壤成土母質(zhì)主要為非石灰性巖石風(fēng)化物組成的洪沖積物，土體深厚，以剖面下部出現(xiàn)具有銹色斑紋的潮化層為特征；棕壤性土含有少量的礫石，粗粒含量高，土壤孔隙多，土壤干松，是一種低產(chǎn)土壤。

2)褐土包括淋溶褐土、潮褐土、褐土性土三個(gè)亞類。淋溶褐土是棕壤與褐土的過(guò)渡類型，成土母質(zhì)主要為灰?guī)r、砂頁(yè)巖的殘坡積物和洪沖積物，表層質(zhì)地大部分為砂質(zhì)粘壤土和粘壤土；潮褐土土層深厚，土壤肥力較高，質(zhì)地適中；褐土性土是發(fā)育在石灰性巖石殘坡積物上、中等厚度且剖面發(fā)育程度較弱的褐土亞類。

3)粗骨土包括中性粗骨土一個(gè)亞類。在研究區(qū)零星分布，中性粗骨土成土母質(zhì)為基性巖或砂頁(yè)巖殘坡積物，顏色較暗。

4)黑土內(nèi)包括砂姜黑土和石灰性砂姜黑土兩個(gè)亞類。砂姜黑土成土母質(zhì)為第四紀(jì)以來(lái)的淺湖相沉積物，質(zhì)地粘重，是山東省有機(jī)質(zhì)含量最高的土類；石灰性砂姜黑土是由富含碳酸鹽的母質(zhì)發(fā)育而成，并且在其成土過(guò)程中不斷接受含鈣沉積物。

5)潮土內(nèi)包括潮土1個(gè)亞類。潮土砂礫含量較高，長(zhǎng)石、石英、云母等礦物顆?？梢?jiàn)，不含碳酸鹽，表土疏松，耕性好，土質(zhì)深厚，質(zhì)地適中，熟化程度高。

高密市土地利用類型以耕地為主，占全區(qū)面積70.90%；其次為城鎮(zhèn)、村莊用地，占全區(qū)面積13.86%；主要種植小麥、玉米及大金溝韭菜、膠河土豆等地方特產(chǎn)。

圖1 研究區(qū)土壤類型圖[10]Fig.1 Soil type figure

2 樣品采集及分析測(cè)試

2.1 樣品布設(shè)、采集、加工及質(zhì)量評(píng)述

高密市表層土壤樣品是以第二次全國(guó)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查成果圖為底圖網(wǎng)格化布設(shè)的，平均布設(shè)密度為5.5件/km2。共布設(shè)表層土壤樣8 197件，重復(fù)樣191件。

采樣時(shí)在中心樣點(diǎn)50 m范圍內(nèi)用“S”或“X”形分設(shè)子樣點(diǎn)，3個(gè)～5個(gè)子樣品等量混合為一個(gè)樣品，采樣深度為0 cm～20 cm，采集時(shí)使用木鏟，木鏟清理干凈后再用于下個(gè)樣品采集。從野外采回的土壤樣品及時(shí)送到晾樣間，攤鋪在干凈的牛皮紙上晾干。在晾干過(guò)程中，要用木棒碾碎土塊，及時(shí)清理小石塊、草根等雜物。將晾干后的樣品在制樣間用木棒敲碎并全部通過(guò)10目的尼龍篩，過(guò)篩后土壤樣品混合均勻，四分法裝瓶送樣，余樣留存。

本次工作實(shí)行野外質(zhì)量三級(jí)檢查制度，自檢、互檢檢查率為100%，土壤樣品野外質(zhì)量檢查工作量為594個(gè)點(diǎn)，約占總工作量的7.08%；室內(nèi)原始資料檢查工作量為1 725個(gè)點(diǎn)，約占總工作量的20.57%；樣品加工檢查工作量為605件，約占總工作量的7.21%。檢查結(jié)果認(rèn)為，本次調(diào)查采樣點(diǎn)分布均勻合理，具有代表性，采樣深度和重量均達(dá)到規(guī)定要求，記錄卡填寫(xiě)內(nèi)容能反映采樣點(diǎn)附近概況，卡片記錄齊全、正確，符合要求。樣品加工程序符合要求，沒(méi)有發(fā)生樣品加工污染事件。樣品采集、貯存及加工質(zhì)量均達(dá)到規(guī)范要求。根據(jù)《地球化學(xué)普查規(guī)范(1∶50 000)》(DZ/T0011—2015)，本次重復(fù)樣檢驗(yàn)全部合格。樣品采集質(zhì)量可靠。

2.2 樣品分析測(cè)試

樣品由山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。檢測(cè)質(zhì)量由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)密碼樣、監(jiān)控樣、標(biāo)準(zhǔn)樣等多種監(jiān)控手段，保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性。全部樣品各元素/指標(biāo)分析結(jié)果均合格。具體樣品分析項(xiàng)目及配套分析方法見(jiàn)表1。

表1 高密市土壤樣品分析項(xiàng)目及分析方法

3 元素組合特征及其意義

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

使用SPSS軟件對(duì)測(cè)區(qū)表層土壤地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析和因子分析，以確定元素組合特征。聚類分析方法為組之間的鏈接；測(cè)量區(qū)間為pearson相關(guān)性；轉(zhuǎn)換值標(biāo)準(zhǔn)化范圍為0至1。因子分析描述統(tǒng)計(jì)量為單變量描述性和原始分析結(jié)果；相關(guān)性矩陣為系數(shù)和KMO和Bartlett的球形度檢驗(yàn)；抽取的方法為主成分，分析為相關(guān)性矩陣，抽取為基于特征值大于1，最大收斂性迭代次數(shù)為25；旋轉(zhuǎn)方法為最大方差法，最大收斂性迭代次數(shù)為25；得分方法為回歸。

3.2 聚類分析結(jié)果討論

聚類分析結(jié)果表明(圖2)，按距離系數(shù)15，可將22種指標(biāo)分為5個(gè)元素組合簇群及6個(gè)單元素簇。

圖2 研究區(qū)表層土壤元素聚類譜系圖Fig.2 Cluster spectrum of surface soil elements in the study area

第一簇群為Ni、V、Cr、Co、Mn組合；第二簇群為Mo、Se、Cd、Pb組合；第三簇群為Cu、Zn組合；第四簇群為N、有機(jī)質(zhì)、P組合；第五簇群為pH、F組合；其余I、B、Ge、As、K、Hg為單元素簇。

3.3 因子分析結(jié)果討論

因子分析檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，KMO值為0.799，適合作因子分析。本次工作選取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)80%以上的前11個(gè)因子做主要因子，它們所包含的原始變量的信息為81.474%(表3)。為分析表層土壤22項(xiàng)指標(biāo)與11個(gè)因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系，了解每個(gè)主因子所代表的內(nèi)涵，筆者采用最大方差旋轉(zhuǎn)的正交因子載荷矩陣對(duì)因子分析的結(jié)果進(jìn)行了分析(表4)。

表2 Bartlett與KMO檢驗(yàn)

表3 表層土壤特征根及因子提取結(jié)果表

表4 研究區(qū)因子分析正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表5 各元素相關(guān)系數(shù)表

表6 各元素相關(guān)系數(shù)表

**相關(guān)性在0.01層上顯著(雙尾)

表7 各元素相關(guān)系數(shù)表

取大于0.5的因子載荷，得到本區(qū)表層土壤元素組合特征：第一主因子指標(biāo)為Ni、V、Cr、Co、Mn；第二主因子指標(biāo)為N、有機(jī)質(zhì)、P；第三主因子指標(biāo)為Mo、Se、Cd；第四主因子指標(biāo)為Cu、Zn；第五主因子指標(biāo)為pH、F；第六、七、八、九、十、十一主因子代表的分別為I、K、B、As、Hg、Ge。因子分析和聚類分析的結(jié)果基本吻合。

3.4 元素組合的地質(zhì)意義

1)第一群組(第一簇群和第一主因子F1)代表了Ni、V、Cr、Co、Mn元素組合，它們具有相似的原子結(jié)構(gòu)，因此它們被分到同一組合。Luo[11]研究認(rèn)為，施肥并不會(huì)增加土壤中Cr、Ni的含量，研究區(qū)Ni、V、Cr、Co、Mn的背景值與濰坊市背景值相當(dāng)[12]，可以認(rèn)為它們沒(méi)有受到明顯污染。Ni、V、Cr、Co、Mn之間呈正相關(guān)關(guān)系(表5)，可以認(rèn)為它們具有相同的成土母質(zhì)來(lái)源，是中基性火山巖及火山—沉積巖的風(fēng)化產(chǎn)物；這一元素組合與研究區(qū)地質(zhì)背景密切相關(guān)[13-14]。

從因子得分圖(圖3)上可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)表層土壤第一主因子F1得分低值區(qū)主要沿膠河分布，膠河沿岸主要是第四系臨沂組，主要土壤類型為砂質(zhì)非灰性河潮土。低值區(qū)表層土壤元素均值為Ni(14.68 mg/kg)、V(48.00 mg/kg)、Cr(47.68 mg/kg)、Co(6.46 mg/kg)、Mn(383.60 mg/kg)，遠(yuǎn)小于濰坊市背景值Ni(26.9 mg/kg)、V(73.6 mg/kg)、Cr(65.3 mg/kg)、Co(11.5 mg/kg)、Mn(566 mg/kg)[2]，因?yàn)樽匀涣転V和河流沖刷作用，帶走了大量的Ni、V、Cr、Co、Mn，使之成為低值區(qū)。

圖3 表層土壤F1因子得分等值線圖Fig.3 Contour map of F1 factor score in surface soil

2)第二群組(第四簇群和第二主因子F2)代表了N、有機(jī)質(zhì)、P元素組合，它們都是腐泥質(zhì)元素，N、有機(jī)質(zhì)、P之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表6，呈正相關(guān)關(guān)系，分到同一群組也與它們的相互吸附性有關(guān)。

從因子得分圖(圖4)上可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤第二主因子F2得分高值區(qū)主要分布于闞家鎮(zhèn)東北部、醴泉街道中東部和朝陽(yáng)街道南部，也是高密市農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)。高密市1983年、1998年、2006 年三次土壤普查，土壤有機(jī)質(zhì)、N含量高值區(qū)與本次研究的高值區(qū)吻合較好，而且三次普查含量呈上升趨勢(shì)[15]，表明可能與農(nóng)業(yè)施肥有密切關(guān)系。低值區(qū)主要分布于高密市區(qū)周邊及高密市南部緩丘區(qū)，這些地區(qū)農(nóng)業(yè)欠發(fā)達(dá)，所以第二主因子的各指標(biāo)在該區(qū)含量較低。

圖4 表層土壤F2因子得分等值線圖Fig.4 Contour map of F2 factor score in surface soil

3)第三群組(第二簇群和第三主因子F3)代表了Mo、Se、Cd、Pb元素組合。Mo、Se、Cd、Pb之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表7，呈正相關(guān)關(guān)系。通常如果元素間顯著相關(guān)，則說(shuō)明它們可能屬于同一來(lái)源[16]，Se是燃煤的標(biāo)識(shí)性元素[16-17]，且Mo、Se、Cd的變異系數(shù)分別為4.18、0.48、0.78，分布較不均勻—極不均勻，顯示可能與局部燃煤產(chǎn)生的環(huán)境污染有關(guān)[18]。

從因子得分圖(圖5)上可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤第三主因子F3得分高值區(qū)主要分布于高密市區(qū)及周邊、夏莊鎮(zhèn)西部和姜莊鎮(zhèn)南部等人口密集、工業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)，其他地方零星出現(xiàn)，這些地區(qū)的燃料結(jié)構(gòu)以煤為主，特別是供暖期，燃煤量大增。這說(shuō)明燃煤是導(dǎo)致第三主因子各元素含量較高的主要原因；而第三主因子得分低值區(qū)主要分布于西北部大牟家鎮(zhèn)和高密市南部人口相對(duì)較少、工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)。

圖5 表層土壤F3因子得分等值線圖Fig.5 Contour map of F3 factor score in surface soil

4)第四群組(第三簇群和第四主因子F4)是Cu、Zn元素組合。Cu、Zn相關(guān)系數(shù)為0.062(P<0.01)，為正相關(guān)。Cu、Zn是親硫元素，區(qū)域上常形成與成礦作用有關(guān)的地球化學(xué)異常。但目前已知的，高密市無(wú)Cu、Zn礦產(chǎn)或礦化點(diǎn)。從因子得分圖(圖6)上可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤第四主因子F4高值區(qū)主要分布于高密市區(qū)、人口密集區(qū)及北部農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，高密市區(qū)及人口密集區(qū)含量高顯然是與人類活動(dòng)(居民大量使用含有Cu、Zn的金屬生活物品)密切相關(guān)，北部農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)含量高是因?yàn)橛袡C(jī)化肥及畜禽糞便的施用也會(huì)增加土壤中Cu、Zn含量[11-19]。

圖6 表層土壤F4因子得分等值線圖Fig.6 Contour map of F4 factor score in surface soil

圖7 表層土壤F5因子得分等值線圖Fig.7 Contour map of F5 factor score in surface soil

5)第五群組(第五簇群和第五主因子F5)代表了pH、F元素組合。高密市表層土壤中pH和F的相關(guān)系數(shù)為0.416(P<0.01)，呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明測(cè)區(qū)表層土壤的堿性越強(qiáng)，F(xiàn)含量越高；符合一般F與pH之間的規(guī)律。F在水與土壤間的轉(zhuǎn)化是可逆的，F(xiàn)易于由土壤向水中轉(zhuǎn)化，土壤的顆粒越細(xì)，F(xiàn)的轉(zhuǎn)化量越大。水中的F也能轉(zhuǎn)化到土壤中去，地下水pH 值為7.2～8.2 時(shí)，能增加氟的活化性，有利于氟的析出[20]。因此，地下水高F含量引起土壤含F(xiàn)量增高，土壤高F含量引起地下水含F(xiàn)量的升高[21]。從因子得分圖(圖7)上可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤第五主因子F5得分高值區(qū)主要分布在高密市西北部及北部，這與高密市高F地下水區(qū)相吻合，主要受地質(zhì)背景和F的遷移、富集影響，高密市南部緩丘區(qū)的中生代火山巖析出的F隨著地下水的遷移在北部平原區(qū)出現(xiàn)富集[20]。

圖8 表層土壤F6因子得分等值線圖Fig.8 Contour map of F6 factor score in surface soil

圖9 表層土壤F10因子得分等值線圖Fig.9 Contour map of F10 factor score in surface soil

6)單元素群組I、K、B、As、Hg、Ge等單元素組和單元素因子的出現(xiàn)，顯示出各自的獨(dú)立性。其中I、K、B、Ge屬于養(yǎng)分元素，其變異系數(shù)均小于0.4，分布均勻，它們單獨(dú)出現(xiàn)可能與各自的地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如I元素因子得分圖(圖8)顯示，I元素得分值較平均，多在-2.5～2.5之間，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的富集或缺乏。As、Hg屬于重金屬元素，As的變異系數(shù)為0.49，分布較不均勻，Hg的變異系數(shù)為4.13，分布極不均勻，它們單獨(dú)出現(xiàn)可能與人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染有關(guān)，如Hg元素因子得分圖(圖9)顯示，Hg元素在密水街道北部(樣品編號(hào)929b)和井溝鎮(zhèn)南部(樣品編號(hào)1224d1)出現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)狀高值區(qū)，這兩個(gè)點(diǎn)位均位于居民區(qū)，其中929b樣品Hg含量為7 104 μg/kg，1224d1樣品Hg含量為9 592 μg/kg，遠(yuǎn)大于高密市表層土壤Hg背景值為26.58 μg/kg[12]，但兩個(gè)點(diǎn)位周圍樣品Hg含量均未明顯偏高，故該點(diǎn)狀高值區(qū)可能是受人類活動(dòng)(如亂扔廢棄干電池、節(jié)能燈)污染所致。

4 結(jié)論

1)高密市表層土壤中22個(gè)元素/指標(biāo)的聚類分析和因子分析的結(jié)果基本吻合，分辨出五個(gè)元素組合群組：第一群組Co、Ni、Cr、V、Mn；第二群組有機(jī)質(zhì)、N、P；第三群組Mo、Se、Cd、Pb；第四群組Cu、Zn；第五群組pH、F。五個(gè)元素組合群組代表了81.474%原始變量信息。

2)各元素組合群組的意義如下：第一群組Co、Ni、Cr、V、Mn主要是地質(zhì)背景的反映；第二群組有機(jī)質(zhì)、N、P，它們同屬腐泥質(zhì)元素，是土壤中腐殖質(zhì)豐缺狀態(tài)的反映；第三群組Mo、Se、Cd、Pb，主要與人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染有關(guān)；第四群組Cu、Zn，主要受人類活動(dòng)和農(nóng)業(yè)施肥雙重影響;第五群組pH、F與高密市高F地下水區(qū)的分布有關(guān)，主要受地質(zhì)背景和F遷移、富集的雙重影響。

3)I、B、Ge、As、K、Hg與其他元素相關(guān)性差，各自形成單元素組，其中I、B、Ge、K等營(yíng)養(yǎng)類元素主要與各自的地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，As、Hg兩個(gè)重金屬類元素則可能與人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染有關(guān)。