常彬，孫彥偉，趙涵，郭忠華，王學民，付兆健

(山東省物化探勘查院，山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東省土壤地球化學工程實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

當前形勢下，我國工業(yè)化進程日漸加快[1-3]，人口壓力及與之相關(guān)的土地利用變化導致土壤資源的負擔越來越重，對土壤資源的合理開發(fā)利用具有緊迫的現(xiàn)實需求[4]。因此，對土壤質(zhì)量進行合理評價，研究土壤元素地球化學特征與分布，不僅有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)，也有利于人類社會可持續(xù)發(fā)展。近年來，山東省各地陸續(xù)開展了土壤地球化學評價工作，并取得了一些重要成果[5-9]。本文以2019—2021年開展的“冠縣土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查評價”項目為依托，探討了冠縣土壤地球化學特征，并對土壤質(zhì)量進行了較為全面的分析與評價，為促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū)劃和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快土壤保護治理，制定經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為聊城市冠縣全區(qū)，位于山東省最西部，總面積1161km2，人口71.9萬，具有農(nóng)副產(chǎn)品加工、紡織、鋼壓延加工、護欄板加工四大主導產(chǎn)業(yè)。近年來隨著城市化、工業(yè)化進程進一步推進，礦物采掘、鋼鐵冶煉、工農(nóng)業(yè)排污以及過量開采地下水等活動愈加頻繁，造成了地面沉降、水土污染等一系列地質(zhì)災(zāi)害，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞[10-11]。

冠縣全境處于魯西北黃泛平原，地勢開闊平坦，地形自西南向東北傾斜，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，四季變化明顯。區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯，有馬頰河和京杭運河2條主要河流。地層自下而上依次為奧陶紀馬家溝群、二疊紀石盒子群、古近紀沙河街組、新近紀館陶組、新近紀明化鎮(zhèn)組和第四紀平原組。全縣土壤主要有潮土，風沙土和鹽土3個土類，潮土土類(主要有壤質(zhì)脫潮土、粘壤質(zhì)脫潮土、壤質(zhì)潮土、粘壤質(zhì)潮土、粘質(zhì)潮土、硫酸鹽鹽化潮土)占總土地面積的94.15%，風沙土類(主要有沖積固定草甸風沙土)占5.68%，鹽土土類(主要有氯化物硫酸鹽草甸鹽土)占0.17%。土壤類型分布圖見圖1。

1—壤質(zhì)脫潮土；2—粘壤質(zhì)脫潮土；3—壤質(zhì)潮土；4—粘壤質(zhì)潮土；5—粘質(zhì)潮土；6—硫酸鹽鹽化潮土；7—氯化物硫酸鹽草甸鹽土；8—沖積固定草甸風沙土圖1 山東冠縣土壤類型分布圖

2 工作方法

2.1 樣品采集與分析

土壤地球化學調(diào)查樣品采集遵循網(wǎng)格加圖斑的原則，嚴格按照《1∶50000土地質(zhì)量地球化學調(diào)查評價技術(shù)要求(試行)》執(zhí)行，以農(nóng)用地為主，并兼顧少量建設(shè)用地，共采集樣品5222件(其中設(shè)計點位5103個，重復樣119個)，平均采樣密度為4.53個/km2。土壤元素測試分析在山東省物化探勘查院巖礦測試中心完成，分析指標為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項指標。分析儀器以CP-MS為主體，輔以其他靈敏度較高的專項分析儀器，分析方法見表1。

樣品分析質(zhì)控采用標準樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控措施，保證了分析結(jié)果的準確性和可靠性，樣品分析質(zhì)量均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.2 數(shù)據(jù)處理及圖件編制

對分析取得的29項指標數(shù)據(jù)進行分析整理，統(tǒng)計分析項目包括樣品數(shù)、算數(shù)平均值、標準離差、變異系數(shù)、背景值、中位數(shù)、極大值、極小值、異常下限等地球化學參數(shù)。

圖件繪制基于ArcGIS軟件與中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展中心開發(fā)的土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價數(shù)據(jù)管理與維護(應(yīng)用)子系統(tǒng)完成。

表1 土壤元素全量分析項目與分析方法

3 研究區(qū)土壤地球化學背景值特征

土壤地球化學背景值是指自然應(yīng)力和人類活動共同作用影響下區(qū)域表層土壤的含量值[12]，統(tǒng)計、研究土壤元素背景值，對于全面了解區(qū)域地球化學特征和農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境，科學指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導意義[13]。研究區(qū)表層土壤剔除異常值后的數(shù)據(jù)特征見表2。

通過與聊城市和山東省土壤地球化學背景值對比，具有以下規(guī)律：

(1)研究區(qū)土壤中I、Mo、P等元素或指標地球化學背景值明顯高于聊城市土壤背景值，二者其余元素或指標較為接近。

(2)研究區(qū)土壤中OrgC、I、Mo、CaO、MgO、P、S等元素或指標地球化學背景值明顯高于山東省土壤A層，而Al2O3、K2O、Pb等元素或指標則明顯低于山東省土壤A層，二者其余元素或指標較為接近。

(3)與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)對比，研究區(qū)As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素的背景值均低于土壤污染風險篩選值(圖2)，說明研究區(qū)土壤中污染物含量對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風險低，一般情況下可以忽略。

表2 表層土壤地球化學含量特征參數(shù)統(tǒng)計表

圖2 冠縣土壤重金屬元素背景值與土壤污染風險篩選值對比圖(Cd、Hg含量單位為10-8，其余元素為10-6)

4 土壤質(zhì)量等級評價

4.1 土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級

N、P、K是評價土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級劃分的三大要素，其含量的高低直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平[14-15]，在單指標養(yǎng)分地球化學等級劃分基礎(chǔ)上，計算土壤養(yǎng)分地球化學綜合得分，計算公式如式(1)：

(1)

式中：f養(yǎng)綜—土壤N、P、K總得分；ki—N、P、K權(quán)重系數(shù)，分別為0.4、0.4、0.2；fi—N、P、K單元素等級得分。單指標評價結(jié)果5級、4級、3級、2級、1級所對應(yīng)的fi得分分別為1、2、3、4、5分。具體劃分規(guī)則見表3。

表3 土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級劃分表

通過對土壤樣品的分析，將研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級劃分為三類，即二等(較豐富)區(qū)、三等(中等)區(qū)、四等(較缺乏)區(qū)，詳細分布情況見圖3。

由圖3可見，研究區(qū)土壤養(yǎng)分以較豐富和中等為主，較豐富區(qū)主要分布于研究區(qū)東部及東南部地區(qū)，面積607.79km2，占總面積的52.32%；中等區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部及中部等地區(qū)，面積533.33km2，占總面積的45.91%；較缺乏區(qū)以片狀零星分布于中西部及北部地區(qū)，面積20.62km2，占總面積的1.77%。

1—二等(較豐富)區(qū)；2—三等(中等)區(qū)；3—四等(較缺乏)區(qū)圖3 山東冠縣表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分級圖

綜上可知，研究區(qū)土壤養(yǎng)分條件整體呈中等—較豐富水平，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有基本的肥力保障，有利于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。

4.2 土壤環(huán)境地球化學綜合等級

通過對研究區(qū)內(nèi)重金屬元素Hg、As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等元素進行單因子污染指數(shù)計算，計算公式如式(2)：

(2)

式中：Pi—土壤污染物i的單項污染指數(shù)；Ci—土壤污染物i的實測濃度；Si—污染物i在GB15618—2018中給出的土壤污染風險篩選值。

在單指標土壤環(huán)境地球化學等級劃分基礎(chǔ)上，按照土壤環(huán)境地球化學綜合等級等同于單指標劃分出的環(huán)境等級最差的等級的原則劃分最終等級，分布情況見圖4。

由圖4可見，全區(qū)均為清潔土壤，符合一級土壤環(huán)境質(zhì)量標準，完全能夠滿足農(nóng)業(yè)耕作土壤的環(huán)境質(zhì)量要求，故土壤環(huán)境地球化學質(zhì)量綜合等級為一等。

1—一等(清潔)區(qū)圖4 山東冠縣表層土壤環(huán)境質(zhì)量分級圖

4.3 土壤質(zhì)量地球化學綜合等級與利用建議

土壤質(zhì)量地球化學綜合等級由研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級與土壤環(huán)境地球化學綜合等級疊加產(chǎn)生[16-17]。分析結(jié)果可將研究區(qū)劃分為3類，即一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)、二等(良好)區(qū)、三等(中等)區(qū)(圖5)。 一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)：土壤質(zhì)量優(yōu)質(zhì)區(qū)主要分布于研究區(qū)西北部及東部地區(qū)，面積607.79km2，約6.08萬hm2，占總面積的52.32%。該區(qū)域可直接用于開發(fā)綠色食品、無公害農(nóng)產(chǎn)品，建議將耕地優(yōu)先保護和開發(fā)利用，規(guī)劃為高標準永久基本農(nóng)田，對于促進發(fā)展現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)、引領(lǐng)農(nóng)民增收脫貧具有指導意義。 二等(良好)區(qū)：土壤質(zhì)量良好區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部及中部等地區(qū)，面積533.33km2，約5.33萬hm2，占總面積的45.91%。由于該區(qū)域土壤中風沙土和鹽土占比較高，主要缺乏N和OrgC，可作為預(yù)警區(qū)，提示當?shù)剞r(nóng)民在施肥時重點關(guān)注，以改變作物缺素現(xiàn)象，同時劃為永久基本農(nóng)田進行保護。 三等(中等)區(qū)：土壤質(zhì)量中等區(qū)主要于中西部及北部地區(qū)零星分布，面積20.62km2，約2062hm2，占總面積的1.77%。該區(qū)域應(yīng)當進行必要的土壤修復，以改善土壤養(yǎng)分，提高耕地生產(chǎn)力。

從而可見，研究區(qū)土壤綜合條件較好，總體表現(xiàn)為良好—優(yōu)質(zhì)。

1—一等(優(yōu)質(zhì))區(qū)；2—二等(良好)區(qū)；3—三等(中等)區(qū)圖5 山東冠縣表層土壤綜合質(zhì)量分級圖

5 結(jié)論

(1)通過土壤質(zhì)量地球化學調(diào)查，首次系統(tǒng)獲取了山東省冠縣1∶50000比例尺的表層土壤29項元素指標含量數(shù)據(jù)，填補了此區(qū)域研究空白。

(2)冠縣表層土壤中I、Mo、P等元素與指標明顯高于聊城市土壤背景值，OrgC、I、Mo、CaO、MgO、P、S等元素與指標明顯高于山東省土壤背景值，而Al2O3、K2O、Pb等元素與指標則明顯低于山東省土壤背景值，其余均較為接近。

(3)冠縣土壤綜合質(zhì)量良好—優(yōu)質(zhì)。地球化學等級一等優(yōu)質(zhì)等級，占全區(qū)面積的52.32%；二等良好等級，占全區(qū)面積的45.91%，未出現(xiàn)較差和劣質(zhì)等級土壤。研究區(qū)較好的土壤質(zhì)量條件可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)增收和高質(zhì)量發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)。