梁勝躍, 徐明鉆, 劉建東, 陳 峰, 賀淑燕, 黃辰辰

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,江蘇南京210049)

0 引 言

安徽貴池地區(qū)屬于長(zhǎng)江中下游的江淮流域,地處長(zhǎng)三角一體化和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略交會(huì)區(qū),礦產(chǎn)資源豐富,山水林田湖草等自然資源稟賦好,長(zhǎng)期以來(lái)為中國(guó)東部地區(qū)發(fā)展提供了大量資源,但也付出了環(huán)境代價(jià)。多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查54項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果(國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局,2011)顯示,我國(guó)沿江地區(qū)存在Se元素異常,這些Se異常在小比例尺地球化學(xué)圖上仍有顯示(程志中等,2014)。貴池地區(qū)擁有較大的富硒土地資源潛力,此次土壤地球化學(xué)測(cè)量結(jié)果顯示貴池地區(qū)Se含量普遍較高。然而,土壤中Se含量高只是成為富硒土地的基礎(chǔ)條件(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部,2016;自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局,2019),還應(yīng)滿足相應(yīng)的酸堿環(huán)境下有害重金屬元素含量不超標(biāo)等必備條件。

為進(jìn)一步了解貴池地區(qū)是否存在達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)的土地資源和物質(zhì)來(lái)源,基于貴池地區(qū)土壤地球化學(xué)測(cè)量結(jié)果,探討土壤富硒特征,分析沖積平原和丘陵兩類地貌區(qū)的富硒物質(zhì)來(lái)源,以及制約該區(qū)富硒土地資源開(kāi)發(fā)的重金屬元素等指標(biāo)的地球化學(xué)分布特征和超標(biāo)情況,在此基礎(chǔ)上初步圈定富硒土地資源和其他有益元素富集范圍。

隨著對(duì)土壤與生命健康關(guān)系的深入研究(陶春軍等,2014;劉子寧等,2017;張鋮等,2018;郭炳躍等,2019;李朋飛等,2019;廖啟林等,2019;徐祖陽(yáng)等,2022),將會(huì)有更多的地球化學(xué)指標(biāo)納入富硒土地評(píng)定的限制條件,甚至形成更多富集有益元素的特色土地標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)其他有益元素的富集特征也進(jìn)行了分析,為當(dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)富硒等特色土地資源提供參考,進(jìn)一步拓展富硒土地評(píng)價(jià)思路。

1 研究區(qū)自然地理

研究區(qū)地處安徽池州西南部,面積約160 km2,位于長(zhǎng)江中下游東岸,是暖溫帶與亞熱帶的過(guò)渡地帶,屬于亞熱季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,局部有湖泊、池塘分布,秋浦河由南向北貫穿研究區(qū),對(duì)區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉、航運(yùn)防洪、歷史文化等方面的影響顯著。區(qū)內(nèi)地形起伏較大,海拔高度在8～410 m之間,主要由丘陵、平原、崗地、河流及山間洼地等地貌組成。按照地球化學(xué)景觀區(qū)分類方法(謝學(xué)錦等,2009;郭志娟等,2015),大致以秋浦河為界,研究區(qū)東側(cè)為濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)中低山丘陵區(qū),西側(cè)為沖積平原區(qū)。

研究區(qū)構(gòu)造位置處于揚(yáng)子陸塊北緣,屬揚(yáng)子陸塊下?lián)P子前陸帶與江南隆起帶之間的過(guò)渡區(qū),巖漿活動(dòng)、大型礦集區(qū)的形成主要受長(zhǎng)江斷裂帶控制(常印佛等,1991)。東部發(fā)育NE、NW向次級(jí)斷裂,受吳田—洞里章背斜和涓橋向斜作用,地層多呈NE向展布(楊曉勇等,2016);地質(zhì)單元主要有沉積碎屑巖類、泥質(zhì)巖類、碳酸鹽巖類、硅質(zhì)巖類、侵入巖類、第四紀(jì)松散堆積物6種,其中第四系地質(zhì)單元分為上更新統(tǒng)下蜀組(Qp3x)、全新統(tǒng)蕪湖組(Qhwal)。燕山期中細(xì)?；◢弾r主要分布于研究區(qū)東部邊緣地帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況及試驗(yàn)位置分布圖1-第四紀(jì)粉砂、黏土;2-白堊紀(jì)宣南組砂礫巖;3-三疊紀(jì)殷坑組泥灰?guī)r、頁(yè)巖;4-二疊紀(jì)含燧石結(jié)核灰?guī)r、瀝青質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r;5-石炭紀(jì)純質(zhì)灰?guī)r;6-泥盆紀(jì)五通組石英砂巖、泥巖;7-志留紀(jì)砂巖、粉砂巖、泥巖;8-中細(xì)?；◢弾r體;9-斷層;10-水系、水體;11-施工鉆孔;12-收集鉆孔;13-高硒異常區(qū);14-深層土壤高硒點(diǎn);15-深層土壤非高硒點(diǎn)Fig. 1 Geological profile and test location distribution of the study area

區(qū)內(nèi)尚無(wú)在產(chǎn)金屬礦山分布,總體屬于池州銅金鐵鉬鉛鋅銀銻成礦區(qū)(簡(jiǎn)稱池州成礦區(qū)),礦化類型有矽卡巖型、斑巖型、熱液型、風(fēng)化淋濾型,周圍分布有銅山銅金礦、小河王金礦、唐田金礦、拋刀嶺金硫礦、烏石銅金礦等10余座金屬礦山(翟裕生等,1992;杜建國(guó)等,2003;姚孝德等,2013)。

多端柔性直流配電網(wǎng)是指在同一直流網(wǎng)架下，含有2個(gè)以上電壓源換流器VSC(Voltage Source Converter)的直流配電系統(tǒng)。其最顯著的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，線路損耗小、供電質(zhì)量高、輸送容量大、不會(huì)出現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)等特點(diǎn)，在風(fēng)電等新能源并網(wǎng)、構(gòu)筑城市直流配電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

區(qū)內(nèi)土壤厚度差異較大,西部平原地區(qū)土壤覆蓋總體較厚(20～40 m),秋浦河以東丘陵地區(qū)土壤覆蓋相對(duì)較薄(0～20 m)。壤性主要為水稻土、石灰?guī)r土、紅壤、潮土4種。農(nóng)業(yè)種植類型多樣,西部平原區(qū)以種植雙季稻、小麥和玉米等農(nóng)作物為主,耕作方式以水田為主,丘陵區(qū)以茶葉、毛竹和其他經(jīng)濟(jì)林木為主(薛懷友等,2016)。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法與分析測(cè)試

以土壤地球化學(xué)測(cè)量為主,結(jié)合以往地質(zhì)鉆孔資料分析等。土壤地球化學(xué)測(cè)量采用格子采樣法,深層土壤平均每4 km2采1個(gè)樣,表層土壤平均每1 km2采1個(gè)樣,采樣方法參考多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部,2014),共采集土壤樣品208件(含重復(fù)樣8件)。采集樣品在野外自然風(fēng)干后,過(guò)0.85 mm(20目)尼龍篩,取篩下土壤。樣品測(cè)試指標(biāo)共54種,測(cè)試方法及質(zhì)量控制良好,測(cè)試結(jié)果均合格(梁勝躍等,2022)。用于佐證深部巖性、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等有關(guān)地質(zhì)資料,主要依據(jù)土壤地球化學(xué)調(diào)查野外原始記錄,依托項(xiàng)目的鉆孔編錄及測(cè)試結(jié)果等,部分地段深部基巖信息參考了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)云鉆孔資料等(圖1)。

2.2 地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理

土壤中的54個(gè)地球化學(xué)指標(biāo)蘊(yùn)含著大量的地球化學(xué)信息,為聚焦研究區(qū)關(guān)鍵信息,參考以往地球化學(xué)指標(biāo)優(yōu)選方法(梁勝躍等,2012,2017,2022),優(yōu)選出Se、Ge、I、N等17項(xiàng)敏感地球化學(xué)指標(biāo)(表1)。為便于討論,將這些指標(biāo)總體上分為2類:① 有益元素Se、N、S、F、I、Ge等,含量較高或者適量,有益于農(nóng)作物生長(zhǎng)和人類健康(李生秀,1999;劉勤等2001;韓張雄等,2017);② 有害元素Cd、Hg、Zn、As、Pb、Ni、Ba、Cu、Sb、Cr等,大部分屬于我國(guó)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控的重金屬指標(biāo),其中Sb、Ba等被有些西方國(guó)家列入土壤污染管控指標(biāo)(CCME,1999;VROM,2000)。

表1 研究區(qū)土壤元素分布參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

17項(xiàng)指標(biāo)中,Se、N、S、F、I、Ge等有益元素在雙層(表層與深層)土壤中均存在不同程度的富集,其中Se、Ge、I在雙層土壤中的富集率接近或>60%,且平均含量均高于江淮地區(qū)背景值或基準(zhǔn)值;Cd、Hg、Zn、As、Pb、Cu、Cr等有害元素不同程度地超出篩選值,其中Cd超標(biāo)率尤為突出,且在表層土壤中的超標(biāo)率高于深層土壤。綜上,研究區(qū)呈現(xiàn)出有益元素富集和有害元素超標(biāo)并存的特征,主導(dǎo)有益元素是Se、Ge和I,土壤重金屬元素超標(biāo)最明顯的是Cd。

2.3 聚類與因子分析

為了解元素Se與其他指標(biāo)的相關(guān)性,判斷Se元素的來(lái)源和影響因素,對(duì)17項(xiàng)指標(biāo)的土壤測(cè)試數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行聚類與因子分析等統(tǒng)計(jì)分析。首先,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO數(shù)據(jù)檢驗(yàn),結(jié)果顯示表層土壤和深層土壤數(shù)據(jù)分別為0.757、0.581,后者<0.6不適合進(jìn)行因子分析,故僅對(duì)表層土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

因子分析得出各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣,按照相關(guān)系數(shù)從低到高劃分為相關(guān)性極弱(-0.3～0.3)、弱(0.3～0.5,-0.5～-0.3)、相關(guān)性好(0.5～0.7)、強(qiáng)(0.7～0.8)、非常強(qiáng)(>0.8)5個(gè)層級(jí)(圖2)。結(jié)果顯示,部分元素間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,其中相關(guān)性非常強(qiáng)的元素有As與Sb、As與Zn、F與Ba、F與Ni,Se與其他指標(biāo)均表現(xiàn)為相關(guān)性弱或極弱。

圖2 表層土壤17項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣圖Fig. 2 Correlation coefficient matrix of 17 indicators in topsoil

基于特征值>1的方法,提取主原始總方差。其中,第1主因子特征值為7.137,方差貢獻(xiàn)率占比達(dá)42.0%,為最主要的因子;第2—第5主因子方差貢獻(xiàn)率在6.7%～10.0%之間,5個(gè)因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到74%,即總體74%的信息可以用這5個(gè)因子來(lái)解釋。

表2 正交旋轉(zhuǎn)后的主成分矩陣

① 第1主因子中載荷較高的元素有As、Ba、F、Ge、Ni、Sb、Zn,且它們的相關(guān)系數(shù)較高,推測(cè)在研究區(qū)內(nèi)這7個(gè)元素的成因或空間分布特征相近。② 第2主因子載荷較高的指標(biāo)是Cd、Pb、pH值,該因子主要代表了Cd污染分布特征、Pb地球化學(xué)分布特征和土壤酸堿環(huán)境特征,表明研究區(qū)內(nèi)表層土壤中的Cd含量與Pb、pH值變化關(guān)系密切。③ 第3主因子載荷較高的元素是N、S,兩個(gè)元素相關(guān)系數(shù)較高,因它們?cè)趶?fù)合肥中較為常見(jiàn)(侯曉娟等,2010;張衛(wèi)峰等,2013;王家寶等,2021),推測(cè)該因子可能與區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)施肥活動(dòng)有關(guān)。④ 第4主因子載荷較高的是I、Se,這兩個(gè)元素是典型的對(duì)人體有益元素,若能在空間上同時(shí)富集則有利于土壤質(zhì)量的提升。⑤ 第5主因子的載荷較高的元素只有Hg,表明研究區(qū)內(nèi)的Hg可能在來(lái)源或遷移富集方向上與上述其他元素均有所不同,屬于“另類”。

3 土壤元素分布特征

表層土壤質(zhì)量直接影響著人類生命健康,Zn、Ni、Cr在研究區(qū)表層土壤中并無(wú)超標(biāo)點(diǎn),不予考慮。選擇Se、I、Cd、As等14項(xiàng)可能影響富硒土地資源潛力的指標(biāo),采用Geochem Studio系統(tǒng)(高艷芳等,2019),制作表層土壤地球化學(xué)圖(圖3)。為便于研究地球化學(xué)分布特征,將有益元素地球化學(xué)圖歸類置于圖3b,有害元素地球化學(xué)分布圖歸類置于圖3c,將研究區(qū)土壤酸堿性、土壤類型、土地利用類型等要素圖作為地球化學(xué)圖的解譯參考圖一并成圖(圖3a)。

圖3 研究區(qū)表層土壤元素地球化學(xué)對(duì)比(a-1)土壤酸堿性;(a-2)土壤類型;(a-3)土地利用類型;(b)有益元素分布圖;(c)有害元素分布圖Fig. 3 Geochemical comparison of surface soil elements in the study area(a-1) Map of soil alkalinity and acidity;(a-2) soil type; (a-3) land use type; (b) Distribution map of beneficial elements; (c) Distribution map of harmful elements

圖3顯示:① 有害元素在區(qū)內(nèi)西部的高含量分布總體上與秋浦河在空間上具有較高一致性,在中東部地區(qū)局部存在Cd、Hg、Pb等有害元素的高含量區(qū)(圖3c);有害元素在農(nóng)田、城鎮(zhèn)等人類活動(dòng)干預(yù)較重的區(qū)域含量相對(duì)較高,在林地等人類活動(dòng)較弱的地區(qū)相對(duì)較低(圖3a-3),偏堿性土壤與有害元素高含量區(qū)重疊率較高(圖3a-1)。②有益元素中,F、N高含量區(qū)主要分布在秋浦河西側(cè)農(nóng)田內(nèi)(圖3b),該地段土壤類型有水稻土和潮土(圖3a-2);Se、I、S的高含量區(qū)主要分布在研究區(qū)東部山區(qū)的林地和零散農(nóng)田中,土壤類型主要為水稻土,其次為紅壤,秋浦河下游兩側(cè)地段也存在部分高Se區(qū),土壤類型主要為水稻土(圖3a、b);Ge的高含量區(qū)主要分布在研究區(qū)東西兩側(cè)邊界地區(qū),與紅壤的重疊率相對(duì)較高(圖3a、b)。

宏觀來(lái)看,區(qū)內(nèi)秋浦河沿線各類元素的含量均相對(duì)較高,其中,有害元素在秋浦河上下游沿線地區(qū)含量均較高,有益元素在秋浦河下游沿線地區(qū)含量相對(duì)較高。東部丘陵地區(qū)以有益元素高含量區(qū)為主,有害元素高含量區(qū)呈零散分布。

4 富硒土地資源潛力及問(wèn)題討論

4.1 土壤有益有害元素空間分布

依據(jù)現(xiàn)行土地質(zhì)量評(píng)價(jià)和富硒土地劃分標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部,2016),區(qū)內(nèi)僅深層土壤中有1件樣品缺Se,雙層土壤中均無(wú)過(guò)剩Se點(diǎn)位;僅考慮Se含量和pH值范圍,研究區(qū)達(dá)到富硒含量的表層土壤點(diǎn)位樣品有122件,深層土壤點(diǎn)位樣品為18件。結(jié)合研究區(qū)Se含量分布范圍,參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部,2016;自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局,2019),將Se含量(μg/g)值分為邊緣Se(0.125,0.175]、弱適量Se(0.175,0.3]、強(qiáng)適量Se(0.3,0.4]、高Se(>0.4),據(jù)此制作土壤Se含量分級(jí)圖(圖4a)。

圖4 研究區(qū)富硒土地評(píng)價(jià)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of selenium-rich land evaluation in the study area(a) Soil Se content classification map; (b) Virtual chemical partition map of harmful elements(Cd, As, Hg, Cu and Pb); (c) Virtual chemical partition map of beneficial elements (I, F, N, S and Ge); (d) Integrated evaluation map

研究區(qū)表層土壤中,Cd、As、Hg、Cu、Pb 5個(gè)重金屬元素存在超標(biāo)現(xiàn)象(表1),其中Cd為超標(biāo)點(diǎn)位最多的重金屬元素。為掌握研究區(qū)表層土壤有害元素超標(biāo)的空間分布,同時(shí)避免單個(gè)元素機(jī)械疊加導(dǎo)致的超標(biāo)面積誤差,將5個(gè)重金屬元素的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:① 定義各點(diǎn)位原始測(cè)試數(shù)據(jù)與研究區(qū)對(duì)應(yīng)的平均值的比值為襯值,將5個(gè)超標(biāo)元素的襯值相加得出累加值;② 將表層土壤點(diǎn)位按測(cè)試結(jié)果分為超標(biāo)土壤點(diǎn)(至少1個(gè)元素超標(biāo))和非超標(biāo)土壤點(diǎn),以凸顯有害元素超標(biāo)的效應(yīng),將非超標(biāo)點(diǎn)位中累加值>5.0的進(jìn)行限高并調(diào)整為4.9,將超標(biāo)點(diǎn)位中累加值<5.0的進(jìn)行托底并調(diào)整為5.0;③ 將調(diào)整后的有害元素累加值作為虛擬綜合超標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)合土壤點(diǎn)位空間坐標(biāo)數(shù)據(jù),采用Surfer軟件制作等值線圖,其中累加值≥5.0的區(qū)域設(shè)置為彩色,累加值<5.0的區(qū)域設(shè)置為白色,形成有害元素的虛擬化學(xué)分區(qū)圖(圖4b)。

研究區(qū)表層土壤中,除Se以外還有5種有益元素I、F、N、S、Ge(簡(jiǎn)稱“其他有益元素”)富集(表1),為掌握其他有益元素的空間分布情況,需要結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)表層土壤原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:① 將達(dá)到該元素富集或富集區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)位賦值2,否則賦值為1;② 將賦值結(jié)果累乘,如果結(jié)果為1則該點(diǎn)其他有益元素沒(méi)有達(dá)標(biāo),>2則表明該土壤點(diǎn)位至少有1個(gè)達(dá)標(biāo),結(jié)果表明每個(gè)土壤點(diǎn)位均有其他有益元素達(dá)標(biāo);③ 結(jié)合土壤點(diǎn)位空間坐標(biāo)數(shù)據(jù),采用Surfer軟件制作等值線圖,將≥2的區(qū)域進(jìn)行分級(jí),形成其他有益元素虛擬化學(xué)分區(qū)圖(圖4c)。

綜上,研究區(qū)土壤達(dá)到富硒含量標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)位中,表層土壤占76%,深層土壤占45%,其他有益元素表層土壤中達(dá)標(biāo)率總體較高(表1)?？臻g上,研究區(qū)秋浦河以東的丘陵地帶表層土壤富硒基礎(chǔ)較好(圖4a);其他有益元素空間互補(bǔ)性較強(qiáng),實(shí)現(xiàn)研究區(qū)100%覆蓋,疊加2個(gè)以上其他有益元素達(dá)標(biāo)的區(qū)域約占93%(圖4c);部分地區(qū)有害元素超標(biāo),其中Cd為主要超標(biāo)元素,點(diǎn)位超標(biāo)率約為48%,主要分布于西部平原地區(qū)和秋浦河沿岸(圖3c、圖4b),其他有害元素(As、Cu、Hg、Pb)僅個(gè)別樣品為超標(biāo),疊加2個(gè)及以上超標(biāo)元素的區(qū)域低于3%(圖4b)。

4.2 富硒土地資源分析

僅從富硒含量是否達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)角度分析,富硒等級(jí)分布情況如圖4a。調(diào)查結(jié)果顯示:研究區(qū)存在7處Cd、Hg等重金屬元素超標(biāo)地段(圖4b),此類區(qū)域有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);此外還存在多種有益元素富集或達(dá)標(biāo)情況(圖4c),這類區(qū)域是特色土壤的潛力區(qū)。為更加直觀地展示土壤富硒特征、其他有益元素分布情況與富集特征、重金屬元素超標(biāo)等空間分布情況,大致圈定富硒土地資源,對(duì)圖4a、b、c進(jìn)行空間耦合,形成綜合評(píng)價(jià)圖(圖4d)。面積分析顯示:無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的達(dá)到富硒含量標(biāo)準(zhǔn)值的區(qū)域(圖4d中高Se區(qū))約為61.4 km2,無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有3種以上其他有益元素共存的區(qū)域約為45.8 km2,既富硒又無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)并疊加3種以上有益元素的優(yōu)質(zhì)高Se區(qū)(7處)面積約40 km2,這些區(qū)域是富硒土地資源和特色土壤資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)。此外,在無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi),還有面積約22 km2的區(qū)域Se含量在0.3～0.4 mg/kg之間,但pH值不能同時(shí)滿足《天然富硒土地劃定與標(biāo)識(shí)》(試行)(DD 2019-10)要求,通過(guò)調(diào)節(jié)pH值也能達(dá)到富硒土地資源標(biāo)準(zhǔn),是需要關(guān)注的富硒潛力區(qū)。

將研究區(qū)表層土壤高Se異常區(qū)和深層土壤高Se點(diǎn)位與地質(zhì)情況結(jié)合(圖1),發(fā)現(xiàn)表層土壤高Se異常區(qū)總體分為兩部分,即東部涓橋鎮(zhèn)—李沖—聯(lián)合村一帶的低山丘陵區(qū)、西北部秋浦河下游平原區(qū)。

東部涓橋鎮(zhèn)—李沖—聯(lián)合村一帶巖性主要有二疊紀(jì)含燧石結(jié)核灰?guī)r、瀝青質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r和石炭紀(jì)純質(zhì)灰?guī)r等,其次是志留紀(jì)砂巖、粉砂巖、泥巖等,衛(wèi)星影像顯示該區(qū)域是四面環(huán)山的低緩丘陵地帶,推測(cè)土壤為研究區(qū)基巖風(fēng)化形成,圖1顯示該高Se異常區(qū)內(nèi)深層土壤部分點(diǎn)位也達(dá)到了高Se標(biāo)準(zhǔn),因此判斷二疊紀(jì)灰?guī)r是研究區(qū)Se的主要物源。此外,根據(jù)圖1分析,志留紀(jì)砂巖、泥巖分布區(qū)的表層土壤和深層土壤也不同程度地出現(xiàn)高Se情況,推測(cè)志留紀(jì)砂巖和泥巖也可能是物源之一。

西北部秋浦河下游平原高Se異常區(qū),巖性大致以秋浦河為界分為2種(圖1):西側(cè)為深層土壤,為達(dá)到高Se標(biāo)準(zhǔn)的第四紀(jì)粉砂黏土;東側(cè)亦為深層土壤,為達(dá)不到高Se標(biāo)準(zhǔn)的白堊紀(jì)宣南組砂礫巖。因秋浦河西側(cè)地區(qū)屬于沖積平原區(qū),成壤物質(zhì)主要為從秋浦河上游搬運(yùn)而來(lái)的巖石風(fēng)化物、沉積物等,因此判斷該強(qiáng)富硒區(qū)上游存在Se含量較高的物源,同時(shí)在成壤過(guò)程中因特定的表生環(huán)境又發(fā)生了Se的表生富集。

綜上,研究區(qū)土壤存在較好的富硒基礎(chǔ),剔除重金屬元素超標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),高Se土壤資源為61.4 km2,其中疊加Ge、I等多種有益元素的優(yōu)質(zhì)高Se特色土壤資源為45.8 km2。研究區(qū)內(nèi)東部存在灰?guī)r等Se的高背景地質(zhì)體,是東部原生土壤高Se的主要物質(zhì)來(lái)源;秋浦河上游流域內(nèi)可能存在Se高背景的物源,通過(guò)河流或沖洪積作用搬運(yùn)至研究區(qū)西部形成土壤,是西部土壤高Se的主要成因。此外,研究區(qū)在濕潤(rùn)氣候的宏觀條件下局部呈偏堿性環(huán)境,可能有利于土壤Se表生地球化學(xué)富集,是研究區(qū)表層土壤局部強(qiáng)富硒的關(guān)鍵因素。

4.3 富硒土地資源開(kāi)發(fā)利用前景

依據(jù)《天然富硒土地劃定與標(biāo)識(shí)》(試行)(DD 2019-10),研究區(qū)達(dá)到一般富硒標(biāo)準(zhǔn)的表層土壤達(dá)61.4 km2,主要集中在東部涓橋鎮(zhèn)—李沖—聯(lián)合村一帶的低山丘陵區(qū),其次是秋浦河下游東安天生湖附近的平原地區(qū)。若能進(jìn)一步開(kāi)展灌溉水和土壤肥力調(diào)查,有望將一般富硒土壤提升為無(wú)公害或綠色富硒土地。

衛(wèi)星地圖顯示,東部涓橋鎮(zhèn)—李沖—聯(lián)合村一帶的富硒區(qū)位于2條北東向山脈之間地勢(shì)相對(duì)較低的低山丘陵區(qū)。檢索中國(guó)地質(zhì)云發(fā)現(xiàn),該地區(qū)在20世紀(jì)90年代初期施工了5個(gè)非金屬礦類勘查鉆孔,資料顯示鉆孔頂部巖性均為灰?guī)r,厚度均>50 m,部分鉆孔灰?guī)r厚度>100 m,為研究區(qū)土壤的主要物質(zhì)來(lái)源,也是該區(qū)富硒土壤的關(guān)鍵物源。衛(wèi)星資料顯示,該區(qū)土地利用類型以林地和農(nóng)田為主,其次為石灰?guī)r采礦和住宅用地。綜合分析,該區(qū)域富硒灰?guī)r資源豐富,能夠?yàn)楫?dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)富硒土壤提供較好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

西北部秋浦河下游富硒區(qū),衛(wèi)星地圖顯示該區(qū)為地表水豐富的平原地區(qū),檢索中國(guó)地質(zhì)云未發(fā)現(xiàn)鉆孔資料。結(jié)合深層土壤采樣原始數(shù)據(jù)可知該區(qū)土壤深度均>2 m,研究區(qū)北部第四系鉆孔資料(薛懷友等,2016)顯示,該區(qū)土壤0～10 m主要為蕪湖組黏土類,10～15 m為下蜀組含粉砂黏土,深部為青戈江組中-粗砂及砂質(zhì)礫等。據(jù)Se元素地球化學(xué)圖(圖4a)判斷,研究區(qū)北部邊界的Se高含量區(qū)、異常區(qū)并未圈閉,因此推測(cè)該強(qiáng)富硒區(qū)極有可能延伸至研究區(qū)邊界北部外圍。衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示該強(qiáng)富硒區(qū)土地利用類型主要為農(nóng)田(以水田為主),具有開(kāi)發(fā)富硒土壤等特色農(nóng)業(yè)的天然條件。

4.4 土壤Cd超標(biāo)原因及應(yīng)對(duì)討論

研究區(qū)西部長(zhǎng)江沖積平原區(qū)大面積Cd超標(biāo),這與長(zhǎng)江流域Cd地球化學(xué)背景值高甚至大面積超標(biāo)的現(xiàn)狀一致(成杭新等,2008;趙傳冬等,2008;奚小環(huán)等,2021);研究區(qū)東部低山丘陵區(qū)存在局部Cd超標(biāo)和個(gè)別點(diǎn)位As、Hg、Cu、Pb超標(biāo)現(xiàn)象,其中As、Pb超標(biāo)點(diǎn)位于采石場(chǎng)內(nèi),Cu、Hg可能反映了礦化信息(梁勝躍等,2022)。土壤中這些重金屬元素的超標(biāo)現(xiàn)象對(duì)研究區(qū)富硒土地資源的開(kāi)發(fā)利用造成了直接不利影響。

以往的研究成果(韓春梅等,2005;楊忠芳等,2005;李福燕等,2009;孫慧等,2016;劉道榮等,2020)表明,pH是影響Cd的穩(wěn)定性和生物有效性最為關(guān)鍵的因素:酸性環(huán)境使Cd多呈穩(wěn)定離子狀態(tài),有利于其遷移,堿性環(huán)境則有利于其沉淀富集;酸性地區(qū)Cd的離子態(tài)更容易被植物吸收,堿性環(huán)境則相反;pH也會(huì)影響土壤中As、Hg、Cu、Pb的生物有效性。據(jù)此判斷,在研究區(qū)西部這種水網(wǎng)發(fā)育的土壤開(kāi)放環(huán)境中,酸性地區(qū)更利于Cd遷移或流失,致使Cd含量總體降低,堿性地區(qū)則相反,這可能是影響研究區(qū)西部地區(qū)Cd地球化學(xué)分布特征的重要機(jī)制。

地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示,研究區(qū)內(nèi)Cd與pH值相關(guān)系數(shù)較高(圖2),且兩者為聚類分析中第2主因子的主要因子(表2),對(duì)照?qǐng)D3可以發(fā)現(xiàn)土壤pH值高(偏堿性)的地區(qū)Cd含量也高,其他有害元素也存在類似的特點(diǎn),表明研究區(qū)具備通過(guò)調(diào)節(jié)pH值實(shí)現(xiàn)降低Cd等重金屬元素進(jìn)入農(nóng)作物的條件。

4.5 綜合利用討論

研究區(qū)開(kāi)發(fā)富硒土地資源的最大制約因素是Cd元素的超標(biāo),有研究(宋明義等,2012;霍文敏等,2019;唐世琪等,2020)表明Se與Cd有較強(qiáng)的拮抗作用,Se在人體內(nèi)對(duì)Cd有解毒作用,且堿性土壤中作物對(duì)Se的吸收能力高于Cd,不同農(nóng)作物對(duì)Cd等有害元素的吸收能力也不同。研究區(qū)東部的富硒灰?guī)r資源是開(kāi)發(fā)富硒土壤最大的有利條件,利用研究區(qū)灰?guī)r富硒的特點(diǎn),一方面可以為土壤提供Se源,進(jìn)而提升富硒土壤品質(zhì);另一方面,利用灰?guī)r作為原料,有助于研制土壤酸堿度調(diào)節(jié)劑并結(jié)合農(nóng)作物優(yōu)選,提高農(nóng)作物對(duì)Se的吸收率,同時(shí)降低Cd吸收率,提升富硒土壤對(duì)人體健康的積極作用。

研究區(qū)東部重金屬等有害元素總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,還存在相當(dāng)規(guī)模的富Se、Ge、I等優(yōu)質(zhì)土壤資源,開(kāi)發(fā)富集多種有益元素的特色土壤資源潛力巨大。至于局部地區(qū)的有害元素超標(biāo)現(xiàn)象,可以參照西部地區(qū)的防控建議措施。

5 結(jié) 論

(1)貴池地區(qū)土壤Se、I、F、N、S、Ge等有益元素含量普遍較高,指示當(dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)富Se、Ge、I等特色土地資源的基礎(chǔ)條件優(yōu)越。

(2)研究區(qū)土壤存在Cd、As、Cu、Hg、Pb等有害元素超標(biāo)現(xiàn)象,其中Cd超標(biāo)率達(dá)48%,是研究區(qū)內(nèi)主要有害元素,存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因子分析結(jié)果顯示Se與Cd、As等有害元素相關(guān)性低,表明他們成因不同,空間分布差異較大,為當(dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)富硒土地資源等提供了便利。

(3)研究區(qū)東部富硒土壤的主要物質(zhì)來(lái)源是二疊紀(jì)灰?guī)r,其周圍分布大面積的優(yōu)質(zhì)富硒土壤資源。研究區(qū)西部平原地區(qū)Se來(lái)源于秋浦河上游,且發(fā)生了較強(qiáng)的表生富集作用。無(wú)論是灰?guī)r富硒還是土壤表生Se富集,都是生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(4)研究區(qū)土壤中Cd與pH存在較強(qiáng)的相關(guān)性,表現(xiàn)為堿性土壤中Cd含量高、酸性土壤中Cd含量低的特點(diǎn),人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域Cd等有害元素含量相對(duì)偏高,這在研究區(qū)西部尤為明顯,表明在自然成壤過(guò)程中pH值影響了Cd元素的遷移方向,人類活動(dòng)一定程度上加劇了土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(5)研究區(qū)灰?guī)r資源豐富,且大多相對(duì)富硒,是未來(lái)開(kāi)發(fā)富硒土地資源的重要物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)也可作為當(dāng)?shù)匦迯?fù)土壤重金屬污染、降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵材料。