山東省成武縣土壤地球化學特征及土地質量現狀

邱成貴

(山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

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環境地質

山東省成武縣土壤地球化學特征及土地質量現狀

邱成貴

(山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

山東省成武縣農業地質環境土壤地球化學調查是按淺層、深層土壤樣品1點/4km2。測試N，P，K，Cu，Zn，B，Mo，Mn，F，As，Hg，Pb，Cr，Cd等14種指標。在統計這些指標的表層、深層土壤地球化學特征參數的基礎上，對其與世界、全省同類參數的差異進行了分析，并分析了區內表層、深層土壤元素含量的相關性，認為該區表層土壤元素含量的顯著特征是高F，Hg，Pb而低Mo；大部分元素在表層土壤中的含量繼承了土壤母質的成分特征，但N，F，Hg，Pb等受人為活動和污染源的作用在表層土壤中明顯富集。通過分析表層土壤營養元素有效量可知，P，K，Zn的有效量高；供肥能力強；而Mo，Cu，Mn明顯偏低。利用易污染元素淺層土壤含量值，通過污染指數法，對全區土壤污染程度進行了評價；區內土壤無嚴重污染區存在，并且明顯污染地段面積較小，呈零星分布，說明區內污染程度較輕。

地球化學調查；表層土壤；深層土壤；元素含量；成武縣

0 引言

隨著人口、資源、環境成為人類生存發展的重要主題,可持續發展已被日漸重視[1]，區域勘查地球化學的應用領域不斷拓寬,覆蓋區多目標地球化學調查的重要性日益顯露。通過多目標地球化學調查,對地質和地球化學背景進行研究,可為覆蓋區土地資源利用、環境地質及生態保護工程、地方病防治等提供基礎地球化學資料。

山東省成武縣農業地質環境土壤地球化學調查是按淺層、深層土壤樣品1點/4km2*山東省物化探勘查院，山東省成武縣農業地質環境土壤地球化學調查成果報告，2001年。。成武縣是山東省重要的農業縣，自改革開放以來，農業經濟迅速發展，目前已成為全地區重要的農林牧生產基地。農作物的生長與土壤中地球化學元素密切相關，開展成武縣土壤地球化學調查，從土壤中地球化學元素分布入手，研究土壤中地球化學元素背景含量及有益和有害元素的遷移、轉化和富集規律[2-3]，對成武縣農業布局與農產品安全具有重要意義。

1 測區地質背景

研究區地處魯西南坳陷的西南部。全境為新生界第四系所覆蓋，覆蓋層下部凸起區與凹陷區交錯相間，區內大部為凹陷區，在工區西部曹縣斷裂以西為凸起區。凸起區地層發育有古生界寒武系、奧陶系；凹陷區地層發育有中生界侏羅系及新生界古近系(圖1)。工區西鄰聊考斷裂帶，區內斷裂構造較發育，為物探推測斷裂并被鉆探工作證實，主要有NNE向的曹縣斷裂、巨野斷裂，以及EW向的鳧山斷裂。區內的巖漿巖不發育。

第四紀沉積物以黃河沖洪積、湖沼相堆積物為主，沉積厚度多在370～450m間，大部分地區第四紀沉積物物源復雜，與其下的基巖沒有成因聯系。全區分為潮土、鹽化潮土2個亞類。

圖1 區域地質構造略圖

2 樣品的采集及測試

2.1 樣品的采集和加工

野外調查嚴格按照《1∶25萬區域地質調查規范)》[4]及《多目標區域地球化學調查規范(1∶25萬)》[5]的規定執行。工作中采用點線結合的方法布

置觀測點和觀測路線，并以1∶5萬地形圖為工作手圖，采用GPS進行定點。淺層、深層、有效態土壤樣品均按1點/4km2，淺層土壤樣采樣深度為15～25cm，深層土壤采樣深度為80～90cm。樣品過20目的尼龍篩，送樣重量為150g。

2.2 樣品測試元素及指標

該次土壤地球化學調查全量分析項目有N，P，K，Cu，Zn，B，Mo，Mn，F，As，Hg，Pb，Cr，Cd；有效量分析項目有N，P，K，Cu，Zn，B，Mo，Mn。樣品分析測試由山東省物化探勘查院化驗室和國土資源部物化探研究所共同承擔。其中山東省物化探勘查院化驗室負責分析全量元素：N，P，K，Cu，Zn，B，Mo，Mn，As，Hg，Pb，Cr；有效量元素：K；國土資源部物化探研究所分析有效量元素：N，P，Cu，Zn，B，Mo，Mn；全量元素：F和Cd；樣品測試各項指標均達到優秀級標準，保證了樣品質量的可靠性。

3 測區土壤地球化學特征

3.1 全量元素的土壤地球化學特征

3.1.1 全量元素的土壤值特征

(1)表層土壤值特征

表層、深層土壤中元素含量平均值是土壤地球化學調查研究的基礎參數(表1)，它們分別代表了不同環境土壤中元素含量水平和變化規律[6-8](表1)。

表1 成武縣表、深層土壤地球化學參數

注：世界土壤值摘自《內地沿海部分沖積平原區化探工作方法初步研究》;中國土壤值摘自《山東土壤》;山東省土壤值摘自《山東土壤》《山東省地質—地球化學環境與有關農作物及地方病相關性研究》。元素含量單位：K為10-2；Cd，Hg為10-9；其余為10-6。

由表1可見：

①與世界土壤值的比較：N，P，K，Cu的土壤值與世界土壤值基本相當；Zn，B，F，As，Hg，Pb的土壤值高于世界土壤值；其中B，F，As，Hg，Pb明顯偏高；分別是世界土壤值的4.9倍、2.9倍、2.3倍、3.9倍和2.6倍；其中F，As，Hg，Pb為有害元素；說明表層土壤中已有明顯積累，局部地區可能產生不同程度的污染，應引起足夠重視；Mo，Mn，Cr，Cd的土壤值低于世界土壤值；尤其是Mo，Mn，Cd明顯偏低；僅是世界土壤值的36%、78%和28%。其中Mo，Mn為農作物所需的微量營養元素，因土壤中儲備量嚴重不足，可能形成表層土壤中的局部缺乏區和嚴重缺乏區，應注意增施相關肥料。

②與省內土壤值的比較：K，Cu，Zn，B，As，Cr與省內土壤值基本相當；其中Cu，Zn，B，As微高；N，P，Mn，F，Hg，Pb，Cd高于省內土壤值；其中N，F，Hg，Pb明顯偏高；Mo明顯低于省內土壤值，僅是省內土壤值的62%。

由比較可看出，該區表層土壤值有如下顯著特點：其一是F，Hg，Pb不但高于世界土壤值；而且也高于省內土壤值，說明表層土壤已受到不同程度污染，應加強污染源的控制和由此可能引起的病蟲害防治。其二是Mo的儲備量嚴重不足，不但低于世界土壤值，而且也低于省內土壤值，可能會引起表層土壤中局部缺Mo和嚴重缺Mo，應注意增施Mo肥，以滿足農作物生長的需要。

(2)深層土壤值特征

因深層土壤賦存于表層土壤0.8m之下，一般受地表環境影響較小，故其土壤值基本反映了原始成土母質的真實含量，因此用其土壤值與淺層土壤值比較，可比較真實的反映元素含量的變化差異及人為活動的影響程度。由表1可知：K，Cu，Zn，B，Mo，Mn，F，As，Cr的土壤值與表層土壤值相當或基本相當；說明人為活動基本上未引起以上元素含量的變化；N，P，Hg，Pb，Cd的土壤值低于表層土壤值；說明以上元素的含量在表層土壤中有一定積累；究起原因，認為N，P是由于人為過量施肥引起；Hg，Pb，Cd為局部污染源引起；可能使土壤受到不同程度污染，局部地區出現起始污染，甚至明顯污染，對農作物易形成危害，應引起重視。

3.1.2 表、深層土壤中全量元素的相關關系

為了進一步揭示表、深層土壤中元素含量的內在規律性，利用同土壤類型、同點位，表、深層元素含量對進行了元素的相關分析。選擇的土壤類型分別是潮土、鹽化潮土(表2)。

由表2可知：

(1)潮土中，r>ro的元素有Cu，B，F，As；呈顯著相關；根據其相關值r的大小，其排列次序為As>F>B>Cu。在不相關元素中，N，P相關系數為負值；認為是人為過量施肥所引起；K，Zn，Mo，Mn，Cr相關系數在0.1左右；可能是農作物選擇性吸收所引起；Hg，Pb，Cd為有害元素；相關系數與ro值接近，認為由輕度局部污染所引起。

(2)鹽化潮土中，r>ro呈明顯相關的元素有Cu，Zn，Mo，Mn，F，Cd；相關程度排序為F>Mo>Mn>Zn>Cu>Cd；K，As，Hg相關系數r>0.2；呈近似相關；其余元素相關系數與臨界值差異較大，為不相關。

表2 淺、深層土壤元素地球化學含量相關特征

由表2可以發現，鹽化潮土區元素的相關性最好，主要原因為該土壤不是主要的農田區，人為活動影響程度最小，表層土壤基本保持了深層土壤的元素含量。

3.1.3 全量元素在土壤中地球化學組合關系及分布特征

全量元素在土壤中的地球化學分布特征，反映了客觀條件下元素的自然組合規律，它既受成土母質的控制，又受人為活動對土壤改造的影響，弄清以上諸方面的問題，將有助于土壤質量評價和環境質量分區。為此，以元素分析含量為基礎，利用R型聚類分析方法，分別制作了表、深層土壤譜系圖(圖2、圖3)，其目的是對該地區土壤中元素的共生組合特征及其差異性進行研究，探討農業地質環境與元素含量間的較深層次的相關信息。

圖2 元素R型聚類分析譜系圖(淺層)

圖3 元素R型聚類分析譜系圖(深層)

(1)表層土壤中元素的組合關系

圖2為該區表層土壤中元素R型聚類分析譜系圖，以相關系數0.4為標準，可將14種元素明顯分為5個簇群。第一簇群為Mo，Cr，Pb，Zn，Cu，Mn，B組合；第二簇群為N，F，Cd，As組合；Hg，P與K三元素與其他簇群相關系數相差較大，故形成三、四、五單元素簇。

第一簇群占分析元素的一半，除Pb，B外；其余均為過渡性元素，該簇群相關系數r≥0.6，譜系圖顯示出明顯的相關性。第二簇群除N之外，多為易污染元素，因As，Cd，F相關系數r=0.6；而N，As，Cd，F相關系數r=0.5；說明As，Cd，F之間相關性強；而N與As，Cd，F之間略有差異。第三、四、五簇群分別是Hg，P，K單元素簇群；因相關系數相差較大，地球化學圖各異。

(2)深層土壤中元素的組合關系

由圖3為該區深層土壤中元素R型聚類分析譜系圖，以相關系數0.4為標準，可將深層土壤中全量元素分為4個簇群。第一簇群為Mo，Cr，Pb，Zn，Cu，Mn，B；與淺層土壤第一簇群相同；唯一差異是進一步突出了個別元素之間的相關性，如Mo與Cr，Pb與Zn及Mn與B；第二簇群為N，K，F，Cd，As；與淺層土壤全量元素的第二簇群相比，增添了K，且K與F，Cd，As的相關系數為0.6；相關程度密切。P與Hg仍為單元素簇，組成第三、四簇群。

第一簇群地球化學分布的突出特點是：高含量區和低含量區對應明顯，重合性好，且有等含量線將其包容成一個整體，形成舒緩波狀的帶狀或片狀。第二簇群與第一簇群相比，地球化學分布特征具有明顯的差異性，高低含量區的分布正好相反。

第三、四簇群P，Hg土壤地球化學圖差異較大；元素分布特征幾乎無規律性變化。

3.2 有效量元素的土壤地球化學特征

3.2.1 有效量元素的表層土壤值特征

元素有效量是土壤供給農作物生長所需營養水平的衡量。它的高低將直接影響農作物的生長、產量和品質。由表3可知工區土壤中元素有效量值有如下特點：

(1)P，K，Zn的有效量值均高于全省土壤值；且都大于土壤臨界值，說明土壤中這3種元素的營養水平比全省高，供肥能力強。

(2)N，B與全省土壤有效量值基本相當。

(3)Mo與省內土壤有效量值基本相當，但均低于土壤臨界值，說明全省土壤中普遍缺Mo。

(4)Cu，Mn低于全省土壤有效量值；并且Mn的有效量值遠低于土壤臨界值，說明區內嚴重缺Mn。

(5)與菏澤地區土壤值相比，P，Zn偏高；N，Cu偏低；而K，B基本相當。

表3 元素有效量統計 10-6

3.2.2 表層土壤中元素全量與有效量之間的相關關系

土壤中元素的全量和有效量與土壤形成過程和土壤屬性密切相關，全量主要取決于成土母質中元素含量，而有效態含量除受全量影響外，更重要的是受土壤pH值、氧化還原電位、有機質含量等條件的制約。因此建立元素全量與有效量相關關系時，為消除土壤屬性影響，采用同土壤類型、同土壤深度、同點位、同pH值條件的元素含量對，求取一元回歸方程y=ax+b，在土壤全量已知的情況下，求取同類土壤的有效量，旨在開發1∶20萬區域化探資料，為農業服務，有關一元回歸方程及相關系數見表4。

表4 元素全量與有效量相關關系特征

由表4可以看出：潮土中相關系數r大于ro的元素只有N，P；呈明顯相關；其余元素相關系數r均小于ro，不相關或極不相關。鹽化潮土中相關系數r大于ro呈明顯相關的元素只有P，Cu；近似相關的元素有K，B；其余元素均不相關。

4 測區土壤質量分區現狀

就農業生產而論，農作物所需要的微量元素主要來自土壤。但土壤中元素的全量，只能作為養分的貯備或養分供應潛力的量度，而從元素的可給性和作物的營養上看，一般還無直接的關系。土壤中微量元素供給不足的原因較復雜，有時可能為全量過低，但更重要的是可給性過低，不適宜的土壤條件使微量元素成為不能被植物吸收利用的形態。

元素有效量是在土壤固有影響因素條件下，由全量轉換成的養分水平，它直接供作物吸收利用，其含量多寡，對作物產量、品質及病蟲害有較強的指示作用，一般直接可以辨認，故分區方法選擇元素有效量具有現實和指導意義，同時該方法也是農業部門進行土壤肥力分區的常用方法。該方法的原則是以土壤臨界值為標準，劃分元素的豐缺程度，將土壤分為5級，即將低于土壤臨界值的部分，細分為極缺乏和缺乏；高于土壤臨界值的部分再進一步分為足量、豐富和很豐富[9]，各營養元素有效量分級數值見表5。

表5 營養元素有效量分級標準 10-6

由N，P，K，Cu，Zn，B，Mo，Mn八元素土壤質量分區(圖4)可知，該區有如下特點：

(1)N，K二元素只存在極個別缺乏區；無極缺乏區出現。缺乏區面積分別為3km2和15km2，占全區總面積的0.3%和1.52%，土壤中上述兩元素的營養水平較高。

(2)P在工區土壤中只出現極小面積的缺乏區和極缺乏區，累計面積20km2,占工區面積的2.03%；而90%以上的土壤達到豐富—很豐富級，營養水平較高。

(3)錳在全區土壤中嚴重缺乏，這種現象應引起高度重視。

(4)其余各元素在工區土壤中均出現不同程度、不同范圍的極缺乏區或缺乏區，營養水平一般。

5 測區土壤環境質量現狀

環境中任何一種污染元素的累積達到使土壤污染時，都可能導致土壤地表環境正常功能的失調，環境質量下降。在多因子綜合評價中，采用“小數疊加法”計算綜合污染指數。即在各點的單項污染指數中，選最高的指數級別作為該點的綜合指數根據各點電算的單項污染指數與綜合污染指數值，分別按Pi≤1，14五級由計算機繪成各評價因子和綜合因子的地表環境質量分區圖(圖5)，相應的環境質量為5個級區。

圖4 土壤質量分區圖

圖5 土壤環境質量分區圖

由土壤環境質量綜合分區圖可知，該區土壤環境質量有如下特征：

(1)工區內未出現嚴重污染區，且98.28%的土壤未出現明顯污染，說明區內土壤污染程度輕。

(2)明顯污染地段在區內呈零星狀，主要分布于主要河流兩側及縣城駐地附近。累計面積最大者為汞6km2，其次為砷4km2，其余諸元素均未出現明顯污染區，說明區內主要污染元素為汞和砷。

(3)元素綜合環境質量分區圖中，區內起始污染區已達到63.36%，說明區內大面積的土壤中污染物開始積累，雖未達到有害程度，但應引起足夠重視。

6 結論

(1)該區表層土壤元素含量的顯著特征是高F，Hg，Pb而低Mo；大部分元素在表層土壤中的含量繼承了土壤母質的成分特征，但N，F，Hg，Pb等受人為活動和污染源的作用在表層土壤中明顯富集；通過分析表層土壤營養元素有效量可知，P，K，Zn的有效量高；供肥能力強；而Mo，Cu，Mn明顯偏低。

(2)通過計算淺、深層土壤中元素含量的相關性可知：主要的農田區土壤受后期人為活動的影響較明顯，主要體現在：由于增施相應肥料而引起N，P土壤值淺層土壤高于深層土壤；由于局部污染源引起F，Hg土壤值淺層土壤高于深層土壤。

(3)在農業地質環境土壤地球化學調查的基礎上，通過資料整理，編制圖件，研究分析認為，該區土壤中一級營養元素：N，P，K營養水平較高；土壤質量較好；微量營養元素：Cu，Zn，B，Mo，Mn除Cu，Zn營養水平屬中等外；其余元素均供應不足，尤其是Mn在區內嚴重缺乏。

(4)利用易污染元素淺層土壤含量值，通過污染指數法，對全區土壤污染程度進行了評價。區內土壤無嚴重污染區存在，并且明顯污染地段面積較小，呈零星分布，說明區內污染程度輕。

(5)采用1點/4km2的土壤采樣密度，0～30cm和大于80cm的淺、深層土壤采樣深度，土壤樣品小于20目的送樣粒級，在以沖積平原為主的成武縣進行農業地質環境土壤地球化學調查是一種行之有效的工作方法，能真實反映地球化學元素的起伏變化，滿足1∶20萬土壤地球化學調查的要求。

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Abstract： Shandong is a mining province, and mining plays an important role in the industry in national economy and social development. Accompanying with the development of mining economy, the scale and intensity of mineral resource development is increasing, and a series of geological environment problems have been caused. It has seriously damaged sustainable development of mining economy, and threatened social stability and people's life and property safety. Based on analysis of geological environment problems and management situation in Shandong province, geological environment recovery, harnessing effects and project schedule have been summarized. Choosing two typical mines which geological environment harnessing projects have been carrying out in recent years, recovery and harnessing effects have been introduced, the trend of geological environmental management, and the control ability of geological environment development have been predicated, and relative countermeasures and recommendations have been put forward.

Geochemical Characteristics of Soil and Present Condition of Land Quality in Chengwu County of Shandong Province

QIU Chenggui

(Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China)

Geochemical investigation of soil and agricultural geological environment in Chengwu county of Shandong province has been carried out according to shallow and deep soil sample with one point per 4km2.Analysis on Situation of Mining Geological Environment Control in Shandong Province

MENG Yonghui1，XU Yan2，WANG Jining1，GAO Shankun3

(1. Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Shandong Jinan 250014，China；2.Coal Mining Collapse Management Center of Jining Bureau of Land and Resources, Shandong Jining 272000, China；3. Shandong Department of Land and Resources，Shandong Jinan 250014，China)

Geological environment of mines; management; development trend; countermeasurement and suggestion; Shandong province

2016-03-21；

2016-04-27；編輯：王敏

邱成貴(1970—)，山東濟南人，工程師，主要從事地質礦產、地球化學勘查等工作；E-mail：qiu.cheng.gui@163.com

P595

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邱成貴.山東省成武縣土壤地球化學特征及土地質量現狀[J].山東國土資源，2016,32(9)：36-42.QIU Chenggui.Geochemical Characteristics of Soil and Present Condition of Land Quality in Chengwu County of Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(9)：36-42.