湖北隨州北部富鍶土壤地球化學(xué)特征及資源潛力評(píng)價(jià)

胡江龍, 胡紹祥, 楊清富, 萬 能, 尹 猛

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

鍶是人體中必需微量元素之一,它與人體骨骼的形成密切相關(guān),是骨骼、牙齒的主要成分,身體所有組織中都有鍶,在腸內(nèi)它與鈉競爭吸收部位,使人體降低對鈉的吸收,有利于心血管正常活動(dòng)[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、生活質(zhì)量的提高,人類自身健康越來越成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn),富鍶土壤作為一種特殊的地質(zhì)資源，應(yīng)得到有效的開發(fā)利用和保護(hù)。利用湖北隨州北部土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查資料,在對湖北隨州北部富鍶土壤地球化學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行富鍶土壤資源潛力評(píng)價(jià),為本地區(qū)富鍶土壤資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省隨州市北部,北與河南省南陽、信陽二市毗鄰,西臨湖北省襄陽市所轄棗陽市,東接湖北省孝感市大悟縣,面積5 000 km2。研究區(qū)夾持于華北地塊和揚(yáng)子地塊之間,是秦嶺復(fù)合造山帶的東延部分,處于兩大構(gòu)造單元結(jié)合部的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶,經(jīng)歷多期復(fù)雜的構(gòu)造變動(dòng)。區(qū)內(nèi)巖石組合類型復(fù)雜、構(gòu)造變形強(qiáng)烈、巖漿活動(dòng)頻繁,出露地層主要為元古代南華紀(jì)雙臺(tái)組、耀嶺河組、七角山巖組,震旦紀(jì)陡山沱組,新生代古近紀(jì)公安寨組及第四紀(jì)等(圖1)。主要土壤類型為黃棕壤和水稻土,主要土地利用方式為林地和水田。

2 材料和方法

2.1 樣品采集與處理

采用雙層網(wǎng)格化方法采樣。表層土壤樣的采樣密度為1件/km2,采樣深度為0～20 cm,在采樣梅花形布點(diǎn)法(平緩區(qū))或蛇形布點(diǎn)法(溝谷區(qū))等量采集5個(gè)子樣,通過縮分組成一個(gè)樣品,1件/4 km2組合分析。深層樣采樣密度為1件/4 km2,采樣深度為150～200 cm,1件/16 km2組合分析。共采集到表層組合樣1 270件,深層組合樣319件。采樣點(diǎn)一般布設(shè)于農(nóng)田、園地、林地、草地及山地丘陵等土層較厚地帶,采樣時(shí)避開新近搬運(yùn)的堆積土、垃圾堆和局部污染明顯的地區(qū)。采集的樣品充分晾干后過20目篩,按要求組合成每個(gè)樣500 g,取200 g送樣測試分析。組合樣點(diǎn)成土母質(zhì)類型以單點(diǎn)類型所占比例最多的一類作為其類型,當(dāng)4個(gè)單點(diǎn)樣為不同類型時(shí),根據(jù)區(qū)域成土母質(zhì)的變化趨勢,判定組合樣所屬類型。

2.2 樣品測試分析

土壤樣品分析由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心承擔(dān),測試過程嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)進(jìn)行,采用ICP-OES電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定土壤全鍶,檢出限為2 μg/g,元素實(shí)際檢出限、準(zhǔn)確度、精密度等質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范的要求。所有樣品報(bào)出率為100%,準(zhǔn)確度和精密度監(jiān)控樣合格率100%。

圖1 湖北隨州北部地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of northern Suizhou,Hubei1.第四系;2.古近系;3.白堊系;4.泥盆系;5.古生代雜巖;6.寒武系;7.震旦系;8.南華系;9.青白口系;10.滹沱系—太古代;11.中生代中酸性巖;12.古生代基性巖;13.古生代中酸性巖;14.元生代中酸性巖。

2.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)前對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值剔除,采用MapGIS軟件中的TIN模型繪制全鍶含量分布圖,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0和Excel 2010軟件完成。

3 土壤鍶元素地球化學(xué)特征

土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表1、表2,可以看出,調(diào)查區(qū)深層土壤鍶元素含量平均值均高于十堰—丹江地區(qū)平均值(1)徐宏林、楊清富、胡紹祥等，湖北省十堰—丹江口地區(qū)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告，湖北省地質(zhì)調(diào)查院,2016年。和中國土壤(C層)背景值,其平均含量是中國土壤(C)層的1.49倍。是十堰—丹江平均值的2.04倍。深層土壤鍶元素變化為59.43～728.1 μg/g,平均值為252.74 μg/g;表層土壤鍶元素含量平均值與深層一樣,均高于十堰—丹江地區(qū)平均值和中國土壤(A層)背景值,其平均含量是中國土壤(A)層[2]的1.60倍。是十堰—丹江地區(qū)平均值的2.07倍。表層土壤鍶元素變化為38.5～981 μg/g,平均值為263.40 μg/g。

在空間分布上(圖2),表、深層土壤表現(xiàn)出高度的一致性,分布不均勻,且明顯受成土母巖控制,高值區(qū)分布于中酸性侵入巖母質(zhì)中。

表1 深層土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表(μg/g)Table 1 Eigenvalue of geochemistry of strontium in deep soil

表2 表層土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表(μg/g)Table 2 Eigenvalue of geochemistry of strontium in surface soil

3.1 不同酸堿性土壤中鍶元素特征

不同酸堿性土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表3,如表3所示,深層土壤鍶元素表現(xiàn)為酸性土壤>中性土壤>堿性土壤,表明深層土壤中酸性土壤更有利于鍶的聚集,通過相關(guān)性分析,pH值與Sr的相關(guān)系數(shù)為-0.32(p<0.01),為顯著負(fù)相關(guān)。表層土壤鍶元素表現(xiàn)為堿性土壤>酸性土壤>中性土壤,表明表層土壤中堿性土壤鍶更為活躍,通過相關(guān)性分析,pH值與Sr的相關(guān)系數(shù)為-0.11(p<0.01),為顯著負(fù)相關(guān)。

3.2 不同成土母質(zhì)鍶元素特征

不同成土母質(zhì)土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表4。

不同成土母質(zhì)土壤鍶含量特征表現(xiàn)為:深層土壤鍶含量平均值143.42～368.16 μg/g,中生代中酸性巖中平均含量最高,寒武系—震旦系中平均含量最低,不同成土母質(zhì)土壤鍶平均含量依次為中生代中酸性巖>元古代中酸性巖>滹沱系—太古代>古生代基性巖>古生代雜巖>古近系—白堊系>南華系>第四系>寒武系—震旦系;表層土壤鍶含量平均值128.56～390.57 μg/g,中生代中酸性巖中平均含量最高,寒武系—震旦系中平均含量最低,不同成土母質(zhì)土壤鍶平均含量依次為中生代中酸性巖>元古代中酸性巖>古生代基性巖>滹沱系—太古代>南華系>古近系—白堊系>古生代雜巖>第四系>寒武系—震旦系。

圖2 調(diào)查區(qū)表層(左)、深層(右)土壤鍶元素地球化學(xué)圖Fig.2 Geochemical maps of strontium elements in surface (left) and deep (right) soils in the investigation area

表3 不同酸堿性土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表(μg/g)Table 3 Eigenvalue of geochemistry of strontium elements in soils with different acidity and alkalinity

采樣層位土壤類型樣本數(shù)平均值最大值最小值中值標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)深層酸性138291.94728.1073.15257.90152.9752.40中性166224.65639.4059.43191.00110.2949.10堿性15202.94491.18108.66153.00112.8055.58全區(qū)319252.74728.1059.43219.07134.7253.30表層酸性1 138268.57981.0038.49223.81155.1757.78中性127215.05883.9050.89186.75123.2557.31堿性5314.96681.5048.01305.35258.7482.15全區(qū)1 270263.40981.0038.49217.00153.4958.27

表4 不同成土母質(zhì)土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表(μg/g)Table 4 Eigenvalue of geochemistry of strontium in soils with different parent materials

3.3 不同土壤類型鍶元素特征

不同土壤類型土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表5,不同土壤類型土壤鍶含量特征表現(xiàn)為:深層土壤鍶含量平均值163.67～272.43 μg/g,黃棕壤性土中平均含量最高,黃褐土中平均含量最低,不同土壤類型土壤鍶平均含量依次為黃棕壤性土>淹土型水稻土>黃棕壤>潴育型水稻田>黃褐土;表層土壤鍶含量平均值144.41～403.29 μg/g,暗棕壤中平均含量最高,黃褐土中平均含量最低,不同土壤類型土壤鍶平均含量依次為暗棕壤>黃棕壤性土>淹土型水稻土>黃棕壤>潛潴育型水稻田>潴育型水稻田>黃褐土。

表5 不同土壤類型鍶元素地球化學(xué)特征值表(μg/g)Table 5 Eigenvalue of geochemistry of strontium elements in different soil types

3.4 不同土地利用鍶元素特征

不同土地利用土壤鍶元素地球化學(xué)特征值見表6,不同土地利用土壤鍶含量特征表現(xiàn)為:深層土壤鍶含量平均值160.07～316.58 μg/g,其他林地中平均含量最高,旱地中平均含量最低,不同土地利用土壤鍶平均含量依次為其他林地>有林地>水田>旱地;表層土壤鍶含量平均值180.17～335.71 μg/g,其他林地中平均含量最高,旱地中平均含量最低,不同土地利用土壤鍶平均含量依次為其他林地>有林地>水庫水面>灌木林地>水田>旱地。

表6 不同土地利用土壤鍶元素地球化學(xué)特征值表(μg/g)Table 6 Eigenvalue of geochemistry of strontium elements in soils under different land use

3.5 土壤鍶元素與其它元素相關(guān)性分析

在一定的地球化學(xué)環(huán)境下,土壤元素表現(xiàn)出共同消漲或此漲彼消的關(guān)系,調(diào)查區(qū)土壤鍶元素與其它元素相關(guān)系數(shù)見表7,通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),調(diào)查區(qū)土壤鍶元素與Ba相關(guān)性最高,表、深層相關(guān)系數(shù)分別為0.75和0.80,表層土壤鍶與Ba、Na、Be、Ga、La、K等關(guān)系較為密切。深層土壤鍶與Ba、Na、Be、Ga、La、K等關(guān)系較為密切。

表7 土壤鍶元素與其它元素相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient between strontium and other elements in soil

3.6 鍶的物質(zhì)來源

通過分析土壤鍶地球化學(xué)特征得知,調(diào)查區(qū)土壤鍶含量明顯受成土母巖控制,表、深層土壤鍶高值區(qū)主要分布于中酸性侵入巖母質(zhì)中。成土母質(zhì)是巖石經(jīng)過風(fēng)化作用后,就地殘積或搬運(yùn)再積在地殼表層的,可形成未來土壤的疏松堆積物,從調(diào)查區(qū)中酸性侵入巖中鍶含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(表8),巖石中鍶含量18.9～2 005 μg/g,平均值達(dá)659.91 μg/g。巖石中鍶平均含量是表層土壤鍶平均含量的2.5倍,是深層土壤鍶平均含量的2.6倍,高鍶巖石為土壤富鍶提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表8 調(diào)查區(qū)中酸性侵入巖鍶元素含量統(tǒng)計(jì)表(單位：μg/g)Table 8 Statistical table of strontium content of intermediate-acid intrusive rocks in the investigation area

注:資料來源于湖北省區(qū)域地質(zhì)志(2)胡正祥、毛新武、鄧乾忠等，湖北省區(qū)域地質(zhì)志，湖北省地質(zhì)調(diào)查院,2017。(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,2017年)。

4 富鍶土壤資源潛力評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前對鍶土壤資源評(píng)價(jià)分級(jí)沒有全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本次評(píng)價(jià)根據(jù)全國A層土壤鍶背景值165 mg/kg(中國土壤背景值1990),結(jié)合湖北省鍶的分布特點(diǎn),提出的劃分鍶的標(biāo)準(zhǔn)(表9)。

根據(jù)本區(qū)表層土壤鍶的地球化學(xué)分布特征,本次評(píng)價(jià)將以區(qū)內(nèi)表層土壤中的鍶含量≥200 μg/g作為富鍶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件(NYT 5010—2016)標(biāo)準(zhǔn),將區(qū)內(nèi)富硒土壤進(jìn)一步劃分為兩大區(qū):滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件富鍶土壤區(qū)、不能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件富鍶土壤區(qū)。

表9 鍶資源評(píng)價(jià)劃分標(biāo)準(zhǔn)(單位:μg/g)Table 9 Classification criteria of strontium resources evaluation

4.2 富鍶土壤資源分布特征

按上述標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì),富鍶土壤(Sr≥200 μg/g)面積2 824 km2,占調(diào)查區(qū)面積的55.59%,其中,能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求的富鍶土壤面積2 740 km2,尚不能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求的富鍶土壤面積84 km2。圖3顯示,富鍶土壤區(qū)主要呈北西南東向分布于新城—萬和西南及新城—殷店—蔡河與淮河—草店—三里城所夾區(qū)域。

圖3 富鍶土壤資源分布及開發(fā)建議圖Fig.3 Suggestion map for distribution and developmentof strontium-rich soil resources

4.3 富鍶土壤資源潛力評(píng)價(jià)

根據(jù)富鍶區(qū)土壤是否無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求,以及土地利用方式的差異,將區(qū)內(nèi)富鍶土壤劃分為3類:

Ⅰ類區(qū)(適宜開發(fā)區(qū)):能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求,且土壤中的Sr≥200 μg/g的區(qū)域。主要分布于新城—萬和西南及新城—殷店—蔡河與淮河—草店—三里城所夾區(qū)域。總面積2 740 km2。具有較好的開發(fā)潛力,屬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適宜開發(fā)的富鍶土壤資源區(qū)。

Ⅱ類區(qū)(具開發(fā)潛力區(qū)):不能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求,但土壤中的Sr≥200 μg/g的區(qū)域。面積84 km2，零星分布于全區(qū)。具有一定的開發(fā)潛力,但需要對其農(nóng)作物進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

Ⅲ類區(qū)(不具開發(fā)潛力區(qū)):土壤中的Sr<200 μg/g的區(qū)域。總面積2 256 km2。主要是分布于調(diào)查區(qū)東北小林及中南部,一般不具開發(fā)潛力,屬不適宜開發(fā)的富鍶土壤區(qū)。

5 結(jié)論

(1) 調(diào)查區(qū)表、深層土壤鍶元素含量平均值均高于十堰—丹江平均值和中國土壤(C層)背景值,表層平均含量是中國土壤(A)層的1.60倍,是十堰—丹江平均值的2.07倍。深層平均含量是中國土壤(C)層的1.49倍,是十堰—丹江平均值的2.04倍。在空間分布上,表、深層土壤表現(xiàn)出高度的一致性,分布不均勻,且明顯受成土母巖控制,高值區(qū)分布于中酸性侵入巖母質(zhì)中。

(2) 通過相關(guān)性分析,pH值與Sr顯著負(fù)相關(guān)。表、深層土壤鍶與Ba、Na2O、Be、Ga、La、K2O等關(guān)系較為密切。

(3) 不同成土母質(zhì)中深層土壤鍶含量平均值143.421～368.155 μg/g,表層土壤鍶含量平均值128.578～390.574 μg/g,表、深層土壤均為中生代中酸性巖中平均含量最高,寒武系—震旦系中平均含量最低。不同土壤類型中深層土壤鍶含量平均值163.667～272.426 μg/g,表層土壤144.409～403.286 μg/g。深層土壤黃棕壤性土中平均含量最高,黃褐土中平均含量最低,表層土壤暗棕壤中平均含量最高,黃褐土中平均含量最低。不同土地利用中深層土壤鍶含量平均值160.071～316.583 μg/g,表層土壤鍶含量平均值180.170～335.706 μg/g,表、深層土壤均為其他林地中平均含量最高,旱地中平均含量最低。

(4) 調(diào)查區(qū)中酸性侵入巖中鍶含量18.9～2 005 μg/g,平均值達(dá)659.91 μg/g。巖石中鍶平均含量是表層土壤鍶平均含量的2.5倍,是深層土壤鍶平均含量的2.6倍,高鍶巖石為土壤富鍶提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(5) 調(diào)查區(qū)土壤鍶元素含量高,存在大量的富鍶土壤,富鍶(土壤鍶含量≥200 μg/g)面積2 824 km2,占調(diào)查區(qū)面積的55.59%,其中,適宜開發(fā)區(qū)(能滿足無公害農(nóng)產(chǎn)品種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件要求的富鍶土壤面積2 740 km2,區(qū)內(nèi)具有較好的開發(fā)富鍶土壤資源潛力。