昌樂縣表層土壤元素地球化學組合特征研究

劉陽

(山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，山東 濰坊 261021)

土地質量地球化學調查與評價是關系千秋大業、惠及千家萬戶的一項重大民生工程，在實現土地質量與生態管護、保障國家糧食安全、大幅提升土地資源利用價值、顯著改善民生等方面均具有重要意義。山東各地陸續開展了土地質量地球化學調查與評價工作，并取得了一些成果[1-5]。濰坊市作為全國重點蔬菜基地之一，土地質量情況直接關系到國家食品安全問題。為摸清濰坊市土地質量現狀，濰坊市政府設立專項資金進行“濰坊市土地質量地球化學調查與評價”項目。昌樂土地質量地球化學調查與評價為該項目的一期工作。

1 概述

昌樂縣位于山東半島中部，面積1101km2，人口62.3萬，轄4個鎮、4個街道。地勢南高北低，西高東低，屬暖溫帶半濕潤氣候，四季分明。年平均氣溫12.3℃，年平均降水量為792.5mm，年平均蒸發量1912mm，日照時間歷年平均為2367.9h，全年無霜期在200d左右，平均結冰期80d，凍土深度一般為30～80mm。

昌樂縣地層屬于華北地層區之魯西地層分區，新太古界、新元古界、古生界及新生界均有不同程度分布，自下而上劃分為新太古代泰山巖群，新元古代青白口紀—震旦紀土門群，古生代寒武紀長清群、九龍群，中生代侏羅紀—白堊紀淄博群，白堊紀萊陽群、青山群、大盛群，新生代古近紀五圖群，新近紀臨朐群及第四紀松散堆積物。昌樂縣侵入巖較為發育，集中分布于昌樂縣中南、東南部及高崖庫區，以酸性巖為主，基性和中性巖多以包體或者脈狀產出。形成時代為新太古代、中元古代，以新太古代侵入巖最為發育。區內火山巖較發育，主要分布于喬官鎮及五圖鎮附近，出露的火山地層有：中生代萊陽群城山后組、青山群八畝地組、大盛群馬朗溝組及新生代臨朐群牛山組、堯山組。昌樂位于華北板塊之魯西隆起與膠遼隆起的結合部位，跨沂沭斷裂帶和魯中隆起2個Ⅲ級構造單元。昌樂縣斷裂構造發育，以NE向沂沭斷裂帶的鄌郚-葛溝斷裂為主，其次是與沂沭斷裂帶相交的NW向(五圖斷裂、鳳岐官莊斷裂)和NE向(喬官斷裂)斷裂。

昌樂縣地貌有微弱切割丘陵、山間平原、山前傾斜平原。按山東省水文地質分區，北部屬于魯西北平原松散巖類水文地質區，南部屬于魯中南中低山丘陵碳酸鹽類為主的水文地質區。土壤分為棕壤、褐土、粗骨土、潮土4個土類。

2 樣品采集及分析測試

2.1 樣品布設、采集、加工及質量評述

昌樂縣土壤表層樣采樣點布設在1∶5萬土地利用現狀圖上(第二次全國土地調查數據)。采樣點以網格狀布設，土壤樣品采樣密度平均為5件/km2，采樣深度為0～20cm，采樣時以“多點取樣”的方式進行(圖1)。

圖1 樣品布設及“多點取樣”示意圖

野外采集的土壤樣品經自然風干，用木棍或橡皮錘碾壓后全部通過2mm的尼龍孔徑篩，過篩后土壤樣品重量不少于500g，裝瓶送樣。在土壤樣品采集、風干、研磨、過篩、運輸和儲存等各個環節中，沒有接觸可能造成污染的金屬器皿。昌樂縣共取表層土壤樣點5818件(不包含重復樣)，采集重復樣135件。根據地球化學普查規范(DZ/T0011-2015)，重復樣兩次采樣分析結果相對雙差(RD=|A1-A2|/(A1+A2)×2×100%)≤33%為合格，要求合格率≥85%。本次重復樣檢驗全部合格，全部大于90%。

2.2 樣品分析測試

測試分析工作在山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊實驗測試中心完成。樣品測試質量由中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所進行監控，通過密碼樣、監控樣、標準樣多種監控手段，保證了樣品分析質量的可靠性。樣品分析結果均合格，分析測試項目為有機質、N，P，K，B，Mo，Mn，Se，I，Ge，F，Pb，Zn，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Co，V，pH和全鹽量(表1)。

表1 昌樂縣土壤元素全量樣品分析項目及分析方法

3 元素組合特征

3.1 聚類分析

通過spss軟件，對昌樂縣表層土壤元素(指標)地球化學數據進行聚類分析，按距離15，可將23種元素(指標)分為3個元素組合簇群及9個單元素簇(圖2)。

圖2 昌樂縣表層土壤元素聚類譜系圖

第一簇群為Ni，Co，Cr，V，Mn，Cu，Zn，P組合；第二簇群為As，B組合；第三簇群為有機質，N，Se組合；其余Cd，Ge，F，pH，全鹽量，I，Hg，Pb，K等元素(指標)各自形成單元素簇。

(1)第一簇群：主體元素為親鐵元素(Ni，Co，Cr，V，Mn)，它們的地球化學性質相近，這些元素與Fe共生，親鐵元素在金屬相和硅酸鹽相有非常高的分配系數，主要存在于基性巖、超基性巖中。它們被歸為同一簇群與表層土壤的成土母質有很大的關系。

(2)第二簇群：As，B元素被劃分到同一簇群，可能與土壤中黏土礦物有關。成土過程中的黏粒和鐵鋁氧化物，對元素積累和淋溶具有重要影響，土壤中黏土礦物對As，B及鐵錳氧化物具有較強的吸附作用[6]。它們被劃分到同一簇群可能與黏土礦物對它們的吸附有關。

(3)第三簇群：有機質、N都是親生物元素，親生物元素是生物圈中富集于腐殖質中的元素，有機質和N是腐殖質的重要組成部分。昌樂縣在表層土壤中有機質和N表現出良好的相關性，其相關系數為0.82，為顯著正相關。而有機質與Se的相關系數為0.55，為正相關。相關研究表明，Se可以以有機結合態被有機質快速大量的固定[7-9]，因此它們會被劃分到同一簇群中。

3.2 因子分析

通過SPSS軟件對昌樂縣表層土壤23項元素(指標)進行數據處理，得到Bartlett球度檢驗和KMO檢驗結果(表2)。KMO值為0.874，Bartlett球度檢驗統計值為78772.192，在自由度為253的條件下，在0.000水平上達到顯著，概率P值為0.000。如果顯著性水平α為0.05，則概率P值小于顯著性水平α，因此，昌樂縣表層土壤地球化學數據適合作因子分析。首先計算得到相關矩陣的特征根和相應的特征向量，根據特征根百分比(方差貢獻)得到累計百分比，取特征根較大且累計貢獻率達80%以上的前若干因子選作主要因子[10]。

表2 Bartlett與KMO檢驗

昌樂縣表層土壤前10個因子的累計百分比為80.496%，即用前10個因子的分布特征就基本可以代表表層土壤23項原始變量的分布特點，它們所包含的原始變量的信息為80.496%(表3)。

表3 昌樂縣表層土壤特征根及因子提取結果

從昌樂縣因子分析正交旋轉因子載荷矩陣可知(表4)，假設以常數值0.5作為標準，取絕對值大于0.5的因子載荷，得到表層土壤元素組合特征。第1主因子代表的變量組合為Ni，Co，Cr，V，Mn，Mo，Cu，K(-)；第2主因子代表的變量組合為N，有機質，Se；其余主因子代表的變量分別為As，F，Pb，Ge，pH，I，全鹽量，Hg，單元素主因子的出現，表明影響表層土壤元素原始數據結構的因素具多源性和相對獨立性，可能與元素自身性質和人類活動造成的地表污染有關[5]。

使用MapGIS軟件的DTM分析功能，繪制了昌樂縣表層土壤F1，F2因子得分分布圖(圖3、圖4)。

(1)表層土壤F1因子代表了Ni，Co，Cr，V，Mn，Mo，Cu，K(-)的元素組合，其方差貢獻為30.268%。 Ni，Co，Cr，V，Mn等親鐵元素地球化學性質相近，它們在自然界與Fe共生。從地質背景分析，這5種元素主要存在于基性巖、超基性巖等巖漿來源較深的巖石中；從化學性質分析，這5種元素活潑性較弱，難以與氧或弱酸發生化學反應，它們在氧化、弱酸—堿性環境下，母巖風化產物較難發生遷移與轉化，只能分布在母巖附近，因此F1因子與地質背景密切相關。從因子得分圖可以發現(圖3)，表層土壤高背景區主要分布在喬官鎮中部和西部、五圖街道中部及鄌郚鎮西北部，與新近紀臨朐群堯山組、牛山組分布位置相同，可能與臨朐群玄武巖有關[11]。總的來說，影響土壤中這類元素區域分布特點的主導因素是地質背景，與它們的成土母質來源有密切關系，可以認為F1因子代表了成土母質與母巖[12]。

(2)表層土壤F2因子代表了N、有機質、Se元素組合，方差貢獻率為12.863%，有機質和N是腐殖質的重要組成元素，表層土壤中N元素與有機質之間具有顯著正相關關系，相關系數為0.82。腐殖質在高硒表生環境硒生物地球化學循環過程中扮演著重要的源匯雙重角色[13]，Se元素被劃入F2因子可能是因為表層土壤中含有較多的腐殖質有關。

表4 昌樂縣因子分析正交旋轉因子載荷矩陣

圖3 昌樂縣表層土壤F1因子得分等值線圖

從因子得分圖看(圖4)，表層土壤中有機質和N元素含量分布較廣泛，但主要分布在昌樂縣的中部和北部等農業發達地區。可能與該地區表層土壤含有較多腐殖質及人類農業生產活動有關，受自然因素和人類活動雙重影響。

圖4 昌樂縣表層土壤F2因子得分等值線圖

4 結論

(1)通過聚類分析，將昌樂縣23種元素劃分為3個元素組合簇群和9個單元素簇，第一簇群主要受地質背景的影響；第二簇群主要受黏土礦物的影響；第三簇群主要與自然因素及人類農業生產活動有關。

(2)通過因子分析，用10個因子就基本可以代表原來23種元素(指標)的分布特征，進一步證實了Ni，Co，Cr，V，Mn等親鐵元素與地質背景密切相關；有機質，N，Se則與自然因素及人類農業生產活動有關。

(3)綜合分析認為，昌樂縣表層土壤元素分布主要與地質背景、元素自身性質和人類農業生產活動有關，為地方政府決策施政提供了基礎地球化學資料和科學依據。