貴州余慶耕地地球化學特征及對水稻、茶葉等農產品質量的影響

孔鵬飛，劉志臣，任光明，王虎勝，郭宇，羅永雙，姜先歡

（貴州省地礦局一0 二地質大隊，貴州 遵義 563003）

0 引言

耕地土壤是人類生存發(fā)展的重要物質基礎，是農業(yè)生產活動中的重要資源。掌握土壤中地球化學元素、指標的空間分布特征及成因，分析其與人類生產生活的關系，可以為人類更好地利用耕地資源、與自然和諧相處提供重要的基礎信息（莊衛(wèi)民等，2000）。

山地地區(qū)耕地土壤主要是由成土母巖風華后形成的殘坡積物，未經(jīng)搬運或者搬運距離較近堆積形成，土壤中元素含量特征尤其是重金屬元素，主要繼承自成土母巖（李先琨等，1997；陳松等，2012）。土壤地球化學通過對土壤中各元素/指標的分布、遷移演化規(guī)律，以及不同的元素組合特征（余濤等，2018），可以揭示土壤物質來源以及演化過程（Xing et al.，1991；李家熙等，2001a，2001b；Sterckeman et al.，2004），同時可以對土壤中有益（任海利等，2012）、有害組分的含量（鄭國璋，2006；任家強等，2012）、生物效能進行研究（李家熙等，1999；張星，2015），并對土壤質量進行評價（趙慶令和李清彩，2016）。

貴州省余慶縣以農業(yè)為主，水稻品質優(yōu)良，小葉苦丁、柑橘、桃子種植皆具一定規(guī)模，得益于研究區(qū)得天獨厚的土壤條件，前人從未對研究區(qū)的耕地表層土壤地球化學特征及農產品元素特征開展過研究，一定程度制約了農業(yè)生產的科學化，該文擬在探討土壤地球化學特征和農產品元素特征，對區(qū)內農業(yè)生產、土地規(guī)劃具有一定指導意義。

1 研究區(qū)概況

貴州省余慶縣地處遵義市南端，系遵義、銅仁、黔東南、黔南四州（市）的結合部，北與湄潭縣，東與石阡、鳳岡縣，南與黃平、施秉縣，西與甕安縣接壤，氣候較溫和，四季分明，為黔北地區(qū)農業(yè)大縣，主要種植水稻、油菜、茶葉、水果、烤煙等作物。研究區(qū)地處貴州高原主體向湘西丘陵過渡地帶，具有低中山、丘陵、平壩交錯并存的地貌特征，地形起伏較大，海拔在400～1386 m 之間。研究區(qū)地層除泥盆系與石炭系地層缺失外，寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系出露較好，最老地層為新元古界青白口系清水江組，最新為第四系堆積物（圖1）。區(qū)內坡耕地比例較大，成土母巖主要為泥巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖，還有面積較小的第四系堆積物、礫巖、含礫砂巖。

圖1 貴州余慶地區(qū)地質構造及農作物樣品分布圖

2 樣品采集、分析測試及數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集

本次研究耕地表層土壤樣品采集以1 ∶5 萬地形圖以及二調圖版為底圖，疊加研究區(qū)最新的高清衛(wèi)片，對點位進行優(yōu)化，采樣點密度約為9 點/km2，采樣時間為10 月至次年3 月，避開了耕作及施肥期，采樣點距離主干道路100 m 以上，同時避開明顯存在污染地段、垃圾堆放區(qū)域，田埂等。采樣時，刨除地表含落葉雜草的腐殖層，采樣坑深度稍大于20 cm，0～20 cm 連續(xù)采集土柱。每個樣品由1 個主樣坑、4 個子樣坑內采集近似等量的土壤混勻組成，樣品原始重量約為1500 g，4508 件表層土壤樣品風干、敲碎后，過20 目尼龍篩后送實驗室分析測試。

本次農作物選擇代表性的4 種，即水稻、茶葉、小葉苦丁、桃子來評價農作元素特征。其中，水稻樣品于水稻收獲盛期10 月份進行采集，根據(jù)壩區(qū)內水稻種植情況，以約0.15 hm2的水田為1 個采樣單元，在1 個采樣單元內選取約20 株水稻，連根拔起，取稻穗混勻為1 個樣品，重量約3 kg，同時抖落根部攜帶的土壤，混勻，取約1500 g 為根系土壤樣。茶葉及小葉苦丁樣品于4—5 月采集，選取采樣單元內約30 株茶樹，采集頂部的嫩芽和與嫩芽相鄰的嫩葉，混合為1 個樣品，重量約2 kg，同時采集根系土壤樣。水果樣品于8—10 月采集，在采樣單元內選取5 棵果樹，在每個果樹植株的不同部位分別采集果實，混合為1 個樣品。除水稻樣品曬干以外、茶葉及水果樣品均送鮮樣到實驗室分析測試。

2.2 分析測試

樣品測試由貴州省地礦局中心實驗室按《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求》執(zhí)行。

不同類型樣品分析測試指標不同，耕地表層土壤樣品：Corg、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl，共計23項。農產品樣品：As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge，共7 項。各元素測試方法及檢出限見表1～2。

準確度和精密度采用國家一級標準物質進行控制，每種元素的分析準確度和精密度合格率均高于98%；每種元素報出率均高于99%。

2.3 數(shù)據(jù)處理

表層土壤樣品分析測試數(shù)據(jù)進行處理與統(tǒng)計時，對全部分析數(shù)據(jù)采用平均值加減3 倍標準差（X±3S）的方法進行反復剔除，直至全部樣本均落在（X+3S）至（X-3S）的含量區(qū)間。一般經(jīng)剔除極值與奇異值的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布后，計算得其平均值即為區(qū)內土壤地球化學背景值。

表1 貴州余慶土壤樣品各元素檢出方法及檢出限

表2 貴州余慶農產品樣品元素分析方法及檢出限

將區(qū)內表層土壤地球化學背景值與全國土壤背景值（鄢明才等，1997）作對比，得出表層土壤富集系數(shù)K1值。

同時利用“SPSS 26”、“土地質量地球化學調查與評價數(shù)據(jù)管理與維護（應用）子系統(tǒng)”以及“化探數(shù)據(jù)處理一體化系統(tǒng)”，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

3 耕地地球化學及農產品元素特征

3.1 耕地土壤地球化學指標含量特征

對研究區(qū)耕地土壤中各地球化學指標的含量特征進行統(tǒng)計分析，可以從宏觀角度反映余慶縣耕地土壤中各指標的基本情況和分布特點。變異系數(shù)大小反映的是耕地土壤中地球化學指標分布均勻程度的，是耕地土壤中各元素含量分布狀態(tài)的重要參數(shù)（鮑麗然等，2015）。根據(jù)統(tǒng)計（表3）可知，余慶縣耕地土壤中各元素/指標的變異系數(shù)大小依次為：Hg＞Mo＞Cd＞As＞I＞Cu＞Mn＞Pb＞F＞Ni＞Se＞Zn＞Co＞V＞P＞K＞Corg＞B＞Tl＞Cr＞N＞Ge=pH，其中，Hg、Mo、Cd、As、I、Cu、Mn、Pb 元素的變異系數(shù)均大于0.6，尤其是Hg 元素變異系數(shù)達到5.03，Mo、Cd 次之，分別為1.94、1.01，表明Hg、Mo、Cd 元素含量在耕地土壤中差異性較大，N、P、K、Corg、B、Tl、Cr、Ge、pH 值等元素/指標變異系數(shù)均小于40%，表明其在耕地土壤中含量差異性較輕微，其中Ge、pH 值變異系數(shù)最小，為0.19。

3.2 耕地土壤地球化學指標背景值

元素/指標含量的算術均值和背景值是反映其地球化學指標的重要參數(shù)，當元素/指標含量呈正態(tài)分布時，算術平均值和中位數(shù)在數(shù)值上是相等（近似相等）的，元素/指標含量的算術平均值與背景值的比值大小，可以反映出區(qū)域內元素/指標含量的差異性（代杰瑞等，2011；陳興仁等，2012）。余慶縣內耕地土壤中Corg、N、P、K、B、Mn、Zn、Se、Ge、I、F、pH值、As、Cr、Pb、Co、Ni、V、Tl 含量平均值和背景值差異不明顯（表4），Hg、Mo、Cd、Cu 差異明顯，Hg、Mo元素含量的平均值和背景值比值達到了1.56、1.54，Cd、Cu 元素次之，分別為1.29、1.27，即元素含量平均值和背景值存在一定的差異，表明Hg、Mo、Cd、Cu 含量受極端數(shù)據(jù)影響較大。

將余慶縣耕地表層土壤的各地球化學指標與全國背景值相比較（表4），可知，Corg、N、P、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl 元素均高于全國背景值，K 元素略低于全國背景值。其中Corg、Hg、Cd、N、Se、B 富集系數(shù)較高，分別為全國背景值的4.19 倍、4.00 倍、3.89 倍、2.48 倍、2.30 倍、2.08 倍；F、As、Mo、Pb、Zn 在耕地表層土壤中富集系數(shù)次之，為全國背景值的1.39～1.83 倍。

3.3 農產品元素特征

通過對余慶縣內主要糧食作物水稻（30 件）和特色經(jīng)濟作物綠茶（20 件）、小葉苦丁（22 件）、桃子（15 件）中的AS、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge 元素含量特征進行分析，得知，重金屬元素AS、Cd、Cr、Hg、Pb 含量整體較低，只有水稻樣品中（1 件樣品）Cd 元素存在超標現(xiàn)象。水果類作物桃子中Hg、Se 元素含量極低，均未檢出。

通過4 種作物中各元素變異系數(shù)（表4）可知，茶葉中各元素的變異系數(shù)介于0.17～0.52，數(shù)據(jù)離散性中等-較弱；小葉苦丁茶中各元素變異系數(shù)介于0.13～0.35，數(shù)據(jù)離散性較弱；桃子樣品中AS、Cr、Hg、Se 元素變異系數(shù)介于0.2～0.41，由于Cd、Pb、Ge 元素在部分樣品中未檢出，造成其變異系數(shù)較大；水稻中AS、Cr、Se、Ge 元素變異系數(shù)介于0.34～0.77，Cd、Hg、Pb 元素在部分樣品中未檢出，且存在部分樣品中出現(xiàn)異常高值，造成數(shù)據(jù)離散性較強，變異系數(shù)介于0.71～2.41。

表3 貴州余慶耕地土壤地球化學指標含量分析統(tǒng)計表

4 耕地土壤及農作物地球化學特征成因

4.1 耕地土壤表層土壤地球化學特征成因

利用SPSS 26 軟件，對研究區(qū)內4508 件耕地表層土壤中的Corg、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl 共23 項元素/指標進行KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統(tǒng)計量檢驗。經(jīng)檢驗，KMO值為0.731＞0.5，顯著水平為0＜0.05，表明本次統(tǒng)計的原始變量適于進行因子分析。

根據(jù)余慶縣耕地表層土壤元素含量特征值的方差累計貢獻率（表5），確定本次研究采用10 個主因子，10 個主因子方差累計貢獻率達到83.494%，可以反映本次樣本總體83.494%的信息。為了更好地揭示耕地表層土壤地球化學數(shù)據(jù)隱含的內在信息，本次研究采用方差最大旋轉法對因子軸進行旋轉，使因子上具有的最高載荷的變量數(shù)最少，可以使因子隱含的規(guī)律信息更加明了（陳俊堅等，2011），旋轉法得到的因子載荷矩陣（表5）。

本次研究提取的10 個主因子，所表達的信息占總體信息的83.494%，可以揭示余慶縣耕地表層土壤地球化學特征的主要影響因素（王雄軍等，2008）。將方差極大旋轉因子載荷矩陣中每列載荷大于0.5 的元素作為關聯(lián)組合（表6），可以得到10組復合組合：組合1（Co、Cr、Cu、Ni、P、V、）；組合2（Corg、N）；組合3（Cd、Pb、Zn）；組合4（Mo、Se、Tl）；組合5（I、Mn）；組合6（As、K）；組合7（B、Ge）；組合8、9、10 分別為pH 值、F、Hg。經(jīng)方差極大旋轉后，各因子特征及其土壤成因如下。

表4 貴州余慶農產品及根系土元素含量分析統(tǒng)計表

（1）因子1 的方差貢獻率為19.157%，對應的組合1 中Co、Cr、Cu、Ni、P、V 都具有較高的載荷值，這些養(yǎng)分元素及重金屬元素主要來源于成土母質，研究區(qū)內三疊系下統(tǒng)夜郎組泥巖（表7）、寒武系牛蹄塘組中Co、Cr、Cu、Ni、P、V 元素含量均相對較高（唐佐其等，2019），成土母巖風化后形成的殘坡積物在原地或短距離運移后堆積形成的耕地表層土壤，則繼承了母巖中的這些元素的特征（吳蓓娟和方小紅，2016）。

（2）因子2 的方差貢獻率為9.626%，對應的組合2 中Corg、N 都具有較高的載荷值。Corg、N 在耕地表層土壤中的含量主要受土地利用類型以及農業(yè)生產模式的影響，水田具有較好的保水保肥能力，水稻土中Corg、N 元素含量相對較高（表7）。

（3）因子3 的方差貢獻率為9.597%，組合3 中的Cd、Pb、Zn 載荷值均較高。研究區(qū)內無煤礦、鉛礦開采及冶煉等人為生產活動的影響，這3 種重金屬元素主要來源于成土母質，研究區(qū)內寒武系婁山關群、清虛洞組等地層的白云巖中Cd、Pb、Zn 元素含量均相對較高。

表5 貴州余慶耕地表層土壤地球化學指標R 型因子總方差

（4）因子4 的方差貢獻率為9.325%，組合4 中Mo、Se、Tl 具有較高的載荷值。在研究區(qū)內寒武系牛蹄塘組黑色頁巖、奧陶系頁巖中Mo、Se、Tl 元素含量均相對較高，此外，在二疊系龍?zhí)督M中Se 元素含量也較高。

（5）因子5 的方差貢獻率為6.918%，組合5 中I、Mn 都具有較高的載荷值。研究區(qū)內二疊系龍?zhí)督M泥巖、三疊系夜郎組泥巖中I、Mn 含量相對較高，尤其是三疊系夜郎組泥巖中Mn 含量較其他地層高，母巖中元素含量差異性對耕地表層土壤中I、Mn元素特征起決定性作用。

（6）因子6 的方差貢獻率為6.880%，組合6 中As、K 為負相關關系。研究區(qū)內寒武系婁山關組白云巖中As 元素含量明顯較其他地層高，而K 元素含量則較其他地層低；奧陶系桐梓-紅花園組中的頁巖中，K 元素含量明顯較其他地層高。區(qū)內成土母巖中元素含量的差異性，是造成研究區(qū)內As、K元素特征的決定因素。

（7）因子7 的方差貢獻率為6.778%，組合7 中B、Ge 均具有較高的載荷值。研究區(qū)內三疊系嘉陵江組灰?guī)r中B、Ge 元素含量較其他地層高，同時Ge元素在青白口系清水江組砂巖、寒武系金鼎山組粉砂巖中含量也相對較高（段軼仁等，2020）。

（8）因子8 的方差貢獻率為5.278%，組合8 中僅有pH 值，載荷值較高。研究區(qū)受氣候的影響，雨量充沛，區(qū)內廣泛分布寒武系、奧陶系、二疊系、三疊系等地層，主要巖性為白云巖、灰?guī)r、泥頁巖、粉砂巖等。巖石在成土演變過程中經(jīng)歷了較強烈的化學和生物風化作用，同時經(jīng)受了強烈的淋溶作用，母質中的鈣、鎂、鈉、鉀等堿性鹽基元素大量流失、鋁硅酸巖的徹底分解、SiO2的大量淋失，破壞了土壤中的酸堿平衡，使土壤呈現(xiàn)酸化。

表6 貴州余慶耕地表層土壤地球化學指標極大旋轉因子載荷矩陣

（9）因子9 的方差貢獻率為5.144%，組合9 中僅有F 元素，載荷值較高。研究區(qū)內志留系韓家店組泥頁巖中F 元素含量相對較高，此外在三疊系嘉陵江組分布區(qū)局部也存在F 元素含量高值點。

（10）因子10 的方差貢獻率為4.796%，組合中僅有Hg 元素，載荷值較高。研究區(qū)內青白口系清水江組、南華系南沱組的變余砂巖、礫巖中Hg 含量明顯高于其他地層。且區(qū)內的龍溪鎮(zhèn)木葉頂村曾有汞礦開采歷史，也可能造成礦區(qū)周邊耕地土壤Hg含量較高。

4.2 農作物質量及成因

本次調查工作共采集水稻樣品30 件、茶葉樣品20 件、小葉苦丁樣品22 件、桃子樣品15 件、柑橘樣品15 件，102 件樣品中只有1 件水稻樣品中Cd 元素含量超標，其他農作物樣品均為綠色安全農產品，同時發(fā)現(xiàn)4 件水稻樣品中Se 元素含量達到富硒標準（Se 含量0.04～0.30 mg/kg）。

對水稻、茶葉、小葉苦丁、桃子等4 種農作物樣品及其對應根系土壤樣品中各元素進行統(tǒng)計分析，由于樣品數(shù)量及分布范圍的限制，農作物中As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge 元素與根系土壤中元素含量線性關系不太明顯。對農作物樣品及其根系土中各元素富集系數(shù)進行統(tǒng)計得知（表8），不同農作物對各元素的富集系數(shù)大小存在一定的差異：桃子對不同元素富集系數(shù)：Cd＞Cr＞Ge＞As＞Pb；茶葉對不同元素富集系數(shù)：Cd＞Se＞Pb＞Ge＞Hg＞As＞Cr；小葉苦丁對不同元素富集系數(shù)：Se＞Hg＞Cd＞Pb＞Ge＞As＞Cr；水稻對不同元素富集系數(shù)：Cd＞Se＞As＞Hg＞Ge＞Cr＞Pb。

表7 貴州余慶不同成土母巖耕地表層土壤地球化學指標均值統(tǒng)計表

水稻樣品分布與余慶縣北部的松煙鎮(zhèn)、敖溪鎮(zhèn)，土壤類型為水稻土，樣品所在區(qū)域成土母巖主要為三疊系夜郎組、嘉陵江組泥巖、灰?guī)r；茶葉樣品分布于余慶縣北部的松煙鎮(zhèn)和關興鎮(zhèn)，土壤類型為石灰土、黃壤土，成土母巖主要為三疊系夜郎組泥巖、二疊系龍?zhí)督M的泥巖、灰?guī)r；小葉苦丁樣品分布與南部的龍溪鎮(zhèn)和中部的花山鄉(xiāng)，土壤類型為石灰土、黃壤土，成土母巖主要為寒武系婁山關組、清虛洞組白云巖以及金鼎山組、明心寺組粉砂質頁巖等；桃子樣品分布于南部的龍溪鎮(zhèn)，土壤類型為石灰土、黃壤土，成土母巖主要為寒武系婁山關組、清虛洞組白云巖，奧陶系桐梓、紅花園組白云巖、頁巖。綜合區(qū)內耕地表層土壤元素含量特征以及成因分析，農作物中硒元素含量特征取決于土地耕作類型以及農作物對硒元素的吸收和富集率（趙燕等，2020）；農作物中重金屬元素含量特征取決于耕地表層土壤中各元素的含量、耕作類型以及農作物對元素的吸收和富集率（廖啟林等，2016；劉才澤等，2020；朱丹尼等，2020）。

5 結論

（1）余慶縣耕地表層土壤中Corg、N、P、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl 元素/指標均高于全國背景值，K 元素略低于全國背景值。其中Corg、Hg、Cd、N、Se、B 富集系數(shù)較高，分別為全國背景值的4.19 倍、4.00倍、3.89 倍、2.48 倍、2.30 倍、2.08 倍；F、As、Mo、Pb、Zn 在耕地表層土壤中富集系數(shù)次之，為全國背景值的1.39～1.83 倍。

（2）用R 型因子法對研究區(qū)耕地表層土壤地球化學特征的成因進行了分析，影響余慶縣內耕地土壤地區(qū)化學特征的主要因素有地質背景、土壤演化過程中的自然條件、土地利用類型、工業(yè)生產活動。10 個主因子的方差累計貢獻率達到83.494%，表明了余慶縣耕地表層土壤的地球化學特征83.494%的形成原因。

（3）余慶縣南部主要分布地層為青白口系、南華系、震旦系、寒武系、第四系，主要巖性為變余砂巖、冰磧礫巖、白云巖、頁巖、粉砂巖等，該區(qū)域內耕地表層土壤中Se、Ge 等有益元素含量較好，具有發(fā)展特色農業(yè)的有利條件，但是Hg、Cd 等重金屬元素在局部受地質背景和人為因素的影響，存在富集或者超標現(xiàn)象，建議對縣內尤其是南部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤中Hg、Cd 等重金屬元素開展檢測、評價、防治工作，并對相關區(qū)域內農作物進行安全性調查和評價。

表8 不同農作物元素富集系數(shù)統(tǒng)計表

（4）通過對不同成土母巖分布區(qū)域內農作物中有益有害元素含量特征分析可知，余慶縣主要農產品安全性、質量較好，由于水稻和茶葉樣品分布區(qū)域耕地土壤中Se 元素含量較高，存在富硒水稻，小葉苦丁樣品分布區(qū)域Se 含量稍低，但小葉苦丁對Se元素富集系數(shù)較高，除水果類作物外，農產品樣品中Se 含量大多達到富硒標準值的一半，具有發(fā)展富硒產業(yè)的潛力。由于本次工作農作物樣品數(shù)量有限，建議對農作物開展更全面的調查研究工作。

致謝本文是貴州省余慶縣耕地質量地球化學調查評價成果之一。感謝貴州省耕調辦專家委員會周琦研究員、任明強研究員、王硯耕研究員、馮濟舟高級工程師、陳旭輝研究員、楊忠芳老師等專家的指導；感謝貴州省地礦局一0 二地質大隊譙文浪、王勁松、魏澤權、劉永坤、陳登、龍宣霖、秦先進等為本文做出的貢獻。