山東省青州市土壤地球化學背景值及其分區研究

劉 陽，姜 冰，張海瑞，武 斌，董美川，郝志文

（山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，山東·濰坊 261021）

山東省土地質量地球化學調查與評價工作已順利完成并取得了一些成果[1-9]，但對于青州市的土壤地球化學背景值研究還沒有開展，筆者利用濰坊市土地質量地球化學調查評價成果集成與應用和濰坊市特色土地資源開發應用示范項目數據，首次查明青州市土壤地球化學背景值，為政府的科學決策和指導農業精準施肥提供數據支撐，服務鄉村振興。

青州市位于濰坊市西約60 km處，東鄰昌樂縣、西接淄博市臨淄區和淄川區，南連臨朐縣，東北與壽光市接壤，西北與東營市廣饒縣毗鄰，屬濰坊市轄區的縣級市。青州市地理極值坐標東經118°10′20″～118°46′30″，北緯36°24′27″～36°57′25″。轄八個鎮和四個街道辦事處，總面積1561.9 km2。

1 區域概況

青州市屬北溫帶亞濕潤大陸性季風氣候區，受大陸性和海洋性氣候交替影響，冬冷夏熱、四季分明。多年平均年降水量為664 mm，多年平均氣溫12.7℃，多年平均無霜期191.7天，多年平均積溫為4331.7℃。全年主導風向為東和南東東，多年平均風速2.5m/s。區內沖溝較多，河流縱橫，以近南北向河流為主，少量近東西向，水系源頭多在西南部的中低山區，流向呈由南而北，注入萊州灣。有大小河流近20條，分屬彌河、淄河（匯入小清河）水系。研究區隸屬華北板塊華北坳陷區（I）濟陽坳陷（Ia）牛頭—濰北潛斷陷（Ia8）之牛頭潛凹陷（Ia82）、壽光潛凸起（Ia84）、昌樂縣斷陷（Ia9）之昌樂凹陷（Ia91）和魯西隆起區（IIa）魯山—鄒平斷隆（IIa2）之博山凸起（IIa22）和柳山—昌樂斷隆（IIa3）之鄭母凹陷（IIa31）、魯山凸起（IIa32）以及沂山—臨朐斷隆（IIa8）之臨朐凹陷（IIa81）的相毗鄰地帶。研究區地處魯西隆起區的東南部邊緣，地層分區為華北地層區之華北平原地層分區與魯西地層分區，根據地層的劃分，可分為古生代寒武系、奧陶系及新生代新近系、第四系。寒武—奧陶紀地層分布在青州市西南部，地層露頭良好，層序連續且完整，其主要為一套厚度達千余米海相碳酸鹽巖沉積建造，主要巖性為灰巖、頁巖、白云巖。新近紀地層主要為臨朐群玄武巖為主。研究區內構造以北東向為主，北西向次之，東西向較少。研究區內巖漿巖不發育，僅零星見有中生代閃長玢巖、新生代輝綠玢巖，出露面積小，呈巖脈、小巖株狀產出（圖1）。

青州市南北跨濰西南中低山丘陵水文地質區之濰西南中低山水文地質亞區、濰北平原水文地質區之濰北山前沖洪積平原水文地質亞區和濰北沖積平原水文地質亞區。青州市地下水劃分為三大類型：即松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和噴出巖類孔洞裂隙水。

圖1 青州市地質簡圖Fig.1 Geological map of Qingzhou city

青州市處于魯中山區和魯北平原交接處，總的地勢是西南高，東北低，即有SW向NE呈緩坡逐漸傾斜。主要地貌類型有中山、低山、丘陵，主要分布在研究區的西南部和東南部，西南部主要為碳酸鹽巖類組成的中山、低山、丘陵區，面積約644.63 km2，占總面積的41.27%，東南部主要由玄武巖構成的丘陵區，面積約24.56 km2，占總面積的1.57%。研究區內最高點是西南山區的三縣頂（青崖頂），海拔954.3 m。山間平原可分為剝蝕平原和沖積—洪積平原，主要分布于青州市中部和東南部，面積約263.60 km2，占總面積的16.88%。剝蝕平原主要分布在譚坊鎮南部和邵莊鎮中部，面積約50.44 km2；沖積—洪積平原主要分布在譚坊鎮中部、彌河鎮南部、王府街道、益都街道西南部，面積約213.15 km2。山間平原主要由洪積物組成。研究區內分布有山前傾斜平原之沖積—洪積平原，分布在研究區中部及東北部，面積約629.14 km2，占總面積的40.28%，主要由沖積物和洪積物組成。最低點在何官鎮的張高村，海拔16.2 m。青州市土壤類型有棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土[10]。

2 工作方法

2.1 樣品采集

青州市土壤表層樣采樣點以網格狀布設在第二次全國土地調查青州市1:5萬土地利用現狀圖上。土壤樣品采樣密度平均為5件/km2，采樣深度為0～20 cm，采樣時以“X”或“S”形多點等量取樣合并為一個樣品的方式進行。野外采集的土壤樣品經室內晾干后，全部過10目尼龍篩，過篩后用“四分法”將重量大于500 g的待測樣品裝牛皮紙袋中送檢。

全青州市共取表層土壤樣點8132件。

2.2 樣品分析

本項目分析測試由具有甲級實驗測試資質的山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊實驗測試中心承擔。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、標準樣等多種監控手段，保證了樣品分析質量的可靠性。測試項目及測試精度滿足設計及規范要求，土壤樣品處理及分析方法見表1。

表1 土壤樣品處理及分析方法Table 1 Soil sample treatment and analysis method

2.3 數據處理

本項目的數據是用Excel、SPSS等軟件處理，統計了平均值、標準離差、變異系數、背景值等數據，并做了相關性分析。圖件用MapGIS和土地質量地球化學調查與評價數據管理與維護（應用）子系統繪制。

3 青州市土壤元素地球化學背景值

3.1 土壤地球化學背景值

本文是以青州市表層土壤（0～20 cm）分析測試數據為基礎，經過數據處理和正態分布檢驗后求得的平均值為青州市表層土壤元素地球化學背景值。青州市土壤地球化學背景值見表2。

表2 青州市土壤地球化學背景值統計表Table 2 Geochemical background value of soil in Qingzhou city

（續表2）

土壤地球化學背景值代表土壤中的元素含量水平[12-13]。從圖2和表2可以看出數據處理前后多數指標算術平均值與背景值差別不大，僅I、pH、有機質三個指標剔除率超過10%，而I、Hg、有機質三個指標剔除后背景值與剔除前算術平均值相比，背景值變化率均超過20%，表明元素的離散程度相對較大，分布不均勻，容易受到外界環境的干擾。

圖2 青州市土壤算數均值（剔除前）與背景值（剔除后）對比圖Fig.2 Comparisons of soil arithmetic mean (before excluding)and background value (after excluding) in Qingzhou city

3.2 青州市土壤元素變異系數

青州市土壤元素變異系數見表2、圖3。

圖3 青州市土壤元素變異系數分布柱狀圖Fig.2 Distribution of variability coeきcient of soil elements in Qingzhou city

青州市土壤指標分布均勻的有：K、V、Ge、Mn、B、As、Co、Cr。它們含量變化很小，空間分布均勻，其中K、V、Ge的變異系數最小，只有0.17，說明它們分布的最均勻，在自然界中容易遷移，這個和他們的化學性質較活躍有關。

青州市土壤指標分布較不均勻的有：F、Zn、P、Ni、Cu、Se、N、Cd、Mo、有機質、Pb、I、pH，說明它們在自然界較不容易遷移，這可能受到了成土母質和人類活動的雙重影響。

青州市土壤指標分布極不均勻的有：Hg，變異系數最高，為3.54，Hg含量高的土壤主要集中分布在青州市區及周邊，這可能與人類活動造成的局部Hg污染有關[14]。

3.3 青州市土壤元素與濰坊和山東省表層土壤的關系

K值是單個元素背景值與參比區（全濰坊市K1、全山東省K2）的比值，見圖4，利用襯度系數我們可比較出單個元素的相對富集或貧乏特點。

圖4 青州市土壤地球化學背景值與濰坊市土壤背景值比值K1山東省土壤背景值比值（K2）折線圖Fig.4 The ratio of soil geochemical background value in Qingzhou city to that in Weifang city (K1) and Shandong province (K2)

與濰坊市相比（K1），青州市土壤背景值接近的元素 有：F、Pb、Ge、Co、Cu、pH、Ni、Cr、Mn、Mo。與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值接近的指標有：Pb、Mo、Cu、Co、Ge、Mn、Ni、Zn、pH、P；說明這些指標在區域分布總體較均勻。

與濰坊市相比（K1），青州市土壤背景值偏高的元素有：I、V、Zn、B；與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值偏高的指標有：V、Cr、B、I、Se、Cd。

與濰坊市相比（K1），青州市土壤背景值明顯偏高的元素有：P、Hg、N、Se、As、Cd、有機質；與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值明顯偏高的指標有：Hg、As、N、有機質。說明這些元素受自然作用和人類活動的影響較大；其中青州土壤有機質背景值與濰坊和山東背景值相比都超過兩倍，說明青州市表層土壤中有機質含量相對豐富；青州市表層土壤中有機質豐富（＞40 g/kg）和N豐富（＞2 g/kg）的區域多集中在南部山區，這可能與山區林草茂盛，表層土壤中含有較多腐殖質有關；而青州市的富硒土壤（0.4～3.0 mg/kg）也多集中在南部山區，與土壤中有機質和N含量的Pearson相關系數分別為0.82、0.80，呈顯著正相關，說明南部山區的硒含量明顯偏高與土壤中有機質和N較多有關，硒多以有機結合態賦存于表層土壤中。青州市硒元素是濰坊市的1.34倍，且主要集中在西南部山區，應結合青州市西南部山區的旅游資源，適時開發利用。而Hg元素分別是濰坊市和山東省的1.23和1.27倍，且高值主要集中的青州市區及周邊，應引起關注。

與全山東省相比（K2），青州市土壤背景值偏低的指標有：F。青州市表層土壤F大多屬于適量等級（500～550 mg/kg），僅在青州市廟子鎮中部有少量F過剩（大于700 mg/kg）土壤。而山東省土壤中氟元素背景值比青州市高，這可能與山東省是全國地方性氟中毒（簡稱地氟病）最為嚴重的病區省份之一有關[15]。

青州市pH值含量接近濰坊市背景值和山東省背景值，總體呈中性—堿性，僅在青州市邵莊鎮西部和廟子鎮西部存在少量強堿性（pH＞8.5）土壤。

3.4 青州市土壤地球化學分區

土壤地球化學分區是對長期地質歷史過程中地球表生帶在各種地質綜合作用下所形成的性質不同的地球化學場所特征的歸納與合并。從區域地質角度看，研究區位于華北板塊的昌樂凹陷和博山凸起接觸部位，巖漿巖不發育，成土母質主要為寒武—奧陶系長清群、九龍群和馬家溝群的灰巖、白云巖、頁巖，新近紀臨朐群玄武巖及第四系沖洪積物等。從地形、地貌角度看，地貌類型西南部以中山、低山、丘陵為主，東北部山間平原和山前傾斜平原為主。由于上述獨特的地質、地形、地貌特征等差異，使區域內成土母質體由于同生和后生地球化學作用，造成元素及元素組合的進一步演化而具有不均勻分布的特征，從而形成具有不同成分或不同元素組合的地球化學區。研究區共劃分為2個地球化學區和5個地球化學亞區（圖5）。

圖5 青州市土壤地球化學分區Fig.5 Schematic diagram of soil geochemical zoning in Qingzhou city

3.4.1 西南部山地丘陵地球化學區（I）

該地球化學區位于青州市西南部山地丘陵區，區內地質背景以古生代寒武紀九龍群、馬家溝群為主，巖性主要有灰巖、白云巖和頁巖等，另有第四紀山前組松散堆積物沿山間平原少量分布。土壤中As、Cd、Co、Cu、F、I、K、Mo、N、Pb、Se、Zn、pH、有機質等元素呈高背景，Cr、P、全鹽量等元素呈低背景。

根據元素組合的不同，將該區劃分成2個地球化學亞區，分別為王墳鎮和廟子鎮南部地球化學亞區和廟子鎮北部及王墳鎮以北地球化學亞區。各亞區分區特征如下：

（1）王墳鎮和廟子鎮南部地球化學亞區（I-1）

成土母質以灰巖、白云巖和頁巖形成的風化物為主。土壤類型以石灰巖鈣質粗骨土、黃土質石灰性褐土、灰質石灰性褐土和灰質褐土性土為主。土壤中As、Cd、Co、Cu、F、I、K、Mo、N、Pb、Se、Zn、有機質等元素呈高背景，P、全鹽量等元素呈低背景。

（2）廟子鎮北部及王墳鎮以北地球化學亞區（I-2）

山前平原的分布面積相對王墳鎮和廟子鎮南部地球化學亞區較多，成土母質以灰巖、白云巖和頁巖形成的風化物為主，以沖洪積物為輔。土壤類型以石灰巖鈣質粗骨土、黃土質石灰性褐土為主。土壤中As、F、I、Mo、N、Pb、Se、Zn、pH、有機質等元素呈高背景，Cr、K、P、全鹽量等元素呈低背景。

3.4.2 東部和北部平原地球化學區（Ⅱ）

該地球化學區位于東部及北部平原區，區內大面積分布第四紀臨沂組、黑土湖組和山前組，小面積沿彌河分布沂河組，另譚坊鎮南部少量分布新近紀臨朐群牛山組和堯山組玄武巖，土壤中B、Co、Cr、Cd、Cu、F、Ge、Hg、K、Mn、Ni、P、Pb、Se、V、Zn、全鹽量、有機質等元素呈高背景，As、I、Mo、Ni等元素呈低背景。

根據元素組合的不同，將該區劃分成3個地球化學亞區，分別為青州市區地球化學亞區、譚坊鎮中南部地球化學亞區和譚坊鎮北部至高柳鎮一帶地球化學亞區。各亞區分區特征如下：

（1）青州市區地球化學亞區（Ⅱ-1）

該地球化學亞區位于青州市區及周邊，區內地質背景為第四系山前組和臨沂組松散堆積物，成土母質為沖洪積物。土壤類型為砂姜黑土、洪沖積潮褐土和洪積褐土。土壤中Cd、Cu、Ge、Hg、Mo、P、Pb、Se、Zn、全鹽量、有機質等元素呈高背景，I、K等元素呈低背景。

（2）譚坊鎮中南部地球化學亞區（Ⅱ-2）

該地球化學亞區位于譚坊鎮中部及南部，區內地質背景以第四系山前組為主，以新近紀臨朐群牛山組和堯山組為輔。成土母質主要為沖洪積物和玄武巖的風化物。土壤類型為洪沖積潮褐土、洪積石灰性褐土、洪沖積淋溶褐土、暗泥淋溶褐土、基性巖類中性粗骨土。土壤中Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、P、V、Zn等元素呈高背景，As、B、K、Pb等元素呈低背景。

（3）譚坊鎮北部至高柳鎮一帶地球化學亞區（Ⅱ-3）

該地球化學亞區位于譚坊鎮北部至高柳鎮一帶，區內地質背景為第四系臨沂組和黑土湖組，成土母質為沖洪積物。土壤類型主要為洪沖積潮褐土、洪積褐土、壤質潮土、粘質潮土、覆蓋石灰性砂姜黑土、壤質脫潮土。土壤中B、F、Hg、K、P等元素呈高背景，Co、Cu、I、Mo、Ni、Pb等元素呈低背景。

4 結論

（1）本文首次查明了青州市表層土壤元素地球化學背景值，為政府科學決策和指導農業精準施肥提供了數據支撐。

（2）青州市表層土壤元素分布大多都比較均勻，只有Hg元素分布極不均勻，高值集中分布在青州市區及周邊，應引起關注。

（3）青州市表層土壤元素背景值與濰坊市和山東省A層土壤均值比較，含量較高的指標有有N和有機質，而Se元素與濰坊相比含量也較高，且Se元素與N和有機質呈顯著正相關，且青州富硒土壤多分布在南部山區，應結合南部山區的旅游資源，適時開發利用。而與全山東相比，明顯偏低的為F，這可能與山東省是全國地方性氟中毒（簡稱地氟病）最為嚴重的病區省份之一有關。