桓臺縣土壤地球化學背景值及分區特征

刁海忠，楊小三，李文全，楊偉紅

(中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013)

0 引言

土地質量地球化學調查始于1∶25萬多目標區域地球化學調查，是一項服務于國土資源管理、地方經濟發展和精準扶貧的基礎地質調查工作。山東省自2003年開始，前后歷時15年，實現了全省陸域范圍1∶25萬土地質量地質調查工作全覆蓋[1-2]。在此期間，開展了章丘大蔥生產基地地球化學環境研究工作，工作比例尺為1∶5萬[3-5]，為全省開展大比例尺土地質量調查與評價工作奠定基礎。2016年，山東省安排省財政資金在全省范圍內開展1∶5萬土地質量地質調查與評價工作，桓臺縣為選中地區之一。研究區工業發達，為全國百強縣市，同時作為我國江北第一個“噸糧縣”，土地肥沃，研究區內土地環境質量面臨污染壓力。本次研究工作對數據進行統計分析，大致理清表層土壤中各元素物質來源及影響因素，為當地可持續發展提供依據。

1 研究區概況

桓臺地理位置處于魯中山區和魯北平原的結合地帶，行政區劃隸屬于山東省淄博市(圖1)，面積509km2，總人口50.16萬。區內地勢南高北低，地形平坦[6]，分為南部緩崗、中部微斜平地、北部洼地3種地貌單元。研究區未見基巖出露，為第四紀松散堆積物掩蓋，其下伏隱伏地層有中新生代陸相沉積和古生代海相—海陸交互相沉積巖系等。土壤類型分為褐土、潮褐土、潮土。土地利用類型主要為耕地、林地、園地、住宅用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、工礦倉儲用地、公共管理及公共服務用地、其他土地等。

1—河流：2—行政區界線；3—研究區位置

2 工作方法

2.1 樣品采集與分析

采集樣品2803件，平均采樣密度5.51點/km2。樣品采集深度0～20cm，樣品采集采用多點組合方法，每個分樣點采樣部位、采集深度、重量保持一致，采集樣品時，避開新搬運的堆積土、垃圾土及明顯污染的土壤。不同土地利用類型的地塊分樣點的數量不同，耕層土壤由4～6個子樣等量混合組成1件樣品，林地土壤由2～3個子樣等量混合組成1件樣品。樣品經自然風干后，過2mm的孔徑篩，縮分后正、副樣各留300g，正樣送往實驗室，副樣留存。分析測試工作由中國冶金地質總局山東局測試中心完成，分析方法以電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)、X射線熒光光譜法(XRF)為主(表1)，各分析方法質量參數符合要求，分析過程按照規范要求進行實驗室外部質量、實驗室內部質量控制。

表1 研究區土壤元素全量指標分析方法

外部質量控制累計插入150件外控樣與樣品同時分析，分別計算各元素測量值與標準值之間對數偏差的合格率(%)、相關系數(r)、雙樣本的方差分析(F)控制樣品分析質量，質控合格率均大于99.46%；共采集重復樣66件，2次采樣分析結果相對雙差(RD=2×|A1-A2|×100%/(A1+A2))≤30%為合格[7]，合格率均大于90%，符合要求。

2.2 背景值計算方法

土壤地球化學背景值是指自然應力和人類活動共同作用影響下(土壤的第Ⅱ環境)區域表層土壤的含量值,實際上是成土母質組成、成土過程中元素遷移重分配、人為擾動污染等各種因素長期綜合作用的結果,以表層土壤地球化學調查元素含量表征[8-9]。

求取背景值時，首先采用峰度、偏度法對數據頻率分布形態進行正態檢驗[10-11]。當數據服從正態分布或對數正態分布時，分別采用算術平均值和幾何平均值為土壤背景值；若數據分布形態均不符合上述2種形態時，按照算術平均值加減3倍標準離差的方法迭代剔除數據，直至無離散值。對剔除后的數據進行正態檢驗，若為正態分布或對數正態分布，用算術平均值或幾何平均值代表土壤背景值；若為偏態分布，以眾值代表土壤背景值。計算背景值變化范圍時，部分元素采用“1.5倍標準離差”，未統一采用算術平均值加減2倍標準離差或幾何平均值乘除幾何標準離差的平方，這是因為，有些元素若選擇“2倍標準離差”背景值變化范圍會超出實際樣品測試的含量范圍或出現負值。

3 土壤元素地球化學背景值

研究區表層土壤元素地球化學背景值參數統計見表2。

(1)研究區表層土壤背景值與淄博市土壤背景值相比，Se，I，P，N，Hg，Cd元素含量明顯偏高，是淄博市土壤元素平均值的1.23～1.52倍，Se為淄博市土壤平均值的1.52倍，其余元素除有機質，Ge外與淄博市土壤元素背景值相當。

(2)研究區表層土壤背景值與山東省土壤平均值(A層)相比，Se，有機質，N，Zn，P，Hg，Cd，V，F，I元素含量明顯偏高，是山東省土壤元素平均值的1.31～1.78倍，其中Se為山東省土壤平均值的1.78倍，研究區表層土壤Se含量平均值為0.38×10-6，按中酸性土壤Se含量大于0.4×10-6，堿性土壤中Se含量大于0.3×10-6[12]，劃定富硒土地面積291.91km2，富硒土地連片性較好，便于開發利用，同時研究區內有益元素含量水平較高，為研究區開發名優特農產品提供了優勢。

表2 表層土壤地球化學含量特征參數

(3)根據Wilding對變異系數(Coefficient of Variation,CV)的分級[13-14]，研究區表層土壤元素pH，F，K，Ge屬于低度變異(CV<0.16)；B，Cr，V，Pb，Ni，Mn，N，有機質，Co，As，P，Cu，Mo，Zn，I，Cd的變異系數分別為0.18，0.18，0.19，0.2，0.2，0.2，0.22，0.22，0.22，0.22，0.26，0.27，0.28，0.3，0.33，0.35，屬于中度變異(0.160.36)。說明區內I，Cd，Se，Hg元素分布不均，這種現象多是由于地形地貌及人類生產活動引起的。結合有害元素含量情況，研究區雖然面臨土壤污染的壓力，但絕大部分土壤為無風險等級(圖2)。

1—無風險；2—風險可控；3—風險較高

4 土壤元素地球化學分區

4.1 分區依據及方法

因所處地質背景不同，成土母質在物質組成方面存在差異，這些因素導致了元素組合呈現區域性的差異[9]。土壤形成過程中元素發生遷移轉化，因元素的地球化學行為存在差異性，習性相近的元素在遷移轉化過程中傾向于聚集在一起。用聚類分析和因子分析進行指標組合和變量降維，根據元素分組特征和因子組合特征尋求分區信息。分區時綜合考慮地形地貌、土壤類型及土地利用方式的不同。

4.2 聚類分析

通過spss軟件對表層土壤元素含量數據進行R型聚類分析，根據表層土壤R型聚類分析譜系圖(圖3)，按距離15，將22個指標分為2個元素組合簇群及5個單元素簇。

圖3 研究區表層土壤元素聚類譜系圖

第一簇群為Cr，Cd，Cu，Pb，Ni，Zn，Co，V，Mn，Ge，Mo，K；第二簇群為N、有機質、Se，P，Hg；As，B，F，I，pH與其他簇群相關系數相差太大，各自獨立成單元素(組分)簇。第一簇群元素組合以有害元素及微量營養元素為主，主要為鐵族元素，受地質背景影響較大；第二簇群以親生物元素為主，體現了自然背景疊加人類活動影響的組合特征；其余單元素(組分)因土地利用類型、土壤類型、地形地貌等因素造成與其他元素相關性較差，各自形成單元素(組分)簇。與因子分析相比存在一定的差異性，主要是由于因子組合特征為因子方差極大正交旋轉后的分析結果。

4.3 因子分析

通過SPSS軟件進行因子分析，為了降低數據特高值的影響，對原始數據進行對數轉換。首先對所選數據進行相關關系檢驗(表3)，看是否適合做因子分析。研究區表層土壤各變量KMO值為0.903，KMO值接近1，概率P<0.001，說明變量間的相關性較強，表明選取變量適合做因子分析基于主成分模型，提取8個因子，累計方差貢獻率為81.69%，較大程度地代表了原有變量蘊含的信息。為了使各因子與原始變量的相關系數有明顯的差別，采用方差極大正交旋轉后因子載荷矩陣(表4)，對因子分析的結果進行剖析[15-20]。

表3 KMO和Bartlett's的檢驗

表4 方差極大正交旋轉后因子載荷矩陣

利用MapGIS軟件繪制表層土壤F1，F2，F3因子得分分布圖(圖4、圖5、圖6)。

圖4 研究區表層土壤F1因子得分分布圖

圖5 研究區表層土壤F2因子得分分布圖

F1因子與V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge顯著性相關，除Ni，Ge以外，其余變量元素與F1因子相關系數均大于0.70，上述元素為鐵族元素為主，難以遷移，其風化物以各種次生礦物的形式固滯在母質的有限范圍內，并在風化過程中易于聚集和離散。Ge元素在表生作用條件下相對穩定，也呈現傾向于殘留在成土母質有限范圍內的特征。K元素主要以礦物鉀形式存于土壤粗粒部分，占全鉀的90%左右，植物極難吸收[21-23]。雖然人類農業生產活動有鉀肥的輸入，同時農作物對于鉀的需要量均高于氮、磷，所以人類農業生產活動對于表層土壤鉀元素的影響有限，因此F1因子受控于成土母質，反映了本區表層土壤元素空間分布的主體格架主要為鐵族元素等難以遷移的元素。

F2因子與有機質，N，Se，Hg，P顯著相關，為親生物元素。相關分析表明，土壤中的氮和有機質呈顯著性相關(顯著性水平為0.01)，相關系數為0.86。土壤中氮元素主要以有機態氮形式存在，能被植物直接吸收利用的無機態氮含量約為全氮量的5%。一般認為土壤中C/N存在平衡狀態，土壤氮素含量大體上決定了有機碳的含量，土壤碳的保持在很大程度上決定于土壤氮素的水平，反過來土壤有機碳含量的高低間接反映出土壤的供氮能力[24-26]。從空間分布范圍來看，因子得分高值區主要集中在馬橋-荊家-田莊一帶，該區域為石油開采區，硒元素的地球化學特征表明，硒元素一般富集在有機質內，黑頁巖、煤、石油中含有較多的硒，這也是硒元素進入該因子的原因之一。該因子體現了在自然背景下，疊加人類活動或表生作用影響下的營養元素含量的分布特征。

圖6 研究區表層土壤F3因子得分分布圖

F3因子元素組合特征為：Zn，Cu，Pb，Cd，Mo(按與因子相關性由大到小排序)，上述元素組合易受人類活動影響，空間上主要分布在人口密集，為人類活動因子。表層土壤As，I，F，pH是以單一因子出現的因子，顯示這些元素地球化學行為具有獨立性或著元素來源不同。As異常主要分布在工業開發區周邊，為工業污染因子；碘鹽一般不穩定，易于分解和揮發，難于與其他元素組合形成較穩定的鹽類和礦物，所以在表層土壤中呈單因子出現的主要原因。F元素在風化過程中有較高的活性，可以富集于可溶性載體中，借助水體介質遷移，表明它的遷移聚集狀況受現今環境如地形、地貌等的制約。pH，B因子受控于成土母質及人類生產生活的影響。

4.4 地球化學分區

根據上述土壤地球化學分區原則及方法,全區共劃分5個地球化學分區(圖7),其中Ⅰ區分為南北2個區域，分別進行編號，兩者特征相近，統一描述，各分區特征如下:

Ⅰ區:主要分布于研究區北部邊緣及東南部,元素組合特征為V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，As；其中Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，As呈高值分布，這與該區域土地利用方式有明顯的關系，研究區2個工業園區位于該區域，該區反映了在自然背景基礎上，疊加人類工業、農業生產影響下的分布特點。

Ⅱ區:主要分布于馬橋—田莊—荊家一帶,元素組合特征為V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，有機質，N，Se，Hg，P，該組合特征主要由難以遷移元素及親生物元素組成，其中有機質，N，Se，Hg，P等親生物元素呈高值分布，桓臺石油開采主要集中于該區域，Se元素作為有機物(煤、石油)指示元素在該區域內富集。

Ⅲ區:主要分布于起鳳一帶,元素組合特征V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，F，I；其中V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge呈低背景。F，I呈高背景，這種分布與該區域地形地貌有關，該區位于地勢低洼處，F，I在風化過程中有較高的活性，通過可溶性載體在該區域富集。

Ⅳ區：主要分布在研究區中南部，區內元素均呈現以自然背景為主的分布特征。

Ⅴ區：主要分布索鎮—唐山一帶,元素組合以Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，pH等元素高背景為特征，區域內為人口密集區，反應了人類生活對于該區域的影響。

1—分區編號；2—分區界線；3—鄉鎮界線

5 結論

(1)研究區土壤中大部分有益元素含量普遍高于淄博市、山東省表層土壤含量水平，其中Se元素含量水平較高，富硒土地連片性好，易于開發利用。部分有害元素高于山東省，評價結果表明區內絕大部分土地為無風險等級。研究結果對推動當地農業種植結構調整具有重要的指導意義。

(2)聚類分析及因子分析結果表明，研究區內元素空間分布的主體格架受地質背景控制，人類生產活動對元素的分布產生的影響有限。難以遷移的元素固滯在成土母質的有限范圍內，易于遷移的元素受地形地貌的影響通過可溶性載體在區內低洼處富集。

(3)研究區分為5個地球化學分區，其中Ⅴ區分布在縣城周邊，人類活動影響較大，其余分區空間元素分布特征具有在元素自然背景基礎上，疊加人類工業、農業生產影響下的特點。