濟南市土壤地球化學背景值及環境質量評價

王紅晉，郭艷，任文凱，喻超

(1.山東省地質調查院,山東 濟南 250014; 2.山東省土地質量地球化學與污染防治工程技術研究中心,山東 濟南 250012)

0 引言

隨著工業化進程的逐漸加快，人類也在面臨著環境惡化、資源枯竭等一系列嚴峻問題，土地是保障人類生存最基本的資源，協調好人地關系，保持土地資源可持續利用是當務之急，因此，對土地質量進行精確評價，確定土地質量等級對提高土地利用效率具有現實指導意義。自2003年開始，山東省歷時15年，實現了全省陸域范圍1∶25萬多目標區域地球化學調查全覆蓋[1-5]，本次研究所用數據均來源于該成果。濟南市作為黃河下游流域的中心城市，對其進行土壤質量地球化學評價研究具有重要意義。

1 研究區概況

濟南位于山東省中西部，華北平原東南部邊緣，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖擊平原的交接帶上，總面積10244.45km2(圖1)。地勢南高北低，呈現由南向北依次為低山丘陵、山前沖積—洪積傾斜平原和黃河沖積平原的地貌形態。大地構造處于華北板塊的華北拗陷區的濟陽坳陷和魯西隆起區之魯中隆起的銜接地帶。北部為濟陽坳陷、淄博-茌平坳陷，南部為魯中隆起，屬向N傾斜的單斜構造。地層南老北新，南部以古生代石灰巖為主，北部以新生代松散堆積物為主。土壤類型有棕壤、褐土、潮土、沙姜黑土、水稻土、風砂土6 種土類，其中以棕壤、褐土兩大土類為主。土地利用類型主要有水田、水澆地、旱地、果園、有林地、其他林地、其他草地、城市建設用地、交通用地、水面、灘涂和其他土地等。

1—省界；2—地市界；3—河流；4—研究區位置

2 工作方法

2.1 樣品采集與分析

土壤表層樣品采樣深度為0～20cm，按1點/km2的采樣密度進行采集，4 km2組合成一個分析樣；共分析測試2543件。全量分析Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、La、Li、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、Rb、Sb、Sn、Sr、Th、Ti、U、V、W、Y、Zn、Zr、Ge、Ce、Tl、Se、Ga、Sc、Cl、Br、I、N、C、S、OrgC、K2O、MgO、CaO、Al2O3、TFe2O3、SiO2、Na2O、pH等54項指標，測試工作由湖北省地質實驗測試中心完成。以國家一級土壤標準物質進行準確度和精密度監控，按比例隨機檢查和異常點抽查進行樣品分析質量監控，以重復分析來評定采樣和分析誤差是否對區域地球化學變化有顯著影響，保證了分析質量的可靠性[6]。

2.2 背景值計算方法

土壤元素地球化學背景值是指經過自然改造和人為活動(第II環境)所形成的區域表層土壤元素的含量值，是第I環境和第II環境共同作用的結果，一方面其與土壤基準值有著密切的繼承關系，總體受土壤基準值的控制，同時由于長期的風化、淋濾等自然作用以及人類生產生活等人為活動的改造影響，表層土壤地球化學特征會發生一定的變化，致使其與土壤基準值存在一定的差異[7-13]。

濟南市土壤地球化學背景值的計算依據《數據的統計處理和解釋正態性檢驗》(GB/T 4882—2001)，首先對數據頻率分布形態進行正態性檢驗[7-20]。當統計數據服從正態分布時，用算術平均值代表背景值，算術平均值加減2倍的算術標準偏差代表背景值的變化范圍；服從對數正態分布的數據，用幾何平均值代表背景值，幾何平均值乘除幾何標準偏差的平方代表背景值的變化范圍；不服從正態分布的數據，按照算術平均值加減3倍算術標準偏差或幾何平均值乘除幾何標準偏差的立方進行剔除，反復剔除后數據服從算術正態分布或對數正態分布時，用算術平均值或幾何平均值代表土壤背景值，算術平均值加減2倍算術標準偏差或幾何平均值乘除幾何標準偏差的平方代表背景值的變化范圍。反復剔除后仍不滿足正態分布或對數正態分布時，若呈偏態分布，以眾值或平均值代表背景值；若呈雙峰或多峰分布時，以中位值或平均值代表背景值。

3 土壤元素地球化學背景值

濟南市表層土壤元素地球化學背景值參數統計見表1。

表1 表層土壤地球化學含量特征參數統計表

(1)濟南市表層土壤背景值與山東省土壤平均值(A層)相比(圖2)，C和CaO指標含量明顯偏高，分別是山東省土壤元素平均值的1.21和1.20倍；As、B、Bi、Li、Se、OrgC指標含量偏高，Sr元素含量偏低，其余元素與全省土壤元素背景值含量相當。與全國土壤A層相比，Cd、Cr、Cu、F、Ni、Sn、MgO、CaO、Na2O、pH為全國土壤A層豐度的1.14～1.92倍，其中，CaO、Cd含量分別是全國土壤豐度的1.88和1.54倍，Ag、Hg、Mo、Sb、W、Se、I、OrgC背景值是全國豐度的52%～74%，多為植物生長所需的有益元素，應引起重視。

1—山東省土壤元素背景值；2—全國土壤元素背景值

(2)濟南市原始數據變異系數介于0.09～3.61之間，變異系數大于1的指標為Hg、Sb和Cl元素，數據離散程度較高，含量變化大，特別在人口密集的市區含量偏高；變異系數在0.3～1.0之間的指標包括Ag、Bi、Cd、Cr、Cu、Au、Ni、P、Pb、Sn、Th、W、Zn、Se、Br、I、C、S、OrgC、CaO等指標，數據離散程度較高，含量變化較大；變異系數小于0.15的指標包括Nb、Ti、Y、Ge、Al2O3、SiO2、K2O和pH，數據離散程度較小，含量分布均勻。對原始數據剔除均值±3倍標準離差外離群值后，數據離散程度明顯降低，變異系數介于0.04～0.46之間。

(3)濟南市行政區劃在2019年進行了變動，變動前后的土壤元素背景值也隨之發生了變化[10]，其中Be、Rb、Th、Tl、Se、Ga、Al2O3、Na2O等指標背景值明顯升高，As、B、Hg、P、Cl、Br、C、S、Sb、MgO、CaO等指標背景值下降，其他指標變化不大。

4 土壤質量地球化學綜合分級

4.1 分級依據及方法

首先對研究區的表層土壤進行土壤養分和土壤環境質量地球化學綜合等級劃分，然后參照表2對土壤養分地球化學綜合等級與土壤環境質量地球化學綜合等級進行疊加，最終得出土壤質量地球化學綜合等級。

表2 土壤質量地球化學綜合等級表達圖示與含義

4.2 評價結果

評價結果顯示(圖3)，濟南市表層土壤質量總體較好，優質、良好和中等之和占研究區總面積的99.76%，其中，占比最高的為良好土壤，面積為6034.74km2，占濟南市總面積的58.91%，主要分布在商河、濟陽、章丘、平陰和主城區的部分地區；優質土壤面積為3020.96km2，占29.49%，主要分布在商河南部、濟陽北部、章丘區和市區東南部；中等區土壤分布面積為1163.72km2，占11.36%，主要分布在萊蕪區、鋼城區和濟南城區和東南部，其他地區零散分布，城區東南部Cd、Cr、Cu、Ni含量較高與基巖區的高背景值有關，其他地區與人類生產生活活動有關；差等土壤分布面積最少，面積為24.59km2，占0.24%，主要分布在市區化工廠、熱電廠和鋼鐵煤礦企業附近(圖4)，污染元素主要為Hg、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb，這與這些企業工業燃煤和粉塵、廢水、廢渣排放密切相關。

1—優質；2—良好；3—中等；4—差等

1—無風險；2—風險可控；3—風險較高

5 結論

(1)與山東省土壤平均值(A層)相比，C和CaO指標含量明顯偏高，分別是山東省土壤元素平均值的1.21和1.20倍；As、B、Bi、Li、Se、OrgC指標含量偏高，Sr元素含量偏低，其余元素與全省土壤元素背景值含量相當；與全國土壤A層相比，Cd、Cr、Cu、F、Ni、Sn、MgO、CaO、Na2O、pH為全國土壤A層豐度的1.14～1.92倍，其中，Cd含量是全國土壤豐度的1.6倍，Ag、Sb、W、Se、I、OrgC背景值是全國豐度的52%～74%，多為植物生長所需的有益元素，應引起重視。

(2)濟南市原始數據變異系數大于1的指標為Hg、Sb和Cl元素，數據離散程度很高，含量變化大；變異系數在0.3～1.0之間的指標包括Ag、Bi、Cd、Cr、Cu、Au、Ni、P、Pb、Sn、Th、W、Zn、Se、Br、I、C、S、OrgC、CaO等指標，數據離散程度較高，含量變化較大，受人為活動污染影響，城鎮土壤明顯富集重金屬、OrgC、N、P等指標，同時由于燃煤和金屬冶煉作用，城鎮周邊也會富集Se、TFe2O3等。

(3)濟南市表層土壤質量總體較好，優質、良好和中等之和占研究區總面積的99.76%，中等和差等土壤主要分布在萊蕪區、鋼城區和濟南城區的化工廠、熱電廠和鋼鐵煤礦企業附近，污染元素主要為Hg、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb，這與這些企業工業燃煤和粉塵、廢水、廢渣排放密切相關，有關部門應引起重視。