山東省聊城市“聊茌東”都市區地球化學背景值研究

喻超，王英鵬，王增輝，蔡青，王紅晉，任文凱

(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

2003—2016年，山東省通過4個1∶25萬區域地球化學調查與評價項目實現了全省陸域范圍全覆蓋，這些調查成果在國家和省級層面取得了豐碩成果[1-11]。隨后，為適應縣域級應用需求，山東省在1∶25萬區域地球化學調查成果的基礎上，相繼開展了多個縣域范圍的1∶5萬大比例尺土地質量地球化學調查工作[12-18]。2019年，通過在山東省聊城市東昌府區、茌平區和東阿縣開展的1∶5萬土地質量地球化學調查，分析獲取了各類重金屬和營養元素指標共計28項，基于地質背景、土壤類型和行政區單元統計并研究了調查區地球化學背景及特征，并與2003年調查區獲取的1∶25萬土壤地球化學調查數據進行對比[11]，分析了其差異性。

1 概述

1.1 自然地理

“聊茌東”都市區，是以涵蓋聊城市中心城區(東昌府區、經濟開發區、高新區、旅游度假區)、茌平區和東阿縣為中心所形成的城鎮群，總面積約3173km2，本次調查范圍包括山東省聊城市東昌府區、茌平縣和東阿縣，野外調查總面積2576km2(圖1)。聊城市處于溫帶季風氣候區，具有顯著的季節變化和季風氣候特征，屬半干旱大陸性氣候，年平均氣溫為13.5℃，近10年平均年降水量為578.7mm，全年最多風向為南風、偏南風，又以春季出現的頻率最高，其次為北風、偏北風。

圖1 研究區范圍示意圖

1.2 地質概況

調查區位于黃河下游流域，位于魯西平原區，地勢自西南向東北傾斜，地質背景比較單一，99.97%區域為第四紀地層沉積覆蓋區。調查區自上而下主要發育有第四紀魚臺組、巨野組和單縣組，占調查區面積的95.58%，另外第四紀黑土湖組和黃河組占調查區面積的4.39%，寒武紀九龍群炒米店組和三山子組僅占調查區面積的0.03%。聊城市境內地質構造屬華北板塊的一部分，聊考(聊城-蘭考)斷裂帶又將全市分為2個二級構造單元，其西部為遼冀臺向斜，東部為魯西臺背斜。遼冀臺向斜中有2個三級構造單元，即臨清坳陷區和魯中隆起區；魯西臺背斜中有1個三級構造單元，即茌平凸起區。自西向東又分3個四級構造單元；館陶凸起區、堂邑凸起區、東阿凹陷區。境內分布許多斷裂，其走向一般呈NE向。較大的斷裂為聊考大斷裂，其次有堂邑斷裂、茌平斷裂、東阿斷裂。另外，還有許多小斷裂。

1.3 土壤類型

根據全國土壤普查暫行技術規程和《山東省第二次土壤普查土壤工作分類暫行方案》，區內土壤共分潮土、脫潮土、鹽化潮土及草甸風砂土等共8種土壤類型。潮土是區內占比最大的土壤亞類，分布面積廣泛，其次為鹽化潮土和脫潮土，占比分別為55.65%，20.81%和15.13%，其余土壤類型面積占比均低于3%。

1.4 土地利用類型

調查區內土地利用類型多樣，區內土體深厚，灌溉便利，因此農耕區面積較大，是重要的糧食作物產區，農用地大類占76.59%，其中耕地和園地(水田、水澆地、旱地、果園、其他園地)面積較大，占調查區面積的67.79%，以水澆地為主(67.24%)；水田和旱地面積僅占0.05%；果園和其他園地面積占0.51%；有林地面積占5.81%。建設用地面積占調查區的17.86%，未利用地占5.55%。

2 工作方法

2.1 樣品采集

調查區土壤表層樣品的布設以第二次全國土地調查1∶5萬土地利用圖斑為依據，以1∶5萬的千米網格為參照控制布點密度，每個千米網格中每500m×500m小網格內至少布設一個土壤樣點，土地利用方式復雜多樣時，在主要的地類中進行樣品布設。本次調查重點以農用地為主要調查對象，優先針對耕地、林地和園地，其次為建設用地和未利用地。土壤樣點布設在地類中央，離主要路網至少100m，避免人為因素干擾。每個樣點均在布設點位東南西北4個方向15～20m及中心點采集表層0～20cm深度土壤樣品，各分樣點等量采集組合成樣，原始樣重大于1000g。每個點位的土壤樣品均經過通風陰干，并全部過10目尼龍篩，過篩后的土壤樣品用“四分法”將250g待測樣品裝牛皮紙袋送實驗室進一步樣品前處理。整個調查區共采集表層土壤樣品9497件。

2.2 樣品分析

本次土壤樣品測試指標包括As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Ge、Hg、I、Mn、Mo、Ni、P、Pb、S、Se、V、Zn、N、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、K2O、SOM、pH共計28項。樣品分析測試由湖北省地質實驗測試中心(國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心)完成。土壤樣品采用等離子體發射光譜法、X射線熒光光譜法、發射光譜法、原子熒光光譜法、石墨爐原子吸收法、離子選擇性電極法、催化極譜法、化學發射光譜法等配套方法測試。樣品測試質量由中國地質調查局區域地球化學分析質量監督檢查組進行監控，采用了標準樣、密碼樣、監控樣等多種監控手段，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。

3 地球化學背景值

土壤是在成土母質、氣候、地形、生物和時間及人為活動等綜合因素作用下形成的，這些因素始終是同時地、不可分割地影響著土壤的發生和發展，不可相互代替地參加了土壤的形成過程，制約著土壤的形成和演化，因而形成不同的化學元素區域背景。為了詳細了解區內不同自然原始狀態條件的土壤地球化學背景值的特點，土壤元素地球化學背景值統計按照全區、地質背景(成土母質)、土壤類型和行政區等4個不同單元統計了元素指標地球化學背景特征參數來研究土壤中的元素地球化學特征。

本文以調查區表層土壤(0～20cm)分析測試數據為基礎，經過數據處理[1-2]和正態分布檢驗后統計獲取的平均值為統計單元表層土壤元素地球化學背景值。將統計獲取的背景值與參比區進行對比研究，K值是單元元素背景值與參比區(全省、全市、調查區)的比值，利用K值可比較出單元元素的相對富集或貧乏特點。這里定義比值<0.70時為明顯偏低，比值在0.7～0.90時為略偏低，比值0.90～1.10時為接近(或相當)，比值在1.10～1.30時為略偏高，比值>1.30時為明顯偏高，>2.0為顯著偏高。變異系數是反映元素分布均勻程度的一個重要參數，變異系數<0.3，元素分布均勻；0.3≤變異系數<1.0，元素分布較不均勻；1.0≤變異系數<1.5，元素分布不均勻；變異系數≥1.5，元素分布極不均勻。

3.1 全區地球化學背景值

調查區表層土壤地球化學背景值統計見表 1。

表1 聊茌東調查區表層土壤地球化學背景統計特征值

調查區表層土壤地球化學背景值與聊城市[11]及山東省[11]表層土壤均值對比特征如下：

與全市土壤背景值相比(圖2)，明顯偏高的指標為I、SOM、P、N和S，略偏高的指標為Cd、Hg、Mo、F、Se、Mn、TFe2O3、Zn和Cu，基本接近的指標為B、Ni、Co、MgO、As、Pb、pH、CaO、Ge、K2O、SiO2、Cr、V和Al2O3。

與全省表層土壤均值相比(圖2)，明顯偏高的指標為P、I、CaO、Hg、S、SOM、N、Cd、As和MgO，略偏高的指標為B、F、Se、Mo、pH和Zn，基本接近的指標為TFe2O3、Mn、Ni、Cu、Cr、Ge、V、SiO2、Co、Pb、K2O，略偏低的指標為Al2O3。

圖2 調查區表層土壤背景值與聊城市及山東省背景值比值

調查區表層土壤元素指標原始變異系數介于0.03～1.04之間。變異系數大于1的指標僅為Hg元素，變異系數在0.3～1.0之間的指標包括S、Se、I、Cd和P，數據離散程度較大，含量變化較大。變異系數小于0.3的指標為SOM、N、Cu、Zn、Pb、Mo、As、CaO、F、Ni、Co、Mn、Cr、V、MgO、B、TFe2O3、Al2O3、Ge、K2O、SiO2、pH，數據離散程度小，含量分布均勻。對原始數據采用均值±3倍標準離差離群值后，數據離散程度明顯降低，變異系數介于0.027～0.39之間，I和Hg變異系數為0.39和0.30，其余指標變異系數均<0.3，原始數據和剔除離群值后數據的變異系數對比見圖3。

圖3 調查區表層土壤原始數據和剔除離群值后數據的變異系數對比

3.2 主要地質背景單元地球化學背景值

調查區表層土壤主要包含第四紀全新世巨野組、單縣組、魚臺組、黃河組和黑土湖組。各母質單元土壤地球化學背景值統計特征見表2，由表2可知，不同成土母質單元中各元素指標的地球化學背景值存在一致性和差異性，不同單元之間指標的變異系數也有較大差異。各成土母質單元土壤地球化學背景值與調查區背景值對比特征如下：

單縣組、巨野組和魚臺組成土母質單元表層土壤統計結果表明，3個成土母質單元元素指標地球化學背景值與全區背景值一致，各元素指標與全區統計結果比值均在0.9～1.1范圍之內，說明元素指標在3種地質單元的背景值差異不明顯。

黑土湖組單元表層土壤中I、N、SOM、Cd、Hg、P和S背景值與全區相比略偏低，與全區背景值相比，比值介于0.7～0.9之間，其中SOM背景值最低，是全區背景值的75%；As、B、Co、Cr、Cu、Ge、Mn、Mo、Ni、Pb、Se、V、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、K2O和pH與全區基本一致，與全區背景值比值在0.9～1.1之間。

黃河組單元表層土壤中僅I元素明顯偏低，背景值為全區背景值的69%；P、Hg、N、S、Se和SOM背景值與全區相比偏低，與全區背景值比值在0.7～0.9之間；As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Ge、Mn、Mo、Ni、Pb、V、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、K2O和pH背景值與全區基本一致，與全區背景值比值在0.9～1.1之間；CaO背景值與全區背景值比值為1.15，略偏高。

調查區主要由單縣組、巨野組和魚臺組3種成土母質單元組成，此3種單元土壤指標背景值與全區一致；黃河組和黑土湖組面積占比相對較小，分布較少，元素指標背景值存在一些差異，差異指標主要為I、Hg、SOM、N、P和S等。從背景值統計中的變異系數來看，Hg和I在各成土母質單元中的變異系數均相對較高，黃河組中I、N、P、S、SOM變異系數均大于0.35，相對較大，說明這幾個指標的含量變化相對較大。

3.3 主要土壤類型單元地球化學背景值

調查區分布有8種土壤類型，分別為草甸風沙土、草甸鹽土、濕潮土、潮土、沖積土、堿化潮土、脫潮土和鹽化潮土，最主要的分布類型為潮土、鹽化潮土和脫潮土3種，面積占調查區的91.59%，其余土壤類型面積占比均低于3%，其中7種土壤類型統計量超過30件，統計結果見表2，不同土壤類型由于成土母質、土壤理化性質對元素產生遷移轉化的影響，各元素的含量和變異系數具有較大差異。

續表2 主要土壤類型單元指標地球化學背景值統計特征

草甸風沙土單元中I、SOM、N、Cu、S、Hg背景值與全區相比明顯偏低，與全區背景值比值低于0.7，最低的為I元素，是全區背景值的49%；Se、Ni、Cd、Co、B、Zn、Mo、As、TFe2O3、V、F、Mn、Cr、Pb和MgO背景值與全區相比略偏低，與全區背景值比值在0.7～0.9之間；Ge、P、Al2O3、CaO、K2O、pH和SiO2與全區基本一致，與全區比值在0.9～1.1之間。

草甸鹽土單元中僅I元素略偏低，為全區背景值的80.8%；僅S元素略偏高，為全區背景值的1.1倍；其余指標與全區背景值基本一致，與全區比值在0.9～1.1之間。

脫潮土單元中僅I元素背景值略高于全區背景值，是全區背景值的1.18倍；其余元素或指標地球化學背景值與全區背景值大致相當，與全區背景值比值在0.9～1.1之間。

鹽化潮土單元中僅I元素背景值略低于全區背景值，為全區背景值的88.9%；其余元素或指標地球化學背景值與全區背景值大致相當，與全區背景值比值在0.9～1.1之間。

潮土和堿化潮土單元中元素或指標地球化學背景值與全區基本一致，與全區背景值相比，比值均在0.9～1.1之間。

從不同土壤類型單元中元素的背景值與全區的比較來看，草甸鹽土、潮土、堿化潮土、脫潮土和鹽化潮土中絕大部分元素指標與全區一致，差異較??；草甸風沙土和沖積土單元中元素指標的背景值與全區差異明顯。

3.4 行政區單元地球化學背景值

為了滿足地方對環境評價及農業生產等各方面的需要，分析研究各縣(區)土壤地球化學背景值狀況，分別按縣(區)行政區域進行了土壤地球化學背景值的參數統計(表3)。

表3 主要成土母質單元土壤指標地球化學背景值統計特征

與整個調查區土壤地球化學背景值對比，東昌府區和茌平區土壤元素或指標地球化學背景值與全區基本一致，其指標地球化學背景值與全區背景值比值均在0.9～1.1范圍之內；東阿縣P和I元素背景值相較全區略偏低，與全區背景值比值在0.7～0.9之間；CaO略偏高，為全區背景值的1.12倍，其余指標與全區基本一致，比值在0.9～1.1范圍之內?？傮w而言，3個行政區的元素指標地球化學背景值大體相當，東阿縣僅少量指標出現輕微差異。

從各指標的變異系數來看，原始數據中東昌府區和茌平縣Cd、Hg、I、S、Se，東阿縣Hg和I指標變異系數相對較大，含量變化相較其他指標明顯，其余指標的變異性在3個行政區均相對較小，變異系數小于0.4。地球化學背景值統計剔除后，各指標變異系數均小于0.4，3個區均表現為Hg和I元素的變異系數最大，背景含量變化相對其余指標略明顯。

以上統計特征分析表明，東昌府區和茌平縣土壤元素地球化學背景特征基本一致，東阿縣總體與全區大致相當，少量指標存在些許差異(表4)。

表4 主要行政區單元土壤指標地球化學背景值統計特征

4 結論

(1)相對聊城市和全省背景表層土壤的背景情況而言，調查區各指標背景值表現為大致相當或偏高為主；全區 SOM、N、Cu、Zn、Pb、Mo、As、CaO、F、Ni、Co、Mn、Cr、V、MgO、B、TFe2O3、Al2O3、Ge、K2O、SiO2和pH數據離散程度小，含量分布總體均勻；Hg、S、Se、I、Cd和P數據離散程度較大，含量變化較大。

(2)調查區單縣組、巨野組、魚臺組成土母質單元各指標背景值與全區基本一致；黃河組和黑土湖組存在差異，這些存在差異的指標主要為I、Hg、SOM、N、P和S等，相較全區背景偏低。從背景值統計中的變異系數來看，Hg和I在各成土母質單元中的變異系數均相對較高；黃河組中I、N、P、S、SOM含量變化相對較大。

(3)調查區草甸鹽土、潮土、堿化潮土、脫潮土和鹽化潮土中絕大部分元素指標與全區一致，差異較小；草甸風沙土和沖積土單元中元素指標的背景值與全區差異明顯，大量指標背景值偏低。

(4)東昌府區、茌平區和東阿縣表層土壤各指標背景值僅東阿縣僅P和I略偏低，CaO略偏高，其余指標在三區基本一致，與全區大致相當。