山東省高密市表層土壤元素地球化學組合特征及意義

劉 陽, 張海瑞, 姜 冰, 孫增兵, 王松濤

(1.山東省地質礦產勘查開發局 第四地質大隊，濰坊 261021；2.山東省地礦局 海岸帶地質環境保護重點實驗室，濰坊 261021)

0 引言

隨著國家“土十條”的發布和鄉村振興戰略的實施，山東省陸續開展了多項土地質量評價和生態地質調查工作，并取得了大量的成果[1-5]。統計分析方法中的因子分析和聚類分析可以將眾多指標進行“降維”和歸納，從而發現隱藏在大量數據中的潛在聯系，近年來在土地質量調查工作中得到廣泛應用[6-9]。這里以山東省高密市表層土壤測量成果為基礎，通過統計分析地球化學數據，試圖總結高密市表層土壤元素組合特征，發現元素共生組合關系和成因聯系。

1 研究區概況

高密市地處山東半島中部，面積為1 525.7 km2，轄3個街道、7個鎮(圖1)。高密市屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候。年平均氣溫12℃，年平均降水量為689.1 mm，年蒸發量為1 227.6 mm。

高密市地層出露有：①中生代白堊紀萊陽群，為一套復雜的陸相雜色碎屑巖沉積；②青山群，為一套復雜陸相酸性火山巖、中性—中基性火山巖及火山—沉積巖；③大盛群，為一套陸相碎屑巖夾火山巖,以及第四紀松散堆積物,巖漿巖不發育。高密市的構造形式主要為斷裂構造，走向以北東向為主。蓋層沉積以單斜形式存在，傾向南東為主，傾角較緩。褶皺構造極不發育。

高密市地勢南高北低，主要地貌類型為剝蝕平原、剝蝕—溶蝕平原、沖積—洪積平原。高密市位于濰東南丘陵水文地質區，由南向北可分為南部緩丘區，中部緩平坡區和北部沖積平原區三個水文地質單元。

高密市土壤分為棕壤、褐土、粗骨土、黑土、潮土共5個土類、10個亞類(圖1)。

1)棕壤包含棕壤、潮棕壤、棕壤性土三個亞類。棕壤粘粒含量較高，質地粘重，pH在5.5～7.2之間，農用為主；潮棕壤成土母質主要為非石灰性巖石風化物組成的洪沖積物，土體深厚，以剖面下部出現具有銹色斑紋的潮化層為特征；棕壤性土含有少量的礫石，粗粒含量高，土壤孔隙多，土壤干松，是一種低產土壤。

2)褐土包括淋溶褐土、潮褐土、褐土性土三個亞類。淋溶褐土是棕壤與褐土的過渡類型，成土母質主要為灰巖、砂頁巖的殘坡積物和洪沖積物，表層質地大部分為砂質粘壤土和粘壤土；潮褐土土層深厚，土壤肥力較高，質地適中；褐土性土是發育在石灰性巖石殘坡積物上、中等厚度且剖面發育程度較弱的褐土亞類。

3)粗骨土包括中性粗骨土一個亞類。在研究區零星分布，中性粗骨土成土母質為基性巖或砂頁巖殘坡積物，顏色較暗。

4)黑土內包括砂姜黑土和石灰性砂姜黑土兩個亞類。砂姜黑土成土母質為第四紀以來的淺湖相沉積物，質地粘重，是山東省有機質含量最高的土類；石灰性砂姜黑土是由富含碳酸鹽的母質發育而成，并且在其成土過程中不斷接受含鈣沉積物。

5)潮土內包括潮土1個亞類。潮土砂礫含量較高，長石、石英、云母等礦物顆粒可見，不含碳酸鹽，表土疏松，耕性好，土質深厚，質地適中，熟化程度高。

高密市土地利用類型以耕地為主，占全區面積70.90%；其次為城鎮、村莊用地，占全區面積13.86%；主要種植小麥、玉米及大金溝韭菜、膠河土豆等地方特產。

圖1 研究區土壤類型圖[10]Fig.1 Soil type figure

2 樣品采集及分析測試

2.1 樣品布設、采集、加工及質量評述

高密市表層土壤樣品是以第二次全國土地利用現狀調查成果圖為底圖網格化布設的，平均布設密度為5.5件/km2。共布設表層土壤樣8 197件，重復樣191件。

采樣時在中心樣點50 m范圍內用“S”或“X”形分設子樣點，3個～5個子樣品等量混合為一個樣品，采樣深度為0 cm～20 cm，采集時使用木鏟，木鏟清理干凈后再用于下個樣品采集。從野外采回的土壤樣品及時送到晾樣間，攤鋪在干凈的牛皮紙上晾干。在晾干過程中，要用木棒碾碎土塊，及時清理小石塊、草根等雜物。將晾干后的樣品在制樣間用木棒敲碎并全部通過10目的尼龍篩，過篩后土壤樣品混合均勻，四分法裝瓶送樣，余樣留存。

本次工作實行野外質量三級檢查制度，自檢、互檢檢查率為100%，土壤樣品野外質量檢查工作量為594個點，約占總工作量的7.08%；室內原始資料檢查工作量為1 725個點，約占總工作量的20.57%；樣品加工檢查工作量為605件，約占總工作量的7.21%。檢查結果認為，本次調查采樣點分布均勻合理，具有代表性，采樣深度和重量均達到規定要求，記錄卡填寫內容能反映采樣點附近概況，卡片記錄齊全、正確，符合要求。樣品加工程序符合要求，沒有發生樣品加工污染事件。樣品采集、貯存及加工質量均達到規范要求。根據《地球化學普查規范(1∶50 000)》(DZ/T0011—2015)，本次重復樣檢驗全部合格。樣品采集質量可靠。

2.2 樣品分析測試

樣品由山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室檢測。檢測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。全部樣品各元素/指標分析結果均合格。具體樣品分析項目及配套分析方法見表1。

表1 高密市土壤樣品分析項目及分析方法

3 元素組合特征及其意義

3.1 數據分析方法

使用SPSS軟件對測區表層土壤地球化學數據進行聚類分析和因子分析，以確定元素組合特征。聚類分析方法為組之間的鏈接；測量區間為pearson相關性；轉換值標準化范圍為0至1。因子分析描述統計量為單變量描述性和原始分析結果；相關性矩陣為系數和KMO和Bartlett的球形度檢驗；抽取的方法為主成分，分析為相關性矩陣，抽取為基于特征值大于1，最大收斂性迭代次數為25；旋轉方法為最大方差法，最大收斂性迭代次數為25；得分方法為回歸。

3.2 聚類分析結果討論

聚類分析結果表明(圖2)，按距離系數15，可將22種指標分為5個元素組合簇群及6個單元素簇。

圖2 研究區表層土壤元素聚類譜系圖Fig.2 Cluster spectrum of surface soil elements in the study area

第一簇群為Ni、V、Cr、Co、Mn組合；第二簇群為Mo、Se、Cd、Pb組合；第三簇群為Cu、Zn組合；第四簇群為N、有機質、P組合；第五簇群為pH、F組合；其余I、B、Ge、As、K、Hg為單元素簇。

3.3 因子分析結果討論

因子分析檢驗結果見表2，KMO值為0.799，適合作因子分析。本次工作選取累計貢獻率達80%以上的前11個因子做主要因子，它們所包含的原始變量的信息為81.474%(表3)。為分析表層土壤22項指標與11個因子的對應關系，了解每個主因子所代表的內涵，筆者采用最大方差旋轉的正交因子載荷矩陣對因子分析的結果進行了分析(表4)。

表2 Bartlett與KMO檢驗

表3 表層土壤特征根及因子提取結果表

表4 研究區因子分析正交旋轉因子載荷矩陣

表5 各元素相關系數表

表6 各元素相關系數表

**相關性在0.01層上顯著(雙尾)

表7 各元素相關系數表

取大于0.5的因子載荷，得到本區表層土壤元素組合特征：第一主因子指標為Ni、V、Cr、Co、Mn；第二主因子指標為N、有機質、P；第三主因子指標為Mo、Se、Cd；第四主因子指標為Cu、Zn；第五主因子指標為pH、F；第六、七、八、九、十、十一主因子代表的分別為I、K、B、As、Hg、Ge。因子分析和聚類分析的結果基本吻合。

3.4 元素組合的地質意義

1)第一群組(第一簇群和第一主因子F1)代表了Ni、V、Cr、Co、Mn元素組合，它們具有相似的原子結構，因此它們被分到同一組合。Luo[11]研究認為，施肥并不會增加土壤中Cr、Ni的含量，研究區Ni、V、Cr、Co、Mn的背景值與濰坊市背景值相當[12]，可以認為它們沒有受到明顯污染。Ni、V、Cr、Co、Mn之間呈正相關關系(表5)，可以認為它們具有相同的成土母質來源，是中基性火山巖及火山—沉積巖的風化產物；這一元素組合與研究區地質背景密切相關[13-14]。

從因子得分圖(圖3)上可以發現，研究區表層土壤第一主因子F1得分低值區主要沿膠河分布，膠河沿岸主要是第四系臨沂組，主要土壤類型為砂質非灰性河潮土。低值區表層土壤元素均值為Ni(14.68 mg/kg)、V(48.00 mg/kg)、Cr(47.68 mg/kg)、Co(6.46 mg/kg)、Mn(383.60 mg/kg)，遠小于濰坊市背景值Ni(26.9 mg/kg)、V(73.6 mg/kg)、Cr(65.3 mg/kg)、Co(11.5 mg/kg)、Mn(566 mg/kg)[2]，因為自然淋濾和河流沖刷作用，帶走了大量的Ni、V、Cr、Co、Mn，使之成為低值區。

圖3 表層土壤F1因子得分等值線圖Fig.3 Contour map of F1 factor score in surface soil

2)第二群組(第四簇群和第二主因子F2)代表了N、有機質、P元素組合，它們都是腐泥質元素，N、有機質、P之間的相關系數見表6，呈正相關關系，分到同一群組也與它們的相互吸附性有關。

從因子得分圖(圖4)上可以發現，表層土壤第二主因子F2得分高值區主要分布于闞家鎮東北部、醴泉街道中東部和朝陽街道南部，也是高密市農業比較發達的地區。高密市1983年、1998年、2006 年三次土壤普查，土壤有機質、N含量高值區與本次研究的高值區吻合較好，而且三次普查含量呈上升趨勢[15]，表明可能與農業施肥有密切關系。低值區主要分布于高密市區周邊及高密市南部緩丘區，這些地區農業欠發達，所以第二主因子的各指標在該區含量較低。

圖4 表層土壤F2因子得分等值線圖Fig.4 Contour map of F2 factor score in surface soil

3)第三群組(第二簇群和第三主因子F3)代表了Mo、Se、Cd、Pb元素組合。Mo、Se、Cd、Pb之間的相關系數見表7，呈正相關關系。通常如果元素間顯著相關，則說明它們可能屬于同一來源[16]，Se是燃煤的標識性元素[16-17]，且Mo、Se、Cd的變異系數分別為4.18、0.48、0.78，分布較不均勻—極不均勻，顯示可能與局部燃煤產生的環境污染有關[18]。

從因子得分圖(圖5)上可以發現，表層土壤第三主因子F3得分高值區主要分布于高密市區及周邊、夏莊鎮西部和姜莊鎮南部等人口密集、工業較發達地區，其他地方零星出現，這些地區的燃料結構以煤為主，特別是供暖期，燃煤量大增。這說明燃煤是導致第三主因子各元素含量較高的主要原因；而第三主因子得分低值區主要分布于西北部大牟家鎮和高密市南部人口相對較少、工業欠發達地區。

圖5 表層土壤F3因子得分等值線圖Fig.5 Contour map of F3 factor score in surface soil

4)第四群組(第三簇群和第四主因子F4)是Cu、Zn元素組合。Cu、Zn相關系數為0.062(P<0.01)，為正相關。Cu、Zn是親硫元素，區域上常形成與成礦作用有關的地球化學異常。但目前已知的，高密市無Cu、Zn礦產或礦化點。從因子得分圖(圖6)上可以發現，表層土壤第四主因子F4高值區主要分布于高密市區、人口密集區及北部農業發達區，高密市區及人口密集區含量高顯然是與人類活動(居民大量使用含有Cu、Zn的金屬生活物品)密切相關，北部農業發達區含量高是因為有機化肥及畜禽糞便的施用也會增加土壤中Cu、Zn含量[11-19]。

圖6 表層土壤F4因子得分等值線圖Fig.6 Contour map of F4 factor score in surface soil

圖7 表層土壤F5因子得分等值線圖Fig.7 Contour map of F5 factor score in surface soil

5)第五群組(第五簇群和第五主因子F5)代表了pH、F元素組合。高密市表層土壤中pH和F的相關系數為0.416(P<0.01)，呈正相關關系，說明測區表層土壤的堿性越強，F含量越高；符合一般F與pH之間的規律。F在水與土壤間的轉化是可逆的，F易于由土壤向水中轉化，土壤的顆粒越細，F的轉化量越大。水中的F也能轉化到土壤中去，地下水pH 值為7.2～8.2 時，能增加氟的活化性，有利于氟的析出[20]。因此，地下水高F含量引起土壤含F量增高，土壤高F含量引起地下水含F量的升高[21]。從因子得分圖(圖7)上可以發現，表層土壤第五主因子F5得分高值區主要分布在高密市西北部及北部，這與高密市高F地下水區相吻合，主要受地質背景和F的遷移、富集影響，高密市南部緩丘區的中生代火山巖析出的F隨著地下水的遷移在北部平原區出現富集[20]。

圖8 表層土壤F6因子得分等值線圖Fig.8 Contour map of F6 factor score in surface soil

圖9 表層土壤F10因子得分等值線圖Fig.9 Contour map of F10 factor score in surface soil

6)單元素群組I、K、B、As、Hg、Ge等單元素組和單元素因子的出現，顯示出各自的獨立性。其中I、K、B、Ge屬于養分元素，其變異系數均小于0.4，分布均勻，它們單獨出現可能與各自的地球化學性質有關，如I元素因子得分圖(圖8)顯示，I元素得分值較平均，多在-2.5～2.5之間，沒有出現明顯的富集或缺乏。As、Hg屬于重金屬元素，As的變異系數為0.49，分布較不均勻，Hg的變異系數為4.13，分布極不均勻，它們單獨出現可能與人類活動產生的污染有關，如Hg元素因子得分圖(圖9)顯示，Hg元素在密水街道北部(樣品編號929b)和井溝鎮南部(樣品編號1224d1)出現兩個點狀高值區，這兩個點位均位于居民區，其中929b樣品Hg含量為7 104 μg/kg，1224d1樣品Hg含量為9 592 μg/kg，遠大于高密市表層土壤Hg背景值為26.58 μg/kg[12]，但兩個點位周圍樣品Hg含量均未明顯偏高，故該點狀高值區可能是受人類活動(如亂扔廢棄干電池、節能燈)污染所致。

4 結論

1)高密市表層土壤中22個元素/指標的聚類分析和因子分析的結果基本吻合，分辨出五個元素組合群組：第一群組Co、Ni、Cr、V、Mn；第二群組有機質、N、P；第三群組Mo、Se、Cd、Pb；第四群組Cu、Zn；第五群組pH、F。五個元素組合群組代表了81.474%原始變量信息。

2)各元素組合群組的意義如下：第一群組Co、Ni、Cr、V、Mn主要是地質背景的反映；第二群組有機質、N、P，它們同屬腐泥質元素，是土壤中腐殖質豐缺狀態的反映；第三群組Mo、Se、Cd、Pb，主要與人類活動產生的污染有關；第四群組Cu、Zn，主要受人類活動和農業施肥雙重影響;第五群組pH、F與高密市高F地下水區的分布有關，主要受地質背景和F遷移、富集的雙重影響。

3)I、B、Ge、As、K、Hg與其他元素相關性差，各自形成單元素組，其中I、B、Ge、K等營養類元素主要與各自的地球化學性質有關，As、Hg兩個重金屬類元素則可能與人類活動產生的污染有關。