山西大同桑干河流域富鍶土壤地球化學特征及資源潛力評價

劉軍帥，鄭吉林，蔡艷龍，魏小勇，郭曉宇，王大可，孫靖堯，楊志偉

中國地質調查局哈爾濱自然資源綜合調查中心，黑龍江 哈爾濱 150000

鍶是人體必需的微量元素之一，是對于人體健康的有益元素［1-4］.隨著鍶在人體中重要性研究的深入和人們對健康關注度的提高，富鍶資源的開發利用具有較大的潛在價值.本研究利用太行山區山西段生態修復支撐調查資料，在對山西大同桑干河流域富鍶土壤地球化學特征研究的基礎上，進行富鍶土壤資源潛力評價，為當地富鍶土壤資源開發利用提供科學依據.

1 研究區概況

研究區位于山西省大同市東南部桑干河流域，東至敖石，南至馮莊，面積1 580 km2.其地處大同盆地內，年降水量400 mm左右，年均溫7℃左右，屬溫帶半干旱地區干草原地帶.盆地周圍山麓地帶普遍發育著洪積扇，組合成山麓傾斜平原.大同－朔州一帶桑干河兩岸，地面平坦寬廣，為盆地的中心，是農業生產的重點地區.部分地勢低洼的地方排水不良，有不同程度的鹽漬化現象.主要土壤類型為栗褐土和栗鈣土，主要土地利用類型為耕地和林地.

研究區出露地層主要為新生界第四系、新近系（主要分布在北部平川區），古生界石炭系、奧陶系、寒武系、和中元古界長城系（主要分布在南部山地丘陵區）（圖1）.第四系：沱陽組以粉細砂、粉砂土、薄層亞黏土為主；選仁組以粉砂土、亞砂土為主；方村組以漂礫、礫石、砂及亞砂土為主；峙峪組以亞砂土、亞黏土互層夾銹黃色中粒砂層；冊田玄武巖主要為層狀灰黃色玄武巖夾玄武質砂礫巖；馬蘭組為灰黃色亞砂土，垂直節理發育；泥河灣組為灰綠、灰黃色亞砂土、亞黏土互層夾薄層粉細砂或砂線.新近系保德組：砂礫石層夾棕紅色砂質黏土.石炭系太原組：砂巖、炭質頁巖、灰巖及泥巖夾煤層為主.奧陶系：馬家溝組以白云質灰巖、泥質灰巖為主；三山子組主要為白云巖，含燧石結核.寒武系饅頭組：紫紅色頁巖夾粉砂巖、白云巖為主.長城系高于莊組：燧石條帶、結核－粉晶白云巖、白云質砂巖.古元古界變質輝綠巖，黑綠色、細粒變晶結構，塊狀構造.中太古界：土嶺片麻巖，巖性主要為條帶狀黑云斜長片麻巖；義興寨片麻巖，巖性主要為角閃斜長片麻巖.

圖1 山西大同桑干河流域地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of Sanggan River basin in Datong，Shanxi Province

2 材料和方法

2.1 樣品采集與處理

對研究區進行表層土壤、深層土壤、基巖殘坡積物質和巖石采樣、化驗及分析.土壤采用雙層網格化方式取樣.可采區土壤采樣點密度為1件/2.5 km2，分別采集表層和深層土壤樣品.表層樣品采樣深度為0～20 cm，共取樣454件；深層樣品采樣深度為150～200 cm，共采集樣品448件.同時在低山丘陵區系統采集了主要基巖樣品共55件.采樣點一般布設于耕地、園地、林地、草地及低山丘陵等地帶，采樣時避開新近搬運的堆積土、垃圾堆和局部污染明顯區域.

2.2 樣品測試分析

土壤和巖石樣品分析由中國地質調查局哈爾濱自然資源綜合調查中心實驗室承擔，測試過程嚴格按照《多目標區域地球化學調查規范（1∶250 000）》（DZ/0258—2014）［5］進行，采用ICP－OES電感耦合等離子體原子發射光譜法測定土壤全鍶，檢出限為2×10－6，元素實際檢出限、準確度、精密度等質量指標達到或優于多目標區域地球化學調查規范的要求.所有樣品報出率為100%，準確度和精密度監控樣品合格率100%.

2.3 數據處理

統計前對所有數據進行異常值剔除，采用Surfer、GeolPAS、MapGIS等軟件繪制工作區鍶彩色等量線圖，直觀反映土壤中鍶的空間分布，利于SPSS和Excel軟件對數據進行相關性分析和分類參數統計.

3 土壤鍶元素地球化學特征

土壤鍶元素地球化學特征值見表1、表2.可以看出，調查區表層土壤鍶元素含量平均值高于中國土壤A層背景值［6］和太原市基準值［7］，是中國土壤A層的1.60倍.表層土壤鍶元素變化為108.7×10－6～413.9×10－6，平均值為261.73×10－6，與湖北隨州北部［8］相當；深層土壤鍶元素含量平均值同樣高于中國土壤C層背景值［6］和太原市背景值，其平均含量是中國土壤C層的1.49倍.深層土壤鍶元素變化為106.2×10－6～467×10－6，平均值為279.19×10－6，略高于湖北隨州北部區.

表1 表層土壤鍶元素地球化學特征值Table 1 Geochemical eigenvalues of Sr in surface soil

表2 深層土壤鍶元素地球化學特征值Table 2 Geochemical eigenvalues of Sr in deep soil

土壤鍶元素空間分布特征見圖2.可以看出在空間分布上，表、深層土壤表現出高度的一致性，分布不均勻，且明顯受水巖作用影響，高值區分布于桑干河及其支流兩岸以及盆山結合區域.

圖2 研究區土壤鍶元素分布圖Fig.2 Distribution maps of Sr in soil of the study area

3.1 不同酸堿性土壤中鍶元素特征

不同酸堿性土壤鍶元素地球化學特征值見表3.表層土壤中鍶元素平均含量表現為極強堿性土壤＞強堿性土壤＞堿性土壤，表明表層土壤中極強堿性土壤鍶更為活躍.深層土壤鍶元素平均含量表現為強堿性土壤＞堿性土壤＞極強堿性土壤，表明深層土壤中強堿性土壤更有利于鍶的聚集.

表3 不同土壤鍶元素地球化學特征值表Table 3 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different acid-base properties

3.2 不同地質單元土壤鍶元素特征

不同成土母質土壤鍶元素地球化學特征值（見表4）表現為：表層土壤鍶平均含量248×10－6～278×10－6，泥河灣組中平均含量最高，馬蘭組中平均含量最低.不同地質單元鍶平均含量依次為泥河灣組＞峙峪組＞方村組＞沱陽組＞選仁組＞土嶺片麻巖＞冊田玄武巖＞馬蘭組.深層土壤鍶平均含量269×10－6～313×10－6，冊田玄武巖中平均含量最高，馬蘭組中平均含量最低.不同地質單元土壤鍶平均含量依次為冊田玄武巖＞峙峪組＞泥河灣組＞方村組＞沱陽組＞選仁組＞土嶺片麻巖＞馬蘭組.

表4 不同地質單元土壤鍶元素地球化學特征值表Table 4 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different geological units

3.3 不同土壤類型鍶元素特征

不同土壤類型土壤鍶元素地球化學特征（見表5）.表現為：表層土壤鍶平均含量244×10－6～293×10－6，鹽堿土中平均含量最高，粗骨土中最低，不同土壤類型土壤鍶平均含量依次為鹽堿土＞栗褐土＞栗鈣土＞潮土＞粗骨土.深層土壤鍶平均含量274×10－6～319×10－6，鹽堿土中平均含量最高，栗褐土中最低，不同土壤類型土壤鍶平均含量依次為鹽堿土＞潮土＞粗骨土＞栗鈣土＞栗褐土.

表5 不同土壤類型鍶元素地球化學特征值表Table 5 Geochemical eigenvalues of Sr in different types of soil

3.4 不同土地利用鍶元素特征

不同土地利用類型土壤鍶元素地球化學特征（見表6）表現為：表層土壤鍶平均含量255×10－6～265×10－6，含量依次為耕地＞草地＞園地＞林地；深層土壤鍶平均含量267×10－6～286×10－6，含量依次為耕地＞林地＞草地＞園地.

表6 不同土地利用土壤鍶元素地球化學特征值表Table 6 Geochemical eigenvalues of Sr in soil of different land use types

3.5 土壤鍶元素與其他元素相關性分析

在一定的地球化學環境下，土壤元素表現出共同消長或此消彼長的關系，調查區土壤鍶元素與其他元素指標相關系數見表7.通過相關性分析發現，調查區土壤鍶元素與Ba的相關性最高，表、深層相關系數分別為0.663和0.568，為強相關和中等程度相關.除此之外，表層土壤鍶與B、Cr、La、Nb、Na等相關性較高.深層土壤鍶與As、B、Nb、Sb、Si等相關性較高.

表7 土壤鍶元素與其他元素相關系數Table 7 Correlation coefficients between Sr and other elements in soil

3.6 鍶的物質來源

鍶分布相當廣泛，各類巖石中幾乎均含有鍶元素，特別是在含鍶礦物的閃長巖、富鈣花崗巖、黏土巖以及碳酸鹽巖中，鍶含量相對比較富集，是提供鍶元素物質來源的主要母巖［9-11］.由于Sr2＋的離子半徑與Ca2＋的離子半徑十分接近，從而Sr經常進入到各種富Ca的礦物中.山西土壤母質中含有一定的富Ca礦物，從而Sr的含量隨之增高［12］.

通過對研究區水樣品的測試分析表明，桑干河水中鍶含量普遍較高.在冊田水庫附近鍶含量最大值可達1.58 mg/L，平均值1.09 mg/L，是飲用天然礦泉水標準［13］的5倍以上.地下水在運移過程中不斷與圍巖發生各種化學反應，從而導致化學元素的遷移、聚散和分散，圍巖中的鍶是地下水鍶元素的物質來源.盆地型平原區地下水中鍶最富集，主要得益于地下水從補給區—徑流區—排泄區構成一個完整的區域地下水流系統.地下水通過深部運移進行循環［14-16］，徑流路徑長，在含水層中滯留時間長，有利于鍶的溶解和累積.鍶在風化作用中為活動性陽離子，其水遷移系數Kx為0.1～1，屬遷移能力強的元素［17］.在風化作用下，鍶以重碳酸鹽形式進入水溶液中，呈真溶液形式搬運，搬運過程中發生化學或生物化學反應生成沉淀，在水動力降低的位置再沉淀下來［18］.

本研究系統采取了大同盆地周邊巖石樣品55件，對比大同火山群東區和西區10件樣品測試結果［19］，發現前寒武紀變質巖和大同火山群西區巖石具有較高的鍶含量.前寒武紀老變質巖內鍶含量最高達1 259×10－6，大同火山群西區鍶含量最高達913×10－6（表8）.大同火山群西區巖石鍶含量均值為776×10－6，整體水平高于大同火山群東區.研究區附近主要的富鍶地層如下.

表8 研究區主要巖石中鍶元素含量統計表Table 8 Contents of Sr in main rocks of the study area

蔡樹莊片麻巖：巖性主要為黑云二長片麻巖，位于西咀村西山和聚樂堡鄉西山.巖石中鍶含量平均值586×10－6，最大值726×10－6.

于家窯片麻巖：巖性主要為條帶狀黑云二長片麻巖，位于集仁村－西營村北山.其巖性主要為肉紅色、淺肉紅色黑云二長片麻巖、黑云角閃二長片麻巖.中細粒花崗變晶結構，片麻狀構造.淺色礦物以斜長石（25%～35%）、鉀長石（25%～40%）、石英（10%～15%）為主，暗色礦物15%～25%，以角閃石、黑云母為主.巖石中鍶含量平均值452×10－6，最大值625×10－6.

土嶺片麻巖：巖性主要為條帶狀黑云二長片麻巖，位于云州區南部，桑干河南部山區.巖石中鍶含量平均值646×10－6，最大值1259×10－6，可以認為它是位于桑干河南岸土壤中鍶的主要來源.

大同火山群玄武巖：巖性主要為玄武巖、凝灰巖、火山碎屑錐，位于西坪鎮西南部大同火山群地質公園.巖石中鍶含量平均值776×10－6，最大值913×10－6，遠大于土壤中含量，可以認為它是桑干河北部土壤中鍶的主要來源.

4 富鍶土壤資源潛力評價

4.1 評價分級標準

目前對鍶土壤資源評價分級沒有全國統一標準，本研究中的評價根據全國A層土壤鍶背景值165×10－6（中國土壤背景值，1990），結合山西省鍶的分布特點，提出劃分鍶的標準（表9）.

表9 鍶資源評價劃分標準Table 9 Classification criteria of Sr resource evaluation

根據本區表層土壤鍶的地球化學分布特征，本評價將以區內表層土壤中鍶含量大于或等于240×10－6作為富鍶標準進行評價.按照劃分標準將區內富鍶土壤劃分為兩大區：一級富鍶區，鍶平均含量大于270×10－6；二級富鍶區，鍶平均含量在240×10－6～270×10－6.

4.2 富鍶土壤資源分布特征

按照土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（GB15618—2018）［20］，對區內土壤中鎘、汞、砷、鉛、鎘、銅、鎳、鋅和pH等9項指標進行了分析評價（表10），pH變化范圍在7.63～10.2之間.對照農用地土壤污染風險篩選值（表11），可以得出結論：區內土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅等污染物含量均小于其農用地土壤污染風險篩選值，對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態環境的風險低，能滿足無公害農產品種植業產地環境條件要求.

表10 農用地主要污染元素含量統計表Table 10 Contents of major polluting elements in agricultural land

表11 農用地土壤污染風險篩選值（基本項目）Table 11 Soil pollution risk screening values of agricultural land（basic items）

按照鍶劃分標準，結合區內農用地土壤污染風險評價結果，圈出富鍶土壤（Sr≥240×10－6）面積1 104 km2，占調查區面積的69.87%，其中，富鍶農產品推薦種植產地442 km2.富鍶農產品推薦種植產地主要集中在桑干河及其支流兩岸的耕地區.

4.3 富鍶土壤資源潛力評價

根據區內富鍶土壤分布特征和農用地土壤污染風險管控相關指標，結合土壤類型和水源條件，將區內富鍶土壤劃分為3類（圖3）.

圖3 富鍶土壤資源分布及開發建議圖Fig.3 Distribution of Sr-rich soil resources and development suggestion

Ⅰ類區（適宜開發區）：能滿足無公害農產品種植業產地環境條件要求，且土壤中鍶平均含量大于或等于270×10－6的區域.主要分布于黨留莊鄉、杜莊鄉、瓜園鄉、河頭鄉及峰峪鄉北部，總面積442 km2.具有較好的開發潛力，屬于農業生產適宜開發的富鍶土壤資源區.

Ⅱ類區（具開發潛力區）：能滿足無公害農產品種植業產地環境條件要求，且土壤中鍶平均含量為240×10－6～270×10－6，處于低山丘陵區、水源條件不好以及土壤鹽堿化嚴重的區域，面積662 km2，主要分布在盆山結合部和桑干河沿岸地下水位較淺的區域.具有一定的開發潛力，但需要科學的有針對性的選擇農產品，并對土地因地制宜地進行人工干預.

Ⅲ類區（不具備開發潛力區）：土壤中鍶的平均含量不足240×10－6的區域，總面積476 km2，主要分布于工作區東南山地帶和西部毛家皂鎮、馬辛莊鄉、吉家莊鄉、許堡鄉和友宰鎮的南部區域，一般不具開發潛力，屬不適宜富鍶土壤開發的區域.

5 結論

（1）調查區表、深層土壤鍶元素含量平均值均高于中國土壤C層背景值，表層平均含量是中國土壤A層的1.57倍.深層平均含量是中國土壤C層的1.65倍.在空間分布上，表、深層土壤表現出高度的一致性，分布不均勻，且明顯受水－巖作用控制，高值區分布于桑干河及其支流兩岸.

（2）通過相關性分析，工作區表、深層土壤中鍶與Ba、B、Cr、La、Nb、Na、As、Sb、Si等關系密切.

（3）不同地質單元中表、深層土壤鍶含量平均值最高均為峙峪組，最低均為馬蘭組，說明土壤中鍶的聚集過程與成土過程存在必然聯系.不同土地利用類型中表、深層土壤鍶含量平均值最高為耕地，這意味著區內富鍶農產品開發具備較好的先天條件.

（4）桑干河以南山區前寒武紀老變質巖是區內最主要的巖石類型，其鍶含量平均值高達646×10－6，是區內表層土壤鍶平均含量的2.47倍，是深層土壤鍶平均含量的2.31倍，為土壤富鍶提供了豐富的物質基礎.

（5）調查區土壤鍶元素含量高，存在大量的富鍶土壤，且全區鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅等元素含量均小于農用地土壤污染風險篩選值，農產品質量安全、農作物生長和土壤生態環境風險低.全區富鍶土壤（Sr≥240×10－6）面積1 104 km2，占調查區面積的69.87%，其中適宜開發區面積442 km2，區內具有較好的開發富鍶土壤資源潛力.