寧夏永寧地區(qū)中產(chǎn)農(nóng)田土壤質(zhì)量評價

劉海燕,馬玉學(xué),趙志鵬,趙銀鑫

(1.寧夏回族自治區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院,寧夏銀川 750021；2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院,寧夏銀川 750021)

土壤質(zhì)量是保障土壤生態(tài)安全及土地資源可持續(xù)利用的重要指標。土壤的健康、肥力和環(huán)境質(zhì)量的綜合,能夠全面反映土壤的狀況,土壤的綜合質(zhì)量表征了土壤促進生產(chǎn)力、環(huán)境保護能力及保障動植物健康的能力[1]。土壤質(zhì)量綜合評價概念與環(huán)境質(zhì)量綜合評價類似,評估指標也相似,需要從山、水、林、田、湖、草整體分析土壤的綜合質(zhì)量。功能優(yōu)良的土壤質(zhì)量相對高,反之,其質(zhì)量低[1]。

永寧地區(qū)農(nóng)田以中產(chǎn)田為主,近年來,為提高農(nóng)作物產(chǎn)量,大量使用化肥、農(nóng)藥,導(dǎo)致淺層地表質(zhì)量下降、土壤環(huán)境污染等。為進一步了解永寧地區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量,開展土壤質(zhì)量綜合評價十分必要。

土壤質(zhì)量綜合評價方法較多[2],常用的有綜合指數(shù)法[3]、模糊綜合評價法[4-5]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[6]、主成分分析綜合得分法[7-8]等。基于《寧夏沿黃經(jīng)濟區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查項目》(項目編號：0617-16130812)取得的土樣數(shù)據(jù),該研究以影響永寧地區(qū)土壤質(zhì)量的54種理化指標為主,用GIS與模糊數(shù)學(xué)方法相結(jié)合,對永寧地區(qū)耕作區(qū)土壤質(zhì)量進行綜合評價與分級評定,為永寧地區(qū)耕地土地高效利用、生產(chǎn)力提高、耕地區(qū)生態(tài)保護提供科學(xué)依據(jù)[9]。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況永寧地區(qū)主體位于銀川市永寧縣,其北部、東南部局部地區(qū)跨入銀川市西夏區(qū)和吳忠市所屬青銅峽市管轄范圍,地理坐標總體介于北緯38°10′～38°20′,東經(jīng)106°00′～106°15′。永寧縣地處銀川平原,地勢由西向東逐漸傾斜,海拔高程1 113～1 148 m,相對高差10～20 m。永寧縣位于銀川平原引黃灌區(qū)中部,是銀川平原主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)之一,農(nóng)田以中產(chǎn)田為主,該土壤研究區(qū)范圍根據(jù)引黃灌溉水田范圍劃分,總面積254.31 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 Location diagram of study area

永寧地區(qū)耕地面積占70%以上,種植農(nóng)作物種類較多,不同農(nóng)作物交替種植,作物的種植直接改變著埋深0.5～1.0 m土體的結(jié)構(gòu)，同時灌溉、施肥、施藥等同時也改變著土壤化學(xué)組分等。

1.2 樣品采集、加工與測試

1.2.1野外樣品采集方法、技術(shù)。研究區(qū)內(nèi)地貌類型為平原區(qū),該次采樣粒級0.85～4.75 mm,采樣深度為0～20 cm。

(1)采樣點位的布置。采樣點在平原區(qū)按照采樣格子(1 km2)均勻布設(shè),點間距≥500 m(圖2)。

圖2 采樣點分布Fig.2 Sampling point distribution

(2)樣品采集。依據(jù)《區(qū)域地球化學(xué)勘查規(guī)范》(DZ/T 0011—1991)技術(shù)要點,選擇在殘(坡)積物發(fā)育的地段采集樣品,每個樣品由3～5個子樣組合成,共采集樣品251組。

1.2.2樣品加工與測試。該次樣品測試以Ag、Cd、Cu、Cr、F、Hg、I、K、Mn、Mo、N、Ni、P、Pb、S、Se、Zn、TFe(全鐵)、MgO、CaO、OrgC(有機質(zhì))、pH 22種指標為主。寧夏基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院化學(xué)與核素分析室按照區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法行業(yè)標準DZ/T 0279.(1—34)—2016進行測樣,實驗室檢測儀器以大型X射線熒光光譜儀(日本理學(xué)公司ZSX Primus)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國熱電公X Series)為主。

TFe、CaO、MgO、Cr、Cu、Mn、Ni、P、S、Zn 10個主、次、痕量元素和化合物采用粉末樣品壓片制樣,用X射線熒光光譜儀進行測量。測試元素采用經(jīng)驗系數(shù)法與散射線內(nèi)標法校正元素相互間的基體效應(yīng)；Cd和Pb元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定；Ag元素采用發(fā)射光譜法(ES)測定；As、Hg元素采用氫化物-原子熒光光譜法(HG-AFS)測定；Se元素采用氫化物-原子熒光光譜法(HG-AFS)測定；F元素采用離子選擇性電極法(ISE)測定；IMo元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定；Mo元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)；OrgC(有機質(zhì))采用重鉻酸鉀容量法測定；N元素采用凱式蒸餾-容量法測定；pH采用離子選擇性電極法測定[10]。

2 土壤質(zhì)量評價方法

2.1 土壤重金屬元素評價標準及方法

2.1.1評價標準。依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995》選擇該次測試內(nèi)容中8項主要環(huán)境質(zhì)量指標進行評價。由于研究區(qū)內(nèi)土壤pH偏堿性(pH=7.76～9.50),土壤分級標準及分類標準如表1所示。

表1 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值Table 1 Screening value of soil pollution risk of agricultural land 單位: mg/kg

2.1.2評價方法。

(1)單因子指數(shù)評價方法[11]。因地質(zhì)背景與人為活動影響的程度存在著差異,土壤中元素含量及對土壤環(huán)境質(zhì)量的貢獻不盡一致[12]。依據(jù)土壤單元素質(zhì)量分級統(tǒng)計,Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr等8項元素的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(Zi)按照下式進行計算：

Zi=Xi/CⅠ(Xi≤CⅠ時)

Zi=1+(Xi-CⅠ)/(CⅡ-CⅠ)(CⅠ

Zi=2+(Xi-CⅡ)/(CⅢ-CⅡ)(CⅡ

Zi=3+(Xi-CⅢ)/CⅢ(Xi>CⅢ時)

式中，Zi為土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Xi為土壤實測數(shù)據(jù)；CⅠ為土壤一級臨界值上限；CⅡ為土壤pH>7.5 時二級臨界值上限；CⅢ為土壤三級臨界值上限。

(2)尼梅羅綜合污染指數(shù)法[11]。為了表示上述n項元素的綜合污染程度,采用尼梅羅公式計算多元素污染指數(shù)Pi。土壤污染綜合評價指數(shù)分級如表2所示。

式中，Pj為單元素污染指數(shù)值；Pj最大為選取元素中最大的指數(shù)值；n為參加統(tǒng)計的元素個數(shù)。

由上式可知,多元素污染指數(shù)P的大小取決于Pj最大值。

2.2 必需營養(yǎng)元素、有益微量元素豐缺評價標準及方法研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)展農(nóng)業(yè),土地利用結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)種植為主,土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響農(nóng)作物生長[13]。氮、磷、鉀、有機質(zhì)、鈣、鎂、鐵、硫、銅、錳、鉬、鋅等為生物完成其生命周期和維持正常新陳代謝過程所必不可少的營養(yǎng)元素,硒、碘、氟為維持人體生長發(fā)育所必需的微量元素。各類元素的過量或缺乏都會引起動植物生長發(fā)育缺陷。

2.2.1評價標準。根據(jù)土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范DZ/T 0295—2016,土壤中氮、磷、鉀全量，有機質(zhì)、鈣、鎂、鐵、硫、銅、錳、鉬、鋅等必需元素等級分級標準如表3所示,硒、碘、氟等有益元素等級分級標準如表4所示。

表2 土壤污染綜合評價指數(shù)分級Table 2 Classification of comprehensive evaluation index of soil pollution

表3 土壤必需元素指標等級劃分標準Table 3 Classification standard of soil essential element index

表4 土壤有益元素指標等級劃分標準Table 4 Classification standard of soil beneficial element index

2.2.2評價方法。

(1)單元素等級劃分。土壤必需營養(yǎng)元素依據(jù)表3中標準,對其單指標養(yǎng)分地球化學(xué)等級進行劃分。土壤養(yǎng)分不同等級劃分標準如下：一等,含量豐富；二等,含量較豐富；三等,含量中等；四等,含量較缺乏；五等,含量缺乏。

式中，f養(yǎng)綜為土壤氮、磷、鉀評價總得分,1≤f養(yǎng)綜≤5；ki為氮、磷、鉀權(quán)重系數(shù),分別為0.4、0.4和0.2；fi為土壤氮、磷、鉀的單元素等級得分,單指標評價結(jié)果為五等、四等、三等、二等、一等時所對應(yīng)的fi得分分別為1分、2分、3分、4分、5分。②土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級劃分標準如下：一等,f養(yǎng)綜≥4.5；二等,3.5≤f養(yǎng)綜<4.5；三等,2.5≤f養(yǎng)綜<3.5；四等,1.5≤f養(yǎng)綜<2.5；五等,f養(yǎng)綜<1.5。

3 評價結(jié)果

3.1 土壤重金屬元素評價結(jié)果對照要求,研究區(qū)執(zhí)行Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量標準。依據(jù)表1中分級標準,分別計算了研究區(qū)內(nèi) Cr、Cu、Zn、Hg、As、Cd、Pb、Ni 8種重金屬單元素土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和多元素綜合質(zhì)量指數(shù),評價土壤環(huán)境質(zhì)量。單元素土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價結(jié)果如表5所示。

表5 土壤單元素質(zhì)量分級統(tǒng)計Table 5 Statistics of soil single element quality classification

土壤環(huán)境質(zhì)量的單因子評價結(jié)果顯示,8種指標均滿足農(nóng)作物正常生長、維護人體健康需要。結(jié)合《寧夏回族自治區(qū)銀川盆地多目標區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報告》中元素背景值的對比分析,除Cd(背景值為126.06)外,各指標元素的含量基本保持著自然背景水平,土壤環(huán)境質(zhì)量良好。

根據(jù)評價結(jié)果(表6、圖3),研究區(qū)內(nèi)大部分土壤屬清潔區(qū)、基本清潔區(qū),土壤質(zhì)量均為一等質(zhì)量區(qū),綜合評價值在1.5以下,占研究區(qū)內(nèi)土壤總面積99%以上。研究區(qū)內(nèi)基本清潔區(qū)面積為19.35 km2,主要分布于中南部農(nóng)聲—農(nóng)豐—西玉—位團、西邵—沙湖—李俊—東方一帶。

表6 土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價結(jié)果Table 6 Comprehensive evaluation results of soil environmental quality

圖3 永寧地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價分區(qū)Fig.3 Zoning of comprehensive evaluation of soil environmental quality in Yongning area

3.2 必需營養(yǎng)元素、有益微量元素評價結(jié)果

3.2.1必需營養(yǎng)元素評價結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)土壤氮、磷、鉀、有機質(zhì)等級劃分豐缺面積和占比如表7所示。

表7 土壤必需元素等級劃分豐缺面積一覽Table 7 List of soil essential element grades

氮是促進農(nóng)作物生長和產(chǎn)量提升的重要元素[14]。其含量均值1 004.67 mg/kg,中等級土壤面積145.08 km2,占總面積57.05%；缺乏-較缺乏級土壤面積109.22km2,較缺乏-缺乏氮元素含量低于1 000 mg/kg,占總面積的42.95%。磷是增加產(chǎn)量的主要元素,其平均含量1 003.37 mg/kg；較豐富-豐富區(qū)面積為237.10 km2,占總面積93.24%；中等級面積約15.32 km2,占總面積6.02%。鉀元素含量均值為25.4 g/kg,最小值為18.2 g/kg,均大于15 g/kg；中等-豐富區(qū)面積為254.30 km2。有機質(zhì)是氮源物質(zhì),其礦質(zhì)化時釋放的營養(yǎng)元素為植物生長提供養(yǎng)分,含量均值為8.9 g/kg;中等級土壤分布面積0.33 km2,占總面積的0.13%;缺乏-較缺乏級土壤面積為253.97 km2,占全區(qū)面積的99.87%,含量低于20 g/kg。氧化鈣含量均值為7.88%,均在較豐富及以上；氧化鎂含量均值為2.69%,豐富級土壤分布面積245.99 km2,占全區(qū)面積的96.73%。三氧化二鐵含量均值5.03%,中等-豐富級土壤分布面積243.86 km2,占全區(qū)面積的95.89%。銅元素含量均值27.0 mg/kg,中等-豐富級土壤分布面積247.91 km2,占全區(qū)面積的97.49%。硫元素含量均值501.9 1 mg/kg；中等-豐富級土壤分布面積253.60 km2,占全區(qū)面積的99.73%。錳元素含量均值657.75 mg/kg；中等-豐富級土壤分布面積249.96 km2,占全區(qū)面積的98.29%。鉬元素含量均值0.77 mg/kg；中等-豐富級土壤分布面積249.39 km2,占全區(qū)面積的 98.07%。鋅元素含量均值73.1 mg/kg；中等-豐富級土壤分布面積233.40 km2,占全區(qū)面積的 91.78%。

3.2.2有益微量元素評價結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)土壤有益元素包括硒、氟、碘3種,含量評價標準見表4。通過評價分析,各元素含量統(tǒng)計情況見表8。

3種土壤有益微量元素中[15],碘元素含量基本全屬于適量區(qū),均值4.02 mg/kg,分布較均勻。根據(jù)國家標準，該區(qū)硒含量較低,適量區(qū)占比21.03%,邊緣區(qū)占比達到73.39%,表現(xiàn)出硒含量空間分布較不均勻。氟是人體必需的且含量較大的微量元素之一,它主要分布于人體的骨骼和牙齒中。過量和缺氟都會對人體骨骼產(chǎn)生危害[16]。研究區(qū)內(nèi)土壤氟元素平均含量 596 mg/kg,多為氟元素含量高區(qū)。氟元素大多為適量區(qū)之上,高等級區(qū)占比達到84.58%,氟含量的空間分布較為均勻。碘是人體及哺乳動物必需的營養(yǎng)元素,兒童更容易出現(xiàn)因碘過量導(dǎo)致的甲狀腺腫大[17]。研究區(qū)土壤內(nèi)碘元素平均含量4.02 mg/kg,整體為碘元素適量區(qū),不存在邊緣區(qū)、缺乏區(qū)及過剩區(qū)。

表8 土壤有益元素等級劃分豐缺面積和比例一覽Table 8 List of areas and proportions of soil beneficial elements

4 結(jié)語

依據(jù)土壤測試結(jié)果,永寧地區(qū)土壤pH介于7.76～9.50,土壤環(huán)境偏堿性。選取永寧地區(qū)農(nóng)田表層土壤中與農(nóng)作物生長關(guān)系密切的Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種重金屬,N、P、K、有機質(zhì)、Fe、MgO、CaO、S、Cu、Mn、Mo、Zn 12項生長必需營養(yǎng)元素,Se、I、F 3種有益元素作為評價因子指標。采用單因子評價方法和尼梅羅綜合污染指數(shù)法進行評價,得到以下結(jié)論。

(1)研究區(qū)土壤Cr、Cu、Zn、Hg、As、Cd、Pb、Ni均滿足農(nóng)作物正常生長、維護人體健康需要。除Cd外,各指標元素的含量基本保持著自然背景水平,土壤環(huán)境質(zhì)量良好。研究區(qū)土壤清潔度均在基本清潔區(qū)以上,土壤質(zhì)量均為一等質(zhì)量區(qū),綜合評價值在1.5以下,未受重金屬影響。研究區(qū)內(nèi)清潔區(qū)面積為234.96 km2,基本清潔區(qū)面積為19.35 km2,適合研究區(qū)農(nóng)作物生長。

(2)研究區(qū)內(nèi)土壤必需元素磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、硫(S)、銅(Cu)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)含量多屬二等(較豐富)以上,均滿足研究區(qū)農(nóng)作物正常生長需要。氮(N)元素含量屬四等-三等(較缺乏-中等),部分地區(qū)較虧缺。有機質(zhì)(SOC)含量多屬五等(缺乏),虧缺尤為嚴重。

(3)研究區(qū)內(nèi)土壤有益元素碘含量基本全屬于適量區(qū),均值4.02 mg/kg,分布較均勻。根據(jù)國家標準，該區(qū)硒含量較低,適量區(qū)占比21.03%,邊緣區(qū)占比達到73.39%,表現(xiàn)出硒含量空間分布較不均勻。氟元素大多為適量區(qū)之上,高等級區(qū)占比達到84.58%,研究區(qū)氟含量富足。