鄆城縣北部地區(qū)土壤元素地球化學(xué)背景值特征

宋亮,白新飛,楊時(shí)驕,宋津宇,于超,王濤

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟(jì)南 250109)

0 引言

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ),近幾十年來,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人類對(duì)土地資源開發(fā)利用強(qiáng)度的增加,工業(yè)排放和不合理的耕作、施肥[1-3]方式都對(duì)土壤中的元素環(huán)境水平造成了重要影響,尤其是重金屬元素的累積對(duì)農(nóng)業(yè)安全和人類生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[4-7]。鄆城縣作為全國(guó)產(chǎn)糧大縣,土地質(zhì)量情況直接關(guān)系到國(guó)家糧食安全問題。為摸清研究區(qū)的土地質(zhì)量現(xiàn)狀,2019年開展了山東省鄆城縣北部地區(qū)1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東省鄆城縣北部地區(qū)1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告,2021年。。在獲得研究區(qū)土壤元素背景值的基礎(chǔ)上,對(duì)區(qū)內(nèi)土壤中元素的累積趨勢(shì)[8]進(jìn)行了研究,為鄆城縣土壤重金屬元素的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)提供研究案例,為土地高效利用、污染防治等提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省西南部,隸屬于菏澤市鄆城縣,包括鄆城縣北部的李集鄉(xiāng)、黃集鄉(xiāng)、張魯集鄉(xiāng)、侯咽集鎮(zhèn)、程屯鎮(zhèn)、水堡鄉(xiāng)、玉皇廟鎮(zhèn)、潘渡鎮(zhèn)、楊莊集鎮(zhèn)9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及鄆城縣城,總面積約858km2。區(qū)內(nèi)氣候四季分明,陽光充足,常年平均氣溫14.0℃,平均降水量約649.9mm,適合小麥、玉米等糧食作物生長(zhǎng),是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)。土地利用類型以水澆地、林地、園地為主,土壤成土母質(zhì)為沖積物母質(zhì)。因受歷次黃河決口泛濫的影響,形成了以緩平坡地、淺平洼地、河槽地和沿黃洼地等4種微地貌類型為主,并以大面積分布的開闊波狀傾斜地為主要特征的地貌類型。土壤類型較單一(圖1),區(qū)內(nèi)土壤劃分為2個(gè)土類:潮土和新積土;潮土分為2個(gè)亞類:潮土(砂質(zhì)潮土、壤質(zhì)潮土、黏質(zhì)潮土)和鹽化潮土(砂質(zhì)氯化物鹽化潮土、壤質(zhì)氯化物鹽化潮土、砂質(zhì)濱海鹽化潮土、砂質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土、壤質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土)。

1—砂質(zhì)潮土;2—壤質(zhì)潮土;3—黏質(zhì)潮土;4—砂質(zhì)氯化物鹽化潮土;5—壤質(zhì)氯化物鹽化潮土;6—砂質(zhì)濱海鹽化潮土;7—砂質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土;8—壤質(zhì)硫酸鹽鹽化潮土;9—黃河灘沖積土。圖1 研究區(qū)土壤類型分布圖

2 樣品采集與分析測(cè)試

本次調(diào)查采集深度為0～20cm的表層土壤,采樣密度在農(nóng)用地區(qū)域?yàn)?～8個(gè)點(diǎn)/km2,建設(shè)用地區(qū)域?yàn)?個(gè)點(diǎn)/km2,平均采樣密度6點(diǎn)/km2,共采集樣品5148件。采樣時(shí),以采樣點(diǎn)為中心向周圍輻射50～100m范圍,采集4～6個(gè)子樣,等量混合成一個(gè)樣品。樣品采集時(shí)挑出植物根系、石塊等雜物,裝入干凈的棉布樣袋,經(jīng)風(fēng)干、碾碎后過孔徑20目的尼龍篩。

分析指標(biāo)為pH、有機(jī)質(zhì)、P、Fe2O3、Mn、MgO、CaO、K2O、Se、Hg、Mo、F、N、S、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Zn、B、Co、Cd、Ge、I、As共26項(xiàng)指標(biāo),分析方法及檢出限見表1。樣品分析測(cè)試工作由山東省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心和山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實(shí)驗(yàn)室共同完成,通過標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣多種監(jiān)控手段,對(duì)樣品的分析質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制,保證了樣品分析質(zhì)量的可靠性。質(zhì)控結(jié)果為:報(bào)出率均為100%,每項(xiàng)指標(biāo)的分析準(zhǔn)確度、精密度均達(dá)到100%,隨機(jī)抽取5.50%的樣品編制成密碼進(jìn)行重復(fù)性分析,合格率大于95%。

表1 各參數(shù)分析方法及檢出限 單位:mg/kg

3 研究區(qū)土壤地球化學(xué)背景特征

土壤地球化學(xué)背景值是指自然應(yīng)力和人類活動(dòng)共同作用影響下區(qū)域表層土壤的含量值,受成土母質(zhì)組成、成土過程中的元素遷移以及人類活動(dòng)等因素的影響[9-13]。除了受到土壤基準(zhǔn)值的控制外,還受到風(fēng)化、淋濾以及人為擾動(dòng)、污染的影響。對(duì)土壤地球化學(xué)背景值的研究是評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量及進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ),對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、研究和確定土壤環(huán)境容量、土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[14-15]。

研究區(qū)表層土壤剔除異常值后的元素地球化學(xué)背景值參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2,通過與菏澤市和山東省土壤地球化學(xué)背景值對(duì)比,具有以下規(guī)律:

表2 表層土壤地球化學(xué)含量特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

(1)研究區(qū)表層土壤元素背景值與菏澤市背景值相比,元素K1值在0.98～1.43之間,接近的指標(biāo)(0.901.2)為有機(jī)質(zhì)、N、S、Cd、I。

(2)與山東省背景值相比,元素K2值在0.94～1.85之間,接近的指標(biāo)(0.901.2)為B、I、有機(jī)質(zhì)、N、As、S、MgO、Cd、P、CaO。

(3)表層土壤中分布較不均勻的指標(biāo)(0.4≤變異系數(shù)<1.0)有I,這可能與其在灌溉水中含量分布極不均勻有關(guān);其他元素在區(qū)內(nèi)分布均勻,這是由于研究區(qū)位于黃河下游流域分布區(qū),屬黃河沖積平原,成土母質(zhì)均為沖積物母質(zhì),與其他地區(qū)相比較,成土母質(zhì)土壤類型較為單一。

(4)研究區(qū)pH背景值為8.344,且各點(diǎn)位的pH均大于7.5。表層土壤中Hg、Cr、Pb、Cd、As 5種重金屬元素背景值含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—2018)中的篩選值(表3),由此,研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬污染總體上極低。極個(gè)別樣品中Cd含量最大值超過標(biāo)準(zhǔn)篩選值,在個(gè)別地方存在點(diǎn)源污染。

表3 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(pH>7.5) 單位:mg/kg

4 土壤重金屬元素累積趨勢(shì)

4.1 研究基礎(chǔ)

2003年龐緒貴等開展的山東省黃河下游流域多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查(1∶25萬)項(xiàng)目,范圍覆蓋本研究區(qū),該項(xiàng)目土壤表層樣品采樣深度0～20cm,采樣密度1件/4km2,測(cè)試指標(biāo)54項(xiàng),位于研究區(qū)內(nèi)表層土壤組合樣品(分析測(cè)試樣品)數(shù)為221件。與本次調(diào)查相比,二者除了調(diào)查比例尺引起的采樣密度有差別以外,在采樣技術(shù)方法、樣品加工、野外工作質(zhì)量監(jiān)控、樣品測(cè)試、分析數(shù)據(jù)驗(yàn)收等關(guān)鍵環(huán)節(jié)基本一致。

本研究是基于2003年項(xiàng)目所獲取的數(shù)據(jù)與本次取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)我國(guó)土壤污染監(jiān)測(cè)和調(diào)查的主要元素指標(biāo)[17]As、Cd、Cr、Hg、Pb在過去時(shí)間段內(nèi)的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究,并對(duì)未來土壤中重金屬含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

研究區(qū)內(nèi)兩組調(diào)查樣本的間隔時(shí)間為16年,為便于討論,將研究區(qū)內(nèi)1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查采集的表層土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集稱為WA,將本次1∶5萬土地質(zhì)量球化學(xué)評(píng)價(jià)采集的全部表層土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集稱為WB1。為了將2組數(shù)進(jìn)行對(duì)比,以WA為中心,劃定評(píng)價(jià)單元(2km×2km),每4km2內(nèi)的WB1數(shù)據(jù)取平均值,獲得數(shù)據(jù)集WB2,共得到221個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)與WA進(jìn)行一一配對(duì)。

4.2 土壤重金屬元素累積趨勢(shì)

分別對(duì)2次調(diào)查數(shù)據(jù)中重金屬元素含量的算術(shù)平均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表4),可以看出,除了As元素之外,WB2數(shù)據(jù)集重金屬含量要比WA數(shù)據(jù)集大,表明2003—2019這16年間,研究區(qū)Hg、Cr、Pb、As四種重金屬的含量總體是增加的,而As元素有輕微減少的趨勢(shì)。

表4 表層土壤調(diào)查樣點(diǎn)元素含量算術(shù)平均值統(tǒng)計(jì) 單位:mg/kg

對(duì)一一配對(duì)的2組數(shù)據(jù)元素含量對(duì)比(圖2),發(fā)現(xiàn)重金屬元素中,Hg、Cr、Pb、As四種重金屬元素含量增大的點(diǎn)位個(gè)數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過含量減少的點(diǎn)位個(gè)數(shù)。從增減幅度來看,含量增大的樣點(diǎn)元素含量增幅的絕對(duì)值也大于含量減小的樣點(diǎn)減幅的絕對(duì)值。

圖2 表層土壤調(diào)查單元重金屬元素增減數(shù)量和增減幅度統(tǒng)計(jì)圖

圖2—圖4可以看出,相較于2003年,2019年表層土壤中Hg、Cr、Pb、Cd元素含量以增加為主。Hg元素平均增幅約48%,減幅約21%,其中以張魯集鎮(zhèn)西部的南李樓村一帶增幅最高,增幅超過180%。Cr元素平均增幅約13%,減幅約7%,其中以潘渡鎮(zhèn)西部的堿店村增幅最高,增幅最大超過30%,其余區(qū)域增幅相對(duì)較低。Pb元素平均增幅為15%,減幅約6%,增幅較高的區(qū)域集中在縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地。Cd元素平均增幅達(dá)到25%,減幅約10%,其中鄆城鎮(zhèn)東部的劉梅村一帶增幅最高,最高增幅達(dá)到了170%,其余區(qū)域增幅相對(duì)較低。

圖3 2003—2019年Hg、Cr、Pb、Cd元素增減幅度等值線圖

圖4 2003—2019年As元素增減幅度等值線圖

As元素含量增加和減少個(gè)數(shù)基本持平,增加的幅度和減少幅度也基本相等。平均增減幅度相對(duì)較低,均在10%左右。含量增加的區(qū)域主要位于李集和程屯2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),最高點(diǎn)出現(xiàn)在玉皇廟鎮(zhèn)東部的北鄭莊村,增幅超過60%。

4.3 土壤重金屬元素含量預(yù)測(cè)

4.3.1 預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

以某一時(shí)點(diǎn)的土壤重金屬含量為基礎(chǔ),對(duì)之后的某一時(shí)點(diǎn)土壤重金屬含量的估計(jì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[16],土壤重金屬含量預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)模型為:

Wt=W0+t×ΔW

(1)

式中:Wt—預(yù)測(cè)經(jīng)歷了t年的土壤重金屬含量(mg/kg);W0—土壤初始的重金屬含量(mg/kg);ΔW—重金屬含量的年變化率(kg/(km2·a))。

本研究選擇單時(shí)段增量模型來進(jìn)行預(yù)測(cè),該模型是基于一段時(shí)間內(nèi)至少2組實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)所建立的模型[17-20]。本研究中歷史數(shù)據(jù)為前述WA,當(dāng)前數(shù)據(jù)為前述WB2。由式(1)得:

ΔW1=(WB2-WA)/T

(2)

Wt=WB2+t×(WB2-WA)/T

(3)

式中:ΔW1—該模型2003—2019年的重金屬含量的年變化率(kg/(km2·a));WB2—2019年的土壤重金屬含量(mg/kg);WA—2003年的土壤重金屬含量(mg/kg);T—2組數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間為16年;Wt—預(yù)測(cè)經(jīng)歷了t年的土壤重金屬含量(mg/kg);t—預(yù)測(cè)年限。

4.3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

在每年的土壤元素含量不發(fā)生較大變化的情況下,采用以上模型,預(yù)測(cè)每個(gè)點(diǎn)位2035年土壤中元素含量,并對(duì)預(yù)測(cè)含量進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),從預(yù)測(cè)的評(píng)價(jià)結(jié)果來看,Hg、Cr、Pb、As含量均低于表2的篩選值,對(duì)土壤的污染風(fēng)險(xiǎn)低。Cd元素有4個(gè)4km2連片網(wǎng)格,網(wǎng)格含量達(dá)到0.60mg/kg、0.62mg/kg、0.74mg/kg、0.79mg/kg,超過表2篩選值,可能存在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn),該地區(qū)位于工業(yè)園區(qū)附近,同時(shí)分布有一定數(shù)量的蔬菜大棚和耕地,應(yīng)引起足夠的重視(圖5)。

圖5 表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)圖

5 結(jié)論

(1)通過土壤質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查,首次系統(tǒng)獲取了研究區(qū)1∶5萬比例尺的表層土壤26項(xiàng)元素指標(biāo)含量數(shù)據(jù),填補(bǔ)了此區(qū)域研究空白。

(2)與山東省背景值相比,研究區(qū)內(nèi)明顯偏高的指標(biāo)有:B、I、有機(jī)質(zhì)、N、As、S、MgO、Cd、P、CaO。區(qū)內(nèi)重金屬As、Cd含量分別為全省土壤背景值的1.38倍、1.42倍,其含量明顯高于全省均值。

(3)通過對(duì)重金屬元素累積趨勢(shì)的研究,發(fā)現(xiàn)土壤中的Hg、Cr、Pb、Cd元素含量在2003—2019年期間總體是增加的,而As元素有輕微減少的趨勢(shì)。根據(jù)單時(shí)段增量模型預(yù)測(cè)的結(jié)果,到2035年,Cd元素在局部地區(qū)超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)中的篩選值,可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn),需加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)的監(jiān)測(cè)。