高密市土壤地球化學(xué)背景值研究

劉陽

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊，山東·濰坊 261021）

2013年6月8日，中國地質(zhì)調(diào)查局在京組織召開土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價可行性報告論證會，專家組認(rèn)為：“開展土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價是關(guān)系千秋大業(yè)、惠及千家萬戶的一項重大民生工程，在實現(xiàn)土地質(zhì)量與生態(tài)管護(hù)、保障國家糧食安全、大幅提升土地資源利用價值、顯著改善民生等方面均具有重要意義”。山東各地陸續(xù)開展了土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價工作，并取得了一些成果[1-9]。濰坊市作為全國農(nóng)業(yè)及蔬菜基地，土地質(zhì)量情況起到了決定性的支撐作用。為積極響應(yīng)上級號召，濰坊市設(shè)立專項資金進(jìn)行“濰坊市土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價”項目。高密市土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價為該項目的二期工作。

高密市地處山東半島中部，膠萊平原腹地，東鄰膠州市，西依安丘市、昌邑市，南連高密市，北接平度市。全市轄7鎮(zhèn)、3街道，總面積1525.7km2。地理坐標(biāo)：東經(jīng)119°26?～120°00?、北緯 36°08?～36°41?。高密市地勢南高北低。最高點位于柴溝鎮(zhèn)梁尹嶺張林北側(cè)，海拔109.4m；最低點位于大牟家鎮(zhèn)曹家北近北膠萊河處，海拔7.5m。地面總坡度約1/600。高密市屬季風(fēng)區(qū)暖溫帶大陸性半濕潤氣候，冬冷夏熱，四季分明。年平均氣溫12℃，年平均降水量689.1mm，年蒸發(fā)量1227.6mm，相對濕度平均為69%。年平均日照總量2452.7小時，無霜期226天。（年平均值為1971～2000年30年資料平均）。高密市處于濰東南丘陵水文地質(zhì)區(qū)。高密市土壤類型分為棕壤、褐土、粗骨土、黑土、潮土共5個土類[10]。

1 地質(zhì)概況

高密市地處華北板塊—膠遼隆起區(qū)—膠萊盆地西部，北部為高密—景芝凹陷，南部為膠州—蘭底凹陷。高密地層隸屬于華北地層區(qū)之魯東地層分區(qū)，僅出露中生代白堊紀(jì)萊陽群、青山群、大盛群以及第四紀(jì)松散堆積物。其中中生代地層出露面積約占全市總面積的25%，第四紀(jì)出露面積約占75%，高密市地質(zhì)構(gòu)造單元全貌是中生代白堊紀(jì)沉積蓋層和新生代第四紀(jì)松散堆積物，構(gòu)造形式突出表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造，構(gòu)造方位以北東向為主，高密市巖漿巖不發(fā)育，僅有脈狀—巖柱狀的淺成—超淺成中酸性侵入巖和火山巖。

2 工作方法

2.1 樣品采集

高密市土壤表層樣采樣點布設(shè)在1:5萬土地利用現(xiàn)狀圖上（第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)）。采樣點以網(wǎng)格狀布設(shè)，土壤樣品采樣密度平均為5.5件/km2，采樣深度為0～20cm，采樣時以“多點取樣”的方式進(jìn)行，同時要避開溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、糞堆及微地形高低不平無代表性地段。野外采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，全部過10目尼龍篩，過篩后樣品重量大于500g。

全高密市市共取表層土壤樣點8197件。

2.2 樣品分析

分析測試項目有：有機(jī)質(zhì)、氮（N）、磷（P）、鉀（K）、硼（B）、鉬（Mo）、錳（Mn）、硒（Se）、碘（I）、鍺（Ge）、氟（F）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、汞（Hg）、鎳（Ni）、鈷（Co）、礬（V）和酸堿度（pH），共22項。

本項目分析測試由具有甲級實驗測試資質(zhì)的山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊實驗測試中心承擔(dān)，采用等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）、X射線熒光光譜法（XRF）為主要檢測方法，輔以原子熒光光譜法（AFS）、發(fā)射光譜法（ES）、離子電極法（ISE）、容量法（VOL）和分光光度法（COL）等方法的多元素分析配套方法。樣品測試質(zhì)量由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所進(jìn)行監(jiān)控，通過密碼樣、監(jiān)控樣、標(biāo)準(zhǔn)樣等多種監(jiān)控手段，保證樣品分析質(zhì)量的可靠性。測試項目及測試精度滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3 討論及結(jié)論

土壤地球化學(xué)背景值又稱土壤本底值，它代表一定環(huán)境單元中的一個統(tǒng)計量的特征值。背景值是指各區(qū)域正常地理條件和地球化學(xué)條件下元素在各類自然體（巖石、風(fēng)化產(chǎn)物、土壤、沉積物、天然水、近地大氣等）中的正常含量。在環(huán)境科學(xué)中，土壤背景值是指在未受或少受人類活動影響下，尚未受或少受污染和破壞的土壤中元素的含量[11]。由于人類活動的長期積累和社會的高速發(fā)展，真正未受污染和破壞的土壤是不存在的，因此，土壤地球化學(xué)背景值只是一個相對概念。本文是以高密市表層土壤（0～20cm）分析測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后求得的平均值為高密市表層土壤地球化學(xué)背景值。

3.1 土壤地球化學(xué)背景值計算方法

眾多研究結(jié)果表明，常量元素接近正態(tài)分布，微量元素取對數(shù)后接近正態(tài)分布，同時認(rèn)為，把地殼中元素含量空間分布構(gòu)成的曲面成為地球化學(xué)面，這個面的變化也服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布。均值標(biāo)準(zhǔn)差法的使用前提是原始數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。因此，使用均值標(biāo)準(zhǔn)差法時，應(yīng)該先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗。常用的檢驗方法有偏度—峰度法、Q-Q概率圖法和P-P概率圖法。本文用偏度—峰度法：當(dāng)樣本數(shù)量較大（N＞100），若取信度α=0.05時，偏度的臨界值不超過，峰度的臨界值不超過，說明實測數(shù)據(jù)在所研究的地質(zhì)體中服從正態(tài)分布，有一個不滿足則不服從正態(tài)分布[12]。檢驗對數(shù)正態(tài)分布，需將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對數(shù)，然后計算偏度、峰度。

將分析測試數(shù)據(jù)利用Excel、SPSS等數(shù)據(jù)處理工具，統(tǒng)計元素含量平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、濃集系數(shù)（K）等地球化學(xué)特征值。首先，對數(shù)據(jù)頻率分布形態(tài)進(jìn)行正態(tài)檢驗。當(dāng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時，用算術(shù)平均值代表背景值；服從對數(shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，用幾何平均值代表背景值；不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，按照算術(shù)平均值加減3倍算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)離差或幾何平均值乘以幾何標(biāo)準(zhǔn)離差的立方進(jìn)行剔除，經(jīng)反復(fù)剔除后服從算術(shù)正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布時，用算術(shù)平均值或幾何平均值代表土壤背景值。經(jīng)反復(fù)剔除后仍不滿足正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，當(dāng)呈偏態(tài)分布時，以眾值或平均值代表背景值；當(dāng)呈雙峰或多峰分布時，以中位值或平均值代表背景值。

在進(jìn)行pH值參數(shù)統(tǒng)計時，應(yīng)先將土壤pH值換算成[H+]平均濃度進(jìn)行統(tǒng)計計算，然后再換算成pH值，其公式為：[H+]=10-pH，[H+]平均濃度=∑10-pH/n ，pH=-lg[H+]平均濃度。

3.2 土壤地球化學(xué)背景值特征

高密市土壤地球化學(xué)背景值見表1。

表1 高密市土壤地球化學(xué)背景值Table 1 Geochemical background value of soil in Gaomi city

土壤地球化學(xué)背景值是土壤地球化學(xué)調(diào)查研究的最基礎(chǔ)的特征參數(shù)，代表土壤中的元素含量水平[14-18]。從圖1可以看出剔除前與剔除后多數(shù)元素算術(shù)平均值與背景值差別不大，僅pH一種元素（指標(biāo)）剔除率超過10%，而pH、Mo、Cu、Hg四種元素（指標(biāo)）剔除后背景值與剔除前算術(shù)平均值相比，背景值變化率均超過20%，表明元素（指標(biāo)）的離散程度相對較大，易于受到外源影響因素的擾動。

變異系數(shù)是反映元素分布均勻程度的一個重要參數(shù)，采用如下經(jīng)驗值判別：變異系數(shù)小于0.4，元素分布均勻；0.4≤變異系數(shù)＜1.0，元素分布較不均勻；1.0≤變異系數(shù)＜1.5，元素分布不均勻；變異系數(shù)≥1.5，元素分布極不均勻。高密市土壤元素變異系數(shù)見表1。

高密市土壤元素元素（指標(biāo)）分布均勻的有：K、Ge、B、V、Pb、Cr、Co、Ni、N、Mn、I。在這種情況下，元素含量變化很小，空間分布均勻，其中K的變異系數(shù)最小，只有0.07，說明它們分布最均勻。

高密市土壤元素（指標(biāo)）分布較不均勻的有：pH、有機(jī)質(zhì)、F、Se、As、P、Zn、Cd、Cu；高密市土壤元素（指標(biāo)）分布極不均勻的有：Hg、Mo。Hg變異系數(shù)為4.12，Hg含量較高的土壤主要集中分布在高密市區(qū)及周邊，Mo含量較高的土壤主要集中分布在高密市區(qū)及周邊和夏莊鎮(zhèn)中部，這可能與人類活動造成的局部污染有關(guān)。

K值是單個元素背景值與參比區(qū)（全濰坊市K1、全山東省K2）的比值，見圖2，利用K值可比較出單個元素的相對富集或貧乏特點。規(guī)定比值小于0.80時為明顯偏低，比值在0.80～0.90時為偏低，比值0.90～1.10時為接近（或相當(dāng)），比值在1.10～1.20時為偏高，比值大于1.20時為明顯偏高。

圖1 高密市土壤算數(shù)平均值（剔除前）與背景值（剔除后）對比Fig.1Comparisons of soil arithmetic mean (before excluding)and background value (after excluding) in Gaomi city

圖2 高密市土壤地球化學(xué)背景值與濰坊市土壤背景值比值K11）、山東省土壤背景值比值（K2）折線圖Fig.2 The ratio of soil geochemical background value in Gaomi City to that in Weifang City (K1) and Shandong Province (K2)

與濰坊市相比（K1），高密市土壤背景值接近的元素（指標(biāo)）有：Cr、F、B、V、Mn、Pb、Se；與全山東省相比（K2），高密市土壤背景值接近的元素（指標(biāo)）有：Ge、B、I、V、Se、Mn、Cr、Pb、As、P；

與濰坊市相比（K1），高密市土壤背景值偏高的元素（指標(biāo)）有：As、N、P、有機(jī)質(zhì)、K；與全山東省相比（K2），高密市土壤背景值偏高的元素（指標(biāo)）有：N；

與濰坊市相比（K1），高密市土壤背景值明顯偏高的元素（指標(biāo)）有：有機(jī)質(zhì)；與全山東省相比（K2），高密市土壤背景值明顯偏高的元素（指標(biāo)）有：有機(jī)質(zhì)。高密市土壤有機(jī)質(zhì)背景值與濰坊和山東背景值相比都接近兩倍，說明高密市表層土壤中有機(jī)質(zhì)含量相對較豐富，可能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的有機(jī)肥施用有關(guān)。

與濰坊市相比（K1），高密市土壤背景值偏低的元素（指標(biāo)）有：Ni、Hg、Cu、Cd、I、Ge。與全山東省相比（K2），高密市土壤背景值偏低的元素（指標(biāo)）有：Ni、F、Hg；

與濰坊市相比（K1），高密市土壤背景值明顯偏低的元素（指標(biāo)）有：Mo、Zn、Co。與全山東省相比（K2），高密市土壤背景值明顯偏低的元素（指標(biāo)）有：Mo、Zn、Cd、Co、Cu。高密市Mo缺乏（Mo≤0.45 mg/kg）的土壤分布較廣泛，主要分布在大牟家鎮(zhèn)大部、醴泉街道大部、井溝鎮(zhèn)大部、柴溝鎮(zhèn)大部、闞家鎮(zhèn)大部、柏城鎮(zhèn)大部、朝陽街道大部、夏莊鎮(zhèn)西南部、密水街道南部，面積為1177.73km2，占高密市總面積的比例為77.19%。高密市Zn缺乏（Zn≤50 mg/kg）的土壤主要分布在的井溝鎮(zhèn)大部、柴溝鎮(zhèn)大部、柏城鎮(zhèn)大部、朝陽街道大部及大牟家鎮(zhèn)大部和姜莊鎮(zhèn)北部，面積為1000.72km2，占高密市總面積的比例分別為65.59%。高密市Co較缺乏（8mg/kg＜Co≤11mg/kg）的土壤為高密市大部，面積為876.07km2，占高密市總面積的比例為57.42%；高密市Co缺乏（Co≤8mg/kg）的土壤主要分布于五龍河、濰河、膠河沿岸，分布區(qū)域為柴溝鎮(zhèn)西部及中南部馬旺水庫、李家溝水庫附近，柏城鎮(zhèn)中部和南部王吳水庫附近，朝陽街道西部和夏莊鎮(zhèn)南部，面積為374.59km2，占高密市總面積的比例為24.55%。高密市Cd元素總體良好，以無風(fēng)險為主，無風(fēng)險土壤面積為1522.94km2，占高密市總面積的99.82%；

高密市pH值含量接近濰坊市背景值和山東省背景值，高密市中部和北部總體呈中性—堿性，高密市南部的柴溝鎮(zhèn)大部、密水街道南部、柏城鎮(zhèn)中部和南部土壤總體呈酸性（pH值在5.0～6.5之間）。

通過對高密市土壤地球化學(xué)研究，掌握了高密市22種元素（指標(biāo)）土壤地球化學(xué)背景值及分布特征，這些成果可為地方政府的決策施政提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)[19-20]。

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