引用本文
齐尚星, 安邦, 谭静, 张军. 安徽省潜山市土壤质量地球化学评价[J].中国地质调查, 2024,11(6): 54-63.
QI Shangxing, AN Bang, TAN Jing, ZHANG Jun. Geochemical assessment of soil quality in Qianshan City of Anhui Province[J].Geological Survey of China, 2024,11(6): 54-63.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2023.201
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安徽省潜山市土壤质量地球化学评价
齐尚星, 安邦, 谭静, 张军
安徽省勘查技术院(安徽省地质矿产勘查局能源勘查中心),安徽 合肥 230031

第一作者简介: 齐尚星(1989—),男,工程师,主要从事矿产勘查及农业地质调查工作。Email: 451532093@qq.com。

收稿日期: 2023-05-09 修订日期: 2024-01-19
基金资助: 安徽省公益性地质项目“潜山市土地质量地球化学调查评价(编号: 2016-g-3-24)”资助
摘要

为详细了解潜山市土壤质量地球化学分布状况,科学合理地利用规划土地资源,运用潜山市土地质量地球化学调查数据,对潜山市土壤质量进行地球化学评价和研究。结果表明: 研究区土壤养分综合等级以中等和较缺乏为主,占研究区面积的88.70%; 区内土壤整体具有缺Cu,少B、Co、V、Mn、Mo及富Zn的特点; 土壤环境质量以无风险为主,占研究区面积的96.89%,风险可控区占研究区面积的3.06%,风险较高区土壤分布面积较小,且为人为工业污染所致; 区内土壤质量综合等级以良好、中等为主,分别占研究区面积的47.41%和41.36%,优质土壤较少,占研究区面积的8.36%; 区内土壤Se以适量和边缘为主,富Se土壤面积较少,仅占评价区面积的4.98%。评价成果对潜山市土地利用规划、基本农田建设、农业种植结构调整、特色农业发展及生态环境保护等具有指导意义。

关键词: 土壤养分; 土壤环境; 土壤质量; 地球化学评价; 潜山市
中图分类号:P595;X142 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)06-0054-10
Geochemical assessment of soil quality in Qianshan City of Anhui Province
QI Shangxing, AN Bang, TAN Jing, ZHANG Jun
1. Anhui Provincial Institute of Exploration Technology (Energy Exploration Center, Anhui Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration), Anhui Hefei 230031, China
Abstract

In order to understand the geochemical distribution of soil quality in Qianshan City in detail, and utilize land resources scientifically and rationally, the authors in this paper adopted geochemical survey data for land quality to conduct geochemical evaluation and survey of soil quality in Qianshan City. The results show that the comprehensive level of soil nutrients of the study area is mainly medium or relatively deficient, accounting for 88.70% of the total area of the study area. The overall level of soil nutrients in the study area is deficient in Cu, low in B, Co, V, Mn, Mo and high in Zn. The soil environmental quality is mainly risk-free, accounting for 96.89% of the study area, and the risk-controlled area accounts for 3.06% of the study area. The high-risk soil distribution area is small, and it is caused by human-made industrial pollution. The comprehensive grade of soil quality in the area is mainly good and medium, accounting for 47.41% and 41.36% of the study area respectively, and the good quality soil is less, accounting for 8.36% of the study area. The selenium content in the soil is moderate and marginal, and the selenium rich soil area is small, accounting for only 4.98% of the study area. The assessment results could provide references for land use planning, basic farmland construction, agricultural planting structure adjustment, distinctive agricultural development and ecological environment protection in Qianshan City.

Keyword: soil nutrients; soil environment; soil quality; geochemical assessment; Qianshan City
0 引言

土壤质量评价是对土壤环境质量和土壤养分丰缺的综合评价, 是科学开发利用土地资源的重要依据[1, 2]。近年来, 安徽省先后在砀山县、宁国市等[3, 4]多个地区开展了土地质量地球化学调查评价工作, 对支撑土壤环境污染防控、土地资源管理、乡村振兴等方面有着重要的指导意义。潜山市作为国家级、省级农业生产区, 其土壤质量状况制约着农业生产的发展。徐礼和[5]和林灵等[6]对潜山市开展的耕地质量调查发现潜山市耕地土壤存在较为明显的酸化、板结、养分失调、重金属积累等现象。

本文以安徽省自然资源厅在潜山市部署开展的“ 潜山市土地质量地球化学调查评价” 项目数据为基础, 分析土壤元素组成和分布特征, 并对土壤元素养分状况与土壤环境质量进行综合分析[7, 8], 研究可为潜山市农业种植结构调整、土地利用规划、特色农业发展及生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于安徽省西南部, 大别山南麓, 长江北岸, 是长江中下游与大别山区的结合部, 扼大别山咽喉, 临长江黄金水道, 交通条件优越。区内地形复杂, 地势高低起伏较大, 整体西北高、东南低, 由西北向东南方向呈梯状下降。北部及西北部为大别山区, 中部为山前丘陵、岗地, 东南部为由皖水河、潜水河下游构成的冲积平原。区内属北亚热带向中亚热带过渡性气候[9]。

研究区地处华南板块北部的扬子地台, 西北部为大别隆起构造分区, 东南部为下扬子盆地构造分区, 地质构造复杂(图1)。区内地层处于扬子地层区下扬子分区, 以郯庐断裂为界, 东南侧为潜山地层小区, 西北侧为岳西地层小区。潜山地层小区出露的地层有中生界白垩系赤山组、新生界古近系痘姆组、望虎墩组以及第四系, 岳西地层小区出露的地层有新太古界大别山岩群和大别山杂岩。

图1 研究区大地构造略图(据文献[10]修改)
Ⅰ .华北板块; Ⅱ .扬子板块; Ⅱ 1-1.大别造山带; Ⅱ 1-2.胶南造山带; Ⅱ 2.滁全拗陷; Ⅱ 3.沿江拗陷; Ⅱ 4.皖南— 苏南拗陷; Ⅱ 5.江南隆起带; Ⅱ 6.钱塘拗陷; Ⅲ .华南板块Fig.1 Geotectonic sketch of the study area (modified after reference[10])

2 样品采集与测试

样品采集布设采用二调图斑叠加“ 格型” 采样的总体原则, 以1∶ 5万地形图1 km2方里网格作为采样布局设计网格单元(大格), 将每个网格单元的1/4格(0.25 km2)作为最小采样单元格(小格)。样点布设在最小采样单元格内主导图斑的中心位置, 同时兼顾土地利用类型及样点空间分布的均匀性和代表性, 样点密度为5个/km2[11, 12]。样品采集表层土壤柱(0~20 cm), 采样时避开沟渠、田埂、路边、房屋、粪堆及微地形高低不平的无代表性地段[13]。共采集土壤样品8 278件(含重复样162件), 采样位置见图2。

图2 研究区地质简图((a), 据文献[14]修改)和采样位置(b)
1.第四系芜湖组亚砂土、粉细砂; 2.第四系下蜀组黏土、含铁锰结核黏土; 3.新近系砂岩、砾砂岩、砾岩; 4.白垩系砂砾岩、粉砂岩; 5.大别岩群变质表壳岩、变形变质侵入体; 6.燕山期中酸性侵入岩; 7.断层; 8.地质界线; 9.地名; 10.土壤样点; 11.水系Fig.2 Geological sketch ((a), modified after reference [14]) and sampling location (b) of the study area

土壤样品分析测试在安徽省地质实验研究所完成, 样品分析参照《DZ/T 0279— 2016区域地球化学样品分析方法》[15]进行。土壤样品分析测试过程采用国家一级标准物质进行质量控制, 插入768件国家一级标准物质进行精密度控制, 插入192件国家一级标准物质用于准确度控制, 一次性原始合格率均为100%。测试分析指标的准确度和精密度均符合《DZ/T 0295— 2016土地质量地球化学评价规范》[16]的要求。

3 评价方法与标准
3.1 土壤养分质量评价

研究区评价单元为二调图斑, 选择N、P、K、有机质、B、Mo、Mn、Zn、Cu、V、Se共11项指标, 依据《DZ/T 0295— 2016土地质量地球化学评价规范》[16]中的分级标准进行评价。当评价单元中有一个数据时, 该实测数据即为该评价单元的数据; 当评价单元中有2 个以上数据时, 用实测数据的平均值对评价单元进行赋值; 当评价单元中没有评价数据时, 可用插值法或属性赋值法获得每个评价单元相应的评价数据[17, 18, 19]。

依据土壤养分综合等级划分标准, 将土壤养分单指标地球化学等级划分为一等、二等、三等、四等、五等5 个等级, 并赋予相应的等级得分fi, 分别为5、4、3、2、1。在土壤养分单指标地球化学等级划分的基础上, 按下列公式计算土壤养分地球化学综合得分f养综

${{f}_{养综}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\, {{k}_{i}}{{f}_{i}}$ (1)

式中: f养综为土壤N、P、K评价总得分, 1≤ f养综≤ 5; ki为N、P、K权重系数, 分别为0.4、0.4和0.2; fi分别为土壤N、P、K的单元素等级得分[20, 21]。土壤养分综合等级划分标准见表1。

表1 土壤养分综合等级划分标准 Tab.1 Comprehensive classification criteria for soil nutrients
3.2 土壤环境质量评价

土壤环境单指标等级划分参照《GB 15618— 2018 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[22]规定的农用地土壤污染风险的筛选值和管制值, 选择Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni共8 项指标进行评价。土壤环境单指标等级的划分根据农用地土壤污染风险筛选值和管制值, 按照元素含量把区内土壤划分为一等、二等和三等[23, 24](表2)。

表2 土壤环境单指标等级划分标准 Tab.2 Classification criteria for single index of soil environment

在土壤环境单指标等级划分的基础上, 采用从严原则, 每个评价单元的土壤环境综合等级依据单个指标的土壤环境综合的最差等级划分[23], 即“ 一票否决” , 如某评价单元土壤环境质量单指标包含一等、二等和三等3个等级, 则该单元土壤环境质量综合等级为三等。

3.3 土壤质量综合等级

在土壤养分综合等级与土壤环境综合等级的基础上进行叠加, 按照分级方案(表3)评价土壤质量综合等级[23, 25]。

表3 研究区土壤质量综合等级划分标准 Tab.3 Comprehensive classification criteria for soil quality of the study area
4 结果与讨论
4.1 土壤养分地球化学评价

土壤养分可分为大量养分元素N、P、K、有机质和微量养分元素B、Mo、Co、Cu、Mn、Zn、Se。土壤养分是植物体生长发育所必需的营养物质, 也是土壤肥力的重要组成部分。土壤养分含量的高低及养分的供给能力直接影响着作物的生长发育及作物的产量[20, 26, 27]。

4.1.1 有机质及大量养分元素N、P、K

土壤中的有机质、N、P、K对土壤的组成及肥力起着重要作用, 同时也是植物生长所必需的营养物质[28, 29](表4)。有机质决定了土壤肥力的高低; N对果实的生长发育有着不可替代的作用; P对植物的光合作用有着重要影响, 同时也是生物固氮所必需的物质; K是植物体内酶的活化剂, 与植物的代谢过程密切相关, 促进了植物的光合作用。研究区土壤有机质以中等、较缺乏为主, 土壤N以中等、较缺乏为主, 土壤P以较缺乏、缺乏为主, 土壤K以丰富为主。

表4 研究区土壤大量养分指标评价结果 Tab.4 Major soil nutrient index assessment results of the study area

4.1.2 微量养分元素

微量养分元素B、Co、Cu、Mn、Mo、V、Zn是植物生长发育的必需营养元素[30], 研究区土壤养分微量元素评价结果见表5。植物中缺B会影响植物的授粉, 形成“ 有花无果” 或果实畸形等现象; Co具有促进茎、芽和胚芽鞘伸长的作用; Cu能够提高植物叶片中叶绿素的浓度, 增强光合作用; Mn是植物代谢过程中酶的活化离子, 能够促进植物的生长; Mo作为还原酶和固氮酶的成分可以参与到N的代谢过程中, 促进植物体中维生素C及含磷化合物的合成; 植物中适量的V可以促进生长, 增加作物产量并改善品质[26, 31]; Zn对人类的生长发育与作物的代谢均具有促进作用, 且能够提高作物产量。研究区土壤中B、Co、Cu以缺乏、较缺乏为主, 在区内大面积分布; 土壤Mn以丰富和较丰富为主, 空间上分布在区内的北部山地及圩区平原一带, 较缺乏和缺乏主要分布在区内的丘陵岗地一带; 土壤Mo整体表现出西部和西北部以丰富较丰富为主, 西南部和东部以中等、较缺乏和缺乏为主的特征; 土壤V以缺乏和较缺乏为主, 空间上分布在区内的山地一带; 土壤Zn以丰富和较丰富为主, 在空间上分布较散; 土壤Se以适量和边缘为主, 空间上分布在区内山地一带。

表5 研究区土壤养分微量元素评价结果 Tab.5 Soil nutrient trace elements assessment results of the study area

4.1.3 土壤养分综合等级评价

土壤养分综合等级评价结果见表6及图3, 研究区土壤养分以三等(中等)和四等(较缺乏)为主, 分布在全区范围内; 一等(丰富)和二等(较丰富)在区内西北部分布较集中; 五等(缺乏)主要分布在区内部分丘陵岗地区。

表6 研究区土壤养分综合等级评价结果 Tab.6 Comprehensive classification assessment results of soil nutrients in the study area

图3 研究区土壤养分综合等级Fig.3 Soil nutrients comprehensive classification of the study area

4.2 土壤环境评价

土壤环境指标元素是指对人体健康或生态环境造成直接或间接影响的元素, 其含量及赋存状态关系到食品安全[23, 32, 33, 34]。研究区土壤环境单指标评价结果见表7, 区内土壤环境质量好。As、Hg在区内为一等; Pb、Cr、Ni、Cu、Zn极少部分为二等, 属风险可控范围内, 除Pb有 0.05 km2 的三等区外, 全区无三等区, Pb的二等区和三等区面积分布在塔畈乡周祠村和冯冲村一带, 以及痘姆乡红星村; Cd在区内以一等为主, 少部分为二等, 分布在官庄镇东北部水贵村— 升旗村— 驼岭林场一带、痘姆乡红星村和五庙乡杨畈村— 红光村一带; 有极少部分为三等, 主要分布在痘姆乡红星村, 经走访调查该区域受到了人为工业污染。

表7 研究区土壤环境单指标评价结果 Tab.7 Assessment results of soil environment by single index in the study area

综合土壤环境单指标评价结果, 发现研究区土壤环境综合等级(图4(a), 表8)以一等为主, 二等和三等土壤分布面积较小, 在全区零星分布。

图4 研究区土壤环境综合等级(a)及土壤质量综合等级(b)Fig.4 Soil environment comprehensive classification (a) and soil quality comprehensive classification (b) of the study area

表8 研究区土壤环境综合等级评价结果 Tab.8 Comprehensive classification assessment results of soil environment in the study area
4.3 土壤质量综合评价

土壤质量综合评价是土壤养分综合评价和土壤环境综合评价的叠加反映[28, 33]。研究区土壤质量以二等和三等为主, 在区内均有分布; 一等区在区内分布较零散; 四等区范围较小, 分布在五庙乡— 水吼镇— 黄铺镇一带; 五等区面积较小, 分布在痘姆乡红星村和求知村(表9, 图4(b))。

表9 研究区土壤质量综合等级 Tab.9 Soil quality comprehensive classification of the study area
4.4 土壤硒评价

硒(Se)是人体生长发育所必需的微量元素, 可提高人体免疫功能, 刺激蛋白和抗体的产生并具有抗衰老、抗癌、解毒的功效, 缺Se会导致多种疾病的发生[35, 36]。人体内的Se主要来源于对食物的吸收, 农作物通过根系从土壤中吸收Se, 并经食物链进入人体。因此, 土壤中Se含量的高低及其形态会影响作物对Se的吸收, 并最终影响人体健康[14, 35]。研究区土壤Se以适量和边缘为主, 其中适量面积约786 km2, 占评价区总面积的55.2%, 边缘面积约488 km2, 占评价区总面积的34.3%, 全区无Se过剩土壤。区内土壤Se高含量区分布在水吼镇、槎水镇、塔畈乡和官庄镇等山区, 面积约64 km2。

4.5 土壤元素含量的分布及影响因素

对研究区的调查数据进行分析, 将研究区的土壤背景值与安徽省江淮流域多目标土壤背景值进行对比, 结果(表10)显示: As、B、Cu的浓集系数K< 0.6, 呈明显贫化的特征; Ni、Hg、Cr、Se、Mo、Cd的浓集系数0.6≤ K< 0.8, 呈略有贫化的特征; Mn、Zn、P、Pb、N的浓集系数0.8≤ K< 1.2, 与安徽省江淮流域多目标土壤背景值基本相当; K2O、有机质的浓集系数1.2≤ K< 2.0, 呈略有富集的特征。

表10 潜山市表层土壤地球化学背景值及参数 Tab.10 Geochemical background values and parameters of surface soil in Qianshan City

地质单元是形成土壤的物质基础和大多植物矿质养分元素的最初来源, 不同岩性的元素种类及含量是决定土壤元素含量的重要因素[37]。在自然界中, 不同地质单元的岩性组合及元素含量具有多样性, 导致了土壤的部分元素存在较大差异[38]。

研究区主要地质单元土壤元素含量平均值见表11。大别杂岩大理岩组合的土壤样品中Cr、Cu、Mn、Ni、V、Zn、Co和Cd等含量最高, 均为金属成矿元素, 可能是大理岩化过程中的富集作用所致, 说明大理岩组合具有较好的金属元素富集特征, 而K2O、Mo、Hg、N、有机质含量最低。相反, 第四系土壤样品的Hg、Se、N、有机质含量最高, 说明第四系具有较高的土壤发育成熟度及较高的人类活动影响程度。侏罗纪和白垩纪的中酸性侵入岩中土壤元素含量显示出相似的特征, P、K2O、Mo和Pb含量最高, 其中P和Mo的含量显著高于其他地质单元, 约为大理岩组合的两倍, 可能是中酸性侵入岩中高含量的磷灰石及中高温矿化元素富集所致。

表11 研究区主要地质单元土壤元素含量平均值 Tab.11 Average soil element content of main geological units in the study area

土壤养分主要来源于土壤中的矿物质和有机质, 其次是大气降水、坡渗水和地下水。在受人为影响的耕作土壤中, 土壤养分还来源于施肥和灌溉。土壤养分含量因土壤类型和地区而异, 主要取决于成土母质类型、有机质含量和人为因素的影响。土壤养分是作物摄取养分的重要来源之一, 在作物的养分吸收总量中占很高的比例[39]。研究区土壤养分丰富区与较丰富区主要分布在西北部山区与东南部平原区的河流两侧。西北部山区的地质单元为大别杂岩体及中酸性侵入岩, 植被类型为乔木及灌木林地, 其土壤养分富集与地质单元及土壤中的有机质含量较高有关。东南部平原区的地质单元为来源于上游山区的第四系河流冲积物, 植被类型为水稻及小麦, 其土壤养分富集一方面与上游河流冲积物富集养分元素有关, 另一方面更多地与人为多年耕种施肥有关。

研究区土壤环境元素含量总体较低, 仅有一处Cd含量超标, 经实地调查与走访, 结合地质单元综合分析, 认为其主要来源于人为污染, 与地质单元元素含量无关。

5 结论及建议
5.1 结论

(1)研究区土壤养分综合等级以中等和较缺乏为主, 占评价区总面积的88.70%, 区内土壤整体具有缺Cu, 少B、Co、V、Mn、Mo及富Zn的特点。

(2)研究区土壤环境地球化学综合质量总体较好, 一等(无风险)土壤面积比例达到96.89%, 二等(风险可控)土壤面积占比为3.06%, 三等(风险较高)土壤面积零星分布, 面积占比0.05%。

(3)研究区土壤质量综合等级以良好、中等为主, 占比分别为47.41%和41.36%, 优质土壤占比8.36%, 差等土壤占比2.82%, 劣等土壤零星分布, 仅占0.04%。

(4)研究区土壤元素含量及分布主要受地质单元、土地利用类型等因素影响, 土地利用类型由于人为因素的不确定性, 影响较为复杂多样。

5.2 建议

(1)养分元素丰缺区可增施相应的肥料, 以改善土壤的肥力状况, 提高农作物的产量和品质。

(2)建议对研究区土壤环境地球化学综合质量三等(风险较高)区开展生态效应及生态安全性调查, 对无法安全利用的耕地则禁止种植食用农产品并实施土壤污染治理工程改善土壤环境质量。

(3)依据本次评价研究结果, 建议开展测土配方, 合理施肥, 改善土壤肥力, 并调整优化基本农田规划和国土空间规划。

(4)建议对研究区土壤硒高含量区进行开发利用, 结合本地特色农产品瓜蒌子、茶叶, 发展名优特色农产品产业。

致谢: 感谢本项目实施过程中参与样品采集及样品分析的所有项目组成员, 感谢匿名审稿专家对论文提出的修改意见。

(责任编辑: 魏昊明)

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