馬驍,陳智賢,林聯(lián)桂,王彪,敦妍冉

(1.河北地質(zhì)大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所,石家莊 050031;2.福建省地質(zhì)測(cè)繪院地勘分院,福州 350000 )

0 引言

土壤既是人類賴以生存的自然資源,也是與人類關(guān)系密切的環(huán)境要素[1]，查明土壤元素組成及其分布特征,對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量及污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[2-3]，已經(jīng)成為21世紀(jì)農(nóng)業(yè)地質(zhì)研究的熱點(diǎn)，這些研究成果可較好地服務(wù)于國(guó)土資源規(guī)劃利用、環(huán)境整治及生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域[4]。浦城縣經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為重，主產(chǎn)水稻，享有“閩北糧倉(cāng)”盛名 ，浦城薏米作為福建特產(chǎn)已成為中國(guó)國(guó)家地理標(biāo)志性產(chǎn)品。因此，研究浦城縣土壤元素對(duì)農(nóng)作物的影響尤為重要。以往農(nóng)業(yè)部門只對(duì)浦城縣土壤進(jìn)行了局部耕地地力調(diào)查，并未查明重金屬元素的分布，對(duì)研究區(qū)的土壤元素地球化學(xué)評(píng)價(jià)也未見報(bào)道。因此，本文基于浦城縣1∶5萬(wàn)比例尺農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查成果[5]，對(duì)土壤植物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素、重金屬環(huán)境質(zhì)量和植物生長(zhǎng)有益元素Se進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為浦城地區(qū)耕地土壤元素研究及浦城水稻和薏米等農(nóng)作物的高效種植提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

浦城縣屬福建省閩北地區(qū)，位于福建省最北端，是閩、浙、贛三省七縣結(jié)合部(圖1)。浦城縣屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，一年四季分明，由于地形復(fù)雜，區(qū)域性小，氣候差異顯著，南部比較溫?zé)?，北部比較寒冷。

地層屬華南地層區(qū)中武夷地層分區(qū)的建甌地層小區(qū)，5個(gè)地質(zhì)時(shí)期的不同巖性都有。主要巖石類型有花崗巖、片麻狀花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖、片麻巖、砂巖、頁(yè)巖及未成巖的黏土、泥砂等(圖1)。研究區(qū)大部分屬閩西北低山谷盆地紅壤、灰泥田、中山低山暗紅壤、山地黃壤和冷浸田土壤。耕地土壤的成土母質(zhì)為沖積物，坡積物和坡、沖積異元母質(zhì)。全縣土壤可分為6個(gè)土類、14個(gè)亞類、36個(gè)土屬，其中紅壤占82%，水稻土占12.9%。

1.礫巖、砂礫巖、粉砂巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、鉀長(zhǎng)流紋巖；2.凝灰質(zhì)砂礫巖、砂巖、粉砂巖、英安巖、流紋巖夾粗面巖；3.凝灰質(zhì)砂礫巖、粉砂巖、紙狀頁(yè)巖；4.砂礫巖、石英粗砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤線；5.片巖、變粒巖、千枚巖、夾變質(zhì)火山碎屑巖、熔巖；6.花崗巖、片麻狀花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖；7.片麻狀花崗巖、片麻狀二長(zhǎng)花崗巖；8.黑云石英片巖、黑云片巖、片麻巖、斜長(zhǎng)角閃石

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖
Fig.1Geologicalmapofthestudyarea

2 樣品采集與分析測(cè)試

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016進(jìn)行采樣及研究。耕層土壤樣品采集運(yùn)用多點(diǎn)組合形式實(shí)施，采樣密度為4～16個(gè)樣品/km2，取樣深度為0～20 cm，樣品質(zhì)量為1.0～1.5 kg，標(biāo)注樣品號(hào)，共采集表層土壤樣品2 987件。樣品風(fēng)干之后，用木棍碾壓，并將植物殘?bào)w、石塊等雜物剔除干凈，壓碎的土樣全部過10目標(biāo)準(zhǔn)篩。過篩后的土壤樣品稱重，然后混勻裝袋，分正負(fù)樣，質(zhì)量均為300 g。

樣品分析測(cè)試委托福建省地質(zhì)測(cè)試研究中心，按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016的要求進(jìn)行測(cè)試質(zhì)量的監(jiān)督審查和控制管理，重點(diǎn)測(cè)試有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮、速效磷、N、P、K、S、B、Mo、Mn、Cu、Pb、Se等，檢測(cè)結(jié)果均符合相關(guān)要求。

3 結(jié)果與評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量地球化學(xué)是指土壤養(yǎng)分質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤健康質(zhì)量3方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維持生物的生產(chǎn)能力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力。本次研究是參照土壤質(zhì)量?jī)?nèi)涵的這3個(gè)方面,對(duì)其表層土壤元素的豐缺性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，將表征土壤肥力的土壤養(yǎng)分元素分為植物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素和植物生長(zhǎng)有益元素。其中，植物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素按照其在植物體內(nèi)的含量高低分為必需大量元素(有機(jī)質(zhì)、N、P、K等)、必需中量元素(S、Ca、Mg)和必需微量元素(Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl)；植物生長(zhǎng)有益元素主要指Se。根據(jù)《土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)》[7]，在評(píng)價(jià)土壤營(yíng)養(yǎng)元素全量(相對(duì))豐缺狀況和供應(yīng)潛力的基礎(chǔ)上,結(jié)合各元素的速效態(tài)含量來進(jìn)一步評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤肥力的實(shí)際豐缺狀況,為更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)[8]。

3.1 植物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素

植物對(duì)氮、磷、鉀、鈣、鎂、有機(jī)質(zhì)等的吸收主要來自土壤，但這些元素在土壤中的空間分布差異較大?；诖耍瑢?duì)土壤中植物生長(zhǎng)必需大量元素進(jìn)行含量分級(jí)，其中有機(jī)質(zhì)、N、P、K及其速效態(tài)按照《全國(guó)第二次土壤普查分類標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行評(píng)價(jià)。植物生長(zhǎng)必需中量元素Ca、Mg、S及植物生長(zhǎng)必需微量元素Fe參考1990年出版的《中國(guó)土壤元素背景》[10]，以全國(guó)土壤A層背景值的25%、50%、75%和90%順序統(tǒng)計(jì)量作為土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其余植物生長(zhǎng)必需微量元素B、Mo、Cu、Zn、Mn、Cl運(yùn)用《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016中養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。另外，土壤的養(yǎng)分單元素或單指標(biāo)也依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016中養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，硼、鉬、錳、銅、鋅等土壤養(yǎng)分的等級(jí)劃分通過對(duì)全國(guó)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查的表層土壤(0～20 cm)數(shù)據(jù)分布形態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用平均值±3倍離差連續(xù)剔除異常數(shù)據(jù)，直至報(bào)價(jià)正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，然后按照20%、40%、60%、80%百分位值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，分成5個(gè)等級(jí)。

3.1.1 必需大量元素

由表1可知:有機(jī)質(zhì)豐富區(qū)占研究區(qū)面積的28.01%,適中區(qū)占研究區(qū)面積的47.24%,有機(jī)質(zhì)整體處于適中狀態(tài);N元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的16.21%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的37.20%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的36.70%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的3.27%，浦城縣耕地土壤中氮等級(jí)較好，其中，很豐富—適中等級(jí)面積占比達(dá)到了90.11%，分布面較廣；堿解氮等級(jí)分布以很豐富—豐富為主，總分布面積占比達(dá)69.37%，而缺乏—很缺乏分布面積只占9.29%，說明調(diào)查區(qū)的堿解氮含量比較理想；P元素缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的37.75%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的20.00%，磷的等級(jí)分布以缺乏—很缺乏為主；速效磷缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的20.30%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的33.80%，速效磷同樣以缺乏—很缺乏為主；K元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的56.48%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的24.38%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的14.25%，鉀的等級(jí)分布以很豐富—適中為主；速效鉀豐富區(qū)占研究區(qū)面積的17.88%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的34.53%，速效鉀的等級(jí)分布以豐富—適中為主。

表1 研究區(qū)表層土壤中植物必需大量元素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)計(jì)值Tab.1 Classification standards and statistical values of essential macro elements in the surface soil of the study area

3.1.2 必需中量元素

由于福建浦城紅壤地區(qū)鈣、鎂流失嚴(yán)重，因此對(duì)鈣、鎂的評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)福建省土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。由表2可知:CaO適中區(qū)占研究區(qū)面積的25.90%，缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的23.38%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的21.50%，鈣的等級(jí)分布以適中—很缺乏為主;MgO缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的21.64%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的28.90%，鎂的等級(jí)分布主要以缺乏—很缺乏為主;S元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的38.60%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的31.45%，適中區(qū)占研究區(qū)面積的17.81%，硫的等級(jí)分布情況主要以豐富—適中為主，總面積占比達(dá)到了87.86%。

表2 研究區(qū)表層土壤中植物必需中量元素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)計(jì)值Tab.2 Classification standards and statistical values of essential moderate elements in the surface soil of the study area

3.1.3 必需微量元素

植物對(duì)其生長(zhǎng)所需的必需微量元素的需要量很少，但是植物生長(zhǎng)必需微量元素的全量反映的是其有效量的供給能力，對(duì)合理施肥具有指導(dǎo)意義，所以對(duì)植物生長(zhǎng)必需微量元素的研究也十分重要。由表3可知：研究區(qū)Fe、B、Mn元素處于很缺乏狀態(tài)；Cu元素缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的18.25%，很缺乏區(qū)占研究區(qū)面積的51.90%，由此可見Cu的等級(jí)分布以缺乏—很缺乏為主；Mo元素很豐富區(qū)占研究區(qū)面積的45.85%，豐富區(qū)占研究區(qū)面積的16.53%，由此可見Mo的等級(jí)分布以很豐富—豐富為主；Zn、Cl 2種元素很豐富區(qū)和豐富區(qū)總面積分別占研究區(qū)面積的68.41%和65.41%，由此可見Zn和Cl元素等級(jí)分布以很豐富—豐富為主。

表3 研究區(qū)表層土壤中植物必須微量元素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)計(jì)值Tab.3 Classification standards and statistical values of essential trace elements in the surface soil of the study area

3.2 重金屬環(huán)境質(zhì)量

通過對(duì)Cu、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cr、Ni有害元素評(píng)價(jià)來判定土壤環(huán)境健康指標(biāo)，運(yùn)用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)法[11]并結(jié)合國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]GB 15618—1995，說明研究區(qū)土壤環(huán)境重金屬污染狀況。在對(duì)研究區(qū)耕地土壤單指標(biāo)等級(jí)劃分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，得出研究區(qū)耕地土壤環(huán)境地球化學(xué)質(zhì)量綜合等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果(表4)。

表4 研究區(qū)表層土壤重金屬元素等級(jí)比例Tab.4 Scale of heavy metal elements in the surface soil of the study area

由表4可知：研究區(qū)土壤中Zn、Cu、Hg、Pb、As、Cr、Ni元素在Ⅰ級(jí)土壤中的分布比例均超過95%，整體表現(xiàn)非常潔凈；Cr、As元素在Ⅲ、Ⅳ級(jí)土壤中無分布;Ni元素在Ⅳ級(jí)土壤中無分布；Cd元素在Ⅰ級(jí)土壤中的分布比例為87.47%，在Ⅱ級(jí)土壤中的分布比例為10.96%，相對(duì)其他重金屬元素來說較為富集。Zn、Cu、Pb、Cd元素在Ⅳ級(jí)土壤中的分布主要集中在永興東部，經(jīng)過實(shí)地考察核實(shí)，查明是由于銀礦廠等工礦企業(yè)導(dǎo)致的局部污染；Hg元素在Ⅳ級(jí)土壤中的分布主要集中在盤亭北部，經(jīng)過實(shí)地考察核實(shí)，查明是由于此區(qū)域有一小型化工廠，旁邊有一較大河流，小部分污水污染河流，而Hg元素富集區(qū)正處于河流拐角處沖洪積灘，所以造成汞超標(biāo)。

以上運(yùn)用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究區(qū)Ⅰ、Ⅱ級(jí)土壤分別占研究區(qū)面積的75.46%和16.05%。總體而言，浦城縣耕地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量狀況健康，土壤重金屬超標(biāo)非常低，具備了較為健康的發(fā)展綠色農(nóng)產(chǎn)品的土壤環(huán)境生態(tài)條件。但調(diào)查區(qū)內(nèi)仍分布有極小面積的污染土壤，所以在大力發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其危害性的認(rèn)識(shí)。

3.3 植物生長(zhǎng)有益元素Se

Se元素是一種稀有分散元素，在自然環(huán)境中廣泛分布，作為人和動(dòng)物必需的微量元素，適當(dāng)濃度的硒能提高動(dòng)物體的免疫功能[13]。通過對(duì)研究區(qū)植物生長(zhǎng)有益元素Se的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[6]DZ/T 0295—2016中的Se等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)浦城縣耕地土壤中Se元素含量進(jìn)行等級(jí)劃分評(píng)價(jià)(表5)。

表5 研究區(qū)表層土壤有益元素Se含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)計(jì)值Tab.5 Classification standards and statistical values of beneficial element Se in the surface soil of the study area

由表5可知，Se元素缺乏—較缺區(qū)面積占研究區(qū)面積的42.21%。經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)富硒面積為6.41 km2，分布較少。Se元素適量區(qū)主要分布鄉(xiāng)鎮(zhèn)有九牧、官路、古樓、永興和山下，另外在濠村、石陂、楓溪、水北街、臨江、蓮塘和仙陽(yáng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)也有零星分布(圖2)。

通過浦城縣耕地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)可知，富硒土壤的整體環(huán)境質(zhì)量良好，但也存在著個(gè)別富硒地方重金屬元素含量偏高的狀況。

利用SPSS軟件，剔除異常值后，做出硒與鎘的相關(guān)性分析，得出決定數(shù)R2值為0.201，具有一定的相關(guān)性。其中，在九牧鎮(zhèn)富硒地區(qū)，鎘含量同時(shí)也較高(圖3)，并達(dá)到中度污染，超出了無公害綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地的要求。因此在富硒土壤的開發(fā)與利用中，應(yīng)注意對(duì)這些有害元素的影響程度進(jìn)行鑒別，合理調(diào)整富硒農(nóng)產(chǎn)品的種植。

圖2 浦城縣表層土壤Se元素分布Fig.2 Distribution of beneficial element Se in the surface soil of Pucheng County

圖3 九牧鎮(zhèn)Se元素與Cd元素的分布區(qū)對(duì)照?qǐng)D
Fig.3ComparisonofelementSedistributionandelementCddistributioninJiumuVillage

4 結(jié)論與建議

(1)由研究區(qū)土壤肥力評(píng)價(jià)可知:植物生長(zhǎng)必需大量元素有機(jī)質(zhì)、N及堿解氮總體處于豐富—適中狀態(tài)，P總體處于適中—缺乏狀態(tài)，速效磷處于缺乏—很缺乏狀態(tài)，K及速效鉀含量豐富；植物生長(zhǎng)必需中量元素S的分布情況主要以豐富—適中為主；植物生長(zhǎng)必需微量元素Fe、B、Mn處于很缺乏狀態(tài)，Cu的分布主要以缺乏—很缺乏為主，Mo的分布主要以很豐富—豐富為主，Zn和Cl的分布主要以很豐富—豐富為主。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤普遍缺硼，而根用植物需硼量較大，所以應(yīng)適當(dāng)增加稻田的硼肥實(shí)施。另外，針對(duì)銅和鋅同時(shí)缺乏的土壤，應(yīng)按比例適當(dāng)增施銅、鋅微肥，提高大宗谷類糧食作物的產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，但在微肥施用時(shí)，應(yīng)注意銅、鋅養(yǎng)分平衡，若鋅肥過量，易誘發(fā)土壤缺銅。

(2)研究區(qū)植物生長(zhǎng)有益元素Se總體處于適量狀態(tài)，富硒土壤面積為6.41 km2。整體環(huán)境質(zhì)量良好，但富硒區(qū)個(gè)別重金屬元素含量偏高的區(qū)域應(yīng)排除在開發(fā)范圍之外。

(3)薏米作為浦城久負(fù)盛名的特色農(nóng)產(chǎn)品，建議加大力度發(fā)展薏米的種植面積，更重要的是配合富硒土壤的分布區(qū)域進(jìn)行種植，促進(jìn)富硒薏米生產(chǎn)的可能性。