贵州省镇宁县耕地土壤地球化学背景值研究

钟方德，肖 鸿，肖 晓，郄汝兵，何锡花

(贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州 贵阳 55008)

土壤是地表连接大气、水、生物和岩石等圈层的重要界面，也是人类赖以生存的生态环境(何邵麟 等，2015)。耕地土壤是人类通过耕作、施肥、灌排、土壤改良等生产活动影响、改造和自然因素综合作用形成的适应于农作物生长发育的土壤。地球化学背景值是反映耕地表层土壤地球化学背景特征的基本指标，也是耕地土壤养分、环境、质量等评价和土地开发利用、特色农场产品开发的重要依据，具有生态、环境、农业、地方病等多学科研究价值。是当前发展生态农业、特色农产品等普遍关注的热点(何邵麟 等，2004，2015；张秀芝 等，2006；成杭新 等，2014)。通过对耕地土壤背景值研究，了解其成土母质(母岩)、表生环境(土壤酸碱度、土壤类型、地形地貌等)、人类活动等对土壤元素分布的影响，了解其元素地球化学分分布特征，摸清耕地质量现状，为基本农田建设、耕地资源保护(整治)、土地资源合理利用等提供依据(鲍丽然 等，2015；庞绪贵 等，2019)。

1 研究区概况

研究区位于珠江水系与长江水系分水岭处，平均水资源总量为10.62亿立方米，水资源可利用率为31.9%，属亚热带湿润季风气候，跨南亚热带、中亚热带、北亚热带及南温带等多个气候带。气候独特，具有地域性温差较大，雨热同季，湿暖共节等特点。年平均气温15.0℃，年平均降水量1 330 mm。区内耕地多分布在山坡、沟谷及地势低洼地带，主要成因类型为残坡积物和冲洪积物，土壤类型以黄壤为主要，石灰土次之，再次为红壤，黄棕壤、棕壤、石质土、水稻土等土壤类型零星分布(图1)。

图1 镇宁县土壤类型分布图(据贵州省土壤图，1992，清绘)Fig.1 Soil Types in Zhenning county1—红壤；2—黄壤；3—黄棕壤；4—棕壤；5—石灰土；6—石质土；7—水稻土

大地构造位于都匀南北向隔槽式褶皱变形区(Ⅳ-4-2-3(1))和望谟北西向构造带(Ⅳ-4-2-2(2))之间。出露的地层有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、上白垩统及第四系。泥盆系以海相碳酸盐岩及碎屑岩为主，石炭系以海相碳酸盐岩及碎屑岩为主，二叠系以海相碳酸盐岩及海相-陆相碎屑岩为主， 早、中三叠世以海相碳酸盐岩为主，晚三叠世以陆相碎屑岩为主，上白垩统为山间盆地沉积，第四系为内陆山地多成因松散堆积。区内煤、铅锌、重晶石、建筑用砂石、制砖用页岩等矿产资源丰富。

2 研究方法

2.1 样品采集与处理

研究区拥有耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域、水利设施用地及其他用地等地类，依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)、《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》(DZ/T 0258-2014)、《地球化学普查规范(1∶50000)》(DZ/T 0011-2015)》针对区内的80.84万亩耕地(旱地、水田、水浇地、果园、茶园、其他园地)(表1)进行地球化学调查。

表1 镇宁县耕地利用现状统计表 (单位：万亩)Table 1 Statistics of cultivated land utilization in Zhenning county unit：10 000 mu

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样品充分干燥后，将风干后的样品平铺在制样板上，用木棍或塑料棍碾压，并将植物残体、石块等侵入体和新生体剔除干净，细小已断的植物须根，采用静电吸附的方法清除。将压碎的土样全部通过2 mm孔径筛，未过筛的土粒重新碾压过筛，直至全部样品通过2 mm孔径筛为止。过筛后的样品称重后混匀，采用四分法按分析样和副样分别装于纸袋和塑料瓶中，并加入内、外标签，分析样重量>200克，副样约500克。

2.2 样品制备与分析

表2 土壤样品分析配套方案Table 2 Supporting scheme for soil sample analysis

2.3 数据统计与分析

本文数据统计采用Microsoft Office Excel、Mapgis、SPSS等相结合，统计、分析耕地土壤中的23项地球化学指标数据。图件的数据处理和表达是由中国地质调查局发展研究中心《土地质量地球化学评价管理与维护(应用)子系统》及Arcgis 10.2软件联合处理完成。

3 耕地土壤地球化学背景值及特征

3.1 耕地土壤地球化学环境

3.2 耕地土壤地球化学背景值的计算方法

图2 耕地表层土壤样本中元素频率分布图Fig.2 Frequency distribution of elements in surface soil samples of cultivated land

3.3 耕地土壤地球化学背景值

通过对研究区4620件耕地表层土壤样品的有机质(SOM)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、硼(B)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、钼(Mo)、硒(Se)、锗(Ge)、碘(I)、氟(F)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、铊(Tl)等指标的分析研究，用于表达耕地土壤地球化学特征。Cd、Hg、Mo元素变异系数大，表明存在大量高含量带分布，元素分布在空间上变化明显，Ge元素变异系数小，表明其在空间上含量变化较小。部分数据变化大，与变异系数变化吻合，表明存在异常区，受人类活动(生活习惯、耕作轮次、施肥强度、采矿活动等)影响严重。耕地表层土壤中的养分元素、微量元素、微量营养元素、环境元素的含量差异共同综合构成镇宁县耕地土壤地球化学背景(表3、表4、表5、表6)

表3 镇宁县耕地土壤地球化学背景值统计Table 3 Statistics of soil geochemical background values of cultivated land in Zhenning county

表4 镇宁县不同成土母质、耕地利用类型耕地土壤地球化学背景值统计Table 4 Statistics of soil geochemical background values of cultivated land with different parent materials and cultivated land use types in Zhenning county

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表5 镇宁县不同土壤类型耕地土壤地球化学背景值统计Table 5 Statistics of soil geochemical background values of different soil types in Zhenning county

3.4 耕地土壤地球化学背景值特征

(1)N、P、K、SOM地球化学特征(图3)

图3 养分元素在不同类型耕地土壤中地球化学背景值含量图Fig.3 Eochemical background values of nutrient elements in different types of cultivated soil

N、SOM、P在碎屑岩类成土母质耕地土壤中含量较低，在石灰岩、白云岩类成土母质中农含量相似。K在不同成土母质地类耕地中含量相当。

N、SOM在旱地和园地类耕地土壤中含量相当，在水田地类耕地土壤中含量最好。P、K在不同耕地利用类型耕地土壤中含量相当。

N、P、SOM在红壤类型耕地土壤中含量最低，在其他土壤类型耕地土壤中含量相近呈波动变化。K在不同土壤类型耕地土壤中含量相当，呈波动变化。

N、P、SOM在丁旗、大山、城关、扁担山、黄果树、马厂、募役、朵卜陇、江龙、革利、本寨、沙子等乡镇耕地土壤中含量相对丰富，呈波动变化；在打帮、六马、良田、简嘎等乡镇耕地土壤中含量相对中等，呈波动变化，变化幅度小。K在各个乡镇耕地土壤中含量较丰富，呈波动变化。

耕地土壤养分含量随着土壤厚度、耕作轮次、施肥强度等增加其含量增加(莫光员 等，2020)。

(2)B、Co、Mn、Mo、V地球化学特征(图4)

图4 微量元素在不同类型耕地土壤中地球化学背景值含量图Fig.4 Geochemical background values of trace elements in different types of cultivated soil

B在白云岩类成土母质耕地土壤中含量较高。Co、Mn、Mo、V等在碎屑岩类成土母质耕地土壤中各含量较低，在碳酸盐岩类成土母质耕地土壤中含量相当。

B在水田地类耕地土壤中含量较高。Co、Mn、Mo、V等在旱地、园地类耕地土壤中各含量相当。

B在不同土壤类型耕地土壤中含量呈波动变化。Co、Mn、Mo、V等在红壤类耕地土壤中含量较低，在其他土壤类型耕地土壤中各含量相近，呈波动变化。

B在各乡镇耕地土壤中含量呈波动变化。Co、Mn、Mo、V等在丁旗、大山、城关、扁担山、黄果树、马厂、募役、朵卜陇、江龙、革利、本寨、沙子等乡镇耕地土壤中各含量相对较高，呈波动变化；在打帮、六马、良田、简嘎等耕地土壤中各含量相对较低，呈波动变化。

(3)Se、I、F、Ge地球化学特征(图5)

图5 微量营养元素在不同类型耕地土壤中地球化学背景值含量图Fig.5 Geochemical background values of micronutrients in different types of cultivated soil

F在碳酸盐岩类成土母质耕地土壤中含量相对过剩，在碎屑岩类耕地土壤中含量相对较高；Se、I、Ge在不同成土母质耕地土壤中各含量相近。

F在不同耕地利用类型耕地土壤中含量相对过剩，但在水田类耕地土壤中相对较高；I在水田类耕地土壤中含量相对较适量，在旱地和园地类土壤中相对较高；Se、Ge在不同耕地利用类型土壤中各含量相近。

F在水稻土中含量相对较高，在其他土壤类型耕地土壤中含量呈波动变化；I在石质土中含量相对较高，在其他土壤类型耕地土壤中含量呈波动变化；Se、Ge在不同耕地利用类型土壤中各含量相近。

F在大山乡耕地土壤中含量较高，在其他乡镇耕地土壤中含量呈波动变化；I在革利乡耕地土壤中含量相对较高，在其他乡镇耕地土壤中含量呈波动变化；Se在沙子乡耕地土壤中含量相对较高，在其他乡镇耕地土壤中含量呈波动变化，变化较小；Ge在丁旗镇、革利乡耕地土壤中含量相对较高，在其他乡镇耕地土壤中含量呈波动变化，变化较小。

F含量受成土母质、土壤类型和土地利用等影响，F含量在碳酸盐岩类、水田类耕地土壤中含量相对较高。

(4)As、Cd、Hg、Tl、Cu、Ni、Pb、Cr、Zn地球化学特征(图6)

图6 环境元素在不同类型耕地土壤中地球化学背景值含量图Fig.6 Geochemical background values of environmental elements in different types of cultivated soil

Tl、Hg、Pb等在白云岩类成土母质耕地土壤中各自含量相对较高；As、Cd、Cu、Ni、Cr、Zn等在碎屑岩类成土母质耕地土壤中含量相对较低。

Cd、Pb等在水田类耕地土壤中含量相对较高；As、Hg、Tl、Cu、Ni、Cr、Zn等在不同耕地利用类型中各自含量相近。

Tl、Pb含量在不同土壤类型耕地土壤中含量走势一致；Cd、Cu、Ni含量在不同土壤类型耕地土壤中含量走势一致，在红壤类耕地土壤中含量相对较低；As含量在石灰土类耕地土壤中含量相对较高；Cr、Hg 、Zn含量在不同土壤类型耕地土壤中含量走势一致，呈波动变化。

As在马厂乡耕地土壤中含量相对较高；Cd、Cu、Ni含量在各乡镇耕地土壤中含量走势一致；Tl、Pb含量在各乡镇耕地土壤中含量走势大体一致，Tl在大山乡耕地土壤中含量相对较高，Tl、Pb在募役乡耕地土壤中含量相对较低；Cr、Hg 、Zn含量在不同土壤类型耕地土壤中含量走势一致，呈波动变化。

受成土母质、土地利用、耕作方式等影响，碳酸盐岩母质类型耕地土壤环境元素含量高于碎屑岩母质类耕地土壤。

(5)与毗邻区土壤背景值比较(表7、图7)

图7 镇宁县耕地表层土壤地球化学背景值与贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值对比图Fig.7 Comparison of the geochemical background values of the surface soil of cultivated land in Zhenning county with the surface soil of Guiyang city and the urban soil of Guiyang

表7 镇宁县耕地表层土壤地球化学背景值与贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值对比统计Table 7 Comparison and statistics of surface soil geochemical background values of cultivated land in Zhenning county with surface soil and urban soil background values of Guiyang city

续表

养分元素N、P背景值均大于贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值，与人为使用N、P肥料有关；微量元素Mn、V背景值均高于贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值，B、Mo、Co背景值变化不大；微量营养元素I、F、Ge背景值均小于贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值，Se背景值介于两者之间；环境元素As、Hg、Pb、Tl背景值均小于贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值，Cd、Cu、Ni、Zn背景值介于两者之间，Cr背景值大于贵阳市表层土壤、贵阳市城市土壤背景值。

镇宁县耕地土壤地球化学背景值与中国土壤背景值相比较，其环境元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg 、Ni、Pb、Tl、Zn)背景值均高于中国土壤；与美国大陆土壤背景值相比较，其环境元素(As、Cr、Cu、Hg 、Ni、Pb、Zn)背景值均高于美国大陆土壤；与日本土壤背景相比较，其环境元素(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)背景值均高于日本土壤；与英国土壤背景值相比较，其环境元素(As、Cr、Cu、Hg 、Ni、Zn)背景值均高于英国土壤，Cd、Pb背景值均低于英国土壤(魏复盛 等，1991)。

4 结论与建议

通过对镇宁县耕地表层土壤23项元素(指标)测试数据分析研究，首次获得研究区耕地土壤地球化学背景值，为土壤质量评价、耕地资源保护(治理)、土壤改良和平衡施肥、农业种植规划、定量研究区内山地特色农业提供依据。

背景值与成土母质(母岩)、表生环境(土壤酸碱度、土壤类型、地形地貌等)、人类活动(耕作轮次，施肥强度等)密切相关，能反映耕地土壤现实环境，元素变异系数大，表明存在大量高含量带分布，元素分布在空间上变化明显。元素变异系数小，表明其在空间上含量变化较小。

研究区有益元素Se、Ge背景值较高，表明耕地土壤中Se、Ge含量范围较高(李艳 等，2020)，富Se、富Ge特色耕地资源丰富。

耕地土壤养分含量随着土壤厚度、耕作轮次、施肥强度等增加其含量增加，土壤养分丰富；碳酸盐岩母质类型耕地土壤环境元素含量普遍高于碎屑岩母质类耕地土壤。

对比其背景值，发现多数元素土壤背景值高于中国、美国大陆、日本及英国等土壤背景值；其背景值与贵阳市表层土壤和贵阳市城市土壤相比，背景值有所变化，但变化不大，表明本文获得的背景值可靠。