福建浦城县耕地土壤元素地球化学评价

马骁,陈智贤,林联桂,王彪,敦妍冉

(1.河北地质大学资源与环境工程研究所,石家庄 050031;2.福建省地质测绘院地勘分院,福州 350000 )

0 引言

土壤既是人类赖以生存的自然资源,也是与人类关系密切的环境要素[1]，查明土壤元素组成及其分布特征,对土壤环境质量及污染程度进行评价[2-3]，已经成为21世纪农业地质研究的热点，这些研究成果可较好地服务于国土资源规划利用、环境整治及生态保护等领域[4]。浦城县经济以农业为重，主产水稻，享有“闽北粮仓”盛名 ，浦城薏米作为福建特产已成为中国国家地理标志性产品。因此，研究浦城县土壤元素对农作物的影响尤为重要。以往农业部门只对浦城县土壤进行了局部耕地地力调查，并未查明重金属元素的分布，对研究区的土壤元素地球化学评价也未见报道。因此，本文基于浦城县1∶5万比例尺农业地质调查成果[5]，对土壤植物生长必需营养元素、重金属环境质量和植物生长有益元素Se进行了评价，为浦城地区耕地土壤元素研究及浦城水稻和薏米等农作物的高效种植提供了科学依据。

1 研究区概况

浦城县属福建省闽北地区，位于福建省最北端，是闽、浙、赣三省七县结合部(图1)。浦城县属中亚热带季风湿润气候区，一年四季分明，由于地形复杂，区域性小，气候差异显著，南部比较温热，北部比较寒冷。

地层属华南地层区中武夷地层分区的建瓯地层小区，5个地质时期的不同岩性都有。主要岩石类型有花岗岩、片麻状花岗岩、二长花岗岩、片麻岩、砂岩、页岩及未成岩的黏土、泥砂等(图1)。研究区大部分属闽西北低山谷盆地红壤、灰泥田、中山低山暗红壤、山地黄壤和冷浸田土壤。耕地土壤的成土母质为冲积物，坡积物和坡、冲积异元母质。全县土壤可分为6个土类、14个亚类、36个土属，其中红壤占82%，水稻土占12.9%。

1.砾岩、砂砾岩、粉砂岩、熔结凝灰岩、钾长流纹岩；2.凝灰质砂砾岩、砂岩、粉砂岩、英安岩、流纹岩夹粗面岩；3.凝灰质砂砾岩、粉砂岩、纸状页岩；4.砂砾岩、石英粗砂岩、粉砂岩、泥岩夹煤线；5.片岩、变粒岩、千枚岩、夹变质火山碎屑岩、熔岩；6.花岗岩、片麻状花岗岩、二长花岗岩；7.片麻状花岗岩、片麻状二长花岗岩；8.黑云石英片岩、黑云片岩、片麻岩、斜长角闪石

图1 研究区地质简图
Fig.1Geologicalmapofthestudyarea

2 样品采集与分析测试

依据《土地质量地球化学评价规范》[6]DZ/T 0295—2016进行采样及研究。耕层土壤样品采集运用多点组合形式实施，采样密度为4～16个样品/km2，取样深度为0～20 cm，样品质量为1.0～1.5 kg，标注样品号，共采集表层土壤样品2 987件。样品风干之后，用木棍碾压，并将植物残体、石块等杂物剔除干净，压碎的土样全部过10目标准筛。过筛后的土壤样品称重，然后混匀装袋，分正负样，质量均为300 g。

样品分析测试委托福建省地质测试研究中心，按照《土地质量地球化学评价规范》[6]DZ/T 0295—2016的要求进行测试质量的监督审查和控制管理，重点测试有机质、速效钾、碱解氮、速效磷、N、P、K、S、B、Mo、Mn、Cu、Pb、Se等，检测结果均符合相关要求。

3 结果与评价

土壤质量地球化学是指土壤养分质量、土壤环境质量和土壤健康质量3方面的综合量度，即土壤在生态系统范围内维持生物的生产能力、保护环境质量及促进动植物健康的能力。本次研究是参照土壤质量内涵的这3个方面,对其表层土壤元素的丰缺性进行评价。

根据植物正常生长发育所必需的营养元素，将表征土壤肥力的土壤养分元素分为植物生长必需营养元素和植物生长有益元素。其中，植物生长必需营养元素按照其在植物体内的含量高低分为必需大量元素(有机质、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)；植物生长有益元素主要指Se。根据《土壤养分丰缺指标》[7]，在评价土壤营养元素全量(相对)丰缺状况和供应潜力的基础上,结合各元素的速效态含量来进一步评价研究区土壤肥力的实际丰缺状况,为更好地指导农业生产提供科学依据[8]。

3.1 植物生长必需营养元素

植物对氮、磷、钾、钙、镁、有机质等的吸收主要来自土壤，但这些元素在土壤中的空间分布差异较大。基于此，对土壤中植物生长必需大量元素进行含量分级，其中有机质、N、P、K及其速效态按照《全国第二次土壤普查分类标准》[9]进行评价。植物生长必需中量元素Ca、Mg、S及植物生长必需微量元素Fe参考1990年出版的《中国土壤元素背景》[10]，以全国土壤A层背景值的25%、50%、75%和90%顺序统计量作为土壤分级标准。其余植物生长必需微量元素B、Mo、Cu、Zn、Mn、Cl运用《土地质量地球化学评价规范》[6]DZ/T 0295—2016中养分分级标准进行分级评价。另外，土壤的养分单元素或单指标也依据《土地质量地球化学评价规范》[6]DZ/T 0295—2016中养分分级标准进行评价，硼、钼、锰、铜、锌等土壤养分的等级划分通过对全国多目标地球化学调查的表层土壤(0～20 cm)数据分布形态进行检验，对不服从正态分布或对数正态分布的数据，采用平均值±3倍离差连续剔除异常数据，直至报价正态分布或对数正态分布，然后按照20%、40%、60%、80%百分位值进行适当调整，分成5个等级。

3.1.1 必需大量元素

由表1可知:有机质丰富区占研究区面积的28.01%,适中区占研究区面积的47.24%,有机质整体处于适中状态;N元素很丰富区占研究区面积的16.21%，丰富区占研究区面积的37.20%，适中区占研究区面积的36.70%，很缺乏区占研究区面积的3.27%，浦城县耕地土壤中氮等级较好，其中，很丰富—适中等级面积占比达到了90.11%，分布面较广；碱解氮等级分布以很丰富—丰富为主，总分布面积占比达69.37%，而缺乏—很缺乏分布面积只占9.29%，说明调查区的碱解氮含量比较理想；P元素缺乏区占研究区面积的37.75%，很缺乏区占研究区面积的20.00%，磷的等级分布以缺乏—很缺乏为主；速效磷缺乏区占研究区面积的20.30%，很缺乏区占研究区面积的33.80%，速效磷同样以缺乏—很缺乏为主；K元素很丰富区占研究区面积的56.48%，丰富区占研究区面积的24.38%，适中区占研究区面积的14.25%，钾的等级分布以很丰富—适中为主；速效钾丰富区占研究区面积的17.88%，适中区占研究区面积的34.53%，速效钾的等级分布以丰富—适中为主。

表1 研究区表层土壤中植物必需大量元素含量分级标准及统计值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

由于福建浦城红壤地区钙、镁流失严重，因此对钙、镁的评价应根据福建省土壤养分等级划分标准执行。由表2可知:CaO适中区占研究区面积的25.90%，缺乏区占研究区面积的23.38%，很缺乏区占研究区面积的21.50%，钙的等级分布以适中—很缺乏为主;MgO缺乏区占研究区面积的21.64%，很缺乏区占研究区面积的28.90%，镁的等级分布主要以缺乏—很缺乏为主;S元素很丰富区占研究区面积的38.60%，丰富区占研究区面积的31.45%，适中区占研究区面积的17.81%，硫的等级分布情况主要以丰富—适中为主，总面积占比达到了87.86%。

表2 研究区表层土壤中植物必需中量元素含量分级标准及统计值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

植物对其生长所需的必需微量元素的需要量很少，但是植物生长必需微量元素的全量反映的是其有效量的供给能力，对合理施肥具有指导意义，所以对植物生长必需微量元素的研究也十分重要。由表3可知：研究区Fe、B、Mn元素处于很缺乏状态；Cu元素缺乏区占研究区面积的18.25%，很缺乏区占研究区面积的51.90%，由此可见Cu的等级分布以缺乏—很缺乏为主；Mo元素很丰富区占研究区面积的45.85%，丰富区占研究区面积的16.53%，由此可见Mo的等级分布以很丰富—丰富为主；Zn、Cl 2种元素很丰富区和丰富区总面积分别占研究区面积的68.41%和65.41%，由此可见Zn和Cl元素等级分布以很丰富—丰富为主。

表3 研究区表层土壤中植物必须微量元素含量分级标准及统计值Tab.3 Classification standards and statistical values of essential trace elements in the surface soil of the study area

3.2 重金属环境质量

通过对Cu、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cr、Ni有害元素评价来判定土壤环境健康指标，运用单因子污染指数和内梅罗综合污染评价法[11]并结合国家《土壤环境质量标准》[12]GB 15618—1995，说明研究区土壤环境重金属污染状况。在对研究区耕地土壤单指标等级划分结果进行统计分析后，得出研究区耕地土壤环境地球化学质量综合等级评价结果(表4)。

表4 研究区表层土壤重金属元素等级比例Tab.4 Scale of heavy metal elements in the surface soil of the study area

由表4可知：研究区土壤中Zn、Cu、Hg、Pb、As、Cr、Ni元素在Ⅰ级土壤中的分布比例均超过95%，整体表现非常洁净；Cr、As元素在Ⅲ、Ⅳ级土壤中无分布;Ni元素在Ⅳ级土壤中无分布；Cd元素在Ⅰ级土壤中的分布比例为87.47%，在Ⅱ级土壤中的分布比例为10.96%，相对其他重金属元素来说较为富集。Zn、Cu、Pb、Cd元素在Ⅳ级土壤中的分布主要集中在永兴东部，经过实地考察核实，查明是由于银矿厂等工矿企业导致的局部污染；Hg元素在Ⅳ级土壤中的分布主要集中在盘亭北部，经过实地考察核实，查明是由于此区域有一小型化工厂，旁边有一较大河流，小部分污水污染河流，而Hg元素富集区正处于河流拐角处冲洪积滩，所以造成汞超标。

以上运用内梅罗综合污染指数法进行评价，研究区Ⅰ、Ⅱ级土壤分别占研究区面积的75.46%和16.05%。总体而言，浦城县耕地土壤重金属环境质量状况健康，土壤重金属超标非常低，具备了较为健康的发展绿色农产品的土壤环境生态条件。但调查区内仍分布有极小面积的污染土壤，所以在大力发展农业经济的同时，应加强对其危害性的认识。

3.3 植物生长有益元素Se

Se元素是一种稀有分散元素，在自然环境中广泛分布，作为人和动物必需的微量元素，适当浓度的硒能提高动物体的免疫功能[13]。通过对研究区植物生长有益元素Se的数据统计，根据《土地质量地球化学评价规范》[6]DZ/T 0295—2016中的Se等级划分标准，对浦城县耕地土壤中Se元素含量进行等级划分评价(表5)。

表5 研究区表层土壤有益元素Se含量分级标准及统计值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—较缺区面积占研究区面积的42.21%。经计算，研究区富硒面积为6.41 km2，分布较少。Se元素适量区主要分布乡镇有九牧、官路、古楼、永兴和山下，另外在濠村、石陂、枫溪、水北街、临江、莲塘和仙阳等乡镇也有零星分布(图2)。

通过浦城县耕地土壤环境质量评价可知，富硒土壤的整体环境质量良好，但也存在着个别富硒地方重金属元素含量偏高的状况。

利用SPSS软件，剔除异常值后，做出硒与镉的相关性分析，得出决定数R2值为0.201，具有一定的相关性。其中，在九牧镇富硒地区，镉含量同时也较高(图3)，并达到中度污染，超出了无公害绿色农产品生产基地的要求。因此在富硒土壤的开发与利用中，应注意对这些有害元素的影响程度进行鉴别，合理调整富硒农产品的种植。

图2 浦城县表层土壤Se元素分布Fig.2 Distribution of beneficial element Se in the surface soil of Pucheng County

图3 九牧镇Se元素与Cd元素的分布区对照图
Fig.3ComparisonofelementSedistributionandelementCddistributioninJiumuVillage

4 结论与建议

(1)由研究区土壤肥力评价可知:植物生长必需大量元素有机质、N及碱解氮总体处于丰富—适中状态，P总体处于适中—缺乏状态，速效磷处于缺乏—很缺乏状态，K及速效钾含量丰富；植物生长必需中量元素S的分布情况主要以丰富—适中为主；植物生长必需微量元素Fe、B、Mn处于很缺乏状态，Cu的分布主要以缺乏—很缺乏为主，Mo的分布主要以很丰富—丰富为主，Zn和Cl的分布主要以很丰富—丰富为主。评价结果显示，研究区土壤普遍缺硼，而根用植物需硼量较大，所以应适当增加稻田的硼肥实施。另外，针对铜和锌同时缺乏的土壤，应按比例适当增施铜、锌微肥，提高大宗谷类粮食作物的产量，改善农产品品质，但在微肥施用时，应注意铜、锌养分平衡，若锌肥过量，易诱发土壤缺铜。

(2)研究区植物生长有益元素Se总体处于适量状态，富硒土壤面积为6.41 km2。整体环境质量良好，但富硒区个别重金属元素含量偏高的区域应排除在开发范围之外。

(3)薏米作为浦城久负盛名的特色农产品，建议加大力度发展薏米的种植面积，更重要的是配合富硒土壤的分布区域进行种植，促进富硒薏米生产的可能性。