昌乐县表层土壤元素地球化学组合特征研究

刘阳

(山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，山东 潍坊 261021)

土地质量地球化学调查与评价是关系千秋大业、惠及千家万户的一项重大民生工程，在实现土地质量与生态管护、保障国家粮食安全、大幅提升土地资源利用价值、显著改善民生等方面均具有重要意义。山东各地陆续开展了土地质量地球化学调查与评价工作，并取得了一些成果[1-5]。潍坊市作为全国重点蔬菜基地之一，土地质量情况直接关系到国家食品安全问题。为摸清潍坊市土地质量现状，潍坊市政府设立专项资金进行“潍坊市土地质量地球化学调查与评价”项目。昌乐土地质量地球化学调查与评价为该项目的一期工作。

1 概述

昌乐县位于山东半岛中部，面积1101km2，人口62.3万，辖4个镇、4个街道。地势南高北低，西高东低，属暖温带半湿润气候，四季分明。年平均气温12.3℃，年平均降水量为792.5mm，年平均蒸发量1912mm，日照时间历年平均为2367.9h，全年无霜期在200d左右，平均结冰期80d，冻土深度一般为30～80mm。

昌乐县地层属于华北地层区之鲁西地层分区，新太古界、新元古界、古生界及新生界均有不同程度分布，自下而上划分为新太古代泰山岩群，新元古代青白口纪—震旦纪土门群，古生代寒武纪长清群、九龙群，中生代侏罗纪—白垩纪淄博群，白垩纪莱阳群、青山群、大盛群，新生代古近纪五图群，新近纪临朐群及第四纪松散堆积物。昌乐县侵入岩较为发育，集中分布于昌乐县中南、东南部及高崖库区，以酸性岩为主，基性和中性岩多以包体或者脉状产出。形成时代为新太古代、中元古代，以新太古代侵入岩最为发育。区内火山岩较发育，主要分布于乔官镇及五图镇附近，出露的火山地层有：中生代莱阳群城山后组、青山群八亩地组、大盛群马朗沟组及新生代临朐群牛山组、尧山组。昌乐位于华北板块之鲁西隆起与胶辽隆起的结合部位，跨沂沭断裂带和鲁中隆起2个Ⅲ级构造单元。昌乐县断裂构造发育，以NE向沂沭断裂带的鄌郚-葛沟断裂为主，其次是与沂沭断裂带相交的NW向(五图断裂、凤岐官庄断裂)和NE向(乔官断裂)断裂。

昌乐县地貌有微弱切割丘陵、山间平原、山前倾斜平原。按山东省水文地质分区，北部属于鲁西北平原松散岩类水文地质区，南部属于鲁中南中低山丘陵碳酸盐类为主的水文地质区。土壤分为棕壤、褐土、粗骨土、潮土4个土类。

2 样品采集及分析测试

2.1 样品布设、采集、加工及质量评述

昌乐县土壤表层样采样点布设在1∶5万土地利用现状图上(第二次全国土地调查数据)。采样点以网格状布设，土壤样品采样密度平均为5件/km2，采样深度为0～20cm，采样时以“多点取样”的方式进行(图1)。

图1 样品布设及“多点取样”示意图

野外采集的土壤样品经自然风干，用木棍或橡皮锤碾压后全部通过2mm的尼龙孔径筛，过筛后土壤样品重量不少于500g，装瓶送样。在土壤样品采集、风干、研磨、过筛、运输和储存等各个环节中，没有接触可能造成污染的金属器皿。昌乐县共取表层土壤样点5818件(不包含重复样)，采集重复样135件。根据地球化学普查规范(DZ/T0011-2015)，重复样两次采样分析结果相对双差(RD=|A1-A2|/(A1+A2)×2×100%)≤33%为合格，要求合格率≥85%。本次重复样检验全部合格，全部大于90%。

2.2 样品分析测试

测试分析工作在山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队实验测试中心完成。样品测试质量由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所进行监控，通过密码样、监控样、标准样多种监控手段，保证了样品分析质量的可靠性。样品分析结果均合格，分析测试项目为有机质、N，P，K，B，Mo，Mn，Se，I，Ge，F，Pb，Zn，As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Co，V，pH和全盐量(表1)。

表1 昌乐县土壤元素全量样品分析项目及分析方法

3 元素组合特征

3.1 聚类分析

通过spss软件，对昌乐县表层土壤元素(指标)地球化学数据进行聚类分析，按距离15，可将23种元素(指标)分为3个元素组合簇群及9个单元素簇(图2)。

图2 昌乐县表层土壤元素聚类谱系图

第一簇群为Ni，Co，Cr，V，Mn，Cu，Zn，P组合；第二簇群为As，B组合；第三簇群为有机质，N，Se组合；其余Cd，Ge，F，pH，全盐量，I，Hg，Pb，K等元素(指标)各自形成单元素簇。

(1)第一簇群：主体元素为亲铁元素(Ni，Co，Cr，V，Mn)，它们的地球化学性质相近，这些元素与Fe共生，亲铁元素在金属相和硅酸盐相有非常高的分配系数，主要存在于基性岩、超基性岩中。它们被归为同一簇群与表层土壤的成土母质有很大的关系。

(2)第二簇群：As，B元素被划分到同一簇群，可能与土壤中黏土矿物有关。成土过程中的黏粒和铁铝氧化物，对元素积累和淋溶具有重要影响，土壤中黏土矿物对As，B及铁锰氧化物具有较强的吸附作用[6]。它们被划分到同一簇群可能与黏土矿物对它们的吸附有关。

(3)第三簇群：有机质、N都是亲生物元素，亲生物元素是生物圈中富集于腐殖质中的元素，有机质和N是腐殖质的重要组成部分。昌乐县在表层土壤中有机质和N表现出良好的相关性，其相关系数为0.82，为显著正相关。而有机质与Se的相关系数为0.55，为正相关。相关研究表明，Se可以以有机结合态被有机质快速大量的固定[7-9]，因此它们会被划分到同一簇群中。

3.2 因子分析

通过SPSS软件对昌乐县表层土壤23项元素(指标)进行数据处理，得到Bartlett球度检验和KMO检验结果(表2)。KMO值为0.874，Bartlett球度检验统计值为78772.192，在自由度为253的条件下，在0.000水平上达到显著，概率P值为0.000。如果显著性水平α为0.05，则概率P值小于显著性水平α，因此，昌乐县表层土壤地球化学数据适合作因子分析。首先计算得到相关矩阵的特征根和相应的特征向量，根据特征根百分比(方差贡献)得到累计百分比，取特征根较大且累计贡献率达80%以上的前若干因子选作主要因子[10]。

表2 Bartlett与KMO检验

昌乐县表层土壤前10个因子的累计百分比为80.496%，即用前10个因子的分布特征就基本可以代表表层土壤23项原始变量的分布特点，它们所包含的原始变量的信息为80.496%(表3)。

表3 昌乐县表层土壤特征根及因子提取结果

从昌乐县因子分析正交旋转因子载荷矩阵可知(表4)，假设以常数值0.5作为标准，取绝对值大于0.5的因子载荷，得到表层土壤元素组合特征。第1主因子代表的变量组合为Ni，Co，Cr，V，Mn，Mo，Cu，K(-)；第2主因子代表的变量组合为N，有机质，Se；其余主因子代表的变量分别为As，F，Pb，Ge，pH，I，全盐量，Hg，单元素主因子的出现，表明影响表层土壤元素原始数据结构的因素具多源性和相对独立性，可能与元素自身性质和人类活动造成的地表污染有关[5]。

使用MapGIS软件的DTM分析功能，绘制了昌乐县表层土壤F1，F2因子得分分布图(图3、图4)。

(1)表层土壤F1因子代表了Ni，Co，Cr，V，Mn，Mo，Cu，K(-)的元素组合，其方差贡献为30.268%。 Ni，Co，Cr，V，Mn等亲铁元素地球化学性质相近，它们在自然界与Fe共生。从地质背景分析，这5种元素主要存在于基性岩、超基性岩等岩浆来源较深的岩石中；从化学性质分析，这5种元素活泼性较弱，难以与氧或弱酸发生化学反应，它们在氧化、弱酸—碱性环境下，母岩风化产物较难发生迁移与转化，只能分布在母岩附近，因此F1因子与地质背景密切相关。从因子得分图可以发现(图3)，表层土壤高背景区主要分布在乔官镇中部和西部、五图街道中部及鄌郚镇西北部，与新近纪临朐群尧山组、牛山组分布位置相同，可能与临朐群玄武岩有关[11]。总的来说，影响土壤中这类元素区域分布特点的主导因素是地质背景，与它们的成土母质来源有密切关系，可以认为F1因子代表了成土母质与母岩[12]。

(2)表层土壤F2因子代表了N、有机质、Se元素组合，方差贡献率为12.863%，有机质和N是腐殖质的重要组成元素，表层土壤中N元素与有机质之间具有显著正相关关系，相关系数为0.82。腐殖质在高硒表生环境硒生物地球化学循环过程中扮演着重要的源汇双重角色[13]，Se元素被划入F2因子可能是因为表层土壤中含有较多的腐殖质有关。

表4 昌乐县因子分析正交旋转因子载荷矩阵

图3 昌乐县表层土壤F1因子得分等值线图

从因子得分图看(图4)，表层土壤中有机质和N元素含量分布较广泛，但主要分布在昌乐县的中部和北部等农业发达地区。可能与该地区表层土壤含有较多腐殖质及人类农业生产活动有关，受自然因素和人类活动双重影响。

图4 昌乐县表层土壤F2因子得分等值线图

4 结论

(1)通过聚类分析，将昌乐县23种元素划分为3个元素组合簇群和9个单元素簇，第一簇群主要受地质背景的影响；第二簇群主要受黏土矿物的影响；第三簇群主要与自然因素及人类农业生产活动有关。

(2)通过因子分析，用10个因子就基本可以代表原来23种元素(指标)的分布特征，进一步证实了Ni，Co，Cr，V，Mn等亲铁元素与地质背景密切相关；有机质，N，Se则与自然因素及人类农业生产活动有关。

(3)综合分析认为，昌乐县表层土壤元素分布主要与地质背景、元素自身性质和人类农业生产活动有关，为地方政府决策施政提供了基础地球化学资料和科学依据。