贵州余庆耕地地球化学特征及对水稻、茶叶等农产品质量的影响

孔鹏飞，刘志臣，任光明，王虎胜，郭宇，罗永双，姜先欢

（贵州省地矿局一0 二地质大队，贵州 遵义 563003）

0 引言

耕地土壤是人类生存发展的重要物质基础，是农业生产活动中的重要资源。掌握土壤中地球化学元素、指标的空间分布特征及成因，分析其与人类生产生活的关系，可以为人类更好地利用耕地资源、与自然和谐相处提供重要的基础信息（庄卫民等，2000）。

山地地区耕地土壤主要是由成土母岩风华后形成的残坡积物，未经搬运或者搬运距离较近堆积形成，土壤中元素含量特征尤其是重金属元素，主要继承自成土母岩（李先琨等，1997；陈松等，2012）。土壤地球化学通过对土壤中各元素/指标的分布、迁移演化规律，以及不同的元素组合特征（余涛等，2018），可以揭示土壤物质来源以及演化过程（Xing et al.，1991；李家熙等，2001a，2001b；Sterckeman et al.，2004），同时可以对土壤中有益（任海利等，2012）、有害组分的含量（郑国璋，2006；任家强等，2012）、生物效能进行研究（李家熙等，1999；张星，2015），并对土壤质量进行评价（赵庆令和李清彩，2016）。

贵州省余庆县以农业为主，水稻品质优良，小叶苦丁、柑橘、桃子种植皆具一定规模，得益于研究区得天独厚的土壤条件，前人从未对研究区的耕地表层土壤地球化学特征及农产品元素特征开展过研究，一定程度制约了农业生产的科学化，该文拟在探讨土壤地球化学特征和农产品元素特征，对区内农业生产、土地规划具有一定指导意义。

1 研究区概况

贵州省余庆县地处遵义市南端，系遵义、铜仁、黔东南、黔南四州（市）的结合部，北与湄潭县，东与石阡、凤冈县，南与黄平、施秉县，西与瓮安县接壤，气候较温和，四季分明，为黔北地区农业大县，主要种植水稻、油菜、茶叶、水果、烤烟等作物。研究区地处贵州高原主体向湘西丘陵过渡地带，具有低中山、丘陵、平坝交错并存的地貌特征，地形起伏较大，海拔在400～1386 m 之间。研究区地层除泥盆系与石炭系地层缺失外，寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系出露较好，最老地层为新元古界青白口系清水江组，最新为第四系堆积物（图1）。区内坡耕地比例较大，成土母岩主要为泥岩、页岩、灰岩、白云岩，还有面积较小的第四系堆积物、砾岩、含砾砂岩。

图1 贵州余庆地区地质构造及农作物样品分布图

2 样品采集、分析测试及数据处理

2.1 样品采集

本次研究耕地表层土壤样品采集以1 ∶5 万地形图以及二调图版为底图，叠加研究区最新的高清卫片，对点位进行优化，采样点密度约为9 点/km2，采样时间为10 月至次年3 月，避开了耕作及施肥期，采样点距离主干道路100 m 以上，同时避开明显存在污染地段、垃圾堆放区域，田埂等。采样时，刨除地表含落叶杂草的腐殖层，采样坑深度稍大于20 cm，0～20 cm 连续采集土柱。每个样品由1 个主样坑、4 个子样坑内采集近似等量的土壤混匀组成，样品原始重量约为1500 g，4508 件表层土壤样品风干、敲碎后，过20 目尼龙筛后送实验室分析测试。

本次农作物选择代表性的4 种，即水稻、茶叶、小叶苦丁、桃子来评价农作元素特征。其中，水稻样品于水稻收获盛期10 月份进行采集，根据坝区内水稻种植情况，以约0.15 hm2的水田为1 个采样单元，在1 个采样单元内选取约20 株水稻，连根拔起，取稻穗混匀为1 个样品，重量约3 kg，同时抖落根部携带的土壤，混匀，取约1500 g 为根系土壤样。茶叶及小叶苦丁样品于4—5 月采集，选取采样单元内约30 株茶树，采集顶部的嫩芽和与嫩芽相邻的嫩叶，混合为1 个样品，重量约2 kg，同时采集根系土壤样。水果样品于8—10 月采集，在采样单元内选取5 棵果树，在每个果树植株的不同部位分别采集果实，混合为1 个样品。除水稻样品晒干以外、茶叶及水果样品均送鲜样到实验室分析测试。

2.2 分析测试

样品测试由贵州省地矿局中心实验室按《生态地球化学评价样品分析技术要求》执行。

不同类型样品分析测试指标不同，耕地表层土壤样品：Corg、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl，共计23项。农产品样品：As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge，共7 项。各元素测试方法及检出限见表1～2。

准确度和精密度采用国家一级标准物质进行控制，每种元素的分析准确度和精密度合格率均高于98%；每种元素报出率均高于99%。

2.3 数据处理

表层土壤样品分析测试数据进行处理与统计时，对全部分析数据采用平均值加减3 倍标准差（X±3S）的方法进行反复剔除，直至全部样本均落在（X+3S）至（X-3S）的含量区间。一般经剔除极值与奇异值的数据服从正态分布后，计算得其平均值即为区内土壤地球化学背景值。

表1 贵州余庆土壤样品各元素检出方法及检出限

表2 贵州余庆农产品样品元素分析方法及检出限

将区内表层土壤地球化学背景值与全国土壤背景值（鄢明才等，1997）作对比，得出表层土壤富集系数K1值。

同时利用“SPSS 26”、“土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护（应用）子系统”以及“化探数据处理一体化系统”，对数据进行统计分析。

3 耕地地球化学及农产品元素特征

3.1 耕地土壤地球化学指标含量特征

对研究区耕地土壤中各地球化学指标的含量特征进行统计分析，可以从宏观角度反映余庆县耕地土壤中各指标的基本情况和分布特点。变异系数大小反映的是耕地土壤中地球化学指标分布均匀程度的，是耕地土壤中各元素含量分布状态的重要参数（鲍丽然等，2015）。根据统计（表3）可知，余庆县耕地土壤中各元素/指标的变异系数大小依次为：Hg＞Mo＞Cd＞As＞I＞Cu＞Mn＞Pb＞F＞Ni＞Se＞Zn＞Co＞V＞P＞K＞Corg＞B＞Tl＞Cr＞N＞Ge=pH，其中，Hg、Mo、Cd、As、I、Cu、Mn、Pb 元素的变异系数均大于0.6，尤其是Hg 元素变异系数达到5.03，Mo、Cd 次之，分别为1.94、1.01，表明Hg、Mo、Cd 元素含量在耕地土壤中差异性较大，N、P、K、Corg、B、Tl、Cr、Ge、pH 值等元素/指标变异系数均小于40%，表明其在耕地土壤中含量差异性较轻微，其中Ge、pH 值变异系数最小，为0.19。

3.2 耕地土壤地球化学指标背景值

元素/指标含量的算术均值和背景值是反映其地球化学指标的重要参数，当元素/指标含量呈正态分布时，算术平均值和中位数在数值上是相等（近似相等）的，元素/指标含量的算术平均值与背景值的比值大小，可以反映出区域内元素/指标含量的差异性（代杰瑞等，2011；陈兴仁等，2012）。余庆县内耕地土壤中Corg、N、P、K、B、Mn、Zn、Se、Ge、I、F、pH值、As、Cr、Pb、Co、Ni、V、Tl 含量平均值和背景值差异不明显（表4），Hg、Mo、Cd、Cu 差异明显，Hg、Mo元素含量的平均值和背景值比值达到了1.56、1.54，Cd、Cu 元素次之，分别为1.29、1.27，即元素含量平均值和背景值存在一定的差异，表明Hg、Mo、Cd、Cu 含量受极端数据影响较大。

将余庆县耕地表层土壤的各地球化学指标与全国背景值相比较（表4），可知，Corg、N、P、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl 元素均高于全国背景值，K 元素略低于全国背景值。其中Corg、Hg、Cd、N、Se、B 富集系数较高，分别为全国背景值的4.19 倍、4.00 倍、3.89 倍、2.48 倍、2.30 倍、2.08 倍；F、As、Mo、Pb、Zn 在耕地表层土壤中富集系数次之，为全国背景值的1.39～1.83 倍。

3.3 农产品元素特征

通过对余庆县内主要粮食作物水稻（30 件）和特色经济作物绿茶（20 件）、小叶苦丁（22 件）、桃子（15 件）中的AS、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge 元素含量特征进行分析，得知，重金属元素AS、Cd、Cr、Hg、Pb 含量整体较低，只有水稻样品中（1 件样品）Cd 元素存在超标现象。水果类作物桃子中Hg、Se 元素含量极低，均未检出。

通过4 种作物中各元素变异系数（表4）可知，茶叶中各元素的变异系数介于0.17～0.52，数据离散性中等-较弱；小叶苦丁茶中各元素变异系数介于0.13～0.35，数据离散性较弱；桃子样品中AS、Cr、Hg、Se 元素变异系数介于0.2～0.41，由于Cd、Pb、Ge 元素在部分样品中未检出，造成其变异系数较大；水稻中AS、Cr、Se、Ge 元素变异系数介于0.34～0.77，Cd、Hg、Pb 元素在部分样品中未检出，且存在部分样品中出现异常高值，造成数据离散性较强，变异系数介于0.71～2.41。

表3 贵州余庆耕地土壤地球化学指标含量分析统计表

4 耕地土壤及农作物地球化学特征成因

4.1 耕地土壤表层土壤地球化学特征成因

利用SPSS 26 软件，对研究区内4508 件耕地表层土壤中的Corg、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl 共23 项元素/指标进行KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）检验统计量检验。经检验，KMO值为0.731＞0.5，显著水平为0＜0.05，表明本次统计的原始变量适于进行因子分析。

根据余庆县耕地表层土壤元素含量特征值的方差累计贡献率（表5），确定本次研究采用10 个主因子，10 个主因子方差累计贡献率达到83.494%，可以反映本次样本总体83.494%的信息。为了更好地揭示耕地表层土壤地球化学数据隐含的内在信息，本次研究采用方差最大旋转法对因子轴进行旋转，使因子上具有的最高载荷的变量数最少，可以使因子隐含的规律信息更加明了（陈俊坚等，2011），旋转法得到的因子载荷矩阵（表5）。

本次研究提取的10 个主因子，所表达的信息占总体信息的83.494%，可以揭示余庆县耕地表层土壤地球化学特征的主要影响因素（王雄军等，2008）。将方差极大旋转因子载荷矩阵中每列载荷大于0.5 的元素作为关联组合（表6），可以得到10组复合组合：组合1（Co、Cr、Cu、Ni、P、V、）；组合2（Corg、N）；组合3（Cd、Pb、Zn）；组合4（Mo、Se、Tl）；组合5（I、Mn）；组合6（As、K）；组合7（B、Ge）；组合8、9、10 分别为pH 值、F、Hg。经方差极大旋转后，各因子特征及其土壤成因如下。

表4 贵州余庆农产品及根系土元素含量分析统计表

（1）因子1 的方差贡献率为19.157%，对应的组合1 中Co、Cr、Cu、Ni、P、V 都具有较高的载荷值，这些养分元素及重金属元素主要来源于成土母质，研究区内三叠系下统夜郎组泥岩（表7）、寒武系牛蹄塘组中Co、Cr、Cu、Ni、P、V 元素含量均相对较高（唐佐其等，2019），成土母岩风化后形成的残坡积物在原地或短距离运移后堆积形成的耕地表层土壤，则继承了母岩中的这些元素的特征（吴蓓娟和方小红，2016）。

（2）因子2 的方差贡献率为9.626%，对应的组合2 中Corg、N 都具有较高的载荷值。Corg、N 在耕地表层土壤中的含量主要受土地利用类型以及农业生产模式的影响，水田具有较好的保水保肥能力，水稻土中Corg、N 元素含量相对较高（表7）。

（3）因子3 的方差贡献率为9.597%，组合3 中的Cd、Pb、Zn 载荷值均较高。研究区内无煤矿、铅矿开采及冶炼等人为生产活动的影响，这3 种重金属元素主要来源于成土母质，研究区内寒武系娄山关群、清虚洞组等地层的白云岩中Cd、Pb、Zn 元素含量均相对较高。

表5 贵州余庆耕地表层土壤地球化学指标R 型因子总方差

（4）因子4 的方差贡献率为9.325%，组合4 中Mo、Se、Tl 具有较高的载荷值。在研究区内寒武系牛蹄塘组黑色页岩、奥陶系页岩中Mo、Se、Tl 元素含量均相对较高，此外，在二叠系龙潭组中Se 元素含量也较高。

（5）因子5 的方差贡献率为6.918%，组合5 中I、Mn 都具有较高的载荷值。研究区内二叠系龙潭组泥岩、三叠系夜郎组泥岩中I、Mn 含量相对较高，尤其是三叠系夜郎组泥岩中Mn 含量较其他地层高，母岩中元素含量差异性对耕地表层土壤中I、Mn元素特征起决定性作用。

（6）因子6 的方差贡献率为6.880%，组合6 中As、K 为负相关关系。研究区内寒武系娄山关组白云岩中As 元素含量明显较其他地层高，而K 元素含量则较其他地层低；奥陶系桐梓-红花园组中的页岩中，K 元素含量明显较其他地层高。区内成土母岩中元素含量的差异性，是造成研究区内As、K元素特征的决定因素。

（7）因子7 的方差贡献率为6.778%，组合7 中B、Ge 均具有较高的载荷值。研究区内三叠系嘉陵江组灰岩中B、Ge 元素含量较其他地层高，同时Ge元素在青白口系清水江组砂岩、寒武系金鼎山组粉砂岩中含量也相对较高（段轶仁等，2020）。

（8）因子8 的方差贡献率为5.278%，组合8 中仅有pH 值，载荷值较高。研究区受气候的影响，雨量充沛，区内广泛分布寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系等地层，主要岩性为白云岩、灰岩、泥页岩、粉砂岩等。岩石在成土演变过程中经历了较强烈的化学和生物风化作用，同时经受了强烈的淋溶作用，母质中的钙、镁、钠、钾等碱性盐基元素大量流失、铝硅酸岩的彻底分解、SiO2的大量淋失，破坏了土壤中的酸碱平衡，使土壤呈现酸化。

表6 贵州余庆耕地表层土壤地球化学指标极大旋转因子载荷矩阵

（9）因子9 的方差贡献率为5.144%，组合9 中仅有F 元素，载荷值较高。研究区内志留系韩家店组泥页岩中F 元素含量相对较高，此外在三叠系嘉陵江组分布区局部也存在F 元素含量高值点。

（10）因子10 的方差贡献率为4.796%，组合中仅有Hg 元素，载荷值较高。研究区内青白口系清水江组、南华系南沱组的变余砂岩、砾岩中Hg 含量明显高于其他地层。且区内的龙溪镇木叶顶村曾有汞矿开采历史，也可能造成矿区周边耕地土壤Hg含量较高。

4.2 农作物质量及成因

本次调查工作共采集水稻样品30 件、茶叶样品20 件、小叶苦丁样品22 件、桃子样品15 件、柑橘样品15 件，102 件样品中只有1 件水稻样品中Cd 元素含量超标，其他农作物样品均为绿色安全农产品，同时发现4 件水稻样品中Se 元素含量达到富硒标准（Se 含量0.04～0.30 mg/kg）。

对水稻、茶叶、小叶苦丁、桃子等4 种农作物样品及其对应根系土壤样品中各元素进行统计分析，由于样品数量及分布范围的限制，农作物中As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge 元素与根系土壤中元素含量线性关系不太明显。对农作物样品及其根系土中各元素富集系数进行统计得知（表8），不同农作物对各元素的富集系数大小存在一定的差异：桃子对不同元素富集系数：Cd＞Cr＞Ge＞As＞Pb；茶叶对不同元素富集系数：Cd＞Se＞Pb＞Ge＞Hg＞As＞Cr；小叶苦丁对不同元素富集系数：Se＞Hg＞Cd＞Pb＞Ge＞As＞Cr；水稻对不同元素富集系数：Cd＞Se＞As＞Hg＞Ge＞Cr＞Pb。

表7 贵州余庆不同成土母岩耕地表层土壤地球化学指标均值统计表

水稻样品分布与余庆县北部的松烟镇、敖溪镇，土壤类型为水稻土，样品所在区域成土母岩主要为三叠系夜郎组、嘉陵江组泥岩、灰岩；茶叶样品分布于余庆县北部的松烟镇和关兴镇，土壤类型为石灰土、黄壤土，成土母岩主要为三叠系夜郎组泥岩、二叠系龙潭组的泥岩、灰岩；小叶苦丁样品分布与南部的龙溪镇和中部的花山乡，土壤类型为石灰土、黄壤土，成土母岩主要为寒武系娄山关组、清虚洞组白云岩以及金鼎山组、明心寺组粉砂质页岩等；桃子样品分布于南部的龙溪镇，土壤类型为石灰土、黄壤土，成土母岩主要为寒武系娄山关组、清虚洞组白云岩，奥陶系桐梓、红花园组白云岩、页岩。综合区内耕地表层土壤元素含量特征以及成因分析，农作物中硒元素含量特征取决于土地耕作类型以及农作物对硒元素的吸收和富集率（赵燕等，2020）；农作物中重金属元素含量特征取决于耕地表层土壤中各元素的含量、耕作类型以及农作物对元素的吸收和富集率（廖启林等，2016；刘才泽等，2020；朱丹尼等，2020）。

5 结论

（1）余庆县耕地表层土壤中Corg、N、P、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl 元素/指标均高于全国背景值，K 元素略低于全国背景值。其中Corg、Hg、Cd、N、Se、B 富集系数较高，分别为全国背景值的4.19 倍、4.00倍、3.89 倍、2.48 倍、2.30 倍、2.08 倍；F、As、Mo、Pb、Zn 在耕地表层土壤中富集系数次之，为全国背景值的1.39～1.83 倍。

（2）用R 型因子法对研究区耕地表层土壤地球化学特征的成因进行了分析，影响余庆县内耕地土壤地区化学特征的主要因素有地质背景、土壤演化过程中的自然条件、土地利用类型、工业生产活动。10 个主因子的方差累计贡献率达到83.494%，表明了余庆县耕地表层土壤的地球化学特征83.494%的形成原因。

（3）余庆县南部主要分布地层为青白口系、南华系、震旦系、寒武系、第四系，主要岩性为变余砂岩、冰碛砾岩、白云岩、页岩、粉砂岩等，该区域内耕地表层土壤中Se、Ge 等有益元素含量较好，具有发展特色农业的有利条件，但是Hg、Cd 等重金属元素在局部受地质背景和人为因素的影响，存在富集或者超标现象，建议对县内尤其是南部各乡镇土壤中Hg、Cd 等重金属元素开展检测、评价、防治工作，并对相关区域内农作物进行安全性调查和评价。

表8 不同农作物元素富集系数统计表

（4）通过对不同成土母岩分布区域内农作物中有益有害元素含量特征分析可知，余庆县主要农产品安全性、质量较好，由于水稻和茶叶样品分布区域耕地土壤中Se 元素含量较高，存在富硒水稻，小叶苦丁样品分布区域Se 含量稍低，但小叶苦丁对Se元素富集系数较高，除水果类作物外，农产品样品中Se 含量大多达到富硒标准值的一半，具有发展富硒产业的潜力。由于本次工作农作物样品数量有限，建议对农作物开展更全面的调查研究工作。

致谢本文是贵州省余庆县耕地质量地球化学调查评价成果之一。感谢贵州省耕调办专家委员会周琦研究员、任明强研究员、王砚耕研究员、冯济舟高级工程师、陈旭辉研究员、杨忠芳老师等专家的指导；感谢贵州省地矿局一0 二地质大队谯文浪、王劲松、魏泽权、刘永坤、陈登、龙宣霖、秦先进等为本文做出的贡献。