桓台县土壤地球化学背景值及分区特征

刁海忠，杨小三，李文全，杨伟红

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013)

0 引言

土地质量地球化学调查始于1∶25万多目标区域地球化学调查，是一项服务于国土资源管理、地方经济发展和精准扶贫的基础地质调查工作。山东省自2003年开始，前后历时15年，实现了全省陆域范围1∶25万土地质量地质调查工作全覆盖[1-2]。在此期间，开展了章丘大葱生产基地地球化学环境研究工作，工作比例尺为1∶5万[3-5]，为全省开展大比例尺土地质量调查与评价工作奠定基础。2016年，山东省安排省财政资金在全省范围内开展1∶5万土地质量地质调查与评价工作，桓台县为选中地区之一。研究区工业发达，为全国百强县市，同时作为我国江北第一个“吨粮县”，土地肥沃，研究区内土地环境质量面临污染压力。本次研究工作对数据进行统计分析，大致理清表层土壤中各元素物质来源及影响因素，为当地可持续发展提供依据。

1 研究区概况

桓台地理位置处于鲁中山区和鲁北平原的结合地带，行政区划隶属于山东省淄博市(图1)，面积509km2，总人口50.16万。区内地势南高北低，地形平坦[6]，分为南部缓岗、中部微斜平地、北部洼地3种地貌单元。研究区未见基岩出露，为第四纪松散堆积物掩盖，其下伏隐伏地层有中新生代陆相沉积和古生代海相—海陆交互相沉积岩系等。土壤类型分为褐土、潮褐土、潮土。土地利用类型主要为耕地、林地、园地、住宅用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、工矿仓储用地、公共管理及公共服务用地、其他土地等。

1—河流：2—行政区界线；3—研究区位置

2 工作方法

2.1 样品采集与分析

采集样品2803件，平均采样密度5.51点/km2。样品采集深度0～20cm，样品采集采用多点组合方法，每个分样点采样部位、采集深度、重量保持一致，采集样品时，避开新搬运的堆积土、垃圾土及明显污染的土壤。不同土地利用类型的地块分样点的数量不同，耕层土壤由4～6个子样等量混合组成1件样品，林地土壤由2～3个子样等量混合组成1件样品。样品经自然风干后，过2mm的孔径筛，缩分后正、副样各留300g，正样送往实验室，副样留存。分析测试工作由中国冶金地质总局山东局测试中心完成，分析方法以电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)、X射线荧光光谱法(XRF)为主(表1)，各分析方法质量参数符合要求，分析过程按照规范要求进行实验室外部质量、实验室内部质量控制。

表1 研究区土壤元素全量指标分析方法

外部质量控制累计插入150件外控样与样品同时分析，分别计算各元素测量值与标准值之间对数偏差的合格率(%)、相关系数(r)、双样本的方差分析(F)控制样品分析质量，质控合格率均大于99.46%；共采集重复样66件，2次采样分析结果相对双差(RD=2×|A1-A2|×100%/(A1+A2))≤30%为合格[7]，合格率均大于90%，符合要求。

2.2 背景值计算方法

土壤地球化学背景值是指自然应力和人类活动共同作用影响下(土壤的第Ⅱ环境)区域表层土壤的含量值,实际上是成土母质组成、成土过程中元素迁移重分配、人为扰动污染等各种因素长期综合作用的结果,以表层土壤地球化学调查元素含量表征[8-9]。

求取背景值时，首先采用峰度、偏度法对数据频率分布形态进行正态检验[10-11]。当数据服从正态分布或对数正态分布时，分别采用算术平均值和几何平均值为土壤背景值；若数据分布形态均不符合上述2种形态时，按照算术平均值加减3倍标准离差的方法迭代剔除数据，直至无离散值。对剔除后的数据进行正态检验，若为正态分布或对数正态分布，用算术平均值或几何平均值代表土壤背景值；若为偏态分布，以众值代表土壤背景值。计算背景值变化范围时，部分元素采用“1.5倍标准离差”，未统一采用算术平均值加减2倍标准离差或几何平均值乘除几何标准离差的平方，这是因为，有些元素若选择“2倍标准离差”背景值变化范围会超出实际样品测试的含量范围或出现负值。

3 土壤元素地球化学背景值

研究区表层土壤元素地球化学背景值参数统计见表2。

(1)研究区表层土壤背景值与淄博市土壤背景值相比，Se，I，P，N，Hg，Cd元素含量明显偏高，是淄博市土壤元素平均值的1.23～1.52倍，Se为淄博市土壤平均值的1.52倍，其余元素除有机质，Ge外与淄博市土壤元素背景值相当。

(2)研究区表层土壤背景值与山东省土壤平均值(A层)相比，Se，有机质，N，Zn，P，Hg，Cd，V，F，I元素含量明显偏高，是山东省土壤元素平均值的1.31～1.78倍，其中Se为山东省土壤平均值的1.78倍，研究区表层土壤Se含量平均值为0.38×10-6，按中酸性土壤Se含量大于0.4×10-6，碱性土壤中Se含量大于0.3×10-6[12]，划定富硒土地面积291.91km2，富硒土地连片性较好，便于开发利用，同时研究区内有益元素含量水平较高，为研究区开发名优特农产品提供了优势。

表2 表层土壤地球化学含量特征参数

(3)根据Wilding对变异系数(Coefficient of Variation,CV)的分级[13-14]，研究区表层土壤元素pH，F，K，Ge属于低度变异(CV<0.16)；B，Cr，V，Pb，Ni，Mn，N，有机质，Co，As，P，Cu，Mo，Zn，I，Cd的变异系数分别为0.18，0.18，0.19，0.2，0.2，0.2，0.22，0.22，0.22，0.22，0.26，0.27，0.28，0.3，0.33，0.35，属于中度变异(0.160.36)。说明区内I，Cd，Se，Hg元素分布不均，这种现象多是由于地形地貌及人类生产活动引起的。结合有害元素含量情况，研究区虽然面临土壤污染的压力，但绝大部分土壤为无风险等级(图2)。

1—无风险；2—风险可控；3—风险较高

4 土壤元素地球化学分区

4.1 分区依据及方法

因所处地质背景不同，成土母质在物质组成方面存在差异，这些因素导致了元素组合呈现区域性的差异[9]。土壤形成过程中元素发生迁移转化，因元素的地球化学行为存在差异性，习性相近的元素在迁移转化过程中倾向于聚集在一起。用聚类分析和因子分析进行指标组合和变量降维，根据元素分组特征和因子组合特征寻求分区信息。分区时综合考虑地形地貌、土壤类型及土地利用方式的不同。

4.2 聚类分析

通过spss软件对表层土壤元素含量数据进行R型聚类分析，根据表层土壤R型聚类分析谱系图(图3)，按距离15，将22个指标分为2个元素组合簇群及5个单元素簇。

图3 研究区表层土壤元素聚类谱系图

第一簇群为Cr，Cd，Cu，Pb，Ni，Zn，Co，V，Mn，Ge，Mo，K；第二簇群为N、有机质、Se，P，Hg；As，B，F，I，pH与其他簇群相关系数相差太大，各自独立成单元素(组分)簇。第一簇群元素组合以有害元素及微量营养元素为主，主要为铁族元素，受地质背景影响较大；第二簇群以亲生物元素为主，体现了自然背景叠加人类活动影响的组合特征；其余单元素(组分)因土地利用类型、土壤类型、地形地貌等因素造成与其他元素相关性较差，各自形成单元素(组分)簇。与因子分析相比存在一定的差异性，主要是由于因子组合特征为因子方差极大正交旋转后的分析结果。

4.3 因子分析

通过SPSS软件进行因子分析，为了降低数据特高值的影响，对原始数据进行对数转换。首先对所选数据进行相关关系检验(表3)，看是否适合做因子分析。研究区表层土壤各变量KMO值为0.903，KMO值接近1，概率P<0.001，说明变量间的相关性较强，表明选取变量适合做因子分析基于主成分模型，提取8个因子，累计方差贡献率为81.69%，较大程度地代表了原有变量蕴含的信息。为了使各因子与原始变量的相关系数有明显的差别，采用方差极大正交旋转后因子载荷矩阵(表4)，对因子分析的结果进行剖析[15-20]。

表3 KMO和Bartlett's的检验

表4 方差极大正交旋转后因子载荷矩阵

利用MapGIS软件绘制表层土壤F1，F2，F3因子得分分布图(图4、图5、图6)。

图4 研究区表层土壤F1因子得分分布图

图5 研究区表层土壤F2因子得分分布图

F1因子与V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge显著性相关，除Ni，Ge以外，其余变量元素与F1因子相关系数均大于0.70，上述元素为铁族元素为主，难以迁移，其风化物以各种次生矿物的形式固滞在母质的有限范围内，并在风化过程中易于聚集和离散。Ge元素在表生作用条件下相对稳定，也呈现倾向于残留在成土母质有限范围内的特征。K元素主要以矿物钾形式存于土壤粗粒部分，占全钾的90%左右，植物极难吸收[21-23]。虽然人类农业生产活动有钾肥的输入，同时农作物对于钾的需要量均高于氮、磷，所以人类农业生产活动对于表层土壤钾元素的影响有限，因此F1因子受控于成土母质，反映了本区表层土壤元素空间分布的主体格架主要为铁族元素等难以迁移的元素。

F2因子与有机质，N，Se，Hg，P显著相关，为亲生物元素。相关分析表明，土壤中的氮和有机质呈显著性相关(显著性水平为0.01)，相关系数为0.86。土壤中氮元素主要以有机态氮形式存在，能被植物直接吸收利用的无机态氮含量约为全氮量的5%。一般认为土壤中C/N存在平衡状态，土壤氮素含量大体上决定了有机碳的含量，土壤碳的保持在很大程度上决定于土壤氮素的水平，反过来土壤有机碳含量的高低间接反映出土壤的供氮能力[24-26]。从空间分布范围来看，因子得分高值区主要集中在马桥-荆家-田庄一带，该区域为石油开采区，硒元素的地球化学特征表明，硒元素一般富集在有机质内，黑页岩、煤、石油中含有较多的硒，这也是硒元素进入该因子的原因之一。该因子体现了在自然背景下，叠加人类活动或表生作用影响下的营养元素含量的分布特征。

图6 研究区表层土壤F3因子得分分布图

F3因子元素组合特征为：Zn，Cu，Pb，Cd，Mo(按与因子相关性由大到小排序)，上述元素组合易受人类活动影响，空间上主要分布在人口密集，为人类活动因子。表层土壤As，I，F，pH是以单一因子出现的因子，显示这些元素地球化学行为具有独立性或着元素来源不同。As异常主要分布在工业开发区周边，为工业污染因子；碘盐一般不稳定，易于分解和挥发，难于与其他元素组合形成较稳定的盐类和矿物，所以在表层土壤中呈单因子出现的主要原因。F元素在风化过程中有较高的活性，可以富集于可溶性载体中，借助水体介质迁移，表明它的迁移聚集状况受现今环境如地形、地貌等的制约。pH，B因子受控于成土母质及人类生产生活的影响。

4.4 地球化学分区

根据上述土壤地球化学分区原则及方法,全区共划分5个地球化学分区(图7),其中Ⅰ区分为南北2个区域，分别进行编号，两者特征相近，统一描述，各分区特征如下:

Ⅰ区:主要分布于研究区北部边缘及东南部,元素组合特征为V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，As；其中Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，As呈高值分布，这与该区域土地利用方式有明显的关系，研究区2个工业园区位于该区域，该区反映了在自然背景基础上，叠加人类工业、农业生产影响下的分布特点。

Ⅱ区:主要分布于马桥—田庄—荆家一带,元素组合特征为V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，有机质，N，Se，Hg，P，该组合特征主要由难以迁移元素及亲生物元素组成，其中有机质，N，Se，Hg，P等亲生物元素呈高值分布，桓台石油开采主要集中于该区域，Se元素作为有机物(煤、石油)指示元素在该区域内富集。

Ⅲ区:主要分布于起凤一带,元素组合特征V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge，F，I；其中V，Mn，Cr，K，Co，Ni，Ge呈低背景。F，I呈高背景，这种分布与该区域地形地貌有关，该区位于地势低洼处，F，I在风化过程中有较高的活性，通过可溶性载体在该区域富集。

Ⅳ区：主要分布在研究区中南部，区内元素均呈现以自然背景为主的分布特征。

Ⅴ区：主要分布索镇—唐山一带,元素组合以Zn，Cu，Pb，Cd，Mo，pH等元素高背景为特征，区域内为人口密集区，反应了人类生活对于该区域的影响。

1—分区编号；2—分区界线；3—乡镇界线

5 结论

(1)研究区土壤中大部分有益元素含量普遍高于淄博市、山东省表层土壤含量水平，其中Se元素含量水平较高，富硒土地连片性好，易于开发利用。部分有害元素高于山东省，评价结果表明区内绝大部分土地为无风险等级。研究结果对推动当地农业种植结构调整具有重要的指导意义。

(2)聚类分析及因子分析结果表明，研究区内元素空间分布的主体格架受地质背景控制，人类生产活动对元素的分布产生的影响有限。难以迁移的元素固滞在成土母质的有限范围内，易于迁移的元素受地形地貌的影响通过可溶性载体在区内低洼处富集。

(3)研究区分为5个地球化学分区，其中Ⅴ区分布在县城周边，人类活动影响较大，其余分区空间元素分布特征具有在元素自然背景基础上，叠加人类工业、农业生产影响下的特点。