湖北省屈家岭管理区土壤质量地球化学等级划分及应用建议

王 宇， 阮业东， 刘冬勤， 杨伟卫， 闫 芳， 刘孟合

(湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100)

土壤作为土地的重要载体,是不可缺少、难以再生的自然资源,土壤的质量直接影响到人类的生产、生活和发展[1]。随着工业化、城市化进程的深入,中国土壤环境污染不断加剧,土壤环境质量不断降低,人口、资源、环境之间的矛盾日趋尖锐,极大地限制了经济社会高质量发展。据统计,因上述问题造成的土壤退化总面积约460万km2,占中国土地总面积的40%,占全球土壤退化总面积的1/4[2]。因此,土壤质量研究已经成为发展可持续农业和现代农业的重要前提和基础性工作[3-4]。

屈家岭管理区是“中国农谷”建设的核心区，土地总面积为223.33 km2,其中农用地173.58 km2,占土地总面积的77.72%。该区土壤质量直接关系到农作物的产量和品质,因此亟待开展土壤质量地球化学评价。本文以屈家岭管理区1∶5万土壤地球化学调查数据为基础,选取土壤中养分元素、环境元素、健康元素开展土壤质量地球化学评价,并进行土壤质量地球化学综合等级划分,以期为当地土地利用规划、优质农业土地资源发掘与开发、生态环境治理等工作提供科学依据和技术支撑。

1 研究区概况

屈家岭管理区地处湖北省荆门市东南部,背靠大洪山麓,面向江汉平原，地理坐标为：东经112°47′～112°58′，北纬30°42′～31°05′。该区为南方与北方气候过渡地带,属亚热带季风气候。温暖多雨,年平均气温为16.3 ℃;寒冷期短,无霜期长,全年无霜期一般为251 d左右;年平均降雨量为1 112.4 mm,年平均降雨日为119.8 d;年平均日照时数为1 873.2 h,全年蒸发量为1 339.2 mm左右;年相对湿度为77%,六七月间梅雨季节空气湿度最大。夏季多东南风,冬季多西北风,年平均风速2.4 m/s。

研究区总体呈NW向展布的狭长地带，地势东北高西南低,东北部为丘陵和低山,海拔高程一般为+100 m左右;西南部为冲积平原,海拔高程一般为+32～+37 m。低丘坡岗地土壤类型多为地带性黄棕壤,成土母质主要为第四纪粘土,以人工熟化土壤—水稻土为主,黄泥田次之。平原土壤为近代河流冲积母质发育的成潮土(灰潮土亚类),土种主要为砂土型和壤土型灰潮土。区内自然植被主要有阔叶林、竹林、灌丛、藤本、草本五种类型,主要农作物类型为粮食作物(水稻、大麦、蚕豆、大豆、玉米、高粱、红苕)和经济作物(棉花、油菜、花生、芝麻、绿豆)。

2 样品的采集与测试

2.1 样品采集与处理

在整个研究区采集1∶5万土壤地球化学测量样品1 801件(包含35件重复样),全区平均采样密度为7.92点/km2。采样深度除1∶1万果园采集毛根区为0～60 cm外,其它土地利用类型均为0～20 cm。在20～50 m范围内采取5点组合采样,沿“S”形、“X”形或棋盘形采集子样,样品总重量为1 000～1 500 g。对于湿样均在样袋外套塑料袋以免相互污染。

土壤样品在当天核对登记后,置于干净整洁的通风场地并悬挂在样品架上自然风干。将风干后的样品平铺在制样板上,用木棍或塑料棍碾压,除去植物残体、石块等杂物后过2 mm(10目)孔径的尼龙筛,将未过筛的土粒重新碾压过筛,直至样品全部过筛为止。将过筛后的土壤样品称重后混匀,一部分样品用纸袋盛装，送实验室分析；副样(质量不低于300 g)装入干净塑料瓶,送样品库保存。

2.2 检测项目与分析方法

样品检测由湖北省地质实验测试中心和湖北省地质局第六地质大队实验室完成。检测项目为：Al、As、B、Ca、Cd、Cl、Co、Corg、Cr、Cu、F、Fe、Ge、Hg、I、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Ni、P、Pb、pH、S、Se、Si、V、Zn等,共30项。测试采用X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法,结合原子荧光光谱法、离子选择电极法和容量法等专项分析方法,各元素检出限均能满足规范要求，各检测项目的数据报出率、准确度合格率、精密度合格率及内检合格率均为100%,符合规范要求[5]。

3 土壤质量地球化学等级划分依据

3.1 评价单元

以土地利用现状图斑作为最小等级评价单元,当评价单元中有一个评价数据时,该实测数据即为该评价单元的数据；当评价单元中没有评价数据时,采用距离加权反比插值法获得每个评价单元相应的评价数据。

3.2 单指标评价标准及方法

3.2.1单指标评价标准

土壤pH、土壤健康元素Se、I、F和土壤养分元素N、P、K、Corg、CaO、MgO、Fe2O3、Co、V、Ge、B、Mo、Mn、S、Cu、Zn的地球化学等级划分指标参照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[6]所列国家标准值,土壤养分元素Na2O、SiO2、Al2O3、Cl的地球化学等级划分指标依据湖北省多目标区域地球化学调查样品分析测试数据的20%、40%、60%和80%分别取近似值作为湖北省标准值。土壤环境元素As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb的地球化学等级划分标准参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[7]。

3.2.2单指标评价方法

土壤养分元素、健康元素及土壤pH的单指标地球化学等级划分是以上述分级指标为标准，直接对土壤养分元素含量值、健康元素含量值及pH值进行等级划分。当评价单元内某一元素含量值或pH值处于某一分级标准范围内时,即认为该评价单元为相应的等级。土壤养分元素、健康元素地球化学等级中的一等、二等、三等、四等、五等对应的含义分别为丰富、较丰富、中等、较缺乏和缺乏。

土壤环境元素单指标地球化学等级划分采用污染指数法，污染指数计算公式为：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi为i指标污染指数;Ci为i指标的实测值,单位为mg/kg;Si为i指标的评价标准值,单位为mg/kg。

计算出单指标污染指数后,按照土壤环境地球化学等级划分界限值,进行土壤环境地球化学单指标等级划分(表1)。

表1 土壤环境地球化学等级划分表Table 1 Geochemical classification table of soil environment

3.3 综合评价标准及方法

3.3.1土壤养分地球化学综合等级划分标准及方法

土壤养分地球化学综合等级划分是在N、P、K单指标地球化学等级划分基础上,计算得到养分元素地球化学综合得分f养综。计算公式为：

(2)

式中:f养综为N、P、K综合评价总得分;ki为N、P、K权重系数,分别为0.4、0.4和0.2;fi分别为N、P、K单指标评价等级得分,单指标评价等级中的五等、四等、三等、二等、一等所对应的fi分别为1分、2分、3分、4分、5分。土壤养分地球化学综合等级划分要求见表2。

表2 土壤养分地球化学综合等级划分表Table 2 Comprehensive classification of soil nutrient geochemistry

3.3.2土壤环境地球化学综合等级划分标准及方法

在土壤单指标环境地球化学等级划分基础上,视单指标划分出的最差环境等级等同于该评价单元的土壤环境地球化学综合等级。如As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Ni、Zn划分出的环境地球化学等级分别为四等、二等、三等、二等、二等、三等、二等和二等,则该评价单元的土壤环境地球化学综合等级为四等。

3.3.3土壤质量地球化学综合等级划分标准及方法

土壤质量地球化学综合等级由评价单元的土壤养分地球化学综合等级与土壤环境地球化学综合等级叠加产生。土壤质量地球化学综合等级的表达图示见表3。

表3 土壤质量地球化学综合等级划分表Table 3 Diagram and meaning of comprehensive evaluationgrade of soil geochemical quality

4 土壤质量地球化学等级

4.1 土壤养分元素地球化学等级

土壤养分是评价土壤肥力的重要标志,能供应和协调植物生长的营养与环境条件,对土地的可持续利用具有重要作用[8]。利用“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”软件对各元素等级图斑进行面积统计(表4,图1)。结果表明,研究区土壤V、Co含量最为丰富,较丰富—丰富等级面积占比超过93.48%;Fe2O3、SiO2、B、Mn、Mo、Ge、Cu等元素丰富,较丰富—丰富等级面积占比均>75.43%;Corg、Na2O缺乏,较缺乏—缺乏等级面积占比达74%以上;P、CaO、MgO、S、Cl、Al2O3、Zn较为缺乏,较缺乏—缺乏等级面积占比为30.02%～72.47%;N、K2O含量适中,中等级别面积占比为57.87%～64.56%。

图1 土壤养分元素等级面积比例对比图Fig.1 Comparison chart of soil nutrient element grade area ratio

表4 土壤养分元素丰缺等级面积统计表Table 4 Statistical table of abundance and deficiency grade area of soil nutrient elements

4.2 土壤环境元素地球化学等级

土壤重金属不仅会影响农作物的产量及品质,还会随着环境变化发生迁移并进入生物链危害人体健康[9-11]。对各环境元素含量等级图斑进行面积统计(表5,图2)。结果表明,研究区土壤环境元素质量状况非常好,各元素清洁区面积所占比例均在99%以上。As、Cd、Cr、Hg、Ni仅存在极小面积的轻微及以下程度污染，这些污染主要分布于郭湾生产队和鸦谷山生产队等基岩出露区,成土母质主要为二叠系茅口组灰岩,土壤一般呈中性—弱酸性。

图2 土壤环境元素污染等级面积比例对比图Fig.2 Area chart of soil environmental element pollution grade

表5 土壤环境元素污染程度面积统计表Table 5 Area statistical table of soil environmental element pollution degree

4.3 土壤健康元素地球化学等级

土壤健康元素地球化学评价结果见表6。评价区土壤健康元素含量普遍较高,Se含量为适量、高含量、极高含量的面积占比分别为94.94%、3.16%、0.02%，合计为98.12%；I含量为适量、高含量的面积分别占63.54%、4.92%，合计为68.46%；F含量为适量、高含量、极高含量的面积分别占19.95%、38.90%、5.38%，合计为64.23%。

表6 土壤健康元素质量等级面积统计表Table 6 Area statistical table of soil health element quality grade

随着全国土地普查的深入开展,富Ge土壤及农作物得到了众多专家学者的关注。Ge是生命的必需元素,能提高人体细胞的供养能力,具有杀菌、消炎、抑制肿瘤恶化、治疗老年痴呆、延缓衰老等作用[12]。本次对土壤Ge进行了等级划分,发现区内富Ge土壤(Ge≥1.4 mg/kg)面积为189.60 km2,占全区面积的84.90%。

4.4 土壤pH地球化学等级

通过对研究区土壤pH地球化学进行评价(表7),发现区内以酸性土壤为主(面积占57.29%),其次为碱性土壤(面积占27.30%),中性土壤面积仅占15.41%。

表7 土壤酸碱度面积统计表Table 7 Area statistical table of soil pH

5 土壤质量地球化学综合等级

5.1 土壤养分地球化学综合等级

土壤养分地球化学综合等级划分结果见表8和图3。研究区土壤养分地球化学综合等级以中等为主,该等级面积为109.58 km2，占研究区面积的49.07%；较缺乏等级次之，该等级面积为76.31 km2，占比34.17%；再次为较丰富等级，面积为33.07 km2,占比14.81%；丰富、缺乏等级面积较小。土壤养分元素较缺乏区和缺乏区主要分布于研究区东北部梭墩、赵坡、郭湾、鸦谷山、龙潭、姜畈等生产队,在其它地区零星分布。

表8 土壤养分地球化学综合等级面积统计表Table 8 Area statistical table of soil nutrient geochemistry comprehensive grade

图3 土壤养分地球化学综合等级图Fig.3 Area chart of soil nutrient elements comprehensive grade

5.2 土壤环境地球化学综合等级

土壤环境地球化学综合等级划分结果见表9和图4。研究区土壤环境质量以清洁为主,清洁区面积占比98.90%，几乎分布于整个研究区。轻度污染区面积为0.36 km2,中度污染区面积为0.06 km2,二者仅占总面积的0.18%,分布于鸦谷山和郭湾生产队一带的基岩出露区。

图4 土壤环境地球化学综合等级图Fig.4 Area chart of soil environment comprehensive grade

表9 土壤环境地球化学综合等级面积统计表Table 9 Area statistical table of soil environment geochemical comprehensive grade

5.3 土壤质量地球化学综合等级

土壤质量地球化学综合等级划分结果见表10和图5。研究区土壤质量以良好(二等)为主,面积为108.85 km2,所占比例为48.74%；其次为中等(三等),面积和比例分别为76.85 km2和34.41%；优质(一等)地面积为33.06 km2,所占比例为14.80%；差等—劣等土壤很少，其面积仅占总面积的2.05%。在空间分布上,土壤质量地球化学综合等级分布特征与土壤养分综合等级相似。

图5 土壤质量地球化学综合等级图Fig.5 Area chart of soil quality comprehensive grade

表10 土壤质量地球化学综合等级面积统计表Table 10 Area statistical table of soil quality geochemical comprehensive grade

6 应用建议

6.1 永久性基本农田划定调整建议

建议以本次调查的土壤质量地球化学综合等级划分结果为基础,结合屈家岭管理区土地利用总体规划,对该区永久基本农田进行重新规划调整。具体建议如下：

(1) 将土壤质量达到三等以上、未划入永久基本农田区的耕地作为新增基本农田区。按此建议，需保留的永久基本农田为83.09 km2,占研究区耕地面积的64.20%；需调入的永久基本农田为45.47 km2,占比为35.17%。

(2) 将土壤质量为四等或五等、原已划入的永久基本农田调出,作为其它用地。按此建议，需划出的永久基本农田为0.72 km2，占比0.56%。

(3) 将土壤质量达到二等以上的永久基本农田调整为永久基本农田示范区。按此建议，需调整为永久基本农田示范区的农田为43.18 km2,占比为33.40%。

6.2 土壤重金属污染治理建议

区内土壤质量较好,污染区主要分布于林地、采矿用地,自然高背景的Cd、Ni是导致土壤重金属污染的主要原因，但由于重金属污染远离大片耕地区,目前影响不大。研究区土地利用应以预防污染为主,具体建议如下：

(1) 一等、二等、三等土壤以预防污染为主。西南平原地带农业种植区应合理施用农药和化肥,使用高效、低毒、低残留的农药。城镇周边应加强监管,对粪便、垃圾和生活污水进行无害化处理。慎重推广污水灌溉,对灌溉农田的污水要严格进行监测和控制。加强对工业废气、废水、废渣的治理和综合利用,防止向一等、二等、三等土壤任意排放含各种污染物质的废物。

(2) 四等土壤以调整种植结构和耕作方式为主。建议在有害重金属元素高值区或富集区种植对该元素不富集、低富集或有拮抗能力的农作物,尽量不选择对该种元素明显富集的农作物种类,如土壤Cd高值区或富集区内尽量不种植水稻;土壤Pb高值区或富集区内尽量不种植蔬菜等叶类农产品。

(3) 五等土壤以土壤修复为主。可种植绿色植物来转移、容纳或转化土壤中的污染物,降低其对环境的危害，该方法成本低、效果较好且不破坏环境，值得推广。

7 总结

研究区土壤养分地球化学综合等级以中等及以上等级为主，较缺乏次之，缺乏较少，前两者面积分别为142.82 km2、76.31 km2，分别占研究区面积的63.95%、34.17%。土壤环境地球化学等级以清洁为主，轻微污染及以下等级很少，前者面积为220.87 km2，占比98.90%。土壤质量地球化学等级以良好—优质、中等为主，差等和劣等较少，前两者面积分别为141.91 km2、76.85 km2，分别占研究区面积的65.54%、34.41%。此外区内富Ge土壤面积为189.60 km2，为发展富锗农产品产业提供了地质依据。

以土壤质量地球化学等级划分为基础，结合研究区土地利用总体规划，提出了调整永久性基本农田划定、治理土壤重金属污染的建议。