雷州半岛土壤地球化学基准值研究

朱 鑫,汪 实,陈 恩

(广东省地质调查院,广东 广州 510080)

21世纪是区域地球化学全面发展的时代[1]。1∶25万土地质量地球化学调查是一项基础性、公益性、战略性的地质调查研究工作,一批科技成果迅速转化为生产要素,土地质量地球化学调查将应用实际与全球科技发展紧密联系在一起[2-3]。合理开发利用有限的土地资源,发挥土地的最大生产潜力,对社会经济高质量发展具有重要意义[4-5]。中国地质调查局通过组织实施1∶25万土地质量地球化学调查,取得了较好的社会效益与经济效益[6-8]。土地质量地球化学调查成果可助力自然资源管理、矿产资源勘查、水土污染防治,促进农业种植结构调整和区划,对于实施健康中国和乡村振兴战略、保障社会经济高质量发展均具有深远的战略意义[9-13]。土壤地球化学基准值未受人类活动影响,是反映土壤原始沉积环境的地球化学元素指标[14-15],研究土壤地球化学基准值,对编制土壤环境地方标准,研究农业生产布局,助力地质矿产勘查,服务区域经济社会高质量发展具有长远的研究意义[16-18]。

本文利用珠江下游基本农田土地质量地球化学调查数据开展土壤地球化学基准值研究,为制定土壤环境背景值标准、评价和识别土壤污染程度,开展基础地质、农业、生态环境及地方病防治等多学科研究提供基础地球化学依据。

1 研究区概况

雷州半岛位于中国大陆最南端,地处粤桂琼三省交汇处,南濒南海隔琼州海峡与海南省相望,西临北部湾,背靠大西南,东与茂名市相连,地理坐标为:20°12′～21°55′ N,109°39′～110°57′ E。该区较大的江河主要有鉴江、九洲江和南渡河等,流域面积为100 km2以上的干支流共40条。研究区在大地构造上属华南褶皱系,陆地大部分由半岛和岛屿组成。

区内地层较发育(图1),第四系分布面积最广,主要发育桂洲组、北海组及湛江组,集中分布于雷州半岛中部,其他地层出露面积较少,主要分布在廉江市、吴川市北部一带,岩性以碎屑岩为主。区内岩浆岩分布较广泛,岩浆活动较频繁,花岗岩和火山岩均有出露。花岗岩分布在雷州半岛北部廉江市、遂溪县一带,岩性以二长花岗岩为主。火山岩分布于雷州半岛南部徐闻—雷州、遂溪县南西侧一带,主要发育石卯岭组和湖光岩组。石卯岭组主要岩性为深灰色-土黄色玄武质凝灰岩、集块岩与玄武岩;湖光岩组为基性火山岩,主要由玄武岩、玄武质火山角砾岩、玄武质凝灰岩组成多个火山喷发旋回或韵律。区内出露的变质岩主要为云开岩群,岩性组合为一套类复理石变质岩类夹变质火山岩、磷矿层等,主要分布于遂溪县东北部一带。

1.桂洲组;2.北海组;3.湛江组;4.湖光岩组;5.石卯岭组;6.沉积岩;7.变质岩;8.花岗岩;9.断层;10.火山口;11.土壤样点位图1 雷州半岛地质及土壤样点位图[19]Fig. 1 Geology and soil sample locations of Leizhou Peninsula[19]

雷州半岛属于热带和亚热带季风气候,土地利用类型以耕地、林地和水域为主,地势平坦、气候湿润,是中国菠萝、香蕉、甘蔗等农产品重要产地。

2 研究方法

2.1 样品采集方法

采用1∶25万土地质量地球化学调查中深层土壤作为土壤地球化学基准值研究的样品。参照《DZ/T 0258—2014多目标区域地球化学调查规范1∶250 000》[20]和《DZ/T 0295—2016土地质量地球化学评价规范》[21]要求,按照双层网格化法系统采集研究区深层土壤样品,采样密度为1个点/4 km2,每16 km2组合成1件分析样。深层土壤样品采样深度为150～200 cm,连续采集50 cm的土柱,筛取<20目的细粒级物质。样品布设时按照代表性、均匀性和合理性原则,避开基岩风化层和人为污染、近期搬运的堆积土。共完成1∶25万土地质量地球化学调查面积12 490 km2,获取了深层组合分析样共872件。

2.2 样品处理与测试

土壤样品经过自然干燥,过20目尼龙筛后提取500 g分析样。土壤样品主要测定Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TC(总碳)、Corg(有机碳)、pH值共54项元素或指标。样品分析测试在广东省地质实验测试中心完成。样品测试过程采取严格的外部和内部质量控制,利用国家土壤一级标准物质准确度和精密度进行监控,各元素或指标合格率100%。实验室异常点抽查和内部检查的合格率>90%,密码样抽查检查合格率>90%。

2.3 数据处理与综合研究

2.3.1 土壤地球化学基准值确定方法

参照《GB/T4882—2001数据的统计处理和解释正态性检验》[22],对深层土壤测试数据频率分布形态开展正态检验。采用偏度峰度联合检验法判断数据频率分布形态。如果统计数据服从正态分布,用算术平均值(X)代表地球化学基准值;如果统计数据服从对数正态分布时,用几何平均值(Xg)代表地球化学基准值。统计数据经反复剔除后仍不服从正态分布或对数正态分布,当呈现偏态分布时,以剔除后的中位数代表土壤地球化学基准值。在进行酸碱度参数统计时,将土壤pH值换算成[H+]浓度进行统计计算,再换算成酸碱度进行统计。

2.3.2 土壤元素富集与贫化判定标准

判断土壤元素的富集特点时,参照地壳丰度、中国土壤C层[23]、广东土壤C层[23]为评价标准,分析研究区深层土壤的富集与贫化特点。土壤元素的富集与贫化是一个相对概念,利用评价的土壤元素含量与评价标准的比值(K)来体现,以比值≤0.6、0.6～0.8、0.8～1.2、1.2～1.4、≥1.4为标准,将研究区土壤元素相对一定评价标准的富集贫化程度划分为强度贫化、中弱贫化、相当、中弱富集和强度富集。元素的富集或贫化程度与评价标准相关,以地壳元素含量为评价标准,分析区域土壤相对地壳土壤的富集与贫化特点。以研究区土壤地球化学基准值为评价标准,分析不同成土母质统计单元土壤元素地球化学基准值相对于区域土壤的富集或贫化特点。

2.3.3 变异系数确定方法

变异系数(CV)是反映元素分布均匀程度的重要参数。本文采用如下经验值判别,即CV<0.25时为弱变异,元素均匀分布;当0.25≤CV<0.5时为中等程度变异,元素分布较均匀;当0.5≤CV<0.75时为强度变异,元素分布较不均匀;当0.75≤CV<1时为高度变异,元素分布不均匀;当CV≥1时为极度变异,元素分布极不均匀。

3 研究区土壤地球化学基准值

《DZ/T 0258—2014多目标区域地球化学调查规范1∶250 000》[20]规定,土壤地球化学基准值是土壤地球化学本底的量值,反映在一定范围内深层土壤地球化学特征。

3.1 深层土壤地球化学特征

研究区深层土壤地球化学元素或指标特征统计结果见表1。深层土壤数据频率分布形态大多数元素为偏态,表明区内地质运动频繁,偏态数据为多次地质运动的叠加结果。

表1 雷州半岛土壤地球化学基准值统计结果

研究区属弱变异型元素或指标为Ge、SiO2,其含量变化较小,空间分布较均匀。属于中等程度变异的元素或指标包括Al2O3、CaO、Na2O、Ce、La、Li、Y、Zr、U、Th、W、Sn、Au、Ag、Sb、Sr、Cd、Cl、F、S,其含量变化不大。强变异型元素或指标包括MgO、SiO2、Be、Nb、Mo、Bi、As、Pb、Hg、Se、Ga、Ba、Tl、Br、B、N、P,其含量变化较大,空间分布不均匀,绝大部分元素或指标高含量区主要分布在花岗岩出露区。高度变异元素或指标包括K2O、TFe2O3、V、Rb、Sc、Ti、Zn、I,其分异程度高,在研究区分布极不均匀,TFe2O3、V、Sc、Ti、Zn、I高含量区主要分布在火山岩区,Rb、K2O高含量区主要分布在花岗岩区。极度变异元素包括Co、Mn、Ni、Cr、Cu,该组元素在不同地质背景含量差异明显,高含量区主要集中分布在火山岩区。综上,深层土壤元素地球化学迁移和转化过程受多重母体控制,体现了区域地质背景与成土母质类型的多样性,同时成矿元素多为强度变异,体现局部地区矿化作用强烈。

3.2 深层土壤元素富集与贫乏特征

研究区深层土壤元素富集与贫乏组合特征列于表2。

表2 雷州半岛深层土壤元素富集与贫乏组合特征结果

(1)对比地壳丰度,研究区贫乏元素或指标共29项,相对富集的元素或指标共13项,与地壳丰度接近的元素或指标共9项。贫乏元素或指标主要是铁族元素、亲铜元素、造岩矿物元素,主要包括K2O、MgO、Na2O、CaO、Cr、Ni、Co、TFe2O3、Mn、V、La、Sc、Rb、Sb、Cu、Au、Ag、Zn、Hg、Sr、Ba、Tl、Cd、S、F、P、Cl。富集元素或指标包括Zr、Th、Bi、W、Sn、As、Pb、Se、N、B、I,其中N、I、Se富集系数分别高达15.2、5.2、4.3。与地壳丰度较接近的元素或指标包括SiO2、Al2O3、Nb、Be、Li、Y、Mo、Ge、Ga、TC。

(2)与中国土壤C层元素含量(12项指标)相比,有益元素Se达到富集,其富集系数为1.38;相对贫乏的元素包括Pb、Ni、Cu、Zn、Cd、F、Co、As、Mn,其富集系数分布在0.1～0.7;与中国土壤C层含量相当的元素包括V、Cr、Hg,其富集系数分布在0.9～1.1。

(3)与广东土壤C层元素含量(12项指标)相比,无相对富集元素;相对贫乏的元素包括Mn、As、F、Co、Pb、Cu,其富集系数为0.2～0.7;与广东土壤C层含量相当的元素包括Ni、Hg、Se、Cd、Cr、V,其富集系数为0.9～1.1。

研究区深层土壤pH值为4.44～9.89,大多数样品pH值为4.5～6.0。其中,极强酸性土壤(pH值<4.5)占总样数19%;强酸性土壤(pH 值4.5～5.5)占总样数53%;酸性土壤(pH值 5.5～6.5)占总样数16%;中性土壤(pH值 6.5～7.5)占总样数6%;碱性土壤(pH 值7.5～8.5)占总样数3%;强碱性以上土壤(pH值>8.5)占总样数3%。总体来说,研究区深层土壤呈酸性、强酸性和极强酸状态。

4 不同成土母质土壤地球化学基准值

按不同成因类型,将雷州半岛成土母质划分为五大类,即第四纪松散沉积物、沉积岩类风化物、变质岩类风化物、火山岩类风化物、花岗岩类风化物。分别统计各类成土母质土壤基准值和富集系数(表3),并将其地球化学基准值与研究区地球化学基准值比较(图2),获得了不同成土母质土壤元素富集与贫乏组合特征,结果如下。

表3 不同成土母质深层土壤基准值和富集系数统计结果

图2 不同成土母质土壤元素(指标)富集系数折线图Fig. 2 Broken line graph of enrichment factors of soil elements (indexes) from different parent materials

4.1 第四纪松散沉积物元素地球化学基准值

第四纪松散沉积物指第四纪时期因地质作用所沉积的物质,一般呈松散状态,具有分布广、物质来源较复杂等特点。与研究区土壤基准值相比,第四纪松散沉积物相对富集的元素包括B、Bi、As,相对贫乏的元素或指标包括Zn、Co、TFe2O3、Cr、Sc、Be、Cu、Ga、Al2O3、Ni、Ba、Mn,其余39个元素或指标的基准值与研究区基准值相当。B最富集,其富集系数为1.35,Zn、Co、Cu最贫乏,属强度贫乏元素。

4.2 沉积岩类风化物元素地球化学基准值

沉积岩主要分布在廉江市北部及西部。与研究区土壤基准值相比,富集As、MgO、Au、B、CaO、Ag、F、Pb、Bi、Cd、Li、W、Ba、Rb、Sb、K2O、Co、U、Tl、Th、Be、Na2O、La,贫乏Cr、Cl、S、Mo、TC、I、Cu,其余元素或指标的基准值与研究区相当。富集元素或指标共23个,其中以Rb、Sb、K2O富集最为明显,其富集系数分别为2.4、2.5、2.3。S元素富集系数为0.6,属强度贫乏元素。

4.3 变质岩类风化物元素地球化学基准值

变质岩主要分布在研究区北东部。与研究区基准值相比,富集Be、F、W、Bi、U、Ba、La、Th、Pb、Rb、Sn、Li、MgO、Au、B、Ag、Tl、Ce,贫乏I、Cr、S、N、Ni、Mo、Br、Cu、TFe2O3,其余元素或指标的地球化学基准值与研究区地球化学基准值相当。其中Pb、Ba、Rb、K2O富集明显,富集系数分别为2.0、2.4、2.4、2.9;I元素富集系数为0.4,属强度贫乏元素。与沉积岩类风化物地球化学基准值相比,变质岩类风化物富集K2O、Ba、Th、Corg,贫乏Li、I、Br、As、CaO、Cd、Sb、F、Br、Ag、Hg、Co等元素或指标。

4.4 火山岩类风化物元素地球化学基准值

火山岩主要分布在研究区中部及南部地区。与研究区地球化学基准值相比,火山岩类风化物富集Corg、N、Ti、Cd、Cl、TC、CaO、Ga、Mo、Se、Nb、S、P、Zn、Sc、V、TFe2O3、I、Cr、Cu、Ni、Co、Mn,贫乏Bi、SiO2、Na2O、Th、W、B、Rb、K2O,其余指标地球化学基准值与研究区地球化学基准值相当。富集系数>3的元素或指标包括TFe2O3、I、Cr、Cu、Ni、Co、Mn、Ti、V,以Co、Mn、Ni等元素富集最为明显,其富集系数分别为14.3、13.2、11.1。B最贫乏,其富集系数为0.4。结果表明,以火山岩类风化物为成土母质的深层土壤富集多种元素。

与沉积岩类风化物地球化学基准值相比,火山岩类风化物富集元素较多,Cu、Cr、TFe2O3、I、Ti、V、Sc、Ni、Mn、Co等元素或指标含量是相应沉积岩风化物含量的3倍以上;相对贫乏的元素亦较多,Ba、As、Pb、Sb、W、Bi、B、K2O、Rb等元素或指标含量仅为相应沉积岩类风化物含量的20%～50%。与花岗岩类风化物地球化学基准值相比,火山岩类风化物明显富集Cr、Cu、TFe2O3、V、Ti、I、Sc、Zn,是相应花岗岩类风化物含量的3倍以上,Ni、Mn、Co是相应花岗岩类风化物含量的10倍以上,火山岩类风化物铁族元素富集明显;相对贫乏的元素表现突出,Ba、B、W、Bi、Pb、Th等元素或指标含量仅为相应花岗岩类风化物含量的50%以下,K2O、Rb仅为相应花岗岩类风化物含量的20%以下。

4.5 花岗岩类风化物元素地球化学基准值

研究区花岗岩主要形成于侏罗—白垩纪,岩性多为二长花岗岩,分布在研究区北部。与研究区地球化学基准值相比,花岗岩类风化物富集Tl、F、W、Sn、Sr、Ce、Bi、Ba、U、La、Th、Pb、Rb、K2O、Be、Na2O、Ag、Li、Corg,贫乏I、S、Cl、Au、P、Br、Cd、Sc、Ti、Co、TFe2O3、V、As、Sb、Cu、Ni、B、Cr,其余元素或指标基准值与研究区基准值相当。富集系数>2的元素或指标基准值包括Th、Pb、Rb、K2O、La,其富集最为明显;Cr、B表现最为贫乏,其富集系数分别为0.24和0.29,表明以花岗岩类风化物为成土母质的深层土壤富集造岩元素、钨钼族元素、放射性元素、稀有稀土元素等。与沉积岩类风化物基准值相比,花岗岩类风化物富集Th、La、Pb、U、Ce、Rb、Ga、Sn、Corg、Sr、TC、Al2O3、Mo等元素,贫乏Co、Cr、As、B、Sb、Cd、Ni等元素(富集系数0.2～0.5)。

5 结论

(1)雷州半岛深层土壤多数元素或指标变异性较大,在研究区分布不均匀,分异明显,指示了研究区多种成土母质对土壤元素继承、迁移、转化作用的差异性。高度变异元素包括Sc、Zn、Rb、Ti、V、I、K2O、TFe2O3等8个元素或指标,极度变异元素包括Cr、Cu、Mn、Ni、Co。

(2)与地壳丰度相比,研究区多数元素或指标较为贫乏,仅Zr、Th、Bi、W、Sn、As、Pb、Se、N、B、I等元素富集,其组合反映出区内土壤的酸性地球化学特征—富集与中酸性岩类有关的元素,贫乏与基性岩有关的元素;与中国土壤C层元素含量相比,有益元素Se达到富集;与广东土壤C层元素含量相比,研究区无相对富集元素。

(3)对研究区主要成土母质地球化学基准值的研究表明,土壤元素地球化学基准值主要继承了成土母岩的元素地球化学组合特征,不同成土母质地球化学基准值特征差异明显,以火山岩类风化物和花岗岩类风化物最为典型。其中火山岩类风化物成土母质的深层土壤富集铁族元素、分散元素,花岗岩类风化物富集造岩元素、钨钼族元素、放射性元素和稀有稀土元素。