四川成都唐昌镇表层土壤元素地球化学特征及质量评价

王亮，王德伟，龚仓，王顺祥

(1.中国地质调查局军民融合地质调查中心，四川 成都 610036；2.中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 610036)

土地资源是最宝贵的自然资源，是人类生存和社会发展的重要生产基础。特别是农用地，作为粮食和蔬菜的主产地，土地质量直接影响着粮食安全。近年来，随着工业发展和城镇化进程加速、农药使用、汽车尾气排放和厂房建设等，导致土壤养分流失和重金属元素污染加剧。为了摸清土地资源质量现状、开发利用特色土地资源(绿色农产品生产基地)、支撑和服务“乡村振兴”工程，已有学者开展了大量的调查与研究工作，主要包括：土壤重金属污染特征和健康风险评价[1-2]，农用地土壤的地球化学质量等级评价[3-10]，天然特色土地资源(如富硒、富铜、富锌土地)的开发利用研究[11-16]，农作物和根系土中重金属作用机理研究[17-18]、绿色农业种植区和农业种植结构调整[19]，同时对于全国尺度城市土壤的元素背景值与基准值、重金属微量元素管控值开展了探索性研究[20-21]。以上研究在土地资源调查、保护和开发利用方面发挥了积极作用，更好地服务于地方农业发展和土地资源利用规划。

四川省成都平原经济区已开展了1∶25万的土地质量地球化学评估[22]，表明随着城市化不断扩张及人类活动的影响，区内部分土地质量退化、污染加剧、肥力下降、生态环境破坏等一系列问题日益突出，同时由于以往调查精度不高，时间已久，已难满足研究区的现代绿色农业发展。

图1 研究区表层土壤采样点分布图Fig.1 Sampling sites of the topsoil in the study area

土地资源质量的状况对农业强镇发展至关重要。成都市郫都区唐昌镇作为成都市重要的菜篮子基地、供港供澳基地，是西南地区最大的韭黄生产基地，被评为全国生态经济强镇、中国生态魅力镇、中国十大农业示范镇[23]。本文以唐昌镇为研究区，通过开展1∶5万土地质量地球化学评价，采用X射线荧光光谱法(XRF)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子荧光光谱法(AFS)等方法、元素分析仪法和离子选择性电极法测定表层土壤样品中N、P、K、As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、Se等元素含量和pH值。查明研究区表层土壤主要养分元素和重金属元素含量和分布状况，划分土壤质量地球化学等级，圈定优势土地资源，为当地政府履行土地资源管理、农业种植结构调整,以及土壤环境保护、振兴乡村等管理职能提供科学依据。

1 研究区概况

四川省成都市郫都区唐昌镇位于龙门山山前凹陷堆积平原内，处于成都平原腹心位置、成都市西部近郊，总面积约80km2。全区气候类型属亚热带季风性湿润气候，年气候温和，平均气温15.7℃，雨量充沛，四季分明，区域空气质量指数(AQI)和负氧离子数常年保持全区领先。农业种植以蔬菜为主，常年种植有蔬菜、花卉、水稻、油菜、玉米等。蔬菜以大棚蔬菜、榨菜、生姜、辣椒、白菜、棒菜、莴笋、韭黄等为主要特色，形成了柏木河蔬菜产业园、两河果蔬产业园和锦宁韭黄产业园，是成都市重要的菜篮子基地。区内土壤类型以水稻土为主，土地利用类型以农用地为主，主要为耕地和林地，林地主要分布在研究区的西部和中东部地带(图1)。

2 实验部分

2.1 样品采集与处理

以唐昌镇土地利用现状图为底图，套合公里网格，按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)共布设土壤样品810件，主要覆盖耕地和林地区，控制面积约70km2，平均采样点密度为9个/km2(图1)。野外采用手持GPS定点，在设计点位30m范围内采集4～6个子样组合成1件样品。自地表向下连续取20cm的土样，在同一用地类型的地块内采集代表性样品，主要分布在地块中央位置，样品原始质量大于1kg，自然风干、破碎后全部过2mm尼龙孔径筛(10目)。过筛后的样品混合均匀后送实验室进行分析测试。

2.2 样品分析测试和数据质量

土壤样品的分析测试均由中国地质科学院矿产综合利用研究所分析测试中心完成，测试指标包括：N、P、K、As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、Se和酸碱度(pH)。其中，Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、P、K等元素，通过粉末压片后，采用XRF法测定。Cd经盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸分解溶样后，采用ICP-MS法测定。As、Hg和Se采用AFS法测定。试样通过王水溶样，稀释，放置澄清，分取清液，加铁盐溶液和硫脲-抗坏血酸溶液摇匀，测定As含量；样品溶液放置数小时后直接分取清液，直接测定Hg含量；试样经硝酸-高氯酸分解，盐酸溶液还原，与硼氢化钾反应后，测定Se含量。N经高温下燃烧，还原、分离后，采用元素分析仪法(COB)测定；pH用去除二氧化碳的蒸馏水浸提处理后，用离子选择性电极法(ISE)测定。各分析方法和检出限见表1。样品分析严格按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)实施。

表1 土壤元素分析方法及检出限Table 1 Analytical methods of soil samples and their detection limits

分析方法的准确度和精密度使用国家一级标准物质进行试验，对土壤元素分析方法，选用国家一级土壤标准物质GSS-5、GSS-7、GSS-8、GSS-9、GSS-20、GSS-23、GSS-24、GSS-28、GBW07424、GBW07425、GBW07426、GBW07427、GBW07428。每种方法共进行12次测定，计算对数偏差(△lgC)和相对标准偏差(RSD)。土壤的pH值测定，采用国家一级标准物质GBW07412a、GBW07414a、GBW07416a测定12次，计算相对标准偏差(RSD)和相对误差(RE)。所有一级标准物质合格率为100%，各元素的准确度合格率为100%(规范要求为98%)，精密度合格率为100%(规范要求为98%)，同时各元素的报出率均为100%，均满足规范要求，数据可靠。

2.3 评价方法

本次工作以查明研究区当前土壤肥力和土壤环境质量为目的，实现研究区土壤质量地球化学综合评估。选取N、P、K作为土壤养分评价指标，As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn作为土壤环境评价指标，Se作为土壤健康有益元素评价指标，Cu和Zn在不超过风险值的情况下，作为土壤微量营养元素评价指标，pH作为土壤环境质量评价中重金属风险值划分的重要参数，参照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)开展评价工作。

2.3.1土壤养分地球化学综合等级

首先按照表2中的划分标准，进行土壤养分单指标等级划分。

表2 土壤中N、P、K养分指标等级划分标准Table 2 Classification standard of N,P,K nutrient index in soil

然后在N、P、K的单指标土壤养分地球化学等级基础上，利用层次分析加权指数，结合隶属度函数公式，计算土壤养分地球化学综合得分f养综：

式中：f养综表示土壤N、P、K评价总得分，1≤f养综≤5；ki为N、P、K权重系数，分别为0.4、0.4和0.2。fi为N、P、K的单元素等级得分，其中单指标评价结果为五等、四等、三等、二等、一等时所对应的fi得分分别为1分、2分、3分、4分、5分。当f养综≥4.5，代表综合养分丰富(一等);当3.5≤f养综<4.5，代表综合养分较丰富(二等)；当2.5≤f养综<3.5，代表综合养分中等(三等)；当1.5≤f养综<2.5，代表综合养分较缺乏(四等)；当f养综<1.5，代表综合养分缺乏(五等)。

2.3.2土壤环境地球化学综合评价

土壤中As、Cd、Cr、Pb、Hg、Ni、Zn的环境质量等级划分标准参考《农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)中的值，通过以下公式计算土壤中污染物指标i的单项污染指数(Pi)。

式中：Ci代表土壤中污染物i的实测质量分数，单位为mg/kg；Si为土壤中污染指标i在GB15618中给出的二级标准值，单位为mg/kg。

表3 土壤元素地球化学参数Table 3 Geochemical parameters of elements in soil

按照土壤单项污染指数，将环境地球化学等级分界限值划分为5个等级：一等清洁(Pi≤1)；二等轻微污染(15)。

在单指标土壤环境地球化学等级划分的基础上，每个评价单元的土壤环境地球化学综合等级采用“一票否决”的方法评价，即综合等级等同于单指标划分出的环境等级最差的等级，例如As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Ni、Zn的环境地球化学单指标分别为四等、三等、二等、三等、二等、二等和二等时，该评价单元的土壤环境地球化学综合等级为四等。

2.3.3土壤质量地球化学综合评价

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，划分5个等级：一等为优质土壤，表示土壤环境清洁，土壤养分丰富；二等为良好土壤，表示土壤环境清洁，土壤养分中等；三等为中等土壤，表明土壤环境清洁，土壤养分较缺乏或土壤环境轻度污染，土壤养分丰富至较丰富；四等为差等，表示土壤环境清洁或轻微污染，土壤养分缺乏或土壤环境轻度污染，土壤养分丰富至缺乏；五等为劣等，表示土壤环境中度和重度污染，土壤养分丰富至缺乏。

2.4 数据处理

使用Excel和SPSS20进行数据的整理分析，图件制作采用中国地质调查局发展研究中心开发的土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护(应用)子系统和Arcgis10.2完成。

3 结果与讨论

3.1 土壤元素地球化学特征

对研究区表层土壤样品测试分析的原始数据利用“平均值±3倍标准偏差”剔除特高值和特低值，各指标均符合或近似符合正态分布后，计算各评价指标的特征地球化学参数(表3)：N(剔除后的样品数)、X(剔除后的平均值)、Std(剔除后的标准差)、CV(剔除后的变异系数)，Min(剔除后的最小值)，Max(剔除后的最大值)，K1(浓集比率=X/Q)和K2(浓集比率=X/C)。与全国土壤平均值相比，研究区表层土壤中元素K、Cu、Cr、Ni、As的K1值接近于1，表明它们的含量与全国表层土壤平均值接近，Zn、Pb的K1值变化于1.4～1.6之间，略高于全国平均值。Se的K1值为1.69，表明Se在区内较富集。N、P、Cd、Hg的K1值均大于2，其中Hg的K1值达到3.51，表明Hg在研究区表层土壤中的含量相比全国表层土壤含量强烈富集。与成都经济区表层土壤相应指标进行对比，研究区表层土壤中Zn、Hg、P的浓集比率K2值均大于1，表现出略富集，而N、Pb、Cd的K2值小于1，表现为相对匮乏，其他指标的K2值接近1。研究区表层土壤pH值为4.16～9.04，平均值为6.17，表明区内土壤整体呈弱酸性。

3.2 土壤养分评价

土壤养分等级评价结果(表4)显示，研究区表层土壤全N含量为0.7～2mg/g，平均为0.7mg/g，以中等(三等)为主，面积58.71km2，占比87.19%；P含量0.22～20.8mg/g，平均为1.16mg/g，以丰富(一等)为主，占比78.0%；K含量10.29～27.98mg/g，平均为23.59mg/g，以较丰富(二等)为主，占比78.17%。表明研究区土壤主量养分元素中N含量一般，P富集，K较富集，所以在农业种植过程中，需要合理地制定耕作制度，注重含N有机肥料施用，改善土壤养分元素供应，提高土壤的肥力。

图2 研究区土壤养分地球化学综合等级Fig.2 Comprehensive grade of soil nutrient geochemistry in the study area

表层土壤养分综合等级以较丰富(二等)为主(图2)，面积59.25km2，占比88.0%，主要分布在研究区中东部耕地地块，与农业耕作提高和保持土壤养分肥力有关。中等(三等)养分次之，面积为6.66km2，占比9.9%，分布于横山村和平乐村地区林地地块，该区域农业耕作活动较弱，对土壤的养分含量影响较小。四等面积0.51km2，占研究区面积0.76%。局部地块养分为丰富(一等)，面积为0.91km2，占比1.35%，零星分布于研究区的部分地块中(图2)，表明研究区土壤养分综合含量较丰富，土壤肥力较好。

表4 研究区土壤养分等级评价Table 4 Evaluation of soil nutrient grade in the study area

3.3 土壤环境评价

研究区8项重金属中，各重金属环境质量等级为一等型(清洁)的面积占比均大于96%(表5)，局部农用地块存在Cu和Zn的轻度污染和重度污染，分布面积极其微小，对农业种植生产影响可以忽略不计。研究区土壤环境地球化学综合等级以一等(清洁)为主，面积为66.03km2，占比98.06%；二等(轻微污染)土壤面积为1.23km2，占比1.83%，主要分布在唐昌镇镇区、横山村西南、金沙村东附近(图3)；轻度污染和重度污染面积占比不到0.1%(轻度0.04%，重度0.07%)；重度污染面积0.05km2，位于福昌村和横山村两耕地地块，分布面积极小，可能与耕作过程中农药的过度使用有关。由此可见，研究区土壤环境地球化学综合质量极好，为该区农业绿色农业发展提供了清洁优良的土地资源。

图3 研究区土壤环境地球化学综合等级Fig.3 Comprehensive grade of soil environmental geochemistry in the study area

3.4 土壤质量地球化学综合评价

研究区土壤质量地球化学综合评价结果表明，研究区一等和二等土壤的面积分别为57.8km2和6.57km2，占比分别为85.85%和9.76%。其中，一等优质土壤在区内大面积分布；二等良好土壤主要分布在平乐村—横山村一带；三等中等土壤面积为2.88km2，占评价区面积4.28%，主要在该区零星分布；四等和五等土壤面积分别为0.03km2和0.05km2，分别占评价区面积的0.04%和0.07%，分布面积极小，主要分布在横山村西南和金沙村东两块地内(图4)。由此可以得出，研究区表层土壤质量综合等级为优质级。土壤环境清洁，基本未遭受重金属污染，土壤养分较丰富，为区内种植绿色无公害蔬菜和水果创造了有利条件。

图4 研究区土壤质量地球化学综合等级Fig.4 Comprehensive geochemical grade of soil quality in the study area

3.5 富硒富铜富锌特色土壤资源

3.5.1富硒土壤

依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)和《天然富硒土地划定与标识(试行)》(DD2019-10)的规定，按照表层土壤中Se含量为0.4～3.0mg/kg的区域划分为富硒土壤，得出研究区富硒土壤面积为2.49km2，占农用地和建设用地总面积的3.7%。富硒土壤的空间分布不连续。

在评价富硒土壤分布特征的基础上，采用富硒土壤叠加土壤质量综合等级的方法，将富硒土壤(Se含量在0.4～3.0mg/kg)再叠加研究区土壤质量地球化学综合等级，进一步将富硒土壤划分为优质富硒土壤、良好富硒土壤、中等富硒土壤、差等富硒土壤、劣等富硒土壤5个等级。例如，优质富硒土壤，代表土壤富硒并且土壤综合质量等级为一等；良好富硒土壤，为富硒土壤中土壤综合质量为二等的土壤。通过叠加评价，在区内共全圈出优质富硒图斑133个，面积1.99km2，占比2.96%；良好富硒图斑18个，面积0.26km2，占比0.39%；中等富硒图斑19个，面积0.24km2，占比0.35%(图5)。在空间分布上，富硒土地主要呈北西向零星、不连续分布。在战旗村、横山村、柏木村、大云村、留驾村、竹林村、锦宁村、福昌村零星分布，因此可以在这些富硒地块中种植富硒水稻、富硒蔬菜等绿色农产品，但其整体开发潜力有限。

3.5.2富铜土壤

Cu是植物和人体健康所必需的微量营养元素之一，是铜蛋白和多种酶的组成元素，参与调节生物的多种生命活动过程[25-27]。对植物而言，植物缺乏Cu会导致生长速度减慢，幼芽畸变或变白，叶缘卷曲，顶端分生组织受损，最终导致植物产量减少[28]。对人体而言，Cu缺乏会导致骨骼发育异常，生长迟缓，糖和胆固醇代谢异常和导致患阿尔茨海默症[29-30]。人体Cu的摄入主要从日常饮食中摄取，因此土壤中Cu的丰缺对农作物的种植和生长具有重要的影响。

唐昌镇调查区表层土壤中Cu含量在18.5～607mg/kg之间，平均值35.2mg/kg，剔除异常高低值后的平均值为34.3mg/kg。从土壤养分指标角度，依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中Cu养分等级划分标准：29～50mg/kg为一等丰富级；24～29mg/kg为二等较丰富级；22～24mg/kg为三等中等级；16～22mg/kg为四等较缺乏级；≤16mg/kg为五等缺乏级。唐昌镇表层土壤中Cu元素进行丰缺性评价结果显示，Cu含量以一等丰富型为主，面积为63.13km2，所占比例94.0%；二等较丰富面积3.39km2(图6)。表明区内表层土壤Cu元素含量丰富，为唐昌镇农业种植提供了富Cu土壤资源。

图5 研究区富硒土地资源综合等级Fig.5 Comprehensive grade of selenium-enriched land resources in the study area

图6 研究区土壤微量元素铜地球化学等级Fig.6 Geochemical grade of soil trace element Cu in the study area

3.5.3富锌土壤

Zn同样也是植物必需的微量元素，能增强作物的光合作用，是作物体内碳酸酐酶等一些酶的重要组成成分。植物缺Zn容易造成体内氮素代谢紊乱。Zn是人体必需元素之一，具有“生命之花”之称，参加了人体内多种酶的组成，它直接参与酶的合成，促进机体生长发育和组织再生，保护皮肤健康，维护免疫功能。目前人体缺Zn在国际上是一个重要的公共卫生问题[13,31-32]。

唐昌镇调查区表层土壤中Zn含量在55～1820mg/kg之间，平均值为108.9mg/kg，剔除异常高低值后的平均值为105.5mg/kg。从土壤养分指标角度，依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中Zn养分等级划分标准(84～200mg/kg为一等丰富级，71～84mg/kg为二等较丰富，62～71mg/kg为三等中等级，50～62mg/kg为四等较缺乏级，≤50mg/kg为五等缺乏级)，对唐昌镇表层土壤中Zn元素进行丰缺性评价，结果显示唐昌镇表层土壤Zn以丰富型为主，面积为63.31km2，所占比例94.17%，较丰富面积为3.31km2(图7)。大面积的富锌土壤有利于果蔬等农作物的种植和生长，以及研究区发展富锌特色农产品产业。

图7 研究区土壤微量元素锌地球化学等级Fig.7 Geochemical grade of soil trace element Zn in the study area

4 结论

研究表明，成都唐昌镇农业种植区表层土壤K、Cu、Cr、Ni、As含量与全国表层土壤平均值相接近，Zn、Pb略高于全国平均值。Se在区内较富集。N、P、Cd、Hg强烈富集，与成都经济区表层土壤相应指标进行对比发现，研究区表层土壤的Zn、Hg、P含量略高，N、Pb、Cd含量略低，其他指标含量相当，表层土壤pH平均值为6.17，呈弱酸性。

研究区表层土壤主要养分综合含量较丰富，其中全N以三等中等为主，P以一等丰富为主，K以二等较丰富为主。土壤环境质量整体为清洁型，未受到重金属污染，局部受Cu、Zn元素的影响，但分布面积极小。土壤质量综合等级优质级，表明该区土壤环境清洁，土壤养分较丰富。

研究区富Se土壤面积为2.49km2，零星分布于该区中部；富Cu土壤面积63.13km2，占评价区94.0%；富Zn土壤面积63.31km2，占评价区94.17%，评价结果对区内发展富Se、Cu、Zn特色农业产业具有一定理论基础。但还需进一步对土壤中有效态Cu、Zn含量和土壤-农作物中Cu、Zn元素的迁移富集性进行深入研究，更好地服务于农业种植和产业发展。

致谢：中国地质调查局军民融合地质调查中心郫都区唐昌镇国土空间开发利用建议项目组成员在野外样品采集中付出了辛勤劳动，审稿人在论文修改方面提出了宝贵建议，一致表示感谢。