广西宁明县海渊镇土地质量地球化学评价

鲍波，雷天赐*，姜华，徐宏林，王磊，郝志红

1.中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北 武汉 430205;2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000

土地是人类赖以生存和发展的重要自然资源和物质基础，如何科学合理利用土地资源是学者们关注的热点（路婕等，2011；王立胜等，2012）。农作物中的微量元素含量很大程度上受土壤中各元素含量和形态的影响；农作物被动物或人直接摄入后进入食物链，从而可能影响到人体健康或生态环境。因此，了解粮食作物或其他经济作物赖以生存的耕地资源土壤质量状况显得尤为重要。

本次研究选择在广西宁明县海渊镇开展1∶5万土地质量地球化学调查评价工作，采用土壤养分指标（氮、磷、钾、硒）、环境指标（pH、镉、汞、砷、铜、铅、锌、铬、镍）（Callender，2014；Fitzgerald and Lamborg，2014；Plant et al.，2014；肖凯琦等，2021），农作物评价指标（硒和镉、汞、砷、铜、铅、锌、铬、镍），以第二次全国土地调查成果中的土地利用图斑为评价单元，进行土地质量地球化学分等定级（Yang Z F et al.，2014；贾黎黎等，2017；刘国栋等，2017；姜华等，2020），旨在提出富硒土地资源开发利用和规划建议，为研究区所在地方政府履行土地资源管理、实施土壤环境保护等管理职能提供科学依据（李括等，2019；夏学齐等，2020；郭军等，2021；朱鑫等，2021），同时对推动乡村振兴战略的实施具有重要意义。

1 研究区概况

研究区海渊镇位于广西西南部崇左市宁明县境内（经度范围：E107°23′1.43″～107°33′40.20″、纬度范围：N21°59′40.87″～22°13′4.04″），属温暖湿润的亚热带季风气候区，年均气温22℃，年均降水量1200 mm；土壤类型以赤红壤为主，其次为紫色土和水稻土；土地利用类型为水田、有林地、旱地、其他林地和灌木林地。

研究区地层自二叠系到新近系均有出露，主要包括沉积建造和玄武岩建造（图1）。其中，二叠系主要为浅灰色-深灰色厚层状礁灰岩；三叠纪罗楼组（T1l）包括一套灰黄～深灰色生物碎屑灰岩、泥质条带灰岩以及玄武岩，主要分布在海渊镇北部地区，相应的土地利用类型为旱地和灌木林地，除罗楼组外，三叠纪石炮组（T1s）至新近纪宁明组（N1nm）主体岩石类型为碎屑岩，如含砾砂岩、长石石英砂岩、泥质粉砂岩和泥岩等。

图1 海渊镇地质简图Fig.1 Geological map of Haiyuan Town,Guangxi

2 研究方法

2.1 样品采集与加工

为确保样品代表性和均匀性，表层土壤样品均匀采集0～20 cm深土壤，采用图斑加网格的原则进行采样点布设，平均采样密度为8点/km2。为进一步确保样品的代表性，在野外实际确定的主采样点周围20～50 m范围内采集3～5个子样进行等份组合。样品采集避开垃圾堆、主要公路、居民地等潜在污染源。土壤样品自然风干后使用木棍进行碎样并过10目尼龙筛，收取通过尼龙筛的土壤样品搅拌均匀后用四分法缩分送样。本次研究的农作物样品为水稻稻穗，水稻收获盛期，在采样点及其周围地块进行多点采样，然后等量混合成一件样品，样品风干后人工脱穗送样。

2.2 样品分析测试

所有样品测试均在湖北省地质实验测试中心完成。土壤样品测试方法：使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定Cd、Cu、Zn、Pb含量；使用X射线荧光光谱法（XRF）测定P、Cr、K2O含量；使用原子荧光光谱法（AFS）测定Hg、Se、As含量；使用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-OES）测定Ni含量；使用容量法（VOL）测定N含量；使用离子选择性电极法（ISE）测定样品pH值。水稻样品测试方法：使用ICP-MS测定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量；使用AFS测定Hg、Se、As含量。

样品测试准确度控制采用国家一级标准物质进行监控，由质管部门在每500件样品中以密码形式插入12个GBW标准物质与样品同条件进行分析测试，每种元素的每次分析结果单独计算测量值与标准值的对数偏差，其准确度合格率要求≥98%，本次测试准确度合格率为100%。pH值测定采用六个国家一级标准物质（GBW07412～GBW07417）控制准确度，计算测定值与标准值的绝对偏差，允许限要求小于0.1，本次分析准确度合格率为100%。精密度控制采用四个兼顾大部分元素高中低含量的土壤一级标准物质进行监控，由质管部门以密码形式插入到每一分析批次中，与样品一起分析，每批分析完成后，按每个标准物质计算测定值与标准值的对数偏差，然后计算四个监控样的对数标准偏差，用以衡量样品分析的精密度，此次测试精密度合格率达100%。综上所述，本次研究样品测试质量符合《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）（国土资源部，2016）要求。

2.3 评价指标与方法

土壤养分地球化学评价指标为氮、磷、钾、硒；土壤环境地球化学评价指标包括酸碱度、镉、汞、砷、铜、铅、锌、铬、镍。农作物样品地球化学评价指标为硒和镉、汞、砷、铜、铅、锌、铬、镍。

2.3.1 土壤养分地球化学评价

土壤养分地球化学评价参照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）（国土资源部，2016），养分元素氮、磷、钾单指标等级评价标准见表1。在单指标养分元素评价基础上，依据f养综=0.4fN+0.4fP+0.2fK计算土壤养分综合评价得分。其中fN、fP、fK分别代表土壤氮、磷、钾单指标等级得分，氮、磷、钾单指标评价结果为五等、四等、三等、二等、一等时对应的评价得分为1分、2分、3分、4分、5分。根据计算的f养综以及土壤养分综合等级评价标准（表2）确定评价单元土壤养分地球化学综合等级。土壤硒元素等级评价标准见表3。

表1 土壤养分元素单指标等级评价标准Table 1 Assessment standard for geochemical grade of soil nutrient

表2 土壤养分地球化学综合等级评价标准Table 2 Assessment standard for geochemical comprehensive grade of soil nutrient

表3 土壤硒元素等级评价标准Table 3 Assessment standard for soil selenium

2.3.2 土壤环境地球化学评价

土壤酸碱度（pH）等级评价标准（国土资源部，2016）见表4。《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（生态环境部，2018）规定了农用地土壤中镉、汞、砷、铜、铅、锌、铬、镍的风险筛选值以及镉、汞、砷、铅、铬的风险管制值。风险筛选值按不同土地利用类型（水田、果园、其他）以及酸碱度分别规定界限值，此次评价选择最严格的风险筛选值（表5）作为界限值进行土壤环境单指标等级划分（表6）。对于没有风险管制值的铜、锌、镍，低于和高于风险筛选值分别评价为无风险和风险可控两个等级。在单指标土壤环境地球化学评价基础上，将单指标评价得到的最差环境等级赋为评价单元的土壤环境地球化学综合等级。

表4 土壤酸碱度（pH）等级评价标准Table 4 Assessment standard for soil pH

表5 农用地土壤污染风险筛选值和管制值（×10-6）Table 5 Risk screening and intervention values(×10-6)for soil contamination of agricultural land

表6 土壤环境地球化学等级划分Table 6 Classification scheme for geochemical grade of soil environment

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评价参照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）（国土资源部，2016）。土壤质量地球化学综合等级由评价单元土壤环境地球化学综合等级与土壤养分地球化学综合等级叠加产生，评价方法见表7。其中一等为优质；二等为良好；三等为中等；四等为差等；五等为劣等。

表7 土壤质量地球化学综合等级划分Table 7 Classification scheme for geochemical comprehensive grade of soil quality

2.3.4 无污染风险富硒土地划分

无污染风险富硒土地需要同时满足以下两点要求：（1）土壤重金属含量低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）（生态环境部，2018）规定的风险筛选值；（2）土壤Se含量介于0.40×10-6～3.0×10-6之间（国土资源部，2016）。

2.3.5 水稻富硒与重金属评价

根据《富硒稻谷》（GB/T 22499—2008）（国家质量监督检验检疫总局，2008）规定：通过自然生长过程而富集形成的硒含量介于0.04×10-6～0.30×10-6之间的稻谷（加工成三级大米）称为富硒稻谷。稻谷重金属评价依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）（国家食品药品监督管理总局，2017）和《粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY 861—2004）（农业部，2004）等标准规定的限量值（表8）。

表8 稻谷重金属元素限量（×10-6）Table 8 Limit of heavy metals in paddy(×10-6)

3 结果与讨论

3.1 土壤养分地球化学等级

3.1.1 土壤养分地球化学综合等级

土壤养分单元素评价等级及面积比例见图2。海渊镇土壤氮肥力较差，丰富和较丰富土壤面积之和仅占全区总面积的10.13%，中等和较缺乏土壤面积分别占全区总面积的38.62%和37.91%；土壤磷肥力很差，较缺乏和缺乏土壤面积之和占全区总面积的86.77%，丰富和较丰富土壤面积之和仅占全区总面积的2.17%；土壤钾肥力很差，较缺乏和缺乏土壤面积之和占全区总面积的87.82%，丰富和较丰富土壤面积之和仅占全区总面积的3.90%。海渊镇土壤酸化现象明显，其中强酸性土壤（pH＜5.0）占全区总面积的64.80%，酸性土壤（5.0≤pH＜6.5）占比24.65%。杨忠芳等（2006）、余涛等（2006）研究表明，土壤酸化会使其盐基离子淋失，养分贫瘠，尤其是会大大降低土壤有益元素有效态的含量，从而显著降低土壤肥力。

图2 海渊镇土壤养分单元素等级面积比例图Fig.2 The percentage of soil nutrient geochemical grade area in Haiyuan Town,Guangxi

从土壤养分地球化学综合等级评价结果（图3）可知，海渊镇土壤养分质量较差，各等级土壤分布情况如下：全区无丰富等级土壤分布；较缺乏等级土壤面积为122.69 km2，占全区总面积的55.68%；缺乏等级土壤面积为60.99 km2，占全区总面积的27.68%，主要在那才村、友福村、那禄村、三台村、北岩村等附近分布；中等等级土壤面积为32.49 km2，集中分布于华侨农场、桐骨村附近；较丰富等级土壤仅有4.18 km2，主要在桐骨村附近分布。

图3 海渊镇土壤养分地球化学综合等级评价图Fig.3 Map showing geochemical comprehensive grade of soil nutrient,Haiyuan Town,Guangxi

3.1.2 土壤硒元素地球化学等级

土壤硒元素地球化学等级评价结果见图4。海渊镇土壤硒等级以适量为主，面积为156.74 km2，占全区总面积的71.13%；高硒等级土壤面积44.82 km2，占全区总面积的20.34%，主要在桐骨村、那禄村、北岩村、那才村等附近分布；边缘硒等级土壤面积15.90 km2，主要分布在研究区中北部地区；硒缺乏土壤2.89 km2，仅占全区总面积的1.31%，零星分布于区内。

图4 海渊镇土壤硒元素地球化学等级评价图Fig.4 Map showing geochemical grade of soil selenium,Haiyuan Town,Guangxi

参考宋江涛等（2021）的方法，对研究区内不同成土母岩发育土壤硒元素含量进行统计分析（土壤样品数量低于15件不统计）（表9），探究不同成土母岩对土壤硒含量的影响。由表可见，8组地层中共有5组成土母岩地层的土壤硒平均含量低于富硒标准（0.40×10-6），同一地层组内土壤硒含量变化大，变异系数均在25%以上，部分变异系数可达50%以上。同时，区内不同时代地层中出现一个明显的富硒高峰，即三叠系罗楼组和二叠系礁灰岩。罗楼组主体岩性为灰岩和玄武岩，土壤硒含量为0.33×10-6～1.30×10-6，大部分土壤样品达到富硒标准；二叠系地层为生物礁灰岩，土壤硒含量为0.39×10-6～0.99×10-6，该组土壤样品富硒率达95%，这与雷天赐等（2020）研究的广西岩溶区土壤富硒比例高的结论相一致。

表9 不同成土母岩土壤硒元素地球化学特征值Table 9 Selenium contents characteristics of soils derived from different parent rocks

3.2 土壤环境地球化学等级

3.2.1 土壤酸碱度（pH）地球化学等级

从土壤酸碱度（pH）地球化学等级评价结果（图5）可知，海渊镇土壤以强酸性～酸性为主，其中强酸性土壤面积为142.80 km2，占比64.80%；酸性土壤面积为54.31 km2，占比24.65%；中性土壤面积为14.67 km2，占比6.66%，主要分布于研究区北部桐骨村、三台村一带；碱性与强碱性土壤面积之和为8.57 km2，占比3.89%，与中性土壤分布位置大体相近。

图5 海渊镇土壤酸碱度等级评价图Fig.5 Geochemical map showing soil pH grade,Haiyuan Town,Guangxi

3.2.2 土壤环境地球化学综合等级

土壤环境单元素评价等级及面积比例见图6。海渊镇土壤环境质量好，土壤重金属（镉、汞、铜、铅、锌、铬、镍）和类金属元素（砷）均以无风险等级为主，无风险等级土壤占全区总面积均大于96%。海渊镇仅有镉存在风险较高等级土壤，且该等级土壤仅占全区总面积的1.28%。

图6 海渊镇土壤环境单元素评价等级面积比例图Fig.6 The percentage of soil environment geochemical grade area in Haiyuan Town,Guangxi

从土壤环境地球化学综合等级评价结果（图7）可以看出：海渊镇土壤环境质量好，各等级土壤分布情况如下：海渊镇土壤以无风险等级为主，面积为210.59 km2，占比95.57%；风险可控土壤面积为6.93 km2，占比3.15%；风险较高土壤面积仅2.83 km2，主要分布在桐骨村以北地区。由环境单元素等级评价结果可知，决定海渊镇风险较高土壤分布范围的元素为镉。

由图7可见，土壤镉风险较高区域大体与二叠纪礁灰岩分布区（图1）相吻合，该地层分布区共采集表层土壤样品19件，其中镉含量属于风险较高等级的样品12件，风险可控等级样品6件，二者之和占样品总数的94.74%。此外，三叠系罗楼组（灰岩、玄武岩）分布区（图1）也有较大比例的镉风险可控区域。综上所述，海渊镇灰岩分布区表层土壤镉含量整体较高，这与Chen H Y et al.（2015）的研究结论相同：因为拥有大面积岩溶分布区，广西具有全国最高的表层土壤镉平均含量（1.05×10-6），远高于全国土壤Cd背景值（0.09×10-6）。余涛等（2006）、马宏宏等（2020）、王锐等（2020）研究表明：随着土壤酸化，重金属，尤其是Cd、Pb的生物活性显著提高，从而增加农作物对相应重金属的富集系数，给农作物安全生产带来潜在危害。

图7 海渊镇土壤环境综合等级评价图Fig.7 Map showing geochemical comprehensive grade of soil environment,Haiyuan Town,Guangxi

3.3 土壤质量地球化学综合等级

海渊镇土壤质量地球化学综合等级评价结果见图8。从总体评价情况来看，海渊镇土壤质量一般，以中等为主，面积124.01 km2，占比56.28%；差等土壤面积为60.04 km2，占比27.25%；劣等土壤面积为2.83 km2，占比1.28%，主要分布于桐骨村附近；优质和良好土壤面积之和为33.47 km2，占比15.19%，主要分布于思州村、华侨农场、峙北村、海湾村、桐骨村等附近。海渊镇土壤质量主要受土壤养分缺乏影响，劣等土壤主要由土壤镉超标导致。

图8 海渊镇土壤质量地球化学综合等级评价图Fig.8 Map showing geochemical comprehensive grade of soil quality,Haiyuan Town,Guangxi

3.4 水稻富硒及重金属安全性评价

水稻是海渊镇主产的粮食作物，本次研究共采集水稻样品60件，稻谷硒平均含量为0.06×10-6，高于国家富硒大米标准的下限（0.04×10-6）（国家质量监督检验检疫总局，2008），研究区水稻的高硒特征为打造天赐广“硒”奠定了重要的基础。60件水稻样品中，富硒样品共有40件，占比为66.67%，只有ZSP028样品的Cd含量（0.21×10-6）轻微超标（限量标准为0.20×10-6）（国家食品药品监督管理总局，2017），其他样品所有重金属元素含量均未超标，其中富硒、重金属不超标样品39件，占比65.00%；不富硒、重金属不超标样品20件，占比33.33%；富硒、重金属超标样品1件，占比1.67%；没有不富硒且重金属超标的样品。因此，在海渊镇产出的天然富硒稻谷安全性很高，可成为打造安全富硒农产品的主导粮食作物类型。

3.5 无污染风险富硒土地划分

海渊镇无污染风险富硒土地划分结果见图9，共圈定无污染风险富硒土地35.69 km2，其中集中连片分布区7个，即桐骨村南部、三台村东部、蔗元村、华侨农场、峙北村-北岩村、那禄村东部、那才村分布区。划定的无污染风险富硒土地可用于富硒无污染风险农产品开发与安全利用，在保障农产品安全性的前提下提高产品附加值，可以有效支撑乡村振兴战略的实施。

图9 海渊镇无污染风险富硒土地分布图Fig.9 Map showing the distribution of Se-rich with no contamination risks land,Haiyuan Town,Guangxi

4 结论

（1）海渊镇土壤养分质量较差，全区无丰富等级土壤分布。较缺乏和缺乏等级土壤面积占全区总面积的83.36%；土壤环境质量好，无风险等级土壤占全区总面积的95.57%；土壤质量一般，以中等为主，占全区总面积的56.28%。

（2）海渊镇土壤硒等级以适量为主，占全区总面积的71.13%。三叠纪罗楼组和二叠纪礁灰岩分布区土壤富硒比例明显高于其他沉积地层分布区。

（3）海渊镇水稻样品中富硒稻谷占比高达66.67%，水稻样品重金属超标率仅为1.67%。无污染风险富硒土地面积35.69 km2，其中集中连片分布区有7个，为富硒无重金属污染风险农产品开发提供了有利的条件。