农业生态地球化学与环境质量研究

农业生态地球化学与环境质量研究

作者:代杰瑞 庞绪贵 刘华峰 喻超 曾宪东 单位:山东省地质调查院

21世纪勘查地球化学在解决人类资源与环境的重大问题上发挥着巨大作用,区域地球化学调查应用于生态环境与农业地质研究方面的文献近10年来呈明显上升之势[1-9]。自中国地质调查局组织实施新一轮国土资源大调查以来,以基础性、公益性为特色,以服务于国土利用规划与管理、农业、矿产资源、基础地学等多领域为宗旨的多目标区域地球化学调查已先后在我国各省、市、自治区大范围实施。山东省东部地区是山东省经济最发达的地区,改革开放以来,随着工业化、城市化的快速发展,地质与地球化学环境变化对当地影响较大,导致与人类生活密切相关且关系到人类生存的生态环境问题不断出现。在山东省人民政府的支持下,2006年以来开展了山东省东部地区农业生态地球化学调查。本文以调查取得的土壤、浅层地下水等数据为基础,较系统地阐述了研究区土壤、浅层地下水地球化学特征及评价成果,并总结了本区存在的生态地球化学问题,这无疑是一项重要的基础工作,对本区资源、环境评价和国民经济可持续发展规划具有重要意义。

1调查区概况

调查区位于山东省东部地区,涉及陆地面积近5.4×104km2(见图1),包括青岛、烟台、威海、潍坊、日照、临沂等6个地级市的46个县。本区地势为东部、南部地势高,中部地势低,地貌以低山丘陵和山前倾斜平原为主,另有少部分中山和微倾斜低平原。低山丘陵标高200~400m,山前倾斜平原标高50~200m,全区最高峰崂山标高1133m。研究区水系发育,河网纵横,水库星罗棋布,交通便利。本区地处华北板块和秦岭—大别山板块结合带,山地丘陵区占全区总面积的55%,广泛发育有中元古代、新元古代和中新生代侵入岩,岩性主要为二长花岗岩、石英二长岩和花岗闪长岩,岩石风化残积物多形成棕壤性土、酸性石质土和酸性粗骨土,局部地段发育有元古代、中生代地层,岩性主要为砂岩和碎屑岩。第四系覆盖区约占全区总面积的45%,其最大覆盖厚度达150m。第四系成因类型多种多样,更新统以风成为主、残坡-坡洪积次之,全新统则以冲积为主,风成、海相沉积次之,土壤主要为潮土、褐土和滨海盐土[10]。

2生态地球化学调查工作方法

2.1土壤和地下水样品采集

表层土壤样品采用网格布样法采集,采样密度为1件/km2,在采样点周围50m范围内等量采集3~5点土壤组成一件样品。采样时除去表面杂物,垂直采集地表至20cm深的土壤,保证上下均匀采集,并弃去动植物残留体、砾石、肥料团块等,装入干净布袋,样品原始质量大于1000g;同时采集深层土壤样品,采样密度为1点/4km2,采样深度1.5~2.0m。土壤样品风干、敲碎、过833μm(20目)尼龙筛,并将4个相邻网格(表层样4km2,深层样16km2)的样品组合为1个样进行测试。表层土壤有效态样品采用网格布样法,采样密度为1件/16km2,采样方法同表层土壤样品。浅层地下水样按16km2的密度布设采样点,选择井径大、水位高的民井采集水样。取样时间为旱季(2008年10~12月),采样前先抽水一段时间去除井中滞留水,采样时尽量不扰动水体,采用瞬时采样法,把装样瓶沉入水下30cm处取样。在野外由采样人员按规程加保护剂后及时送实验室分析。

2.2土壤和地下水样品测试元素与指标

表层土壤、深层土壤样品测试Al2O3、CaO、K2O、MgO、Fe2O3、Na2O、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、SiO2、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、C、有机碳(OrgC)和pH值,共54项指标。样品由湖北省地质实验研究所采用X射线荧光光谱、等离子体质谱(ICP-MS)氢化物发生-原子荧光光谱(HG-AFS)、等离子体发射光谱(ICP-AES)等一整套大型精密仪器进行测试。表层土壤元素有效态样品由山东省地质科学实验研究院采用ICP-AES、AFS和碱解扩散等方法测定N、P、K、Mo、B、Mn、Cu、Zn、Fe、S、Se等元素有效量以及pH值。浅层地下水样品由山东省地质科学实验研究院采用ICP-MS、ICP-AES和原子荧光分光光度计测试Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cd、Hg、As、Pb、Se、Ni、Be、Ba、Co、Sr、Th、U、N、P、K、Cr(Ⅵ)及总硬度、溶解性总固体、氯化物、NO-2、高锰酸钾指数(COD)、氰化物、氟化物、碘化物、pH值,共30项指标。采用了标准样、密码样、监控样等多种监控手段,保证了分析质量的可靠性,测试质量通过了中国地质调查局专家组的验收。

2.3数据处理及图件编制

采用中国地质调查局发展研究中心开发的GeoMdis地球化学信息系统和R-2.6.1程序进行参数计算。土壤地球化学基准值的求取首先对数据频率分布形态进行正态检验。服从正态或对数正态分布的,分别用算术平均值和几何平均值代表基准值;不服从正态分布的,则按(算术平均值±3倍标准离差)反复剔除,平均值或几何平均值代表基准值;剔除后仍不满足正态分布的,则以众值代表基准值。背景值的求取方法与基准值相同。浅层地下水背景值是原始数据反复剔除2倍标准离差后确定的。利用中国地质大学研制的MapGis软件制作地球化学图以及综合评价图和解释图件。

3结果与讨论

3.1土壤地球化学特征及环境质量评价

山东省东部地区土壤地球化学基准值与背景值参数见表1。与全国土壤A层(51种元素或指标)丰度相比,山东省东部地区土壤背景值偏高的元素有:氧化物SiO2、Al2O3、K2O、Na2O,卤族元素Br、Cl,重金属元素Cd、Pb、Ba,其他元素N、S、Be、Zr、P、Sr。其中有害元素Cd为全国土壤丰度的1.2倍,Pb为1.1倍,与全国丰度差异不明显;Ba为1.65倍,明显偏高。土壤背景值偏低的元素有:碱金属、碱土金属CaO、MgO、Li、Rb等,放射性元素U、Th,铁族元素Cr、Fe、Mn、Ni、Co、V、Ti,B、As、Cu、Sb、Ni、Hg、Se等元素。其中Ca为全国丰度的45.3%,Mg为全国丰度的62.2%,Mo为全国丰度的71.3%,B为全国丰度的73.5%。所缺乏的元素中,除Ag、Nb、Sc、Hg、Sb、As外,大部分为动植物营养元素或有益元素,这种现象应引起重视。与全国土壤C层(仅13种元素)丰度相比,山东省东部地区土壤地球化学基准值仅Mn元素略偏高外,重金属元素Hg、As、Cd、Ni、Pb、Cr和有益元素Zn、Cu、Se、Co等均低于全国土壤平均值,一方面表明调查区绝大部分区域土壤环境质量较好,但另一方面也会造成微量营养元素不足,特别是Se仅为全国的41%,Zn含量仅为全国的74%,这些营养元素在土壤中原始储备量不足,是调查区表层土壤(种植土壤环境)出现缺素的根本原因。前人研究认为,土壤化学成分直接与基岩、母质类型相关,母岩风化形成的土壤的地球化学元素特征总体与岩石地球化学特征一致[11]。调查区发育中酸性、酸性侵入岩,酸性花岗岩大量出露,这类岩石本身缺乏MgO、CaO、Fe2O3、Co、Cr、V、Ti、Ni、Mn等,而富含K2O、Al2O3、SiO2、Na2O和Ba、Sr、S、P、Cd、Zr、Pb等元素,加上矿化作用的影响,致使这些元素的背景值较高。此外,土壤以粗骨土、石质土为主,显酸性,淋溶作用强烈,致使碱金属、碱土金属元素大量流失。#p#分页标题#e#

3.2土壤地球化学背景值与基准值对比特征

表层、深层土壤是在同一成土母质基础上发育而成,土壤地球化学含量特征理应一致,但表层土壤在成土过程中,受自然风化淋漓作用和人为扰动如后期工业“三废”、增施肥料、污灌和农药等因素影响,使其含量特征产生明显差异。因此,表层土壤中的元素含量,除受母岩风化成土作用的控制外,还受到人为活动的影响。对比表层土壤与深层土壤平均值(表1)可以看出,表层土壤中SiO2、Mo、Na2O、Sr、B、Zn、Sn、Br、Bi、Pb、Cu、Zr、Ag、Cl、Se、Cd、S、P、C、Hg、N、OrgC等元素或指标平均含量高于深层土壤,其中表层土壤中Se、Cd、S、P、C、Hg、N、OrgC平均含量比其深层土壤高出0.3~1.7倍,OrgC富集最为显著,反映了成土过程和人类活动对自然成分的改造是极其显著的;表层土壤中Zn、Pb、Cu、Se、Cd、S、P、Hg、N、OrgC等元素或指标平均含量明显增高与人类的工农业生产具有密不可分的联系。此外发现表层土壤中Co、pH、Sb、Ni、Li、Mn等元素或指标的平均值略低于深层土壤,其中pH值偏低反映了在成土作用和人为活动影响下土壤酸性增强的趋势,其余各元素在表层土壤与深层土壤的平均含量基本一致。根据土壤环境质量标准(GB15618—1995),采用尼梅罗指数法对表层土壤环境质量进行综合评价(表2),结果表明质量好和较好的Ⅰ类和Ⅱ类土壤占全区总面积的99.87%,其中Ⅱ类土壤占19.23%,主要分布在烟台—招远、牟平—乳山矿集区和沂沭断裂带北段以及城镇周边,主要与金矿作用和人类活动污染有关;质量差的Ⅲ类和劣Ⅲ类土壤占全区总面积的0.13%,主要呈“点源状”或小面积片状分布在栖霞市东部、烟台市高疃镇、乳山市下初镇、莱西市马连庄镇和临朐县龙岗镇,主要污染元素为Cd、Cr、Ni、Hg。

3.3浅层地下水地球化学特征及环境质量评价

从调查区浅层地下水元素含量统计结果(表3)可以看出,原始数据最大值与最小值一般相差数百倍至数千倍,有些指标如可溶性固体总量、总硬度、Cl-、U、Zn、Mn、Fe、Pb、Mo甚至相差上万倍;大多数指标在剔除离群值前后均值差异较大,如NO-2、Cl-、Mo、Fe、Mn剔除前平均值是剔除后平均值的5倍以上,这说明剔除样本大多数为高值数据,这部分可认为是在局部地质高背景或在人类活动影响下产生的异常数据,同时说明部分元素或指标含量变化较大,局部地下水水质较差。本区浅层地下水中大部分元素处于自然低背景含量状态,根据《地下水质量标准》(GB/T14848—93)中Ⅲ类水(可直接饮用水)标准,浅层地下水元素或指标超标情况见表4。由表4可见,NO2-、总硬度超标最严重,其次为溶解性总固体、高锰酸钾指数、Cl-、F-、Mn、Fe,少量点位的Cd、Cu、Co、Cr(Ⅵ)、Mo、Ba、Zn、Ni、Pb、pH、Be超标。根据浅层地下水超标的空间分布情况,Fe、Mn、Cl-、总硬度的大规模异常以自然成因为主,滨海地区含量增高,以致超过水质标准。而其他指标超标则可能是人为污染造成的,呈点源状分布在人口密集的乡镇及工矿企业周边地区。地下水指标超标可能对当居民的健康造成危害,应引起重视。

4调查区主要生态地球化学问题

4.1山地丘陵区土壤pH值低

土壤pH值反映其酸碱度,本区表层土壤的pH值在3.81~9.56,中值6.44,51.52%的样品呈酸性(pH值<6.5,见表5),酸性土壤主要位于山地丘陵区,而pH值大于7.5的碱性土壤区主要位于海积平原和现代滩涂。深层土壤的pH值在4.61~9.66,中值7.44。表层与深层土壤是在相同条件下(成土母质、气候、地貌等)发育而成的,与深层土壤pH值相比,表层土壤酸性、弱酸性所占比例增大(表5),而碱性土壤特别是强碱性土壤所占比例大幅度减小,统计表明从自然环境下的深层土壤到人为环境下的表层土壤酸性面积增加了42.12%,说明在成土作用和人为耕种影响下,如在不合理施肥、灌溉以及城镇化、工业区污染等人为扰动因素的影响下,表层酸性土壤比例增加,并在碱性废水排污等影响下向强酸化、强碱化两极化发展。这种变化对土壤生态环境具有不利影响,尤其是人类活动引起的表层土壤酸化现象应该引起足够的重视。土壤pH值降低可能引起土壤有效养分的淋失和有害重金属元素的活性增强[7,13]。从表6可见,速效K、有效S、有效B、有效Zn等元素有效态与pH值呈显著正相关(置信度α=0.05,相关系数的临界值为0.183),有效Se、有效Mn与pH值呈显著负相关。

4.2沿海土地贫瘠

沿海地带发育由海相沉积物形成的滨海盐土和滨海潮滩盐土,含沙量高于区内的潮土、棕壤、褐土,在风力作用下,形成滨海风沙带。滨海花岗岩台地灌溉水资源缺乏,多为旱地,农业耕作活动易使粗骨土、石质土中黏粒流失(或风蚀),造成表土沙化。由自然作用及人类活动产生的土壤沙化是导致沿海土地贫瘠的主要原因。有机质、N、P、K是土壤的主要养分指标,其含量的高低直接影响农业生产力水平。调查结果(表7)表明,沿海地带有机质、N、P、K含量均低于全区平均值,其中有机质、N明显偏低;有机质、N、K低于全省平均值。按农业部土壤元素全量分级标准,沿海地区全钾达到适度级水平,仅局部略缺乏,有机质、全磷为缺乏级,而全氮为严重缺乏级,养分总体供应水平低,土壤肥力水平较差。沿海地区土壤肥力水平偏低的现象应该引起有关部门的重视。

4.3局部土壤重金属污染严重

土壤重金属元素可以经过水体、土壤、食物链影响动植物和人体健康,是一种潜在的“化学定时炸弹”[14]。本文采用土壤地球化学基准值评价重金属污染程度[15-16]。计算得到表层与深层土壤元素间相关系数一般大于0.5,表明表层与深层土壤的原始物质组成基本一致,深层土壤元素含量在一定程度上可以代表表层土壤的原始物质(未受污染)元素含量[17-19]。因此,以16km2内的4个表层土壤样品元素含量平均值代表该单元的表层土壤元素含量并对应深层土壤。为消除成壤作用本身对表层土壤重金属富集作用的影响,求取表层土壤与该单元深层土壤元素含量比值Pi:Pi=C表/C表ScC深/C深Sc将比值Pi作为单项污染指数,用内梅罗综合指数法确定其综合污染指数P:P=(Pi2ave+Pi2max)/2槡]将指数P划分为:P≤2.0为清洁,2.0<P≤3.0时为轻度污染,3.0<P≤4.0为中度污染,P>4为严重污染。采用上述污染评价方法的评价结果见图2,可发现调查区表层土壤中存在两个明显的局部重金属污染带。第一个污染带主要分布在莱州—招远—烟台和牟平—乳山,范围大,由Hg、Cd、Pb等组成,达到重污染程度,该污染带内金矿点密集,表层、深层土壤元素分布分配特征差异明显,其污染因素可能主要与成矿作用产生的伴生重金属元素或金矿山开采引起的表层土壤重金属富集有关。第二个元素污染带主要分布在人口密集的城镇地带,以Hg、Cd、Zn、Se、S等元素为主,多为中度污染,局部已达重度污染,其元素的富集面积和强度明显弱于第一个污染带,该元素污染带在几处城镇区如诸城市、潍坊市、平度市、莱西市、乳山市、蓬莱市、青岛市北部等形成了清晰的Hg、Cd、Se、S等元素的浓集中心,人类活动(采金污染、工业生产、城市人口密集生活)等是造成表层土壤环境中此类元素含量较高的主要原因。以上分析了由人为成因导致土壤污染的分布形式与特点。自然地质作用也是导致本区土壤富集重金属元素污染的又一重要原因,自然作用与人为污染在表现形式上有一定区别。自然成因的土壤重金属污染具有非点源状、多元素组合、低强度、深层与表层同时富集等共性[20-22],如临朐东部Cu、Cr、Ni、Co等重金属相对富集范围(或异常区)与当地一套古元古代二长花岗岩的分布范围高度一致,是由地质背景所形成,非人为污染。对上述土壤重金属元素局部严重污染土壤中所种植的农作物进行抽样调查,发现因土壤重金属污染而出现了部分小麦、玉米等农作物样品的Cr、Cd、Pb、Zn等重金属元素含量超标,其中个别农作物样品的Cd、Zn超标相当明显(表8),另外还发现上述农产品产地土壤中As、Cu都没有超标,相应所采集的6件样品也均无As、Cu超标现象。这说明土壤中重金属元素污染可能是导致其所生长植物出现重金属含量超标的一个非常重要的原因。本区表层土壤重金属元素污染已对农产品的安全产生影响。5结语#p#分页标题#e#

(1)山东省东部地区5.4万km2的表层土壤和深层土壤地球化学调查表明,受母岩或母质的影响,土壤中Si、Al、K、Na、Br、Cl、Cd、Pb、Ba、S、Be、Zr、P等元素含量较高,而Ca、Mg、Fe、Mn、Ni、Co、B、Cu、Ni、Se等动植物营养元素或有益元素含量较低。对比本区土壤地球化学背景值和基准值发现,Zn、Pb、Cu、Se、Cd、S、P、Hg、N、OrgC等元素的背景值比基准值高出0.3~1.7倍,反映了本区成土作用和人类活动对上述元素在表层与深层土壤中含量与分布的影响是极其显著的。

(2)山东省东部地区酸性、弱酸性表层土壤分布面积达50%以上,并在人类活动影响下具有向强酸、强碱两极化发展的趋势,易引起土壤有效养分的淋失和有害重金属元素的活化;局部地区浅层地下水超过国家环境质量标准,NO-2、总硬度超标最严重,其次为溶解性总固体、高锰酸钾指数、Cl-、F-等,已经对居民用水产生影响;沿海地区N、P、有机质等营养水平较低;莱州—烟台和牟平—乳山矿集区以及人口密集的城镇地带表层土壤Hg、Cd、Pb、Zn、Se、S等元素污染严重。

(3)本文的研究结果表明,人类活动(采金污染、工业生产、城市人口密集生活等)和地质背景的共同作用,是造成局部地段土壤中重金属元素污染的主要原因。部分被严重污染的土壤中所富集的重金属元素已影响到植物,导致部分农产品中Cr、Cd、Pb、Zn等重金属元素含量超标,有必要对污染区农作物进行重复采样调查,进一步健全农产品污染物检测体系。