陈伟民，宋亚新，刘军，潘东，刘宏伟，白耀楠，王广磊，折士焜，王玉杰，高海鸥

（1.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012；2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

0 引言

土地是指地球陆地表面和近地面层包括气候、土壤、水文、植被以及过去和现在人类活动影响在内的自然历史综合体（刘军保等，2010），具有生物质的生产功能，城乡环境的调节、净化、循环、缓冲等生态服务功能，维持农民的基本生计功能服务，以及支撑城市社会经济发展和基础设施建设的空间需求四大功能（孙秀艳，2013）。土地质量地球化学评价是依据影响土地质量的营养有益元素、重金属元素及化合物、有机污染物、土壤理化性质等地球化学指标，及其对土地基本功能的影响程度而进行的土地质量地球化学等级评定。我国系统的土地质量调查始于1999年，自然资源部中国地质调查局在全国大范围内开展的1∶25万尺度的多目标区域地球化学调查研究工作，对我国耕地质量的地球化学总体状况形成了初步判断，为土地资源管理奠定了基础。1∶5万土地质量地球化学调查是在重点地区开展的一项调查评价工作，旨在查清土壤环境质量和特色土地资源分布，为土壤环境保护，绿色名优特农产品生产和土地资源生态管护等提供依据。近年来，一大批学者（魏静等，2014；王昌宇等，2019；武春林等，2019；吴云霞等，2019；陶春军等，2020；雍太健等，2020）依托土地质量地球化学调查工作，对重点地区土壤营养元素、特色元素、土地质量等进行了分析研究，为地区农业发展提供了科学建议。

张北县位于燕山—太行山连片扶贫区环绕京津地区，是国家级贫困县，2020年拟按程序退出贫困县序列。为助力张北县脱贫攻坚，2019年中国地质调查局启动的“河北张家口地区综合地质调查”项目，开展张北县台路沟乡等土地质量调查评价工作，查明土地质量现状，圈定优质土地区块，提出优质土地保护和合理利用建议。

1 研究区概况

台路沟乡位于河北省张家口市张北县东南部坝头一线，区域上属于内蒙古高原南缘的坝上高原区，地势总趋于南高北低，海拔1450～1860 m，是县境内连接坝上与坝下地区的第二大交通枢纽。年平均气温2.5℃，年均降雨平均量434.5～484.5 mm，多年平均年蒸发量858.5 mm。属典型的中温带半干旱大陆性气候。全乡总面积172.52 km2。耕地面积占总面积20.9%；林地占总面积22.9%；草地及荒坡、荒山占总面积56.2%，森林覆盖率为30%。土壤以栗钙土质为主，其次为沙土质、粘土质。

区内地层主要为大面积分布的中新统汉诺坝组（N1h）致密块状玄武岩、橄榄玄武岩与气孔、杏仁状玄武岩互层（图1）；其次为分布于南部镇虎台村西较小范围的上白垩统南天门组（K2n）黄褐色、砖红色砾岩、砂砾岩；以及全新统冲洪积物（Qhapl)、全新统坡洪积物砂砾石、亚砂土及亚粘士等。区内未见岩浆岩出露。主要有北东向的张北-沽源大断裂及其次级断裂。区内中北部橄榄石、玄武岩、黄土矿等矿产资源丰富，极具开采价值。

图1 台路沟乡地质简图

农作物以莜麦、亚麻、马铃薯为主，其中在春垦等行政村已经形成以马铃薯为主导产业的绿色农产品基地。

2 样品采集及评价方法

2.1 样品采集

2.1.1 土壤样采集

以土地利用类型为调查单元，耕地、园地采样密度为2～3点/km2，草地和林地1～2点/km2，建设用地与自然保留地1～2点/km2，同时按总样品的2%布设重复样。每个样品由5个子样等量混合组成，以布设的采样点图斑中心位置为主样点，同时向四周辐射50～100 m确定4子样点，子样点不能超出图斑范围。耕地采集耕层土壤，采样深度为0～20 cm；果园地的土壤，采集部位为0～60 cm的毛根区；林地草地土壤，采集深度为0～20 cm。

2.1.2 灌溉水样采集

基本采样密度一般为1点/10 km2。工作区是以地下水灌溉为主的地区，灌溉水样品按照井水点分布情况布设。取样前先用待取水洗涤装样瓶和塞子2～3次，再将取样瓶沉入水中30 cm深处取样，采样时尽量轻扰动水体，防止杂物混入。1000 mL原水样：指水样采集后，不添加任何保护剂。原水样保存于聚乙烯塑料瓶中。100 mL酸化水样：指水样采集后加入酸进行酸化的水样，酸化水样保存于聚乙烯塑料瓶中，加入0.5 mL硝酸（HNO3，1+1）溶液。

2.2 样品加工

土壤样品自然晾干后由技术人员过筛，压碎的土样全部通过2 mm的孔径尼龙筛，过筛后土壤样品称量后混匀缩分，一部分样品送实验室分析，副样（质量不低于300 g）装入干净塑料瓶，送样品库保存。样品晾晒、加工、运输过程严格把控，防止污染、混淆。

2.3 分析方法

样品测试由华北有色地质勘查局燕郊中心实验室承担。土壤样品测定了Cu、Pb、Co、Ni、Cd、V、Mo、Cr、K、Mn、P、Zn、As、Sb、Hg、Se、B、Sn、N、有机质、pH、速效钾、有效硼、有效锌等24项指标。灌溉水测定了Se、Cd、Pb、Cr、Hg、As、F、I、N、P、K、B、Mo、pH等14项指标。

土壤中Cd、Co、Cu、Mo、Ni、Pb、Cr、K2O、Mn、P、V、Zn采用电感耦合等离子质谱法测定，有机质采用红外碳硫法测定，N采用凯氏定氮法测定，B、Sn采用光谱法测定，As、Sb和Hg采用氢化物发生原子荧光法测定，Se采用氢化物发生原子荧光光谱法测定，pH值采用酸度计测定，速效钾、有效锌采用等离子体发射光谱法（ICP-AES）测定，有效硼采用等离子体质谱法（ICP-MS）测定。

灌溉水中Pb、Cd、Mo、K+采用电感耦合等离子体质谱法测定，As、Hg、Se采用原子荧光光谱法测定，Cr、I、N、P采用分光光度法测定，F采用离子选择电极测定，pH值采用pH计测定。

采用插入标准样、重采样、外控样等多种监控手段，保证了分析质量的可靠性。本次检测工作中，各类样品所有检测项目的一级标准物质检测合格率均达到100%；全部项目检测的内检合格率均达到100%；全部项目检测的报出率均达到100%；元素异常复查合格率均达到100%。

2.4 评价标准与方法

本文土地质量地球化学评价主要包括土壤养分、土壤环境评价、土壤质量评价、灌溉水环境评价及土地质量地球化学等级评价等。评价方法参照《土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）》①等相关评价部分。

其中，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB 15618-2018）》②评价该区土壤环境质量状况，分为优先保护区、安全利用区和严格管控区。其中，Ni、Cu、Zn不划分严格管控区。当土壤中的污染物含量等于或低于规定的风险筛选值时，农用地土壤污染风险低，一般可忽略，该类地区可划分为无风险的优先保护区。当土壤中的污染物含量高于风险筛选值时，农用地土壤可能存在污染风险，应加强土壤环境监测和农产品协调监测。当土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr含量高于风险筛选值，等于或低于风险管制值时，农用地土壤可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，该类地区划分为可能存在风险的安全利用区，原则上应采取农艺调控、替代种植等安全利用措施。当土壤中的Cd、Hg、As、Pb、Cr含量高于风险管制值时，农用地土壤存在食用农产品不符合质量安全标准的污染风险较高，且难以通过安全利用措施降低农用地土壤污染风险等级，该类地区应划分为高风险的严格管控区，原则上应采取禁止种植食用农产品、退耕还林等严格管控措施。

在单因子指标评价的基础上，运用一票否决法进行多因子综合分级评价。当单因子指标均为优先保护区时，综合评价认定为优先保护区；当单因子指标有1个为安全利用区，其他单因子指标均为优先保护区时，综合评价认定为安全利用区；当单因子指标有1个为严格管控区，其他单因子指标为优先保护区或安全利用区时，综合评价认定为严格管控区。

3 土地质量地球化学评价

3.1 土壤元素地球化学参数特征

对台路沟乡表层土壤元素地球化学特征参数统计分析，与河北省平原区表层土壤背景值相比（表1），台路沟乡土壤中Ni、有机质含量显著偏高（富集系数（K1>1.6）），B、Cd、P元素显著偏低（富集系数（K1<0.6））；土壤中Co、N、Mo、V、Cr、Mn等元素含量相对较高（富集系数（1.0

表1 台路沟乡土壤元素地球化学特征参数表

3.2 土壤质量地球化学等级

3.2.1 土壤养分地球化学等级

（1）土壤单元素或单指标养分等级

台路沟乡土壤中氮元素含量以中等为主，占总面积的46.37%，丰富-较丰富区合计占总面积的40.86%；磷元素含量以较缺乏为主，占总面积的52.51%，丰富-较丰富-适中区合计占总面积的38.10%；钾元素含量以较丰富为主，占总面积的53.96%；有机质含量以中等为主，占总面积的42.32%，丰富区占总面积的11.02%，较丰富区占总面积的12.35%；有效硼含量以中等为主，占总面积的67.71%；有效锌含量以较丰富为主，占总面积的62.71%；速效钾含量以较缺乏为主，占总面积的58.48%，中等区占总面积的35.71%；Se状况以边缘（较缺乏）为主要，占总面积的56.36%，适中比例为32.22%。

（2）土壤养分地球化学综合等级

依照《土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）》①有关土壤养分地球化学综合评价等级划分，对工作区土壤养分地球化学综合评价等级进行了评价。台路沟乡土壤总体养分状况为中等适中，占总面积的66.85%，较丰富比例为19.07%，较缺乏比例为13.84%，不存在养分缺乏地块。

3.2.2 土壤环境地球化学等级

（1）土壤单元素或单指标环境质量等级

台路沟乡土壤pH值为6.56～8.67之间，平均值7.30，按照土壤酸碱度分级标准，台路沟乡大部分地块以中性土壤（6.5≤pH≤7.5）为主，占总面积的75.56%，北部土壤以碱性（7.5≤pH≤8.5）为主，占总面积的24.37%。

土壤中As、Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Zn等元素环境地球化学质量为一等（无风险）。Ni元素存在二等（风险可控），但超标面积极小，占总面积的1.12%。超标地块主要在大圪垯村北、前后花村东、朝阳窑村-郭家村，主要林地、草地及采矿用地。全乡没有高风险污染地块。

（2）土壤环境地球化学综合等级

台路沟乡土壤环境地球化学综合评价等级以一等无风险区为主，占总面积的98.88%。二等风险可控区占总面积的1.12%，主要是受Ni元素的污染影响，位于前大营滩西南、羊囫囵长、朝阳窑村北东、镇虎台村北东等少量地块。无三等高风险区。

3.2.3 土壤质量综合评价

土壤质量地球化学综合评价等级以良好级质量为主（图2），占总面积的66.46%。优等级区占总面积的18.57%，中等级占总面积的25.82%。无差等、劣等级。

图2 张北县台路沟乡土壤质量地球化学综合等级图

3.2.4 绿色农产品产地土壤环境评价

依照《土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）》①及《绿色食品产地环境质量（NYT 391-2013）》④土壤质量要求标准，对工作区绿色农产品的土壤环境进行评价。查明台路沟乡土壤168.19 km2约97.49%的面积符合绿色食品产地环境质量标准，仅2.51%约4.33 km2的土壤不符合绿色食品产地环境质量标准，调查区土壤具有开发绿色食品的巨大潜力。

3.3 灌溉水环境地球化学等级

对20件灌溉水进行统计，台路沟乡灌溉水各项元素均处于分级标准值限量标准以下（表2），灌溉水环境地球化学等级为一级。

表2 台路沟乡灌溉水元素特征统计表

3.4 土地质量地球化学等级

在土壤质量地球化学综合等级基础上，叠加灌溉水环境地球化学综合等级，形成土地质量地球化学等级。因灌溉水环境地球化学等级为一级，综合分析显示，台路沟乡土地质量地球化学等级与土壤质量地球化学综合等级一致，以良好级质量为主，占总面积的66.46%；优质级区占总面积的18.57%，中等级占总面积的14.97%，无差等、劣等级。

4 讨论

4.1 土壤中Ni元素的二等风险可控（污染）问题

从台路沟乡莜麦的根系土重金属元素赋存形态特征（图3）分析，Ni以其残渣态所占比例均在76%以上，这可能说明Ni元素主要来源于母岩自然风化过程。台路沟乡大面积出露的主要地层为中新统汉诺坝组，岩性为致密块状玄武岩、橄榄玄武岩与气孔、杏仁状玄武岩互层。该岩性普遍具有较高的Co、Ni、Cr含量。据李天福等（1999）资料表明，汉诺坝玄武岩中Cr、Co、Ni含量为89～177 μg/g、43.4～52.8 μg/g、269～282 μg/g，高出河北平原区表层土壤背景值（Cr 65.21 μg/g、Co 12.01 μg/g、Ni 28.06 μg/g），岩石中的大部分元素经过物理、化学风化及生物作用进入土壤，土壤继承了大部分岩石中元素的含量特征，造成台路沟乡土壤中Cr、Co、Ni元素含量较高，显示部分土壤Ni的二等风险可控（污染）（占总面积的1.12%）。

图3 台路沟乡根系土重金属元素赋存形态特征图

4.2 酸碱度对土壤硒含量的影响

土壤酸碱度（pH值）是影响土壤硒含量的重要指标，是土壤在其形成过程中受生物、气候、地质和水文等因素综合作用所产生的属性，主要影响土壤硒的赋存形式和生物有效性，进而影响土壤硒含量。评估区表层土壤pH值为6.56～8.67（表1），平均值为7.30，变异系数为25.13%，表明其空间变异性较小，碱性土壤广泛分布。R型因子分析发现Se含量与pH值呈显著负相关，说明评估区酸性土壤中硒容易富集，碱性土壤中硒不容易富集。所以土壤中Se状况以边缘（较缺乏）为主要，占总面积的56.36%，适中比例为32.22%。

4.3 土地施肥建议

依据土壤肥力分布及N、P、K主要养分元素的地球化学丰缺等级成果，对台路沟乡土壤养分等级进行综合划分，划定不同类型的丰缺素区，并针对不同的缺素区，给出相应的施肥建议（图4），其中有34.14%的区域（面积58.90 km2）氮磷钾均不缺，该区域可不简易施肥；51.64%的区域（面积89.09 km2）氮钾平衡缺磷，该区域建议适当增加磷肥；10.26%的区域（面积17.70 km2）钾平衡缺氮磷，该区域建议适当增加氮肥和磷肥；2.09%的区域（面积3.61 km2）磷钾平衡缺氮，该区域建议适当增加氮肥；1.44%的区域（面积2.48 km2）氮磷平衡缺钾，该区域建议适当增加钾肥；0.43%的区域（面积0.73 km2）磷平衡缺氮钾，该区域建议适当增加氮肥和钾肥。

图4 台路沟乡土壤平衡施肥建议图

5 结论与建议

（1）与河北省平原区表层土壤背景值相比，台路沟乡土壤中有机质含量显著偏高，P元素显著偏低。台路沟乡土壤中Ni、Co、N、Mo、V、Cr、Mn等元素含量相对较高，Pb、Sb、As、Hg、Sn、B、Cd等元素含量相对较低。有效锌、有效硼、速效钾、Cd等变异系数大于30%，说明这部分元素、指标分布较不均匀，部分可能与地质背景及人为干扰等因素有关。

（2）台路沟乡土壤养分元素主要较缺乏磷及速效钾、硼、铜、硒。

（3）台路沟乡土壤环境地球化学综合评价等级以台路沟乡土壤环境地球化学综合评价等级以一等无风险区为主，占总面积的98.88%。二等风险可控区占总面积的1.12%，主要是受Ni元素的污染影响。

（4）台路沟乡土壤约97.49%的面积符合绿色食品产地环境质量标准，具有开发绿色食品的巨大潜力。

（5）台路沟乡灌溉水各元素均处于限量标准以下，为优质灌溉水。

（6）台路沟乡土地质量地球化学等级以良好级质量为主，占总面积的66.46%；优质级区占总面积的18.57%，中等级占总面积的14.97%，无差等、劣等级。

（7）依据土壤肥力分布及N、P、K主要养分元素的地球化学丰缺等级成果，对台路沟乡土壤养分等级进行综合划分，划定不同类型的丰缺素区，并针对不同的缺素区，给出相应的施肥建议，对于缺氮地区适当增施氮肥，缺磷地区适当增施磷肥，缺钾地区适当增施钾肥，即有缺什么补什么，有条件可施用有机肥，增加和更新土壤有机质，改良土壤理化性质，同时应定期增施微肥，提高土壤微量元素含量，提升农作物品质和产量。当然，今后应控制化肥的使用，长期使用会造成土壤中重金属元素的富集。

注 释

①中华人民共和国国土资源部.2016.土地质量地球化学评价规范:DZ/T 0295—2016[S].北京:地质出版社.

② 生态环境部，国家市场监督管理总局.2018.土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）:GB 15618—2018[S].北京:中国环境出版社.

③河北省地质调查院.2010.中华人民共和国多目标区域地球化学调查报告1∶25万河北省张家口盆地[R].21-26.

④ 中华人民共和国农业部.2013.绿色食品产地环境质量:NYT 391—2013[S].北京:中国农业出版社.

⑤ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.2015.农田灌溉水质量标准:GB 5084—2005[S].北京:中国标准出版社.