刘海燕,马玉学,赵志鹏,赵银鑫

(1.宁夏回族自治区基础地质调查院,宁夏银川 750021；2.宁夏回族自治区水文环境地质调查院,宁夏银川 750021)

土壤质量是保障土壤生态安全及土地资源可持续利用的重要指标。土壤的健康、肥力和环境质量的综合,能够全面反映土壤的状况,土壤的综合质量表征了土壤促进生产力、环境保护能力及保障动植物健康的能力[1]。土壤质量综合评价概念与环境质量综合评价类似,评估指标也相似,需要从山、水、林、田、湖、草整体分析土壤的综合质量。功能优良的土壤质量相对高,反之,其质量低[1]。

永宁地区农田以中产田为主,近年来,为提高农作物产量,大量使用化肥、农药,导致浅层地表质量下降、土壤环境污染等。为进一步了解永宁地区农田土壤环境质量,开展土壤质量综合评价十分必要。

土壤质量综合评价方法较多[2],常用的有综合指数法[3]、模糊综合评价法[4-5]、灰色关联分析法[6]、主成分分析综合得分法[7-8]等。基于《宁夏沿黄经济区综合地质调查项目》(项目编号：0617-16130812)取得的土样数据,该研究以影响永宁地区土壤质量的54种理化指标为主,用GIS与模糊数学方法相结合,对永宁地区耕作区土壤质量进行综合评价与分级评定,为永宁地区耕地土地高效利用、生产力提高、耕地区生态保护提供科学依据[9]。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况永宁地区主体位于银川市永宁县,其北部、东南部局部地区跨入银川市西夏区和吴忠市所属青铜峡市管辖范围,地理坐标总体介于北纬38°10′～38°20′,东经106°00′～106°15′。永宁县地处银川平原,地势由西向东逐渐倾斜,海拔高程1 113～1 148 m,相对高差10～20 m。永宁县位于银川平原引黄灌区中部,是银川平原主要的农业产区之一,农田以中产田为主,该土壤研究区范围根据引黄灌溉水田范围划分,总面积254.31 km2(图1)。

图1 研究区位置示意Fig.1 Location diagram of study area

永宁地区耕地面积占70%以上,种植农作物种类较多,不同农作物交替种植,作物的种植直接改变着埋深0.5～1.0 m土体的结构，同时灌溉、施肥、施药等同时也改变着土壤化学组分等。

1.2 样品采集、加工与测试

1.2.1野外样品采集方法、技术。研究区内地貌类型为平原区,该次采样粒级0.85～4.75 mm,采样深度为0～20 cm。

(1)采样点位的布置。采样点在平原区按照采样格子(1 km2)均匀布设,点间距≥500 m(图2)。

图2 采样点分布Fig.2 Sampling point distribution

(2)样品采集。依据《区域地球化学勘查规范》(DZ/T 0011—1991)技术要点,选择在残(坡)积物发育的地段采集样品,每个样品由3～5个子样组合成,共采集样品251组。

1.2.2样品加工与测试。该次样品测试以Ag、Cd、Cu、Cr、F、Hg、I、K、Mn、Mo、N、Ni、P、Pb、S、Se、Zn、TFe(全铁)、MgO、CaO、OrgC(有机质)、pH 22种指标为主。宁夏基础地质调查院化学与核素分析室按照区域地球化学样品分析方法行业标准DZ/T 0279.(1—34)—2016进行测样,实验室检测仪器以大型X射线荧光光谱仪(日本理学公司ZSX Primus)和电感耦合等离子体质谱仪(美国热电公X Series)为主。

TFe、CaO、MgO、Cr、Cu、Mn、Ni、P、S、Zn 10个主、次、痕量元素和化合物采用粉末样品压片制样,用X射线荧光光谱仪进行测量。测试元素采用经验系数法与散射线内标法校正元素相互间的基体效应；Cd和Pb元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定；Ag元素采用发射光谱法(ES)测定；As、Hg元素采用氢化物-原子荧光光谱法(HG-AFS)测定；Se元素采用氢化物-原子荧光光谱法(HG-AFS)测定；F元素采用离子选择性电极法(ISE)测定；IMo元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定；Mo元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)；OrgC(有机质)采用重铬酸钾容量法测定；N元素采用凯式蒸馏-容量法测定；pH采用离子选择性电极法测定[10]。

2 土壤质量评价方法

2.1 土壤重金属元素评价标准及方法

2.1.1评价标准。依据《土壤环境质量标准(GB15618—1995》选择该次测试内容中8项主要环境质量指标进行评价。由于研究区内土壤pH偏碱性(pH=7.76～9.50),土壤分级标准及分类标准如表1所示。

表1 农用地土壤污染风险筛选值Table 1 Screening value of soil pollution risk of agricultural land 单位: mg/kg

2.1.2评价方法。

(1)单因子指数评价方法[11]。因地质背景与人为活动影响的程度存在着差异,土壤中元素含量及对土壤环境质量的贡献不尽一致[12]。依据土壤单元素质量分级统计,Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr等8项元素的环境质量指数(Zi)按照下式进行计算：

Zi=Xi/CⅠ(Xi≤CⅠ时)

Zi=1+(Xi-CⅠ)/(CⅡ-CⅠ)(CⅠ

Zi=2+(Xi-CⅡ)/(CⅢ-CⅡ)(CⅡ

Zi=3+(Xi-CⅢ)/CⅢ(Xi>CⅢ时)

式中，Zi为土壤环境质量指数；Xi为土壤实测数据；CⅠ为土壤一级临界值上限；CⅡ为土壤pH>7.5 时二级临界值上限；CⅢ为土壤三级临界值上限。

(2)尼梅罗综合污染指数法[11]。为了表示上述n项元素的综合污染程度,采用尼梅罗公式计算多元素污染指数Pi。土壤污染综合评价指数分级如表2所示。

式中，Pj为单元素污染指数值；Pj最大为选取元素中最大的指数值；n为参加统计的元素个数。

由上式可知,多元素污染指数P的大小取决于Pj最大值。

2.2 必需营养元素、有益微量元素丰缺评价标准及方法研究区内主要发展农业,土地利用结构以农业种植为主,土壤质量的优劣直接影响农作物生长[13]。氮、磷、钾、有机质、钙、镁、铁、硫、铜、锰、钼、锌等为生物完成其生命周期和维持正常新陈代谢过程所必不可少的营养元素,硒、碘、氟为维持人体生长发育所必需的微量元素。各类元素的过量或缺乏都会引起动植物生长发育缺陷。

2.2.1评价标准。根据土地质量地球化学评价规范DZ/T 0295—2016,土壤中氮、磷、钾全量，有机质、钙、镁、铁、硫、铜、锰、钼、锌等必需元素等级分级标准如表3所示,硒、碘、氟等有益元素等级分级标准如表4所示。

表2 土壤污染综合评价指数分级Table 2 Classification of comprehensive evaluation index of soil pollution

表3 土壤必需元素指标等级划分标准Table 3 Classification standard of soil essential element index

表4 土壤有益元素指标等级划分标准Table 4 Classification standard of soil beneficial element index

2.2.2评价方法。

(1)单元素等级划分。土壤必需营养元素依据表3中标准,对其单指标养分地球化学等级进行划分。土壤养分不同等级划分标准如下：一等,含量丰富；二等,含量较丰富；三等,含量中等；四等,含量较缺乏；五等,含量缺乏。

式中，f养综为土壤氮、磷、钾评价总得分,1≤f养综≤5；ki为氮、磷、钾权重系数,分别为0.4、0.4和0.2；fi为土壤氮、磷、钾的单元素等级得分,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。②土壤养分地球化学综合等级划分标准如下：一等,f养综≥4.5；二等,3.5≤f养综<4.5；三等,2.5≤f养综<3.5；四等,1.5≤f养综<2.5；五等,f养综<1.5。

3 评价结果

3.1 土壤重金属元素评价结果对照要求,研究区执行Ⅱ类土壤环境质量标准。依据表1中分级标准,分别计算了研究区内 Cr、Cu、Zn、Hg、As、Cd、Pb、Ni 8种重金属单元素土壤环境质量指数和多元素综合质量指数,评价土壤环境质量。单元素土壤环境质量指数评价结果如表5所示。

表5 土壤单元素质量分级统计Table 5 Statistics of soil single element quality classification

土壤环境质量的单因子评价结果显示,8种指标均满足农作物正常生长、维护人体健康需要。结合《宁夏回族自治区银川盆地多目标区域地球化学调查报告》中元素背景值的对比分析,除Cd(背景值为126.06)外,各指标元素的含量基本保持着自然背景水平,土壤环境质量良好。

根据评价结果(表6、图3),研究区内大部分土壤属清洁区、基本清洁区,土壤质量均为一等质量区,综合评价值在1.5以下,占研究区内土壤总面积99%以上。研究区内基本清洁区面积为19.35 km2,主要分布于中南部农声—农丰—西玉—位团、西邵—沙湖—李俊—东方一带。

表6 土壤环境质量综合评价结果Table 6 Comprehensive evaluation results of soil environmental quality

图3 永宁地区土壤环境质量综合评价分区Fig.3 Zoning of comprehensive evaluation of soil environmental quality in Yongning area

3.2 必需营养元素、有益微量元素评价结果

3.2.1必需营养元素评价结果。研究区内土壤氮、磷、钾、有机质等级划分丰缺面积和占比如表7所示。

表7 土壤必需元素等级划分丰缺面积一览Table 7 List of soil essential element grades

氮是促进农作物生长和产量提升的重要元素[14]。其含量均值1 004.67 mg/kg,中等级土壤面积145.08 km2,占总面积57.05%；缺乏-较缺乏级土壤面积109.22km2,较缺乏-缺乏氮元素含量低于1 000 mg/kg,占总面积的42.95%。磷是增加产量的主要元素,其平均含量1 003.37 mg/kg；较丰富-丰富区面积为237.10 km2,占总面积93.24%；中等级面积约15.32 km2,占总面积6.02%。钾元素含量均值为25.4 g/kg,最小值为18.2 g/kg,均大于15 g/kg；中等-丰富区面积为254.30 km2。有机质是氮源物质,其矿质化时释放的营养元素为植物生长提供养分,含量均值为8.9 g/kg;中等级土壤分布面积0.33 km2,占总面积的0.13%;缺乏-较缺乏级土壤面积为253.97 km2,占全区面积的99.87%,含量低于20 g/kg。氧化钙含量均值为7.88%,均在较丰富及以上；氧化镁含量均值为2.69%,丰富级土壤分布面积245.99 km2,占全区面积的96.73%。三氧化二铁含量均值5.03%,中等-丰富级土壤分布面积243.86 km2,占全区面积的95.89%。铜元素含量均值27.0 mg/kg,中等-丰富级土壤分布面积247.91 km2,占全区面积的97.49%。硫元素含量均值501.9 1 mg/kg；中等-丰富级土壤分布面积253.60 km2,占全区面积的99.73%。锰元素含量均值657.75 mg/kg；中等-丰富级土壤分布面积249.96 km2,占全区面积的98.29%。钼元素含量均值0.77 mg/kg；中等-丰富级土壤分布面积249.39 km2,占全区面积的 98.07%。锌元素含量均值73.1 mg/kg；中等-丰富级土壤分布面积233.40 km2,占全区面积的 91.78%。

3.2.2有益微量元素评价结果。研究区内土壤有益元素包括硒、氟、碘3种,含量评价标准见表4。通过评价分析,各元素含量统计情况见表8。

3种土壤有益微量元素中[15],碘元素含量基本全属于适量区,均值4.02 mg/kg,分布较均匀。根据国家标准，该区硒含量较低,适量区占比21.03%,边缘区占比达到73.39%,表现出硒含量空间分布较不均匀。氟是人体必需的且含量较大的微量元素之一,它主要分布于人体的骨骼和牙齿中。过量和缺氟都会对人体骨骼产生危害[16]。研究区内土壤氟元素平均含量 596 mg/kg,多为氟元素含量高区。氟元素大多为适量区之上,高等级区占比达到84.58%,氟含量的空间分布较为均匀。碘是人体及哺乳动物必需的营养元素,儿童更容易出现因碘过量导致的甲状腺肿大[17]。研究区土壤内碘元素平均含量4.02 mg/kg,整体为碘元素适量区,不存在边缘区、缺乏区及过剩区。

表8 土壤有益元素等级划分丰缺面积和比例一览Table 8 List of areas and proportions of soil beneficial elements

4 结语

依据土壤测试结果,永宁地区土壤pH介于7.76～9.50,土壤环境偏碱性。选取永宁地区农田表层土壤中与农作物生长关系密切的Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8种重金属,N、P、K、有机质、Fe、MgO、CaO、S、Cu、Mn、Mo、Zn 12项生长必需营养元素,Se、I、F 3种有益元素作为评价因子指标。采用单因子评价方法和尼梅罗综合污染指数法进行评价,得到以下结论。

(1)研究区土壤Cr、Cu、Zn、Hg、As、Cd、Pb、Ni均满足农作物正常生长、维护人体健康需要。除Cd外,各指标元素的含量基本保持着自然背景水平,土壤环境质量良好。研究区土壤清洁度均在基本清洁区以上,土壤质量均为一等质量区,综合评价值在1.5以下,未受重金属影响。研究区内清洁区面积为234.96 km2,基本清洁区面积为19.35 km2,适合研究区农作物生长。

(2)研究区内土壤必需元素磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、硫(S)、铜(Cu)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)含量多属二等(较丰富)以上,均满足研究区农作物正常生长需要。氮(N)元素含量属四等-三等(较缺乏-中等),部分地区较亏缺。有机质(SOC)含量多属五等(缺乏),亏缺尤为严重。

(3)研究区内土壤有益元素碘含量基本全属于适量区,均值4.02 mg/kg,分布较均匀。根据国家标准，该区硒含量较低,适量区占比21.03%,边缘区占比达到73.39%,表现出硒含量空间分布较不均匀。氟元素大多为适量区之上,高等级区占比达到84.58%,研究区氟含量富足。