2019, Vol. 28
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土壤生态地球化学研究可以了解元素在土壤中分配、分布特征和变化规律，并根据这些特征进行土壤环境质量评价，为土壤污染治理、农作物种植调整和土地利用规划等政府部门管理决策提供依据.根据辽宁南部（大连-营口地区）多目标地球化学调查数据，研究元素含量在土壤中的分配、分布特征，评价重金属元素对土壤环境质量的影响，为该地区土壤生态地球化学研究提供新的认识和依据.
1 研究区概况研究区位于辽宁省大连-营口地区，面积为2.02×104 km2，行政区范围主要包括大连市、营口市和鞍山市3个地级市的部分地区.地貌特征为低山丘陵地形区，地势为中部高，南北和西部低.西部和南部临海，中北部为千山山脉.区内河流密布，较大的有碧流河、复州河、海城河等.
区内矿产资源丰富，矿山林立，铁、菱镁、滑石、硼、玉石、金刚石、石灰石和大理石等资源蕴藏量十分可观.总之，研究区是辽宁省重要的农业、渔业、工业和生态旅游业经济区，交通便利.
区内土壤类型有棕壤、草甸土、粗骨土、滨海盐土、水稻土、褐土.其中以棕壤为主，分布面积最大，约占辽东半岛全部土壤面积的75%，几乎覆盖全区.其次为草甸土、粗骨土、滨海盐土、水稻土和褐土.
2 工作方法及质量评述 2.1 土壤地球化学调查方法土壤调查分别采集表层和深层土壤样品.表层采样密度为1个点/km2，采样深度0~20 cm，每4 km2组合一个分析样；深层采样密度为1个点/4 km2，采样深度150~180 cm，每16 km2组合一个分析样[1].采样定点采用GPS定点与航迹监控.调查总面积2.02×104 km2，采集单点表层样品19 799件，深层样品4 801件.元素地球化学图能清晰反映研究区的基本地质背景状况，野外采样质量可靠.
2.2 样品分析土壤样品分析指标为Ag、Au、As、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Cr、Cl、Co、Ce、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Ni、Nb、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、TC、Corg、pH共54项.
采用实验室外部质量监控和内部质量监控相结合，以外部质量监控为主的方法监控土壤与样品的分析质量.
实验室内部质量控制：全部样品均匀插入国家一级土壤标准物质与样品同时分析，控制试样分析的准确度、精密度及不同实验室、不同地区和不同分析方法间的系统偏倚；按总样品数的5.93%重复性检验样品，并对项异常值进行抽查.分别计算各元素测量值与标准值之间的准确度合格率（%）、精密度（λ）合格率（%）、重复性检验合格率（%）、异常点抽查合格率（%）.
实验室外部质量控制：全部样品插入标准控制样与样品同时分析，分别计算单个控制样单个元素测量值与试用值间对数差的合格率（%）、相关系数（r）、双样本的方差检验（F检验），进行质量控制[1].双样本方差检验和成图效果均证实，分析质量可靠.
3 土壤地球化学特征 3.1 土壤地球化学参数特征研究区土壤调查获得的数据量巨大，共获得30余万个地球化学数据.了解各元素含量的特征是研究工作中要解决的首要问题.参数统计包括样本数（N）、平均值（X）、标准离差（S）、变异系数（CV）、以及最大值（Xmax）、最小值（Mmin）[2]（见表 1）.经研究发现，土壤表层（0~20 cm）各元素含量变化相对较大，而土壤深层（150~200 cm）元素的地球化学作用相对稳定.因此，主要以土壤表层中元素的生态地球化学特征予以表述.
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表 1 土壤表层地球化学参数统计表 Table 1 Geochemical parameter statistics of topsoil |
由表 1可以看出，变异系数CV＞50的元素有I、Hg、B、Sr 4种；CV＜20的元素有Zr、Y、K2O、Ti、Tl、Ga、Ge、SiO2、Rb、Nb、Al2O3等11种；而大部分元素的变异系数是在20~50之间.由此可以得出：在研究区表层土壤中，元素含量的变化不十分强烈，分布较均匀，地球化学作用较稳定.
以各元素含量平均值与中国土壤（A层）值[3-5]进行对比发现：
比例系数x＞1.10的元素有TOC、Cd、S、N、Ba、Cl、Sr、P、I、Na2O、Be、TC、Se、Zr、Sn、K2O 16种；0.90 < x < 1.10的元素有Pb、Ga、Au、Al2O3、Rb、La、Ce、SiO2、Ge、Tl、F、Zn、Hg、Mn、Cu、Br、TFe、Cr、Bi、Co、Y 21种；x＜0.9的元素有Nb、Ag、Th、Ti、Ni、B、Li、V、Sc、U、Mo、W、Sb、As、MgO、CaO 16种.
辽宁南部土壤中各元素含量与中国土壤（A层）值相比，变化不是十分显著，相对稳定.高于中国土壤（A层）值的元素与均衡元素较多，如TFe、Co、Cr、K2O和Rb等.低于于中国土壤（A层）值元素少，如MgO、Ti、V、B和Th等.元素含量具有明显的增高趋势，以TOC、TC、N、P、S、Se、Ba、Sr等高于中国土壤（A层）值的程度较高，以TOC和N程度最高. CaO含量极度低，不及标准值的一半.
表层土壤以“中国土壤”为标准相对高的元素依次为TOC、Cd、S、N、Ba、Cl、Sr、P、I、Na2O、Be、TC、Se、Zr、Sn、K2O；含量低的元素以W、CaO、MgO、As、Li和Sb为主.
土壤的形成受基岩、成土母质，以及气候、地貌、植被等诸多因素的影响[6-8].其中，地质条件是极为重要的初始物质来源，成土母质是形成土壤的物质基础，气候、地貌、植被、水文地质条件等是形成土壤的重要影响因素.研究区内土壤所处地形多属低山、丘陵、低岗和高丘一带，成土母质有各种岩石残积物及坡积物和黄土状物质等，山地丘陵区发育着早前寒武系结晶基底、寒武-白垩系沉积盖层和中生代侵入岩、火山岩等.由于残积物及坡积物中基岩成分相对较高，矿物成分改变相对少些，使得元素的含量相对较高，而黄土状物质的黏性对保护元素含量的流失起到了一定的作用.研究区水系较发育，来自于基岩的地下水和地表水相对较多，冲积物形成的土壤基岩成分相对较多，使元素含量相对高些.因此，表层土壤中大部分元素的含量与中国土壤（A层）相比含量较高或相差不大.
3.2 不同土壤类型的元素地球化学特征按土壤发生类型划分，研究区土壤为棕壤、草甸土、滨海盐土、水稻土、粗骨土、沼泽土、火山灰土和风沙土.其中以棕壤、草甸土、滨海盐土、水稻土分布最为广泛.根据不同土壤类型对元素的平均值进行了统计（见表 2）.
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表 2 各土壤类型元素含量平均值统计 Table 2 Average element content statistics by soil types |
与中国土壤（A层）相比，棕壤含量高的元素为：Corg、Cd、Cl、I、N、S、Sr、Ba、P、TC、Au、Na2O、Se、Zr、Be、Sn、K2O、Pb，其中有机碳的含量高的程度最高，平均含量为1.00%，是中国土壤（A层）含量（0.35%）的2.86倍.
与中国土壤（A层）含量水平基本相当的元素有Ga、Hg、Al2O3、La、Rb、Ce、SiO2、Cu、B、Ge、F、Tl、Zn、Bi、Br、Mn、Co、Cr、TFe、Ag、Th.
相对中国土壤（A层）含量低的元素有Nb、Ti、Y、Ni、V、Sc、Mo、Li、U、W、Sb、As、MgO、CaO.其中MgO和CaO含量偏低，平均为1.24%和1.41%. As的含量也相对较低，平均为7×10-6，与中国土壤（A层）含量比值仅为0.73.
3.2.2 草甸土草甸土的元素含量特征与棕壤相似，但元素含量高的程度要低于棕壤.在草甸土中含量高的元素有Corg、Cl、Sr、Cd、Ba、S、N、P、Na2O、I、Au、Zr、Be、K2O、TC.这一组合的元素种类与含量高的程度排序都与棕壤类似，但含量高的程度略有不同，草甸土中Cl、Sr和Ba的含量要高于棕壤，Corg、S、N和P的含量较低，这与两类土壤形成时的地势差异存在一定关联.
与中国土壤（A层）含量水平基本相当的元素有Se、Pb、Sn、Hg、Al2O3、SiO2、Rb、Br、Ga、B、La、Ge、Tl、Ce、F、Zn、Cu、Ag.
相对中国土壤（A层）含量低的元素有Mn、Cr、Bi、Y、Th、TFe、Co、Ni、Nb、Ti、V、Sc、Li、Mo、U、W、As、Sb、MgO、CaO.
3.2.3 滨海盐土滨海盐土含量高的元素相对较少，有Cl、Br、I、Corg、S、Cd、Sr、N、Ba、Na2O、Zr、P、B、Au、Be、TC.卤族元素含量高是其突出特征，Cl的含量为1591×10-6、Br为10×10-6、I为5.26×10-6，都远高于研究区土壤和其他土壤类型平均含量. Cl的含量高的程度最高，是中国土壤（A层）含量（68×10-6）的23倍多.滨海盐土中S的含量高的程度也高出其他类型土壤，平均为333×10-6，是中国土壤（A层）含量的2.22倍. N和P的含量水平则略低于其他类型土壤，与中国土壤（A层）含量比值仅为1.26和1.20.
滨海盐土含量均衡的元素居多，与中国土壤（A层）含量水平基本相当的元素有La、Sn、Se、K2O、Pb、Ce、Ge、Rb、Al2O3、Ag、F、SiO2、Ga、Hg、Li、Y、Mn、Zn、Cu、Tl、Cr、Th、Nb、TFe、Bi、Co、Ni，达到27种.
相对中国土壤（A层）含量低的元素较少，有Ti、V、Sc、Mo、MgO、U、W、As、Sb、CaO.就整体含量特征而言，滨海盐土与棕壤和草甸土仍具有共性.
3.2.4 水稻土水稻土中含量高的元素居多，有Corg、Cl、S、Cd、I、N、Br、Se、TC、Hg、Ba、P、Be、Au、Sn、Sr、Pb、La、Bi、Ce、Li、F、Al2O3、Ag、Ga、Rb、Na2O、K2O、Zn，共计29种.
与中国土壤（A层）含量水平基本相当的元素有Cr、Tl、Ni、Ge、TFe、Co、Ti、B、Nb、Zr、Th、Y、SiO2、Sc、U、V、Mn、W、Mo.虽然Fe等元素与中国土壤（A层）含量基本相当，但都高出其他类型土壤.
相对中国土壤（A层）含量低的元素很少，只有Cu、As、MgO、Sb、CaO共5种.
3.2.5 粗骨土粗骨土中含量高的元素极少，仅有Ba、Cl、K2O、Na2O、SiO2. SiO2与Na2O和K2O是构成石英砂和长石砂的主要成分. Ba也是长石类矿物中的高含量元素，是粗骨土中含量高的元素，平均为858×10-6，是中国土壤（A层）含量的1.72倍.粗骨土中均衡的元素也较少，为Corg、S、Rb、Sr、Zr、Ge，共6种.
粗骨土中含量相对低的元素居多，有Cd、Tl、Pb、Th、Au、P、Al2O3、Br、Cu、La、Ag、N、Be、Ga、Hg、Ce、B、Sn、Y、Nb、Se、I、Ti、U、TC、Cr、Mo、Mn、TFe、Sc、Li、As、Co、V、Zn、F、Sb、Ni、Bi、W、MgO、CaO，共42种.
粗骨土元素含量高的程度在所有类型的土壤中为最低者，除Ba、K2O、Na2O和SiO2外，所有元素的平均含量都是该区最低者.
3.2.6 沼泽土沼泽土含量的元素居多，有Corg、Cl、Br、I、S、Cd、N、P、Ba、Sr、TC、Se、Au、Be、Na2O、Pb、La、Hg、Ce、Ga、K2O、Al2O3、Zn、Sn、F、Rb、Ag，共27种.
与中国土壤（A层）含量水平基本相当的元素为Zr、Tl、Ge、Bi、Mn、TFe、Li、Cr、Nb、Co、SiO2、Ti、Th、Cu、Ni.
4 土壤环境质量评价土壤环境质量评价是研究土壤生态地球化学特征的重要内容，对于提高农作物的品质和产量，防止土壤及农作物的重金属污染具有重要的意义[9-13].
4.1 评价标准土壤环境质量评价是依据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）（GB15618-2018）所列的Hg、Cd、Pb、Ni、Cu、Zn、Cr、As等8个重金属元素，通过分析对比研究区土壤中元素的含量与土壤环境质量标准（表 3），对测区土壤环境地球化学质量作出评价.
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表 3 土壤环境地球化学单指标等级 Table 3 Single index grade of soil environmental geochemistry |
依据研究区土壤调查所获得的表层土壤重金属元素数据，根据土壤环境质量标准（GB15618-2018）对土壤8个重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的环境质量进行了评价[14]，见表 4.
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表 4 研究区重金属元素土壤环境质量分等结果 Table 4 Soil environmental quality grading of heavy metal elements in the study area |
砷（As）的环境质量整体良好，一类土壤居多，面积20 136 km2，为总面积的99.56%.二等土壤面积较少，只有20 km2，占总面积的0.1%.三等土壤占总面积的0.32%.
镉（Cd）的环境质量良好，但与其他重金属元素相比，Cd的环境质量整体略低，一等土壤面积为19 680 km2，占总面积的97.31%，较低于研究区内其他重金元素；二等土壤面积508 km2，占2.51%；三等土壤面积32 km2，仅占0.16%.
铬（Cr）的环境质量良好，一等土壤面积为20 132 km2，占99.54%；二等土壤面积72 km2，较Cd、Cu、Ni少；三等土壤面积累计16 km2，不足0.1%，少于Cd、AS.
铜（Cu）的环境质量良好，一等土壤面积为19 968 km2，占98.74%，二等土壤面积为252 km2，占1.25%. Cu不存在三等土壤.
汞（Hg）的环境质量良好，绝大部分土壤为一等土壤，占总面积的99.78%. Hg的二等土壤分布较为分散，无集中区域；三等土壤面积极少，只有零星分布，占总面积的0.02%.
镍（Ni）的环境质量良好，一等土壤占总面积的98.12%，二等土壤面积占总面积的1.84%，三等土壤面积极少，只有少量分布，占总面积的0.02%.
铅、锌（Pb、Zn）的环境质量最好，基本全是一等土壤，占99.98%，二等和三等土壤几乎为零.
综合各元素的环境质量可以看出，研究区土壤环境质量优良，无风险（优先保护类）的一等土壤面积基本都在98%以上，只有镉（Cd）略微低些；风险较高（严格管控类）三等土壤面积最高也只占总面积的2.51%（Cd）.
4.3 土壤环境质量综合评价以土壤质量地球化学综合等级划分方法（表 5），对研究区的土壤综合环境质量做整体评价[15-16]，其评价结果见表 6.
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表 5 土壤质量地球化学综合等级划分方法 Table 5 Comprehensive grading of soil quality geochemistry |
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表 6 土壤地球化学综合等级划分结果 Table 6 Comprehensive grading results of soil geochemistry |
由表 6可以得出：研究区土壤地球化学综合质量整体状况良好：一等、二等（无风险，优先保护类）土壤面积较大，为19 486 km2，占全区的96.37%，三等（风险可控，安全利用类）土壤为648 km2，占3.2%，五等（风险较高，严格管控类）土壤为86 km2，仅占0.43%.良好的土壤环境质量为农业生产和土地规划利用提供了可靠的地球化学依据.
5 结论通过对辽宁南部地区土壤地球化学特征分析和生态环境质量评价，可以得到以下认识：
1）土壤表层中元素含量的变化不十分强烈，分布较均匀，地球化学作用较稳定.各元素含量与中国土壤（A层）值相比，变化不是十分显著，相对稳定，含量高与均衡的元素较多，含量低的元素少.
2）土壤表层和深层中大部分元素是基本均衡特征，只有少量元素的含量略高和略低，说明了土壤表层元素基本保持了土壤深层元素的特征，表现出一定的继承性，表生地球化学作用相对稳定.
3）棕壤和草甸土的面积为16 648 km2，占总面积的82.34%，是两个主要的土壤类型.与中国土壤（A层）元素含量相比，大部分元素含量保持了基本均衡及较为增高的特征，含量低的元素较少.
4）土壤环境综合质量整体状况良好，可以为农业生产使用的优先保护和安全利用的土壤区（一、二等土壤）为19 486 km2，占全区的96.37%，表明辽宁南部地区土壤环境质量优良，为农业生产发展提供了可靠的地球化学依据.
5）开展土壤地球化学调查，查明元素的地球化学特征，进行有益元素和有害元素的地球化学评价，对于研究土壤的地球化学作用，了解土壤环境质量及污染程度，促进农业生产结构调整，政府部门土地管理规划等具有重要的意义.
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