2. 吉林省有色金属地质勘查局六○四队, 吉林 吉林 132013
2. Team 604, Bureau of Nonferrous Metal Geological Exploration of Jilin Province, Jilin 132013, Jilin, China
0 引言
土地质量是土壤物理、化学、生物以及大气干湿沉降物、水等综合因素共同作用的结果[1-3]，是土地基本属性与本质特征，体现了植物生长环境和为植物生长提供营养的能力。但土地质量无法直接测定，只能通过间接测定指示其功能的参数(评价指标)来描述。其中：土壤的理化性质是评价土地质量的重要指标，相关研究表明，不同的土壤理化性状差异较大[4-9]；土壤酸碱度是影响植物分布的重要因子之一；而土壤养分更是影响植被生长状况的重要因子。因此，深入研究土地质量状态，并进行综合评价，对科学利用土地资源、提高土壤肥力及合理经营土地具有重要意义[10-19]。
以往研究多以小比例尺的多目标区域地球化学调查和局部生态地球化学评价为主，主要研究区域的土壤理化性质；但并未结合灌溉水、大气等质量指标进行土地质量综合等级的划分。笔者结合评价区农用耕地实际，依据土地有益元素、有毒有害元素含量水平等地球化学指标因素，及其对土地基本功能的影响程度而进行土地质量级别评定。本次土地质量地球化学评价指标以土地质量的地球化学要素(如土壤肥力指标、土壤环境健康指标)为主，辅以大气质量、水体质量和农产品安全研究，综合考虑了与土地利用有关的各种因素，以实现对评价区土地质量的地球化学评价；进而为评价区及周边农耕土地资源科学、合理规划和使用提供一些专业借鉴和支撑。
1 评价区概况评价区所处的区域为1:25万吉林市多目标区域地球化学调查范围，其多为广袤的山区、半山区，生长着天然次生林，包括柞、杨、桦等阔叶林树及人工栽培的落叶松。农、林、牧用地比例为2.5:6.7:0.8[20]。广泛分布酸性淋溶土壤——暗棕壤。春、夏季盛行南风，秋冬季盛行西北风，年平均气温4 ℃，无霜期130~140 d，昼夜温差大。年降水量为735.4 mm，降水充沛，多集中在7—8月份。区内水资源丰富，年径流量100~200 mm，径流系数为0.10~0.25，水质多为Ⅰ—Ⅲ类。
乌拉街满族镇(简称乌拉街镇)位于吉林省吉林市龙潭区，评价区位于乌拉街镇西部的冲积平原，西起第二松花江东至202国道，极值坐标(1980西安坐标系)为126°23′30″E—126°34′00″E，44°02′30″N—44°13′00″N。区内主要河流有第二松花江、张老河。土壤类型以冲积土和潴育水稻土为主，此外有部分灰化暗棕壤和白浆化暗棕壤。其中：冲积土分布在该区中西部，沿松花江展布，面积98.55 km2，占64.4%；潴育水稻土分布在该区的东部和北东部，面积45.13 km2，占29.5%；灰化暗棕壤在北东部有少量分布，面积4.23 km2，占2.7%；白浆化暗棕壤在东部有少量分布，面积5.19 km2，占3.4%。评价区的玉米、水稻、蔬菜种植面积分别占全部耕地面积的86%，12%和2%。
评价区自第四纪以来进入新构造运动活跃期，在古构造、古地貌的基础上进一步改造，形成了山岳、盆地、平原及水系等现代地貌景观；进而引起气候变化以及生物体的分布、迁移和发展，影响着地质环境的演化、土壤母质的分布以及地球化学性质的改变。该区属于松花江阶地地球化学区，以富Ce、Ga、La、Rb、Zr、Y等稀土稀有元素和富Mo、Zn元素为特征。该区成土母质主要为酸性火山沉积岩、花岗岩以及少量基性岩。
2 评价指标与方法本次土地质量地球化学评价以土壤中元素质量分数、土壤pH值和土壤有机质质量分数等影响土地质量的内部因素为主要评价指标，同时将大气质量、水体质量和农产品安全性等能够反映土地质量的外部因素作为辅助评价指标，以实现对土地质量的地球化学等级划分。
本次评价采用的土壤测试指标有有机质、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Se、Mo、碱解氮、速效磷、速效钾、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Ni、Co、V、F、I质量分数，以及pH共24项；灌溉水测试指标有P、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、Cu、Zn、Se、B、I、F、NO2-质量浓度，以及COD(化学需氧量)和酸碱度共15项；大气干湿沉降物测试指标有As、Cd、Hg、Cr、Pb质量共5项；农作物测试指标有Pb、Cd、Hg、As、Cr、Se、Cu、Zn、I、F质量分数共10项。
本次评价依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[1]划分土壤养分地球化学综合等级、土壤环境质量地球化学综合等级、土壤质量地球化学综合等级、大气干湿沉降物环境地球化学等级、灌溉水环境地球化学等级、土地质量地球化学综合等级，评价农作物质量地球化学特征。
3 样品采集与测试 3.1 样品采集采样分布情况见图 1，采集的样品包括表层土壤样品、灌溉水样品、大气干湿沉降样品和农作物样品。
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| 图 1 采样分布图 Fig. 1 Sampling distribution diagram |
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1) 表层土壤样品
采用图斑+网格化的方式，按照大图斑优先和耕地优先的原则部署表层土壤样品，样品平均密度为4点/km2。在农民施肥和耕种之前完成了全区的表层土壤样品采集，采样时间为2016-04-06—2016-04-15。在选择的采样位置周围100 m范围内采用梅花形布点法等量采集5个子样，采集地表至20 cm深处的土柱，并去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物。通过缩分组成一个样品，缩分后的样品质量均大于1.5 kg。
2) 灌溉水样品
于2016-07-25在农作物灌溉高峰期完成了灌溉水样品采集，样瓶规格为1 000 mL，每瓶装水90%，留出一定的空间。样品按照灌溉水系分上、中、下游布置，样品采集位置为农田的灌溉入水口，全区均匀分布，共采集10组灌溉水样品。
3) 大气干湿沉降样品
大气干湿沉降物接尘缸采用化工容器桶，并用铁丝固定于房顶，2个接尘点均避开烟囱、交通、道路等点、线污染源，采集时间为2016-05-11—2016-11-14，共187 d。
4) 农作物样品
于2016-10-09—2016-10-12农作物收获盛期完成了农作物样品的采集，区内玉米种植面积约占全部耕地面积的86%，本次所采的农作物样品均为玉米籽实，以0.1~0.2 hm2为一个采样单元，在采样单元内采用对角线法进行多点取样，每个地块内采集5个样品，即5株玉米。
3.2 样品测试1) 表层土壤样品
表层土壤样品共分析24项指标。在分析测试中均采用国家一级标准物质(GBW)进行检验。根据GBW中各元素的质量分数，每项指标选择4个GBW，每个GBW平行进行12次重复分析，分别计算测定的平均值和标准值的对数差[1](ΔlgC(GBW)，均小于0.04)以及平均值和标准值之间的相对标准偏差(均小于8%)。
式中：Ci为每个GBW标准物质12次实测值的平均值；Cs为GBW的标准值。
本次抽检了40件样品，约占579件样品总数的7%。分别对每件样品的24项指标做了内检，各项指标合格率均为100%。
2) 其他样品
灌溉水样品、大气干湿沉降样品、农作物样品检测依据与检测方法均严格按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[1]执行，一级标准物质与抽查样品合格率均为100%。
4 评价结果 4.1 土壤养分、土壤环境质量及土壤质量地球化学综合等级 4.1.1 土壤养分地球化学综合等级评价区土壤中全氮、全磷、全钾、有机质平均质量分数分别为1.33、0.88、26.25、22.00 g/kg，均高于吉林省平均值(表 1)。评价区土壤中各大量养分元素与有机质的质量分数分级所占评价区面积比例见表 2。
| 统计参数 | ω(全氮)/ (g/kg) |
ω(全磷)/ (g/kg) |
ω(全钾)/ (g/kg) |
ω(有机质)/ (mg/kg) |
| 最大值 | 3.41 | 3.78 | 35.26 | 95.80 |
| 最小值 | 0.24 | 0.21 | 19.20 | 3.45 |
| 平均值 | 1.33 | 0.88 | 26.25 | 22.00 |
| 中值 | 1.29 | 0.79 | 26.21 | 20.87 |
| 标准差 | 0.32 | 0.40 | 3.04 | 7.38 |
| 吉林省平均值 | 1.21 | 0.56 | 22.33 | 21.38 |
| 注：样品数为579。 | ||||
| % | |||||
| 丰富 | 较丰富 | 中等 | 较缺乏 | 缺乏 | |
| ω(全氮) | 1.96 | 21.30 | 72.03 | 3.95 | 0.76 |
| ω(全磷) | 23.33 | 25.35 | 35.82 | 15.29 | 0.21 |
| ω(全钾) | 66.61 | 33.39 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| ω(有机质) | 4.74 | 4.69 | 52.37 | 37.51 | 0.68 |
土壤养分地球化学综合等级的划分是在参照大量养分元素N、P、K土壤单指标养分地球化学等级的基础上，将其权重系数分别定为0.4、0.4和0.2，按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[1]中公式进行计算得出的结果，一般分为丰富、较丰富、中等、较缺乏和缺乏5个等级。评价区土壤养分地球化学综合等级有丰富、较丰富和中等3个等级，分别占评价区面积比例的4.89%、71.01%和24.10%。土壤养分综合等级分布情况如图 2所示。土壤养分综合等级为丰富的土壤分布无规律，零星分布在北部和南部，其中在汪屯至高屯一带、查理巴村至西杨木村一带和公拉玛村周围分布相对集中；土壤养分丰富的地块中，氮的养分等级多为二等，磷和钾的养分等级多为一等。综合养分较丰富的土壤在评价区内大面积分布；其中氮和磷的养分等级多为三等，钾的养分等级多为一等。土壤养分综合等级为中等的地块主要分布在评价区北部的傅屯至西杨木村一带、北东部小郑村至前团村一带、中部后岗村至张老村一带和前阿拉村一带；土壤养分中等的地块中，氮和磷的养分等级多为三等，钾养分等级多为二等。
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| 图 2 评价区土壤养分综合等级图 Fig. 2 Comprehensive grading of soil nutrients in the the evaluation area |
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评价区土壤各重金属元素环境质量分级所占评价区面积比例见表 3。土壤环境质量综合等级分为清洁、轻微污染、轻度污染和中度污染4个等级，分别占评价区面积比例的71.27%、28.38%、0.26%和0.09%。由分布情况如(图 3)可知：清洁土壤在评价区内大面积分布；轻微污染土壤分布较集中，主要位于评价区中部杨屯村—卢家村—阿拉底村一带和乌拉街镇周边公拉玛村至东窑村一带，污染重金属元素以镉为主，伴有少量的汞污染；轻度污染的土壤有两块图斑，分布在乌拉街镇东部和亚复五队北西部，污染重金属元素为镉元素；中度污染的土壤仅有一块，分布在乌拉街镇东部，污染重金属元素为镉元素。镉、汞的污染源主要来自城镇的生活废弃物，包括温度计、血压计、电池、荧光灯泡以及一些废弃电子产品等。
| % | |||||
| 清洁 | 轻微污染 | 轻度污染 | 中度污染 | 重度污染 | |
| Cr | 100.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Pb | 100.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Cd | 71.61 | 28.04 | 0.26 | 0.09 | 0.00 |
| Hg | 99.51 | 0.49 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| As | 100.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Ni | 100.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
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| 图 3 评价区土壤环境质量综合等级图 Fig. 3 Comprehensive grading of the soil environmental quality of the evaluation area |
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土壤质量地球化学综合等级由评价单元的土壤养分地球化学综合等级与土壤环境地球化学综合等级叠加产生。评价区的土壤质量地球化学综合等级共分五等：优质、良好、中等、差等和劣等，分别占全区总面积的49.32%、21.94%、28.38%、0.26%和0.09%，分布情况如图 4所示。由图 4可知：优质土壤较分散，主要分布在评价区西部查理巴村至韩屯一带，南西部旧街村至贾家崴子一带，在评价区的东部也有零散分布；良好土壤主要分布在评价区北东部傅屯至西杨木村一带，中部后岗至张老村一带以及前阿拉村；中等土壤分布相对集中，主要位于评价区中部杨屯村至阿拉底村一带以及南东部公拉玛村至东窑村一带；差等土壤分布在乌拉街镇东部和亚复五队北西部，为轻度污染的土壤；劣等土壤分布在乌拉街镇东部，为中度污染的土壤。
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| 图 4 评价区土壤质量综合等级图 Fig. 4 Comprehensive grading of the soil quality of the evaluation area |
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大气干湿沉降是有害物质进入土壤的重要途径，是影响农田生态系统安全的重要因素。研究大气中重金属的干湿沉降过程及其对土壤的输入，对于正确认识人类活动对土壤生态环境的影响具有重要意义[21]。
评价区某元素大气干湿沉降通量计算公式如下：
式中：Qi为某种金属元素的年沉降通量，mg/(m2·a)；m为干湿沉降物中某种金属元素总质量，μg；S为接尘缸缸口面积，cm2；n为采样天数(精确到0.1 d)；N为计量天数(计量周期为a，N=365)。
本次评价S=1 256 cm2，n=187 d，大气干湿沉降物中重金属元素As、Cd、Hg、Cr、Pb的质量见表 4。
| 样品编号 | 沉降总质量/g | m/μg | ||||
| As | Cd | Hg | Cr | Pb | ||
| CJ02-1-CD | 0.955 5 | 7.09 | 1.50 | 0.092 | 48.8 | 103.0 |
| CJ03-1-CD | 2.316 6 | 19.20 | 1.34 | 0.160 | 35.7 | 66.0 |
大气干湿沉降物中各重金属元素年沉降通量密度见表 5。由表 5可见，评价区As、Cd、Hg、Cr、Pb重金属元素年沉降通量密度均远低于全国大气干湿沉降物中重金属元素年沉降通量平均值；此外，Hg和Cd元素的年沉降通量密度也远低于《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295—2016)[1]中Hg和Cd元素的年沉降通量密度阈值。本次采样天数为187 d，季节为春末至冬初，是东北的主要降水季节，具有代表性。说明评价区大气干湿沉降物中的As、Cd、Hg、Cr、Pb重金属元素年沉降通量密度是符合标准的，大气干湿沉降物环境地球化学等级均为一等，对土壤环境质量下降影响不大。
| 样品编号 | 沉降通量密度/ (mg/(m2·a)) | 沉降通量密度/ (μg/(m2·a)) | ||||
| As | Cd | Pb | Hg | Cr | ||
| CJ02-1-CD | 0.110 | 23.313 | 1.604 | 1.425 | 0.759 | |
| CJ03-1-CD | 0.298 | 20.880 | 1.026 | 2.448 | 0.554 | |
| 全国平均值 | 2.54 | 482.17 | 15.09 | 36.03 | 22.99 | |
农田灌溉用水水质基本控制项目标准值与农田灌溉用水水质选择性控制项目标准值均参照《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)[22]执行。评价区灌溉水pH值，以及总As、Cr(Ⅵ)、Se、B、Cd、Cu、Pb、Zn、总Hg的质量浓度见表 6，pH值范围为6.81~7.99，在标准值5.5~8.5内；各项重金属元素质量分数均远小于标准值。灌溉水环境地球化学等级均为一等，对土壤环境质量下降影响不大。
| 样品编号 | pH | ρB/(mg/L) | ||||||||
| As | Cr6+ | Se | B | Cd | Cu | Pb | Zn | Hg | ||
| JLLTGG01 | 7.29 | 0.0011 | < 0.004 | 0.000 3 | 0.025 | < 0.000 2 | 0.019 | 0.004 8 | 0.051 | < 0.000 2 |
| JLLTGG02 | 7.32 | 0.0011 | < 0.004 | 0.000 2 | 0.024 | < 0.000 2 | 0.0039 | 0.002 3 | 0.035 | < 0.000 2 |
| JLLTGG03 | 7.16 | 0.0010 | < 0.004 | 0.000 3 | 0.027 | < 0.000 2 | 0.0044 | 0.002 4 | 0.026 | < 0.000 2 |
| JLLTGG04 | 7.29 | 0.0012 | < 0.004 | 0.000 3 | 0.026 | < 0.000 2 | 0.0037 | 0.002 2 | 0.073 | < 0.000 2 |
| JLLTGG05 | 7.99 | 0.0012 | < 0.004 | 0.000 3 | 0.031 | < 0.000 2 | 0.0016 | 0.000 9 | 0.023 | < 0.000 2 |
| JLLTGG06 | 7.38 | 0.0012 | < 0.004 | 0.000 3 | 0.028 | < 0.000 2 | 0.011 | 0.005 6 | 0.069 | < 0.000 2 |
| JLLTGG07 | 7.38 | 0.0015 | < 0.004 | 0.000 4 | 0.028 | < 0.000 2 | 0.018 | 0.004 6 | 0.021 | < 0.000 2 |
| JLLTGG08 | 7.54 | 0.0018 | < 0.004 | 0.000 5 | 0.049 | < 0.000 2 | 0.0086 | 0.005 0 | 0.039 | < 0.000 2 |
| JLLTGG09 | 7.30 | 0.0038 | < 0.004 | 0.000 4 | 0.034 | < 0.000 2 | 0.019 | 0.004 8 | 0.019 | < 0.000 2 |
| JLLTGG10 | 6.81 | 0.0004 | < 0.004 | 0.000 4 | 0.030 | < 0.000 2 | 0.0087 | < 0.000 5 | 0.020 | < 0.000 2 |
| 标准值[22] | 5.5~8.5 | 0.050 | 0.100 | 0.020 | 1.000 | 0.010 | 0.500 | 0.200 | 2.000 | 0.001 |
此外，评价区灌溉水亚硝酸盐(NO2-)的质量浓度变化范围在0.001~0.510 mg/L，低于《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[23]中的标准值1.00 mg/L。COD及P、I、F质量浓度为选测指标，不影响灌溉水的等级，本次未做评价。
4.4 土地质量地球化学综合等级土地质量地球化学等级是在土壤质量地球化学综合等级基础上，叠加大气环境地球化学综合等级、灌溉水环境地球化学综合等级得出的，由于评价区土地质量地球化学评价单元较小，且大气环境地球化学综合等级与灌溉水环境地球化学综合等级均为一等，所以本次评价未在单元上用数字表示大气环境地球化学综合等级与灌溉水环境地球化学综合等级。
4.5 农作物质量地球化学特征本次评价的农作物为种植面积最大的玉米，全区均匀采集玉米籽实样品。评价区30件玉米籽实样品中的Cr、Cu、Zn、Sn、Cd、Hg、Pb等重金属元素质量分数见表 7。由表 7可见，评价区玉米中重金属元素质量分数均低于标准中的限量值，说明评价区玉米中的重金属元素质量分数符合标准，无重金属危害物质。Se、I、F为微量营养元素，不影响农作物的安全，本次未做评价。
乌拉街土壤pH变化范围为4.43~8.09。如图 5所示，评价区酸性土壤大面积分布，经统计：碱性土壤面积仅占总面积的0.24%；中性土壤仅占全区的7.06%；而酸性土壤则占全区的77.85%；强酸性土壤占全区的14.85%。
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| 图 5 评价区土壤pH地球化学等级图 Fig. 5 Geochemical grade of soil pH in the evaluation area |
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酸性与强酸性土壤是导致评价区白菜、萝卜等十字花科蔬菜的根肿病多发和大面积出现的重要因素[25]。
评价区灌溉水pH值范围在6.81~7.99，大气干湿沉降物上清液的pH值范围在7.00左右，所以评价区灌溉水和大气干湿沉降的输入对土壤酸碱度的影响较弱。研究表明，长期大量施用化肥，如尿素等，会导致土壤的酸碱度降低。强酸性土壤必须实施土壤改良，主要建议有：
1) 施用石灰。秋收后，把地里的秸秆杂草收拾干净，亩撒生石灰100 kg，翻耕，钯匀。
2) 熏制火粪。火粪呈碱性，含钾较多，有调节土壤酸碱度和补钾的作用。
3) 施有机肥。有机肥有极大的缓冲性，有调节土壤酸碱度的作用，长期施用，可以平衡酸碱，培肥地力。
4) 精准施肥。按土壤以及作物需求进行测土配方施肥，降低化肥的施用量，能有效防治土壤酸化。施用氮肥时，选择碳酸氢铵效果显著。
5.2 土壤硼元素缺乏土壤中硼元素对作物有促进碳水化合物的运转、刺激花粉的萌发和调节有机酸的形成和运转等作用[26]。乌拉街满族镇土壤中硼的质量分数变化较大，为15.45~43.30 mg/kg，平均27.38 mg/kg，低于吉林地区的平均值(35.52 mg/kg)，也低于吉林省平均值(30.00 mg/kg)。研究区硼的养分分级仅有四级和五级(图 6)，其中:五级土壤占评价区面积比例的75.92%，占大多数地块；四级土壤占24.08%，零星分布在评价区的北部、中部后岗村一带和南东部前阿拉村一带。
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| 图 6 土壤硼元素养分等级图 Fig. 6 Nutrient levels of soil boron elements |
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评价区30件农作物根系土样品有效硼的质量分数范围在0.16~0.58 mg/kg之间，平均质量分数为0.35 mg/kg，根据土壤中有效量等级划分标准[1]，等级大多处于四级(0.2~0.5 mg/kg), 为较缺乏水平，占86.7%。
土壤pH值影响土壤硼的移动性和有效性，尤其在酸性土壤中，硼主要以硼酸形式存在，易溶解，不易被土壤吸附，因而淋洗较为严重。硼淋溶将使土壤有效硼损失，导致植物缺硼，植物的生长和产量受到严重影响[26]。
评价区硼元素和有效硼质量分数均较低，可以适当施用硼肥，同时应施用有机肥和适量的石灰，以保持土壤的有机质含量和pH值。
6 结论1) 评价区土壤中养分元素较丰富, 环境质量处于清洁水平，无重污染，土壤质量地球化学综合等级总体处于优质水平。
2) 评价区大气干湿沉降物和灌溉水对土壤环境质量下降影响不大，综合土地质量为优良水平，对农作物种植较为适宜。
3) 评价区玉米中重金属元素质量分数均低于标准中的限量值，说明评价区玉米中的重金属元素质量分数符合标准，无重金属危害物质。
4) 评价区普遍性缺硼，且酸性土壤大面积分布。长期大量使用化肥是改变土壤酸碱度的主要原因。
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