山东省高密市表层土壤元素地球化学组合特征及意义

刘 阳, 张海瑞, 姜 冰, 孙增兵, 王松涛

(1.山东省地质矿产勘查开发局 第四地质大队，潍坊 261021；2.山东省地矿局 海岸带地质环境保护重点实验室，潍坊 261021)

0 引言

随着国家“土十条”的发布和乡村振兴战略的实施，山东省陆续开展了多项土地质量评价和生态地质调查工作，并取得了大量的成果[1-5]。统计分析方法中的因子分析和聚类分析可以将众多指标进行“降维”和归纳，从而发现隐藏在大量数据中的潜在联系，近年来在土地质量调查工作中得到广泛应用[6-9]。这里以山东省高密市表层土壤测量成果为基础，通过统计分析地球化学数据，试图总结高密市表层土壤元素组合特征，发现元素共生组合关系和成因联系。

1 研究区概况

高密市地处山东半岛中部，面积为1 525.7 km2，辖3个街道、7个镇(图1)。高密市属暖温带大陆性半湿润季风气候。年平均气温12℃，年平均降水量为689.1 mm，年蒸发量为1 227.6 mm。

高密市地层出露有：①中生代白垩纪莱阳群，为一套复杂的陆相杂色碎屑岩沉积；②青山群，为一套复杂陆相酸性火山岩、中性—中基性火山岩及火山—沉积岩；③大盛群，为一套陆相碎屑岩夹火山岩,以及第四纪松散堆积物,岩浆岩不发育。高密市的构造形式主要为断裂构造，走向以北东向为主。盖层沉积以单斜形式存在，倾向南东为主，倾角较缓。褶皱构造极不发育。

高密市地势南高北低，主要地貌类型为剥蚀平原、剥蚀—溶蚀平原、冲积—洪积平原。高密市位于潍东南丘陵水文地质区，由南向北可分为南部缓丘区，中部缓平坡区和北部冲积平原区三个水文地质单元。

高密市土壤分为棕壤、褐土、粗骨土、黑土、潮土共5个土类、10个亚类(图1)。

1)棕壤包含棕壤、潮棕壤、棕壤性土三个亚类。棕壤粘粒含量较高，质地粘重，pH在5.5～7.2之间，农用为主；潮棕壤成土母质主要为非石灰性岩石风化物组成的洪冲积物，土体深厚，以剖面下部出现具有锈色斑纹的潮化层为特征；棕壤性土含有少量的砾石，粗粒含量高，土壤孔隙多，土壤干松，是一种低产土壤。

2)褐土包括淋溶褐土、潮褐土、褐土性土三个亚类。淋溶褐土是棕壤与褐土的过渡类型，成土母质主要为灰岩、砂页岩的残坡积物和洪冲积物，表层质地大部分为砂质粘壤土和粘壤土；潮褐土土层深厚，土壤肥力较高，质地适中；褐土性土是发育在石灰性岩石残坡积物上、中等厚度且剖面发育程度较弱的褐土亚类。

3)粗骨土包括中性粗骨土一个亚类。在研究区零星分布，中性粗骨土成土母质为基性岩或砂页岩残坡积物，颜色较暗。

4)黑土内包括砂姜黑土和石灰性砂姜黑土两个亚类。砂姜黑土成土母质为第四纪以来的浅湖相沉积物，质地粘重，是山东省有机质含量最高的土类；石灰性砂姜黑土是由富含碳酸盐的母质发育而成，并且在其成土过程中不断接受含钙沉积物。

5)潮土内包括潮土1个亚类。潮土砂砾含量较高，长石、石英、云母等矿物颗粒可见，不含碳酸盐，表土疏松，耕性好，土质深厚，质地适中，熟化程度高。

高密市土地利用类型以耕地为主，占全区面积70.90%；其次为城镇、村庄用地，占全区面积13.86%；主要种植小麦、玉米及大金沟韭菜、胶河土豆等地方特产。

图1 研究区土壤类型图[10]Fig.1 Soil type figure

2 样品采集及分析测试

2.1 样品布设、采集、加工及质量评述

高密市表层土壤样品是以第二次全国土地利用现状调查成果图为底图网格化布设的，平均布设密度为5.5件/km2。共布设表层土壤样8 197件，重复样191件。

采样时在中心样点50 m范围内用“S”或“X”形分设子样点，3个～5个子样品等量混合为一个样品，采样深度为0 cm～20 cm，采集时使用木铲，木铲清理干净后再用于下个样品采集。从野外采回的土壤样品及时送到晾样间，摊铺在干净的牛皮纸上晾干。在晾干过程中，要用木棒碾碎土块，及时清理小石块、草根等杂物。将晾干后的样品在制样间用木棒敲碎并全部通过10目的尼龙筛，过筛后土壤样品混合均匀，四分法装瓶送样，余样留存。

本次工作实行野外质量三级检查制度，自检、互检检查率为100%，土壤样品野外质量检查工作量为594个点，约占总工作量的7.08%；室内原始资料检查工作量为1 725个点，约占总工作量的20.57%；样品加工检查工作量为605件，约占总工作量的7.21%。检查结果认为，本次调查采样点分布均匀合理，具有代表性，采样深度和重量均达到规定要求，记录卡填写内容能反映采样点附近概况，卡片记录齐全、正确，符合要求。样品加工程序符合要求，没有发生样品加工污染事件。样品采集、贮存及加工质量均达到规范要求。根据《地球化学普查规范(1∶50 000)》(DZ/T0011—2015)，本次重复样检验全部合格。样品采集质量可靠。

2.2 样品分析测试

样品由山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室检测。检测质量由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所进行监控，通过密码样、监控样、标准样等多种监控手段，保证了样品分析质量的可靠性。全部样品各元素/指标分析结果均合格。具体样品分析项目及配套分析方法见表1。

表1 高密市土壤样品分析项目及分析方法

3 元素组合特征及其意义

3.1 数据分析方法

使用SPSS软件对测区表层土壤地球化学数据进行聚类分析和因子分析，以确定元素组合特征。聚类分析方法为组之间的链接；测量区间为pearson相关性；转换值标准化范围为0至1。因子分析描述统计量为单变量描述性和原始分析结果；相关性矩阵为系数和KMO和Bartlett的球形度检验；抽取的方法为主成分，分析为相关性矩阵，抽取为基于特征值大于1，最大收敛性迭代次数为25；旋转方法为最大方差法，最大收敛性迭代次数为25；得分方法为回归。

3.2 聚类分析结果讨论

聚类分析结果表明(图2)，按距离系数15，可将22种指标分为5个元素组合簇群及6个单元素簇。

图2 研究区表层土壤元素聚类谱系图Fig.2 Cluster spectrum of surface soil elements in the study area

第一簇群为Ni、V、Cr、Co、Mn组合；第二簇群为Mo、Se、Cd、Pb组合；第三簇群为Cu、Zn组合；第四簇群为N、有机质、P组合；第五簇群为pH、F组合；其余I、B、Ge、As、K、Hg为单元素簇。

3.3 因子分析结果讨论

因子分析检验结果见表2，KMO值为0.799，适合作因子分析。本次工作选取累计贡献率达80%以上的前11个因子做主要因子，它们所包含的原始变量的信息为81.474%(表3)。为分析表层土壤22项指标与11个因子的对应关系，了解每个主因子所代表的内涵，笔者采用最大方差旋转的正交因子载荷矩阵对因子分析的结果进行了分析(表4)。

表2 Bartlett与KMO检验

表3 表层土壤特征根及因子提取结果表

表4 研究区因子分析正交旋转因子载荷矩阵

表5 各元素相关系数表

表6 各元素相关系数表

**相关性在0.01层上显著(双尾)

表7 各元素相关系数表

取大于0.5的因子载荷，得到本区表层土壤元素组合特征：第一主因子指标为Ni、V、Cr、Co、Mn；第二主因子指标为N、有机质、P；第三主因子指标为Mo、Se、Cd；第四主因子指标为Cu、Zn；第五主因子指标为pH、F；第六、七、八、九、十、十一主因子代表的分别为I、K、B、As、Hg、Ge。因子分析和聚类分析的结果基本吻合。

3.4 元素组合的地质意义

1)第一群组(第一簇群和第一主因子F1)代表了Ni、V、Cr、Co、Mn元素组合，它们具有相似的原子结构，因此它们被分到同一组合。Luo[11]研究认为，施肥并不会增加土壤中Cr、Ni的含量，研究区Ni、V、Cr、Co、Mn的背景值与潍坊市背景值相当[12]，可以认为它们没有受到明显污染。Ni、V、Cr、Co、Mn之间呈正相关关系(表5)，可以认为它们具有相同的成土母质来源，是中基性火山岩及火山—沉积岩的风化产物；这一元素组合与研究区地质背景密切相关[13-14]。

从因子得分图(图3)上可以发现，研究区表层土壤第一主因子F1得分低值区主要沿胶河分布，胶河沿岸主要是第四系临沂组，主要土壤类型为砂质非灰性河潮土。低值区表层土壤元素均值为Ni(14.68 mg/kg)、V(48.00 mg/kg)、Cr(47.68 mg/kg)、Co(6.46 mg/kg)、Mn(383.60 mg/kg)，远小于潍坊市背景值Ni(26.9 mg/kg)、V(73.6 mg/kg)、Cr(65.3 mg/kg)、Co(11.5 mg/kg)、Mn(566 mg/kg)[2]，因为自然淋滤和河流冲刷作用，带走了大量的Ni、V、Cr、Co、Mn，使之成为低值区。

图3 表层土壤F1因子得分等值线图Fig.3 Contour map of F1 factor score in surface soil

2)第二群组(第四簇群和第二主因子F2)代表了N、有机质、P元素组合，它们都是腐泥质元素，N、有机质、P之间的相关系数见表6，呈正相关关系，分到同一群组也与它们的相互吸附性有关。

从因子得分图(图4)上可以发现，表层土壤第二主因子F2得分高值区主要分布于阚家镇东北部、醴泉街道中东部和朝阳街道南部，也是高密市农业比较发达的地区。高密市1983年、1998年、2006 年三次土壤普查，土壤有机质、N含量高值区与本次研究的高值区吻合较好，而且三次普查含量呈上升趋势[15]，表明可能与农业施肥有密切关系。低值区主要分布于高密市区周边及高密市南部缓丘区，这些地区农业欠发达，所以第二主因子的各指标在该区含量较低。

图4 表层土壤F2因子得分等值线图Fig.4 Contour map of F2 factor score in surface soil

3)第三群组(第二簇群和第三主因子F3)代表了Mo、Se、Cd、Pb元素组合。Mo、Se、Cd、Pb之间的相关系数见表7，呈正相关关系。通常如果元素间显著相关，则说明它们可能属于同一来源[16]，Se是燃煤的标识性元素[16-17]，且Mo、Se、Cd的变异系数分别为4.18、0.48、0.78，分布较不均匀—极不均匀，显示可能与局部燃煤产生的环境污染有关[18]。

从因子得分图(图5)上可以发现，表层土壤第三主因子F3得分高值区主要分布于高密市区及周边、夏庄镇西部和姜庄镇南部等人口密集、工业较发达地区，其他地方零星出现，这些地区的燃料结构以煤为主，特别是供暖期，燃煤量大增。这说明燃煤是导致第三主因子各元素含量较高的主要原因；而第三主因子得分低值区主要分布于西北部大牟家镇和高密市南部人口相对较少、工业欠发达地区。

图5 表层土壤F3因子得分等值线图Fig.5 Contour map of F3 factor score in surface soil

4)第四群组(第三簇群和第四主因子F4)是Cu、Zn元素组合。Cu、Zn相关系数为0.062(P<0.01)，为正相关。Cu、Zn是亲硫元素，区域上常形成与成矿作用有关的地球化学异常。但目前已知的，高密市无Cu、Zn矿产或矿化点。从因子得分图(图6)上可以发现，表层土壤第四主因子F4高值区主要分布于高密市区、人口密集区及北部农业发达区，高密市区及人口密集区含量高显然是与人类活动(居民大量使用含有Cu、Zn的金属生活物品)密切相关，北部农业发达区含量高是因为有机化肥及畜禽粪便的施用也会增加土壤中Cu、Zn含量[11-19]。

图6 表层土壤F4因子得分等值线图Fig.6 Contour map of F4 factor score in surface soil

图7 表层土壤F5因子得分等值线图Fig.7 Contour map of F5 factor score in surface soil

5)第五群组(第五簇群和第五主因子F5)代表了pH、F元素组合。高密市表层土壤中pH和F的相关系数为0.416(P<0.01)，呈正相关关系，说明测区表层土壤的碱性越强，F含量越高；符合一般F与pH之间的规律。F在水与土壤间的转化是可逆的，F易于由土壤向水中转化，土壤的颗粒越细，F的转化量越大。水中的F也能转化到土壤中去，地下水pH 值为7.2～8.2 时，能增加氟的活化性，有利于氟的析出[20]。因此，地下水高F含量引起土壤含F量增高，土壤高F含量引起地下水含F量的升高[21]。从因子得分图(图7)上可以发现，表层土壤第五主因子F5得分高值区主要分布在高密市西北部及北部，这与高密市高F地下水区相吻合，主要受地质背景和F的迁移、富集影响，高密市南部缓丘区的中生代火山岩析出的F随着地下水的迁移在北部平原区出现富集[20]。

图8 表层土壤F6因子得分等值线图Fig.8 Contour map of F6 factor score in surface soil

图9 表层土壤F10因子得分等值线图Fig.9 Contour map of F10 factor score in surface soil

6)单元素群组I、K、B、As、Hg、Ge等单元素组和单元素因子的出现，显示出各自的独立性。其中I、K、B、Ge属于养分元素，其变异系数均小于0.4，分布均匀，它们单独出现可能与各自的地球化学性质有关，如I元素因子得分图(图8)显示，I元素得分值较平均，多在-2.5～2.5之间，没有出现明显的富集或缺乏。As、Hg属于重金属元素，As的变异系数为0.49，分布较不均匀，Hg的变异系数为4.13，分布极不均匀，它们单独出现可能与人类活动产生的污染有关，如Hg元素因子得分图(图9)显示，Hg元素在密水街道北部(样品编号929b)和井沟镇南部(样品编号1224d1)出现两个点状高值区，这两个点位均位于居民区，其中929b样品Hg含量为7 104 μg/kg，1224d1样品Hg含量为9 592 μg/kg，远大于高密市表层土壤Hg背景值为26.58 μg/kg[12]，但两个点位周围样品Hg含量均未明显偏高，故该点状高值区可能是受人类活动(如乱扔废弃干电池、节能灯)污染所致。

4 结论

1)高密市表层土壤中22个元素/指标的聚类分析和因子分析的结果基本吻合，分辨出五个元素组合群组：第一群组Co、Ni、Cr、V、Mn；第二群组有机质、N、P；第三群组Mo、Se、Cd、Pb；第四群组Cu、Zn；第五群组pH、F。五个元素组合群组代表了81.474%原始变量信息。

2)各元素组合群组的意义如下：第一群组Co、Ni、Cr、V、Mn主要是地质背景的反映；第二群组有机质、N、P，它们同属腐泥质元素，是土壤中腐殖质丰缺状态的反映；第三群组Mo、Se、Cd、Pb，主要与人类活动产生的污染有关；第四群组Cu、Zn，主要受人类活动和农业施肥双重影响;第五群组pH、F与高密市高F地下水区的分布有关，主要受地质背景和F迁移、富集的双重影响。

3)I、B、Ge、As、K、Hg与其他元素相关性差，各自形成单元素组，其中I、B、Ge、K等营养类元素主要与各自的地球化学性质有关，As、Hg两个重金属类元素则可能与人类活动产生的污染有关。