自然土壤的地球化学

1.洞庭湖周边丘陵低山区不连续小块分布的农业土壤
这类农业土壤与其邻近的自然土壤为同一成土母岩（图4-2的079—080,019—020,021—022，照片4-2），每对采样点处成土的自然因素应相同，唯不同是有无人为耕作。

图4-2 079—080、019—020、021—022采样点剖面位置图


照片4-2 021—022采样点位置（稻田中为022样点；公路以上山坡的房屋右侧为021点）

从所采样品的A层土壤分析资料（表4-5）看，农业土壤无一例外所列元素及化合物的含量都有不同程度的增高。
表4-5 土壤A层的有关元素含量变化　（单位：mg/kg）


2.洞庭湖河网平原垸田农业土壤
对垸田水稻田、棉田的地质体土壤剖面及外湖淤积泥沙层剖面采样，有关元素分析结果列于表4-6,4-7，与自然土壤剖面的A,B层（表4-3）比较列于表4-8，按各表列资料可以得出以下4点认识：
1）垸田农业土壤A层的有关污染元素如Cd,Hg,Pb及常量养分元素P的含量都高于其下各分层（B,D,W），也高于母质层（C）。这是因为耕作原因，人为增加这些元素所造成的。
2）外湖滩地淤积层表层（相当于土壤剖面的A 层）比其以下淤积层（相当于土壤剖面的B层）所列的元素含量除As外都高。淤积层尚无人为耕作活动，故其表层（近期沉积）元素含量的增高是洞庭湖近期比早期污染严重之故（表4-7）。
3）外湖滩地淤积层的A,B层的Cd,Hg,Pb,Zn,Cr等污染性元素含量都高于垸田农业土壤相应元素含量。虽然垸田农业土壤有人为耕作带入了有关元素，但是它形成（沉积）比外湖滩地淤积物早，当时洞庭湖污染远比近时轻，即使叠加了耕作时带入的元素，其所含元素含量还是要低。
表4-6 洞庭湖垸田水稻田、棉田土壤（有农业土壤）有关元素含量　（单位：mg/g）


表4-7 洞庭湖外湖滩地淤积层有关元素含量　（单位：mg/g）


表4-8洞庭湖自然土壤、农业土壤A,B层有关元素含量对照　（单位：mg/kg）


4）洞庭湖区自然土壤的A,B层各有关元素含量都低于农业土壤A,B层，表4-6所列资料亦如此。这就说明人为耕作给土壤带入了元素，这一点对Cd,Hg,P特别明显。P所以增加是施磷肥的结果，而我国的磷肥大都含有较高的镉，至于Hg的增高应是施农药的结果。
根据自然土壤和农业土壤的地球化学比较来评价农业地质环境可以得出两点结论：一是人为耕作使某些元素带入土壤，其中尤以Cd,Hg,P最为严重，可能已造成对土壤的污染和N,P,K 养分的失衡；同时过多施用磷肥也是土壤Cd含量增高的重要原因。二是洞庭湖从过去到现在，相对而言，现在或近期，洞庭湖的污染加重了，这已经影响到土壤，这对洞庭湖的农业地质环境是一个警示。

农学中有一重要的基础科学是诞生于19世纪40年代的《农业化学》，它是研究植物营养、土壤养分、肥料性质及其合理施用的理论和技术的科学。其中植物营养由农业化学奠基人李比希（Jusfus Von Liebiq,1803～1873）创立了“植物矿质营养说”，继而又创立了“养分归还说”和“李比希最小养分律”，以及由法国生物学家G·伯特兰德创立的“伯特兰德最适营养浓度定律”。这些农业化学的经典理论是用以闸明矿质营养元素在成土母岩（母质）—土壤—农作物的转换过程中，对作物生长发育和形成产量、质量的意义。矿质元素的转换过程实质上是元素迁移集散的表生地球化学过程，这一点笔者在“农业化学和地球化学与农业地质的几个问题”一文中说得很清楚，也应是地球化学研究农业问题的理论基础。地球化学只有以农业化学为理论基础研究农业，应用于农业才有实际意义和实用价值。本书的农业地质环境评价的地球化学即是如此，通过从母岩（母质）到土壤的自然的和人为的（工农业生产）地球化学研究对各土壤类型按自然土壤、农业土壤的国家土壤质量标准进行评价，指出现阶段的状况是其发展趋势，它对现阶段合理利用土壤及土壤质量发展趋势有预警意义。毫无疑问，对土壤地球化学的研究是农业地质环境评价体系中一项重要的也是主要的工作。

自然土壤主要分布在洞庭湖区周边丘陵低山区，以自然的森林植被复盖为主，基本无人为开垦，分布的地质体土壤类型多，土壤剖面一般具有A-（E）-B-C-D的土体结构（图4-1）。最重要的地质体土壤类型是震旦－冷家溪群浅变质碎屑岩红壤或黄壤（黄壤分布在中高山区）、第三纪—白垩纪紫红色碎屑岩紫色土、第四纪更新世（以中更新世为主）网纹红土红壤、燕山－加里东期花岗岩红壤、寒武系碳硅质岩红壤，以及晚古生代—中生代砂页岩和碳酸盐岩为成土母岩的各类土壤。

以上各类土壤的地球化学特征以寒武系碳硅质岩石土壤（照片4-1）的微量元素含量高为特征（表4-1），其中有现阶段所规定的污染元素。

图4-1 自然土壤剖面示意图

照片4-1 寒武系下统炭质板岩土壤剖面

寒武系下统碳硅质岩按已有的区域资料，是一富含重金属、放射性、稀有金属、贵金属等元素的含矿层位，或是矿源层，其中局部地段就有矿体。本区寒武系下统碳硅质岩的有关元素含量研究结果与省内其他地方是一致的，如与湖南大学彭勃教授研究结果一致。

表4-1 寒武系下统炭质板岩中有关元素含量　（单位：mg/kg）

彭勃2001年对湖南西部寒武系下统黑色炭质板岩（石煤）的重金属元素在风化过程上的转移进行了研究，其中就采有本区益阳桃江的样品，该处三个土壤样品的分析结果（表4-2）表明Pb,Zn,Cu,Cd,Mo,Cr,Sr等元素含量较高，与表4-1样品分析结果基本相同。

表4-2 桃江寒武系下统炭质板岩有关元素含量　（单位：mg/kg）

将研究区内的主要地质体土壤类型的剖面各个分层的有关元素含量均值，与寒武系下统碳硅质岩土壤类型的剖面中相应分层的元素含量进行对比（表4-3）就可发现，寒武系下统炭质板岩土壤类型的As,Hg,Cd,U,Mo,Se,P,V,Cr等元素含量要高于区内分布最广的紫红色碎屑岩类土壤、浅变质板页岩类土壤、第四系更新世红土类土壤、花岗岩类土壤相应元素含量一个数量级。按我国颁布的土壤环境质量国家标准（GB15618—1995），都超过了土壤的自然背景（一级）和二级标准（表4-4），已经不是正常土壤了。

因此洞庭湖区广泛分布的各类自然土壤，根据自然形成的原因，除了寒武系下统碳硅质类土壤外，都达到了国家Ⅰ，Ⅱ级土壤质量标准，起码是适用于一般农田、蔬菜地、果园和牧场的土壤。通过进一步评价，也可适用于国家规定的自然保护区、集中式生活饮用水源地、茶、牧场和其他保护区的土壤；而寒武系下统碳硅质类土壤是洞庭湖区重金属和放射性元素唯一的自然污染源，只能适用于林地土壤。值得提出的是，这类土壤的硒（Se）含量比较高，按表4-3资料，比其他土壤高出1～2个数量级，因而它也是洞庭湖区唯一的富硒土壤，对它的开发利用，又避开其他有害元素的污染则是一个需要深入研究的问题。

表4-3 寒武系下统炭质板岩土壤类型与其他土壤类型元素含量比较　（单位：mg/kg）

表4-4 土壤环境质量标准值　（单位：mg/kg）