宁夏石嘴山地区土壤中硫的地球化学特征及其来源分析

杨建锋， 魏丽馨， 石天池*， 马贵林， 曹园园， 王志强

(1.宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院,宁夏 银川 750004； 2.宁夏地质博物馆,宁夏 银川 750001)

1 研究区

研究区位于黄河中游上段，宁夏的北部，东临鄂尔多斯台地，西依贺兰山，地处银川平原内，为引黄灌溉区.地势西高东低相对平坦，海拔为1 050～1 165 m.按地形地貌类型从西向东依次为贺兰山东麓洪积扇洪积平原、黄河冲积平原和鄂尔多斯台地，且主要分布于黄河与贺兰山之间.西部贺兰山内存在大量露天开采的煤矿，煤炭中含有丰富的S.研究区地表水体主要是黄河以及引黄灌渠及排水沟.当地的地表水主要是，发育在贺兰山东麓诸沟的季节性溪流和冲洪积倾斜平原、冲湖积平原的湖泊湿地，且沟谷溪流随季节变化，出山口便渗入地下补给山前洪积扇和冲洪积平原.同时，雨季洪水顺沟谷经山前沟道注入冲积平原的湖泊和洼地.

2 样品的采集与分析

2.1 样品的采集

分析《石嘴山地区富硒土地质量调查评价》项目数据，发现宁夏石嘴山地区存在一定面积土壤中S质量含量过量的区域.石嘴山地区富硒土地质量调查评价项目在石嘴山市北部,以规则网方式、9个点/km2的密度，采集耕地表层土壤样品8 832件，采样深度0～20 cm，样品粒级为-20目.针对不同土壤类型布设垂向剖面6条，垂向上每10 cm采集一个样品，共采集土壤剖面样品112件.

2.2 分析测试

样品的分析测试在湖北省地质实验测试中心完成，S的质量含量测定方法为高频燃烧红外吸收法.将土壤样品混匀，取90 g左右于无污染的行星球磨机粉碎至200目.装玻璃瓶经105 ℃烘2 h.取0.500 0 g铁粉于坩埚中，放入与红外碳硫分析系统连接的天平内.取0.030 0 g样品，加入0.500 0 g钨粒于高频红外碳硫仪中测定S的质量含量.分析的检出限为15 mg/kg.野外采样中同时插入重复样192件，重复样合格率为95%,满足实验要求.

3 结果与分析

3.1 表层土壤中S的地球化学特征

3.2 表层土壤中S的养分等级

参照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)，对宁夏石嘴山地区表层土壤中S的质量含量进行丰缺状况评价：S的质量含量大于等于2 000 mg/kg为超标区；343～200 0 mg/kg为丰富区；270～343 mg/kg为较丰富区；219～270 mg/kg为中等区；172～219 mg/kg为较缺乏区；小于等于172 mg/kg为缺硫区.通过土地质量地球化学调查与评价软件，将原始分析数据赋值至土地调查图斑，制作宁夏石嘴山地区土壤中S的养分等级划分图并进行统计.

由宁夏石嘴山地区土壤中S的养分等级划分图(图略)和土壤中S的养分等级(表1)可知，研究区土壤中S的质量含量整体呈丰富状态，且面积相对较大，为743.81 km2，占研究区土地总面积的71.84%，主要分布在黄河以西及陶乐镇周边.S的质量含量较丰富区面积为119.95 km2，占研究区土地总面积的11.59%，主要分布在沟口、灵沙南部、头闸西部、渠口北部；S的质量含量中等区、较缺乏区和缺乏区面积较小，分别为25.87，16.88，45.74 km2，分别占研究区土地总面积的2.5%，1.63%，4.42%；S的质量含量缺乏区主要分布在黄河以东地区.同时，该地区存在S的质量含量过量区,面积为83.12 km2，占研究区土地总面积的8.03%，主要分布在简泉农场东部、礼和北部、黄渠桥镇西部、宝丰镇东部等地区.

表1 土壤中S的养分等级

3.3 不同类型土壤中S的质量含量

1)不同类型土壤表层中S的质量含量.根据采样点土壤类型进行S的质量含量统计(表2).不同类型土壤中S的质量含量由大到小为盐土、新积土、潮土、碱土、灌淤土、灰钙土、风沙土.S在盐土中的质量含量最高，在风沙土、灰钙土和灌淤土中的质量含量较低.

表2 不同类型土壤中S的质量含量

2)不同类型土壤中S的质量含量ρ(S)垂向变化.根据土壤垂向剖面样品的分析数据(图1)，除风沙土外，其他类型土壤中S的质量含量呈现明显的表生富集作用.对于潮土，0～10 cm土壤中S的质量含量为10～20 cm土壤中的3倍；对于盐土，0～10 cm土壤中S的质量含量为10～20 cm土壤中的2.8倍.对于碱土，0～10 cm土壤中S的质量含量为10～20 cm土壤中的2.3倍.对于灌淤土，0～10 cm土壤中S的质量含量为10～20 cm土壤中的2.2倍.灌淤土、盐土、碱土、潮土0～80 cm土壤中S的质量含量呈下降趋势，80 cm以下土壤中S的质量含量无明显变化.

图1 不同土壤类型中S的质量含量垂向变化

4 讨论

土壤中的S存在生物地球化学循环过程.作物收获物、未还田的植物秸杆、地表径流、土壤侵蚀与淋失、土壤与植物释放的挥发性含S物质等，是土壤中S输出的主要途径,而大气中的含S化合物经干湿沉降过程进入土壤,通过施肥、灌溉水、植物残落物以养分形式归还土壤中损失的S.土壤、植物生态系统与大气之间始终处于硫化物吸收、释放过程,且趋于一个动态平衡体系[10].

4.1 大气干湿沉降物中S的质量含量

2017年11月至2018年11月，各大气干湿沉降物采集点、S的年干湿沉降通量见图2、表3.

图2 采样点的分布

表3 研究区各降尘点S的年沉降通量

采集的30个大气干湿沉降物样品中，S的质量含量最小为1 295 mg/kg、最大为5 296 mg/kg,平均值为3 222 mg/kg，远高于土壤中S的质量含量平均值.S的沉降通量平均值为1 727.22 mg/(m·a)、最小值为182.02 mg/(m·a)，位于宁夏平罗县陶乐镇.S的沉降通量最大为4 079.96 mg/(m·a)，位于宁夏石嘴山市惠农区简泉农场.由表3可知，ADF08，ADF09，ADF10，ADF15，ADF18，ADF32等高值点主要位于宁夏石嘴山市大武口区沟口.调查发现，该区域无污染企业，但区域上游的煤矿较多，因此冬季大风携带含煤粉尘随空气飘落至此引起大气干湿降尘中S的质量含量增高.另外，该区域地表土壤中高质量含量的S也是引起大气干湿降尘中S质量含量增高的原因之一.同时，该区域内零星分布的S质量含量高值点主要与烧煤做饭、冬季烧煤取暖以及密集的交通运输有关.

在石嘴山地区表层土壤中，S的质量含量平均值为877.53 mg/kg，土壤密度按1.5 g/cm3、大气干湿沉降物仅影响耕作层0～20 cm土壤计算，大气降尘每年对土壤中S的质量含量影响小于1%.另外，由于每年冬春季节大风带走一部分表层土壤中的S，认为大气干湿沉降不是影响土壤中S质量含量变化的主要因素.

4.2 土壤中的S与作物种植

研究区土壤中S质量含量超标的地区盐渍化严重，地下水位也较高，种植的农作物以水稻为主.研究表明[11]，水稻从土壤中攫取的S总量每年大约为6.78 kg/hm2.表层土壤中总S质量含量的平均值以877.53 mg/kg计算，耕作层(20 cm)有效土体中S的质量含量达2 633 kg/hm2,种植作物对土壤中S总质量含量的影响有限.

4.3 土壤中的S与盐渍化的相关性

图3 研究区土壤中S的质量含量与总盐的质量含量相关性

4.4 土壤中S的质量含量动态变化

文献显示，1993年研究区表层土壤中S的质量含量为100～11 400 mg/kg，平均值为904 mg/kg，高于世界平均值和银川盆地背景值.与研究区土壤中S的质量含量对比，最大值增大，说明个别地区土壤中S的质量含量随着盐渍化程度的加重进一步富集，这可能与2次工作采样密度不同有关.同时，表层土壤中S的质量含量平均值降低，但仍处于较高的水平.

5 结论

1)宁夏石嘴山地区土壤中S的质量含量以丰富区为主，该区域占研究区土地总面积的71.84%；S的质量含量过量区和缺乏区均有分布，分别占研究区土地总面积的8.03%，4.42%；S的质量含量过量区与土壤重度盐渍化分布地区重合；S的质量含量缺乏区主要以风沙土为主.

2)宁夏石嘴山地区表层土壤中S的质量含量在盐土中最高，在灰钙土、风沙土和灌淤土中较低，说明S的表生富集作用明显.

3)大气干湿沉降物及植物吸收等对表层土壤中S的质量含量影响较小.研究区表层土壤中S的质量含量与总盐的质量含量关系密切.土壤底层或地下水中的盐分随毛细管水上升到地表，随着水分蒸发盐分积累在表层土壤中，最终导致表层土壤中S的质量含量升高.