北京平原区土壤地球化学特征及影响因素分析

doi:10.11720/wtyht.2021.1330

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基于北京平原区土壤地球化学调查数据,运用数理统计、因子分析、相关性分析、回归分析等方法研究了土壤元素的横向和纵向分布特征,并探讨其影响因素。结果表明:北京平原区土壤CaO、MgO、Na₂O、Hg、Cd、Sr、Ba、Sn等含量偏高,Sb、As、Th、W、Br、U、I、Mo、有机质等含量偏低。R型因子分析结果显示,F1因子为反映土壤原始背景特征的元素组合,F2、F4、F6因子为反映人类活动对土壤元素分布特征影响的元素组合,F3因子为反映成土母质基本信息的元素组合,F5因子为反映成土母岩基本特征的元素组合。利用一元非线性回归分析对部分元素的垂向分布特征进行数学建模,回归系数R²值为0.542~0.960,拟合效果总体较好;从区域尺度上初步判断出人类活动对重金属元素Cu、Hg、Pb、Zn影响深度约150~200 cm,对养分指标N、P、S、Se、有机质影响深度约50~100 cm。一般情况下,褐土中Se、Bi、Li、有机质、Mo、W等39项元素与指标的含量高于潮土,不同土壤质地中As、Cd、Cr、Ni、N、B等29项元素含量的大小关系为:砂质壤土<砂质黏壤土<黏壤土<壤质黏土,耕地土壤中Cd、N、P、有机质含量明显高于林地,中心城区土壤中有害重金属元素、养分指标的含量普遍高于郊区。

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关键词 ：地球化学特征, 因子分析, 相关性分析, 数学建模, 影响因素

Abstract：

This study was based on soil geochemical survey data obtained in Beijing plain. The methods of mathematical statistics, factor analysis, correlation analysis and regression analysis were used to study the horizontal and vertical distribution characteristics of soil elements, and the influencing factors were discussed. The result shows that the content of CaO, MgO, Na₂O, Hg, Cd, Sr, Ba, and Sn in soil is high and that of Sb, As, Th, W, Br, U, I, Mo and organic matter is low. The result of R-type factor analysis shows that factor F1 reflects the characteristics of the original soil background, factor F2, factor F4 and factor F6 reflect the influence of human activities on the distribution characteristics of soil elements, factor F3 reflects the basic information of soil parent material, and factor F5 reflects the basic characteristics of soil parent rock. The vertical distribution characteristics of elements were modeled by regression analysis. The regression coefficient R² is 0.542~0.960, and the effect is good. From the regional scale, it is preliminarily determined that the depth of human activities on Cu, Hg, Pb and Zn is 150~200 cm, and that on N, P, S, Se, and organic matter is 50~100 cm. In general, the content of 39 elements such as Se, Bi, Li, organic matter, Mo and W in cinnamon soil is higher than that in alluvial soil.The relationship between the values of 29 elements such as As, Cd, Cr, Ni, N and B in different soil textures are in order of sandy loam<sandy clay loam<clay loam<loamy clay. The content of Cd, N, P and organic matter in cultivated soil is significantly higher than that in forest land. The content of harmful metals and nutrients in the soil of the central urban area is higher than that in the suburban area.

Key words： geochemical characteristics factor analysis correlation analysis mathematical modeling influencing factors

收稿日期: 2020-06-29 修回日期: 2020-09-25 出版日期: 2021-04-20

ZTFLH:

P632

基金资助:北京市财政项目“北京市土壤地质环境监测网建设”(PXM2018_158307_000012);“北京市土地质量生态地球化学监测网运行2021年度”(PXM2021_158307_000006)

作者简介: 李欢(1990-),男,硕士研究生,从事生态地球化学研究工作。Email: lihuan_8@163.com

引用本文:

李欢, 黄勇, 张沁瑞, 贾三满, 徐国志, 冶北北, 韩冰. 北京平原区土壤地球化学特征及影响因素分析[J]. 物探与化探, 2021, 45(2): 502-516.
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链接本文:

https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2021.1330 或 https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2021/V45/I2/502

Fig.1 北京平原区土壤类型分布

Fig.2 北京平原区采样点位示意

分析指标	规范要求	检出限	分析方法	分析指标	规范要求	检出限	分析方法
Ag	0.02	0.006	ES	Pb	2	0.0008	ICP-OES
As	1	0.011	AFC	Rb	10	1.4	XRF
Au	0.0003	0.000099	GF-AAS	S	30	7.8	XRF
B	1	0.21	ES	Sb	0.05	0.016	AFC
Ba	10	0.0006	ICP-OES	Sc	1	0.0076	ICP-OES
Be	0.5	0.0001	ICP-OES	Se	0.01	0.007	AFC
Bi	0.05	0.014	AFC	Sn	1	0.17	ES
Br	1	0.6	XRF	Sr	5	0.0493	ICP-OES
Cd	0.03	0.017	ICP-MS	TC	0.1^*	0.017	EA3001
Ce	1	0.0418	ICP-OES	Th	2	0.0001	ICP-OES
Cl	20	8	XRF	Ti	10	0.1741	ICP-OES
Co	1	0.0002	ICP-OES	Tl	0.1	0.0022	ICP-MS
Cr	5	0.0003	ICP-OES	U	0.1	0.008	ICP-MS
Cu	1	0.4889	ICP-OES	V	5	0.0001	ICP-OES
F	20	0.87	ISE	W	0.4	0.0148	ICP-MS
Ga	2	0.0002	ICP-OES	Y	1	0.9	XRF
Ge	0.1	0.00062	HG-AFS	Zn	4	0.0096	ICP-OES
Hg	0.0005	0.0004	AFC	Zr	2	0.8	XRF
I	0.5	0.18	UV	Al₂ $O 3 *$	0.05	0.008	XRF
La	5	0.00004	ICP-OES	CaO^*	0.05	0.0033	ICP-OES
Li	1	0.202	ICP-OES	K₂O^*	0.05	0.00508	ICP-OES
Mn	10	0.0003	ICP-OES	MgO^*	0.05	0.0008	ICP-OES
Mo	0.3	0.016	ICP-MS	Na₂O^*	0.1	0.0081	ICP-OES
N	20	0.0018	EA3000	Si $O 2 *$	0.1	0.013	XRF
Nb	2	0.0029	ICP-OES	TFe₂ $O 3 *$	0.05	0.0026	ICP-OES
Ni	2	0.0002	ICP-OES	Corg^*	0.1	0.072	CS-3600
P	10	0.0025	ICP-OES	pH	0.10	0.03	pH计

Table 1 各项指标的分析方法及检出限

属性	指标	平均值	中位值	标准离差	变异系数	最小值	最大值	全国土壤背景值^[31]
有害重金属 (类金属)元素	As	8.60	8.56	2.21	25.7%	2.78	19.6	11.2
	Cd	0.166	0.152	0.074	44.8%	0.058	0.782	0.097
	Cr	59.5	58.6	11.7	19.6%	26.0	147	61.0
	Cu	26.4	22.2	36.5	138%	7.80	805	22.6
	Hg	0.175	0.057	0.679	388%	0.011	9.13	0.065
	Ni	24.9	24.8	4.60	18.5%	11.5	52.6	26.9
	Pb	26.4	23.8	15.1	57.2%	14.4	283	26.0
	Zn	81.5	70.7	119	146%	43.2	2833	74.2
养分指标	C	1.59	1.47	0.76	47.6%	0.28	6.78
	N	961	929	428	44.5%	166	4013
	P	878	781	407	46.4%	284	4872
	S	203	183	83.0	40.8%	71.0	848
	有机质	1.72	1.54	0.97	56.3%	0.18	9.03	3.31
有益微量元素	B	40.2	39.3	10.3	25.5%	14.6	83.1	47.8
	Br	3.37	3.14	1.63	48.5%	0.03	19.2	5.40
	Cl	80.1	69.0	54.7	68.3%	24.8	693
	Co	11.2	11.1	1.96	17.5%	6.09	21.8	12.7
	Ge	1.37	1.34	0.21	15.6%	0.93	3.11	1.70
	Mn	593	572	142	23.9%	320	2064	583
	Mo	0.69	0.65	0.19	27.4%	0.37	2.36	2.00
	V	74.1	73.1	10.8	14.6%	43.6	125	82.4
健康元素	F	506	487	112	22.1%	270	1361	478
	I	2.05	1.80	1.39	67.9%	0.48	16.0	3.76
	Se	0.29	0.23	0.36	122%	0.05	5.79	0.29
常量元素	Al₂O₃	12.7	12.6	1.12	8.9%	9.72	17.1	12.5
	CaO	3.92	3.83	1.93	49.2%	0.85	11.9	2.16
	Fe₂O₃	4.31	4.24	0.65	15.0%	2.96	7.17	4.20
	K₂O	2.47	2.45	0.29	11.9%	1.25	3.49	2.24
	MgO	2.07	2.05	0.51	24.6%	0.87	5.76	1.30
	Na₂O	2.08	2.05	0.38	18.2%	0.60	3.65	1.37
	SiO₂	60.1	60.3	2.90	4.8%	49.6	66.5
稀有稀土元素	Ce	66.5	65.5	9.10	13.7%	35.8	107	68.4
	La	34.7	34.2	4.70	13.5%	20.6	55.0	39.7
	Sc	9.98	9.99	1.40	14.1%	5.35	16.7	11.1
	Th	9.46	9.48	1.95	20.6%	2.78	17.0	13.75
	U	1.87	1.86	0.27	14.5%	1.03	3.08	3.03
	Y	22.6	22.2	7.6	33.6%	12.2	187.7	22.9
其他金属元素	Ag	0.129	0.096	0.123	95.4%	0.043	0.986	0.132
	Au	3.85	2.00	7.14	186%	0.46	87.61
	Ba	643	621	96.0	14.9%	457	1476	469
	Be	1.87	1.85	0.25	13.6%	1.20	2.91	1.95
	Bi	0.34	0.29	0.25	74.5%	0.10	3.23	0.37
	Ga	15.4	15.1	1.60	10.4%	10.2	21.6	17.5
	Li	28.3	27.3	7.70	27.3%	14.1	104	32.5
	Nb	14.0	13.8	2.00	14.0%	8.80	25.6
	Rb	90.6	90.0	9.50	10.5%	57.6	127	111
	Sb	0.93	0.87	0.72	77.5%	0.32	16.4	1.21
	Sn	3.50	2.72	4.22	121%	1.50	59.4	2.60
	Sr	285	280	96.0	33.6%	77.0	833	167
	Ti	3695	3629	533	14.4%	2170	7519	3800
	Tl	0.61	0.60	0.08	12.7%	0.40	1.10	0.62
	W	1.64	1.53	1.50	91.2%	0.71	34.2	2.48
	Zr	248	243	39.0	15.7%	171	587	256
酸碱度	pH	7.56	7.75	0.62	8.2%	3.73	8.48	6.70

Table 2 土壤元素统计特征值

Fig.3 北京平原区土壤元素均值与全国土壤背景值的比值结果

指标	F1	F2	F3	F4	F5	F6
As	0.403	0.075	-0.167	0.293	0.090	0.183
Cd	0.172	0.543	-0.128	0.402	-0.138	0.071
Cr	0.534	0.195	0.040	0.071	0.287	0.057
Cu	0.040	0.086	-0.009	0.943	0.023	0.069
Hg	-0.059	0.297	-0.019	0.057	0.012	0.738
Ni	0.694	0.147	-0.151	0.106	0.161	0.075
Pb	0.023	0.249	-0.057	0.755	-0.056	0.486
Zn	0.041	0.098	0.006	0.967	-0.001	0.021
C	-0.042	0.707	-0.376	0.094	0.242	0.314
N	0.178	0.815	0.099	0.013	-0.188	0.145
P	0.043	0.705	0.03	0.121	0.019	0.140
S	0.046	0.699	-0.149	0.062	0.008	0.284
有机质	0.123	0.814	0.028	0.063	-0.114	0.296
B	0.305	0.095	0.206	-0.032	0.124	0.024
Br	0.121	0.587	-0.119	0.004	0.192	0.055
Cl	-0.011	0.333	-0.061	0.006	0.147	0.124
Co	0.825	0.150	-0.135	0.265	0.029	-0.019
Ge	0.253	0.193	0.052	0.076	-0.286	-0.168
Mn	0.625	0.027	-0.045	0.027	-0.087	-0.024
Mo	0.248	0.343	-0.246	0.180	-0.132	0.160
V	0.906	0.057	0.022	-0.007	-0.015	-0.030
F	0.482	0.235	-0.442	-0.011	-0.213	-0.221
I	0.056	0.350	-0.022	-0.013	0.189	-0.184
Se	-0.044	0.225	0.055	0.015	-0.446	0.056
Al₂O₃	0.639	-0.017	0.001	-0.042	-0.483	0.021
CaO	-0.213	0.101	-0.644	0.043	0.595	0.135
Fe₂O₃	0.858	0.169	-0.165	0.017	-0.117	-0.087
K₂O	0.176	-0.307	0.177	-0.021	-0.610	0.140
MgO	0.131	0.171	-0.735	0.045	0.265	-0.225
Na₂O	-0.205	-0.238	0.174	-0.075	-0.346	-0.070
SiO₂	-0.258	-0.254	0.762	-0.033	-0.209	-0.199
Ce	0.838	0.129	0.044	0.005	-0.105	-0.049
La	0.830	0.155	0.031	0.004	-0.034	0.003
Sc	0.842	-0.015	-0.186	0.025	0.105	-0.014
Th	0.582	-0.090	-0.089	0.001	0.252	0.132
U	0.576	0.335	-0.020	0.064	0.037	0.136
Y	0.285	0.056	0.124	-0.008	0.025	-0.089
pH	-0.050	0.062	-0.354	-0.001	0.708	0.043
Ag	-0.024	0.355	-0.110	0.328	-0.114	0.463
Au	-0.002	0.270	-0.045	0.161	-0.011	0.713
Ba	0.110	0.101	-0.150	0.020	-0.663	-0.169
Be	0.600	-0.155	-0.008	-0.020	-0.502	0.089
Bi	0.043	0.520	-0.060	0.317	-0.204	0.032
Ga	0.750	-0.061	-0.100	0.010	-0.542	0.041
Li	0.447	0.168	-0.271	-0.008	-0.162	-0.136
Nb	0.709	-0.173	0.100	0.016	-0.265	-0.005
Rb	0.469	-0.322	-0.135	0.030	-0.337	0.187
Sb	0.056	0.078	-0.042	0.923	0.084	0.121
Sn	0.009	0.172	-0.055	0.087	0.029	0.668
Sr	0.005	0.004	-0.279	0.009	-0.074	0.064
Ti	0.828	0.110	0.279	-0.024	-0.023	-0.156
Tl	0.201	-0.027	-0.169	0.031	-0.095	0.007
W	0.045	0.107	0.003	0.014	0.008	-0.063
Zr	0.096	0.041	0.813	-0.047	0.023	-0.193
特征值	13.0	7.28	4.26	2.91	1.97	1.81
方差/%	24.1	13.5	7.89	5.38	3.64	3.34
累积方差/%	24.1	37.6	45.5	50.9	54.6	57.9

Table 3 土壤元素因子分析结果

Fig.4 北京平原区因子得分分布

Table 4 土壤元素含量与垂向深度的相关性

Table 5 模型摘要及参数估计值统计

Fig.5 土壤元素函数模型拟合

Fig.6 不同土壤类型元素含量对比

Fig.7 不同土壤质地元素含量对比

Fig.8 不同土地利用方式元素含量对比

Fig.9 不同规划区土壤元素含量对比

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