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物探与化探, 2022, 46(4): 999-1010 doi: 10.11720/wtyht.2022.1408

生态地质调查

宁夏南部山区葫芦河流域土壤地球化学特征及影响因素分析

李永春,, 苏日力格, 周文辉,, 邰苏日嘎拉, 陈国栋, 王永亮, 高琪, 张祥, 张栋

中国地质调查局 呼和浩特自然资源综合调查中心,内蒙古 呼和浩特 010000

Geochemical characteristics and influencing factors of soil in Hulu River Basin in the southern mountainous region of Ningxia

LI Yong-Chun,, SU Ri-Li-Ge, ZHOU Wen-Hui,, TAI Su-Ri-Ga-La, CHEN Guo-Dong, WANG Yong-Liang, GAO Qi, ZHANG Xiang, ZHANG Dong

Hohhot Natural Resources Comprehensive Survey Center, China Geological Survey,Hohhot 010000, China

通讯作者: 周文辉(1980-),男,高级工程师,资源勘查专业,主要从事矿产勘查、区域地质调查、生态环境地质调查研究工作。Email:Zhouwenhui8005@163.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2021-07-24   修回日期: 2021-12-3  

基金资助: 中国地质调查局地质调查项目(DD20191015)

Received: 2021-07-24   Revised: 2021-12-3  

作者简介 About authors

李永春(1989-),男,工程师,地球化学专业,主要从事勘查地球化学及生态地球化学调查和评价工作。Email: 369517099@qq.com

摘要

基于宁夏固原地区土地质量地球化学调查数据资料,采用数理统计方法研究了表层土壤30项元素(指标)的背景值,对比分析了不同成土母质(岩)和土地利用类型元素空间分布特征和富集贫化规律,进一步采用主成分分析法从元素组合特征的角度分析了制约元素分布特征的因素。结果表明:研究区土壤中亲铁元素(Ni)、亲钨元素(Mo)、碱(土)金属元素(Na2O、MgO、CaO)及卤族元素(I、F)、亲铜元素(As)含量高于全国背景值,Hg、Se、有机质、N、Pb等亲生物元素与全国背景值相比相对贫化。成土母质(母岩)是土壤元素含量特征的主要控制因素,在成土过程中,自然及人为影响造成了部分元素的贫化富集。N、Mo、I、有机质、S等受红土母质和其母岩控制明显,Ca2+、Na+则在水动力影响下造成风化淋失。河谷平原土壤元素含量介于红土和黄土母质之间,在表生环境下易溶于水的Na2O、K2O、Cl在水动力的作用下于河口、河谷地带富集,P、Hg、Se、Mo则受人为干扰出现局部富集。因子分析表明,成土母质(岩)、成土过程中的风化、淋滤、生物富集等作用及人类生产活动共同影响着研究区表层土壤的背景值特征。该研究成果可为区域资源环境评价提供基础地球化学信息。

关键词: 地球化学特征; 表层土壤; 主成分分析; 元素含量; 葫芦河流域

Abstract

Based on the data derived from the geochemical survey of land quality in the Guyuan region, Ningxia, this study studied the background values of 30 elements (indicators) in the surface soil using mathematical statistics. This study compared the distribution and enrichment (or dilution) characteristics of elements in different parent materials (parent rocks) and land use types and further analyzed the factors restricting the distribution of the elements from the perspective of element association characteristics using the principal component analysis method. The results show that the contents of iron-philic element Ni, tungsten-philic element Mo, alkaline (earth) metal elements Na2O, MgO, CaO, halogen elements I, F, and copper-philic element As were all higher than corresponding national background values, while the contents of the biophilic elements such as Hg, Se, organic matter, N, and Pb were lower than corresponding national background values. Parent materials (parent rocks) were the main factor controlling the characteristics of element contents in soil. In the process of soil formation, natural and man-made influences have caused the enrichment or dilution of some elements. N, Mo, I, organic matter, and S are significantly controlled by the laterite parent material and their parent rocks, and the erosion of Ca2+ and Na+ causes weathering and leaching due to hydrodynamic effects. The element contents in the soil in the river valley plain were between those of laterite and those of loess parent material. In a supergene environment, Na2O, K2O, and Cl, which are prone to dissolve in water, are rich in estuaries and valleys due to hydrodynamic action. P, Hg, Se, and Mo elements are locally rich due to human interference. The factor analysis shows that parent materials (parent rocks), weathering, leaching, and bioaccumulation in the process of soil formation, and human production activities all affect the background values of the surface soil in the study area. The study results will provide basic geochemical information for the assessment of the regional resources and environment.

Keywords: geochemical characteristics; surface soil; principal component analysis; element content; Hulu River Basin

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本文引用格式

李永春, 苏日力格, 周文辉, 邰苏日嘎拉, 陈国栋, 王永亮, 高琪, 张祥, 张栋. 宁夏南部山区葫芦河流域土壤地球化学特征及影响因素分析[J]. 物探与化探, 2022, 46(4): 999-1010 doi:10.11720/wtyht.2022.1408

LI Yong-Chun, SU Ri-Li-Ge, ZHOU Wen-Hui, TAI Su-Ri-Ga-La, CHEN Guo-Dong, WANG Yong-Liang, GAO Qi, ZHANG Xiang, ZHANG Dong. Geochemical characteristics and influencing factors of soil in Hulu River Basin in the southern mountainous region of Ningxia[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(4): 999-1010 doi:10.11720/wtyht.2022.1408

0 引言

土壤是生命的摇篮,是人类实物生产最基本的生产资料,与人类的生产和生活息息相关[1]。土壤圈是最活跃与最富有生命力的圈层,处于相互关联的地球系统之中,与其他圈层进行着永恒的能量和物质交换[2-3]。土壤地球化学调查作为勘查地球化学的组成部分之一,在解决人类资源与环境的重大问题上发挥巨大作用[4],主要研究土壤中元素的地球化学特征、分布、迁移、累积及其时间空间演化规律,通过对成土因素、土壤化学成分与母岩的继承关系以及土壤环境中各种地球化学作用过程的研究,揭示土壤发生演化的规律[5]。同时,研究土壤地球化学元素的含量和分布特征,对生态环境保护、人类健康保障及土地利用规划具有指导作用[6]

多目标区域地球化学调查实施20年以来,在全国范围内获取了大量土壤地球化学数据,深入研究了土壤背景值特征与成土母质、表生环境作用及人类生产活动之间的内在联系,在支撑土壤环境污染防控、土地资源管理、国家重大立法、精准扶贫等方面做出了重大贡献,显著拓展了地质工作服务链,为科学利用土壤资源提供了地球化学信息[4,7]。但以往的调查研究多集中于我国中东部的平原地区,对西北地区的研究相对较少。我国西北地区中小城市是当前国内快速城镇化过程中特殊的地域实体,随着城镇化进程的不断加快,如何科学利用土地资源逐渐受到人们的关注[8]。宁夏南部山区地处我国西北黄土高原腹地,区域内有3条大的河流,即清水河、泾河、葫芦河,均发源于六盘山山脉,六盘山植被发育,是宁夏降水、地表径流最丰富的地区之一,在调节气候、涵养水源、保持生态平衡等方面发挥着重要的作用[9]

本文依托于宁夏固原地区新近完成的1∶50 000土地质量地球化学调查获取的土壤样品测试数据,选取葫芦河流域典型地貌区,探讨了表层土壤中30项元素(指标)地球化学特征,利用主成分分析法,结合统计结果,剖析了土壤元素空间分布规律和控制因素,为后续在研究区开展资源环境评价、土壤环境监测和国土空间规划提供更加准确、详实的基础数据。

1 研究区概况

研究区属于宁夏南部的固原市辖区,行政区包括隆德县、西吉县(图1),该地区位于黄土高原腹地,六盘山西麓,系祁连山地槽与华北地台的过渡带,总体呈东高西低、南高北低之势。地貌类型主要为黄土丘陵、阴湿土石山区(红层丘陵)和河谷平原。研究区属葫芦河流域上游区,系陇西系的西吉新断陷盆地展布范围。区内主要河流——葫芦河为渭河一级支流,发源于六盘山西麓及其余脉月亮山,流经宁夏西吉、隆德县后进入甘肃省静宁县北峡口。葫芦河在研究区内一级支流主要有渝河、滥泥河、马莲河等。区内土壤主要成土母质为新近纪红色泥岩及其上覆的黄土,分布格局受葫芦河及各支流侵蚀切割及构造运动影响(图2),于河流附近形成河谷平原及阶地[10-12]

图1

图1   研究区位置

Fig.1   Location map of study area


图2

图2   研究区地质简图

Fig.2   Geological map of study area


2 样品采集、分析测试及数据处理

2.1 样品采集与处理

按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016),采用网格加图斑的原则布设样点。采样点密度为4~8点/km2,在耕地分布区根据耕地面积大小及集中程度样点密度设置为6~8个点/km2,其他地类分布区样点密度为4点/km2。样品介质为表层土壤(0~20 cm),在样点周围20~50 m范围内3~5处多点取样混合。样品自然风干后剔除石块、植物根系等,碾碎过10目筛用于测试pH,过60目筛用于测试有机质,剩余样品采用玛瑙罐无污染粉碎至200目,用于测试全量元素。于2020年5~11月在工作区范围内采集样品6 392件,控制面积约1 173 km2

2.2 样品分析

样品测试工作由承德华勘五一四地矿测试研究有限公司承担,质量监控要求按照《多目标地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)执行,通过国家一级标准物质(GSS2、GSS3、GSS8、GSS9、GSS13、GSS14、GSS15、GSS20、GSS23、GSS25、GSS26、、GSS28)监控测试分析准确度和精密度,所有监控样测试分析准确度和精密度均在监控允许范围内,各分析指标的分析检出限要求等于或小于相关规范要求,所取得分析数据均通过中国地质调查局质量验收,数据真实可靠。各元素(指标)分析方法及检出限见表1

表1   各项指标的分析方法及检出限

Table 1  The analysis method and detection limit of target elements

检测指标分析方法规范要求
最低检出限
方法检出限检测指标分析方法规范要求
最低检出限
方法检出限
SiO2XRF0.10.06CuICP-MS10.5
Al2O3XRF0.050.04FISE10030
TFe2O3ICP-OES0.050.04GeICP-MS0.10.05
MgOICP-OES0.050.04HgAFS0.00050.0003
CaOICP-OES0.050.04IICP-MS0.50.1
Na2OICP-OES0.10.05MnICP-OES105
K2OICP-OES0.050.04MoICP-MS0.30.1
Corg.HFIR0.10.1NVOL2010
pHISE0.10.1NiICP-OES21
AsAFS10.5PICP-OES105
BICP-MS10.4PbICP-MS21
CdICP-MS0.030.02SICP-OES3010
ClXRF2020SeAFS0.010.005
CoICP-MS10.5VICP-OES51
CrICP-OES53ZnICP-OES41

注:氧化物和有机质(Corg.)含量单位为%,pH无量纲,其他元素含量单位为10-6。XRF为X射线荧光光谱法;ICP-OES为电感耦合等离子体发射光谱法;HFIR为燃烧红外法;ISE为离子选择性电极法;ICP-MS为电感耦合等离子体质谱法;VOL为容量法。

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2.3 数据分析方法及图件编制

通过乌鲁木齐金维图文信息科技有限公司开发的GeoIPAS4.2软件和OfficeExcel2016协同完成数据及分区数据(成土母质、土地利用方式)的均值、几何均值、中位数、标准离差、变异系数、最大值、最小值的描述统计。遵照《多目标地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)要求,先进行土壤数据频率分布正态检验,服从正态或对数正态分布的,分别用算术平均值和几何平均值代表背景值;当数据不服从正态分布或对数正态分布的,则按算术平均值加(减)3倍标准差反复剔除离群数据,剔除后的均值代表背景值;剔除后仍不满足正态分布的,则以中位数代表背景值[4,13-17]。主成分分析在SPSS22.0软件中完成;因子得分图利用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发的GeoChemStuio3.5软件完成,并转化成Shp.格式后使用ArcGis10.2进行图面修饰。

3 结果与讨论

3.1 表层土壤元素含量特征

研究区表层土壤中30项元素(指标)含量统计特征值见表2。引入富集系数K1K2,分别为研究区元素土壤背景值/全国土壤背景值、研究区元素土壤背景值/宁夏土壤背景值的比值。

表2   研究区表层土壤元素地球化学特征统计表

Table 2  Characteristics of geochemical in the whole region

元素
指标
样品数
N
均值
X
几何均值
X1
中位数
M
标准离差
S
变异系数
Cv
最大值
Xmax
最小值
Xmin
剔除后
样品数
N1
背景值
X0
K1K2
SiO2639254.9154.8754.802.140.0468.3340.33624254.930.850.79
Al2O3639211.6311.6211.600.470.0414.908.74609211.600.891.24
Fe2O363924.604.594.600.310.076.282.8362584.601.061.39
MgO63922.552.542.530.240.106.871.5362262.541.741.40
CaO63929.279.149.431.430.1518.221.3262769.353.361.76
Na2O63921.671.671.670.160.102.470.5863221.681.320.96
K2O63922.572.562.540.230.094.031.0163362.561.091.20
Corg.63920.700.650.670.280.403.210.1062370.680.631.74
pH63928.338.338.340.180.029.717.3463638.331.171.00
As639213.1013.0212.951.490.1127.904.55624013.001.431.35
B639254.9754.6854.195.920.11131.1230.87622854.551.131.33
Cd63920.150.150.150.020.160.520.0962980.151.021.29
Cl639265.2361.7058.1930.350.47864.2625.09595359.610.820.90
Co639212.3712.3212.291.130.0919.156.59626812.331.051.37
Cr639262.5562.3262.296.340.10358.0532.67622662.440.991.16
Cu639224.5424.3924.203.370.14192.5014.56622624.311.071.43
F6392618.10613.48617.0076.410.121702.00313.006282616.721.231.46
Ge63921.221.211.220.060.051.520.7762571.220.901.01
Hg639224.1822.2820.9715.710.65479.935.02598621.720.441.14
I63922.412.272.171.010.4220.260.4159692.211.231.70
Mn6392645.24643.58642.0047.470.071268.00399.006263643.481.171.36
Mo63920.940.900.850.520.5618.720.5559050.861.291.39
N6392893.41850.55870.00283.080.322834.00256.006276875.370.781.90
Ni639232.4932.3232.273.600.11168.0016.58631032.451.241.35
P6392813.01801.12793.00143.900.182388.00408.006319807.071.181.88
Pb639220.3220.2020.002.450.1286.3114.35621620.090.791.12
S6392236.98220.55214.40469.051.9834480.00121.506183218.040.841.06
Se63920.140.140.140.040.310.940.0762440.140.630.93
V639278.1978.0278.095.210.07110.8849.85625478.090.981.26
Zn639271.2070.9470.446.100.09121.8042.03616970.801.051.48

注:氧化物和有机质(Corg.)含量单位为%,Hg含量单位为10-9,pH无量纲,其他元素含量单位为10-6

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变异系数(coefficient of variation,Cv)通常用标准离差与平均值的比值来表示,可以比较不同量纲的数据,表征元素空间分布的均匀程度。Wilding将变异系数分为低度变异(Cv<0.16)、中等变异(0.16<Cv<0.36)和高度变异(Cv>0.36)[18]。从变异系数来看,研究区土壤中30项元素(指标)Cv值介于0.02~1.98,其中SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、As、B、Co、Cr、Cu、F、Ge、Mn、Ni、Pb、V、Zn、pH等20项元素(指标)属低度变异元素,说明以上指标在区内土壤中含量相对稳定,分布均匀。有机质、I、Cl、Mo、Hg、S等变异系数大于0.36,属高度变异,说明上述指标在区域内分布不均,表明它们受成土母质来源差异、表生作用过程和外源成分混合的影响,具有较强的空间变异性,存在区域性贫化或富集的可能。需要指出的是S变异系数为1.98,明显大于其他元素,说明S在不同成土母质中分布极不均匀或后期的表生作用、人为干扰等因素对S的分散富集造成了较大的影响。Cd、Se、N、P等属中等变异元素,Cd、Se具有亲硫、亲生物特性,在表层土壤中容易发生贫化或富集,受表生作用影响较大[19-22]。N、P为农业施肥的主要成分,受人类活动干扰因素较大。

与全国表层土壤(0~20 cm)地球化学背景值[23]相比,研究区表层土壤中I、F、Ni、Mo、Na2O、As、MgO、CaO等较为富集(K1>1.2),其中MgO、CaO强烈富集,含量分别为全国土壤背景值的1.74和3.36倍。碱(土)金属元素(Na2O、MgO、CaO)及卤族元素(I、F)、亲铜元素(As)相对富集的原因可能与区内地质背景有关,程旭学等在《宁夏中南部严重缺水地区地下水勘查与供水安全示范成果报告》[24]中认为,六盘山及其周缘地区在渐新世时,逐渐发展为宽阔的河湖盆地,气候持续干燥炎热,沉积了清水营组河湖相红色砂泥质含膏盐建造,为以上元素富集提供物源。亲铁元素(Ni)、亲钨元素(Mo)则与区内主要成土母质之一——红土母质有关。Cl、S、SiO2、Al2O3、Ge、V、Cr、Cd、Co、Zn、Fe2O3、Cu、K2O、B、Mn、P等含量与全国土壤背景值相当(0.8<K1<1.2),Hg、Se、有机质、N、Pb等与全国背景值比相对贫化,其中Hg仅为全国背景值的44%。Hg、Pb等受人类活动干扰影响较大[7],区内Hg、Pb相对贫乏与研究区工业发展水平较低保持一致。有机质、N、Pb、Se含量低与区内分布最广的黄土母质有关。

与宁夏表层土壤(0~20 cm)地球化学背景值[23]相比,K2O、Al2O3、V、Cd、B、Ni、As、Mn、Co、Mo、Fe2O3、MgO、Cu、F、Zn、I、有机质、CaO、P、N等大部分指标相对富集,其中I、有机质、CaO、P、N等含量较宁夏表层土壤背景值高出1.5倍以上,CaO的富集与调查区广泛发育的第四系黄土有关,有机质、P、N与区内广泛发育的熟化土壤层有关。Cl、Se、Na2O、pH、Ge、S、Pb、Hg等指标与宁夏表层土壤相当(0.8<K2<1.2),SiO2含量与宁夏表层土壤基本相当(K2=0.79)。

3.2 土壤元素含量分布影响因素分析

前人研究表明,不同成土母质、土地利用方式会影响土壤化学成分组成[25-27]。为对比不同控制单元元素含量特征,引入局部富集系数K3K4,分别为不同成土母质平均值/全区背景值、不同土地利用类型平均值/全区背景值的比值。具体参数见表3图3图4

表3   不同单元土壤元素富集系数统计

Table 3  Enrichment coefficient of different units

元素
(指标)
全区
背景值X
不同成土母质富集系数K3不同土地利用类型富集系数K4
冲积母质
n=1020
红土母质
n=571
黄土母质
n=4801
水浇地
n=1099
旱地
n=4334
林地
n=676
草地
n=132
其他
n=151
SiO254.931.011.010.991.021.000.980.990.99
Al2O311.601.001.051.001.001.001.000.991.00
Fe2O34.600.991.041.000.991.000.991.001.00
MgO2.541.031.041.001.021.001.001.001.03
CaO9.350.910.891.020.881.011.041.041.00
Na2O1.681.010.951.001.001.010.960.990.98
K2O2.561.031.010.991.031.000.990.971.00
Corg.0.681.121.400.971.160.981.220.981.05
pH8.331.001.001.001.011.001.011.011.01
As13.001.011.051.001.021.001.020.991.03
B54.551.061.100.991.080.991.030.981.03
Cd0.151.071.090.981.080.991.010.951.01
Cl59.611.461.021.021.411.040.921.001.29
Co12.330.991.041.001.001.001.011.001.01
Cr62.441.001.051.001.001.001.001.001.01
Cu24.311.031.071.001.051.001.010.991.02
F616.721.031.070.991.040.990.990.971.02
Ge1.221.011.030.991.011.000.990.990.99
Hg21.721.341.111.061.381.080.951.001.01
I2.211.281.371.011.330.991.301.001.25
Mn643.481.021.040.991.021.000.980.991.01
Mo0.861.451.290.991.451.011.020.971.21
N875.371.091.250.981.110.981.160.981.02
Ni32.451.001.031.000.991.000.991.001.00
P807.071.151.010.981.170.990.870.920.96
Pb20.091.031.101.001.041.001.020.991.02
S218.041.261.640.981.241.001.400.971.13
Se0.141.271.090.961.290.951.060.941.14
V78.090.991.031.000.991.000.990.991.01
Zn70.801.031.050.991.041.000.990.981.01

注:氧化物和有机质(Corg.)含量单位为%,Hg含量单位为10-9,pH无量纲,其他元素单位为10-6。其他用地包括建设用地、未利用土地及交通、水利、农业设施用地等。

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图3

图3   不同成土母质表层土壤元素富集系数

Fig.3   Enrichment coefficient of surface soil elements in different parent material


图4

图4   不同土地利用类型表层土壤元素富集系数

Fig.4   Enrichment coefficient of surface soil elements in different parent material


3.2.1 不同成土母质元素含量差异

研究区内土壤层发育,按成土母质可划分为黄土母质、红土母质、冲洪积母质3大类,其中黄土母质在研究区分布最广,面积最大,其成因目前尚未形成定论,以风成说为主流[28],黄土母质在区内厚度介于30~200 m,可以认为,黄土母质元素成分受下覆基岩影响较小;红土母质主要源于六盘山出露的红色泥岩、粉砂岩,经自然风化形成,为残坡积物,其元素成分继承于成土母岩;冲洪积母质土壤分布于区内水动力较强的低海拔河口、河谷和狭长平原地区,其物质来源于两侧丘陵区的黄土和红土母质,经自然和人为改造后现多为农田。

黄土母质因分布面积广,采集样品数多,在参与计算时背景值权重大,故所有元素含量与全区背景值基本一致,在此不做讨论。

除CaO、Na2O外,K2O、P、SiO2、Cl、Ni、V、Ge、Co、MgO、Fe2O3、Mn、Al2O3、As、Zn、Cr、F、Cu、Cd、Se、Pb、B、Hg等造岩元素、卤族元素、亲铁亲铜元素含量在红土母质中略高于黄土母质(1.0<K3<1.2),说明以上指标在红土母质中含量高于黄土母质。N、Mo、I、有机质、S等在红土母质中则表现出明显的富集特征(K3介于1.25~1.64)。红土母质分布区多位于六盘山麓,降雨充沛,植被茂密,红土进一步风化形成的土壤黏性较强,黏粒较多,吸附性强,加之常年植被落叶腐化,引起N、有机质富集,Mo、I、S的富集与红土的成土母岩有关,特别是S,与区内含石膏(CaSO4)地层有直接关系。

冲洪积母质中大部分元素含量介于黄土土母质和红土母质之间,且含量相差不大,这与上文所述冲洪积母质物质来源是红土和黄土的观点相吻合。Na2O、K2O、P、Se、Hg、Mo、Cl等含量在冲洪积母质中最高,说明以上元素在成土过程中出现二次富集。在表生环境下Na+、K+、Cl-易溶于水,在水力牵引的作用下由高海拔区溶出向低海拔区迁移,在河谷及两岸产生二次富集,P、Hg则受人为干扰出现局部富集(冲洪积母质位于的河谷平原地带人类活动程度明显高于红土、黄土母质所处的丘陵山区)。Se、Mo的富集可能与黏土矿物、有机质吸附及人为活动影响等有关[29]

成土母质是表层土壤最直接的物质来源,在复杂的成土过程中,不仅能在原地残留形成土壤,也能在海拔高差和水动力作用下形成冲积物土壤[17],也能在风力搬运、堆积、沉降下形成黄土。总体来看,不同成土母质土壤元素含量存在较大差异,说明成土母质是土壤元素含量特征的主要控制因素。红土和黄土母质元素含量总体受成土母质或下覆母岩控制,并在成土作用过程中受地形地貌、降雨等表生作用的影响。冲洪积母质土壤元素含量则与其物质来源有关。同时,人类活动对部分元素的富集贫化产生一定影响。

3.2.2 不同土地利用类型元素含量差异

研究区土地利用方式以旱地为主,广泛分布于丘陵山区,其成土母质多为黄土和红土母质,发育为黄绵土和黑垆土等。其次为水浇地,多分布于地势较低的沟谷、狭长平原地带。林地多分布于六盘山山麓,草地与林地、旱地插花分布。本次统计将样品数较少的建设用地、交通用地、水利、农业设施用地及未利用土地合并为其他用地。

旱地是研究区面积最大的土地利用方式,采集样品数多,在参与计算时,背景值权重大,故所有元素含量与全区背景值基本一致。草地与旱地插花相邻分布,土壤地球化学特征与旱地基本一致,在此均不做讨论。

水浇地中Fe2O3、V、Ni、Na2O、Cr、Co、Al2O3、Ge、MgO、As、Mn、SiO2、K2O、Zn、F、Pb、Cu、Cd、B、N、有机质、P等与全区土壤背景值相当,CaO显示贫乏,S、Se、I、Hg、Cl、Mo显示富集特征,这与水浇地的成土母质——冲洪积母质地球化学特征基本一致。Ca2+在人为浇水的干扰下向下层淋溶,造成表层贫化;S、Se、I、Hg、Cl、Mo的富集则是在特定的地形地貌下,细粒黏土矿物由高海拔向河谷平原运移,造成以上易被吸附的元素随之迁移到平原区。

P、Cl、Hg在林地中的含量低于其他土地利用方式,N、有机质、I、S则表现出富集特征。如上文所述,林地多分布于海拔相对较高的山地,受人类活动影响较小,P、Hg等与人类活动密切相关的元素含量相对较低,Cl-则在水动力作用下迁移到下游水浇地中。林地中植被凋落物、生物作用强烈,引起N和有机质的富集。I、S的富集则与林地主要分布区的成土母质——红土母质的土壤成分一致。其他用地中Mo、I、Cl显示富集,这与采样点多位于水利设施周边、狭长沟谷或干沟等未利用土地区域有关。水动力将以上元素从上游土壤中带出,在下游沟谷、洼地水动力减弱,水量蒸发,逐步析出到土壤中。

土地利用方式一定程度反映了人类活动,因此不同用地类型土壤中元素含量的差异反映了人类活动对土壤元素含量的影响,工业活动、种植类型、施肥、灌溉等因素会改变土壤的理化性质并影响元素的运移与转化。水浇地作为人类干扰最大的用地方式,其元素含量与全区相比变化较大,而旱地、林草地大部分元素含量与全区基本相当,个别元素的富集贫化多受表生作用影响较大,与人类活动关系不大。

3.3 主成分分析

主成分分析是因子分析(PCA)的一种计算模型,是利用降维的思想,对多个变量进行简化,在减少原始数据信息损失的前提下将多个变量简化成几个因子,从而实现对原始变量的分类,揭露原始变量之间的内在联系,因子间既不相关,又能反映原有的指标信息[30-31]。本文采用SPSS22.0软件对土壤中各元素(指标)进行主成分分析。首先,对研究区数据进行相关关系检验,检验是否适合进行因子分析。研究区表层土壤各变量KMO值为0.841,显著性水平(sig.)为0,说明变量间的相关性较强,表明原始数据适合进行因子分析[31]。基于主成分计算模型,选取出9个特征值大于1的公因子,累积方差贡献率为70.83%,较大程度地代表原有变量所蕴含的信息。为了使因子载荷矩阵系数更加显著,相关系数向0→1分化,采用最大方差法对初始因子载荷矩阵进行旋转,使因子和原始变量间的关系重新分配[32]。同时为便于发现各因子元素组合特征,本次仅截取因子载荷较高(≥|0.5|)的变量组合,见表4。同时,根据各采样点的因子得分,绘制了因子得分分布图,结果见图5

表4   因子分析正交旋转因子载荷矩阵和特征值与累积方差贡献率

Table 4  Orthogonal rotation factor load matrix,eigenvalue and cumulative variance contribution rate of factor analysis

指标F1F2F3F4F5F6F7F8F9
Fe2O30.84
V0.83
Ni0.82
Cr0.82
Mn0.79
Zn0.69
Al2O30.50
Co0.78
Pb0.74
Cu0.73
Cd0.67
N0.87
Corg.0.83
pH(-0.62)
As
F0.75
B0.68
Ge0.67
SiO20.86
CaO(-0.71)
Mo0.79
Se0.70
I
Na2O0.80
K2O0.80
Hg0.71
P0.66
Cl
S0.88
MgO0.51
特征值4.702.852.702.362.061.921.691.621.36
方差/%15.689.498.997.876.876.385.635.404.54
累积方差/%15.6825.1734.1542.0248.8955.2760.9066.3070.83

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图5

图5   研究区因子得分分布

Fig.5   Diagrams of factor scores in Study area


F1因子方差贡献率为15.68%,在所有因子中所占比例最高,占较高载荷的元素组合为亲铁元素(Fe2O3、V、Ni、Mn)、亲铜元素(Zn)和造岩元素(Al2O3)。从空间分布看,高值区主要分布于与研究区北部红土层和东南部六盘山山麓区域红土发育地带,一定程度指示了区内主要红土层的分布。

F2因子方差贡献率为9.49%,载荷占比较高的元素组合为亲铜元素(Cu、Pb、Cd)和亲铁元素(Co)。从空间部分来看,高值区与新近系泥岩、砂岩等分布区吻合度高,反映了成土母岩的特征。F1和F2因子共同反映了红土母质及母岩的分布,笔者认为,F2因子更侧重反映母岩的地球化学特征,而F1因子则侧重指示红土由母岩—土壤风化的过程,元素运移距离相对较远。

F3因子方差贡献率为8.99 %,载荷占比较高的元素组合为N、有机质、(-pH)(此处的负号表示负相关,余同),为生命元素组合。一般认为土壤中C/N达到平衡状态,土壤氮素含量大体上决定有机碳的含量,反过来土壤有机碳含量的高低间接反映出土壤的供氮能力[33]。因调查区为农区,人类频繁活动(如耕作施肥等)对N和有机碳的干扰较大,分布并无明显规律。总的来看,高值分布区与林地分布有一定吻合度。林地植被发育,覆盖率高,根系生长、枝叶残落等生物地球化学循环过程与累积作用强烈,固氮能力较强。而耕地中土壤耕作改变了土壤密度、孔隙度、土壤持水力、土壤水分以及团聚体等土壤物理属性,破坏了土壤原有的团聚体结构,暴露出更多的有机碳,加速土壤微生物对有机碳的分解作用,降低了土壤有机质含量。

F4因子方差贡献率为7.87 %,载荷占比较高的元素组合为F、B、Ge,受元素本身化学特征影响较大,特别是在黄土母质中含量稳定,变异性小。高含量区分布于基岩区附近,同时受水动力影响,高值区呈串珠状分布于下游河谷地区。

F5因子方差贡献率为6.87 %,载荷占比较高的元素组合为SiO2、(-CaO),为常量元素氧化物组合,能够反映成土母质的基本信息。CaO的低含量区为SiO2高含量区,分布于葫芦河及其支流两岸及基岩出露区附近,该地区以冲洪积形成的砂质沉积物和残积形成的半成土为主,而其他地区多以黄土为主。杨河乡一带是CaO的高含量区,其物质来源于上游含石膏层岩层。

F6因子方差贡献率为6.38 %,元素组合为Mo、Se,为亲生物元素,易在生物驱动下富集,F6因子高含量区多分布于水浇地,水浇地均位于河流阶地,同时也反映了人类对土地资源的改造利用。该因子体现了在人类活动和表生作用共同影响下有益元素趋向富集的特征。

F7因子元素组合为Na2O、K2O,方差贡献率为5.63 %,F9因子元素组合为S、MgO,方差贡献率为4.54%。Na2O、K2O和S、MgO整体分布相反,Na2O、K2O活动性强,在丘陵山区淋失严重,高含量区集中分布于河谷,而S、MgO总体迁移距离较短,仅在局部沟谷呈现高含量特征。

F8因子方差贡献率为5.40%,元素组合为Hg、P,该组元素明显受控于人类活动。在农业生产活动频繁的河谷平原有磷肥输入,工业活动造成Hg高值分布区与主干道路和城镇高度吻合。该因子的空间分布表明人类活动的频繁程度,人类活动越频繁,土壤中的Hg含量越高。

因子分析的目的不仅仅是找出影响因子,更重要的是研究因子代表的成因意义。研究区内成土母质既有残积物,又有零散冲积物和风成物(黄土),其来源既受母岩影响,也受表生作用和人类活动影响。通过因子分析发现,受母岩影响的元素有:F1、F2因子;受成土母质影响的有F4、F5因子;受表生作用影响的有F6、F7、F9因子;受人类活动影响较大的元素F3、F8因子。

4 结论

1)与全国表层土壤元素含量相比较,研究区I、F、Ni、Mo、Na2O、As、MgO、CaO等较为富集,Hg、Se、有机质、N、Pb等与全国背景值比相对贫化。与宁夏表层土壤元素含量相比较,K2O、Al2O3、V、Cd、B、Ni、As、Mn、Co、Mo、Fe2O3、MgO、Cu、F、Zn、I、Corg.、CaO、P、N等相对富集,这主要与地质背景和研究区广泛发育的熟化土壤层有关。其余Cl、Se、Na2O、pH、Ge、S、Pb、Hg与宁夏表层土壤相当。

2)成土母质(岩)和土地利用方式均是影响土壤元素含量分布的重要因素,不同因素对土壤元素分布的影响具有差异性。成土母质(岩)是表层土壤元素地球化学背景值的主要控制因素,土地利用方式对部分元素背景值亦有一定的影响。

3)采用主成分分析法对表层土壤元素地球化学特征成因研究表明,成土母质(岩)、成土过程中的风化、淋滤、生物富集作用及人类生产活动共同影响着研究区表层土壤元素地球化学特征,其中受母(质)岩影响较大的元素有:F1(Fe2O3、V、Ni、Cr、Mn、Zn、Al2O3、Zn)、F2(Cu、Pb、Cd、Co)、F4(F、B、Ge)、F5(SiO2、-CaO);受表生作用影响的有F6(Mo、Se)、F7(Na2O、K2O)、F9(S、MgO);受人类活动影响较大的元素有F3(N、有机质、-pH)、F8(Hg、P)。

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通过对中国31个省会城市3 799件表层土壤样品(0~20 cm)和1 011件深层土壤样品(150~180 cm)中52种化学元素(Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O)及pH和有机碳(Corg)数据分布结构的研究,采用中位数绝对中位差法、正态和对数正态法计算出中国及31个省会城市土壤52种化学元素的地球化学背景值、基准值及它们的变化区间。数据显示,城市土壤中Corg、N、Ca、Hg、Ag、Au、Bi、Cd、Cu、Mo、Pb、S、Sb、Se、Sn、Zn元素的自然背景发生了显著变化,清晰显示出中国大规模的城镇化和工业化对这些元素在城市土壤中累积的重要贡献。这对全面认识中国城市土壤环境质量现状具有重要的现实意义,也是土壤环境质量保护立法及执法标准制定的重要依据。

Cheng H X, Li K, Li M, et al.

Geochemical background and baseline value of chemical elements in urban soil in China

[J]. Earth Science Frontiers, 2014, 21(3):265-306.

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吴海斌, 刘秀铭, 吕镔, .

中国黄土成因争论及其启示

[J]. 亚热带资源与环境学报. 2016, 11(3):38-45.

[本文引用: 1]

Wu H B, Liu X M, Lyu B, et al.

Debates about the origin of loess and their significances

[J]. Journal of Subtropical Resources and Environment, 2016, 11(3):38-45.

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余涛, 杨忠芳, 王锐, .

恩施典型富硒区土壤硒与其他元素组合特征及来源分析

[J]. 土壤, 2018, 50(6):1119-1125.

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Yu T, Yang Z F, Wang R, et al.

Characteristics and sources of soil selenium and other elements in typical high selenium soil area of Enshi

[J]. Soils, 2018, 50(6):1119-1125.

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陈国光, 梁晓红, 张洁, .

丘陵区土地质量地球化学调查方法技术——以服务赣州六县精准脱贫土地质量地球化学调查为例

[J]. 物探与化探, 2020, 44(3):463-469.

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Chen G G, Liang X H, Zhang J, et al.

Geochemical survey method of land quality in hilly areas:A case study of the geochemical surveyof land quality in Canzhou

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2020, 44(3):463-469.

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袁胜元, 李长安.

基于因子分析的江汉盆地第四纪沉积物源讨论

[J]. 现代地质, 2014, 28(5):980-985.

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Yuan S Y, Li C A.

Study on sediment provenances in Jianghan Basin since Quaternary based on factorial analysis

[J]. Geoscience, 2014, 28(5):980-985.

[本文引用: 2]

Zhang S, Yang D, Li F, et al.

Determination of regional soil geochemical baselines for trace metals with principal compo-nent regression: A case study in the Jianghan plain,China

[J]. Applied Geochemistry, 2014, 48:193-206

DOI:10.1016/j.apgeochem.2014.07.019      URL     [本文引用: 1]

刘景双, 杨继松, 于君宝, .

三江平原沼泽湿地土壤有机碳的垂直分布特征研究

[J]. 水土保持学报, 2003, 17(3):5-8.

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Liu J S, Yang J S, Yu J B, et al.

Study on vertical distribution of soil organic carbon in Wetlands Sanjiang Plain

[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(3):5-8.

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