湘江流域土壤重金属元素地球化学背景值与基准值研究

doi:10.11720/wtyht.2025.1182

湘江流域土壤重金属元素地球化学背景值与基准值研究

鲁江^,¹^,², 朱丽芬¹^,², 骆检兰¹^,², 刘显丽¹^,²

1.湖南省地球物理地球化学调查所,湖南长沙 410116

2.地球化学过程与资源环境效应湖南省重点实验室,湖南长沙 410116

Geochemical background and baseline values of heavy metals in soils in the Xiangjiang River Basin

LU Jiang^,¹^,², ZHU Li-Fen¹^,², LUO Jian-Lan¹^,², LIU Xian-Li¹^,²

1. Geophysical and Geochemical Survey Institute of Hunan Province, Changsha 410116, China

2. Hunan Provincial Key Laboratory of Geochemical Processes and Resource Environmental Effects, Changsha 410116, China

第一作者: 鲁江(1982-),男,高级工程师,2019年毕业于中国地质大学(武汉),硕士研究生,主要从事环境地球化学方面的研究工作。Email:37102251@qq.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2024-04-22 修回日期: 2024-06-30

基金资助:

湖南省自然资源厅2024年自然资源科研(标准)后补项目(HBZ20240158)

Received: 2024-04-22 Revised: 2024-06-30

摘要

本研究旨在探讨湘江流域土壤中重金属元素的地球化学背景值和基准值特征,选取表层和深层土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn、Ni、pH共9项指标,运用迭代法、箱图剔除法、含量—面积分形法等方法,对湘江流域多目标区域地球化学调查完成区的土壤环境背景值进行研究,按不同地层单元及土壤类型对地球化学背景值和基准值影响因素进行讨论。研究结果显示,以上几种计算方法总体差异不大,但不同方法得出的结论均反映研究区内土壤中8种重金属背景值总体高于全国水平,其中Hg和Cd的背景值接近全国背景值的两倍,表明湘江流域是Hg、Cd高背景区;土壤重金属背景值与母岩关系密切,元素富集水平及富集元素数量随着地层年代的由古到今呈增大的趋势,其中Cd的表现尤为明显;湘江流域不同土壤类型的重金属元素地球化学背景值普遍高于基准值。本次研究成果为湘江流域生态环境评价及土地规划提供了重要依据。

关键词： 重金属元素; 地球化学背景值; 湘江流域; 地球化学基准值; 迭代法

Abstract

This study aims to investigate the geochemical background and baseline values of heavy metals in soils in the Xiangjiang River basin. Focusing on nine indicators, i.e., As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn, Ni, and pH, in both surface and subsurface soils and using methods such as iterative calculations, boxplot-based outlier removal, and content-area fractal analysis, this study investigated the background values in the soil environment within the basin' areas where multi-target geochemical survey had been conducted. Accordingly, the study discussed the factors influencing the geochemical background and baseline values of various stratigraphic units and soil types. The results indicate minimal differences in the results derived using these calculation methods. All methods consistently indicate that the background values of eight heavy metals exceed national averages, with those of Hg and Cd approaching twice the national background levels. This suggests that the Xiangjiang River basin has high geochemical background values of Hg and Cd. The background values of heavy metals in soils within the basin are closely related to parent rock types, with element enrichment levels and the number of elements enriched in soils generally increasing with a decrease in the age of strata, specifically for Cd. Across different soil types within the Xiangjiang River Basin, the geochemical background values of heavy metals are generally higher than their baseline values.The research results of this study provide an important basis for the ecological environment assessment and land planning of the Xiangjiang River Basin.

Keywords： heavy metal; geochemical background value; Xiangjiang River Basin; geochemical baseline value; iterative method

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本文引用格式

鲁江, 朱丽芬, 骆检兰, 刘显丽. 湘江流域土壤重金属元素地球化学背景值与基准值研究[J]. 物探与化探, 2025, 49(3): 687-696 doi:10.11720/wtyht.2025.1182

LU Jiang, ZHU Li-Fen, LUO Jian-Lan, LIU Xian-Li. Geochemical background and baseline values of heavy metals in soils in the Xiangjiang River Basin[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(3): 687-696 doi:10.11720/wtyht.2025.1182

0 引言

土壤是人类生存的基本资源,是农业发展的重要基础^[1]。土壤背景值的研究是指导土壤重金属污染监测及评价、治理工作的基础^[2-3]。土壤地球化学背景值在地学领域被定义为在不受矿化作用影响的区域内,土壤元素的自然含量;引入环境领域则被定义为不受人类活动影响的区域内,土壤元素的自然含量^[4]。湘江是长江中游的重要支流之一,在国家中部崛起战略中占据着重要的地位,随着全球经济化的迅速发展,含重金属的污染物通过各种途径进入土壤,造成土壤严重污染^[5]。本文依托《湖南省1∶25万多目标区域地球化学调查》项目^[6-10],对湘江流域土壤重金属含量进行了区域性系统取样调查,以流域内的表层、深层土壤为研究对象,采用地统计学和多元数据分析^[11],对该区域内土壤重金属元素的空间分布特征进行研究,重点明确研究区重金属元素地球化学背景值和基准值,以土壤类型为单元对其重金属元素进行评价,为该区域合理评价生态环境污染程度提供基础的数据支持,为湘江流域土地规划提供科学依据。

1 研究区概况

湘江是湖南省最大的河流,属于长江流域洞庭湖水系^[12],发源于湖南省蓝山县的山岭之中,贯穿湖南省境,由西向东北注入洞庭湖。湘江流域位于北纬24°31'~29°,东经110°30'~114°之间,地势特点为西南部高,而东北部平原区较低,湘江两岸零星发育Ⅰ~Ⅳ级堆积或侵蚀基座阶地,两岸阶地发育不对称。湘江流域东以幕阜山脉、罗霄山脉与鄱阳湖水系分界,西隔衡山山脉与资水毗邻,南部以江华县至湘江、珠江的分水岭为界,北边注入洞庭湖,其在湖南省境内的面积占湖南省总面积的40.3%,流域面积覆盖湖南、江西、广西3省(区),其中在湖南省的面积最大,占流域总面积的90.2%,包括长株潭、衡阳市的全部,娄底市的部分地区,郴州市、永州市的大部分地区以及益阳市、邵阳市、岳阳市的小部分区域。本次工作以湘江流域内已开展多目标区域地球化学调查工作的区域作为研究区,已调查面积为72 576 km²,占湘江流域总面积的76.67%(图1)。

图1

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图1 研究区位置示意

Fig.1 Schematic diagram of the location of the study area

2 研究方法

2.1 样品采集和分析方法

湖南省多目标区域地球化学调查采用双层网格化土壤测量方法^[13],采样点布设以代表性为原则,兼顾均匀性与合理性,最大限度控制调查面积。表层样采样密度为1个点/km²,采集深度为0~20 cm,4 km²组合成一个分析样。深层样采样密度为1个点/4 km²,采样深度150~180 cm,16 km²组合成一个分析样^[14]。湘江流域多目标地球化学调查在2002~2019年间完成调查面积72 576 km²,本文依据多目标调查数据^[6-10],从调查与评价数据库中提取相应范围内表层和深层样品中的8种重金属元素及pH数据,涉及的表层和深层土壤组合分析样分别为18 126件和4 522件。

样品分析测试工作由自然资源部长沙矿产资源监督检测中心实验室承担。在样品测试工作过程中参照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)和《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)严格执行。

2.2 区域土壤背景值的确定及计算方法

中国地质调查局在《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)中把土壤地球化学背景值定义为:土壤地球化学背景的量值,反映一定范围内表层土壤地球化学特征,统一采用区域地球化学调查中的表层土壤样品作为土壤地球化学背景统计的样品;将土壤地球化学基准值定义为:土壤地球化学本底的量值,反映一定范围内深层土壤地球化学特征,统一采用区域地球化学调查中的深层土壤样品作为土壤地球化学基准的研究对象。多目标区域地球化学调查分别采集表层及深层土壤样品,其中深层土壤物质代表基本无人类影响的属于自然本底的第一环境^[14],取得深层土壤元素平均值,也即第一环境土壤地球化学背景值,其化学元素组成更接近成土母质^[15];表层土壤物质代表人类深度影响的第二环境,取得表层土壤元素平均值,即第二环境土壤地球化学背景值,其化学元素组成为在原始地球化学背景上叠加了自然分异和少量人为作用后的组成。

随着环境科学领域研究的拓展,勘查地球化学方法对于地球化学背景值的研究也相应地引入到了环境科学范畴^[16]。在环境科学中,土壤背景值是指尚未受或少受污染和破坏的土壤中元素的含量^[17],将背景值理解为土壤本身固有的化学组成和含量,未受或很少受到人为活动的干扰影响,强调的是无污染^[18];Matschullat等^[19]按照地球化学的观点将背景定义为:地球化学背景是用以区分自然元素或化合物的含量与受人类活动影响的含量之间的一种度量;Lee等^[20]认为在未开发地区的基准值接近背景值,在环境质量评价中,环境背景值的研究更关注其“质”,突出其物质来源,确定的关键是不受人为干扰的自然含量,在此前提下才能反衬出人类活动对环境的影响程度。尽管定义上有区别,但对于背景值的研究均包括2个方面内容:一是土壤的自然背景,二是人类活动影响的程度,关键是要在土壤中进行分离、区分。科学建立区域土壤环境背景值是开展环境质量评价及相关工作的基础,通常在非污染区采样分析,做必要检验,找出和剔除可能遭受污染的样品^[21]。但人类活动的痕迹几乎无处不在。湘江流域人类活动影响剧烈,“表层土壤”与地表人类活动及大多数的植物作物密切相关,从土壤本底值的概念出发,深层样品代表少受人类影响的土壤,本文将深层土壤地球化学基准值作为第一环境土壤地球化学背景值,与湘江流域环境科学领域的土壤环境背景值进行比较。

本文数据处理过程为:利用Excel、SPSS进行数据统计分析,包括剔除异常值、数据正态分布检验、描述统计量和相关分析,因地质背景、成土过程及采集介质性质差异,元素分布分配的模式相当复杂,本文分别采用迭代法、箱图法、含量—面积分形法计算地球化学基准值,并与区域土壤环境背景值进行对比,在确定区内土壤背景值和基准值的计算方法后,根据区内不同地层单元和土壤类型,构建单元分别统计土壤中重金属元素地球化学背景值和基准值。

3 结果与讨论

3.1 区域土壤重金属元素地球化学特征

研究区表层、深层土壤中8种重金属元素及pH数据地球化学参数分别见表1及表2。表中 ${\bar{X}}_{1}$ 、C_V1、Me₁与 ${\bar{X}}_{2}$ 、C_V2、Me₂分别代表剔除离群数据前后的算术平均值、变异系数和中位值,X_min、X_max分别为原始数据未剔除离群数据前的最小值、最大值,K代表剔除离群数据前的算术平均值与中国土壤背景值的比值。

表1 表层土壤重金属元素地球化学特征统计

Table 1 Statistical of geochemical characteristics of heavy metal elements in surface soil

指标	N	原始数据					剔除离群样品后			中国土壤第二环境背景值	K
指标	N	${\bar{X}}_{1}$	C_V1	X_min	X_max	Me₁	${\bar{X}}_{2}$	C_V2	Me₂	中国土壤第二环境背景值	K
As	18126	22.49	2.74	1.12	2665.40	14.40	14.81	0.50	13.34	9.1	1.63
Cd	18126	0.59	2.25	0.03	57.73	0.39	0.40	0.47	0.36	0.15	2.67
Cr	18126	81.85	0.43	2.20	949.10	79.00	78.84	0.32	78.20	63	1.25
Cu	18126	32.34	0.63	1.70	652.30	29.50	30.24	0.33	29.10	23	1.31
Hg	18126	0.18	1.22	0.01	8.68	0.14	0.14	0.40	0.13	0.05	2.80
Ni	18126	31.12	0.55	1.20	601.00	28.70	28.59	0.35	28.20	26	1.10
Pb	18126	55.67	1.83	2.5	4678.00	41.00	42.32	0.28	39.50	25	1.69
Zn	18126	108.36	0.88	19.00	4026.00	93.00	93.77	0.26	91.00	67	1.40
pH	18126			3.20	8.78	5.72			5.72

注:元素含量单位为10^-6;中国土壤第二环境背景值数据来源于《中国土壤地球化学参数》^[22]。

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表2 深层土壤重金属元素地球化学特征统计

Table 2 Statistics of geochemical characteristics of heavy metal elements in deep soil

元素	N	原始数据					剔除离群后			中国土壤第一环境背景值	K
元素	N	${\bar{X}}_{1}$	C_V1	X_min	X_max	Me₁	${\bar{X}}_{2}$	C_V2	Me₂	中国土壤第一环境背景值	K
As	4522	20.48	1.58	0.63	702.47	14.04	14.78	0.51	13.24	9.5	1.55
Cd	4522	0.29	1.48	0.03	10.26	0.16	0.16	0.50	0.14	0.096	1.67
Cr	4522	82.26	0.62	6.00	1389.70	79.00	78.84	0.30	78.20	65	1.21
Cu	4522	28.36	0.62	1.10	448.80	26.00	26.76	0.32	25.80	22	1.22
Hg	4522	0.14	1.36	0.02	4.96	0.10	0.10	0.49	0.09	0.028	3.57
Ni	4522	33.00	0.50	3.10	229.40	30.20	30.45	0.35	29.70	28	1.09
Pb	4522	40.94	1.43	11.00	1654.00	31.75	33.13	0.28	31.00	23	1.44
Zn		94.34	0.53	18.00	897.3	84.00	85.08	0.27	82.00	64	1.33
pH				3.01	8.57	6.72			6.72

注:元素含量单位为10^-6;中国土壤第一环境背景值数据来源于《中国土壤地球化学参数》^[22]。

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3.1.1 表层土壤重金属元素地球化学特征

从原始数据来看,As、Cd、Pb变异系数介于1.22~2.74之间,元素分布为极强分异; Cu、Zn、Ni变异系数介于0.55~0.88之间,元素分布为中等分异;Cr变异系数为0.43,为弱分异。与全国土壤背景值相比,表层土壤中8种重金属元素除Ni外,富集系数K值均大于1.2,重金属元素相对富集;Ni富集系数为1.10,含量与中国土壤第二环境背景值相当。表层土壤中pH中位值为5.72,土壤偏酸性。

3.1.2 深层土壤重金属元素地球化学特征

从原始数据变异系数(C_V1)来看,As、Cd、Pb、Hg变异系数均大于1,元素分布为极强分异;Cr、Cu、Zn、Ni变异系数介于0.5~0.62之间,元素分布为中等分异。与中国土壤第一环境背景值相比,深层土壤中8种重金属元素除Ni外,富集系数K值均大于1.2,重金属元素相对富集。深层土壤中pH中位值为6.72,接近中性。

3.2 土壤环境背景值的计算

3.2.1 迭代法

迭代法是确定区域土壤背景值的常用方法,是一种不断用变量的旧值递推新值的过程。运用该方法确定土壤背景值,首先要对元素含量数据的分布进行检验,检查数据是否符合正态或对数正态分布,若不符合,则采取迭代剔除的方法,用剔除异常值后的元素含量均值和标准差来表示土壤元素背景值。

迭代法应用的前提条件是检验数据是否符合正态或对数正态分布。研究区数据大致呈对数正态分布,对数据进行迭代处理,具体步骤如下:

1)计算区域内重金属元素取对数后数据的均值(X₁)和标准差(S₁);

2)按X₁±3S₁的条件剔除一批高值和低值后再计算该数据集的均值(X₂)及标准差(S₂);

3)重复第二步,直至剔除到无特高值,数据几乎服从正态分布,求出最终数据集合的均值( $\bar{X}$ )和标准差(S), $\bar{X}$ 则为背景值。

本研究使用迭代法计算深层土壤元素含量平均值作为土壤第一环境背景值,结果见表3。

表3 深层土壤重金属元素迭代法结果

Table 3 Iterative results of heavy metal elements in deep soil

元素	最大值 /10^-6	最小值 /10^-6	平均值 /10^-6	标准差 /10^-6	异常下限/10^-6	偏度	峰度	剔除百分数/10^-6
As	37.38	0.63	14.78	7.53	29.85	0.85	3.31	8.51
Cd	0.39	0.03	0.16	0.08	0.32	0.89	3.13	16.54
Cr	150.60	7.40	78.84	23.97	126.78	0.05	3.61	1.97
Cu	52.20	2.00	26.76	8.49	43.74	0.42	3.39	2.52
Hg	0.25	0.02	0.10	0.05	0.20	0.87	3.15	9.31
Ni	62.60	3.10	30.45	10.73	51.92	0.38	3.31	4.58
Pb	61.10	11.00	33.13	9.43	52.00	0.84	3.13	7.74
Zn	155.00	18.00	85.08	23.33	131.75	0.57	3.31	6.08

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3.2.2 箱图剔除法

箱图法以其直观性和形象性占有重要地位。箱图的绘制不依赖于数据的正态分布假设,而是通过数据集中的最小值、第一四分位数、中位数、第三(四)分位数以及最大值来构建,同时标识出其中的异常值。这种方法能够简洁地揭示数据的分布特征,包括对称性和离散程度等。而箱图剔除法是EDA(exploratory data analysis)技术的一种改进方法。EDA技术是一种处理数据的非常规统计学方法,引入稳健统计学到“箱图”中,根据数据结构所固有的模型识别离群样本。通过稳健统计方法剔除离群样本,直至获得正态分布或近似正态分布的数据,再计算均值X和标准方差S。在分析数据的时候,箱图能直观地识别数据,查看离群点,判断数据离散程度和偏向。分别将剔除离群点的前后数据做箱图(图2),计算的土壤环境背景值数据见表4。

图2

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图2 深层土壤重金属元素箱形图

Fig.2 Box diagram of heavy metal elements in deep soil

表4 深层土壤重金属元素箱图法结果

Table 4 The results of box plot method of heavy metal elements in deep soil

元素	最大值 /10^-6	最小值 /10^-6	平均值 /10^-6	标准差 /10^-6	异常下限 /10^-6	剔除百分数/%
As	30.17	0.63	13.74	6.24	26.23	8.51
Cd	0.35	0.03	0.15	0.07	0.30	16.54
Cr	124.30	32.90	78.77	18.34	115.45	1.97
Cu	45.10	6.80	26.22	7.42	41.07	2.52
Hg	0.23	0.02	0.10	0.05	0.19	9.31
Ni	52.80	6.40	29.46	9.33	48.12	4.58
Pb	53.40	11.00	32.11	8.20	48.52	7.74
Zn	137.30	28.00	83.22	20.54	124.31	6.08

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3.2.3 含量—面积分形法(C-A法)

含量—面积分形法(content-area fractal method,简称C-A法)是一种用于分析土壤或沉积物样品中元素含量分布特征的方法。这种方法基于分形理论,认为自然界中的许多地质现象,包括元素在土壤中的分布,都表现出一定的分形特征。C-A法的核心思想是通过测量不同面积或体积内元素的含量,并分析这些含量与面积或体积的关系,来揭示元素在土壤中的分布模式^[23]。近年来,地球化学变量在空间上的分形与多重分形特征引起了广泛关注,分形方法在环境评价与预测领域取得了丰硕的成果。等值线图是化探数据常用的成果表达方法,较为直观地反映了元素含量在空间上的分布规律。如果每个单位面积的元素含量c满足分形或者多重分形模型,那么,元素含量c与一个含量段所围的等值线的面积A(c≥c_i)之间应呈幂律关系,即:

(1)

A (c \geq c_{i}) \propto c_{i}^{- β}

式中, $A (c \geq c_{i}$ )就是指元素含量大于或等于c_i的等值线所围的面积;β为一幂指数,能反映元素含量的变异程度。

对式(1)两边同时取对数,则双对数坐标图能表达出元素含量与某一含量等值线所围面积的关系。用两条或多条直线来拟合A(c≥c_i)—c_i曲线在双对数坐标图上的分布特征,采用最小二乘法分段线性拟合双对数散点图,找出2条直线交点处所对应的元素含量值,即为此元素的环境背景值。用C-A法对深层土壤中重金属元素的分形性质进行分析(见图3),根据拐点求得的背景值见表5。

图3

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图3 深层土壤中元素含量的含量—面积双对数分布模式

Fig.3 Content-area double logarithmic distribution pattern of element content in deep soil

表5 深层土壤重金属元素C-A法结果

Table 5 The results of heavy metal elements in deep soil by C-A method

计算方法	背景值/10^-6
计算方法	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
C-A法	12.30	0.19	64	22	0.09	26.5	31.62	79.43

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3.3 不同计算方法结果对比

不同计算方法获取的土壤环境背景值见表6,将其与环境科学领域获取的土壤背景值进行对比,结果表明,几种方法总体差异不大,但不同计算方法均反映本区内土壤重金属背景值总体较全国和湖南省的要高。

表6 不同计算方法确定的背景值对比

Table 6 Comparison of background values determined by different calculation methods

计算方法	背景值/10^-6
计算方法	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
C-A法	12.30	0.19	64	22	0.09	26.5	31.62	79.43
箱图剔除法	13.74	0.15	78.77	26.22	0.10	29.46	32.11	83.22
迭代法	14.78	0.16	78.84	26.76	0.10	30.45	33.13	85.08
全国土壤C层	11.5	0.084	60.8	23.1	0.044	28.6	24.7	71.1
湖南省背景值	14	0.098	68	26	0.096	32	27	94

注:全国土壤C层数据来源于《中国土壤元素背景值》C层的算术平均值数据^[24];湖南省背景值数据来源于《湖南土壤背景值及研究方法》^[25]。

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背景值获取的关键问题是分离污染值,但至今为止,还没有一种普遍适用的方法。在环境评价研究中,异常分离法容易将自然的高背景值当作异常或者叠加了一定程度的污染影响当作背景保留下来。由于成土母质和本底土壤中重金属具有相对高的稳定性,在正常动态平衡条件下,其含量不与时间因素相关,故土壤中重金属背景值的时间性并不十分明显。

基于本次工作依托的多目标区域地球化学调查,大规模、高质量的标准化双层网格采样方式以及大量实测的地球化学分析指标数据,区域内重金属元素数据基本服从正态分布,传统方法中采用的“X±nS”剔除离群数据后计算均值的方法具有经典统计概率学依据。利用数据的统计特征来反映地球化学元素的分布规律,在区域内不失为一种简便易操作且实效突出的方法。所以本次研究推荐以迭代法计算背景值。

3.4 土壤重金属元素地球化学背景值和基准值影响因素

前人研究表明,土壤中重金属元素的迁移富集主要受到土壤理化性质和地形、气候等因素复合影响^[26],土壤重金属元素之间存在一定的关系,并通过提取有效信息,可示踪主控因子和解析土壤污染源。本文主要以地层单元、土壤类型等不同单元计算土壤重金属地球化学背景值和基准值,讨论其影响因素。

3.4.1 不同地质单元对背景值和基准值的影响

母质是土壤形成的物质基础,母质中的原生矿物是土壤中各种化学元素的初始来源^[27]。表层与深层土壤元素含量之比为土壤中该元素的富集系数。研究区元素富集水平及富集元素数量随着地层由老到新呈增大的趋势,尤以Cd最为明显,Cd的基准值在不同地层单元中分布范围为(0.09~0.21)×10^-6,最低的是第四系,最高的是石炭系(表7)。在酸性环境中,Cd在土壤中的迁移转化速度将增加;相反在碱性环境中,Cd在土壤中的迁移转化速度将减小,以致原地淀积。Cd在石炭系中的基准值最高,推测与石炭系的pH值偏碱性相关。

表7 湘江流域地层单元土壤地球化学基准值和背景值

Table 7 Soil reference value and background value of stratigraphic unitsub-area in Xiangjiang River Basin

		第四系	古近系	白垩系	侏罗系	三叠系	二叠系	石炭系	泥盆系	志留系	奥陶系	寒武系	震旦系
样本数	背景值/10^-6	597	140	2317	781	813	1848	1735	5639	614	837	763	460
样本数	基准值/10^-6	148	34	571	197	205	456	399	1385	153	207	187	115
As	背景值/10^-6	15.15	16.09	10.50	10.27	10.64	13.60	17.79	14.60	10.50	9.38	14.90	13.90
	基准值/10^-6	14.25	13.43	9.76	10.77	8.80	12.83	17.40	15.04	10.44	10.97	15.03	15.76
	比值	1.06	1.20	1.08	0.95	1.21	1.06	1.02	0.97	1.01	0.86	0.99	0.88
Cd	背景值/10^-6	0.40	0.41	0.39	0.28	0.34	0.42	0.48	0.38	0.25	0.24	0.24	0.22
	基准值/10^-6	0.09	0.10	0.13	0.11	0.13	0.13	0.21	0.16	0.12	0.12	0.13	0.11
	比值	4.44	4.10	3.00	2.55	2.54	3.23	2.29	2.41	2.08	2.00	1.85	1.94
Cr	背景值/10^-6	89.00	79.60	72.60	40.00	56.50	91.00	97.70	79.70	53.00	69.60	78.00	82.70
	基准值/10^-6	83.00	74.90	70.20	44.60	53.15	87.00	89.00	81.00	57.00	73.70	79.00	89.00
	比值	1.07	1.06	1.03	0.90	1.06	1.05	1.10	0.98	0.93	0.94	0.99	0.93
Cu	背景值/10^-6	28.50	31.55	28.93	20.20	26.80	35.80	31.60	28.70	24.00	27.20	30.30	32.00
	基准值/10^-6	23.70	23.60	23.80	17.00	21.00	28.00	26.30	27.00	22.40	27.00	28.80	31.80
	比值	1.20	1.34	1.22	1.19	1.28	1.28	1.20	1.06	1.07	1.01	1.05	1.01
Hg	背景值/10^-6	0.13	0.12	0.10	0.11	0.11	0.14	0.17	0.15	0.10	0.11	0.13	0.14
	基准值/10^-6	0.06	0.06	0.06	0.08	0.08	0.08	0.13	0.12	0.08	0.09	0.12	0.11
	比值	2.10	1.86	1.67	1.38	1.49	1.71	1.34	1.30	1.26	1.23	1.16	1.19
Ni	背景值/10^-6	28.10	26.10	25.10	14.00	20.30	31.20	33.98	28.50	22.16	28.94	30.53	32.20
	基准值/10^-6	27.60	25.80	24.80	16.30	20.10	32.10	34.80	31.60	23.63	31.39	31.70	34.05
	比值	1.02	1.01	1.01	0.86	1.01	0.97	0.98	0.90	0.94	0.92	0.96	0.95
Pb	背景值/10^-6	38.20	38.50	36.00	56.70	49.25	40.10	40.50	39.50	49.00	36.40	39.00	34.00
	基准值/10^-6	28.70	27.50	26.30	44.40	39.20	28.40	32.00	32.00	39.40	31.55	32.80	30.00
	比值	1.33	1.40	1.37	1.28	1.26	1.41	1.27	1.23	1.24	1.15	1.19	1.13
Zn	背景值/10^-6	88.00	89.00	82.00	88.00	95.00	94.00	104.0	93.00	86.00	88.00	88.00	83.00
	基准值/10^-6	74.00	64.00	67.00	78.00	82.00	81.00	92.00	87.00	79.00	87.00	88.00	84.00
	比值	1.19	1.39	1.22	1.13	1.16	1.16	1.13	1.07	1.09	1.01	1.00	0.99
pH	背景值	5.78	6.25	6.19	5.26	5.41	5.47	7.19	6.39	5.13	4.98	5.01	5.00
	基准值	6.51	6.94	7.01	5.95	6.36	6.63	7.51	7.02	5.50	5.43	5.34	5.37
	比值	0.89	0.90	0.88	0.88	0.85	0.83	0.96	0.91	0.93	0.92	0.94	0.93

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将各地层单元表层和深层土壤中的含量进行对比,土壤中Cd、Hg的背景值高出基准值较多(表7),具显著的次生富集特征,推测表层土壤受工农业生产(如施肥)、大气降尘和表生作用等综合因素的影响较大。

各地质单元Hg基准值变化范围为(0.06~0.13)×10^-6,最高是石炭系,最低为第四系,总体在上古生界泥盆系、石炭系等地层分布区的土壤中的Hg含量较高(表7),可能与这类地层中常见的中低温系列锑、金矿床伴生汞矿化有关。

3.4.2 不同土壤类型对地球化学背景值和基准值的影响

以土壤类型为评价单元,对研究区内不同土壤类型的基准值和背景值的比值进行对比,结果表明(表8),表层土壤中Cd含量是深层土壤Cd含量的1.39~3.92倍。与全省丰度相比,各土壤类型表层土壤中Cd含量达全省丰度的3.14~5.05倍;深层土壤中Cd含量比全省丰度高出1.6~9.5倍,在潮土中差异最大。潮土是河流沉积物受地下水运动和耕作活动影响而形成的土壤,与沉积物来源及力度密切相关。

表8 湘江流域土壤类型子区土壤基准值和背景值

Table 8 Soil reference value and background value of soil type sub-region in Xiangjiang River Basin

土壤类型		潮土	粗骨土	红壤	红黏土	黄壤	黄棕壤	山地草甸土	石灰土	水稻土	紫色土
样本数	背景值/10^-6	16	90	9311	10	1169	575	56	509	5191	995
样本数	基准值/10^-6	4	22	2328	3	292	143	14	127	1297	248
As	背景值/10^-6	26.80	9.08	13.50	17.09	12.51	13.98	13.13	15.70	13.79	9.52
	基准值/10^-6	26.64	8.66	13.36	13.43	13.70	15.64	14.49	16.34	13.30	8.63
	比值	1.01	1.05	1.01	1.27	0.91	0.89	0.91	0.96	1.04	1.10
Cd	背景值/10^-6	0.76	0.38	0.36	0.55	0.22	0.19	0.18	0.44	0.40	0.40
	基准值/10^-6	0.08	0.10	0.14	0.08	0.12	0.11	0.11	0.20	0.14	0.15
	比值	9.50	3.78	2.54	7.08	1.87	1.67	1.60	2.22	2.88	2.67
Cr	背景值/10^-6	81.00	62.55	79.00	91.00	66.90	68.20	39.60	88.30	82.30	68.80
	基准值/10^-6	83.00	49.85	79.00	82.70	72.00	72.30	54.10	88.10	79.50	67.40
	比值	0.98	1.25	1.00	1.10	0.93	0.94	0.73	1.00	1.04	1.02
Cu	背景值/10^-6	33.10	27.75	29.00	30.55	26.00	26.80	23.00	32.15	29.90	28.40
	基准值/10^-6	31.50	19.90	26.00	21.70	25.00	25.50	24.00	30.00	25.30	24.30
	比值	1.05	1.39	1.12	1.41	1.04	1.05	0.96	1.07	1.18	1.17
Hg	背景值/10^-6	0.16	0.11	0.13	0.14	0.12	0.14	0.13	0.16	0.14	0.09
	基准值/10^-6	0.14	0.05	0.10	0.08	0.11	0.12	0.13	0.14	0.08	0.06
	比值	1.16	2.24	1.40	1.74	1.13	1.14	0.99	1.18	1.69	1.47
Ni	背景值/10^-6	26.90	20.70	28.30	24.50	26.00	25.50	20.05	33.00	28.57	25.31
	基准值/10^-6	27.60	18.40	30.30	23.70	27.80	28.05	19.60	37.20	29.50	25.20
	比值	0.97	1.13	0.93	1.03	0.94	0.91	1.02	0.89	0.97	1.00
Pb	背景值/10^-6	56.80	50.95	39.50	37.85	40.50	42.40	49.00	41.60	39.80	36.00
	基准值/10^-6	34.40	40.40	31.00	23.90	36.00	36.00	35.00	34.80	30.10	26.50
	比值	1.65	1.26	1.27	1.58	1.13	1.18	1.40	1.20	1.32	1.36
Zn	背景值/10^-6	128.00	90.00	92.00	87.00	87.00	84.00	84.50	104.00	93.00	81.00
	基准值/10^-6	84.00	76.45	84.00	63.50	87.70	84.10	81.50	97.35	80.50	66.90
	比值	1.52	1.18	1.10	1.37	0.99	1.00	1.04	1.07	1.16	1.21
pH	背景值	6.94	5.38	5.59	6.53	5.05	4.97	5.15	7.18	6.21	6.74
	基准值	6.67	6.76	6.65	5.96	5.40	5.17	5.59	7.49	6.98	7.09
	比值	1.04	0.80	0.84	1.09	0.94	0.96	0.92	0.96	0.89	0.95

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岩石风化形成的土壤,岩石中Pb少量残留在黏土中,土壤中的Pb主要来自大气悬浮物。铅化合物的溶解度极低,故自然水体中铅的浓度极低,铅的迁移主要以络合物和有机物、黏土矿物、硫化物、胶体吸附的形式进行,但其迁移能力弱,土壤中来自大气污染的Pb多集聚在表层^[28]。数据显示Pb的背景值与基准值的比值较为稳定,不同土壤类型中Pb的背景值为基准值的1.13~1.65倍。

土壤中Zn在氧化环境中随酸性水以阳离子形态强烈迁移,而在中性、碱性水中移动性极低,因此,土壤pH值高和排水良好时,Zn大部分会被固定下来。从表8中可以看出,区内潮土中Zn的背景值最高。

4 结论

1)研究揭示,湘江流域表层与深层土壤中的重金属元素含量变化幅度较大,区域地球化学元素分布呈现出显著的不均匀性。具体而言,表层土壤中

As、Cd、Pb分布表现出极强的分异性;而Cu、Zn、Ni则呈现中等程度的分异性。在深层土壤中,As、Cd、Pb、Hg同样表现出极强的分异性,Cr、Cu、Zn、Ni分布则为中等分异性。与全国土壤背景值相比较,深层土壤中的8种重金属元素均显示出相对富集的特征。

2)湘江流域土壤环境背景值的分析结果表明,Hg、As和Cd的背景值显著高于全国土壤背景值,这表明湘江流域是Hg、As、Cd的高背景区域。此外,Cd和Pb的地球化学背景值也明显高于其地球化学基准值。

3)湘江流域土壤重金属地球化学背景值和基准值均与地层单元之间存在密切关联,随着地层由老到新,元素富集程度及其含量呈现增长趋势,其中Cd的增长尤为显著。

4)湘江流域不同土壤类型的评价区域中,重金属元素的背景值普遍高于基准值,这一结果表明不同土壤类型区域表层土壤均存在不同程度的重金属富集现象。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

赵秀芳, 张永帅, 冯爱平, 等.

山东省安丘地区农业土壤重金属元素地球化学特征及环境评价

[J]. 物探与化探, 2020, 44(6):1446-1454.