人为活动对江苏土壤元素含量分布的影响

廖启林，华明，张为，金洋，潘永敏，朱伯万

(江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)

人为活动对江苏土壤元素含量分布的影响

廖启林，华明，张为，金洋，潘永敏，朱伯万

(江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)

通过对江苏1∶25万多目标区域地球化学调查及典型地区生态地球化学评价资料的宏观分析与对比，认为人为活动对地表土壤的元素含量分布具有显著影响，表层土壤(0～20 cm深度)中Cd、Hg、Se、S、Sn、N等代表性元素的含量大幅度增加，元素含量变异系数偏高，酸碱度(pH值)下降趋势明显，确定了S、Hg、Cd、Se、pH、TOC、N、P、Sn、Sb、Pb、Zn等是最能反映人为活动对土壤环境之影响的地球化学指标。施肥、工业排污等均是人为活动改变土壤元素含量分布的基本形式。

人为活动;元素含量分布;土壤;江苏

0 引言

探索与研究土壤环境的元素分布，前人积累了丰富的资料(赵振华，1997;杨忠芳等，1999;潘根兴等，2000;周启星等，2001;陈怀满，2002;黄成敏等，2002;陈骏等，2004;钟晓兰等，2008;叶玮等，2008;彭渤等，2009;冯旭文等，2011)。我国10多年的生态地球化学调查已掌握了丰硕的土壤环境元素含量分布方面的研究成果(张德存等，2001;赵琦，2002;廖启林等，2004，2011a，2011b;唐文春等，2007)，为探索地表土壤的元素地球化学特征奠定了坚实基础。近几十年来，有关人为活动对地表生态环境的影响、尤其是对土壤圈物质运动影响的研究相当广泛(Li，1981;Abu-Rukah et al，2001;周启星等，2001; Yang et al，2002;滕彦国等，2002;初娜等，2004;廖启林等，2005a;Magiera et al，2006;张秀芝等，2006;钟晓兰等，2008;Zhang et al，2009;潘永敏等，2010)。研究人为活动对土壤环境、尤其是对土壤中化学元素分布的影响，对于评价土地资源质量、合理保护利用耕地资源的现实意义还表现在指标筛选上。如何从生态环境安全角度确定土地质量的评价指标体系，也是国土资源管护向质量－生态效益型管理转变急需解决的技术问题之一，不同领域的学者提出了一些试验性的做法(Abu-Rukah et al，2001;左伟等，2002;张秀芝等，2006)，但都未形成普适性的标准，所以需要作深入探索与总结。

江苏作为我国沿海平原经济较发达地区的代表，人类活动对地表土壤的元素地球化学行为影响值得进行系统分析与研究。以全省国土生态地球化学调查所积累的数万个土壤样品元素含量分布等数据及相关专题研究所获取的资料为基础，借鉴前人的有关经验或相关认识，笔者将从江苏土壤典型元素地球化学特征差异研究入手，专门对人为活动与江苏土壤元素含量分布问题进行探讨，期望能为深入准确认识江苏土壤环境的演变提供相关参考。

1 研究背景及资料基础

作为一个经济大省和资源小省，江苏的地质构造情况复杂，人均耕地偏低，单位国土环境负荷偏重，国土资源开发利用程度偏高，人为活动对土壤环境的影响也比较明显。截止2010年，江苏已率先在全国完成了其全部陆地国土的区域地球化学调查与相关评价工作，为总结土壤元素含量分布基本规律提供了最新调查数据。全省区域生态地球化学调查工作，按照统一的技术规范，同时开展了2个土壤环境的生态地球化学调查，分别为:表层土壤(相当于耕作层)采样深度为0～20 cm，以1 km2为1个采样单元(或格子)，每采样单元至少采集1个样品(重要城市地区适当加密采样)、每个样品质量大于800 g、散点采集该单元内最具代表性土壤混合而成，每4 km2分析测试1个组合样(由取自每个采样格子的所有子样等量混合而成)、样品质量200 g，共采集表层土壤样品超过10万个，统一分析测试表层土壤样品24 186个，主要用于揭示人为环境土壤地球化学特性;深层土壤采样深度150～200 cm(少量样品为120 cm至基岩深度)，以4 km2为1个采样单元(或格子)，每格子采集1个样品，样品质量大于600 g，用特制采样器单点采集该格子内最具代表性土壤，每16 km2分析测试1个组合样、样品质量200 g，共采集全省深层土壤样品24 000多个，统一分析测试深层土壤样品6 127个，主要用于研究自然环境土壤地球化学特征。上述1∶25万区域生态地球化学调查样品统一分析测试54项指标，分别为pH值、TOC(总有机碳，下同)及Si、Al、Mg、Ca、Fe、K、Na、C、N、P、S、Se、B、Mn、Ti、V、Co、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn、Cd、As、Sb、Bi、Hg、Mo、W、Sn、Ag、Au、Sr、Ba、La、Ce、Y、Sc、Zr、Th、U、Ga、Ge、Tl、Li、Be、Rb、Nb、F、Cl、Br、I，累计获取关于全省国土地表生态地质环境的元素含量等分布数据近200万条。同时，在进行江苏生态地球化学调查与评价期间还收集了相关湖泊沉积物、滩涂沉积物、浅海沉积物、大宗农产品、河泥、大气降尘、岩石等样品的元素含量分布资料(表1)。笔者曾多次报道过此项调查与评价的部分成果(廖启林等，2004，2005a，2005b，2009，2011a，2011b;Liao et al，2007，2009)，这些工作资料是笔者分析研究的重要数据基础。

表1 江苏国土生态地球化学调查评价已完成的主要实物工作量

2 与人为活动关系密切的地球化学指标

依据前人研究经验及一般元素地球化学理论，与人为活动关系密切的地球化学指标一般要满足以下条件。

(1)自然环境(如地壳)中不太丰富的微量元素，并具有成熟稳定而相对经济实用的检出方法; (2)工农业生产及日常生活中常接触到的元素(如矿业生产、施肥、工业副产品等);(3)相对自然环境土壤而言，其元素含量等分布有显著的差异(一般表现为相对富集或贫化);(4)空间分布一般都不均匀，若出现相对富集，通常能找到稳定的物质来源。

参照上述准则，通过对江苏省国土生态地球化学调查所获取的数万个土壤样品的54项地球化学指标检测数据的综合分析对比，初步筛选出S、Cd、Hg、Se、pH值、TOC、C、N、P、Pb、Zn、Sn、Sb、Au、Br、I、Cu、Cl 18个指标，这18个地球化学指标均能示踪人为活动对生态环境(尤其是土壤环境)的影响。其中，S、Hg、Cd、Se、pH值、TOC、N、P、Sn、Sb、Pb、Zn 12个指标是最能反映人为活动影响程度的，属于与人为活动关系最密切的生态地球化学指标，也是今后持续监测土地质量变化的重点生态地质环境指标。pH值与TOC不属于元素含量，但属于生态地球化学调查的基本指标。

3 人为活动环境土壤的基本地球化学特征

江苏国土生态地球化学调查首次分两个采样深度对两类土壤环境的元素含量等分布特征了进行了系统研究，其中表层土壤调查采样主要解决的就是人为活动环境的问题，深层土壤调查解决的主要是自然环境的问题。人为活动环境与自然环境土壤既有联系，也有区别。通过对全省双层土壤54项地球化学指标分布状况的宏观分析与对比，可以确定人为活动对江苏环境土壤的影响具有以下基本特征。

(1)代表性元素出现了显著的相对富集。全省深、表层土壤54项地球化学指标调查数据的参数统计结果显示(表2)，江苏表层土壤中Cd、Hg、Se、S、Sn、N、P、TOC等平均质量分数远高于其深层土壤，如江苏表层土壤的S平均质量分数(以算术均值为例，下同)为343 mg/kg、深层土壤的S平均质量分数才140 mg/kg，两者相差2倍以上;全省表层土壤的平均TOC为1.09%，而深层土壤的平均TOC才0.3%，两者相差3倍以上。其余如Cd、Hg、Se、Sn、N、P等元素在表层土壤的平均质量分数都要比深层土壤高出至少50%，表明人为活动对上述元素在地表土壤的相对富集有着重要影响。

表2 江苏双层土壤元素质量分数分布基本地球化学参数统计结果

续表2

(2)土壤酸碱度相对更偏酸性，代表性元素含量的变异系数普遍偏高。全省表层土壤的平均pH=7.3，而深层土壤的平均pH=8.0，表层土壤的平均pH值比深层土壤低0.7，显示人为活动环境下土壤的相对酸化程度明显高于自然环境土壤。全省表层土壤的Cd、Hg、Pb、Se、S、Sn、Au、Ag、Sb、Bi、Cl、Br、I、Ca等元素含量的变异系数都大于0.5，其中Sn最高、达到4.55，指示这些元素在人为活动环境土壤中分布相当不均匀。元素含量变异系数是一个无量纲参数，专门表征元素含量分布的均匀程度，变异系数越大，表明元素含量分布越不均匀，变异系数大于0.5时、一般表示元素含量分布呈显著不均匀状态。江苏13个市表层土壤的元素含量变异系数对比(表3)表明，Hg的变异系数在全省各地均大于0.5、最高可达2.24，Cd的变异系数在8个城市大于0.5、最高可达2.69，Sn的变异系数在8个城市大于0.5、最高可达8.27。

表3 江苏13市表层土壤元素含量分布变异系数对比

续表3

(3)人为活动致使环境土壤中典型元素呈现大范围富集一般都有一定规律性，导致表层土壤出现大幅度人为富集的物质来源比较容易鉴别。如全省表层土壤中Cd相对富集趋势最明显的地段都是工业比较发达的大城市及其周边地区，而且历史上煤消耗量越大的地区、其表层土壤的Cd含量增加幅度就越高。又如，全省表层土壤中N平均质量分数为1 252 mg/kg、比其深层土壤N平均质量分数460 mg/kg高出2.72倍，但全省表层土壤中相对最富N的地区苏南、苏中及苏北的高产田所在地，如苏锡常地区、高邮湖沿岸、连云港南部等。总之，近现代农业生产越发达的地区、土地越肥沃的地区，其土壤中N富集程度相对越高;而沿海地区、苏北一些农业欠发达地区及苏南山区土壤中的N富集程度明显不高，表层土壤中的N含量与其深层土壤基本一致(图1、图2)，表明表层土壤中N的大量富集与农业生产大量施肥有直接关系。

(4)元素相对富集深度一般在30 cm以上。人为活动对土壤环境的影响不是无限度的，通过对江苏各地上百个典型土壤沉积柱元素含量分布特征的对比，可以确定绝大多数地区人为活动对土壤元素含量分布的影响主要集中在地表30 cm以上深度(个别地区可以达到50 cm深度、甚至更深)，就元素含量分布而言，30 cm深度通常是元素含量变化突变的拐点，在同一个土壤沉积柱上，30 cm以上的Cd、Hg、Se、S、Sn、N、P、TOC等含量明显偏高(人为活动越强烈，元素含量高出下部土壤的幅度就越大);而30 cm以下深度上述元素含量明显降低、且含量趋于稳定。人为活动因素对土壤环境的影响主要局限在30 cm以上深度，也为耕地资源质量保护提供了重要依据。

图1江苏表层土壤氮(N)含量分布状况

图2 江苏深层土壤氮(N)含量分布状况

(5)耕地土壤体积质量偏低。人为活动对土壤环境的影响除了上述典型元素含量分布所呈现出的差异外，酸化程度也相对偏高。还有一个重要的现象就是土壤体积质量也出现了明显变化，土壤体积质量本身为物理指标，但也列入为耕地质量生态地球化学评价的一个因子，所以总结土壤环境演变特征时常提及它。对于耕地土壤环境而言，在人为活动因素影响下，可以使土壤体积质量显著下降，这与耕作层土壤通常变得更疏松、孔隙更发育有直接关系。

(6)与人为活动关系不甚亲切的元素含量保持相对稳定。对比江苏全省深、表层土壤的54项指标宏观分布特点可发现，与自然环境土壤相比，全省表层土壤中Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe等常量元素、La、Ce、Y等稀土元素、Sc、Zr、U、Th等稳定元素、Ga、Ge、Tl等分散元素并未出现显著含量变化，这些元素在深、表层土壤的含量总体很接近，空间变化趋势也雷同。以常量元素Na为例，其在全省深、表层土壤的分布特点十分相近(图3、图4)，沿海地区、苏北泛黄河故道、连云港北部靠近山东一侧是全省土壤Na相对最富集的地段，而苏南宁镇山区、洪泽湖西侧、灌云一带则是全省深、表层土壤中相对最贫Na的地区。

图3 江苏表层土壤钠(Na)含量分布状况

4 影响土壤元素含量分布可能的人为因素

以上分析可知人为活动对江苏土壤的元素含量分布已经产生了显著影响，而且还确定人为活动对土壤中元素含量分布的影响主要局限于微量元素。影响土壤环境元素含量分布的人为活动因素从大的方面讲可涉及到工农业生产的诸多领域及人类生活的多个层面。依据江苏生态地球化学调查评价工作多年积累的经验，可以初步将影响土壤环境元素含量分布可能的人为因素归纳为以下6个方面。

(1)农田施肥。地表土壤中N、P、TOC等远高于自然环境土壤，多是农田施肥的结果，而且化肥消耗量越大的地区，土壤中N、P等增加幅度也越大。

(2)冶金粉尘。历史上一些五金类行业加工生产过程中产生一定数量的工业粉尘，通过“三废”排放转移到土壤环境中，局部土壤环境中Pb、Zn、Cr、Ni等重金属元素出现显著富集甚至是污染，多与工业(特别是一些分散经营的乡镇企业)排污有关，冶金类工业“三废”排放所产生的重金属污染不仅会改变土壤环境，还能直接威胁农产品。一些地区稻米中的Pb、Cr含量超标，推测为大气降尘所携带工业生产的排放物所致。

(3)燃煤排放。燃煤所产生的副产物中含有Se、S、As、Cd、Hg等元素，可以通过大气降尘等途径转移到土壤，从而改变土壤的上述微量元素含量。江苏作为我国东部沿海地区工业相对发达的省份，历史上对煤炭的需求与使用一直非常旺盛，大量使用煤炭肯定会影响地表一些微量元素的循环，江苏一些工业发达城市周边表层土壤中Se、Cd、Hg等元素含量普遍偏高，与当地历史上曾大量使用燃煤有密切联系。

图4 江苏深层土壤钠(Na)含量分布状况

(4)矿业活动。江苏的金属矿产资源本身无优势，其矿业活动(采矿、选矿)强度总体应该弱于我国中西部地区。但徐州附近的煤炭开采，苏南一些铁矿、多金属矿的开发，仍对局部土壤环境的微量元素分布产生了一定影响，如一些多金属矿区附近土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、Sb等重金属含量富集趋势明显，即与当地的矿业活动有关。

(5)耕种方式改变。一些地区表层土壤的酸碱度、有机碳的变化与耕作方式改变有关，如水田改变为旱地后，可以使地表土壤的酸碱度下降(向酸化方向演变)，可以改变其有机碳的含量，如一些丘岗地区土壤酸碱度呈现较大范围的下降，同时有机碳含量也呈现下降趋势，这与当地土壤历史上曾为水田、后为旱地有关。

(6)农药、饲料等添加剂的使用。一些农药本身含有一定量的微量元素(如杀虫剂中含Hg、Cu等)，还有一些饲料添加剂中含有Cr、Ni、Se等元素。因为养殖、防治病虫害等需要长期使用上述含有微量元素的添加剂后，也能在土壤中形成部分微量元素的聚集。如一些农田土壤的Hg污染可能就与使用了含汞的添加剂有关。

人为活动因素影响土壤中元素含量分布的形式可能远不只上述所列。依据江苏生态地球化学调查评价的有关认识，表4总结了人为活动因素影响土壤环境元素含量分布的基本形式。

表4 人为活动因素影响土壤环境元素含量分布的基本形式

5 结论

人为活动对地表土壤的元素含量分布有较大影响，江苏的相关国土生态地球化学调查与评价研究成果表明:(1)人为活动可以使表层土壤中Cd、Hg、Se、S、Sn、N、P、TOC等含量显著增加，导致表层土壤与深层土壤的上述元素含量出现显著差异。同时，人为活动还导致表层土壤的酸碱度下降、使表层土壤环境总体向酸化方向发展，使耕地土壤的空气含量增加、体积质量变轻。

(2)人为活动对土壤中元素含量分布的影响深度一般为30 cm以上，正常情况下人为活动影响土壤环境地球化学行为的范围主要局限在耕作层土壤。这对耕地质量保护有直接借鉴意义，多数情况下地表30 cm以下深度的土壤已经属于母质土，对正常耕种的影响远不及耕层土。

(3)人为活动因素影响江苏地表土壤环境元素含量分布的形式有多个方面，程度各有差别。目前可以判定的能改变江苏土壤元素含量分布状况的人为活动方式至少包括农田施肥、冶金类工业生产粉尘扩散、燃煤排放、矿业活动(采矿、选矿)、耕作方式改变(水田改变为水－旱轮种或旱地等)、农药、养殖饲料等添加剂的使用等方面。

(4)S、Hg、Cd、Se、pH值、TOC、N、P、Sn、Sb、Pb、Zn 12个指标是最能反映人为活动对土壤环境之影响的地球化学指标，上述元素除了在耕作层土壤中呈现了一定程度的人为富集外，同时还表现出元素含量分布不均匀程度明显增加，元素含量变异系数普遍偏大。

6 致谢

参加该项研究工作的还有吴新民、翁志华、毕葵森、黄顺生、仇慎平、高孝礼、蔡玉曼、周泳德、侯平等，江苏省国土资源厅、江苏省地质调查研究院的有关领导与专家对该项研究给予了大力支持与指导，谨一并诚致谢忱!

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Influence of human activities on soil element distributions in Jiangsu

LIAO Qi-lin，HUA Ming，ZHANG Wei，JIN Yang，PAN Yong-min，ZHU Bai-wan
(Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China)

It was of practical significance to study the artificial influences on the element contents within soils.The authors introduced some results related to eco-geochemical characteristics affected by human activities in topsoil in Jiangsu Province.By summarizing and contrasting data obtained from multi-purpose regional geochemical investigation(1∶250 000)and relative eco-geochemical assessment，the authors thought that human activities had obvious influences on some trace elements distribution in topsoil(depth=0～20 cm)in Jiangsu Province，and found that some typical element contents in topsoil were much higher than those in deep soil(depth=150～200 cm)and the pH value in the topsoil was lower than that in deep soil，the studied typical elements included Cd，Hg，Se，S，Sn，N，and so on.Meanwhile，these elements distribution was more uneven in topsoil and their varied coefficients of content were larger than those in deep soil in most cases.Meanwhile，the authors defined that ten trace elements(S，Hg，Cd，Se，N，P，Sn，Sb，Pb，Zn)，pH value and TOC(twelve in total)were the most sensitive eco-geochemical indicators in soils as to human activities and their utilizations of fertilizers and pollutants discharged by industrial production were general ways of changing some element contents in topsoil，and at least there existed six basic channels to affect geochemical behavior in soil by human activities in Jiangsu Province.

Human activities;Element content distributions;Soil;Jiangsu

book=2,ebook=80

P632;P596

A

1674－3636(2012)02－0147－10

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.02.147

2012－02－17;编辑:陆李萍

国家自然科学基金项目(40873081);国土资源公益性行业科研专项经费项目(201111021)

廖启林(1964—)，男，研究员级高级工程师，博士，地球化学与矿床学专业，E-mail:liaoqilin64@jsmail.com.cn