恩施东部典型山区土壤重金属元素来源分析

周小娟, 万 翔, 万 能, 曾明中

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

恩施东部典型山区土壤重金属元素来源分析

周小娟, 万 翔, 万 能, 曾明中

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

以恩施东部典型山区野三关地区土壤为对象,通过因子分析提取了7个主因子,对研究区土壤3 086件样品中的8个重金属元素Cd、As、Cu、Zn、Hg、Pb、Ni、Cr的来源进行了分析。结果表明重金属Cd、Cr、Zn、Ni主要来源于自然成因的二叠系黑色岩系风化母质;Cu的来源除二叠系母质有所贡献外,也部分来自于其它母质区;Hg来源除了二叠系母质外,也存在寒武—奥陶系层间矿化活动中以及碳酸盐系的贡献;As、Pb来源于铅锌的综合异常区。多数重金属元素的分布趋势与地质背景和表生环境下元素的风化、迁移等活动有关。总体说来,野三关地区的土壤重金属元素主要来源于成土母质。

土壤;重金属;来源;因子分析

地球上所有的土壤中都赋存着一定含量的重金属元素,土壤中的重金属会对人类、水源、动植物产生影响。土壤中重金属元素主要包括汞、镉、铅、铬及类金属元素砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌、铜、镍等[1]。重金属污染物在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不被微生物降解[2-3],所以土壤一旦被重金属污染,其危害性将是长远的。

恩施是世界第一高硒地区[4],恩施野三关地区富硒土壤(土壤中硒含量为0.4 mg/kg以上)面积达193.7 km2,占研究区总面积的36.5%。随着现代生活水平的提高人们在选择优质富硒农产品的同时,更加注重农产品的质量,而土壤中重金属是影响农产品质量最重要的因素之一。因此,对本地区富硒农产品开发的同时,对该地区土壤重金属元素分布及来源的分析显得尤为重要。现行元素来源研究的方法主要有元素形态分析法[5-6]、剖面分析法[7]、空间分布分析法[8]、富集因子分析法[9]等。近年来多元统计分析方法(特别是主成分分析法)被广泛应用于土壤重金属来源研究[10-11],该方法与前述方法的综合运用,可以有效揭示土壤重金属的主要来源[12]。

1 研究区概况

研究区位于湖北省巴东县野三关镇辖区,巴东县地处湖北省西南部,长江中上游两岸,恩施土家族苗族自治州的东北部,隶属恩施土家族苗族自治州。野三关镇位于巴东县的东部,其北临三峡,南濒清江,318国道东西横贯全境,镇区正好位于318国道经济带、巴鹤公路经济带和榔水公路经济带的金三角地区,有着独特的地理优势。

在地质背景上,研究区属于扬子地层区,以沉积岩为主,区内地层出露较为齐全,从寒武系覃家庙组—第四系中更新统的沉积层均有不同程度的发育。露头分布上,寒武系—奥陶系主要出露于北部,志留系—石炭系广泛发育于北部及东南部,二叠系—三叠系大套出露于研究区中部(图1)。地貌类型以碳酸盐岩组成的高原型山地为主体,兼低山峡谷与溶蚀盆地。区内黄棕壤(46.8%)、石灰土(26.3%)、棕壤(12.2%)占大部分面积,兼有少量红壤、紫色土、黄壤、暗棕壤、水稻土、潮土、沼泽土。该区土地利用垂直差异显著,土地利用类型复杂多样,土地利用水平较低。其中林地面积最大,占比63.2%,其次旱地占比21.2%,余之为灌木林地。

2 样品采集、处理与分析

2.1 样品采集

本次调查共采集了3 086件表层土壤样品,覆盖了整个研究区,大田采集耕层土壤,采样深度为0～20 cm,种植果林类农作物的土壤,采集深度为0～60 cm,四分法留取1.0～1.5 kg装入样品袋。样品袋一般为干净的棉布袋,如样品潮湿需内衬塑料袋。

图1 研究区地质背景图

Fig.1 Geological background map of study area

1.第四系中更新统;2.第四系下更新统;3.嘉陵江组;4.大冶组;5.龙潭组、下窑组、大隆组并层;6.栖霞组、茅口组、孤峰组并层;7.梁山组;8.大埔组、黄龙组并层；9.金陵组、高骊山组并层;10.云台观组、黄家磴组、写经寺组并层;11.云台观组、黄家磴组并层;12.纱帽组;13.罗惹坪组;14.新滩组;15.龙马溪组;16.宝塔组;17.南津关组、红花园组、大湾组、牯牛潭组并层;18.娄山关组;19.覃家庙组;20.水系;21.实测地质界线;22.实测正断层;23.实测逆断层;24.实测平推断层;25.实测性质不明断层;26.层理产状;27.倒转岩层产状。

2.2 样品处理与分析

土壤表层样品风干后,研磨过20目筛,混匀后缩分取土壤试样200 g,取其中30 g样品装袋用作pH分析,另取80 g左右样品用无污染的行星球磨机粉碎至-200目粒度,剩余试样留作粗副样装原袋保存,潮湿的样品在加工前于45 ℃以下的烘箱中烘干后再用行星球磨机粉碎。从加工后的试样中分取30 g试样装玻璃瓶于45 ℃烘箱中,烘2 h后送原子荧光组做As、Hg、Se等元素的取样分析,剩余试样装玻璃瓶经105 ℃烘2 h用作其它流程元素的取样分析。样品由湖北省地质实验测试中心测定pH、Se、I、F、Cd、Pb、Hg、As、Cr、Cu、Zn、N、P、Corg、S、Cl、B、Mo、Mn、Co、Ni、Sr、Ge、K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3共30项元素或指标,各元素分析方法如表1所示。方法的准确度、精密度和检出限均满足中国地质调查局《1∶50 000土地质量地球化学评价技术要求》(试行)。

表1 土壤样品分析方法配套方案

3 结果与分析

3.1 土壤重金属分布特征

3.1.1 土壤重金属总体分布特征

研究区表层土壤样品中各重金属元素地球化学基本特征值见表2。由表2可知,重金属元素总体含量的最明显的特点是元素区域分布上的极度不均匀性,同一种元素在不同的样品中其含量差异十分明显,含量极差很大。含量极差最大的元素为Cd,达395.4,Hg达318.3,最小的是Pb,也有11.14。按照变异系数划分元素分布的区域类型,元素Cd、Hg属极强分异型(CV>100%),属强分异类型(75%

3.1.2 不同母质单元中重金属的分布

表2 土壤重金属元素特征值表

(1) 重金属元素含量特征。将研究区样品按不同母质单元统计其平均值列于表3,表中显示出土壤重金属分布与成土母质的地质属性关系密切,其中As与Pb在寒武系和奥陶系母质区内平均含量最高,Cd、Ni、Cr、Zn、Hg在二叠系母质区中含量高于其它母质。而Cu在寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系中偏高,在志留系、泥盆系和石炭系中含量稍低。

表3 不同母质单元表层土壤平均值表

(2) 重金属元素富集组合特征。为了考察不同母质单元对重金属元素分布的综合控制,以此次土壤区域背景值为基础,将各地质单元重金属元素的均值与背景值的比值作为富集系数(K),将K值按0.6、0.85、0.95、1.05、1.15、1.4间隔作富集程度分级划分,所得结果见表4,总体分布特点如下:

① 寒武系和奥陶系母质土壤中,Pb、Hg属富集型,特别是As属强富集,富集系数分别达2.12和1.85。Cu、Zn、Ni在奥陶系中也相对富集,而Cd在这两种地层中却属相对贫乏和贫乏。

② 志留系和泥盆系母质土壤,总体上多种重金属元素都较为贫乏或适量,仅泥盆系中Hg相对富集。

③ 石炭系和二叠系土壤都以富集Cd和Hg为特征,尤其是二叠系Cd为强富集型,富集系数达2.93,同时该地层中Ni、Cr也表现为富集,Zn相对富集。

④ 三叠系中As、Cu、Cd、Hg相对富集,其它元素以适中为主。

总之,寒武系和奥陶系同时富集了重金属Pb、Hg、As元素;石炭系和二叠系中Cd、Hg表现为强富集,二叠系还存在Ni、Cr、Zn的富集或相对富集。

3.2 土壤中重金属物质来源的数学分析

表4 各母质单元土壤富集度组合特征表

所谓土壤中重金属来源,实质上乃是表达土壤体系与原始母岩在重金属分布上的依存关系。此处采用数学分析方法,一是重金属间的相关统计,以研究重金属相互之间的关联度;二是因子分析,以研究不同母质背景下的重金属分布性状以及该背景对土壤重金属分布所作的贡献。

3.2.1 相关统计

表5 变量相关矩阵

对全区土壤8个重金属原始数据作相关统计,列出相关系数矩阵于表5。由该表可见,区内8个重金属元素有些是紧密相关的,相关系数在0.6以上;有些处于中等相关程度,相关系数在0.4～0.6区间;而有些属于弱相关,相关系数在0.2～0.4区间,对那些相关系数<0.2的,则属于不相关。如果用这个原则评定区内重金属相互联系程度以及考察其对内在母质环境的指示,能够发现一些明显的结论,表现如下:

(1) Cd、Cr、Ni、Zn紧密相关,反映出在相应母质端元中具有紧密共生特性,而与表5对比,可看出本相关组合是二叠系富集端元与志留系、泥盆系贫乏端元的基本反映。而在本相关体系中,显示有Cd与Cu、Hg,Cr与Cu、Hg,Ni与Cu、Hg的中—弱相关程度,则反映Cu、Hg的分布与二叠系体系有着关联,但专属性不强,它们在其他母质体系中亦有着不同程度的富集。

(2) As、Pb的分布与Cd、Cr、Ni、Zn分布基本缺乏关联性,而二者又难以形成紧密组合,呈弱相关,结合前述它们在寒武系、奥陶系出现相应的富集组合,表象出的这种“富集”就全区而言在区域上也是有限度的。

3.2.2 因子分析

因子分析的基本目的就是用少数几个因子去描述许多指标或因素之间的关联,即将相关比较密切的几个变量归在同一类中,每一类变量就成为一个因子,以较少的几个因子反映原始资料的大部分信息。该方法已被广泛地应用于国内地球化学的土壤、沉积物和大气沉降的元素来源的分析研究之中[11-15]。在地球化学研究中,往往将某一因子解释为一种地质因素,因此,可以方便地找出影响物质来源的主要因素是哪些,以及它们的影响力。

此次采用软件SPSS 19.0对研究区的3 086件土壤样品30项元素和指标进行主成分因子分析,以判别物质来源。因子矩阵经最大正交旋转后,提取了7个主因子,在旋转前后总的累积方差贡献均为68.845%,总的信息量没有损失,其中KMO=0.760,Bartlett球度检验Sig=0.000<0.01,拒绝H0,认为相关系数矩阵不为单位阵,说明原变量间存在相关关系,适合做因子分析。旋转之后,主因子1方差贡献率为17.473%,主因子2为15.747%,主因子3～7方差贡献率为5.155%～9.301%。各元素和指标的旋转因子载荷矩阵见表6,再计算出土壤各采样点因子得分,各因子得分图如图2-图7所示。

初步分析认为,主因子1、主因子2和主因子7所表达的母质环境应当是野三关地区土壤重金属的主要来源。

主因子1:因子组合为K2O-TFe2O3-Al2O3-(-SiO2)-Co-Cu-Ge-Pb的正载荷和SiO2的负载荷。明显表达为非黑色成土母质(正载荷)的物源背景因素。从因子得分图与地质背景图上分析(见图2),F1主要分为两大部分:正载荷区几乎为除二叠系以外所有的母质背景区,从地质意义上讲,该地质因素对除二叠系以外的常规母质背景区都有着影响。而负载荷区则与二叠系母质区相对应,这一特征可解释为,二叠系母质应是区内相对独立的地质背景区。就重金属来说,该因子轴有Cu、Pb的载荷,说明该因子是Cu、Pb富集的影响因素之一。

表6 表层土壤旋转因子载荷矩阵

主因子2(图3),其因子载荷元素为Cr-Cd-Se-Mo-Zn-Ni-Cu-Hg,其中Cr、Cd、Se、Mo、Zn、Ni均有着较大的贡献,成为该因子的主要成分,它的分布态势和F1因子基本相反,其正载荷区出现在二叠系,主体是黑色岩系风化母质,该区域中以高Cd、高Se等为典型特征,在二叠系以外地层中,Cd、Cr、Zn、Ni、Hg含量相对较低,表明研究区这些重金属的主要来源是二叠系母质层。

主因子3(图4)表达的是以N-P-S-Corg为组合的生物学富集因子,在研究区各处均有分布,总体上在北部高值面积较南部多,北部林地较发达,林地植被落叶腐烂会产生大量N、P、S、Corg等元素,F3因子代表了成壤作用的结果,也代表了人类农业活动,但本地区主要以林地为主,旱地较少,因此施肥带来的外源重金属污染并不明显。Hg作为化肥中常见的成分,在该因子上的贡献仅为0.105,Cd为0.119。同时Hg作为交通、工业燃煤排放等有关的主要重金属元素,其在所有主因子上的贡献都不大,这与山区大气环境较清洁的情况相一致。虽然野三关镇上有小型燃煤加工厂,但并没有对环境造成大的破坏。通过F3因子的分析可知人类工业、农业活动对本地区没有造成太大污染。

图2 F1因子得分图

Fig.2 Score chart of F1 factor

图3 F2因子得分图

Fig.3 Score chart of F2 factor

图4 F3因子得分图

Fig.4 Score chart of F3 factor

主因子4(图5)是以MgO-F为组合特征,在分布上与F2有相似之处,只是其高值区较F2有所扩大,可能是镁质碳酸盐母质环境引起。F6因子没有太大实际意义,它们均与重金属来源关系不密切,在此不作详细阐述。

图5 F4因子得分图

Fig.5 Score chart of F4 factor

主因子5(图6)表达酸碱度环境,以CaO的含量表达了酸碱度的尺度。正碱负酸,因子得分分布图是显示中部和西部以中碱性土壤为主,北部和东南部大面积以酸性土壤为主。

主因子7(图7)以As-Mn-Pb为主,推测是中低温多金属热液矿化组合。该组合因子得分正高值区主要分布在两个地区:一个是正北部,另一个是东南角,均为寒武—奥陶系母质区。根据恩施地区娄山关组、南津关组角砾白云岩中存在铅、锌矿化,因此认为区内铅锌的综合异常区具有寻找沉积型铅锌矿的潜力,而从土壤环境方面讲,寒武—奥陶系赋存的层间铅锌矿化正是As、Pb的主要来源。

4 结论

通过对野三关地区土壤样品分析数据的归类整理、统计分析,基本获得了区内土壤中重金属与母质地层有紧密关联的结论,即不同成土母质影响着不同土壤重金属的来源:

图6 F5因子得分图

Fig.6 Score Chart of F5 factor

图7 F7因子得分图

Fig.7 Score chart of F7 factor

(1) 土壤中重金属Cd、Cr、Zn、Ni基本来源于二叠系黑色岩系母质,特别是Cd,其在相应的以二叠系黑色岩系为母质的土壤区内发生聚集。

(2) As、Pb主要来自于寒武—奥陶系中赋存的铅锌矿化,次为三叠系碳酸盐母质区,但一般含量不高。

(3) Cu的来源除二叠系母质有所贡献外,也部分来自于其它母质区。

(4) Hg一部分来源于二叠系母质,也存在寒武—奥陶系层间矿化活动以及碳酸盐系的高丰度的贡献。

总体说来,野三关地区的土壤重金属元素主要来源于成土母质,人为因素影响较小。

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(责任编辑：于继红)

Source of Heavy Metal Elements in Soils of Typical MountainousAreas in Eastern Enshi

ZHOU Xiaojun, WAN Xiang, WAN Neng, ZENG Mingzhong

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

In the soil of Yesanguan area in eastern Enshi mountainous as the object,through the factor analysis of 7 main factors,the source of 8 heavy metals in soil of 3 086 samples of Cd,As,Cu,Zn,Hg,Pb,Ni and Cr are analyzed.The results showthat the heavy metals Cd,Cr,Zn and Ni are mainly derived from natural causes of the Permian black shales weathering parent material.In addition to source contribution of Cu is derived from Permian,in part from the other parent area.In addition to source contribution of Hg is derived from Permian,there are layers of Cambrian- Ordovician mineralization activities and carbonate system contribution.As and Pb are derived from the comprehensive anomaly area of lead and zinc.The distribution of most heavy metals is related to the geological background and the weathering and migration of elements in the supergene environment.Generally speaking,soil heavy metal elements in Yesanguan area are mainly from soil parent materials.

soil; heavy metal; source; factor analysis

2016-07-12;改回日期:2016-07-19

湖北省巴东县土地质量地球化学评价(一期)(项目编号:HBJTD20150106)。

周小娟(1975-),女,高级工程师,硕士,地球化学专业,从事农业地质调查研究工作。E-mail:723367885@qq.com

S151

A

1671-1211(2017)01-0049-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.008

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1424.032.html 数字出版日期:2016-12-08 14:24