深圳杨梅坑地区岩石－土壤－植物系统中重金属元素的迁移特征

孙现领，贾黎黎

SUN Xian－Ling1， JIA Li－Li2

（1. 深圳大鹏半岛国家地质公园管理处，深圳 518121； 2. 广东省地质调查院，广州 510080）

（1. Shenzhen Dapeng Peninsula National Geopark Management Office， Shenzhen 518121， Guangdong， China；2. Guangdong Geological Survey Institute， Guangzhou 510080， Guangdong， China）

生态地质调查是服务于自然资源安全保障与管理、生态保护与修复的基础地质工作[1－3]。 根据我国生态地质调查试点经验，不同地区研究内容和调查重点存在很大区别[4－6]。以往的调查多局限于地质学、植物学、动物学等单学科调查研究[7－12]，没有系统性分析岩石－土壤－植物系统的相关性和内在联系。 因此，本次研究主要以岩石－土壤－植物生态系统的地质控制作用作为重点研究内容。 寻找岩石－土壤－植物系统中重金属元素的含量及分布特征，从生态地球化学角度分析重金属元素在岩石－土壤－植物系统中的迁移转化累积规律及其相互作用机理，对全面掌握生态系统的物质循环特征，进行生态地质环境保护、治理以及土地利用规划以及土地资源可持续利用具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于深圳大鹏半岛国家地质公园内，东南毗珠江三角洲，西与香港隔海相望，北与惠州海域相接，与深圳市区相距约50 km，交通便利（图1）区内。 地层发育较简单，主要为泥盆系春湾组和侏罗系南山组（图2）。 土壤类型主要为赤红壤、红壤、黄壤，其中分布面积最大是赤红壤，占整个半岛的60%左右。 研究区属亚热带季风气候。 年平均气温22℃，最冷的 1 月平均气温 15.2℃，最热 7 月平均气温 27.9℃。 全年降雨量 2280 mm 左右，十分利于植物的生长，植被茂密。

2 研究方法

2.1 样品采集与测定

研究区内主要地层为南山组，只有小部分春湾组 （图2）。 结合野外考察选择土壤发育较完整地段，最终确定5 个采样点。每个采样点由上至下，按照土壤自然发生层采集植物、表土层（A 层）、成土母岩（D 层）样品。芒萁是杨梅坑地区一种很常见的蕨类植物， 是区域植被草本层的主要组成物种，也是区域酸性土壤的指示物种。 该植物抗旱能力强，分布范围广，具有很好的水土保持作用，是研究植物体内元素含量分布、迁移、累积规律的理想材料。为此，本研究以其为主要植物研究对象，其茎为根状茎，生长在地下，根附着在根状茎上，呈须状；地上部分为叶，其叶柄直立，占植株总重量的很大一部分。 为了解植物体内各器官元素含量的差异，这里将芒萁植株分为根、茎、叶3 个器官分别测定其元素含量。

图1 研究区地理位置图Fig. 1 Geographical location map of the study area

图2 研究区地质简图Fig. 2 Simplified geological map of the study area

本次样品分析工作由广东省地质实验中心承担。 岩石和土壤带回实验室后风干，清除杂质后过筛备用，植物样品带回实验室清洗干净，烘干至恒重，粉碎研磨备用。 岩石、土壤和植物样品中的Pb、Zn 含量采用 X 射线荧光光谱法（XRF）测定；Cd 含量采用等离子体质谱法（ICP－MS）测定；Cr、Cu、Ni含量采用等离子体光谱法（ICP－OES）测定；As、Hg含量采用原子荧光光谱法（AFS）测定。

2.2 指标计算方法

①转移系数：指地上部元素的含量与地下部同种元素含量的比值，用来评价植物将金属元素从地下向地上的运输和富集能力。 转移系数越大，则金属从根系向地上部器官转运能力越强[13]。

HMG：植物地上部分金属含量，本文取芒萁叶中含量；

HMR：植物根部金属含量。

②生物富集系数：植物对重金属的生物富集系数，也称吸收系数，是指植物地上部某重金属的含量与其生长介质中某重金属含量之比。生物富集系数是植物将重金属吸收转移到体内并在体内累积的能力大小的评价指标，常用此指标来反映重金属元素在土壤－植物体系中迁移的难易程度， 计算公式为：

HMP：植物体内某重金属含量

HMS：土壤中某重金属含量

③综合富集系数：某植物综合富集系数是植物体各器官对各元素富集系数的平均值。 植物的根、茎、叶是一个整体，综合富集系数能较直观、清晰的反映植物整体富集某种金属的能力大小[14]。

其中，CFR根富集系数；CFL叶富集系数；CFS茎富集系数。

3 研究结果

3.1 成土母岩与土壤

3.1.1 成土母岩特征

调查区岩石重金属元素含量特征见表1。

表1 七娘山杨梅坑地区岩石重金属元素含量特征统计（单位：μg／g）Table 1 Content of heavy metal elements in rocks of yangmeikeng

（1）本次调查全部流纹岩与中国流纹岩元素丰度对比，含量高的（比值大于1.2）呈富集特征的元素主要有Pb、Zn，Ni 贫乏最为明显， 其含量平均值只有 1.86 μg／g，是中国流纹岩的 46.44%。

（2）石英砂岩样与中国东部石英砂岩元素丰度相对比，含量高的（比值大于1.2）呈富集特征的元素有 Cu、Pb、Cr，贫乏 Ni、As、Hg。 其中 Pb 富集最为显著，其含量为中国东部石英砂岩的4.35 倍。

（3）调查区全部岩石样与华南褶皱系元素丰度对比，含量与其接近的元素有Pb、Zn、Hg，呈现相对贫化的元素为 Cu、Ni、Cr、Cd、As 等。

（4）不同地质体元素含量差异较大，相对于春湾组老地层，南山组火山岩中Pb、Zn、Cd 等重金属元素含量偏高， 而Cu、Cr、Ni 等重金属元素在老地层中的含量显著高于火山岩。

3.1.2 土壤与成土母岩关系

土壤来自于岩石的风化产物，因此研究土壤与成土母岩的关系有较大意义，本次研究共采集5 组土壤样品，数据如表2 所示。 对本次采集的土壤中元素含量及其成土背景母岩元素含量均值进行对比分析发现，除As、Hg 外，土壤中重金属元素与其成土母岩中重金属元素含量具有较好的共消长关系（图 3），说明调查区 Pb、Zn、Cu、Cd、Cr 等重金属元素含量与地质背景关系密切，一定程度上受控于成土母岩。

在不同地质背景上， 成土母岩存在着差异，元素富集情况也不一样。以泥盆系风化物为成土母质的土壤富集 Cu、Ni、Cr， 以火山岩风化物为成土母质的土壤富集 Pb、Zn、Cd、Hg。土壤在区域上富集特征，与岩石富集特征基本一致，表明地质背景是影响土壤重金属分布的主要因素之一。

3.2 植物与土壤

3.2.1 土壤－植物中重金属元素迁移

植物体内富集的重金属元素主要是从土壤吸收的，而植物从土壤中吸收的重金属元素最先在根部积累，然后有一部分通过植物体内循环被运输到植物体的其他部位；因而植物体的不同器官对金属元素吸收富集状况不一样，一般情况下植物的地下部分要高于地上部分。

表2 七娘山杨梅坑地区土壤重金属元素含量特征统计（单位：μg／g）Table 2 Content of heavy metal elements in soil of yangmeikeng area

图3 土壤与成土母岩重金属元素含量关系图Fig. 3 Comparison of heavy metal content between soil and parent rock

结合不同地层表层土壤和芒萁各个部位检测到的重金属元素共得到了 Ni、As、Cr、Cu、Zn、Pb、Hg、Cd 等8 种重金属元素在芒萁内的综合富集系数（图4），由图4 可知，在春湾组中，重金属元素综合富集系数从大到小进行排序结果为：Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Hg＞Ni＞Cr＞As，而在南山组中，重金属元素综合富集系数从大到小进行排序结果为：Cu＞Cd＞Ni＞Cr＞Pb＞Hg＞Zn＞As。

植物生物量与重金属富集量之间存在着某种平衡关系， 尽管南山组与春湾组中的芒萁Zn、Pb、Cr、Ni 等元素含量并无明显差异， 但由于春湾组土壤富集 Ni、Cr，南山组土壤富集 Pb、Zn。相应元素土壤含量高，以至于计算出的系数反而小。总体而言，芒萁对土壤中Cu、Cd 元素吸收程度最强， 而对As元素吸收程度最低。

3.2.2 植物体内重金属元素转移特征

如表 3 所示，在 5 个植物样中，As、Ni、Cr 元素的含量分布普遍符合根＞叶＞茎规律，Cd、Hg、Pb、Zn元素的含量分布普遍符合叶＞根＞茎规律（图5）。 从元素的分配状态可以发现，五组植物样品对元素的吸收有着基本相似性，主要富集器官为植物更新能力强的根系和叶片，而茎相对积累能力偏低。

图4 不同地层中植物综合富集系数Fig. 4 Comprehensive enrichment coefficient of plants in different strata

表3 芒萁根、茎、叶中重金属元素含量分布表（单位：μg／g）Table 3 Distribution of heavy metal elements in roots，stems and leaves of dicranopteris pedata

图5 芒萁不同部位元素含量对比图Fig. 5 Comparison of element contents in different parts of dicranopteris pedata

转移系数大于 1 的重金属元素有Cu、Zn、Pb、Hg、Cd， 其余 Ni、As、Cr 等 3 种重金属元素转移系数均小于 1（图6），转移系数（TF）作为金属转移能力的反映，可以看出芒萁对 Cu、Zn、Pb、Hg、Cd 元素具有较高的转移能力，TF 分别为 1.13、2.24、1.01、1.70 和 1.67， 而对其他金属元素的转移能力稍弱，其中芒萁对Zn 元素的转移能力最强，高达2.24。植物体内重金属转移系数从大到小排序为：Zn＞Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞As。

3.3 岩石—土壤—植物中元素迁移特征

元素含量分布在不同地层中均有差异，但金属迁移累积规律大致相同（图7）。

Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 在土壤和岩石中的含量均高于植株， 植物中的 Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 含量仅占岩石－土壤－植物系统中 Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 总含量的20%－40%，反映出 Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 在岩石－土壤－植物系统中的迁移较弱， 芒萁根茎和叶片中Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 较少来自土壤和母岩。

在不同地层中，Cd、Cu 在植物中的含量均大于在土壤和岩石中的含量，在植物中生物富集系数均大于1，表明Cd 和Cu 元素迁移能力极强，在岩石－土壤－植物系统中除了成土母岩外， 存在人为引起的来源。

As 含量主要分布在土壤和母岩中，在芒萁根茎叶中的分布极少，表明芒萁对As 的富集能力极弱。在春湾组和南山组中， 土壤中As 的含量均超过成土母岩，表明土壤对As 具有一定的富集能力。

图6 重金属元素转移系数均值分布示意图Fig. 6 Distribution of transfer coefficients of heavy metals

4 结论与展望

4.1 结论

本文通过对杨梅坑地区不同地层岩石－土壤－植物系统中的重金属元素迁移规律研究，总结出以下几点结论。

（1）从岩石到土壤，以泥盆系风化物为成土母质的土壤富集 Cu、Ni、Cr， 以火山岩风化物为成土母质的土壤富集 Pb、Zn、Cd、Hg。土壤在区域上富集特征，与岩石富集特征基本一致，表明地质背景是影响土壤重金属分布的主要因素之一。

（2）芒萁对土壤中Cu、Cd 元素吸收程度最强，而对As 元素吸收程度最低。 植物体内重金属的转移能力趋势为 Zn＞Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞As。

（3）在岩石－土壤－植物系统中，As 元素的迁移能力极弱， 主要集中于土壤和成土母岩中； Pb、Zn、Hg、Cr、Ni 在在岩石－土壤－植物系统中的迁移较弱，较少受成土母质和母岩的影响；Cd、Cu 在岩石－土壤－植物系统中的迁移较强，存在人为引起的来源。

4.2 展望

有关岩石－土壤－植物系统地球化学元素迁移规律的研究很少， 本文是一次探索性的尝试工作，要明确元素迁移的内在本质，是一项复杂的系统工程，与土壤酸碱度、元素的有效性、元素互补拮抗等因子密切相关[16]。 本文将岩石、土壤和植物结合研究，突破了传统将系统孤立的研究界限，试图为地质背景系统潜在资源复杂综合作用找出理论依据，为区域资源开发、生态保护与修复、政府决策等提供了基础资料和地质科学依据。

图7 元素在岩石－土壤－植物系统中的分布Fig. 7 Distribution of elements in rock－soil－herb system