广东韶关地区土壤环境背景值及其影响因素

李婷婷，刘子宁，贾 磊，张 伟

(1.广东省地质调查院,广东 广州 510000；2.中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室,广东 广州 510000；3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

土壤元素背景值指土壤在自然成土过程中所形成的固有的化学组成和含量，未受或很少受人类活动影响(代杰瑞等，2011)。随着人类对环境影响的加深，绝对不受人类活动影响的土壤几不存在，因此背景值是一个相对概念。土壤元素背景值是土壤及环境科学研究的重要内容，查清土壤中的元素含量及其分布特征，可为土地资源优化、环境质量评价、土壤环境标准制定，以及由于元素丰缺引起的地方病的防治提供科学依据(曹峰等，2010；刘子宁等，2017；廖启林等，2019；张妍等，2019)。

广东韶关地处南岭巨型纬向构造带中段，南岭成矿带横贯全区，成矿地质条件优越，矿产资源种类较齐全，多种矿产资源禀赋居全省前列。人均耕地面积占广东第一，农业优势明显。已有研究表明，该区土壤重金属污染与农产品的安全问题日益严重，对农业可持续发展和居民身体健康造成了威胁(高岐，2013；卢壕杨等，2017；李心等，2018)。前人在区内土壤重金属污染及采矿进程对土壤环境的影响方面做了很多研究工作，但对该区土壤环境背景值的研究相对较少(李永涛等，2005；付善明等，2007；李丽等，2010；冯慧敏等，2018；谢武双等，2018;叶永钦等，2018)。因此，通过研究该区土壤环境背景值及其影响因素，查清土壤元素的分布特征，对查明区内重金属元素的来源及指导农业布局与采矿强度具有重要意义。

1 研究区概况

韶关地区位于广东北部，北接湖南，东邻江西(图1)。全境东西跨度186.3 km，南北跨度约173.4 km。该区总体地势北高南低，山峦起伏，中低山广布。地貌以中低山为主，丘陵、岩溶准平原次之，局部为山前冲积平原和山间冲洪积平原。区内土壤主要可分为水稻土、红壤、赤红壤、黄壤、石灰土、紫色土6大土类，其中红壤分布面积最广，其次是黄壤、水稻土和石灰土，其余类型土壤分布面积较小。全区土地利用现状以农用地为主，面积约1.6万km2，占全区土地总面积的91.7%。韶关地区属南亚热带湿润型气候大区，具有潮湿、温暖、多雨、雨季和旱季明显等特点。年平均气温为18.8～21.6 ℃。雨量充沛，多年平均降水量为1 682.3 mm，3—8月为雨季，其余月份为旱季。

图1 韶关地区地理位置图1-省级及地级市界；2-行政中心；3-机场；4-研究区；5-铁路；6-国道；7-高速公路Fig. 1 Geographic location of Shaoguan area

韶关隶属华南地层大区东南地层区桂湘赣地层分区，分属阳山小区、韶关小区、始兴小区、连平小区。区内各时代地层发育较齐全，南华—第四系均有出露；侵入活动主要发生在三叠纪、侏罗纪、白垩纪等几个时期，尤以侏罗纪侵入岩最为发育。区内先后经历了加里东期、海西—印支期、燕山期及喜马拉雅期等多个构造旋回，地质构造复杂，包括褶皱、断裂及构造盆地。褶皱按形成时间的先后分为加里东期、印支期和燕山期；断裂以北东向为主，包括吴川—四会断裂带、郴州—怀集断裂带和阳山—乳源断裂组等，北西向、南北向、东西向断裂分布零星；构造盆地主要分布在研究区北部，属断陷盆地或拗陷盆地，受北东向深大断裂带控制。

研究区内岩浆活动频繁，时代跨度大，分布面积广。自古生代到中生代均不同程度地保留了岩浆活动的印记，形成了类型各异、时空不同、规模不等的各类侵入岩和喷出岩。变质岩出露较广泛，可划分为区域变质岩、接触变质岩、动力变质岩和气液蚀变岩等。

2 材料与方法

2.1 样品采集

按双层网格化方法布点采集表层土壤样品，表层土壤采样密度为每4～8 km21个点，采样深度为0～20 cm。样品采集以代表性为主要原则，兼顾均匀性与合理性，采样时避开人为污染区域及人工搬运土。全区共采集表层土壤样品3 969件，土壤调查面积为18 412 km2。

2.2 分析测试

样品自然风干后，用木棒碾碎土壤团块，过0.85 mm(20目)尼龙筛，称取500 g作为分析样。根据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DD 2005-01)规定，表层土壤样品需测定Ag、Au、As、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Cr、Cl、Co、Ce、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Ni、Nb、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、TC、Corg、pH值共54项元素(指标)，用于分析研究。

3 结果与讨论

3.1 土壤环境背景值的计算方法

元素的丰度是指土壤中元素含量的算术平均值(均值)。但元素的背景含量仅用丰度表示是不够的，一般采用元素含量的范围即背景值范围来表示。由于不同元素含量的概率分布类型不同，元素含量测定值的变化规律各异，因此不能用同一种方法来表示不同分布类型元素含量的背景值范围。

土壤中元素含量概率分布类型有正态分布、对数正态分布和偏态分布。

3.1.1 正态分布的元素 因正态分布的密度函数以均值μ(其无偏估计量为样本算术平均值x)为左右对称，离散程度可由标准差σ(样本标准差为s)表示，在(x-ns)—x与x—(x+ns)(n=1，2，3，…)区间内概率相等。因此，正态分布元素的背景值范围应该用均值和标准差表示，取(x±2s)表示土壤环境背景值范围。

3.1.2 对数正态分布的元素 对数正态分布的密度函数具不对称性，呈正偏分布，因此不宜用算术平均值和标准差来确定元素的背景值范围。此种分布的对数含量值以几何平均数μ(样本几何平均值为M)为左右对称，且其几何标准差σ(样本几何标准差为D)控制了分布的离散程度，在M/Dn—M、M—MDn(n=l，2，3，…)区间内概率相等。因此，对数正态分布的元素的背景值范围应用几何平均值和几何标准差表示，取 (M/D2—MD2)表示其背景值范围。

3.1.3 偏态分布的元素 背景值范围的确定较困难。偏态分布的密度函数不论其含量值还是对数含量值均不对称，因此从理论上讲，算术平均值加减标准差或用几何平均值乘除几何标准差均不宜采用。经分析可知，其元素含量值的偏度和峰度均较元素对数含量值的偏度和峰度大，即偏态分布元素样本含量的概率曲线偏离对数正态分布密度函数曲线的程度，比偏离正态分布密度函数曲线的程度略小。因此采用对数正态分布元素背景值含量的表示方法，即用几何平均值乘除几何标准差(M/D2—MD2)近似表示研究区偏态分布元素含量的背景值范围。

3.2 土壤环境背景值概率分布特征

(1)研究区内仅SiO2、Ge呈均匀分布(变异系数≤0.25)(表1)。

表1 韶关地区土壤环境背景值参数统计结果(n=3 969)Table 1 Statistics of soil environmental background values in Shaoguan area (n=3 969)

(2)Zr、Cl、Al2O3、F、Y、Sc、Ga、Ce、La、Nb、S、Ti、Zn、N、Ag、Ba、P、TC、OrgC、Fe2O3、Hg、MgO、Se、K2O、Li、Mo、Pb、V等呈较均匀分布(变异系数为0.25～0.50)，区域分布上表现为含量起伏变化不大且均匀分布的特点。

(3)强变异(变异系数为0.50～0.75)的元素包括Sr、Cu、W、CaO、Cd、Mn、Au、Tl、Cr、Ni、Th、Co、Na2O、Br、Rb、Be、Bi、B、I、U、Sb，高度变异(变异系数为0.75～1.00)的元素为Sn和As，该组元素分异特征明显，在不同地质背景及不同自然环境下含量差异较大(陈兴仁等，2012)。

3.3 研究区土壤环境背景值含量特征

3.3.1 与中国土壤A层背景值对比 韶关地区土壤中相对富集与花岗岩组成密切相关的稀有元素(Sc、La、Zr除外)、放射性元素、钨钼族元素(Mo除外)、亲Cu元素族和Al2O3(表2)。其中，Se、Li、Be、Rb、Th、Pb、Tl、U、Cd、W、Hg、Bi、Sn，Al2O3、B、Ce、Y相对富集；CaO、Na2O、Sr、Cl、MgO、Co、Mn、Ni、I等元素严重贫乏，主要亲Cu成矿元素、部分铁族元素以及Sc、Mo、Ba、Br均呈不同程度贫乏，说明韶关地区是这些元素的相对低背景区；其他元素含量与中国土壤A层背景值相当。

表2 韶关地区土壤环境背景值、广东土壤A层与中国土壤A层背景值Table 2 An overview of A-layer soil environmental background values in Shaoguan,Guangdong and China

3.3.2 与广东土壤A层背景值对比 韶关地区土壤较富集的元素有造岩元素、铁族元素(Fe2O3、Co、Ni除外)、稀有元素、钨钼族元素(Mo除外)、硫化矿床典型元素族(大部)、分散元素(Ge除外)，以及F、B等。其中，强富集元素有F、Cu、V、Ti、Ga、Pb、Ce、Mn、W、Hg、Zn、Sr、Sb、Tl、MgO、Sn、CaO、Ba、Be、Li、Bi、Rb、Na2O、K2O、Cd、B，说明韶关地区土壤中聚集了与成矿作用密切相关的元素；Mo、I、Br、Ag等元素相对贫乏，Ni、Th、Fe2O3、Co等背景值与广东土壤背景值相当。

3.4 土壤环境背景值的影响因素

3.4.1 主要成土母质的影响 按成因类型可将韶关地区成土母质划分为第四纪沉积物成土母质、沉积岩类成土母质(包括紫红色砂页岩类风化物、砂页岩类风化物、碳酸盐岩类风化物3类)、火成岩类成土母质(包括花岗岩类风化物、酸性火山喷出岩类风化物2类)、变质岩类成土母质。按上述划分原则分别统计不同成土母质元素的背景值(表3)。

表3 各类成土母质土壤环境背景值最高与最低元素Table 3 Elements with the highest and lowest soil environmental background values of each parent soil of the study area

(1)第四纪沉积物母质土壤元素总体分布较均匀，其中，Zr、Ag的背景值在各类成土母质背景值中最高，Mn、K2O、I的背景值为各类成土母质背景值中最低。

(2)紫红色砂页岩类母质土壤元素环境背景值中最低值元素最多，其中，U、Al2O3、Y、Hg、Ga、Ce、S、Zn、N、TC、P、OrgC、Mo、Sc、Se、Br这16个元素背景值在各类成土母质背景值中最低，Sr、SiO2背景值在各类成土母质中最高。

(3)砂页岩类母质土壤元素环境背景值不含最高值元素，在各类成土母质中背景值最低值元素包括Rb、Tl、Pb、Be、Li、Ag等，主要为稀有元素及亲Cu元素。

(4)碳酸盐岩类母质土壤中CaO、F、Hg、S、Cd、B、Au、Sb、As、Cr等元素的背景值为各类母质土壤中最高值，各类成土母质中背景值最低值元素为Sn、Cl、Ba。

(5)花岗岩类母质土壤pH值低至4.99，酸性较强。其环境背景值以包含的背景最高值与最低值元素数量最多，其中高背景值元素20个，主要包括放射性元素(U、Th)、造岩元素(Na2O、K2O、Al2O3)、稀有元素(Be、La、Ce、Y、Nb、Rb、Li)、钨钼族元素(Sn、Bi、W)、分散元素(Tl、Ge、Ga)，以及Pb、Cl；背景值最低的元素包括Cd、B、Ti、MgO、Au、Fe2O3、V、Sb、Cu、Cr、Ni、Co、As等。

(7)变质岩类母质土壤环境背景值最低值的元素包括Mo、Ba、Se、Cu、Br，在各类成土母质中背景值最高的元素为Sr、CaO、W、Ge。

3.4.2 主要土壤类型的影响 对韶关主要土壤类型赤红壤、潴育性水稻土、黄壤、赤红壤、黄红壤、石灰土、紫色土等(广东省土壤普查办公室，1993)进行研究，结果见表4。

表4 各土类单元背景值与全区土壤环境背景值比值Table 4 Statistics of the ratio of the background values of each soil unit to that of the whole soil environment

(1)红壤是研究区内分布面积最广的一类土壤，占全区面积的51.6%。红壤元素背景值与全区土壤元素背景值相当(表4)，两者比值变化范围为0.8～1.2，各元素的背景值介于各类型土壤元素背景值之间。

(2)潴育型水稻土的分布面积仅次于红壤。整体来看，潴育型水稻土中大部分元素的环境背景值与全区相当，仅I、Br为低背景。

(3)与全区土壤背景值相比，黄壤中TC、OrgC、Se、Ga、Na2O、Pb、W、Th、K2O、Tl、Bi、I、Rb、U、Be、Sn、Br等元素的背景值明显高于全区土壤背景值，Al2O3、OrgC、TC、Ga、W、Br、Bi、I等环境背景值为各土类单元最高值，B、As、Cr、CaO、Sb、Ni、Co、Sr、Au等元素的背景值明显低于全区土壤背景值。

(4)赤红壤中大部分元素的背景值低于全区土壤背景值，其元素背景值明显偏低，其中，Li、Ag、P、MgO、Cu、F、Mn、Cd、Sb等背景值在各土壤类型中元素背景值最低。

(5)黄红壤以I、Ga、Li、Na2O、K2O、Rb、U、Th、Pb、Be、Tl、Sn、Bi等高背景元素为特点，与其他土壤类型元素的背景值相比，Li、Nb、Na2O、K2O、Th、Pb、Be、Tl、Sn、Rb、U等元素的背景值为各土类单元最高值，而Fe2O3、Au、V、Co、Ni、Cr、As背景值在各土类单元中背景值最低。

(6)石灰土中大部分元素的背景值较高，其中，N、Sc、Ti、Zn、Sr、Se、Fe2O3、Mo、MgO、Cu、F、Hg、Au、Mn、V、Co、Ni、CaO、I、Cr、B、Cd、As、Sb等元素背景值明显高于全区其他土壤类型，除MgO、Sr、I之外，其余23个元素以及P、S背景值为各土壤类型最高值，而Rb、Sn、Be、K2O、Na2O、Ba、Cl、SiO2等在各土类单元中背景值最低。

(7)紫色土中有32种元素背景值明显低于全区土壤背景值，其中，Br、Tl、Al2O3、U、Sn、Th、I、Bi、Mo、Nb、Ce、W、Pb、Ga、Se背景值与全区土壤背景值的比值<0.8；紫色土壤元素背景值明显偏低，其中，Th、U、Hg、I、Tl、Bi、Ce、Y、Nb、La、Pb、Al2O3、Ga、Ge、W、OrgC、S、Sc、Zn、Se、Mo等元素背景值在各土壤类型中元素背景值最低。

各土壤类型元素背景值的统计结果表明，不同土壤类型的元素背景值差异较大，是不同类型风化壳地球化学作用以及生物地球化学小循环作用的结果。

3.4.3 土壤有机质的影响 研究区内紫色土、赤红壤中大部分元素背景值较低，黄壤、黄红壤、石灰土为大部分元素高背景值的土壤类型(表5)。对比黄红壤、黄壤、赤红壤、石灰土和紫色土有机质含量发现，黄壤中有机质含量最高，石灰土和黄红壤次之，赤红壤和紫色土中有机质含量较低。这一规律表明，研究区内土壤元素背景值与有机质含量呈正相关关系。土壤有机质不仅可与土壤中的游离金属离子结合形成络合物，而且可以通过吸附作用巩固部分元素，从而影响元素的迁移和转化。因此土壤有机质对土壤元素含量具有一定的影响作用(何纪力等，1992)。

表5 各土类有机质平均质量分数比较Table 5 Comparison of the organic content of each soil type of the study area (average content)

4 结 论

(1)韶关地区表层土壤中大部分元素含量变化不大且分布均匀，土壤环境背景值与中国土壤背景值相比，稀有元素(Sc、La、Zr除外)、放射性元素、钨钼族元素(Mo除外)、亲Cu元素族和Al2O3均有不同程度的富集，CaO、Na2O、Sr、Cl、MgO、Co、Mn、Ni、I严重贫乏；与广东土壤A层背景值相比，韶关地区土壤富集或较富集造岩元素、铁族元素(Fe2O3、Co、Ni除外)、稀有元素、钨钼族元素(Mo除外)、硫化矿床典型元素族(大部)、分散元素(Ge除外)及F、B等，说明韶关地区土壤中聚集了与成矿作用密切相关的元素。

(2)成土母质是土壤元素背景值的影响因素之一，不同母质的土壤元素背景值各不相同。研究发现，区内酸性火山岩类母质、碳酸盐岩类母质及变质岩类母质土壤元素背景值较高。

(3)土壤类型对元素背景值也有一定的影响。总体来看，黄壤、黄红壤、石灰土为区内大部分元素高背景值土壤类型，尤其是石灰土中重金属元素种类较多，红壤与潴育性水稻土的环境背景值大致与全区的背景值相当，赤红壤、紫色土大部分元素背景值则远低于其他土类元素背景值。

(4)土壤有机质不仅可以通过物理作用(如吸附、解吸等)影响土壤中各元素的迁移和转化，而且可以与土壤中部分游离金属离子形成络合物，达到巩固土壤元素的效果，因此对元素背景值有一定的影响。研究发现，区内土壤元素背景值与有机质的含量呈正相关关系。