广西横县农耕地土壤主要重金属元素空间变异性特征及其来源识别

吴含志，郑国东，陈 彪，卢炳科

(广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530023)

0 引言

土壤是农用地生态系统物质循环的交换库和贮存库[1]，目前学者主要集中在小范围耕地土壤重金属污染问题调查，国内外已有大量的相关研究和报道[2-9]，而关于喀斯特地貌岩溶区域土壤高背景区重金属元素研究及其环境现状报道相对较少[10-11]。广西横县的岩溶区域约占60%，是典型的岩溶地区，是传统农业大县，国家商品粮、蔗糖，全国最大的双孢蘑菇、甜玉米和茉莉花茶生产加工基地，其中茉莉花茶占全国总产量的70%以上。因此，对该地区耕地重金属环境现状以及来源的调查研究，对于保证农产品的生态安全与质量问题具有重要的意义。本文是基于广西土地质量地球化学调查评价成果数据，以基本农田耕地为评价单元，运用统计学、GIS和GS+对土壤重金属As、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn元素的含量分布特征、空间变异性和富集特征等进行研究。

1 研究区概况

横县位于广西南宁市东部，东连贵港市，南接灵山县和浦北县，西界邕宁区，北与宾阳县接壤，是广西北部湾经济区沿江近海靠城的重点农业大县。研究区跨度北纬22°38′—23°00′，东经108°45′—109°30′，总面积约1070 km2，其中水田和旱地面积分别是353.9 km2和571.8 km2，共占86.7%。土壤类型以砖红色红壤土为主，其次为水稻土。区内由老至新主要出露寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、白垩系、古近系及第四系。主要岩性有灰岩、白云岩、白云质灰岩、碎屑岩、紫红色砾岩、砂岩夹砂质泥岩、砾岩、砾状砂岩、砂土、亚黏土层、夹泥炭层及页岩等(图1)，不同地质背景为各类土壤形成奠定了基础。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

在1∶5万土地利用现状图斑上直接布设样品，耕地和园地图斑上平均布样密度约10样/km2，林地平均布样密度约4件/km2，耕地采集0～20 cm连续土柱，园地及林地采集0～60 cm连续土柱。全区样点布设结合横县的自然地理环境，充分考虑了成土母质类型、土壤类型和土地利用方式等因素，采用网格加图斑的原则布设，网格数量上与采样密度相一致，确保样点布设在主要土壤用地类型单元上，共布设12 384个样点。

根据中国地质调查局地质调查技术标准《生态地球化学评价样品分析方法和技术要求》(DD2005-03)的规定，选择As、Cd、Cr、Ni、Pb、TFe2O3、Zn、Corg(有机碳)和pH值进行测定，分析方法以X射线荧光光谱法(XRF)和等离子体光谱法(ICP-OES)为主，辅以原子荧光光谱法(AFS)和pH计电极法(ISE)等技术手段。

2.2 研究方法及数据处理

采用SPSS 19.0和GS+相结合的方法，对各重金属元素含量进行统计、GIS空间分析、主成分分析和半变异函数模拟，并计算各元素的富集系数。

2.2.1 半变异函数模拟

GS+是一个地学统计软件，被广泛用于地理学、生态学、环境科学、土壤学等诸多领域的研究中。克里格法(Kriging)是地质统计分析的主要方法之一，主要以克里格插值法为手段的线性无偏最优估值方法，充分利用各种信息，对自然属性进行空间变异分析，建立空间连续性的量化模型，并对未知点属性进行不确定性的预测[12-13]。本研究在SPSS 19主成分分析基础上，应用GS+9.0软件对各元素主成分分析的因子得分进行半变异函数模拟，见方程(1)：

(1)

式中：Z(xi)为区域化随机变量，并满足二阶平稳假设，为xi处Z的取值；而Z(xi+h)为距离xi空间h(m)远的取值，即为两样本点空间分隔距离；N是h的距离内采样本点数，那么就有N(N-1)/2个唯一的样本配对数，N(h)是这个距离内样本点的配对数。

2.2.2 元素富集因子

评价环境介质中元素累积程度的指标很多，常用的一种指标是富集因子(EF)，它是判断土壤环境中潜在有毒有害物质累积程度的重要指标，一方面元素分布的自然差异已被参比元素平衡，另一方面EF大小反映了该元素的累积程度[14]。将每个样品中各元素的浓度与其背景值进行对比，以此来判断该重金属元素的浓集状况。其优势是可以减弱环境中介质与采样、制样及样品测试过程中对元素含量的影响，元素富集因子计算常常引入比较稳定的参比元素进行标准化，用于标准化的参比元素一般选取表生作用过程中地球化学性质较稳定的元素，常用的有Sc、Cs、Mn、Th、Al和TFe2O3[15]。本研究经综合对比，研究区土壤TFe2O3含量相对稳定，变异系数很小，仅为0.34，属于弱变异分布，因此选取TFe2O3作为计算富集因子时的标准化元素。见计算方程(2)：

(2)

式中：EF为元素的富集系数；Ci为样品元素i的浓度；Cref为参比元素的浓度；sample和background分别表示样品元素浓度和背景值，样品元素与参比元素(TFe2O3)的浓度统一为原始测试值，而背景值是根据样品元素平均值±3倍标准差，充分剔除异常值后，根据元素含量分布类型而确定的背景值。根据EF大小，可将重金属元素富集程度分为5个等级，当EF>2，说明相对富集，受到一定程度外源输入的影响；而EF<2时，则表示该元素主要来源于地壳母岩风化累积[16]：EF<2为一级；2≤EF<5为二级；5≤EF<20为三级；20≤EF<40为四级；EF≥40为五级。

3 结果与讨论

3.1 土壤重金属元素含量特征

对研究区土壤样品各元素进行统计分析，结果列于表1，各重金属平均含量均低于国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)管制值。从各元素指标的分布情况来看，重金属元素含量的变异系数均大于0.5，属于不均匀分布。其中Cd和As的变异系数大于1，两者属于极不均匀分布，说明研究区Cd和As元素的空间分布差异性较大。TFe2O3、Corg(有机碳)的变异系数均小于0.5，属于相较均匀的空间分布；pH值变异系数为0.14，属于均匀分布。

表1 土壤重金属元素含量描述性统计

3.2 重金属元素空间分布特征

As、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn元素含量的空间分布具有高度相似性，高值区主要分布于研究区东部、中北部，对应的成土母质主要是泥盆系和石炭系灰岩、白云岩、白云质灰岩、泥质灰岩等碳酸盐岩，低值区主要位于研究区西部，其空间分布与白垩系和古近系砾岩、砾状砂岩、含铁砂岩、长石石英砂岩、粉砂岩、泥岩等成土母质密切相关。由此可见，研究区重金属有相似的空间分配模式，即与该区独特的地质背景环境有密切联系。以As为代表的As-Pb和以Cr为代表的Cr-Cd-Ni-Zn两组元素组差异在于前者最高值区分布于泥盆系背景土壤，而后者位于石炭系母质土壤。图2和图3分别为研究区As和Cr元素的含量空间分布。

图2 横县主要农耕区土壤As元素含量空间分布图

图3 横县主要农耕区土壤Cr元素含量空间分布图

3.3 重金属元素来源分析

3.3.1 主成分分析

主成分分析法是因子分析中一种非常有效的方法，通过最大方差法旋转降维，将诸多影响属性的因素缩减成几种主要因子。因此，可以用来研究土壤重金属含量的影响因素，识别其成因来源。从本次研究元素主成分分析结果表2看出，共提取了3个特征值大于1的主成分因子，累积贡献率为89.22%，可以解释这些重金属元素含量的主要影响因素。

第一主成分(F1)的贡献率为68.04%，在元素As、Cr、Zn、Pb、Ni、Cd和TFe2O3上有很高的正载荷；TFe2O3作为地壳稳定元素，即能反映地质背景成因的特征元素，表明F1是地质背景对元素含量的影响因子，反映了土壤元素对成土母质主要属性的继承作用。

表2 主成分分析

第二主成分(F2)的贡献率为11.89%，Corg、Ni和Zn元素的因子载荷相对较高；Corg作为土壤中与生物地球化学扰乱作用密切相关的参数，说明F2是元素生物地球化学作用因子。第三主成分(F3)中，pH值和Cd元素的载荷较高，其贡献率为9.29%，体现了土壤酸碱度对重金属含量的影响，尤其是Cd元素。

综上所述，横县土壤重金属含量主要来源为母岩风化，其次为生物地球化学富集和酸碱度的影响。

3.3.2 半变异函数分析

半变异函数块金值(C0)与基台值 [块金值(C0)+偏基台值(C)] 的比值 [C0/(C0+C)]，可以反映一定区域内土壤属性的空间变异性影响因素中去区域化和非区域化因素的作用，又被称为块金效应。当比值<0.25时，表明属性的空间自相关性强烈，介于0.25～0.75之间说明具有中等程度的空间自相关性，而比值>0.75时，则表示属性的空间自相关性较弱，即外源输入影响较大。图4为3个主成分因子得分半方差函数模型图。由此可知，3个半变异函数模型均表现出不同程度的块金效应，其中F1块金值较高为0.312。F1、F2和F3三个因子的半变异函数的块金系数分别为0.209、0.108和0.093，均低于0.25，表明各因子都有强烈的空间自依赖性，即地质背景等内因是控制研究区土壤 As、Cd、Cr、Zn、Pb、Ni 和 TFe2O3含量的主导因素。反映了区域地质背景、成土母岩等自然因素的主体决定作用。此外，F2和F3的变程(A0)明显比F1的小得多，反映了地质背景因子、表生生物扰动及土壤酸碱度的影响尺度存在一定差异。

图4 主成分因子(F1，F2，F3)的半变异函数拟合模型

3.3.3 重金属富集特征分析

将研究区土壤样点按地层归类，分别计算各地质单元土壤As、Cd、Cr、Zn、Pb、Ni和TFe2O3的背景值。然后根据公式(2)计算每个单元重金属元素富集系数(EF)，并进行分级统计，评价土壤重金属的环境质量现状，由此来区分各重金属含量的地质背景成因和人为输入影响比例。评价结果显示，在所有土壤样品中，As、Cd、Cr、Zn、Pb和Ni属于一级水平土壤分别占全区的91.04%、89.77%、99.35%、98.95%、96.29%和99.13%；二级水平土壤占比依次为8.00%、9.71%、0.65%、1.03%、3.49%、0.83%；三级水平土壤占比分别为0.90%、0.47%、0.00%、0.02%、0.23%、0.04%，而四级和五级水平土壤几乎可以忽略不计；研究区土壤各元素的富集累积程度较低，土壤As和Cd含量有轻微富集，结合前文研究结果，土壤As与Cd含量高值区主要分布在泥盆系和石炭系碳酸盐岩岩溶区，表明其富集累积成因为地质背景引起。综合富集系数(EF综合)属于一级水平土壤样品占比79.26%，二级水平土壤占比19.07%，三级以上土壤占比仅为1.66%。

综上所述，研究区土壤重金属累积富集程度较低，其含量主要受到地质背景等内因控制。

4 结论

1)研究区土壤中Cr、Zn、Ni和Pb元素含量属于不均匀分布，而As和Cd为属于极不均匀分布，6种重金属的平均含量均未超过农用地土壤污染风险管控标准管制值。

2)As和Cr空间分布图显示其含量总体上呈中、东高西低，高值区与泥盆系、石炭系碳酸盐岩有关，低值区与白垩系、古近系砾岩、砂岩及泥岩等成土母质相对应。

3)主成分分析表明研究区约89.22%的农用地土壤重金属含量受地质背景和表生地球化学作用等内因影响；半变异函数分析显示内因是控制研究区土壤重金属含量来源的主导因素；元素富集因子评价显示研究区土壤重金属富集累积程度很低，主要受到碳酸盐岩等内因控制。