鄂西山区表层土壤重金属元素背景值研究

万 翔， 胡尚军， 陈玉茹

(湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

确定土壤重金属元素背景值可为合理制订土壤环境质量标准提供科学依据，是指导土壤重金属污染监测、评价和治理工作的基础[1-2]。土壤重金属元素背景值研究一直受到国内外土壤学、地质学及环境科学领域的关注。中国土壤重金属元素背景值研究始于20世纪80年代[3-4]，当时在全国范围开展了系统的土壤元素背景值调查工作，获取了中国41个土类61种元素(包括重金属元素)的背景值[5]。但是，该项工作受时间、经费等限制，在湖北省仅采集了92个点的土壤样品，相对于全省18.59万km2的国土面积来说，取样点数量偏少、代表性不够。湖北省境内地形地貌多样，成土母岩历经的地质演化过程十分复杂，导致省内土壤元素背景值差别较大。近年来在开展湖北省土壤地球化学调查研究时，往往以全国土壤元素背景值为依据进行环境质量评价，显然会存在“以偏概全”等诸多问题。因此，早期确定的湖北省土壤重金属元素背景值已经满足不了当前全省土壤地球化学调查研究、自然资源管理、生态环境保护修复等工作的需要。

鄂西山区由于地质高背景的影响，表层土壤(0～20 cm)中重金属元素含量较高，与全国土壤重金属元素背景值存在较大差异，在全省具有其独特性。在进行土壤环境质量评价时，以区域土壤重金属元素背景值作为依据更为合理[6-7]。然而目前尚无系统全面的土壤重金属元素背景值资料，因此亟需解决这个问题。本研究以2014—2016年完成的《湖北省长阳—恩施地区1∶25万多目标地球化学调查》项目成果数据为基础，对该区中高山地区表层土壤样品的8种重金属元素(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn)进行统计分析，提出鄂西山区表层土壤重金属元素含量的推荐背景值，为相关生产和科研工作提供更准确可靠的基础资料。

1 研究区概况

研究区位于湖北省西南部，行政区划隶属恩施土家族苗族自治州和宜昌市管辖，包括巴东、建始、恩施、利川、宣恩、咸丰、来凤、秭归等8个县(市)(图1)。地理坐标为东经108°23′12″～111°37′53″，北纬29°07′10″～30°58′58″，面积1.71万km2。区内地貌以碳酸盐岩组成的高原型山地为主体，兼有碳酸盐岩组成的低山峡谷与溶蚀盆地、砂岩组成的低中山宽谷与山间红色盆地。区内地形复杂，平均海拔1 000 m，海拔最高点为巴

图1 研究区范围及表层土壤组合分析样分布图Fig.1 Distribution map of study area and analysis sample of surface soil combination

东县靠近神农架主峰的大窝坑(3 032 m)，海拔最低点为巴东县长江边的红庙岭(66.8 m)。区内总体为中高山地貌景观，地形陡峻、植被茂密、水系发育、雨量充沛、气侯温润。

研究区处于扬子准地台北缘，地跨上扬子台坪、四川台拗两个二级构造单元，发育一系列具多期次活动特征的NE-NNE、EW-NEE向褶皱带和断裂带。区内地层属华南地层大区扬子地层分区，从老到新出露中元古代、新元古代、古生代、中生代及新生代地层。区内最老地层为走马坪背斜核部小面积出露的中元古界冷家溪群浅变质岩，岩性主要为板岩、千枚岩等，构成前震旦系基底；盖层以震旦系—中三叠统海相碳酸盐岩为主，夹碎屑岩；上三叠统—第四系为陆相沉积，零星分布。区内矿产资源丰富，中南华统牛蹄塘组中发育沉积型锰矿，上震旦统灯影组、上寒武统—下奥陶统娄山关组、下奥陶统南津关组是铅锌矿赋矿层位，下寒武统牛蹄塘组、下二叠统孤峰组中赋存有硒、钒、钼等矿产，上泥盆统写经寺组与黄家磴组中发育沉积型铁矿，下二叠统梁山组和上二叠统龙潭组中分布有硫铁矿和煤矿。

区内主要土壤类型有红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、山地草甸土、山地沼泽土、紫色土、石灰(岩)土、潮土、水稻土等11个土类，其中黄棕壤是区内分布最广的土壤类型，占全区总面积的56.19%；其次为黄壤和棕壤。区内现状用地主要为林地、旱地、园地、草地、水田及农村居民点等。

2 研究方法

2.1 样品采集与测试

根据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[8]要求，采用网格法布设表层土壤采样点，采样单元格为1 km×1 km，采样密度为1样/km2。在每个单元格采用多点混合法采集表层0～20 cm深度的土壤，共采集17 100件样品，每样原始重量>1 000 g。然后将2 km×2 km采样大格内的4件样品进行等重量缩分、组合，形成一个组合分析样，就此获得4 275件土壤组合分析样。所有组合分析样均匀分布于巴东、建始、恩施、利川、宣恩、咸丰、来凤、秭归等8个县(市)(图1)。

土壤组合分析样交由湖北省地质实验测试中心(原国土资源部武汉综合岩矿测试中心)分析检测，测试过程及结果均受中国地质调查局质量检查组的监控和验收。分析项目包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn 8种元素，分析方法为：As、Hg采用气体发生—原子荧光光谱法(AFS)，Cd、Cu、Pb、Zn采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，Cr采用X射线荧光光谱法(XRF)，Ni采用电感耦合等离子体全谱直读光谱法(ICP-OES)。分析过程中，准确度采用国家一级标准物质进行控制，一级标准物质总体合格率为100%，分别统计的各元素合格率均为100%；精密度采用4个兼顾大部分元素高中低含量的土壤一级标准物质进行监控，监控样所有元素的准确度和精密度均在允许限内，各元素合格率均为100%。

2.2 数据处理

3 结果与讨论

土壤元素背景值反映的是在不受污染或基本不受污染的情况下，土壤中原来固有的元素含量水平。但人类活动的影响已无处不在，因此研究获得的土壤元素背景值既包括自然背景部分，也可能包括少量外源污染物。本文以土壤地球化学调查资料为依据，求取一定区域范围内表层土壤的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn等8种元素的地球化学背景值，即得到土壤重金属元素背景值。土壤重金属元素背景值是一个表征元素含量集中分布趋势的特征值，而不是一个具体的数值[1,4]。土壤元素背景值应根据数据分布特征采用不同的方法来求取，在含量分布特征符合正态分布的情况下，一般用算术均值表示元素背景值；在含量分布特征符合对数正态分布的情况下，一般用几何均值表示元素背景值[1]。从图2可看出，鄂西山区表层土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均符合正态分布特征，可以保证统计分析结果更加贴近客观实际。

表1 各重金属元素基本统计参数Table 1 Basic statistical parameters of heavy metal elements

以多次迭代剔除均值为标准，对比其他几种统计均值的相对偏差(表1)，发现As、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn的相对偏差具有相似的分布特征(图3)，相对偏差均较小，介于-5.3%～3.0%之间；但Cd的相对偏差较大(-13.0%～15.2%)，几何均值高于多次迭代剔除均值，而中位数和算数均值低于多次迭代剔除均值，与其具有8种重金属元素中最大的变异系数相一致。因此，用多次迭代剔除均值能较好地反映鄂西山区表层土壤中重金属元素的含量集中趋势，但Cd在空间分布上呈现较强的差异性。因此推荐鄂西山区表层土壤重金属元素背景值如下：As为13.2 mg/kg，Cd为0.46 mg/kg，Cr为86 mg/kg，Cu为32 mg/kg，Hg为0.110 mg/kg，Ni为38 mg/kg，Pb为34 mg/kg，Zn为99 mg/kg。

本文将提出的鄂西山区表层土壤重金属元素背景值与国家土壤环境质量标准[9]、湖北省土壤环境背景值[3]、湖北省江汉流域土壤背景值[10]进行对比(表2，图4)。毫无疑问，鄂西山区居于江汉平原上游，两地区的土壤在物质组成上联系紧密，鄂西山区的土壤由原地母质层风化形成，江汉平原的土壤则是由源区母质物质历经冲刷、搬运、沉积而形成的，源区包括鄂西山区。由表2可以看出，两地区的土壤成分既有相似性，又表现出明显差异，鄂西山区的母质风化土壤比江汉平原冲积土壤更加富集As、Cd、Hg、Pb。对比1990年公布的湖北省土壤环境背景值[3]，本次提出的鄂西山区表层土壤As、Cr、Cu、Ni的背景值与其差异不大，Cd的背景值提高2.67倍，Hg、Pb、Zn的背景值提高18.6%～37.4%(表2)。总体上看，湖北省土壤环境背景值在一定程度上能用于评价鄂西山区表层土壤环境水平，但Cd背景值明显偏低，不适用于鄂西山区。显然，鄂西山区表层土壤的高镉背景值被省内其他区域大量的低含量数据稀释弱化了，造成湖北省土壤环境背景值中的Cd背景值偏低。同样，对比国家土壤环境质量标准[9]亦有相似的现象。

图2 各重金属元素含量频数分布直方图Fig.2 Frequency distribution histogram of heavy metal elements

图3 各重金属元素不同均值与多次迭代剔除均值的相对偏差对比图Fig.3 Comparison diagram of relative deviation between different mean values and multiple iterative elimination mean values of heavy metal elements

图4 各区域土壤重金属元素背景值对比图Fig.4 Comparison diagram of background values of soil heavy metal elements in different regions

表2 各区域土壤重金属元素背景值对比表Table 2 Comparison table of background values of soil heavy metal elements in different regions

本次研究结果与近年来恩施州八个县(市)开展的土地质量地球化学评价工作得出的结论相一致，即鄂西山区表层土壤中的Cd表现出明显的高背景值。大量研究表明，鄂西新元古代、古生代地层中广泛发育富镉的黑色岩系(含炭质泥岩、含炭质硅质岩)、煤系、碳酸盐岩和铅锌矿化[11-15]，富镉母质是鄂西山区表层土壤中Cd的最主要来源。

土壤重金属元素背景值是制订土壤环境质量标准的重要依据[16]，是确定土壤重金属的来源及制订管理对策的基础，因此系统而准确的背景值研究工作十分必要。由于不同地区的母质成因、化学作用、物理作用和生物作用存在明显差异，导致不同地区的土壤具有独特的地球化学元素分布特征，全国统一的土壤环境质量标准难以满足各地土壤环境质量评价工作及科学研究的需要，因此各地应建立其专门的土壤元素背景值。本次研究提出的鄂西山区表层土壤重金属元素背景值具有重要意义，将为该地区因地制宜地制订土壤环境质量标准提供更科学、更准确的数据。

4 结论与建议

(1) 基于1∶25万多目标地球化学调查工作，提出了鄂西山区表层土壤(0～20 cm)重金属元素的背景值，As的推荐背景值为13.2 mg/kg，Cd为0.46 mg/kg，Cr为86 mg/kg，Cu为32 mg/kg，Ni为38 mg/kg，Hg为0.110 mg/kg，Pb为34 mg/kg，Zn为99 mg/kg。

(2) 本次研究的土壤样品采自鄂西长阳—恩施地区1.71万km2的中高山区，严格按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)要求布设样点和采样,样品密度为1点/km2，然后按2 km×2 km的采样大格组合为4 275件组合分析样，样品空间分布均匀且数量大；样品覆盖了鄂西各种不同土壤类型、土壤母质及土地利用类型，具有代表性；样品送检实验室可靠，分析精度高。基于上述原因，本次研究获得的结果可以准确地反映鄂西山区表层土壤(0～20 cm)的重金属元素背景值特征。

(3) 与1990年发布的湖北省土壤环境背景值相比，本次提出的鄂西山区表层土壤的As、Cr、Cu、Ni背景值与其差异不大，Cd背景值提高2.67倍，Hg、Pb、Zn背景值提高18.6%～37.4%，研究成果可为鄂西山区土壤环境质量评价和土地科学管理提供新的基础数据。

(4) 建议鄂西地区以本次提出的表层土壤重金属元素背景值为基础，制订土壤环境质量的地方标准，为土壤环境质量评价、土壤污染防治等工作提供更科学的依据。