云南省宣威市农耕区土壤重金属元素分布影响因素及生态风险评价

秦元礼,张富贵,彭 敏,张 利,唐瑞玲,成杭新

(1.平邑县自然资源和规划局，山东临沂 273300；2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000)

0 引言

重金属是指密度大于4.5 g/cm3的金属，土壤污染方面所指的重金属通常是指生物毒性较大的镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)和具有类似毒性的类金属砷(As)。近几十年来，随着我国经济社会的快速发展和城市化程度的显著提高，土壤重金属污染带来的生态环境风险和农产品重金属超标问题已成为当下社会关注的热点(Parr et al,1992; 龚子同等,1998; 赵其国,2008; Zhu et al,2017)，引起学术界和政府的广泛关注(Huang et al.,2018; Kowalska et al.,2016; Shi et al.,2018)。

《中国耕地地球化学报告(2015)》显示(中国地质调查局，2015)，我国西南农耕区土壤重金属污染严重，污染面积达219.5万公顷，严重威胁当地农产品和生态环境安全。中国地球化学图集和1∶20万水系沉积物、1∶25万土壤地球化学调查结果表明，我国西南岩溶区是重金属的地质高背景分布区(谢学锦等，2012；成杭新等，2019)，其中的Cd元素异常富集区面积高达2000万公顷。

已有文献资料表明，西南岩溶区土壤重金属的高背景主要是由于区内广泛分布的碳酸盐岩、峨眉山玄武岩等成土母岩风化成土造成的，其实质是母岩在风化成土过程中，原生矿物的分解和次生矿物的富集导致的，具体表现为：随着岩溶的发育，可溶性元素在表生作用下从原岩中风化、剥蚀、淋滤、迁移，剩下的Cd、Cr、Ni等难溶或不溶物质原地残积，被粘土或者铁锰结核等吸附富集，在地形坡度和河流的搬运用下，在下游沉积形成冲洪积、残坡积土壤，造成土壤重金属累积(Goldhaber et al.,2009; Chen et al,2015; 成杭新等，2019)。

目前关于西南地区重金属污染的研究主要集中在土地质量评价、重金属污染来源解析、重金属形态及影响因素的研究(胡省英等，2003; 杨忠芳等，2008；蔡深文等，2018; 张家春等，2019; 张富贵等，2020; 秦元礼等，2020; 肖高强等，2021)，鲜有关于驱动土壤重金属富集因子的研究。本文以长江上游的云南省宣威市农垦区作为研究区，通过研究土壤重金属元素地球化学特征，分析驱动土壤重金属元素分布、富集的影响因素，并对研究区内8种重金属元素潜在生态风险进行评价，以期为西南地区土壤重金属污染防治和长江中上游重金属污染治理提供参考支撑。

1 研究区概况

研究区位于云南省宣威市板桥镇(图1)，面积约90 km2，属低纬度高原季风气候，多年平均气温13.4 ℃，平均日照2018.5 h，平均降雨量974.6 mm。区内地势起伏悬殊，平均海拔2147 m。研究区位于扬子板块西南缘，区内地质构造运动强烈，褶皱断层发育明显，出露地层有上泥盆统宰格组，下二叠统栖霞组、梁山组，下石炭统大塘组、岩关组、摆佐组，以及第四系沉积物，岩性以深灰和灰色灰岩为主，局部出露有碎屑岩和砂页岩(马海欧等，2018)。

图1 云南省宣威市表层土壤采样点位和地质简图

2 样品采集分析与评价方法

2.1 样品采集与测试分析

以《DZ/T0295-2016土地质量地球化学评价规范》和《多目标区域地球化学调查规范》(1∶25万)为指导，采用地理格网和全国第二次土地调查图斑相结合的样点布设方案，在研究区内共采集表土样品787个(图1)，样品采样深度为0～20 cm。

样品分析测试由湖北省地质实验测试中心完成，As和Hg采用原子荧光光谱法(AFS)测定，Cd采用等离子体质谱法(ICP-MS)测定，Cr、Cu、Ni、Pb、Zn采用X-射线荧光光谱(XRF)测定。pH采用电极法(ISE)测定，土壤有机质(SOM)含量采用外加热重铬酸钾容量法测定，土壤全氮(TN)采用凯氏定氮法、土壤全磷(TP)采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法、土壤全钾(TK)采用氢氧化钠熔融-火焰光度法。采用《DZ/T0295-2016土地质量地球化学评价规范》中规定的监控方案控制分析质量，分析测试数据通过中国地质调查局质量监控中心验收。

2.2 重金属污染评价方法

富集指数(EF)能够表示元素在沉积物中相对成土母质的富集程度，能够定量反映人为因素对重金属富集的影响，常用来评估重金属元素的污染水平(Buat-Menard and Chesselet,1979)，其计算式如下:

(1)

潜在生态风险指数(RI)是从多元素协同作用的角度，综合考虑土壤或沉积物中重金属元素的含量水平、毒性水平及其环境敏感性，来对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法(Hakanson,1980; 徐争启等，2008)。其计算公式为(2)和式(3)：

(2)

(3)

表1 土壤重金属元素环境质量等级Table 1 The level of soil heavy metals environmental quality

3 结果与讨论

3.1 表层土壤地球化学特征

3.1.1 土壤重金属含量特征

表层土壤重金属元素正态分布检验结果显示：表层土壤样品中元素含量服从或近似服从对数正态分布，各项指标统计结果见表2。

表2 表层土壤重金属元素和肥力元素含量统计Table 2 Statistics of heavy metals and fertility elements content in topsoil samples

研究区内As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均值分别为29.6×10-6、1.19×10-6、139.5×10-6、96.7×10-6、0.081×10-6、57.0×10-6、46.7×10-6、130.1×10-6，分别是云南省A层土壤背景值1.61、5.46、2.14、2.22、1.40、1.34、1.15、1.45倍，明显超过其背景值，出现不同的富集特征。研究区内土壤重金属元素的空间变异以中高度为主，其中Ni、Pb、Zn变异系数介于15%～35%之间，属中度变异；As、Cd、Cr、Cu、Hg的变异系数大于35%，呈高度变异。

3.1.2 肥力元素与土壤理化性质

研究区内TN含量变化范围为(0.22～3.49)×10-3，平均含量为1.62×10-3，是全国A层土壤背景值的1.56倍，变异系数为27.05%，呈中度变异；TP含量范围为(0.14～3.10)×10-3，平均含量为1.07×10-3，是中国土壤A层背景值的1.14倍，TP变异系数居中，为45.33%，呈高度变异；TK含量平均值为12.18×10-3，含量在(1.98～37.23)×10-3之间，是中国土壤A层背景值的5.06倍，变异系数61.22%，为高度变异。研究区内SOM较为丰富，含量范围为(3.73～85.00)×10-3，平均含量为33.80×10-3，是土壤A层背景值的8.69倍，变异系数31.35%，为中度变异。研究区内pH变化范围为4.26～8.30，中值为5.38，有89.71%的采样点位处于酸性、弱酸性环境。

3.2 表层土壤污染评价

3.2.1 富集系数

8种重金属元素平均富集指数大小顺序依次为(图2)：Cd(3.72)>Cr(1.48)>As(1.25)>Cu(1.16)>Zn(0.959)>Hg(0.955)>Ni(0.90)>Pb(0.84)，指示研究区内土壤中Cd呈重度污染，As、Cr、Cu存在轻微污染，Hg、Ni、Pb、Zn整体无污染。对8种重金属元素采样点位富集系数统计结果显示，土壤Cd污染严重，其中有18.04%样品重度污染，67.60%样品中度污染，12.45%样品轻微污染，仅1.91%的样品无污染；表层土壤中As无污染、轻微污染、中度污染比例依次为36.59%、48.41%、14.87%；土壤Cr样品无污染、轻微污染、中度污染比例依次为21.22%、59.09%、19.70%；其它重金属元素污染水平为无污染或轻微污染。可见研究区内重金属污染以Cd污染为主。

图2 表层土壤重金属元素富集系数(EF)

3.2.2 潜在生态风险

潜在生态风险指数(RI)统计结果显示，区内轻微生态风险、中等生态风险、强生态风险和很强生态风险等级的样品数分别占样品总数的3.81%、55.27%、37.74%、3.18%。8种重金属对RI贡献大小依次为：Cd>Hg>As>Cu>Pb> Ni>Cr>Zn，贡献率分别为73.50%、14.00%、3.83%、3.31%、1.91%、1.84%、1.18%和0.43%，也进一步说明研究区土壤中的Cd对生态风险贡献较大。

3.3 土壤重金属富集影响因素

3.3.1 成土母质对重金属富集的影响

地层分布和成土母岩的地球化学组成直接反映不同地质时期岩石形成的环境以及物质来源，关系着土壤发育程度,影响土壤中重金属含量(Cheng et al.,2014; 李元和祖艳群,2016)。本文通过统计不同母质层上覆土壤重金属含量差异(见表3)，探讨成土母质对重金属元素富集的影响。

表3 不同地层土壤重金属含量特征Table 3 Concentrations of soil heavy metals in strata in agricultural areas of Xuanwei City

在下二叠统栖霞组、下石炭统摆佐组、岩关组等碳酸盐岩出露的地层中，受成土母质灰岩的影响，重金属含量高于其他地层，特别是在栖霞组主要以灰岩出露的地层中，8种重金属含量均高于云南省背景值和研究区内平均值，出现显著的重金属次生富集现象，这可能是由于碳酸盐岩成土过程中，难溶性物质如铁锰氧化物和黏土矿物残留在原地，随着成土过程的进行，重金属不断被其吸附造成积累(Xia et al.,2020)。而在下二叠统梁山组以砂页岩(夹少量灰岩)为成土母质的土壤中，Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素含量低于云南省背景值，As、Cd、Cr低于研究区平均值，重金属出现贫化现象，这与林小兵等(2021)对砂页岩风化发育的土壤重金属富集结果一致，说明页岩发育成土过程中，重金属元素不易富集。在以碎屑岩为母质的中上石炭统并层和下石炭统大塘组地层，出现As、Cd、Cr、Hg富集现象，与Cabral et al.(2017)的研究结果相一致，说明碎屑岩是研究区As、Cd、Cr、Hg富集的来源之一。

3.3.2 地形因子对重金属分布的影响

地形因子不仅可以通过地势落差影响成土过程中物质剥蚀、迁移、沉积过程，进而影响重金属元素的分布模式(李璇琼等，2016; 熊佳等，2020)，其本身与西南山地景观区出露的基岩也密切相关。因此，西南地区土壤重金属元素的富集规律和驱动因素常与高程、坡度、坡向等因素密切相关(沈洪艳等，2021)。土壤重金属含量随高程变化的协同分析图显示(图3)，8种重金属元素含量出现了不同的累积模式。Cd、Cr、Cu、Ni、Zn含量随高程的下降而升高，在2100 m以下地区与2250 m以上相比，含量增幅为52%、43%、232%、39%、11%，As和Pb元素则与之相反，在高海拔区域含量明显高于低海拔地区。

图3 土壤重金属元素含量随高程变化图Fig.3 Plots of heavy metals concentrations vs. elevation

3.3.3 肥力元素和土壤理化性质对重金属分布的影响

元素的地球化学行为取决于元素的地球化学性质及其所处环境状况。已有研究表明，特定地理景观区内影响元素表生地球化学行为的主要因素有元素的地球化学性质、土壤有机质、pH、粘土矿物等(成杭新等，2019)。偏相关分析方法能够控制其他变量的线性影响下，将第三个无关元素的影响剔除，来分析另外两个元素之间的相关程度，从而定性分析某一元素对重金属元素分布的影响(周旭丹等，2015)。本文采用偏相关方法控制其他变量的线性影响，来分析土壤重金属元素的驱动因素(表4)。

表4 土壤重金属与pH、SOM、TN、TP、TK偏相关分析Table 4 Partial correlation analysis of 8 heavy metals elements and pH,SOM,TN,TP,TK in soil of agricultural areas of Xuanwei City

8种重金属元素与pH、TN、TP、TK、SOM偏相关分析结果显示，当控制pH、SOM、TN、TP时，As和Pb与TK的相关性在0.5以上(仅控制TP时，As-TK相关性为0.426)，而当控制TK时，As和Pb与pH、TN、TP、SOM之间无明显相关关系，说明TK是影响As、Pb元素分布的重要因素，与刘平等(2008)对土壤中钾肥影响重金属吸附的实验结果一致。Cd在偏相关分析中与TN和SOM存在较强的偏相关关系，当控制TN时，Cd与SOM的偏相关系数(0.311)明显大于控制SOM时Cd与TN的偏相关系数(-0.043)，说明SOM对重金属Cd的影响大于TN。Cu和Zn偏相关分析表明，Cu和Zn与pH、TN、SOM之间相关性较弱，与TP、TK相关性较强，当控制TP时，Cu和Zn与TK之间存在弱相关，而当控制TK时，Cu和Zn与TP有强偏相关关系，说明TP含量是影响Cu和Zn含量的重要因素。Cr、Hg、Ni元素与pH、TN、TP、TK、SOM等因素偏相关性较弱，其驱动因子可能受其他因素的影响。

续表4

4 结论

(1)研究区内重金属污染程度和潜在生态风险指数都较高，尤其以Cd污染最为严重，达到中等污染水平，是造成潜在生态风险指数高的主要原因。

(2)成土母岩是驱动土壤重金属富集的主要原因，其对土壤重金属富集的贡献由大到小顺序为：碳酸盐岩>碎屑岩>页岩(砂页岩)。

(3)我国西南山地景观区海拔高程是重金属分布模式的重要影响因素，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn与海拔高程呈负相关关系，As、Pb富集程度与海拔高程呈正相关关系。

(4)TK是影响As、Pb元素分布的重要因素，SOM和TN是驱动Cd地球化学行为主要因素，TP是影响Cu和Zn含量的主要元素，Cr、Hg、Ni元素受肥力元素和土壤理化性质影响较小，其驱动因子可能受其他因素控制。