恩施東部典型山區(qū)土壤重金屬元素來源分析

周小娟, 萬 翔, 萬 能, 曾明中

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

恩施東部典型山區(qū)土壤重金屬元素來源分析

周小娟, 萬 翔, 萬 能, 曾明中

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

以恩施東部典型山區(qū)野三關(guān)地區(qū)土壤為對象,通過因子分析提取了7個主因子,對研究區(qū)土壤3 086件樣品中的8個重金屬元素Cd、As、Cu、Zn、Hg、Pb、Ni、Cr的來源進行了分析。結(jié)果表明重金屬Cd、Cr、Zn、Ni主要來源于自然成因的二疊系黑色巖系風化母質(zhì);Cu的來源除二疊系母質(zhì)有所貢獻外,也部分來自于其它母質(zhì)區(qū);Hg來源除了二疊系母質(zhì)外,也存在寒武—奧陶系層間礦化活動中以及碳酸鹽系的貢獻;As、Pb來源于鉛鋅的綜合異常區(qū)。多數(shù)重金屬元素的分布趨勢與地質(zhì)背景和表生環(huán)境下元素的風化、遷移等活動有關(guān)?？傮w說來,野三關(guān)地區(qū)的土壤重金屬元素主要來源于成土母質(zhì)。

土壤;重金屬;來源;因子分析

地球上所有的土壤中都賦存著一定含量的重金屬元素,土壤中的重金屬會對人類、水源、動植物產(chǎn)生影響。土壤中重金屬元素主要包括汞、鎘、鉛、鉻及類金屬元素砷等生物毒性顯著的元素,以及有一定毒性的鋅、銅、鎳等[1]。重金屬污染物在土壤中移動性很小,不易隨水淋濾,不被微生物降解[2-3],所以土壤一旦被重金屬污染,其危害性將是長遠的。

恩施是世界第一高硒地區(qū)[4],恩施野三關(guān)地區(qū)富硒土壤(土壤中硒含量為0.4 mg/kg以上)面積達193.7 km2,占研究區(qū)總面積的36.5%。隨著現(xiàn)代生活水平的提高人們在選擇優(yōu)質(zhì)富硒農(nóng)產(chǎn)品的同時,更加注重農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,而土壤中重金屬是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量最重要的因素之一。因此,對本地區(qū)富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)的同時,對該地區(qū)土壤重金屬元素分布及來源的分析顯得尤為重要?，F(xiàn)行元素來源研究的方法主要有元素形態(tài)分析法[5-6]、剖面分析法[7]、空間分布分析法[8]、富集因子分析法[9]等。近年來多元統(tǒng)計分析方法(特別是主成分分析法)被廣泛應用于土壤重金屬來源研究[10-11],該方法與前述方法的綜合運用,可以有效揭示土壤重金屬的主要來源[12]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)轄區(qū),巴東縣地處湖北省西南部,長江中上游兩岸,恩施土家族苗族自治州的東北部,隸屬恩施土家族苗族自治州。野三關(guān)鎮(zhèn)位于巴東縣的東部,其北臨三峽,南瀕清江,318國道東西橫貫全境,鎮(zhèn)區(qū)正好位于318國道經(jīng)濟帶、巴鶴公路經(jīng)濟帶和榔水公路經(jīng)濟帶的金三角地區(qū),有著獨特的地理優(yōu)勢。

在地質(zhì)背景上,研究區(qū)屬于揚子地層區(qū),以沉積巖為主,區(qū)內(nèi)地層出露較為齊全,從寒武系覃家廟組—第四系中更新統(tǒng)的沉積層均有不同程度的發(fā)育。露頭分布上,寒武系—奧陶系主要出露于北部,志留系—石炭系廣泛發(fā)育于北部及東南部,二疊系—三疊系大套出露于研究區(qū)中部(圖1)。地貌類型以碳酸鹽巖組成的高原型山地為主體,兼低山峽谷與溶蝕盆地。區(qū)內(nèi)黃棕壤(46.8%)、石灰土(26.3%)、棕壤(12.2%)占大部分面積,兼有少量紅壤、紫色土、黃壤、暗棕壤、水稻土、潮土、沼澤土。該區(qū)土地利用垂直差異顯著,土地利用類型復雜多樣,土地利用水平較低。其中林地面積最大,占比63.2%,其次旱地占比21.2%,余之為灌木林地。

2 樣品采集、處理與分析

2.1 樣品采集

本次調(diào)查共采集了3 086件表層土壤樣品,覆蓋了整個研究區(qū),大田采集耕層土壤,采樣深度為0～20 cm,種植果林類農(nóng)作物的土壤,采集深度為0～60 cm,四分法留取1.0～1.5 kg裝入樣品袋。樣品袋一般為干凈的棉布袋,如樣品潮濕需內(nèi)襯塑料袋。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景圖

Fig.1 Geological background map of study area

1.第四系中更新統(tǒng);2.第四系下更新統(tǒng);3.嘉陵江組;4.大冶組;5.龍?zhí)督M、下窯組、大隆組并層;6.棲霞組、茅口組、孤峰組并層;7.梁山組;8.大埔組、黃龍組并層；9.金陵組、高驪山組并層;10.云臺觀組、黃家磴組、寫經(jīng)寺組并層;11.云臺觀組、黃家磴組并層;12.紗帽組;13.羅惹坪組;14.新灘組;15.龍馬溪組;16.寶塔組;17.南津關(guān)組、紅花園組、大灣組、牯牛潭組并層;18.婁山關(guān)組;19.覃家廟組;20.水系;21.實測地質(zhì)界線;22.實測正斷層;23.實測逆斷層;24.實測平推斷層;25.實測性質(zhì)不明斷層;26.層理產(chǎn)狀;27.倒轉(zhuǎn)巖層產(chǎn)狀。

2.2 樣品處理與分析

土壤表層樣品風干后,研磨過20目篩,混勻后縮分取土壤試樣200 g,取其中30 g樣品裝袋用作pH分析,另取80 g左右樣品用無污染的行星球磨機粉碎至-200目粒度,剩余試樣留作粗副樣裝原袋保存,潮濕的樣品在加工前于45 ℃以下的烘箱中烘干后再用行星球磨機粉碎。從加工后的試樣中分取30 g試樣裝玻璃瓶于45 ℃烘箱中,烘2 h后送原子熒光組做As、Hg、Se等元素的取樣分析,剩余試樣裝玻璃瓶經(jīng)105 ℃烘2 h用作其它流程元素的取樣分析。樣品由湖北省地質(zhì)實驗測試中心測定pH、Se、I、F、Cd、Pb、Hg、As、Cr、Cu、Zn、N、P、Corg、S、Cl、B、Mo、Mn、Co、Ni、Sr、Ge、K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、SiO2、Al2O3共30項元素或指標,各元素分析方法如表1所示。方法的準確度、精密度和檢出限均滿足中國地質(zhì)調(diào)查局《1∶50 000土地質(zhì)量地球化學評價技術(shù)要求》(試行)。

表1 土壤樣品分析方法配套方案

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬分布特征

3.1.1 土壤重金屬總體分布特征

研究區(qū)表層土壤樣品中各重金屬元素地球化學基本特征值見表2。由表2可知,重金屬元素總體含量的最明顯的特點是元素區(qū)域分布上的極度不均勻性,同一種元素在不同的樣品中其含量差異十分明顯,含量極差很大。含量極差最大的元素為Cd,達395.4,Hg達318.3,最小的是Pb,也有11.14。按照變異系數(shù)劃分元素分布的區(qū)域類型,元素Cd、Hg屬極強分異型(CV>100%),屬強分異類型(75%

3.1.2 不同母質(zhì)單元中重金屬的分布

表2 土壤重金屬元素特征值表

(1) 重金屬元素含量特征。將研究區(qū)樣品按不同母質(zhì)單元統(tǒng)計其平均值列于表3,表中顯示出土壤重金屬分布與成土母質(zhì)的地質(zhì)屬性關(guān)系密切,其中As與Pb在寒武系和奧陶系母質(zhì)區(qū)內(nèi)平均含量最高,Cd、Ni、Cr、Zn、Hg在二疊系母質(zhì)區(qū)中含量高于其它母質(zhì)。而Cu在寒武系、奧陶系、二疊系、三疊系中偏高,在志留系、泥盆系和石炭系中含量稍低。

表3 不同母質(zhì)單元表層土壤平均值表

(2) 重金屬元素富集組合特征。為了考察不同母質(zhì)單元對重金屬元素分布的綜合控制,以此次土壤區(qū)域背景值為基礎,將各地質(zhì)單元重金屬元素的均值與背景值的比值作為富集系數(shù)(K),將K值按0.6、0.85、0.95、1.05、1.15、1.4間隔作富集程度分級劃分,所得結(jié)果見表4,總體分布特點如下:

① 寒武系和奧陶系母質(zhì)土壤中,Pb、Hg屬富集型,特別是As屬強富集,富集系數(shù)分別達2.12和1.85。Cu、Zn、Ni在奧陶系中也相對富集,而Cd在這兩種地層中卻屬相對貧乏和貧乏。

② 志留系和泥盆系母質(zhì)土壤,總體上多種重金屬元素都較為貧乏或適量,僅泥盆系中Hg相對富集。

③ 石炭系和二疊系土壤都以富集Cd和Hg為特征,尤其是二疊系Cd為強富集型,富集系數(shù)達2.93,同時該地層中Ni、Cr也表現(xiàn)為富集,Zn相對富集。

④ 三疊系中As、Cu、Cd、Hg相對富集,其它元素以適中為主。

總之,寒武系和奧陶系同時富集了重金屬Pb、Hg、As元素;石炭系和二疊系中Cd、Hg表現(xiàn)為強富集,二疊系還存在Ni、Cr、Zn的富集或相對富集。

3.2 土壤中重金屬物質(zhì)來源的數(shù)學分析

表4 各母質(zhì)單元土壤富集度組合特征表

所謂土壤中重金屬來源,實質(zhì)上乃是表達土壤體系與原始母巖在重金屬分布上的依存關(guān)系。此處采用數(shù)學分析方法,一是重金屬間的相關(guān)統(tǒng)計,以研究重金屬相互之間的關(guān)聯(lián)度;二是因子分析,以研究不同母質(zhì)背景下的重金屬分布性狀以及該背景對土壤重金屬分布所作的貢獻。

3.2.1 相關(guān)統(tǒng)計

表5 變量相關(guān)矩陣

對全區(qū)土壤8個重金屬原始數(shù)據(jù)作相關(guān)統(tǒng)計,列出相關(guān)系數(shù)矩陣于表5。由該表可見,區(qū)內(nèi)8個重金屬元素有些是緊密相關(guān)的,相關(guān)系數(shù)在0.6以上;有些處于中等相關(guān)程度,相關(guān)系數(shù)在0.4～0.6區(qū)間;而有些屬于弱相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.2～0.4區(qū)間,對那些相關(guān)系數(shù)<0.2的,則屬于不相關(guān)。如果用這個原則評定區(qū)內(nèi)重金屬相互聯(lián)系程度以及考察其對內(nèi)在母質(zhì)環(huán)境的指示,能夠發(fā)現(xiàn)一些明顯的結(jié)論,表現(xiàn)如下:

(1) Cd、Cr、Ni、Zn緊密相關(guān),反映出在相應母質(zhì)端元中具有緊密共生特性,而與表5對比,可看出本相關(guān)組合是二疊系富集端元與志留系、泥盆系貧乏端元的基本反映。而在本相關(guān)體系中,顯示有Cd與Cu、Hg,Cr與Cu、Hg,Ni與Cu、Hg的中—弱相關(guān)程度,則反映Cu、Hg的分布與二疊系體系有著關(guān)聯(lián),但專屬性不強,它們在其他母質(zhì)體系中亦有著不同程度的富集。

(2) As、Pb的分布與Cd、Cr、Ni、Zn分布基本缺乏關(guān)聯(lián)性,而二者又難以形成緊密組合,呈弱相關(guān),結(jié)合前述它們在寒武系、奧陶系出現(xiàn)相應的富集組合,表象出的這種“富集”就全區(qū)而言在區(qū)域上也是有限度的。

3.2.2 因子分析

因子分析的基本目的就是用少數(shù)幾個因子去描述許多指標或因素之間的關(guān)聯(lián),即將相關(guān)比較密切的幾個變量歸在同一類中,每一類變量就成為一個因子,以較少的幾個因子反映原始資料的大部分信息。該方法已被廣泛地應用于國內(nèi)地球化學的土壤、沉積物和大氣沉降的元素來源的分析研究之中[11-15]。在地球化學研究中,往往將某一因子解釋為一種地質(zhì)因素,因此,可以方便地找出影響物質(zhì)來源的主要因素是哪些,以及它們的影響力。

此次采用軟件SPSS 19.0對研究區(qū)的3 086件土壤樣品30項元素和指標進行主成分因子分析,以判別物質(zhì)來源。因子矩陣經(jīng)最大正交旋轉(zhuǎn)后,提取了7個主因子,在旋轉(zhuǎn)前后總的累積方差貢獻均為68.845%,總的信息量沒有損失,其中KMO=0.760,Bartlett球度檢驗Sig=0.000<0.01,拒絕H0,認為相關(guān)系數(shù)矩陣不為單位陣,說明原變量間存在相關(guān)關(guān)系,適合做因子分析。旋轉(zhuǎn)之后,主因子1方差貢獻率為17.473%,主因子2為15.747%,主因子3～7方差貢獻率為5.155%～9.301%。各元素和指標的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見表6,再計算出土壤各采樣點因子得分,各因子得分圖如圖2-圖7所示。

初步分析認為,主因子1、主因子2和主因子7所表達的母質(zhì)環(huán)境應當是野三關(guān)地區(qū)土壤重金屬的主要來源。

主因子1:因子組合為K2O-TFe2O3-Al2O3-(-SiO2)-Co-Cu-Ge-Pb的正載荷和SiO2的負載荷。明顯表達為非黑色成土母質(zhì)(正載荷)的物源背景因素。從因子得分圖與地質(zhì)背景圖上分析(見圖2),F1主要分為兩大部分:正載荷區(qū)幾乎為除二疊系以外所有的母質(zhì)背景區(qū),從地質(zhì)意義上講,該地質(zhì)因素對除二疊系以外的常規(guī)母質(zhì)背景區(qū)都有著影響。而負載荷區(qū)則與二疊系母質(zhì)區(qū)相對應,這一特征可解釋為,二疊系母質(zhì)應是區(qū)內(nèi)相對獨立的地質(zhì)背景區(qū)。就重金屬來說,該因子軸有Cu、Pb的載荷,說明該因子是Cu、Pb富集的影響因素之一。

表6 表層土壤旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

主因子2(圖3),其因子載荷元素為Cr-Cd-Se-Mo-Zn-Ni-Cu-Hg,其中Cr、Cd、Se、Mo、Zn、Ni均有著較大的貢獻,成為該因子的主要成分,它的分布態(tài)勢和F1因子基本相反,其正載荷區(qū)出現(xiàn)在二疊系,主體是黑色巖系風化母質(zhì),該區(qū)域中以高Cd、高Se等為典型特征,在二疊系以外地層中,Cd、Cr、Zn、Ni、Hg含量相對較低,表明研究區(qū)這些重金屬的主要來源是二疊系母質(zhì)層。

主因子3(圖4)表達的是以N-P-S-Corg為組合的生物學富集因子,在研究區(qū)各處均有分布,總體上在北部高值面積較南部多,北部林地較發(fā)達,林地植被落葉腐爛會產(chǎn)生大量N、P、S、Corg等元素,F3因子代表了成壤作用的結(jié)果,也代表了人類農(nóng)業(yè)活動,但本地區(qū)主要以林地為主,旱地較少,因此施肥帶來的外源重金屬污染并不明顯。Hg作為化肥中常見的成分,在該因子上的貢獻僅為0.105,Cd為0.119。同時Hg作為交通、工業(yè)燃煤排放等有關(guān)的主要重金屬元素,其在所有主因子上的貢獻都不大,這與山區(qū)大氣環(huán)境較清潔的情況相一致。雖然野三關(guān)鎮(zhèn)上有小型燃煤加工廠,但并沒有對環(huán)境造成大的破壞。通過F3因子的分析可知人類工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動對本地區(qū)沒有造成太大污染。

圖2 F1因子得分圖

Fig.2 Score chart of F1 factor

圖3 F2因子得分圖

Fig.3 Score chart of F2 factor

圖4 F3因子得分圖

Fig.4 Score chart of F3 factor

主因子4(圖5)是以MgO-F為組合特征,在分布上與F2有相似之處,只是其高值區(qū)較F2有所擴大,可能是鎂質(zhì)碳酸鹽母質(zhì)環(huán)境引起。F6因子沒有太大實際意義,它們均與重金屬來源關(guān)系不密切,在此不作詳細闡述。

圖5 F4因子得分圖

Fig.5 Score chart of F4 factor

主因子5(圖6)表達酸堿度環(huán)境,以CaO的含量表達了酸堿度的尺度。正堿負酸,因子得分分布圖是顯示中部和西部以中堿性土壤為主,北部和東南部大面積以酸性土壤為主。

主因子7(圖7)以As-Mn-Pb為主,推測是中低溫多金屬熱液礦化組合。該組合因子得分正高值區(qū)主要分布在兩個地區(qū):一個是正北部,另一個是東南角,均為寒武—奧陶系母質(zhì)區(qū)。根據(jù)恩施地區(qū)婁山關(guān)組、南津關(guān)組角礫白云巖中存在鉛、鋅礦化,因此認為區(qū)內(nèi)鉛鋅的綜合異常區(qū)具有尋找沉積型鉛鋅礦的潛力,而從土壤環(huán)境方面講,寒武—奧陶系賦存的層間鉛鋅礦化正是As、Pb的主要來源。

4 結(jié)論

通過對野三關(guān)地區(qū)土壤樣品分析數(shù)據(jù)的歸類整理、統(tǒng)計分析,基本獲得了區(qū)內(nèi)土壤中重金屬與母質(zhì)地層有緊密關(guān)聯(lián)的結(jié)論,即不同成土母質(zhì)影響著不同土壤重金屬的來源:

圖6 F5因子得分圖

Fig.6 Score Chart of F5 factor

圖7 F7因子得分圖

Fig.7 Score chart of F7 factor

(1) 土壤中重金屬Cd、Cr、Zn、Ni基本來源于二疊系黑色巖系母質(zhì),特別是Cd,其在相應的以二疊系黑色巖系為母質(zhì)的土壤區(qū)內(nèi)發(fā)生聚集。

(2) As、Pb主要來自于寒武—奧陶系中賦存的鉛鋅礦化,次為三疊系碳酸鹽母質(zhì)區(qū),但一般含量不高。

(3) Cu的來源除二疊系母質(zhì)有所貢獻外,也部分來自于其它母質(zhì)區(qū)。

(4) Hg一部分來源于二疊系母質(zhì),也存在寒武—奧陶系層間礦化活動以及碳酸鹽系的高豐度的貢獻。

總體說來,野三關(guān)地區(qū)的土壤重金屬元素主要來源于成土母質(zhì),人為因素影響較小。

[1] 鄭喜坤,魯安懷,高翔,等.土壤中重金屬污染現(xiàn)狀及防治方法[J].土壤與環(huán)境,2002,11(1):79-84.

[2] 李永濤,吳啟堂.土壤重金屬污染治理措施綜述[J].熱帶亞熱帶土壤科學,1997,6(2):134-139.

[3] 李繼明,葉學春,張全智,等.農(nóng)產(chǎn)品的肥料污染與對策[J].河南農(nóng)業(yè)科學,2002(9):29-30.

[4] 劉培糠.硒資源及其綜合開發(fā)利用[M].北京:中國科學技術(shù)出版社,1993.

[5] 劉杰,鐘雪梅,梁延鵬,等.電鍍廢水污染水稻田土壤中重金屬的形態(tài)分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2006,25(2):398-401.

[6] Chen Wei,Qian Guangren,Lim Teik,et al.Speciation of heavy metals in surface sediments form Suzhou Creet [J].Journal of Shanghai University(English Edition),2007,11(4):425.

[7] Tyler G.Vertical distribution of major,minor,and rare elements in a Haplic Podzol[J].Geoderma,2004,119(3/4):277-290.

[8] Hamlett J M,D A Miller,R L Day,et al.Statewide GIS-based ranking of watersheds for agricultural pollution [J].Soil and Water Cons,1992,47(5):399-404.

[9] 姬亞芹,朱坦,白志鵬,等.天津市土壤風沙塵元素的分布特征和來源研究[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14(4):518-522.

[10] Slavkovic L,Skrbic B,Miljevic N,et al.Prinicipal component analysis of trace elements in industrial soils [J].Environmetal Chemistry Letters,2004,2(2):105-108.

[11] 王學松,秦勇.徐州城市表層土壤中重金屬元素的富積特征與來源識別[J].中國礦業(yè)大學學報,2006,35(1):84-88.

[12] 宋澤峰,欒文樓,崔邢濤,等.冀東平原土壤重金屬元素的來源分析[J].中國地質(zhì),2010,37(5):1530-1538.

[13] 劉俊華,王文華,彭安,等.降水中汞及其它元素來源的識別分析[J].環(huán)境科學,2003,21(2):77-80.

[14] 湯奇峰,楊忠芳,張本仁,等.成都經(jīng)濟區(qū)As等元素大氣干濕沉降通量及來源研究[J].地學前緣,2007,14(3):213-222.

[15] 王雄軍,賴健清,魯艷紅,等.基于因子分析法研究太原市土壤重金屬污染的主要來源[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(2):671-676.

(責任編輯：于繼紅)

Source of Heavy Metal Elements in Soils of Typical MountainousAreas in Eastern Enshi

ZHOU Xiaojun, WAN Xiang, WAN Neng, ZENG Mingzhong

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

In the soil of Yesanguan area in eastern Enshi mountainous as the object,through the factor analysis of 7 main factors,the source of 8 heavy metals in soil of 3 086 samples of Cd,As,Cu,Zn,Hg,Pb,Ni and Cr are analyzed.The results showthat the heavy metals Cd,Cr,Zn and Ni are mainly derived from natural causes of the Permian black shales weathering parent material.In addition to source contribution of Cu is derived from Permian,in part from the other parent area.In addition to source contribution of Hg is derived from Permian,there are layers of Cambrian- Ordovician mineralization activities and carbonate system contribution.As and Pb are derived from the comprehensive anomaly area of lead and zinc.The distribution of most heavy metals is related to the geological background and the weathering and migration of elements in the supergene environment.Generally speaking,soil heavy metal elements in Yesanguan area are mainly from soil parent materials.

soil; heavy metal; source; factor analysis

2016-07-12;改回日期:2016-07-19

湖北省巴東縣土地質(zhì)量地球化學評價(一期)(項目編號:HBJTD20150106)。

周小娟(1975-),女,高級工程師,碩士,地球化學專業(yè),從事農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:723367885@qq.com

S151

A

1671-1211(2017)01-0049-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.008

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1424.032.html 數(shù)字出版日期:2016-12-08 14:24