地質(zhì)條件制約對(duì)喀斯特區(qū)域土壤Cd累積及空間分布的影響

劉方 王金鳳 朱健 陳祖擁 劉元生

摘 要：喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖風(fēng)化物發(fā)育土壤（石灰土）中Cd元素的富集過(guò)程及影響機(jī)制是國(guó)內(nèi)外研究土壤重金屬的熱點(diǎn)之一，了解喀斯特區(qū)域土壤 Cd的空間分布特征、土壤Cd累積機(jī)制及制約因素，對(duì)喀斯特地區(qū)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及生態(tài)產(chǎn)業(yè)布局具有重要的理論指導(dǎo)意義。本文查閱目前研究文獻(xiàn)的結(jié)果表明，碳酸鹽巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤Cd含量明顯地高于碎屑巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤，喀斯特區(qū)域土壤Cd的富集與碳酸鹽巖化學(xué)組成有密切的關(guān)聯(lián)性，且受土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、磷素含量等因素的影響?？λ固貐^(qū)域土壤Cd含量水平的空間分異主要受到巖性組合的制約，其表現(xiàn)為連續(xù)性碳酸鹽巖類(lèi)區(qū)域>碳酸鹽夾碎屑巖類(lèi)區(qū)域>碳酸鹽與碎屑巖互層區(qū)域;此外，不同地質(zhì)年代地層中碳酸鹽巖及其上覆土壤Cd含量有明顯的空間異質(zhì)性，其中泥盆系、石炭系、二疊系地層中碳酸鹽巖上覆土壤Cd出現(xiàn)明顯的富集現(xiàn)象。喀斯特區(qū)域碳酸鹽巖風(fēng)化成土過(guò)程中Cd的富集存在著雙重過(guò)程，一次富集是碳酸鹽巖成巖過(guò)程，使碳酸鹽巖風(fēng)化物發(fā)育的石灰土中Cd含量顯著地高于其他土壤類(lèi)型;二次富集是碳酸鹽巖風(fēng)化物類(lèi)母質(zhì)成土過(guò)程中Cd的不斷富集，出現(xiàn)表層土壤Cd含量明顯地高于底層土壤。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件制約;喀斯特區(qū)域;碳酸鹽巖;土壤Cd累積;空間分布異質(zhì)性

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

全球碳酸鹽巖分布面積為2 200萬(wàn)km2，占全球陸地面積的15%，覆蓋了全球五個(gè)大洲158個(gè)國(guó)家及地區(qū)[1]。中國(guó)是世界上碳酸鹽巖分布面積最大的國(guó)家之一，總面積達(dá)344萬(wàn)km2，占陸地總面積的35.8%，主要分布于貴州、廣西、云南、四川省境內(nèi)，其中貴州境內(nèi)的分布面積占全國(guó)的38.7%?？λ固氐孛玻ㄓ址Q巖溶地貌）發(fā)育在碳酸鹽巖分布區(qū)，由于喀斯特地貌的特殊形態(tài)和成土環(huán)境，使得喀斯特區(qū)域成土物質(zhì)少、土層薄，生態(tài)環(huán)境脆弱，碳酸鹽巖風(fēng)化成土過(guò)程中土壤Cd出現(xiàn)明顯的富集現(xiàn)象，由碳酸鹽巖母質(zhì)發(fā)育的土壤中Cd的地球化學(xué)背景值常高于其他成土母質(zhì)發(fā)育的土壤[2-5]。因而，喀斯特地區(qū)土壤Cd元素的來(lái)源、影響因素、富集過(guò)程及產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-19]。在自然或人為雙重作用下，喀斯特區(qū)域土壤 Cd的地球化學(xué)高背景值及其明顯的富集可能會(huì)導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品Cd含量超標(biāo)、地方病等環(huán)境問(wèn)題，從而影響區(qū)域生態(tài)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[20-25]。土壤中Cd的來(lái)源分自然源和人為源兩個(gè)方面，自然來(lái)源主要是成土過(guò)程中母巖風(fēng)化形成的母質(zhì)所含的Cd元素;人為排放到土壤中Cd來(lái)源主要是燃燒排放、礦山開(kāi)采、交通排放、化肥施用等。目前大量研究表明[2]，土壤Cd的來(lái)源主要受到成土母質(zhì)的影響，而礦業(yè)開(kāi)發(fā)、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為活動(dòng)均不是中國(guó)南方喀斯特地區(qū)土壤Cd含量高的主要因素。本文通過(guò)查閱目前大量研究文獻(xiàn)，對(duì)喀斯特地區(qū)土壤Cd的含量水平、空間分布特征及影響因素進(jìn)行全面的歸納及總結(jié)分析，深入了解地貌、巖石、土壤等環(huán)境要素變化對(duì)土壤Cd累積及空間分布的影響，探明地質(zhì)條件制約下碳酸鹽巖發(fā)育的土壤中 Cd的富集特點(diǎn)及其主導(dǎo)因素，為喀斯特區(qū)域生態(tài)產(chǎn)業(yè)布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 喀斯特區(qū)域土壤Cd的累積特點(diǎn)

由碳酸鹽巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤普遍存在地球化學(xué)異常的高Cd背景，土壤中Cd元素含量高低主要受成土母質(zhì)的影響，沉積巖中的Cd含量（0.01～2.6 mg/kg）高于火成巖（0.07～0.25 mg/kg）和變質(zhì)巖（0.11～1.0 mg/kg），沉積巖中碳酸鹽巖區(qū)土壤中Cd含量較高，法國(guó)Jura地區(qū)碳酸鹽巖Cd的含量可達(dá)2.6 mg/kg[26-28]，是全球碳酸鹽巖中Cd含量的8倍。據(jù)IGAC土壤研究所（2012）報(bào)告顯示，Cd含量最高的農(nóng)場(chǎng)位于碳酸鹽上覆土壤單元中，預(yù)計(jì)該元素的高含量來(lái)自于石灰?guī)r母質(zhì)[29]。羅慧等通過(guò)收集近年來(lái)中國(guó)南方八省地區(qū)土壤Cd的相關(guān)研究文獻(xiàn)并進(jìn)行分析[2]，包括449組文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及17 858個(gè)樣點(diǎn)，其中數(shù)據(jù)涉及喀斯特面積超過(guò)30%的市（區(qū)）為107個(gè)，采用單因子污染指數(shù)法進(jìn)行了污染狀況評(píng)價(jià)，結(jié)果表明南方喀斯特地區(qū)土壤Cd含量（變化范圍為0.01～5.69 mg/kg，幾何平均值為0.36 mg/kg）高于全國(guó)土壤平均值、世界土壤平均值及區(qū)域非喀斯特地區(qū)土壤平均值，碳酸鹽巖Cd 背景值高及碳酸鹽巖風(fēng)化成土Cd的相對(duì)富集，是我國(guó)南方喀斯特地區(qū)土壤 Cd 含量高的主要自然因素。此外，李麗輝等[10]研究表明云南省土壤中Cd含量在石灰?guī)r中最高，其Cd異常主要與高背景含量的母巖有關(guān)，Cd高值區(qū)與喀斯特發(fā)育區(qū)存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，云南省水平方向上Cd異常主要來(lái)源于高背景含量碳酸鹽巖，其富集的主要機(jī)制是高pH值及高有機(jī)質(zhì)含量;鄭國(guó)東[30]在廣西省北部灣地區(qū)采集表層土壤和巖石樣品7 400多件，也發(fā)現(xiàn)研究區(qū)除了Cd元素的平均含量顯著高于全國(guó)背景，在相同的風(fēng)化成土過(guò)程中，不同母巖形成的土壤中Cd含量存在差異，其中碳酸鹽巖發(fā)育的上覆土層Cd含量高于其他成巖母質(zhì)形成的土壤，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤重金屬的富集順序是Cd元素的富集程度最強(qiáng)烈，揭示了喀斯特地區(qū)土壤重金屬的富集與碳酸鹽母巖具有顯著的繼承關(guān)系。

西南喀斯特地區(qū)土壤Cd的背景值遠(yuǎn)高于全國(guó)平均值，西南三省土壤Cd的背景值分別為貴州0.015～2.977 mg /kg、廣西0.005～1.263 mg /kg、云南0.011～0.959 mg /kg[31]。貴州省作為西南喀斯特碳酸鹽巖地區(qū)的中心，何邵麟等[4]通過(guò)對(duì)貴州省46 965件土壤和水系沉積物的組合樣分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)，貴州省土壤和沉積物中Cd的地球化學(xué)背景值為0.31×10-6，是中國(guó)地球化學(xué)豐度值的2.5～3.5倍，而且不同區(qū)域的碳酸鹽巖形成土壤的Cd含量水平存在明顯的差異，例如，黔南地區(qū)貴州灘（生物礁）石灰?guī)r的Cd含量達(dá)1.5 mg/kg，貴州省“滇黔大堤礁”或“貞豐礁相帶”為Cd的高背景分布區(qū)。通過(guò)對(duì)貴州省境內(nèi)喀斯特區(qū)域235個(gè)自然土剖面中Cd的含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[4]，調(diào)查區(qū)土壤 Cd含量的變化幅度介于0.032～5.73 mg/kg之間，其平均值0.87 mg/kg高于非喀斯特區(qū)土壤Cd含量平均值0.36 mg/kg，且喀斯特區(qū)土壤Cd含量均值明顯高于中國(guó)土壤背景值（0.097 mg/kg）和全球土壤 Cd平均含量（0.36 mg/kg）?？梢?jiàn)，碳酸鹽巖風(fēng)化成土是該地區(qū)土壤Cd的主要來(lái)源，碳酸鹽巖風(fēng)化物成土過(guò)程中Cd出現(xiàn)明顯的相對(duì)富集并具有穩(wěn)定性，研究不同類(lèi)型巖石風(fēng)化物形成土壤后Cd富集率的差異性，可以深入了解碳酸鹽巖（石灰?guī)r、白云巖）風(fēng)化成土過(guò)程中Cd的累積特征及其影響機(jī)制。

2 制約喀斯特土壤Cd累積的主導(dǎo)因素

巖石風(fēng)化成土是地球系統(tǒng)元素循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是土壤中各元素的重要來(lái)源。巖石作為地殼的基本單元和形成土壤的重要物質(zhì)來(lái)源，土壤地球化學(xué)元素含量與區(qū)域地質(zhì)背景緊密關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出明顯對(duì)成土母巖化學(xué)組分的繼承性[32-34]。碳酸鹽巖上覆石灰土與下伏的碳酸鹽巖具有明顯的物源繼承關(guān)系，在多個(gè)碳酸鹽巖風(fēng)化殼剖面巖石和土壤調(diào)查研究也發(fā)現(xiàn)，土壤中Cd含量比巖石均有不同程度的增加，特別是石灰?guī)r風(fēng)化物發(fā)育的土壤呈現(xiàn)出明顯的Cd富集特征[33]。徐慧秋等[35]研究表明土壤 Cd元素累積與成土母質(zhì)、不同土地利用方式等具有顯著相關(guān)性，成土母質(zhì)具有決定作用，其他影響因素的貢獻(xiàn)隨著格網(wǎng)的調(diào)整而具有不同變化?？λ固氐貐^(qū)碳酸鹽巖在風(fēng)化成土過(guò)程中，碳酸鹽巖的地球化學(xué)特性必然在上覆土層上有所呈現(xiàn)，大量分布的碳酸鹽巖風(fēng)化成土是使得上覆土層具有高Cd含量的重要來(lái)源[36]。一些研究認(rèn)為喀斯特地區(qū)土壤 Cd的來(lái)源存在著雙重機(jī)制，碳酸鹽巖風(fēng)化成土的巨大巖/土體積變化，容易導(dǎo)致Cd等重金屬?gòu)膸r石-土壤的相對(duì)富集，即風(fēng)化成土過(guò)程中土壤會(huì)繼承高背景母巖的地球化學(xué)特性，從而造成土壤中Cd含量的高背景[36-37]。宋照亮[38]對(duì)不同巖石風(fēng)化成土過(guò)程中礦質(zhì)元素行為的研究表明，Cd元素在石灰?guī)r和白云巖中相對(duì)上陸殼均有不同程度富集，同時(shí)在頁(yè)巖、砂巖中相對(duì)上陸殼有虧損。劉意章等[12]采用相關(guān)和主成分分析等方法，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土壤Cd元素分布特征進(jìn)行了研究，表明嚴(yán)重的土壤Cd污染與該地區(qū)高地質(zhì)背景有關(guān)，其次歷史時(shí)期煤礦資源的開(kāi)采加劇了土壤中Cd元素的富集;孫慧等[9]利用 Cubist 模型，揭示了土壤pH值與土壤類(lèi)型是影響廣東省土壤 Cd含量的主要因素，其次植被覆蓋程度、土壤質(zhì)地等也是影響土壤Cd含量的重要因素。何騰兵等[39]在貴州喀斯特山區(qū)采集的9種母巖上發(fā)育的700多個(gè)土壤樣品，土壤中重金屬含量受到母巖的影響，成土母質(zhì)差異決定了土壤中Cd含量的差異，土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤重金屬含量影響的貢獻(xiàn)低于母巖的遺傳特性。

根據(jù)李瑞玲等[40]研究，將喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖中碳酸鹽巖比例作為巖石組合劃分依據(jù)，整個(gè)貴州喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖類(lèi)巖石組合類(lèi)型分為三大組合七種類(lèi)別：第一類(lèi)是連續(xù)性碳酸鹽巖組合（碳酸鹽巖比例大于90%，包含連續(xù)性石灰?guī)r、連續(xù)性白云巖、石灰與白云巖混合三種組合類(lèi)型）;第二類(lèi)是碳酸鹽巖夾碎屑巖組合（碳酸鹽巖比例為70%～90%，包含石灰?guī)r夾碎屑巖、白云巖夾碎屑巖二種組合類(lèi)型）;第三類(lèi)是碳酸鹽巖與碎屑巖互層組合（碳酸鹽巖含量為30%～70%，包含石灰?guī)r與碎屑巖互層、白云巖與與碎屑巖互層二種組合類(lèi)型）。通過(guò)將貴州省巖性圖和土壤Cd含量分布圖進(jìn)行空間疊加，結(jié)合喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖類(lèi)巖石組合三大類(lèi)型，對(duì)喀斯特區(qū)域調(diào)查的235個(gè)樣點(diǎn)土壤Cd含量進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)[4]，分析結(jié)果表明：在第一類(lèi)連續(xù)性碳酸鹽巖組合中土壤Cd含量變化范圍為0.07～5.73 mg/kg（平均含量為1.12 mg/kg），呈現(xiàn)明顯富集態(tài)勢(shì);第二類(lèi)碳酸鹽巖夾碎屑巖組合中土壤Cd含量變化范圍為0.06～4.42 mg/kg（平均含量為 0.73 mg/kg）;第三類(lèi)碳酸鹽巖與碎屑巖互層組合中土壤Cd含量變化范圍為0.06～2.14 mg/kg（平均含量為0.50 mg/kg），其大小順序?yàn)檫B續(xù)性碳酸鹽巖類(lèi)>碳酸鹽巖夾碎屑巖類(lèi)>碳酸鹽巖與碎屑巖互層，土壤Cd含量的高低整體上受到碳酸鹽巖比例多少的制約，說(shuō)明碳酸鹽巖不同巖性分布在一定程度上制約土壤Cd含量的高低，表現(xiàn)出不同巖性發(fā)育形成的土壤Cd空間分布具有明顯的異質(zhì)性。

在喀斯特區(qū)域土壤發(fā)育過(guò)程中Cd元素的累積還受到土壤性質(zhì)的影響，研究表明在喀斯特地區(qū)石灰土中Cd元素約有一半以碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在，土壤交換態(tài)Cd的數(shù)量很少，加上石灰性土壤具有一定的酸緩沖能力，在這些土壤中Cd的生物有效性較低[41-42]。另有研究表明喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖風(fēng)化成土作用中礦物的吸附和解吸對(duì)元素地球化學(xué)行為起著一定的控制作用[43-44]，如Cd元素遷移和累積受到FeO礦物表面的選擇吸附和解吸的影響[45]。唐豆豆等[22]研究表明，地質(zhì)高背景農(nóng)田土壤重金屬的生物富集主要受到土壤有效態(tài)重金屬、pH、有機(jī)質(zhì)和CaO等因素的影響。羅緒強(qiáng)等[46]對(duì)貴州省清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn)王家寨小流域土壤重金屬的調(diào)查研究表明，研究區(qū)石灰土Cd含量顯著高于黃壤，土壤Cd 含量總體隨植被退化程度的加深而呈降低趨勢(shì)，土壤Cd含量受土壤組分、有機(jī)質(zhì)、pH和CEC等諸多因素的影響，其中土壤有機(jī)質(zhì)、pH和土壤組分是主要影響因素。王金鳳等[3]研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）和磷（P）是影響表土中Cd富集的重要因素，有機(jī)質(zhì)的官能團(tuán)可以絡(luò)合Cd，而P易與 Cd 形成難溶性化合物。此外，土壤微生物種群及活性對(duì)Cd的累積也有明顯的影響作用[47]。

土壤Cd元素在成土過(guò)程中遷移主要有物理、化學(xué)、生物三種途徑，以及水平及垂直遷移兩種形式。土壤Cd遷移及富集過(guò)程中會(huì)受到土壤顆粒及其他不同組分的影響，其遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程[48]?？λ固氐貐^(qū)碳酸鹽巖發(fā)育的土壤剖面中Cd元素含量整體呈現(xiàn)A層>B層>C層>D層的特點(diǎn)，Cd元素從基巖向土壤表層不斷集聚富集。整個(gè)富集過(guò)程主要分為二個(gè)階段，第一階段為巖石風(fēng)化成土過(guò)程中母質(zhì)層相對(duì)于基巖中Cd的富集，母質(zhì)層相對(duì)于基巖層的Cd富集因子為9.2;第二個(gè)階段為土壤發(fā)育過(guò)程中土壤Cd 在表層相對(duì)于母質(zhì)層產(chǎn)生進(jìn)一步富集。Cd元素在每個(gè)階段的富集率及其影響因素是不同的，土壤Cd的表層聚集富集更為明顯[4]。

3 喀斯特區(qū)域地層巖性組合對(duì)土壤Cd空間分布的影響

土壤中Cd元素的含量除了受到巖性因素影響之外，還受到沉積地層年代差別的影響，使得土壤中Cd元素含量與成土母巖及不同年代地層之間有明顯的繼承性。由于巖石形成條件和地域環(huán)境的差異，土壤重金屬的空間分布具有復(fù)雜性和不均衡性[49]。何邵麟等[4]研究表明，貴州省地層巖石單元發(fā)育的土壤和沉積物中Cd元素的含量受地層制約，石炭系、二疊系地層分布區(qū)發(fā)育的土壤和水系沉積物中的Cd元素含量較高。朱禮學(xué)[11]研究表明，四川不同母質(zhì)區(qū)土壤Cd元素含量背景值差異性顯著，不同地質(zhì)時(shí)期Cd元素含量具有差異，其中二疊系、石炭系、泥盆系集中出露區(qū)背景值較高。貴州省碳酸鹽巖地層以海相沉積為主，主要分布在震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系發(fā)育的地層。貴州省碳酸鹽巖地層大致可分為四套地層[50]：第一套由震旦-寒武系燈影組構(gòu)成，主要分布在黔北、黔中地區(qū)，以白云巖為主;第二套由寒武中統(tǒng)頂部至下奧陶統(tǒng)組成，主要出露于貴州北部，巖性主要為白云巖;第三套由泥盆系、石炭系、二疊系的地層構(gòu)成，巖性以生物灰?guī)r及生物屑灰?guī)r為主;第四套主要由三疊系的碳酸鹽巖組成，大面積出露于黔西南地區(qū)，巖性以白云巖為主，部分地區(qū)有灰?guī)r出露。通過(guò)對(duì)貴州省喀斯特區(qū)域235個(gè)土壤樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[4]，不同年代地層碳酸鹽巖發(fā)育的土壤中Cd元素空間分布出現(xiàn)明顯的差異性，通過(guò)三大年代地層組合碳酸鹽巖上覆土壤中Cd含量統(tǒng)計(jì)值可以看出：泥盆-石炭-二疊系地層碳酸鹽巖發(fā)育的土壤樣點(diǎn)中Cd元素的平均含量為1.28 mg/kg，明顯表現(xiàn)出高度富集的狀態(tài)，是土壤Cd的平均含量相對(duì)較低的寒武-奧陶系（0.54 mg/kg）的2.37倍;其次是三疊系地層碳酸鹽巖發(fā)育土壤Cd的平均含量為0.75 mg/kg。調(diào)查區(qū)碳酸鹽巖上覆土壤Cd元素平均含量的大小順序表現(xiàn)為：泥盆-石炭-二疊系>三疊系>寒武-奧陶系;而且不同地質(zhì)年代地層碳酸鹽巖中Cd元素含量也存在明顯的差異性，泥盆-石炭-二疊系地層中碳酸鹽巖Cd元素含量（平均值0.33 mg/kg）顯著高于寒武-奧陶系（平均值0.21 mg/kg）和三疊系（平均值0.23 mg/kg）兩個(gè)地質(zhì)年代地層的碳酸鹽巖。可見(jiàn)，不同年代地層對(duì)碳酸鹽巖風(fēng)化形成的土壤中Cd也產(chǎn)生較大影響，不同地質(zhì)時(shí)期碳酸鹽巖形成的環(huán)境存在差異性，從而影響巖石的物質(zhì)來(lái)源，進(jìn)一步影響巖石中元素含量及土壤地球化學(xué)特征。由于喀斯特區(qū)域土壤Cd含量水平存在明顯的空間異質(zhì)性，不同地層巖性組合上碳酸鹽巖發(fā)育的土壤Cd的富集率也有差異，在石炭系、泥盆系、二疊系、三疊系地層碳酸鹽巖發(fā)育的土壤Cd元素遷移可能產(chǎn)生較大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[51-52]，存在土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)及農(nóng)產(chǎn)品Cd超標(biāo)的問(wèn)題[53-56]，這方面還值得深入研究。

4 結(jié)語(yǔ)

喀斯特區(qū)域土壤Cd的來(lái)源有自然源和人為源，以往的研究高度關(guān)注礦業(yè)開(kāi)發(fā)、工業(yè)排放、農(nóng)用化學(xué)品（ 化肥、農(nóng)藥等） 投入、污水灌溉等人為源的輸入對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，主要側(cè)重于人為源Cd的輸入在土壤、水體中環(huán)境化學(xué)行為方面的研究，對(duì)喀斯特地區(qū)巖石-土壤系統(tǒng)中Cd的空間分布特征及其累積效應(yīng)與地球化學(xué)異常的成因研究不夠深入，特別是對(duì)自然源在土壤Cd累積的地球化學(xué)過(guò)程與作用機(jī)制認(rèn)識(shí)不足，以生態(tài)安全為目標(biāo)研究喀斯特地區(qū)Cd在巖石-土壤-植物或水系統(tǒng)中累積與遷移規(guī)律與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化尚缺乏系統(tǒng)性，特別是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中表層土壤Cd的累積與遷移的影響機(jī)制及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值得深入研究與探討?？λ固氐貐^(qū)土壤高Cd背景與碳酸鹽巖有明顯的物源繼承關(guān)系，而植物生長(zhǎng)對(duì)土壤中Cd的累積與遷移也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，研究植被演替及植物生長(zhǎng)過(guò)程中生物作用及生境改變對(duì)土壤中Cd的累積與遷移的影響及其作用機(jī)制有重要的科學(xué)意義。因此，今后需要從微觀上深入研究植物生長(zhǎng)對(duì)土壤Cd的生物富集作用及其對(duì)土壤系統(tǒng)中Cd遷移的生態(tài)影響機(jī)制，探討喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中巖石-土壤-植物中Cd元素的生物地球化學(xué)過(guò)程，解析植物-土壤-巖石相互作用與土壤Cd富集效應(yīng)之間的耦合關(guān)系，闡明喀斯特地區(qū)巖石-土壤-植物系統(tǒng)中Cd的空間分布特征及其累積過(guò)程與作用機(jī)制，為喀斯特區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁道先. 巖溶與全球變化研究[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展， 1995， 24（5）： 471-474.

[2] 羅慧， 劉秀明， 王世杰， 等. 中國(guó)南方喀斯特集中分布區(qū)土壤Cd污染特征及來(lái)源[J]. 生態(tài)學(xué)雜志， 2018， 37（5）： 1538-1544.

[3] WANG J F， BAI X Y， LIU F， et al. Enrichments of cadmium and arsenic and their effects on the karst forest area[J]. Int. J. Environ. Res. Public Health， 2019， 16（6）： 4665-4677.

[4] 何邵麟， 龍超林， 劉應(yīng)忠. 貴州地表土壤及沉積物中鎘的地球化學(xué)與環(huán)境問(wèn)題[J]. 貴州地質(zhì)，? 2004， 21（4）： 245-250.

[5] 張莉， 季宏兵， 高杰， 等. 貴州碳酸鹽巖風(fēng)化殼主元素、微量元素及稀土元素的地球化學(xué)特征[J]. 地球化學(xué)， 2015， 44（4）： 323-336.

[6] 宋波， 楊子杰， 張?jiān)葡? 廣西西江流域土壤鎘含量特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2018， 39（4）： 1888-1900.

[7] 王金鳳. 喀斯特地區(qū)土壤鎘、砷空間分異的影響因素及富集機(jī)制研究[D]. 貴陽(yáng)：貴州大學(xué)， 2020.

[8] 鐘雪梅， 夏德尚， 宋波. 廣西土壤鎘含量狀況與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展[J]. 自然資源學(xué)報(bào)， 2017， 32（7）： 1256-1270.

[9] 孫慧， 畢如田， 袁宇志. 廣東省土壤鎘含量影響因子解析與評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 36（11）： 4173-4183.

[10]李麗輝， 王寶祿. 云南省土壤 As、Cd 元素地球化學(xué)特征[J]. 物探與化探， 2008， 32（5）： 497-501.

[11]朱禮學(xué). 成都平原西部土壤中鎘的分布與鎘污染[J]. 四川環(huán)境， 2001， 20（2）： 41-47.

[12]劉意章， 肖唐付， 寧增平. 三峽庫(kù)區(qū)巫山建坪地區(qū)土壤鎘等重金屬分布特征及來(lái)源研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，? 2013， 34（6）： 2391-2398.

[13]AIZAWA S， AKAIWA H. Cadmium contents of triassic and permian limestones in central japan[J]. Chemical Geology， 1992， 98（1-2）： 103-110.

[14]MAR S S， OKAZAKI M. Investigation of Cd contents in several phosphate rocks used for the production of fertilizer[J]. Microchemical Journal， 2012， 104： 17-21.

[15]KUBIER A，WILKIN R T， PICHLER T. Cadmium in soils and groundwater： a reviewr[J]. Applied Geochemy， 2019， 108： 104-107.

[16]RAO C R M， SAHUQUILLO A， SANCHEZ J F L. A review of the different methods applied in environmental geochemistry for single and sequential extraction of trace elements in soils and related materials[J]. Water， Air， and Soil Pollution， 2008， 189（1-4）： 291-333.

[17]OBIRI S，YEBOAH P O， OSAE S. Levels of arsenic mercury cadmium copper lead zinc and manganese in serum and whole blood of resident adults from mining and non-mining communities in Ghana[J]. Environmental Science and Pollution Research International， 2016， 23（16）： 16589-16597.

[18]LIU B， AI S， ZHANG W， et al. Assessment of the bioavailability， bioaccessibility and transfer of heavy metals in the soil-grain-human systems near a mining and smelting area in NW China[J]. Science of the Total Environment， 2017， 609（17）： 822-829.

[19]TENG D， ZHANG B， XU G，et al. Efficient removal of Cd（II） from aqueous solution by pinecone biochar： sorption performance and governing mechanisms[J]. Environmental Pollution， 2020， 265： 478-492.

[20]曾廣銘， 吉玉碧， 譚紅， 等. 貴州省農(nóng)業(yè)土壤中鎘的背景值研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2007， 15（3）： 73-74.

[21]劉鴻雁， 涂宇， 顧小鳳. 地球化學(xué)高背景農(nóng)田土壤重金屬鎘的累積效應(yīng)及環(huán)境影響[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)， 2018， 37（5）： 1-5.

[22]唐豆豆， 袁旭音， 汪宜敏. 地質(zhì)高背景農(nóng)田土壤中水稻對(duì)重金屬的富集特征及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 37（1）： 18-26.

[23]楊寒雯， 劉秀明， 劉方， 等. 喀斯特高鎘地質(zhì)背景區(qū)水稻鎘的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)特征與機(jī)理[J]. 地球與環(huán)境， 2021， 49（1）： 18-24.

[24]龍家寰， 劉鴻雁， 劉方， 等. 貴州省典型污染區(qū)土壤中鎘的空間分布及影響機(jī)制[J]. 土壤通報(bào)， 2014，? 45（5）： 1252-1259.

[25]謝代興， 楊楊， 蘇春田， 等. 碳酸鹽巖與碎屑巖母質(zhì)土壤地球化學(xué)特征及質(zhì)量差異[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，? 2015， 43（4）： 128-132.

[26]RAMBEAU C M C， BAIZE D， SABY N， et al. High cadmium concentrations in Jurassic limestone as the cause for elevated cadmium levels in deriving-soils： a case study in lower Burgundy， France[J]. Environmental Earth Science， 2010， 61（8）： 1573-1585.

[27]SIX L， SMOLDERS E. Future trends in soil cadmium concentration under current cadmium fluxes to European agricultural soils[J]. Science of the Total Environment， 2014， 485-486： 319-328.

[28]QUEZADA-HINOJOSA R P， MATERA V， ADATTE T， et al.Cadmium distribution in soils covering Jurassic oolitic limestone with high Cd contents in the Swiss Jura[J]. Geoderma， 2009， 150（4）： 287-301.

[29]AIKPOKPODION P E， LAJIDE L， AIYESANMI A F. Metal fractionation in soils collected from selected cocoa plantations in ogun state， Nigeria[J]. World Applied Sciences Journal， 2012， 20（5）： 628-636.

[30]鄭國(guó)東. 廣西北部灣地區(qū)表層土壤重金屬分布特征及其影響因素研究[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）， 2016.

[31]魏復(fù)盛， 陳靜生， 吳燕玉. 中國(guó)土壤元素背景值[M].北京： 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社， 1990.

[32]王世杰， 季宏兵， 歐陽(yáng)自遠(yuǎn)， 等. 碳酸鹽巖風(fēng)化成土作用的初步研究[J].中國(guó)科學(xué)（D 輯： 地球科學(xué)）， 1999（5）： 3-5.

[33]劉秀明， 王世杰， 馮志剛， 等. 石灰土物質(zhì)來(lái)源的判別：以黔北、黔中幾個(gè)剖面為例[J].土壤， 2004， 36（1）： 30-36.

[34]朱立軍，李景陽(yáng).碳酸鹽巖風(fēng)化成土作用及其環(huán)境效應(yīng)[M]. 北京： 地質(zhì)出版社， 2004.

[35]徐慧秋， 黃銀華， 吳志峰， 等. 廣州市農(nóng)業(yè)土壤As和Cd污染及其對(duì)景觀異質(zhì)性的多尺度響應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2016， 27（10）： 3283-3289.

[36]虎貴朋， 韋剛健， 馬金龍， 等. 粵北碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中的元素地球化學(xué)行為[J]. 地球化學(xué)， 2017，? 46（1）： 33-45.

[37]王宇， 彭淑惠， 楊雙蘭. 云南巖溶區(qū)As、Cd元素異常特征[J]. 中國(guó)巖溶， 2012， 31（4）： 377-381.

[38]宋照亮. 喀斯特流域風(fēng)化成土作用及礦質(zhì)元素行為與環(huán)境質(zhì)量[D]. 貴陽(yáng)： 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所， 2006.

[39]何騰兵， 董玲玲， 李廣枝， 等. 喀斯特山區(qū)不同母質(zhì)（巖）發(fā)育的土壤主要重金屬含量差異性研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 34（1）： 188-193.

[40]李瑞玲， 王世杰， 周德全， 等. 貴州巖溶地區(qū)巖性與土地石漠化的相關(guān)分析[J].地理學(xué)報(bào)， 2003， 41（2）： 314-320.

[41]楊寒雯， 劉方， 劉秀明， 等. 農(nóng)田土壤鎘污染修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)， 2020， 39（2）： 58-63.

[42]馬宏宏， 彭敏， 劉飛， 等. 廣西典型碳酸鹽巖區(qū)農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)重金屬生物有效性及遷移富集特征[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2020， 41（1）： 449-459.

[43]趙志鵬， 邢丹， 劉鴻雁， 等. 典型黃壤和石灰土對(duì)Cd的吸附解吸特性[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2015， 43（6）： 83-86.

[44]王振耀. 廣西龍州喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖風(fēng)化成土作用中Cd元素的行為研究[D]. 南寧： 南寧師范大學(xué)， 2019.

[45]倪善芹， 琚宜文， 侯泉林， 等. 鐵氧化物在重金屬元素遷移風(fēng)化過(guò)程中的作用對(duì)比及碳酸鹽巖中重金屬元素的富集[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展， 2009， 19（1）： 61-68.

[46]羅緒強(qiáng)， 王世杰， 劉秀明. 喀斯特石漠化過(guò)程中土壤重金屬鎘的地球化學(xué)特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2009，? 18（1）： 160-166.

[47]王茂林， 吳世軍， 楊永強(qiáng). 微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀及其在固定重金屬領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)研究， 2018， 31（2）： 206-214.

[48]孫子媛， 文雪峰， 吳攀， 等.喀斯特地區(qū)典型風(fēng)化剖面重金屬超標(biāo)程度及元素遷移特征研究[J]. 地球與環(huán)境， 2019， 47（1）： 50-56.

[49]倪善芹， 侯泉林， 琚宜文， 等. 北京下古生界碳酸鹽巖地層中微量元素遷移富集規(guī)律[J].中國(guó)科學(xué)（D 輯： 地球科學(xué)）， 2009， 39（4）： 488-496.

[50] 貴州省地質(zhì)調(diào)查院.貴州省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局， 2013.

[51] 劉炫志. 碳酸鹽巖風(fēng)化成土過(guò)程中重金屬元素的富集行為及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D]. 衡陽(yáng)： 南華大學(xué)， 2019.

[52] 張富貴， 彭敏， 王惠艷， 等. 基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的西南重金屬高背景區(qū)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2020， 41（9）： 4197-4209.

[53] 唐啟琳， 劉秀明， 劉方， 等. 貴州羅甸北部喀斯特地區(qū)耕地土壤鎘含量特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2019， 40（10）： 4628-4636.

[54]楊文弢， 張佳， 廖柏寒. Cd脅迫下外源有機(jī)肥對(duì)土壤中Cd有效性和水稻糙米中Cd含量的影響[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2020， 37（1）： 105-111.

[55]劉青棟， 劉鴻雁， 周顯勇， 等.鎘在土壤-辣椒體系的遷移富集規(guī)律[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019， 36（4）：30-36.

[56]涂宇， 劉鴻雁， 朱恒亮， 等. 貴陽(yáng)市典型污染區(qū)蔬菜和水稻重金屬富集特征及質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)， 2020， 39（1）： 1-8.

（責(zé)任編輯：曾 晶）

The Influence of Geological Conditions on Accumulation and

Spatial Distribution of Soil Cd in Karst Area

LIU Fang*1，2， WANG Jinfeng1，2， ZHU Jian1，2， CHEN Zuyong1， LIU Yuansheng1

（1. Environment and Resource Institute， Guizhou University， Guiyang 550025， China;2.Guizhou Karst Environmental Ecosystem Field Science Observation and Research Station， Guiyang 550025， China）

Abstract：

The enrichment process and influence mechanism of Cd in the soil （lime soil） developed by weathering carbonate rocks in karst areas was one of the hotspots in the study of soil heavy metals at home and abroad. To understand the spatial distribution of soil Cd in karst areas and the mechanism of soil Cd enrichment and restrictive factors has important theoretical guiding significance for soil pollution risk assessment and ecological industry layout in karst areas. In this paper， the results of consulting research literature show that the Cd content in the soil developed by carbonate weathering was significantly higher than that of the soil developed by clastic rocks. The enrichment of soil Cd in the karst area was closely related to the chemical composition of carbonate rocks; but also affected by soil pH， organic matter content， phosphorus content and other factors. The spatial differentiation of Cd content level in the soil was mainly restricted by the lithological combination in the karst area， which was expressed as continuous carbonate rock area>carbonate intercalated clastic rock area> carbonate and clastic rock interbedded area. In addition， There was obvious spatial heterogeneity in the Cd content of carbonate rocks and their overlying soils in different geological ages; among them， the Cd content in the overlying soil of carbonate rocks in the Devonian， Carboniferous， and Permian strata had obvious enrichment phenomenon. In the karst area， there was a double process of Cd enrichment in the process of carbonate weathering and soil formation. The first enrichment was affected by the formation process of carbonate rock so that the lime soil formed by the development of carbonate weathering had significant higher Cd content than that of other soil types; secondary enrichment was the continuous enrichment of Cd in the soil formation process from carbonate rock-type parent material， making the Cd content of the surface soil significantly higher than that of the bottom soil.

Key words：

geological conditions; karst area; carbonate rock; soil Cd accumulation; spatial distribution heterogeneity

收稿日期：2021-03-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-貴州省人民政府喀斯特科學(xué)研究中心資助項(xiàng)目（U1612442）;貴州省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（黔科合平臺(tái)人才[2017]5788號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：劉 方（1964—），男（侗族），教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：土壤地球化學(xué)，E-mail：lfang6435@163.com.

通訊作者：劉 方，E-mail：lfang6435@163.com.