重要生態(tài)功能區(qū)土壤化學(xué)元素的空間分布模式
——以大興安嶺松嶺區(qū)為例

于俊博， 周傳芳， 梁中愷， 孫彥峰， 姜平， 胡宸

(中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引言

大興安嶺是我國重要的生態(tài)功能區(qū)，也是敏感的生態(tài)脆弱區(qū)，同時大興安嶺山區(qū)是我國緯度最高的凍土區(qū)。近年來，國外學(xué)者以地球化學(xué)視角研究高緯度凍土地區(qū)的土壤問題，例如土壤中微量元素的濃度[1-2]、土壤中的重金屬污染[3-5]、人類活動對土壤的影響[6]、氣候變化引起凍土融化從而導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生變動[7]等。而國內(nèi)對于大興安嶺凍土區(qū)土壤的研究主要側(cè)重于土壤中的微生物和真菌群落[8-11]、土壤中的溫室氣體[12-13]以及土壤對植被生長的影響[14-15]等方面，而從地球化學(xué)視角分析土壤中化學(xué)元素分布的研究較少。本文依托大興安嶺山區(qū)生態(tài)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目[16]，在大興安嶺地區(qū)開展生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查，重點(diǎn)研究了大興安嶺北段松嶺區(qū)土壤中化學(xué)元素的空間分布模式，為區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供基礎(chǔ)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省大興安嶺松嶺區(qū)，處于大興安嶺北段，屬于高緯度寒溫帶濕潤區(qū)，夏短冬長，結(jié)冰期一般在7個月左右，根據(jù)加格達(dá)奇氣象局日氣溫統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得出2000—2019年平均氣溫為0.23 ℃，最低氣溫為-35.2 ℃。降雨期主要集中在7—9月，年平均降雨量約460 mm。

區(qū)內(nèi)主要出露晚三疊世—早侏羅世混合花崗巖、中侏羅世二長花崗巖和花崗閃長巖、早白堊世正長花崗巖、二長花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖等，零星分布早志留世—中泥盆世泥鰍河組大理巖、晚侏羅世瑪尼吐組英安巖與英安質(zhì)凝灰?guī)r以及第四紀(jì)松散堆積物[17](圖1(a))。

(a) 研究區(qū)地質(zhì)簡圖 (b) 研究區(qū)土壤類型分布圖

研究區(qū)土壤類型主要以暗棕壤和棕壤為主，伴有少量沼澤土和草甸土[18]。植被以針闊混交林為主，優(yōu)勢樹種為興安落葉松，次優(yōu)勢樹種為白樺和蒙古櫟，低矮草本植物主要以小葉章為主[19]。

2 樣品采集與分析測試

根據(jù)大興安嶺生態(tài)地質(zhì)調(diào)查的工作要求以及多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范[20]，結(jié)合松嶺區(qū)的自然地理?xiàng)l件，通過試驗(yàn)確定對森林、沼澤生態(tài)系統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查樣品采集的具體方法。在研究區(qū)范圍內(nèi)每1 km2采集1個表層土壤樣品，采樣深度0～20 cm，樣品質(zhì)量1 kg，共采集284件。每4 km2采集1個深層土壤樣品，采樣層位為C層(成土母質(zhì)層)土壤，采樣深度45～150 cm，共采集72件(圖1(b))。土壤樣品為多點(diǎn)組合采集，樣品風(fēng)干后按實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)送樣測試。在樣品采集過程中，盡量避開農(nóng)田、河邊、道路等人為干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域。

本研究分析測試了19項(xiàng)土壤樣品的組分指標(biāo)，測試工作由黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)測試研究中心完成。SiO2、K2O、P、Pb、Cl、Br、CaO、Zn、Na2O由 X射線熒光光譜法(XRF)測定； Ni由電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測定； Cd由電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定； As、Hg由原子熒光法(AFS)測定； F由離子選擇性電極(ISE)和玻璃電極法測定； I由光度法(COL)測定； N和有機(jī)質(zhì)由容量法(VOL)測定； S和全C由高頻燃燒-紅外吸收光譜法測定。各元素分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度均滿足《DZ/T 0258—2014多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》[20]的質(zhì)量要求，分析結(jié)果可信。

3 地球化學(xué)參數(shù)特征

對土壤樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，本研究采用X±3S為臨界值，剔除異點(diǎn)。計算剔除后的土壤中各組分的最大值、最小值、中位數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)等地球化學(xué)參數(shù)特征見表1。從變異程度看，研究區(qū)表層土壤中Cl、F、Ni、Pb、Zn、SiO2、CaO、K2O的變異系數(shù)小于25%，呈弱變異性； As、Cd、Hg、I、N、P、S、Na2O、全C的變異系數(shù)為25%～50%，呈中度變異性； Br的變異系數(shù)為51%，呈高度變異性。研究區(qū)深層土壤中Cl、F、Pb、SiO2、CaO、K2O的變異系數(shù)小于25%，呈弱變異性； As、Br、Cd、Hg、I、N、Ni、P、S、Zn、Na2O的變異系數(shù)在25%～50%，呈中度變異性； 全C和有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)在50%～75%，呈高度變異性。

表1 土壤樣品地球化學(xué)參數(shù)特征

由于中值比平均值抗干擾性更好，因此采用中值作為研究區(qū)各元素在土壤中含量的估計值[22-25]。環(huán)境富集系數(shù)(q)=表層土壤元素含量/深層土壤元素含量[26]，它可以直觀地反映土壤中元素的分散與富集規(guī)律。如圖2所示，As、F、Pb、Zn、SiO2、CaO、Na2O、K2O的q值在0.85～1.15之間，與其自然土壤中元素含量接近，Br、Cd、Cl、Hg、I、Ni的q值在1.15～1.5之間呈弱富集，Na2O、P、S、全C的q值在1.5～4之間呈強(qiáng)富集。

圖2 研究區(qū)元素組分環(huán)境富集系數(shù)

與中國大興安嶺弧盆系表層土壤中元素指標(biāo)含量值[21]相比(表1)，研究區(qū)表層土壤中Cl、Hg、N、P、Pb、S、Zn、Na2O、全C等指標(biāo)的含量更高，As、Br、Cd、F、I、Ni、SiO2、CaO、K2O等指標(biāo)的含量更低。

4 元素的空間分布及分布模式

土壤是地球圈層中重要的組成部分，它受成土母質(zhì)、氣候、生物、地形、時間等因素的影響，同時土壤也控制著物質(zhì)、能量和信息的轉(zhuǎn)化[27-30]。對土壤中元素的空間分布來說，一般情況下，表層土壤更容易受生物、地表水以及人類活動等影響，使其元素分布模式發(fā)生改變。而深層土壤中元素的分布模式更多受成土母質(zhì)的影響[31]。本文使用GeoIPAS軟件對土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并利用克里金插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，從而繪制元素含量分布圖。

4.1 全C、N、P、S的分布模式

C、N、P、S是植物生長所需的必需元素，所有的氨基酸中均含有N，而P、S、C則是糖類、脂類等物質(zhì)的主要化學(xué)成分。研究區(qū)內(nèi)全C、N、P、S在表層土壤中呈顯著富集，且高值區(qū)的面積明顯比深層土壤中的面積大，但深層土壤中各元素的高值區(qū)位置在表層土壤中得到了繼承。在大興安嶺山區(qū)的森林和沼澤生態(tài)系統(tǒng)中，地表腐殖質(zhì)較厚，生物地球化學(xué)活動頻繁，致使全C、N、P、S等生物必需元素在表層土壤中累積(圖3)。

(a) 表層(左)與深層(右)土壤全C元素含量分布(b) 表層(左)與深層(右)土壤N元素含量分布

(c) 表層(左)與深層(右)土壤P元素含量分布(d) 表層(左)與深層(右)土壤S元素含量分布

4.2 K、Ca、Na、Si的分布模式

從K2O、CaO、Na2O、SiO2的分布模式來看，CaO在表層土壤中含量較高，而K2O、Na2O、SiO2含量明顯低于在深層土壤中的含量(圖4)。CaO和Na2O在表層土壤中高值區(qū)的分布和深層土壤中高值區(qū)的分布一致，但表層土壤中高值區(qū)的強(qiáng)度和面積更小，低值區(qū)的強(qiáng)度和面積更大。

(a) 表層(左)與深層(右)土壤CaO含量分布(b) 表層(左)與深層(右)土壤K2O含量分布

研究區(qū)內(nèi)基巖主要以花崗巖類為主，花崗巖風(fēng)化成土的過程也是堿金屬水解淋失的過程[32]。大興安嶺地區(qū)7、8月為雨季，表層土壤含水量大，而深層土壤溫度低且含水量較少，因此Na2O在表層土壤中更易溶于水，并在水動力下流失?；◢弾r中SiO2含量較高，從表層土壤—深層土壤—基巖，SiO2的含量隨深度的增加而升高。表層土壤在地表水和風(fēng)化作用的影響下，SiO2和K2O易于流失，這是表層土壤對深層土壤中SiO2和K2O的分布模式繼承相對較弱的主要原因。

4.3 F、Cl、Br、I的分布模式

研究區(qū)表層土壤中Cl、Br、I的含量分別比深層土壤高43.8%、46.8%和15.9%，而F的含量比深層土壤低1.29%(表1)。F在表層土壤中繼承了深層土壤高值區(qū)的位置，但表層土壤中的高值強(qiáng)度和范圍有所減少。Cl、Br、I在表層土壤的高值區(qū)同樣繼承了深層土壤高值區(qū)的位置，但是表層土壤中Cl、Br、I的高值強(qiáng)度和范圍都有明顯的增加，表明Cl、Br、I在表層土壤的富集有一部分原因是受基巖影響。通過計算有機(jī)質(zhì)與Br、I含量的相關(guān)性，得出有機(jī)質(zhì)與Br的相關(guān)系數(shù)為0.709，有機(jī)質(zhì)與I的相關(guān)系數(shù)為0.641，說明Br、I與有機(jī)質(zhì)之間為正相關(guān)，Br和I除受深層土壤高值的影響，在表層土壤的富集也受到土壤上部腐殖質(zhì)層的影響(圖5)。

(a) 表層(左)與深層(右)土壤F元素含量分布(b) 表層(左)與深層(右)土壤Cl元素含量分布

(c) 表層(左)與深層(右)土壤Br元素含量分布(d) 表層(左)與深層(右)土壤I元素含量分布

4.4 重金屬元素的分布模式

密度大于4.50 g/cm3的金屬一般被認(rèn)為是重金屬。在天然金屬中密度大于4.50 g/cm3的金屬元素有54種，其中工業(yè)上認(rèn)定Cu、Pb、Zn、Sn、Ni、Co、Sb、Hg、Cd、Bi等為重金屬元素[31-33]。

在研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)選擇As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn進(jìn)行研究。單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是評價重金屬污染的常用手段，但單純的數(shù)理統(tǒng)計方法不能完全解釋地質(zhì)現(xiàn)象，因此本文除了采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，還結(jié)合重金屬元素分布模式圖探討研究區(qū)內(nèi)重金屬元素的分布模式[34-35]。

單因子污染指數(shù)計算公式為

。

(1)

式中：Pi為表層土壤中i類重金屬元素的污染指數(shù)；Ci為i類重金屬元素的實(shí)際測量值，10-6；Si為大興安嶺弧盆系表層土壤i類重金屬元素的背景值，10-6。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計算公式為

。

(2)

如表2所示，As、Cd、Ni的單因子指數(shù)小于1，表明研究區(qū)表層土壤未受As、Cd、Ni污染，Hg、Pb、Zn單因子指數(shù)大于1，表明Hg、Pb、Zn在研究區(qū)表層土壤中輕微超標(biāo)。研究區(qū)表層土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為1.26，表明研究區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬元素輕微超標(biāo)[33-34]。

表2 表層土壤重金屬元素單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)

如圖6所示，Pb、Ni、Zn在表層土壤中的高值區(qū)均較好地繼承了深層土壤中高值區(qū)的位置和規(guī)模，As在表層土壤中的大部分高值區(qū)繼承了深層土壤中高值區(qū)的位置，但表層土壤個別高值區(qū)的規(guī)模和強(qiáng)度要比深層土壤高值區(qū)的規(guī)模和強(qiáng)度大。Cd在表層土壤中的高值區(qū)繼承了深層土壤高值區(qū)的位置，但高值區(qū)的強(qiáng)度沒有深層土壤強(qiáng)，高值區(qū)面積較深層土壤大。Hg在表層土壤的高值區(qū)強(qiáng)度高且范圍大，結(jié)合單因子指數(shù)和重金屬元素分布模式圖可以看出，除了深層土壤對表層土壤的影響外，表層土壤中Hg的富集可能受地表腐殖質(zhì)、森林火災(zāi)、人類活動等方面影響[36]。

(a) 表層(左)與深層(右)土壤As元素含量分布(b) 表層(左)與深層(右)土壤Pb元素含量分布

(c) 表層(左)與深層(右)土壤Ni元素含量分布(d) 表層(左)與深層(右)土壤Zn元素含量分布

(e) 表層(左)與深層(右)土壤Hg元素含量分布(f) 表層(左)與深層(右)土壤Cd元素含量分布

5 結(jié)論

從研究區(qū)各組分指標(biāo)的分布模式來看，生物必需元素、主量元素、鹵族元素、重金屬元素等均有各自的分布模式。

(1)全C、N、P、S在表層土壤中的含量顯著高于其在深層土壤中的含量。造成全C、N、P、S在表層土壤中含量較高的主要原因是地表腐殖質(zhì)層較厚以及生物地球化學(xué)活動頻繁。

(2)K2O、CaO、Na2O、SiO2在表層土壤中含量明顯低于深層土壤中的含量，這主要是由于表生環(huán)境中水分充足，導(dǎo)致這些組分更容易淋失。

(3)F、Cl、Br、I在表層土壤中高值區(qū)的分布位置主要受深層土壤的影響，而Br和I的富集與腐殖質(zhì)層中富含的有機(jī)質(zhì)相關(guān)。

(4)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)指示表層土壤中重金屬元素輕微超標(biāo)，其中Hg、Pb、Zn單因子輕微超標(biāo)。As、Pb、Ni、Zn、Cd在表層土壤中的高值區(qū)位置多數(shù)繼承于其深層土壤的高值區(qū)，而Hg在表層土壤中含量較高，除了其對深層土壤高值區(qū)的繼承，還可能受地表腐殖質(zhì)、森林火災(zāi)、人類活動等方面影響。