三江平原耕地土壤重金屬元素分布特征及影響因素的多元統計分析

宋運紅，楊鳳超，劉凱，戴慧敏，許江，楊澤

(1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心,遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

東北黑土區(qū)是中國最大的商品糧基地，黑土區(qū)的土壤環(huán)境質量問題已經引起了許多科學工作者的普遍關注[1-8]。土壤中重金屬元素的遷移轉化是地球關鍵帶物質循環(huán)的重要組成，元素通過生物地球化學過程遷移到水圈、生物圈和食物鏈，最終對人類健康產生影響[9-11]。經典的道庫恰耶夫學說認為，土壤是由母質、氣候、生物、地形和時間五大自然因素綜合作用的產物，在很大程度上，土壤中的元素分布與成土母質具有明顯的繼承關系[12-13]，同時也不同程度的受到人類活動的影響[14-15]。因此，研究土壤中重金屬元素的來源首先應該弄清土壤中元素和成土母質間的關系，在此基礎上，確定人為因素對重金屬元素分布的影響程度。

表層土壤中某些重金屬元素的含量包括成土母質的繼承和人為因素的輸入[9,16]。一般而言，區(qū)域上深層土壤中某些重金屬元素的含量可以作為背景值來評估該地區(qū)表層土壤中重金屬元素的富集程度[17-18]。然而，由于長期風化和淋溶，加上人類活動的影響，與深層土壤中的元素含量相比，表層土壤中的重金屬元素含量一般有較大的差異。而且，對不同的成土母質的黑土，這種差異是否相同，到目前為止相關報道還很少。因此，本次引進元素富集系數[9,19]，利用黑土深層土壤中的重金屬元素含量評估黑土表層土壤中元素富集或損失的程度，以期弄清耕地黑土中重金屬元素與成土母質間的關系。

三江平原在保障國家糧食安全中具有舉足輕重的地位。但是人類快速增長的農業(yè)及工業(yè)活動，都可能會引起某些重金屬元素在耕地土壤中的積累。由于主要人類活動是農業(yè)，這里的土壤受到現代工業(yè)的污染較少，所以分析深層土壤中的微量含量對于表層土壤的研究非常重要。目前對三江平原耕地土壤重金屬元素的特征研究較少，重金屬元素的種類研究也不全，利用表層和深層土壤對比研究更是鮮有報道。本研究利用2018年最新獲得的1∶25萬表層和深層土壤重金屬元素數據，運用地統計學和多元數據分析的方法[20-21]，對比研究三江平原表層和深層土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的特征及相關性，分析8種重金屬元素的來源，對于摸清東北黑土地家底，保護東北大糧倉，實現黑土資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

三江平原，又稱三江低地，位于東北平原東北部，是我國最大的淡水沼澤分布區(qū)。三江平原的“三江”即黑龍江、烏蘇里江和松花江，3條大江浩浩蕩蕩，匯流、沖積而成了這塊低平的沃土。區(qū)內水資源豐富，氣候屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土、沼澤土等，而以草甸土和沼澤土分布最廣。這里是我國重要的商品糧生產基地，糧食商品化程度和農業(yè)機械化程度全國第一，在保障國家糧食安全中具有舉足輕重的地位。

2 材料與方法

2.1 樣品采集和分析方法

研究區(qū)樣品來源于中國地質調查局實施的“東北黑土地1∶25萬土地質量調查”項目，在研究區(qū)網格化部署采樣點，表層土壤樣品采樣密度為1個點/km2，主要采集耕層土，采樣深度為0～20 cm，4 km2組合成一個樣品進行分析測試；深層土壤樣品采樣密度為1個點/4 km2，深度為150～200 cm，16 km2組合成一個樣品分析。三江平原共取得9 873件表層和2 697件深層土壤地球化學樣品(圖1)。樣品分析測試由吉林省地質科學研究所和黑龍江省地質礦產測試應用研究所完成，其中Cd、Ni采用等離子體質譜法，As、Hg采用原子熒光光度法，Cr、Cu、Pb、Zn采用X射線熒光光譜法測定。采用國家標準物質監(jiān)控分析測試準確度，采用密碼樣監(jiān)控分析測試的精密度，所有監(jiān)控樣元素分析準確度和精密度均在允許監(jiān)控限內，數據可靠。

圖1 三江平原土壤采樣點分布Fig.1 Sampling sketch map of soil sample from Sanjiang Plain

2.2 數據處理及評價方法

表層和深層土壤樣品的描述性統計分析及Pearson相關性分析均在SPSS 21.0軟件中完成，采用Arcgis 10.2軟件繪制克里格元素空間分布圖。

為了評價人類活動對研究區(qū)土壤中重金屬元素的損失或富集的影響程度，一般選取惰性元素Sc、Zr、Ti和Al作為參比元素[4,22-23]，這4種元素在土壤中的含量變化較小，在風化及成土過程中較穩(wěn)定。本次考慮到元素變異系數(CV)以及表層和深層土壤之間的差異，發(fā)現元素鈧(Sc)在個層和深層土壤數據集中顯示具有較小的變異系數(CV分別為0.155、0.241)，有較強的抗風化能力(表1)。為了減少環(huán)境介質的影響，根據上述元素分析的結果，將Sc用作標準化參比元素，計算表層及深層土壤中每個元素的富集系數，公式如下[19]:

(1)

式中：q為富集系數；Ci表、Ci深分別為表層和深層土壤中重金屬元素的含量；CSc表、CSc深分別為表層和深層土壤中Sc元素的含量。

3 結果與討論

3.1 統計分析和地球化學特征

三江平原耕地土壤表層及深層描述性統計數據如表1所示，包括算術平均值、中位數、最大值、最小值、變異系數(CV)和標準離差，并使用Kolmogorov-Smirnov檢驗(包括偏度和峰度)來評估數據集分布的正態(tài)性。由表1可知，表層土壤8種元素的變異系數順序為Hg>Cd>As>Ni>Cu>Zn>Cr>Pb，深層土壤8種元素的變異系數順序為As>Ni>Cd>Hg>Cu>Cr>Zn>Pb。整體上，重金屬元素含量的變異系數均較小(小于60%)，其中Pb變異系數最小，但超出背景值倍數較大(表層1.059倍，深層1.064倍)，表明研究區(qū)土壤重金屬元素含量縱向分布受到一定程度的外來因素的干擾。

3.2 表層土壤重金屬元素含量分布

表層土壤中元素的含量特征一般反映人類活動及自然因素雙重影響下土壤中元素的分布狀態(tài)，受人類活動因素的影響較明顯。本次統計三江平原8種重金屬元素平均值、變異系數以及黑龍江省背景值列于表1，為了進一步描述重金屬元素的分布特征，利用SPSS 21.0軟件分別繪制了表層8種重金屬元素的直方圖和箱形圖(圖2、圖3)。三江平原表層土壤中As、Ni、Cr、Cu、Pb、Zn、Cd和Hg的平均含量分別為8.85×10-6、25.69×10-6、65.09×10-6、21.76×10-6、25.62×10-6、63.52×10-6、0.083×10-6和0.034 ×10-6，與黑龍江省土壤A層背景值相比， Cd、Hg、Zn的平均值較黑龍江省略低，而As、Cr、Cu、Ni、Pb平均值大于黑龍江省背景值。在對數轉換后，基本均顯示服從正態(tài)分布。

圖2 表層土壤元素含量分布直方圖Fig.2 Histograms for heavy metal elements in topsoils from Sanjiang Plain

圖3 表層土壤元素含量分布箱型圖Fig.3 Box-plot diagram for heavy metalelements in topsoils from Sanjiang Plain

按照不同母質類型分別對表層土壤中8種元素進行描述性統計。如表1所示，母質為變質巖的土壤中As、Cd、Zn含量分別為10.32×10-6、0.093×10-6、72.45 ×10-6，較其他母質土壤含量高；母質為花崗巖的土壤中Pb含量為28.03×10-6，遠高于其他母質土壤；母質為火山巖的土壤中Cr、Cu、Ni含量分別為73.79×10-6，、23.18×10-6、28.20×10-6，也較其他母質土壤較高；表明成土母質的巖性對土壤中重金屬元素的含量有明顯影響。

3.3 深層土壤重金屬元素含量分布

深層土壤由于受人類活動的影響較小，更能代表成土母質中元素的含量特征。深層土壤中8種重金屬元素的含量分布特征如圖4所示。從箱型圖中可以看出，研究區(qū)內，Cr平均含量最高(71.40 ×10-6)，其次是Zn(71.33×10-6)、Ni(28.42×10-6)、Pb(25.97×10-6)、Cu(21.98 ×10-6) 、 As(11.16×10-6)、Cd(0.075×10-6)和Hg(0.036×10-6)。變質巖母質的土壤中As、Cr、Pb含量分別為12.58×10-6、84.87×10-6，28.17×10-6，較其他母質土壤高；火山巖母質的土壤中Cr、Ni、Zn含量分別為93.37×10-6、41.64×10-6、80.67×10-6，明顯高于其他母質土壤。深層土壤除Cd外，其他7種元素均表現為表層土壤含量低于深層土壤含量。與表層土壤中的分布相似，深層土壤中8 種元素在對數轉換后，基本均顯示服從正態(tài)分布(圖5)。

圖4 深層土壤元素含量分布箱型圖Fig.4 Box-plot diagram for heavy metal elementsinsubsoils from Sanjiang Plain

圖5 深層土壤元素含量分布直方圖Fig.5 Histograms for heavy metal elements in subsoils from Sanjiang Plain

3.4 深層土壤重金屬元素空間分布

表層土壤反映了地球關鍵帶中物質的相互作用及循環(huán)過程，而深層土壤則反映成土母質的地質背景。表層和深層土壤的重金屬元素空間分布顯示見圖6、圖7，總體上，表層和深層土壤重金屬元素高值區(qū)分布較一致，以松花江為界，左側低、右側高，形成明顯的分界線，與深層元素分布比較，總體上表層土壤均未受到明顯的重金屬元素污染，說明三江平原土壤環(huán)境質量依然優(yōu)越，僅發(fā)現同江市東北部土壤As、Cd、Cu、Ni表層較深層稍偏高，有輕微富集的趨勢，佳木斯市表層土壤Hg較深層有富集的趨勢，推測可能受到了人為活動的影響，這可能與城市化發(fā)展密切相關[25-27]。表層土壤中變質巖區(qū)Cd、Zn均值含量高，火山巖區(qū)As、Cr、Cu、Ni含量高，花崗巖區(qū)Pb含量高；深層土壤在火山巖區(qū)中As、Cr、Cu、Ni、Zn含量高，變質巖區(qū)Cd、Pb含量高，這與表層分布相似，可以推斷三江平原土壤中重金屬元素主要來源主要是成土母質。

圖6 三江平原表層土壤重金屬元素空間分布Fig.6 Spatial distribution of heavy metal elements concentrations in the top soil from Sanjiang Plain

圖7 三江平原深層土壤重金屬元素空間分布Fig.7 Spatial distribution of heavy elements concentrations in the deep soil from Sanjiang Plain

區(qū)域上，影響三江平原表層土壤中重金屬元素分布的主要因素是成土母質和少量的人類活動。8種重金屬元素富集系數均小于2(表1)，表明三江平原表層土壤中8種重金屬元素均無潛在污染風險，僅有某些點位的表層土壤中Cd、Hg、As元素的富集系數存在較大的值，說明在部分地區(qū)可能受到人類活動的影響稍大。

巖石風化是土壤中重金屬元素的主要自然來源，土壤中的元素分布與成土母質具有明顯的繼承關系。本次利用Pearson相關性分析分別計算了三江平原所有類型的成土母質區(qū)域內，表層和深層土壤中重金屬元素之間的相關系數(表2)，結果顯示Cr、Cu、Ni和Zn分別呈顯著正相關(相關系數0.3～0.6，P<0.01)，說明表層土壤中這些重金屬元素主要來源于深層土壤(成土母質)，較少受到人類活動的干擾。但是，As、Cd、Hg和Pb在不同的母巖區(qū)均顯示相關性較弱，表明三江平原表層土壤中的As、Cd、Hg和Pb可能受到人類活動的影響，如農業(yè)生產中的農藥和化肥的施用等。

表2 三江平原表層及深層土壤中重金屬元素間相關系數Table 2 The Pearson correlation coefficient between heavy metal elements in topsoils and subsoils from Sanjiang Plain

4 結論

1)三江平原土壤總體上表現為環(huán)境質量依然優(yōu)越，除Cd外，表層土壤中重金屬元素As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量(8.85×10-6、65.09×10-6、21.76×10-6、0.034×10-6、25.69×10-6、25.62×10-6、63.52×10-6)均略低于深層土壤。

2)表層和深層土壤的重金屬元素Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn空間分布較一致，表現為以松花江為界，左側低、右側高，形成明顯的分界線。

3)表層相對于深層土壤的重金屬元素富集系數均小于2，僅個別點位的表層Cd、Hg、As富集系數存在相對較高的值，在部分地區(qū)可能受到人類活動的疊加影響。

4)在不同成土母質區(qū)域，表層和深層土壤中重金屬元素Cr、Cu、Ni和Zn均呈顯著正相關(相關系數0.3～0.6，P<0.01)，表明表層土壤中這些重金屬元素主要物質來源于成土母質。