地質條件制約對土壤重金屬污染累積及空間分布的影響研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0150-05

中圖分類號：X53文獻標志碼：B

Effects of Geological Conditions on Accumulation and SpatialDistributionofHeavy MetalPollution in Soil

Huang Guodong

（GuangdongCoal Geology 201 Exploration Team，Qingyuan511515，China）

Abstract：Thispaperanalyzedthespatialdistributionofheavymetalpollutionunderdiffrentgeologicalconditionsandstudiedthe impactofgeologcalconstraintsontecumulaondsatialdistributiofsoilayetalpolutionBarragesamplingontsfor diferentterrsndgeoloicalstructures，itusespmenttsteaetalcontetisoilsamplesByombningteholo gy，itislearhatteareiousgeologialosraitsiesudyreandesatalrbutionofeaetalpltioite gionisanalyzedusingthegoundaccumulationidexmethod.Tesultsidicatethatwastelandsconstraiedbygeologicalcodition， andcopperrichareashaveahigherdistributionofcoppermetal.Forestlnddoesnotshowsevereheavymetaldistribution，andheavy metalsrewidelydistributedinfatlndDuetoitsproximitytotheuface，theudstonelimestonelayeracumulatesmoresevereheavy metal polution，whiletheflintblock layeris furtherawayfromthesurfaceandaccumulatesless heavymetalpollution.

Keywords：geological condition；soil heavy metals；polutionaccumulation；spatial distribution；GIS software

前言

土壤金屬污染研究背景復雜，涉及地質條件的多重制約[1]。成土母質與巖石類型決定了土壤中重金屬的初始含量，地質構造和地貌特征影響重金屬的分布與遷移，如斷裂帶和坡度等地貌特征。地下水文條件則通過水流和化學性質影響重金屬的遷移和轉化[2]。此外，土壤的物理性質如粒度、密度和孔隙度也對重金屬的遷移和轉化有重要影響[3-4]。這些地質條件共同構成了土壤金屬污染研究的復雜背景。眾多學者都對土壤重金屬污染作出研究，蔣玉蓮等學者[5]研究了渝東南區(qū)域土壤重金屬的解析與變化，通過統(tǒng)計方法評估了污染負荷和分布特征，對特殊地形土壤污染治理有重要意義。然而，使用的PMF模型受數據質量和參數設置影響，可能增加結果的不確定性。李笑路[通過主成分和Pearson分析評估了耕種區(qū)重金屬污染，但短期數據難以全面反映長期趨勢和風險。馬泉來等分析了南太行水體中鉛等重金屬，但采樣點分布不均和頻率不足影響結果的準確性。Goswami等[8]從農業(yè)角度研究了重金屬污染，但未涉及空間分布與沉積分析。

文章分析地質條件制約對土壤重金屬污染累積及空間分布的影響，通過實地采樣和GIS技術揭示不同地質結構下重金屬的分布特征，以期為今后土壤重金屬污染治理探索全新路徑。

1土壤重金屬污染累積及空間分布分析

1.1 研究區(qū)域概況

文章所研究區(qū)域地質結構較為復雜，土壤土層比較薄，整體區(qū)域平均海拔在 1000m 左右，土地資源屬于稀缺類型。該地區(qū)全年受亞熱帶季風氣候影響，降雨和高溫集中在夏季，低溫和干旱主要集中在冬季，全年平均降水量約為 1 200mm ，平均最高溫度約為 30% 。該區(qū)域中有一條較為發(fā)達的水系，地下水和地表水資源均較為豐富。研究區(qū)域地質條件可以劃分為三種類型： ① 最高海拔區(qū)域主要為荒地，主要為剝蝕地貌、溶蝕殘丘洼地和落水洞為主，地層主要為泥晶灰?guī)r和燧石團塊； ② 中間高度區(qū)域主要為林地，地質結構為槽谷、峰叢和溶洞發(fā)育，集中分布白云巖和泥晶灰?guī)r以及細晶白云巖； ③ 海拔較低且地勢較為平坦的區(qū)域為平地，基本為居住區(qū)和農田，丘陵地貌為主，土層主要為生物屑亮晶灰?guī)r、砂頁巖、泥質、灰?guī)r等。

1.2 樣品采集

考慮研究區(qū)域中地質結構特點與水文氣候特征，通過隨機采樣與網格布點相結合的方式在研究區(qū)域隨機且均勻布置采樣點，見圖1。

從統(tǒng)計結果來看，研究區(qū)域共布置98個采樣點，（1）號地質條件布置50個采樣點，（2）號地質條件采樣點20個，（3）號地質條件布置采樣點28個[9]。采樣點深度范圍設定為 0m～20m ，每個采樣點看作一個中心，以該中心為原點，直徑 25m 范圍中多次采樣，將采樣結果分別標記后置于采樣袋中，等待測量。結合GPS技術標記各個采樣點的位置，使用計算機統(tǒng)計并記錄各個采樣點的坐標。為使測量結果更加準確，每個地質條件區(qū)域隨機采集10個采樣點的剖面樣品，同樣將采集結果裝袋備用。

1.3土壤樣品分析與重金屬含量測試

將采集后的土壤樣本運輸回試驗室后，置于烘干箱中使得土壤樣本充分干燥，人工挑揀樣品中的根系、石塊等雜質，置于研磨機中充分研磨后過篩后備用。測量重金屬累積量前，先使用稀硝酸浸泡試驗所用的各個玻璃器皿1d，取出后使用去離子水多次洗滌，擦拭后置于烘干箱中。使用pH計測量試驗樣品中的pH值分布，使用高溫消解儀先消解土壤樣品，樣品中的金屬污染累積量測量使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。測量過程中，土壤樣品質量控制參考GSS-5a國家土壤標準物質。將采集的土壤樣品交予地質局相關部門進行專業(yè)分析，分析標準參考DZ/T0279-2016，獲得土壤中各個重金屬的累積量。

1.4基于GIS技術的土壤重金屬空間分布測量

使用GIS軟件，在各個采樣點標定的區(qū)域采集土壤圖像信息，使用Kriging空間插值方法預處理圖像。插值是基于變異函數，確定區(qū)域變量空間關聯性，明確采樣點和預測點的距離，確定采樣點的空間關系，通過模型擬合確定權重，得出研究區(qū)域線性無偏差最佳估計結果。該方法是使用經驗半變異函數明確采樣點上空間自相關性，式（1）為半變異函數 r 計算： 式（1）

式（1）中， N（h） 表示與滯后距 h 相對應的采樣點對數， z（x_i） 與 分別代表 x_i 和 x+h_i 兩個測點相同重金屬實際測量的累積量 Σh 不同對應的函數值也各不相同，在函數基礎上使用Kriging方法實現空間插值，明確重金屬在研究區(qū)域中的空間分布：

其中， 表示采樣點 x₀ 位置的重金屬污染預測值， z（x_i） 則是該點實際污染值， n 表示采樣點，λ_i 代表采樣點 i 重金屬污染物測量后的權重。

完成插值以后，在GIS技術基礎上使用單因子污染指數法計算出研究區(qū)域的中間數污染程度，并通過GIS圖像呈現。使用式（3）計算出研究區(qū)域中單因子重金屬污染指數，該指數用于描述研究區(qū)域中某個重金屬污染物的超標倍數：

P=C/S

式（3）中， c 與 s 分別表示重金屬的實際測量值與標準值。如果 P 的數值超過0但是小于1，則表示該區(qū)域中未出現重金屬污染，如果 P 的數值超過1但是小于2，表示該區(qū)域出現輕度重金屬污染，如果P 的數值超過2但是小于3，表示該區(qū)域出現中度重金屬污染，如果 P 的數值超過3，表示該區(qū)域出現嚴重重金屬污染。

1.5基于地累積指數法的重金屬累積計算污染物

經過上文土壤采集與分析測量，能夠確定不同采樣點土壤中重金屬污染物的含量，但是各個受到地質條件制約，重金屬污染物的累積情況并未確定，因此選擇地累積指數法，測量各個重金屬污染物的累積情況。計算出土壤中重金屬污染物累積量如式（4）：

I=log[B/（k*ρ）]

式（4）中，表示巖土圈效應導致的背景矩陣校正因子，按照研究經驗，該因子取值通常為 _1.5，B 與ρ 分別表示土壤樣品中重金屬含量以及重金屬地球化學背景濃度。

2 分析結果

2.1地質條件制約對重金屬污染縱向分布影響

研究區(qū)域按照海拔分為荒地（山地）、林地與平地，各個不同區(qū)域中的地質條件也各不相同，使用采樣分析測試方法研究區(qū)域，受到地質條件制約，各個重金屬污染物在地下空間縱向分布平均值情況，試驗結果見圖2。

圖2（a）為海拔較高地區(qū)中以荒地為主的地質結構，重金屬污染物平均含量，從該試驗結果能夠看出，該區(qū)域中銅金屬元素含量最高，且深度越大地下地質結構中銅金屬的含量越大，這種情況可能是由于研究區(qū)域的山體結構中存在大量銅礦，地下水運移以及開采擾動使得這些銅礦在地質結構中析出，位置也不斷發(fā)生變化，導致銅金屬污染物在地質結構中含量較高，其他與銅礦伴生的各類金屬污染物在地質結構中的含量也發(fā)生變化。越接近地表，這些金屬污染物的含量越少，說明重金屬污染分布與金屬礦藏在地質結構中的位置分布有關。圖2（b）中為林地區(qū)域地質結構中，金屬污染物的分布情況，該區(qū)域植被較為豐富，所受污染較少，也沒有明顯礦物質儲存，因此該區(qū)域中不同地質結構的重金屬污染含量較小，且沒有造成嚴重污染。圖2（c）主要為農耕區(qū)域與居民住宅區(qū)域，受到農田施肥影響，地表累積大量以鎘為代表的重金屬污染物，且隨著液體下滲，這些重金屬污染物向地下空間擴散，但是地質結構中的黏土、灰?guī)r都能發(fā)揮過濾作用，因此隨著地質結構深度增加，重金屬污染物的含量降低。

使用GIS技術觀測研究區(qū)域中各個重金屬污染的空間分布情況，試驗結果見圖3。

由圖3可知，各個污染物的空間分布主要還是由于所研究區(qū)域上工廠分布位置影響，這些工廠工作時排出的重金屬污染物，導致在研究區(qū)域形成嚴重的重金屬污染。但是地質條件制約也在該過程中發(fā)揮重要作用，其中海拔較高區(qū)域中，重金屬銅、重金屬汞和重金屬砷的含量均較高，這些區(qū)域屬于高山荒地，地層表面存在大量細砂和黏土，重金屬污染滲透與擴散均較快，因此出現重金屬污染較嚴重。圖3（b）中重金屬鎘分布主要是受到工廠生產影響出現污染，但是同時也由于該工廠所處位置位于丘陵區(qū)域，地勢呈現斜坡變化，因此鎘金屬污染也從高海拔向低海拔變化。圖3（e）和圖3（f）兩種重金屬受到地質、生產、生活等多種因素影響，在研究區(qū)域大面積分布，造成嚴重程度的重金屬污染。

2.2地質條件制約對重金屬累積影響

研究區(qū)域中地質結構較為復雜，受到篇幅限制，選取燧石團塊層、泥晶灰?guī)r層、白云巖層具有代表性的地質條件區(qū)域，測試并計算研究區(qū)域的重金屬累積量，試驗結果見圖4。

從圖4（b）能夠看出泥晶灰?guī)r層較為靠近地層表面，各種重金屬含量較高，同時泥晶灰?guī)r滲透性較高，會導致重金屬污染物發(fā)生擴散。圖4（a）的重金屬污染物在燧石團塊層，該層雖然較為松散，但是所處位置較深，因此重金屬污染物積累量并不大。圖3（c）中，白云巖層同樣處于較深地質結構中，雖然相比于燧石團塊層重金屬污染物積累量較高，但是整體積累量保持在較低水平，說明該地質結構能夠一定程度發(fā)揮阻止重金屬污染物擴展的作用。

3 結束語

地質條件的復雜性導致土壤重金屬污染在空間分布上呈現非均一性，即使在相同的氣候和人為活動條件下，不同地質背景下的土壤重金屬含量和分布也可能存在顯著差異。為此，文章在明確土壤重金屬污染累積量的基礎上，分析了地質條件對重金屬污染空間分布的影響。通過研究結果發(fā)現，土壤中重金屬的分布受原生地質背景和人類活動雙重影響，具有顯著的空間變異性。地形和海拔等因素會影響地質結構發(fā)生變化，影響重金屬的遷移和累積，海拔較高的區(qū)域，出現污染物下滲，海拔較低的區(qū)域也會由于化學物質等影響導致重金屬污染物出現變化。地下空間中土層結構不同，地質結構也各不相同，不同地層結構對于重金屬污染物的累積量影響也各不相同。

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