青海省湟中縣孫家窯土壤重金屬異常成因及生態(tài)效應(yīng)

張亞峰，馬 強(qiáng)，姬丙艷，代 璐，馬風(fēng)娟

（青海省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧810028）

湟中縣位于青海省東部地區(qū)，孫家窯位于湟中縣西北部，屬低山與丘陵相間地貌，零散出露的地塊內(nèi)種植油菜、馬鈴薯、莜麥等農(nóng)作物。土壤類型主要為黃土性暗栗鈣土和耕種栗鈣土，出露有白堊紀(jì)民和組地層，巖性為碎屑巖及泥巖夾石膏［1－4］。

多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)孫家窯地區(qū)表層土壤中存在較大范圍的以Cd為主，Pb、Zn、Hg、As和Cr伴生的重金屬異常（圖1），加之異常區(qū)屬農(nóng)業(yè)種植區(qū)，重金屬污染對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本文以該異常為研究對(duì)象，通過(guò)土壤剖面、農(nóng)作物調(diào)查等工作手段，重點(diǎn)查明了異常成因，尋找了異常源，并對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)農(nóng)業(yè)地球化學(xué)區(qū)劃及整治治理提供技術(shù)依據(jù)。

1 樣品采集與分析

按DD2005－01《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250000）》要求，采用網(wǎng)格法對(duì)青海湖北部地區(qū)表層土壤（0～20cm）進(jìn)行采樣，每1km2采集1件表層土壤樣，每4km2組成1件分析樣；每4km2采集1件深層土壤樣，每16km2組成1件分析樣；加工到200目過(guò)篩送至安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所分析與重金屬污染和農(nóng)業(yè)相關(guān)的Cd、Hg、Pb、Zn等54項(xiàng)指標(biāo)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理、異常圈定后發(fā)現(xiàn)，孫家窯表層土壤中存在以Cd為主的綜合異常。為進(jìn)一步掌握異常的分布特征，查明異常成因及其來(lái)源，根據(jù)異常的發(fā)育情況，在異常區(qū)偏北部，穿過(guò)多元素異常中心布置了一條土壤水平剖面，在不同強(qiáng)度異常部位布置兩條土壤垂向剖面。為了追蹤異常源，在采集土壤剖面樣品的同時(shí)，采集了區(qū)內(nèi)主要類型的巖石樣品。采集了小麥、油菜、馬鈴薯及配套根系土樣品，評(píng)價(jià)了異常區(qū)的生態(tài)效應(yīng)（圖1）。

2 異常區(qū)元素地球化學(xué)特征

該異常屬表層土壤異常，異常主元素Cd的最大值為744×10－9，異常區(qū)平均值為443×10－9，面積為71．5km2，并伴生有Pb、Zn、Hg、Cr、As等元素異常（圖1），且異常套合較好。另外，該區(qū)還具有小面積的Mo、Se、F、Sr異常，具中低溫硫化物熱液元素組合特征［5］。異常帶總體呈東西向展布，但異常東、西兩側(cè)均未封閉。深層土壤中未形成異常。

2．1 水平剖面元素地球化學(xué)特征

異常區(qū)土壤水平剖面結(jié)果顯示（表1），異常元素Cd、Zn、Hg、Mo、As等的最大值分別為859．8×10－9，234×10－6，178×10－9，14．11×10－6和35×10－6，剖面異常元素含量均值明顯高于全區(qū)表層土壤均值。其中，Cd是全區(qū)均值的2．14倍，Zn、Hg元素異常區(qū)剖面均值是全區(qū)的1．3～1．5倍，但Pb、Cu、As元素僅略高于全區(qū)。

圖1 湟中孫家窯異常及查證工作布置圖

表1 孫家窯異常元素特征表

2．2 異常元素組合特征

從異常區(qū)表層土壤元素聚類分析譜系圖（圖2）可以得出4組元素組合，分別為：①Al、Fe、V、Co、Mn、Ce、La；②Zn、Cd、Pb、Cu、Ni、Se；③Cr、W、As、Sb；④Ca、Mg、Hg。

圖2 異常區(qū)土壤元素聚類分析譜系圖

其中，第②組元素組合正是湟中孫家窯異常主要元素，這些元素均具有親硫特征，屬中溫?zé)嵋涸亟M合［6－7］。異常出現(xiàn)在低山丘陵地帶，區(qū)內(nèi)無(wú)成規(guī)模的工礦企業(yè)，在排除人為污染的情況下，這樣的元素組合主要為自然地質(zhì)作用引起。

2．3 垂向剖面元素地球化學(xué)特征

異常中心部位的垂向剖面上Mo、Pb、As在不同土體深度內(nèi)含量未發(fā)生明顯變化，Cd和Zn元素在0－20cm的表層土壤中略呈富集；低緩異常處的剖面上Pb、Zn、Se在不同深度土壤中未出現(xiàn)明顯變化，Cd和Mo元素在表層略有積累。

2．4 異常元素相關(guān)性分析

異常元素Cd與Zn、Pb及Pb與Zn之間均表現(xiàn)出較明顯的相關(guān)性。Cd與Zn和Pb的線性復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0．55和0．78，Zn和Pb之間的線性復(fù)相關(guān)系數(shù)為0．54，線性相關(guān)關(guān)系明顯［8］。

異常元素之間的相關(guān)性同時(shí)出現(xiàn)于巖石中，異常西部的巖石樣品中Cd與Zn二者間的線性復(fù)相關(guān)系數(shù)為0．75，高于表層土壤的0．55。在自然地質(zhì)作用中，Cd、Pb、Zn等元素常常密切伴生。異常區(qū)內(nèi)，土壤中繼承了異常元素之間的相關(guān)關(guān)系。

分析認(rèn)為異常產(chǎn)于自然地質(zhì)背景中，元素組合具熱液硫化物元素組合特征，多數(shù)異常元素在不同土壤深度內(nèi)含量無(wú)明顯變化，土壤與母巖異常元素具有相似的相關(guān)性特征。因此可以判斷，該異常系由自然地質(zhì)作用引起。

3 異常源分析

為了追蹤異常源，采集了異常區(qū)內(nèi)的碎屑巖、砂巖和礦化碎屑巖樣品。巖石樣主要異常元素均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國(guó)雜砂巖平均含量，尤其是Cd、Se、Mo、As四元素顯著高于國(guó)內(nèi)雜砂巖含量均值。

異常區(qū)砂巖Cd含量范圍為205～985×10－9，平均為613×10－9，是國(guó)內(nèi)雜砂巖均值的6．5倍；碎屑巖中Cd含量范圍403～5062×10－9，平均為1458×10－9，是國(guó)內(nèi)雜砂巖均值的8．9倍。富集程度最高的是Mo元素，異常區(qū)砂巖和碎屑巖中平均含量分別為21．43×10－6和35．34×10－6，分別是國(guó)內(nèi)雜砂巖含量均值0．52×10－6的41倍和68倍。As元素在異常區(qū)砂巖和碎屑巖中分別富集了20．4倍和8．1倍；Se元素富集了24．4倍和48．7倍。其它異常元素Hg、Pb、Zn異常區(qū)巖石中亦高于中國(guó)雜砂巖含量均值，但富集程度相對(duì)弱些。

因此，湟中異常元素源于礦化作用所致的高含量成土母巖。推斷認(rèn)為，巖石受到硫化物熱液侵蝕作用，Zn、Cd、Pb、Cu、Se、Mo等元素含量增加，土壤繼承了巖石元素含量，形成孫家窯土壤異常。

4 農(nóng)作物安全性評(píng)價(jià)

在異常區(qū)采集了主要農(nóng)作物油菜籽、小麥及馬鈴薯樣品，并將其元素含量與國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限定值進(jìn)行比較（表2），以評(píng)價(jià)表層土壤所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)。評(píng)價(jià)得出各類農(nóng)作物中As、Hg元素均未超標(biāo)，且均遠(yuǎn)低于安全標(biāo)準(zhǔn)。小麥存在很大的安全隱患，其中Cu元素超標(biāo)80%，Pb元素超標(biāo)100%，Cd元素超標(biāo)100%，其中的9號(hào)樣品Pb超標(biāo)3．5倍。各異常元素中，Cd元素的安全隱患最大，三類作物中油菜籽Cd元素超標(biāo)60%，小麥和馬鈴薯100%超標(biāo)。

表2 孫家窯異常農(nóng)作物元素含量表

由表2可知，湟中異常引起了較為嚴(yán)重的作物安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是小麥的安全隱患最大。Cd元素的生物有效性最強(qiáng)，是各異常元素中風(fēng)險(xiǎn)最大的元素。

5 結(jié)論和建議

通過(guò)異常查證工作證實(shí)，湟中孫家窯地區(qū)土壤中的重金屬異常確實(shí)存在，該異常是由Cd、Pb、Zn、Hg、Cr、As等組成的綜合異常。異常元素源于礦化作用所致的高含量成土母巖，異常還引起了較為嚴(yán)重的作物安全風(fēng)險(xiǎn)，Cd元素的生物有效性最強(qiáng)，是各異常元素中風(fēng)險(xiǎn)最大的元素。

建議減少區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的種植，土地利用改為樹(shù)苗等培育基地，逐漸利用不食植物進(jìn)行生態(tài)環(huán)境修復(fù)，并進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)及區(qū)域化探資料，開(kāi)展該地區(qū)的礦產(chǎn)調(diào)查工作。

［1］ 青海省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院．青海省多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查（環(huán)青海湖北部地區(qū)）報(bào)告［R］．2012．

［2］ 青海省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室．青海土壤［R］．1997．

［3］ 周國(guó)華，等．浙江省農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)方法技術(shù)［M］．北京：地質(zhì)出版社，2007．

［4］ 李瑞敏，等．農(nóng)業(yè)地質(zhì)地球化學(xué)評(píng)價(jià)方法研究——土地生態(tài)安全之地學(xué)探索［M］．北京：地質(zhì)出版社，2007．

［5］ 于成廣，楊曉波，凌爽，等．遼河流域花生產(chǎn)區(qū)土壤地球化學(xué)特征分析與評(píng)價(jià)［J］．地質(zhì)調(diào)查與研究，2009，33（3）：187－193．

［6］ 余濤，楊忠芳，鐘堅(jiān)，等．土壤中重金屬元素Pb、Cd地球化學(xué)行為影響因素研究［J］．地學(xué)前緣，2008，15（5）：67－73．

［7］ 馬生明，朱立新，王之峰．平原區(qū)區(qū)域Cd地球化學(xué)異常成因及其生態(tài)效應(yīng)［J］．地質(zhì)通報(bào)，2004，23（11）：1083－1087．

［8］ 金立新，侯青葉，包雨函，等．德陽(yáng)鎘污染農(nóng)田區(qū)生態(tài)安全性及居民健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］．現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（6）：984－989．