四川北部林地土壤地球化學特征分析

王玥琳　胡冀珍

摘要：【目的】對四川北部林地土壤地球化學特征進行宏觀分析及重金屬污染評估，為該地區林地土壤的物質組成研究及土地資源保護與合理利用提供科學依據。【方法】通過實地樣品采集與數據分析，對四川北部平武、北川地區林地土壤元素含量特征進行分析，并運用單項污染指數（Pi）法和內梅羅綜合污染指數（Pn）法進行土壤重金屬污染評價。【結果】平武林區淺、深層土壤中As、Cd、Hg、Pb、Zn元素含量均高于全國平均值，北川林區則是Cd、Hg、Mn、Pb、Zn元素含量高于全國平均值。平武林區土壤重金屬元素中As與Hg、Cd與Zn呈極顯著正相關（P<0.01，下同），北川林區則是As與Cd、Hg，Cd與Hg、Pb、Zn，Pb與Hg、Zn呈極顯著正相關。平武林區土壤重金屬Pi排序為Cd>Zn>As>Hg>Pb，其中，Pb元素處于清潔狀態，As、Hg、Zn元素屬輕度污染，Cd元素屬重度污染；北川林區土壤重金屬Pi排序為Cd>Zn>Pb>As>Hg，其中，As、Hg元素處于清潔狀態，Cd、Pb、Zn元素屬輕度污染。平武和北川林區土壤的Pn分別為5.502和1.494，北川屬輕度污染，平武屬重度污染。【結論】四川北部地區林地土壤中Cd、Hg、Pb、Zn等重金屬元素含量均高于全國平均水平，部分林地已達重度污染，且以Cd元素的污染貢獻最大。

關鍵詞： 林地土壤；重金屬；相關性；單項污染指數（Pi）；內梅羅綜合污染指數（Pn）；四川北部

中圖分類號： S714.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）03-0365-06

0 引言

【研究意義】土壤是生態環境的重要組成部分，也是人類賴以生存的主要自然資源之一。隨著人們對生態環境認識的增強，生態地球化學調查的研究逐步深入，元素地球化學與土壤學的結合也日趨緊密（廖啟林等，2011）。自然與人為成土因素影響或控制著土壤的形成，土壤地球化學特征則體現了兩者間的相互制約及綜合效應（代杰瑞等，2012）。此外，土壤地球化學特征與土地資源的保護利用及生態安全密切相關，也是評價土壤污染程度的重要依據。土壤中重金屬主要來源于成土母巖和生物的殘落物，但隨著工業化、城市化的高速發展及農藥的廣泛使用，土壤中重金屬的含量發生了明顯變化。重金屬元素在土壤中移動性差，滯留時間長，且不易在生物物質循環和能量交換中分解，極易污染生態環境及威脅人類健康。因此，研究土壤地球化學特征并進行土壤重金屬污染評價，對了解當地土地資源物質組成、揭示土壤污染程度及制訂污染治理修復目標具有重要指導意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤環境風險評估包括人體健康風險評價和生態風險評價（張東和張楚兒，2015）。一些發達國家已建立有完整的土壤風險評估體系，如美國法庭所通用的生態環境風險評價方法（Toxicity characteristic leaching procedure，TCLP）（Chang et al.，2001）。Rapant和Kordik（2003）提出的環境風險指數法及H■kanson（1980）提出的潛在生態危害指數法是目前重金屬風險評價最常用的方法。國內對土壤地球化學特征的研究主要集中在礦產預測、礦區污染評價、耕地重金屬污染及地方性土壤地球化學基準值與環境背景值調查等方面。龔子同等（1998）認為，根據我國土壤地球化學的類型和分布格局，因地制宜、因土種植、合理施肥對促進我國農業的持續發展具有重要意義?？潞Ａ幔?005）對陜西潼關金礦區農田土壤重金屬的環境地球化學特征及污染現狀和趨勢進行分析，發現長期的重金素污染累積使地表水和土壤遠超過了系統的環境容量，形成新的二次污染源，從而使最初的點狀型和線狀型污染源擴展為現在的面型污染源。張善明等（2011）通過論證運用傳統的土壤地球化學尋找深部礦體的可行性及有效性，發現反向運用土壤地球化學尋找深部礦體仍然有效。陳興仁等（2012）調查研究了安徽省江淮流域表層和深層土壤地球化學基準值、背景值，認為土壤地球化學基準值受地質背景、物質來源等因素影響。佘娟娟等（2014）分析了鉛鋅冶煉廠周邊土壤6種重金屬（As、Cr、Zn、Cu、Pb、Fe）的含量分布、空間結構及其分布特征，結果表明冶煉廠周邊土壤重金屬污染程度不同，以Pb、Cr和Zn為主，其次為As、Cu和Fe。【本研究切入點】目前，對川北地區森林土壤的研究較少，特別是對該地區土壤地球化學特征和重金屬污染評價的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】以四川北部的平武、北川林區土壤化學組分的試驗數據為依據，對該地區土壤地球化學特征進行宏觀分析及重金屬污染評估，以期為川北地區林地土壤的物質組成研究及土地資源保護與合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

平武縣地處四川盆地西北部（東經103°50′31″～ 104°59′13″，北緯31°59′31″～33°02′41″），海拔范圍在600～5400 m，海拔1000 m以上的山地面積占總面積的94.33%；屬亞熱帶季風氣候，年降水量807.6 mm；全縣共有5個土類、7個亞類、12個土屬、36個土種，其中海拔600～1500 m為黃壤，1501～2500 m為黃棕壤，質地以壤土為主，黏土和沙土均有分布。北川縣位于綿陽市西北部，地處四川盆地向川西高原的過渡帶（東經103°44′44″～104°43′4″，北緯31°41′30″～32°13′08″），以海拔1000～1500 m的低中山為主，山地面積占總面積的98.8%，坡度≥25°的山坡面積占總面積的70.9%；屬亞熱帶濕潤季風氣候，年降水量1417.0 mm，相對濕度70%；全縣有9個土類、14個土屬、35個土種，農耕土地多處于海拔1500 m以下的黃壤地帶內，森林土壤多為山地黃棕壤、山地暗棕壤。

1. 2 樣本采集

在平武到北川境內，按照高山—低山—丘陵—平原，選擇一條有利于通行且能代表調查區域的樣帶。根據研究區主要森林類型，選擇調查樣地，記錄樣地各項環境指標。森林類型主要是箭竹林、山楊林、冷杉林、柏木林等。采樣點以鋸齒型均勻分布，采用多點混合土樣方法采集土樣，每份混合土樣由20個樣點組成，取1 kg左右，每個樣點的取土深度和重量保持一致，并按照淺層（A層）、深層（C層）采集土壤。

1. 3 測試項目及方法

巖石、礦石和土壤樣品微量分析在國土資源部成都礦產資源監督檢測中心完成。首先將樣品粉碎至200目，然后稱重溶樣，按照DZG 93-2009標準，利用ICP-MS儀器進行分析，分析元素為Al2O3、As、B、CaO、Cd、Hg、K2O、MgO、Mn、Mo、N、有機碳（OrgC）、P、Pb和Zn，共15種。

1. 4 土壤污染程度評價

采用單項污染指數（Pi）法（陳文德等，2012）和內梅羅綜合污染指數（Pn）法（張從，2002）進行土壤重金屬污染程度評價，以國家土壤環境質量標準（GB 15618-1995）一級質量標準和土壤污染分級標準（表1）為依據，比較說明研究區土壤環境重金屬污染狀況。

Pi=Ci /Si

式中，Pi為土壤的單項污染指數，Ci為土壤元素實測值，Si為土壤元素評價標準值，i代表某種污染元素。

Pn={[Pi （ave）2+Pi （max）2]/2}1/2

式中，Pn為i重金屬元素的內梅羅污染指數，Pi （ave）為土壤各污染指數平均值，Pi （max）為土壤重金屬元素中污染指數最大值。

1. 5 統計分析

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行數據處理與統計分析。

2 結果與分析

2. 1 土壤元素地球化學含量特征

與全國土壤A層元素含量平均值（鄢明才等，1997）相比，平武林區淺層土壤含量偏高的元素有As、B、CaO、Cd、Hg、Mn、Mo、N、P、Pb和Zn（表2），其中Cd元素為全國平均值（A層）的14.9倍、Pb元素為1.2倍、Hg元素為4.9倍、Zn元素為2.1倍；含量偏低的為Al2O3、K2O、MgO等3種氧化物，Al2O3是全國平均值的98.25%，K2O和MgO分別為全國平均值的87.12%和86.78%。北川林區淺層土壤含量偏高的有Al2O3、K2O、MgO等3種氧化物及B、Cd、Hg、Mn、N、P、Pb、Zn等8種元素（表3），其中Hg元素為全國平均值（A層）的1.75倍、Cd元素為4.1倍、Pb元素為1.5倍、Zn元素為1.8倍，含量偏低的是As、Mo和CaO元素。與全國土壤C層元素含量平均值（山東省土壤肥料工作站，1994）相比，平武林區深層土壤As、Cd、Hg、Pb、Zn等元素高于全國平均值；北川林區深層土壤Cd、Hg、Mn、Pb、Zn等元素高于全國平均值。

土壤淺層與深層是由相同成土母質發育而成，其元素含量特征理應相同，但在成土過程中表層土壤受風化淋溶作用及工業排放、農藥使用等人類活動的影響，其含量會發生明顯變化。對比平武和北川兩個林區的淺、深層土壤可以看出，平武林區CaO、MgO、Hg、Mo在淺層土壤的含量低于深層土壤，其余元素及氧化物含量則表現為淺層土壤高于深層土壤，其中B、N、P、Mn、Cd元素的富集系數為1.400～3.300；北川林區淺層土壤中Al2O3、K2O、MgO、CaO、P含量低于深層土壤，而其余元素含量均高于深層土壤，其中Cd、Hg、N元素的富集系數為1.500～2.400。在平武和北川兩個林區土壤中均以OrgC的富集系數最高，分別為5.047和3.473，也說明成土過程與人類活動對土壤自然成分的改造較明顯。

2. 2 淺層土壤與深層土壤元素含量的相關性分析結果

根據相關性分析結果（表4）可知，平武林區淺、深層土壤中As、Cd、K2O、MgO、Mo具有強相關性，其余相關性較弱或不相關；北川林區淺、深層土壤中Al2O3、K2O、As、Cd、Hg、MgO、Mn具有強相關性，說明這些成分在本研究林區內未受或很少受到人類活動的干擾和污染，在淺、深層土壤中呈顯著（P<0.05，下同）或極顯著（P<0.01，下同）正相關。由此推測，四川北部林區淺、深層土壤的成土物質基本一致，深層土壤元素的地球化學含量可反映表層土壤的原始沉積量，而其含量差值在一定程度上說明存在人為活動的影響。

2. 3 重金屬間相關性分析結果

通過土壤中重金屬的相關性可推測重金屬的來源是否相同，若重金屬含量顯著相關，說明其具有相同來源的可能性較大，反之則來源不同（朱建軍等，2006）。由表5可知，北川林區土壤重金屬間普遍存在極顯著相關，即各重金屬元素具有一定的同源性，其中，As與Cd、Hg的相關系數分別為0.605和0.865，Cd與Hg、Pb、Zn的相關系數為0.684、0.843和0.653，Pb與Hg、Zn的相關系數分別為0.602和0.640，均呈極顯著正相關。平武林區土壤重金屬間也存在一定的相關性，As與Hg、Cd與Zn的相關系數分別為0.857和0.779，均呈極顯著正相關；Hg與Zn間呈顯著相關，相關系數為0.710。說明這些重金屬間的關系密切，相互影響程度較高。

2. 4 土壤污染程度評價結果

據土壤重金屬Pi分析可知，北川林區土壤的As、Hg元素處于清潔狀態，Cd、Pb、Zn元素屬輕度污染，其排序為：Cd>Zn>Pb>As>Hg；平武林區土壤的Pb元素處于清潔狀態，As、Hg、Zn元素屬輕度污染，而Cd元素Pi為6.720，屬重度污染，其排序為：Cd>Zn>As>Hg>Pb（表6）。據土壤重金屬Pn分析可知，北川林區土壤的重金屬Pn為1.494，屬輕度污染；平武林區土壤的重金屬Pn為5.025，屬重度污染，其中以Cd元素的貢獻最大。

3 討論

本研究結果表明，平武林區As、Cd、Hg、Pb、Zn元素和北川林區Cd、Hg、Mn、Pb、Zn元素在淺、深層土壤中的含量均高于全國平均值，說明這些元素存在一定的局部聚集或點源污染，與方曉波等（2015）的研究結果相似，但與繆白玉等（2011）的研究結果存在較大差異，可能是土壤中重金屬元素含量因地質條件、成土過程及人類活動的影響而存在差異。對土壤重金屬間的相關性分析結果表明，平武林區土壤中As與Hg、Cd與Zn極顯著正相關，Hg與Zn存在顯著正相關；北川林區土壤中As與Cd、Hg，Cd與Hg、Pb、Zn，Pb與Hg、Zn均極顯著正相關，說明這些重金屬間的關系密切，可能具有相同的污染來源，尤其是一種重金屬元素的增加將導致另一種重金屬元素增加，很可能已造成復合污染。此外，相同的成土母質、母巖或相似的土壤發生化學過程也可能導致土壤重金屬間存在顯著相關性（馬軍等，2011）。

本研究同時采用單項污染指數法（陳文德等，2012）和內梅羅綜合污染指數法（張從，2002）進行土壤污染程度評價，結果顯示，據單因子污染指數（Pi）分析可知，北川林區土壤的As、Hg元素處于清潔狀態，Cd、Pb、Zn元素屬輕度污染；平武林區土壤的Pb元素處于清潔狀態，As、Hg、Zn元素屬輕度污染，Cd元素屬重度污染。據內梅羅綜合污染指數（Pn）分析結果顯示，北川林區土壤重金屬污染程度為輕度污染，而平武林區達重度污染，主要是由于Cd元素的Pi過高所造成，即Cd元素對污染的貢獻最大。但平武林區的As、Cd、Hg、Zn元素與北川林區的As、Cd、Hg元素在淺、深層土壤中具有強相關性，即這些元素在四川北部林區內未受到或很少受到人類活動的干擾和污染，其含量主要取決于當地的地質背景，說明四川北部林區土壤重金屬背景值較高可能是導致重金屬含量超標的主要原因。

4 結論

四川北部地區林地土壤中Cd、Hg、Pb、Zn等重金屬元素含量均高于全國平均水平，部分林地已達重度污染，且以Cd元素的污染貢獻最大。

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（責任編輯 蘭宗寶）