恩施市龍鳳鎮土壤鎘元素地球化學特征及影響因素分析

李澤威,鐘建彪,王明華,萬傳杰,岳永強

(湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

恩施市龍鳳鎮土壤鎘元素地球化學特征及影響因素分析

李澤威,鐘建彪,王明華,萬傳杰,岳永強

(湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

在對恩施市龍鳳鎮全區進行1∶5萬土壤地球化學調查的基礎上,依據土地質量地球化學評價規范,以鎘元素為評價對象,評價龍鳳鎮鎘元素土壤環境質量地球化學等級,分析研究區鎘污染形成的影響因素。成果顯示,研究區鎘污染程度較高,較嚴重鎘污染土壤面積占比11.83%,鎘元素土壤環境質量主要受區內成土母質、土壤類型以及酸堿度的綜合影響;研究區屬于高鎘高硒區,鎘和硒元素之間存在正相關性,推測鎘和硒元素來源于相同的成土母巖。

環境質量;重金屬;鎘;污染指數

自從1955年日本神通川發生聞名于世的骨痛病以來,鎘污染及其防治引起了世界各國的廣泛關注[1]。中國土壤鎘污染程度高,目前土壤鎘污染面積超過總耕地面積的1/6,嚴重影響了農業經濟的發展[2-3],鎘污染問題日益嚴峻,鎘污染治理研究也更加深入。根據鎘污染來源和成因差異,目前土壤鎘污染的修復方法主要劃分為工程技術措施、物理修復措施、化學修復措施、生物修復技術及農業生態修復方法等[4-5]。而本文以恩施市龍鳳鎮為例,結合化探手段和GIS數據處理系統,綜合研究土壤鎘元素含量的地球化學特征和影響因素,為下一步探討研究區鎘污染防治措施提供依據。

1 采樣及分析

1.1 研究區概況

龍鳳鎮位于恩施市北郊,距市中心10 km,是離恩施市最近的鄉鎮,“318”、“209”兩條國道從集鎮中心交匯而過,宜萬鐵路、滬蓉西高速公路均從集鎮規劃區經過。該鎮地理坐標極值為東經109°19′～109°36′、北緯30°20′～30°32′,國土面積277.17 km2(圖1)[6]。

該區地處鄂西南褶皺山地,中心集鎮部分坐落在恩施紅色斷陷盆地中,山脈走向、地形地貌特征受區域構造線控制。研究區屬揚子地層區上揚子地層分區八面山小區,地層出露較為齊全,從古生界寒武系至新生界第四系均有分布,區內構造主要由一系列北東—北北東向褶皺帶和斷裂組成,其中褶皺主要有北西部的背斜帶和南東部的向斜帶;斷裂主要有建始大斷裂、龍鳳壩斷裂等。區內土壤類型以黃棕壤、黃紅壤、黃壤為主,有少量石灰土、紫砂土、紫泥土、泥田等,其中黃棕壤分布最廣,黃紅壤次之,土壤成土母質來源有差異,主要為碳酸鹽質、泥質、石英質等[6-7]。

圖1 研究區交通位置圖Fig.1 Study area traffic location map1.自治州人民政府駐地;2.市轄區人民政府駐地;3.鄉鎮人民政府駐地、街道辦事處駐地;4.機場;5.水庫;6.河流;7.單線鐵路及車站;8.高速公路;9.國道及編號;10.縣道;11.鄉道。

1.2 采樣及分析方法

1.2.1 采樣方法

采集樣品以工兵鍬為械具,標準化地采集地表0～20 cm的原始新鮮土壤,去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團塊等雜物。為增加土壤樣品的代表性,采樣時以1處為主(作為定點位置),在采樣點周圍50 m范圍內多點采集3～5個子樣組合為一個樣品。其中樣品原始重量應不低于1 000 g,每個樣品保證截取的粒級樣品<20目部分,重達500 g[7-8]。研究區內采樣密度平均3.7點/km2,采樣比例尺基本達到1∶50 000,工作面積277.17 km2,共采集表層土壤樣1 015件,重復樣20件。

1.2.2 分析方法

樣品測試工作主要由湖北省地質實驗測試中心完成,測試方法采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS),分析質量均達到中國地質調查局地質調查技術標準《土地質量地球化學評估技術要求(試行)》(DD2008—06)等相關技術標準的要求。

1.2.3 評價方法及標準

(1) 評價單元模型。利用MapGIS、Section、GeoTools等地理軟件對研究區所有圖斑進行分割共劃分為17 155個圖斑,然后對每個圖斑添加屬性數據,通過對每個圖斑的屬性進行編輯來實現對研究區全區所有數據的統計分析[9]。

(2) 單元素環境質量等級評價方法。依據《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)的規定,按土壤應用功能和保護目標劃分,研究區土壤屬于Ⅱ類土壤,適用二級土壤質量標準,即使用適用于一般農田、蔬菜、果園、牧場等土壤的質量標準,其土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染。

依據《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)的“土壤環境地球化學等級”的規定[10],Cr元素等級劃分如下。

① 按公式:

式中:Ci為土壤中污染指標i的實測質量分數,單位為毫克每千克(mg/kg);Si為土壤中污染物指標i在《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)中給出的二級標準值,單位為毫克每千克(mg/kg)。

② 按照土壤單項污染指數環境地球化學等級劃分界限值(表1)進行單元素土壤地球化學等級劃分。

表1 土壤環境地球化學等級劃分Table 1 Geochemical classification of soil environment

2 結果與討論

2.1 鎘元素地球化學特征分析

2.1.1 鎘元素含量特征

本次統計的鎘元素地球化學特征的數據源自研究區1 015件土壤樣本,對數據進行統計后得到研究區土壤中各重金屬元素含量的算術平均值、背景值、標準離差、最大值、最小值、變異系數、眾數以及KK1值、KK2值。在數據整理過程中為使元素滿足正態分布,背景值、標準離差、變異系數取對原始數據進行了異常值剔除之后的數據,表中KK1=表層土壤背景值/全國土壤均值,KK2=表層土壤背景值/江漢流域表層土壤背景值,詳見表2。與中國土壤均值和湖北省所轄的江漢平原表層土壤的背景值相比較[11],研究區鎘元素KK1、KK2值分別為5.952、3.125,表現極富集。

表2 研究區鎘元素特征值統計表Table 2 Statistical table of cadmium element in the study area

2.1.2 鎘元素空間分布特征

研究區鎘元素背景值較高。如圖2所示,較低值區域主要分布在三河村以及西流水林場—龍馬村、柑子坪村一帶區域。高值區域分布廣,主要分布在研究區東南部的店子槽村、杉木壩村、雙堰塘村—三龍壩村、向家村一帶及研究區西南部的碾盤村最南端。鎘元素土壤環境質量評價成果顯示如圖3,研究區鎘清潔土壤和輕微污染土壤面積占比70.31%,輕度污染土壤面積占比17.86%,中度—重度鎘污染土壤面積占比11.83%。研究區鎘污染問題較嚴重的區域面積達82.29 km2。

2.2 土壤鎘污染影響因素分析

研究區重金屬污染主要為鎘污染。調查顯示,研究區人工活動造成的鎘污染現象很少,鎘元素污染主要與土壤的酸堿度、成土母質及土壤類型有關。

圖2 研究區鎘元素等值線圖Fig.2 Isogram of cadmium element in the study area1.村名及村界;2.小路;3.水系;4.工作區。

圖3 研究區鎘元素土壤環境地球化學等級評價圖Fig.3 Evaluation of soil environmental geochemical grade of cadmium element in the study area1.村名及村界;2.水系;3.小路。

2.2.1 研究區土壤酸堿度情況

研究區土壤以酸性土壤為主,次之為中性和堿性土壤(圖4),區內酸堿度分布狀況見表3所示。經過統計分析發現,鎘元素含量與pH值的相關系數為0.125,而鎘元素環境等級與pH值等級的相關系數為-0.137,初步推斷酸性環境易導致鎘污染,而堿性環境對鎘污染有輕微抑制作用,鎘元素在酸性環境中的活動性和遷移能力要比在堿性環境中強。

圖4 研究區土壤酸堿度等級圖Fig.4 Soil pH scale in the study area1.村名及村界;2.水系;3.小路。

表3 土壤酸堿度等級表Table 3 Soil pH scale table

2.2.2 研究區成土母質情況

將研究區樣品按不同母質單元統計鎘元素特征值列于表4,表中顯示出鎘元素分布與成土母質的地質屬性關系密切,其中石炭系和二疊系母質區內鎘元素平均值和中位數明顯高于其他成土母質區。

表4 不同成土母質的鎘元素特征值統計表Table 4 Eigenvalue of cadmium element in different soil parent materials

注：表中各項統計值的單位為mg/kg。

為了考察不同母質單元對鎘元素分布的影響,以此次土壤區域背景值為基礎,將各地質單元鎘元素的均值與背景值的比值作為富集系數(K)[6],將K值按1.0、1.50、2.0、3.0間隔作富集程度分級劃分為五級,分別為貧乏(K<1.0)、適中(1.0≤K≤1.5)、相對富集(1.5≤K≤2.0)、富集(2.0≤K≤3.0)、強富集(K>3.0),所得結果見表5。二疊系和石炭系母質區屬于鎘元素富集、強富集區,明顯高于其他母質區對鎘元素的富集程度。

2.2.3 研究區土壤類型情況

表5 不同成土母質鎘元素富集度統計表Table 5 Statistical table of cadmium enrichment in different soil parent materials

注：表中統計數據為富集系數,“K”為無量綱。

鎘元素在不同類型土壤區的平均值分布如表6所示,在泥質巖黃棕壤性土、水稻土二類土壤中鎘元素平均值最高。依據上述富集度的定義[12],得到不同類型鎘元素富集度統計情況如表7所示。按富集度的分級標準,泥質巖黃棕壤性土區域為強富集區,對鎘元素的富集程度均明顯高于其他類型土壤。

表6 不同類型土壤鎘元素平均值表Table 6 Average value of cadmium in different types of soils

注：表中各項統計值的單位為mg/kg。

表7 不同類型土壤鎘元素富集度統計表Table 7 Statistical table of cadmium enrichment in different types of soils

注：表中統計數據為富集系數,“K”為無量綱。

2.3 鎘元素與硒元素的相關性分析

研究區屬于恩施地區典型的高鎘高硒區,硒元素整體含量高,其含量極高值區與鎘元素高值區基本一一對應。對土壤總鎘含量和總硒含量相關性分析得到,兩種元素相關系數為0.49,屬于中度正相關。如表8所示,不同地層中鎘和硒元素含量相關性存在差異,其中在志留系、石炭系、白堊系地層中存在明顯高度正相關;如表9所示,不同土壤類型中鎘和硒含量基本為中度正相關。經過兩種元素相關性對比分析,初步推斷鎘元素與硒元素物質來源一致,具有相同的成土母質,同時更進一步證明了成土母質對鎘元素含量分布起主要作用。

表8 不同成土母質的硒鎘相關系數統計Table 8 Correlation coefficient statistics of selenium and cadmium in different soil parent materials

3 結論

(1) 研究區鎘污染程度較高,范圍較廣,較嚴重鎘污染區占比面積11.83%;鎘元素在不同的成土母質、土壤類型以及土壤酸堿度的環境中含量分布有差異,鎘元素土壤環境質量主要受區內成土母質、土壤類型以及酸堿度的綜合影響。

表9 不同類型土壤的硒鎘元素相關系數統計Table 9 Correlation coefficient statistics of selenium and cadmium in different types of soils

(2) 研究區屬于高鎘高硒區,鎘硒元素含量分布整體呈中度正相關,在不同地層中呈現中度—重度正相關,推測鎘硒元素來源于相同的成土母巖。

致謝:野外工作和資料整理得到湖北省地質局第二地質大隊“金土地”項目小組的幫助,特此感謝。同時感謝王明華主任、李明龍主任和其他領導的指導幫助,深致謝意。

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(責任編輯：于繼紅)

Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Cadmiumin Soil of Longfeng Town,Enshi City

LI Zewei,ZHONG Jianbiao,WANG Minghua,WAN Chuanjie,YUE Yongqiang

(SecondGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Enshi,Hubei445000)

Based on the soil geochemical survey of 1∶50 000 of Longfeng Town,Enshi City,the geochemical grade of soil environmental quality of the cadmium element was evaluated,and the influencing factors of cadmium pollution were analyzed in Longfeng Town,according to Specification of Land Quality Geochemical Assessment.The results showed that the cadmium pollution in the study area was higher,and the soil area of severe cadmium pollution was 11.83%,and the soil quality of cadmium was mainly affected by soil parent material,soil type and pH value.The study area was high cadmium and high selenium region,there is a positive correlation between cadmium and selenium.It is speculated that cadmium and selenium elements are derived from the same soil parent rock.

environmental quality; heavy metals; cadmium; pollution index

S151.9+3; S159

A

1671-1211(2017)05-0563-05

2017-03-30;改回日期2017-05-31

李澤威(1988-),男,工程師,碩士,地質勘查專業,從事礦產地質、農業地質及環境地質方面工作。E-mail:yangwa_lzw@163.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170830.1152.004.html數字出版日期2017-08-30 11:52

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.011