某地區(qū)土壤重金屬含量特征及影響因素研究

張麗

摘要：伴隨社會經(jīng)濟快速發(fā)展，土壤重金屬污染越來越成為人們關(guān)注的環(huán)境問題。為有效預(yù)防土壤重金屬污染，以福建某市區(qū)表層土壤為研究對象，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計分析、隨機森林等方法，研究重金屬元素含量特征及其影響因素，而土壤成因、土壤類型對重金屬形態(tài)組成的影響較小。研究表明土壤重金屬形態(tài)組成及其富集區(qū)與其全量不盡一致，土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價應(yīng)考慮土壤重金屬形態(tài)分布特征。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬;土壤成因;影響因素

1 樣品采集與分析測試

1. 1 樣品采集與加工處理

福建某區(qū)域地處九龍江下游，中部為沖積平原，北部、西部、南部三面環(huán)山，東南部臨海。地貌類型以侵蝕剝蝕地貌為主，平原次之。境內(nèi)土壤類型多樣，有平原區(qū)的水稻土、丘陵山區(qū)的紅壤、濱海地帶的濱海砂泥、沿江平原及濱海地帶的潮土。

根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)資料，以典型性、代表性為原則，兼顧樣點空間分布總體均勻性，在全市約1000km²范圍內(nèi)采集了表層土壤樣品56 件。在預(yù)設(shè)采樣點位處，采集表層土壤樣品。

1. 2 樣品分析方法及質(zhì)量控制

土壤樣品測定As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb等元素全量以及pH、CEC、有機質(zhì)等14項指標(biāo)。采用原子熒光光譜法測定As、Hg，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 及各重金屬形態(tài)含量，X熒光法測定Al、Fe、Si，滴定法測定CEC、有機質(zhì)，電位法測定pH，分析方法的檢出限。采用電感藕合等離子發(fā)射光譜法測定Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr 含量，原子熒光光譜法測定As、Hg含量。

測定土壤重金屬形態(tài)時，基本樣與重復(fù)樣一同分析，計算基本樣與重復(fù)樣測量值的相對偏差。除水溶態(tài)元素尤其是水溶態(tài)Cd重復(fù)分析相對偏差較大外，其他形態(tài)分析質(zhì)量均較好，全部單元素單形態(tài)分析數(shù)據(jù)合格，能夠滿足研究需求。

2土壤重金屬元素含量特征

土壤元素全量的地球化學(xué)統(tǒng)計參數(shù)與全國土壤元素含量算術(shù)平均值相比，該區(qū)域土壤重金屬元素Pb，Hg含量較高，這與該區(qū)域Pb地球化學(xué)高背景相吻合。由于地質(zhì)背景、土壤類型、土地利用方式豐富多樣，加上人為活動污染影響，例如西北部、中部平原區(qū)及東部地區(qū)規(guī)模化養(yǎng)豬場、造紙廠等點源污染的存在，造成土壤重金屬元素含量變化范圍較大，變異性較強。

對比成土地質(zhì)背景、土壤類型的分類統(tǒng)計可見：

（1）第四紀(jì)沖洪積區(qū)土壤中Hg，Zn含量較高，尤其是Hg元素。這一方面可能與第四紀(jì)沖洪積區(qū)地勢低注、是多數(shù)元素活化遷移后的匯集聚積場所有關(guān)，同時該區(qū)廣泛分布富含有機質(zhì)、薪土組分的水稻土，土壤對多數(shù)重金屬元素的吸附富集能力較強。

（2）該區(qū)域多以第四紀(jì)沖洪積物為成土母質(zhì)，而紅壤多以燕山期中酸性侵入巖為成土母質(zhì)，在成土母質(zhì)來源、成土作用過程以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、土礦污染等綜合影響下，導(dǎo)致水稻土中多數(shù)重金屬元素含量明顯高于紅壤。

（3）對比表明，第四系沖洪積成因水稻土有機質(zhì)含量較高，殘坡積與沖洪積成因土壤pH差異不大，酸性強于坡積一沖積成因土壤。

3土壤重金屬形態(tài)含量特征

3. 1重金屬元素形態(tài)含量與組成特征

土壤重金屬元素形態(tài)含量，由于元素地殼豐度以及表生地球化學(xué)性質(zhì)的巨大差異，各種元素的形態(tài)含量差異明顯。Cr，Cd的離子交換態(tài)含量明顯高于其他四態(tài)，此外，弱有機結(jié)合態(tài)As，Hg含量較高，說明土壤有機質(zhì)對As，Hg具有較強的吸附作用。

對比表明，各重金屬元素的形態(tài)組成比例相差很大。統(tǒng)計表明，龍海市土壤重金屬活動態(tài)占五態(tài)之和比例的排為：Cr>Cd>Ni>Zn>Hg>Pb>Cu>As。土壤重金屬形態(tài)組成是特定土壤條件下各種物理、化學(xué)及生物作用的平衡結(jié)果，當(dāng)土壤環(huán)境條件如酸堿度、有機質(zhì)、陽離子交換量等發(fā)生變化時，土壤重金屬元素的賦存形態(tài)必然發(fā)生轉(zhuǎn)化并達到新的平衡。

3. 2活動態(tài)重金屬組成特征

燕山期中酸性巖區(qū)土壤除Ni外的重金屬元素活動態(tài)占比均高于第四紀(jì)沖洪積及侏羅紀(jì)火山巖區(qū)土壤;除Cr，Ni活動態(tài)占比在沖洪積區(qū)土壤中略高外，其他重金屬元素活動態(tài)在殘坡積成因土壤中占比較高;不同類型土壤中，除紅壤的Ni活動態(tài)占比略低于水稻土外，其余重金屬元素活動態(tài)在紅壤中的占比均高于水稻土。

4土壤重金屬形態(tài)的影響因素

4. 1形態(tài)含量與全量的關(guān)系

土壤重金屬形態(tài)含量與全量的相關(guān)分析，As，Cu，Ni各形態(tài)含量與全量具有較好的相關(guān)性。除水溶態(tài)外，元素各形態(tài)量與全量均為顯著正相關(guān)，說明土壤Ni全量是決定其形態(tài)含量的重要因素。Pb，Zn的碳酸鹽結(jié)合態(tài)、弱有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)量與全量具有顯著正相關(guān)性。

4. 2土壤理化性質(zhì)對重金屬形態(tài)的影響

應(yīng)用隨機森林法分析了土壤理化性質(zhì)對重金屬形態(tài)的影響貢獻率，隨機森林是一種利用多棵樹對樣本進行訓(xùn)練并預(yù)測的一種分類器，主要通過R語言等編程土具實現(xiàn)。本文應(yīng)用R語言，分析了土壤有機質(zhì)、pH值、陽離子交換量、質(zhì)地、成土地質(zhì)背景、土壤類型等因素對土壤重金屬形態(tài)含量的影響率。

4. 2. 1土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)對離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)及弱有機結(jié)合態(tài)重金屬含量的影響率較大。研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)的積累會增加弱有機結(jié)合態(tài)重金屬的比例，而離子交換態(tài)比例則降低。說明土壤有機質(zhì)對重金屬元素形態(tài)組成具有顯著影響，且對不同元素的影響程度不盡相同。

4.2.2土壤酸堿度

pH值對重金屬形態(tài)尤其是水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)有明顯影響。其中，對水溶態(tài)As，Zn的影響率超過30%，是重要影響因素。對于多數(shù)重金屬元素碳酸鹽結(jié)合態(tài)的影響率在23%以上。有學(xué)者一研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)對土壤pH值較敏感，當(dāng)pH值下降時，碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬元素將活化釋放.

4.2.3土壤陽離子交換量

陽離子交換量對Ni元素形態(tài)的影響率較大，尤其是對弱有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)的影響率達30%以上。

4.2.4土壤質(zhì)地

大量研究表明，土壤質(zhì)地對土壤重金屬含量有一定的影響，土壤中重金屬等微量元素與常量組分鐵、鋁、硅含量間密切相關(guān)，常量組分的比值在一定程度上反映了土壤質(zhì)地組成特征。

4. 3成土地質(zhì)背景與土壤類型的影響

地質(zhì)背景因素對多數(shù)重金屬元素形態(tài)組成具有一定的影響，但總體來看影響率較小，僅對水溶態(tài)Ni，離子交換態(tài)Ni，Cr碳酸鹽結(jié)合態(tài)、弱有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)Ni，As的影響率較高。事實上，土壤類型是成土母質(zhì)、成土作用、土地利用等綜合作用的結(jié)果，不同類型土壤的理化性質(zhì)不同，因此，土壤類型對重金屬元素形態(tài)的影響是前述各種因素的綜合反映。隨機森林分析表明，成土母質(zhì)類型對土壤重金屬形態(tài)的影響率總體較小，但對Cd，Cr，Pb某些形態(tài)的影響率較大。

5結(jié)論

通過對福建某市區(qū)表層土壤重金屬元素地球化學(xué)特征研究，可知第四紀(jì)沖洪積成因的水稻土中重金屬元素全量較高;復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件加上人為污染影響，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)土壤重金屬變異性較強;平原區(qū)水稻土重金屬元素較為富集，而燕山期中酸性巖風(fēng)化形成的殘坡積紅壤中重金屬元素活動態(tài)含量較高;As，Cu，Ni形態(tài)含量與各自全量具有較好的相關(guān)性;隨機森林法研究表明，土壤有機質(zhì)對弱有機結(jié)合態(tài)重金屬以及離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd，Zn有重要影響。

參考文獻

[1]鐘曉蘭，周生路，黃明麗，等土壤重金屬的形態(tài)分布特征及其影響因素[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，18（4）：1266-1273.

（作者單位：河北省地礦局第四地質(zhì)大隊）