溫嶺市表層土壤重金屬地球化學特征及其相關性淺析

王國強

（浙江省水文地質工程地質大隊，浙江 寧波 315000）

土地質量地質調查中，土壤環境背景值是最基本的地球化學參數之一，具有非常重要的理論和實踐意義[1]。通常認為，土壤環境背景值是指不受或者很少受人為活動影響或者現代工業污染的情況下，土壤化學組成或者元素的含量水平。由于人類活動與現代工業影響環境的普遍性，導致很難通過調查獲得絕對的土壤環境背景值。因此，土壤環境背景值僅是相對的概念，包括自然背景部分和外源污染物部分，即調查分析時，排除明顯污染和主要干擾后的地球化學特征值。

土壤環境背景值作為土壤地球化學的一項重要指標和基礎數據，為后續土壤環境的評價、土壤分區的規律、影響因素的研究和局部異常區的圈定提供了基礎數據[2]。土壤重金屬背景值的確定有助于研究和評價不同環境、地質、地理條件下重金屬的污染程度[3-5]，因此，本文以溫嶺市行政區域為例，對表層土壤重金屬元素背景值以及各重金屬元素間的組合特征、相關性進行了研究。

1 土壤重金屬元素背景值獲取和計算

1.1 調查區概況

調查區地處浙江省東南沿海臺州灣以南，長三角地區的南翼，三面臨海，屬浙東南沿海丘陵平原及島嶼區，有“四山一水五分田”之稱；調查區屬于中亞熱帶季風氣候，氣候溫和，四季分明，溫濕適中；地勢西高東低，西部和西南部為低山丘陵，北部、中部和東部為平原，地勢平坦，河流縱橫；在地質構造上屬浙閩地的東部邊緣，新華夏系第二個一級構造復式隆起帶南段東側，溫州—溫嶺深大斷裂以東的沿海地帶；分布有瀉湖相沉積物、濱海相（粉砂）淤泥、（中）酸性火山巖類風化物、富晶屑凝灰巖類風化物等8類成土母質，形成了紅壤、黃壤、粗骨土、潮土、濱海鹽土和水稻土等6種土壤類型[6]。調查涉及所有耕地及部分林地、園地區，面積約400 km2。

2002年5 月～2005年10月，工作人員對該區域范圍開展了1∶20萬的浙江省農業地質環境調查，研究了土壤地球化學背景值，揭示了浙東沿海地區元素背景值的特點和規律，本文根據溫嶺市土地質量地質調查的結果，初步確定表層土壤重金屬元素的背景值，并與前者獲取的資料作相應的對比。

1.2 土壤背景值樣品的獲取

本次土壤背景值規定統一采用土壤地球化學調查中的表層土壤樣品作為統計的樣品。研究對象以耕地為主，林地、園地適當調查，按照劃分的地球化學異常區（采樣密度11～12件/km2）、重要農業產區（采樣密度9～10件/km2）、低山丘陵區（采樣密度7～8件/km2）及一般耕地區（采樣密度4～6件/km2）4類調查密度分區，并且均勻布設樣品，表層土壤樣品平均采樣密度為9件/km2；每個樣品由5個分樣點等量均勻混合而成，并保證中心坑與四周分樣點20～50m距離，采樣時去除表面雜物，垂直采集地表0～20cm深的連續土壤樣品，使用不銹鋼鏟直接采取，并保證上下均勻采集。樣品中棄去動植物殘留體、礫石、肥料團塊等，且土壤樣品原始質量大于2kg。

樣品采集主要集中在上茬作物收獲以后，下茬作物尚未施用底肥和種植以前，同時，避開雨季作業。

樣品采集遵循代表性和典型性的原則，采集的樣品在單元內具有代表性，特別是土地利用的情況[7]，如在控制單元內連片水稻種植區則不采集種植蔬菜或種植苗木、果樹的土壤樣品；采集樣品離開公路、溝渠，同時還避開垃圾和可能存在污染的土壤，以及避開人工堆積土，如肥堆、糞坑、路邊、地頭、溝邊等。現場條件允許或周邊樣點距離較大時，要求遠離主干公路100m以上、一般公路50m以上、連片建筑50m以上、機耕路10m以上，田埂1m以上。

土壤樣品干燥壓碎后通過2mm（10目）的孔徑篩，未過篩的土粒經過重新碾壓過篩，直至全部樣品通過2mm孔徑篩為止。樣品由遼寧省地質礦產研究所分析測試，測試指標全量20項，其中本次研究的重金屬8項，嚴格執行了實驗室內部和外部質量監控，數據分析質量可靠。

1.3 樣品分析項目和方法

根據土地質量地質調查的需求，滿足規范要求并結合分析測試單位實際，采用X射線熒光光譜法(XRF)、等離子體質譜法(ICP-MS)和原子熒光光譜法(AFS)等分析方法，組合成先進、準確度和精密度高的分析體系和配套方案。土壤樣品重金屬元素分析方法與分析測試項目如下：

（1）X射線熒光光譜法(XRF)，分析項目為Cu、Pb、Zn、Ni、Cr共5項。

（2）等離子體質譜法(ICP-MS)，分析項目為Cd共1項。

（3）原子熒光光譜法(AFS) 分析項目為As、Hg共2項。

1.4 數據處理與計算

依據已有資料和實際情況，調查區表層分析樣品共3446件，即每個元素獲得3446個數據。由于可能存在環境異常，同一元素有離群的高值和低值，且不是所有數據均能以正態分布的形式存在，因此，依據浙江省農業地質環境調查成果，基準值的求取進行地球化學分布檢驗。在滿足正態分布狀態下進行統計計算，首先初步剔除異常數據，計算出所有樣品的平均值和標準偏差，按平均值±2倍標準偏差（X±2S）來剔除超出或低于這一范圍的離群數據，使其符合正態分布的要求，以此構成相應單元的背景區間以及背景值。

2 數據處理結果與討論

2.1 表層土壤重金屬元素地球化學特征

由于調查區內平原區分布區域較廣，其占調查比例最大，按上述數據處理和計算方法，樣本數據也相對具有代表性，并逐步剔除異常高值和低值后，計算出整個行政區耕地為主的范圍內覆蓋的區域土壤各重金屬元素或指標的背景值及統計參數，計算出來的平均值可以作為該行政區單元正常的背景值，見表1。

表1 全區表層土壤全量數據統計表（剔除2倍標準離差）

由表1看出，總體重金屬元素平均值含量均稍高于臺州市背景值，由此說明該元素在土壤環境中的存在和含量相對穩定，不易遷移轉化，或者說遷移轉化的水平處于動態平衡中；空間分布上重金屬元素的空間變化整體穩定，其與臺州市變異系數統計比較，變異系數或高或低，其中Cr、Ni仍然超過40%，空間變異性強烈揭示了局部地方依舊存在重金屬電源輸入，且短期內未能改變。綜上所述，土壤短期內受人類活動影響較小，局部區域依然保留著原來受人類活動影響的重金屬輸入現象，因此，當前統計的背景值能反映真實的背景情況。

2.2 主因子確定及元素組合

因子分析是用少數幾個因子描述許多指標或因素之間的聯系，即：用較少幾個因子反映原始數據的大部分信息的統計方法。該方法將多個具有錯綜復雜關系的因子歸結為數量較少的幾個綜合因子，這些少數的綜合因子可代表大多數因子的信息。本文通過提取大量數據的信息特征，了解代表性信息的分布情況。

本次選擇As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等主要重金屬元素進行因子分析。通過方差最大旋轉法，并結合正交旋轉載荷矩陣系數，統計中特征值方差貢獻百分比累積大于80%的水平提取主因子F1、F2，即可代表了大部分原始數據所提供的信息，見表2、表3。

表2 特征值及方差貢獻百分比一覽表

表3 正交旋轉載荷矩陣系數表

對各重金屬元素相關系數統計（表4），運用R型聚類分析方法，結合主因子載荷分布圖（見圖1、圖2），揭示了2種不同的元素組合形式：F1因子0.7以上代表的Cr-Ni組合①，F2因子0.5以上代表的Cd-Cu-Pb-Zn組合②。

圖1 層重金屬元素R型聚類樹形圖（組間聯結方法）

圖2 重金屬元素主因子載荷分布圖

表4 土壤重金屬元素相關性系數表（Pearson相關系數）

對上述組合進行相關性分析，表明組合②Cd、Cu、Pb、Zn本身作為親硫元素組合，具有一定的聚合性，且存在高度同源性，高背景濃集區主要集中在溫嶺市北西一帶；組合①Cr、Ni元素極顯著相關，高度同源，高背景濃集區主要分布在兩個區域，一片分布于橫峰街道-澤國鎮一帶，一片分布于新河鎮-箬橫鎮一帶，富集程度高度集中。各重金屬元素地球化學圖顯示的元素空間變異特征與上述分析相互印證，且對比前人浙東沿海丘陵平原區不同因子相關元素組合表5，顯示本次組合總體與前人研究結果呼應。

表5 溫嶺市與浙東沿海丘陵平原區因子重金屬元素組合對照表

3 結語

（1）通過溫嶺市土地質量的地質調查，本文初步給出調查區表層土壤重金屬土壤地球化學背景值，并與前人資料進行對比分析后，整體背景值符合溫嶺市的現狀，但后續對全區的其他表層測試元素數據背景值研究仍需要注意考慮地質背景、物質來源等因素的影響，且人類活動影響范圍廣泛，絕對意義上的土壤背景值難以獲得，需反復剔除異常值后，方可以從總體上反映該區土壤元素地球化學的背景特征。

（2）通過全區的重金屬元素聚類分析和不同因子元素組合與載荷的對比分析，得出該區表層土壤重金屬元素組合特征，不僅與前人研究成果相互呼應，還表明在長期的自然營力和人類活動影響下，表層土壤元素發生了遷移、分散和富集，由于該特點，造成重金屬元素相關性顯著等特征。通過因子分析，通常同一因子中的元素群相關性良好，具有同樣的來源，如農藥、交通、廢品回收、金屬拆解等活動常產生重金屬富集，不同污染源具有特定的污染元素組成，在此基礎上，仍需對大量元素、各類有益有害元素等組合相關性深入研究，為項目的亮點和提高服務。

（3）調查區表層土壤元素化學組成因成土作用和人為擾動等有所差異，通常在自然狀態下，元素的含量緩慢變化，但是由于人類活動直接或間接的影響，表現出表層土壤元素的表生遷移活動較強。因此，需要進一步研究不同土壤類型受人類活動影響的程度，并在后續研究過程中分區統計各類元素，查清全區的土壤元素背景，對比相關標準值，判斷調查區內的污染區，并且確定污染元素組合特征及范圍，為土壤環境污染源地追蹤和查證等相關研究提供基礎依據。