鄂西山區表層土壤重金屬元素背景值研究

萬 翔， 胡尚軍， 陳玉茹

(湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034)

確定土壤重金屬元素背景值可為合理制訂土壤環境質量標準提供科學依據，是指導土壤重金屬污染監測、評價和治理工作的基礎[1-2]。土壤重金屬元素背景值研究一直受到國內外土壤學、地質學及環境科學領域的關注。中國土壤重金屬元素背景值研究始于20世紀80年代[3-4]，當時在全國范圍開展了系統的土壤元素背景值調查工作，獲取了中國41個土類61種元素(包括重金屬元素)的背景值[5]。但是，該項工作受時間、經費等限制，在湖北省僅采集了92個點的土壤樣品，相對于全省18.59萬km2的國土面積來說，取樣點數量偏少、代表性不夠。湖北省境內地形地貌多樣，成土母巖歷經的地質演化過程十分復雜，導致省內土壤元素背景值差別較大。近年來在開展湖北省土壤地球化學調查研究時，往往以全國土壤元素背景值為依據進行環境質量評價，顯然會存在“以偏概全”等諸多問題。因此，早期確定的湖北省土壤重金屬元素背景值已經滿足不了當前全省土壤地球化學調查研究、自然資源管理、生態環境保護修復等工作的需要。

鄂西山區由于地質高背景的影響，表層土壤(0～20 cm)中重金屬元素含量較高，與全國土壤重金屬元素背景值存在較大差異，在全省具有其獨特性。在進行土壤環境質量評價時，以區域土壤重金屬元素背景值作為依據更為合理[6-7]。然而目前尚無系統全面的土壤重金屬元素背景值資料，因此亟需解決這個問題。本研究以2014—2016年完成的《湖北省長陽—恩施地區1∶25萬多目標地球化學調查》項目成果數據為基礎，對該區中高山地區表層土壤樣品的8種重金屬元素(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn)進行統計分析，提出鄂西山區表層土壤重金屬元素含量的推薦背景值，為相關生產和科研工作提供更準確可靠的基礎資料。

1 研究區概況

研究區位于湖北省西南部，行政區劃隸屬恩施土家族苗族自治州和宜昌市管轄，包括巴東、建始、恩施、利川、宣恩、咸豐、來鳳、秭歸等8個縣(市)(圖1)。地理坐標為東經108°23′12″～111°37′53″，北緯29°07′10″～30°58′58″，面積1.71萬km2。區內地貌以碳酸鹽巖組成的高原型山地為主體，兼有碳酸鹽巖組成的低山峽谷與溶蝕盆地、砂巖組成的低中山寬谷與山間紅色盆地。區內地形復雜，平均海拔1 000 m，海拔最高點為巴

圖1 研究區范圍及表層土壤組合分析樣分布圖Fig.1 Distribution map of study area and analysis sample of surface soil combination

東縣靠近神農架主峰的大窩坑(3 032 m)，海拔最低點為巴東縣長江邊的紅廟嶺(66.8 m)。區內總體為中高山地貌景觀，地形陡峻、植被茂密、水系發育、雨量充沛、氣侯溫潤。

研究區處于揚子準地臺北緣，地跨上揚子臺坪、四川臺拗兩個二級構造單元，發育一系列具多期次活動特征的NE-NNE、EW-NEE向褶皺帶和斷裂帶。區內地層屬華南地層大區揚子地層分區，從老到新出露中元古代、新元古代、古生代、中生代及新生代地層。區內最老地層為走馬坪背斜核部小面積出露的中元古界冷家溪群淺變質巖，巖性主要為板巖、千枚巖等，構成前震旦系基底；蓋層以震旦系—中三疊統海相碳酸鹽巖為主，夾碎屑巖；上三疊統—第四系為陸相沉積，零星分布。區內礦產資源豐富，中南華統牛蹄塘組中發育沉積型錳礦，上震旦統燈影組、上寒武統—下奧陶統婁山關組、下奧陶統南津關組是鉛鋅礦賦礦層位，下寒武統牛蹄塘組、下二疊統孤峰組中賦存有硒、釩、鉬等礦產，上泥盆統寫經寺組與黃家磴組中發育沉積型鐵礦，下二疊統梁山組和上二疊統龍潭組中分布有硫鐵礦和煤礦。

區內主要土壤類型有紅壤、黃壤、黃棕壤、棕壤、暗棕壤、山地草甸土、山地沼澤土、紫色土、石灰(巖)土、潮土、水稻土等11個土類，其中黃棕壤是區內分布最廣的土壤類型，占全區總面積的56.19%；其次為黃壤和棕壤。區內現狀用地主要為林地、旱地、園地、草地、水田及農村居民點等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試

根據《多目標區域地球化學調查規范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[8]要求，采用網格法布設表層土壤采樣點，采樣單元格為1 km×1 km，采樣密度為1樣/km2。在每個單元格采用多點混合法采集表層0～20 cm深度的土壤，共采集17 100件樣品，每樣原始重量>1 000 g。然后將2 km×2 km采樣大格內的4件樣品進行等重量縮分、組合，形成一個組合分析樣，就此獲得4 275件土壤組合分析樣。所有組合分析樣均勻分布于巴東、建始、恩施、利川、宣恩、咸豐、來鳳、秭歸等8個縣(市)(圖1)。

土壤組合分析樣交由湖北省地質實驗測試中心(原國土資源部武漢綜合巖礦測試中心)分析檢測，測試過程及結果均受中國地質調查局質量檢查組的監控和驗收。分析項目包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn 8種元素，分析方法為：As、Hg采用氣體發生—原子熒光光譜法(AFS)，Cd、Cu、Pb、Zn采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)，Cr采用X射線熒光光譜法(XRF)，Ni采用電感耦合等離子體全譜直讀光譜法(ICP-OES)。分析過程中，準確度采用國家一級標準物質進行控制，一級標準物質總體合格率為100%，分別統計的各元素合格率均為100%；精密度采用4個兼顧大部分元素高中低含量的土壤一級標準物質進行監控，監控樣所有元素的準確度和精密度均在允許限內，各元素合格率均為100%。

2.2 數據處理

3 結果與討論

土壤元素背景值反映的是在不受污染或基本不受污染的情況下，土壤中原來固有的元素含量水平。但人類活動的影響已無處不在，因此研究獲得的土壤元素背景值既包括自然背景部分，也可能包括少量外源污染物。本文以土壤地球化學調查資料為依據，求取一定區域范圍內表層土壤的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn等8種元素的地球化學背景值，即得到土壤重金屬元素背景值。土壤重金屬元素背景值是一個表征元素含量集中分布趨勢的特征值，而不是一個具體的數值[1,4]。土壤元素背景值應根據數據分布特征采用不同的方法來求取，在含量分布特征符合正態分布的情況下，一般用算術均值表示元素背景值；在含量分布特征符合對數正態分布的情況下，一般用幾何均值表示元素背景值[1]。從圖2可看出，鄂西山區表層土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均符合正態分布特征，可以保證統計分析結果更加貼近客觀實際。

表1 各重金屬元素基本統計參數Table 1 Basic statistical parameters of heavy metal elements

以多次迭代剔除均值為標準，對比其他幾種統計均值的相對偏差(表1)，發現As、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb、Zn的相對偏差具有相似的分布特征(圖3)，相對偏差均較小，介于-5.3%～3.0%之間；但Cd的相對偏差較大(-13.0%～15.2%)，幾何均值高于多次迭代剔除均值，而中位數和算數均值低于多次迭代剔除均值，與其具有8種重金屬元素中最大的變異系數相一致。因此，用多次迭代剔除均值能較好地反映鄂西山區表層土壤中重金屬元素的含量集中趨勢，但Cd在空間分布上呈現較強的差異性。因此推薦鄂西山區表層土壤重金屬元素背景值如下：As為13.2 mg/kg，Cd為0.46 mg/kg，Cr為86 mg/kg，Cu為32 mg/kg，Hg為0.110 mg/kg，Ni為38 mg/kg，Pb為34 mg/kg，Zn為99 mg/kg。

本文將提出的鄂西山區表層土壤重金屬元素背景值與國家土壤環境質量標準[9]、湖北省土壤環境背景值[3]、湖北省江漢流域土壤背景值[10]進行對比(表2，圖4)。毫無疑問，鄂西山區居于江漢平原上游，兩地區的土壤在物質組成上聯系緊密，鄂西山區的土壤由原地母質層風化形成，江漢平原的土壤則是由源區母質物質歷經沖刷、搬運、沉積而形成的，源區包括鄂西山區。由表2可以看出，兩地區的土壤成分既有相似性，又表現出明顯差異，鄂西山區的母質風化土壤比江漢平原沖積土壤更加富集As、Cd、Hg、Pb。對比1990年公布的湖北省土壤環境背景值[3]，本次提出的鄂西山區表層土壤As、Cr、Cu、Ni的背景值與其差異不大，Cd的背景值提高2.67倍，Hg、Pb、Zn的背景值提高18.6%～37.4%(表2)。總體上看，湖北省土壤環境背景值在一定程度上能用于評價鄂西山區表層土壤環境水平，但Cd背景值明顯偏低，不適用于鄂西山區。顯然，鄂西山區表層土壤的高鎘背景值被省內其他區域大量的低含量數據稀釋弱化了，造成湖北省土壤環境背景值中的Cd背景值偏低。同樣，對比國家土壤環境質量標準[9]亦有相似的現象。

圖2 各重金屬元素含量頻數分布直方圖Fig.2 Frequency distribution histogram of heavy metal elements

圖3 各重金屬元素不同均值與多次迭代剔除均值的相對偏差對比圖Fig.3 Comparison diagram of relative deviation between different mean values and multiple iterative elimination mean values of heavy metal elements

圖4 各區域土壤重金屬元素背景值對比圖Fig.4 Comparison diagram of background values of soil heavy metal elements in different regions

表2 各區域土壤重金屬元素背景值對比表Table 2 Comparison table of background values of soil heavy metal elements in different regions

本次研究結果與近年來恩施州八個縣(市)開展的土地質量地球化學評價工作得出的結論相一致，即鄂西山區表層土壤中的Cd表現出明顯的高背景值。大量研究表明，鄂西新元古代、古生代地層中廣泛發育富鎘的黑色巖系(含炭質泥巖、含炭質硅質巖)、煤系、碳酸鹽巖和鉛鋅礦化[11-15]，富鎘母質是鄂西山區表層土壤中Cd的最主要來源。

土壤重金屬元素背景值是制訂土壤環境質量標準的重要依據[16]，是確定土壤重金屬的來源及制訂管理對策的基礎，因此系統而準確的背景值研究工作十分必要。由于不同地區的母質成因、化學作用、物理作用和生物作用存在明顯差異，導致不同地區的土壤具有獨特的地球化學元素分布特征，全國統一的土壤環境質量標準難以滿足各地土壤環境質量評價工作及科學研究的需要，因此各地應建立其專門的土壤元素背景值。本次研究提出的鄂西山區表層土壤重金屬元素背景值具有重要意義，將為該地區因地制宜地制訂土壤環境質量標準提供更科學、更準確的數據。

4 結論與建議

(1) 基于1∶25萬多目標地球化學調查工作，提出了鄂西山區表層土壤(0～20 cm)重金屬元素的背景值，As的推薦背景值為13.2 mg/kg，Cd為0.46 mg/kg，Cr為86 mg/kg，Cu為32 mg/kg，Ni為38 mg/kg，Hg為0.110 mg/kg，Pb為34 mg/kg，Zn為99 mg/kg。

(2) 本次研究的土壤樣品采自鄂西長陽—恩施地區1.71萬km2的中高山區，嚴格按照《多目標區域地球化學調查規范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)要求布設樣點和采樣,樣品密度為1點/km2，然后按2 km×2 km的采樣大格組合為4 275件組合分析樣，樣品空間分布均勻且數量大；樣品覆蓋了鄂西各種不同土壤類型、土壤母質及土地利用類型，具有代表性；樣品送檢實驗室可靠，分析精度高。基于上述原因，本次研究獲得的結果可以準確地反映鄂西山區表層土壤(0～20 cm)的重金屬元素背景值特征。

(3) 與1990年發布的湖北省土壤環境背景值相比，本次提出的鄂西山區表層土壤的As、Cr、Cu、Ni背景值與其差異不大，Cd背景值提高2.67倍，Hg、Pb、Zn背景值提高18.6%～37.4%，研究成果可為鄂西山區土壤環境質量評價和土地科學管理提供新的基礎數據。

(4) 建議鄂西地區以本次提出的表層土壤重金屬元素背景值為基礎，制訂土壤環境質量的地方標準，為土壤環境質量評價、土壤污染防治等工作提供更科學的依據。