鄂西咸豐地區土壤元素地球化學分布及其影響因素①

孫 奧，段碧輝，王 芳，項劍橋，夏 偉，王天一

鄂西咸豐地區土壤元素地球化學分布及其影響因素①

孫 奧，段碧輝*，王 芳，項劍橋，夏 偉，王天一

(湖北省地質科學研究院，武漢 430034)

本研究以鄂西咸豐縣土壤為研究對象，統計了區內表層土壤中30種元素指標的地球化學背景值，再結合因子分析方法，探討了地球化學背景值的成因機制，分析了土壤元素空間分布及其影響因素。結果表明，咸豐地區土壤B、Cd、Cr、F、Hg、Se元素的含量明顯高于全國和湖北省背景值，I、Mo、Sr、CaO、Na2O 等元素較全國貧乏。因子分析結果表明成土母質、工礦活動、腐殖質過程、風化作用、地形因素以及人類的生產活動共同影響著研究區內表層土壤的背景值特征，其中成土母質決定了土壤中化學元素的分布特征，但是工礦活動、地形特征和人類活動等過程重塑了區域元素分布特征。

咸豐縣；富硒土壤；地球化學背景值；土壤元素分布特征；因子分析

土壤是地表生物賴以生存的物質基礎，是巖石圈和生物圈等圈層相互作用關鍵帶的核心部分，具有強的異質性和時空差異性，在自然環境的發展和變化中起著至關重要的作用。土壤地球化學背景值是指一定區域內自然狀態下，未受或少受人類活動(特別是人為污染)影響的土壤環境中化學元素的自然含量，是反映一個地區土壤地球化學元素特征的基本指標[1]。20世紀以來，隨著環境問題的日漸凸顯，研究人員在我國各個地區陸續開展了土壤背景值的研究。研究和掌握土壤環境背景狀況，對地質找礦、農業研究、生態環境保護、預警[2-6]等工作都具有十分重要的科學意義。

湖北省恩施州是著名的“世界硒都”，具有豐富的硒資源，但對于其土壤背景并未有完整詳細的報道。近年來，隨著對于硒產業發展的需求，恩施州開展了全域土地質量地球化學評價暨土壤硒資源普查工作。本文利用2018—2020年開展的“咸豐縣土地質量地球化學評價暨硒資源普查”所獲得的數據資料，統計得出了研究區內30種元素指標的背景值，并結合因子分析方法分析其成因，為研究區土壤環境質量評價、制定土壤環境標準、發展特色農產業、環境監測與保護等工作提供基礎的科學依據與支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖北省恩施土家苗族自治州的西南部，國土總面積2 550 km2，其中耕地面積4.4萬hm2。研究區地處武陵山東部，鄂西南邊陲，地形以山區為主，平均海拔800 m左右，地貌以碳酸鹽巖組成的高原型山地為主體，兼有鹽酸巖鹽組成的低山峽谷與溶蝕盆地等(圖1)。該區處于亞熱帶季風性山地濕潤氣候，年平均氣溫16.2 ℃，降水豐沛，年平均降水量為1 600 mm。

研究區處于中揚子地區西部，位于宜都–鶴峰復背斜帶[7-8]。區內背斜核部未見出露，地層發育較全，從寒武系至白堊系均有分布，其中以唐崖區–清坪區一帶為界，其北面和南面的長斷層之間主要出露三疊系，中心位置出露少量白堊系；北面斷層以北主要以二疊系、奧陶系和志留系為主，僅在黃金洞區北端出露有少量三疊系；南面斷層以南則主要以寒武系、奧陶系和志留系為主(圖1A)。區內礦產資源豐富，有世界罕見的高品質硒礦床約1.67萬hm2，此外還有煤炭、汞礦、重晶石、大理石、方解石、銅礦、高嶺土等40多種礦產。

圖1 研究區地質圖(A)和地形示意圖(B)

1.2 樣品采集與處理

本研究依托“咸豐縣土地質量地球化學調查評價暨土壤硒資源普查”項目，依照《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)[9]、《多目標區域地球化學調查規范(1︰250000)》(DZ/T 0258—2014)[10]進行樣品布設，采樣密度平均為4件/km2，采樣深度為0 ～ 20 cm，以五點取樣法進行采集，原始樣品重量不低于1 kg。

土壤樣品經自然風干后過10目尼龍篩，剔除土壤以外的雜物，采用四分法留取500 g，其中300 g裝入塑料瓶作為副樣留存，200 g裝入紙樣袋送檢，共獲取了8 450件表層土壤分析樣。

1.3 樣品測試分析

樣品分析由湖北省地質實驗測試中心(國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心)完成。依據分析質量要求，采用X射線熒光光譜法(XRF)、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-OES)和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)為主體，輔以原子熒光光譜法(AFS)、離子電極法(ISE)、容量法(VOL)等方法測定了30項指標(表1)。采用了密碼樣、監控樣、標準樣等多種監控手段，保證樣品分析質量的合理性、可靠性。測試項目及測試精度均滿足規范要求。

表1 樣品分析方法及檢出限

注：Corg.及氧化物的單位為%，其余元素單位為mg/kg，下表同。

1.4 土壤元素背景值統計

按照多目標區域地球化學調查規范要求，先對土壤數據的頻率分布形態進行正態檢驗，若數據服從正態分布，用算數平均值代表背景值，若服從對數正態分布，用幾何平均值代表背景值。當二者都不服從時，按照算數平均值加減3倍標準差進行剔除[1, 11-12]，經反復剔除后若服從正態分布或對數分布，用算數平均值或幾何平均值代表背景值。經反復剔除后若仍不服從正態分布或者對數分布，當呈現偏態分布時，以眾值或算數平均值代表土壤背景值，當呈現雙峰或多峰分布時，以中位值或算數平均值代表土壤背景值。

對于數據正態分析的檢驗，依據《數據的統計處理和解釋正態性檢驗》(GB/T 4882—2001)[13]，在置信度α=0.05的水平下，采用偏度–峰度法來進行檢驗；檢驗對數正態分布時，需將原始數據轉換為對數后再用偏度–峰度法進行計算；在進行pH參數統計時，應先將土壤pH換算成[H+]平均濃度進行統計計算，然后再換算成pH。

1.5 因子分析

因子分析是采用降維的方法，將原始數據中多項指標減少為幾個綜合指標來反映數據信息的方法[14]。因此借助因子分析方法對土壤地球化學元素進行分解和組合，有助于分析研究區內地球化學分布特征及其影響因素。由于本文數據量較大，為了降低數據特高值的影響，先對原始數據進行對數轉換，再對所選數據進行因子分析。

本研究中背景值數據的統計和分析利用Excel 2013和SPSS 23.0完成；數據的檢驗以及因子分析均利用SPSS 23.0進行計算，因子得分圖則通過MapGIS 6.7和Coreldraw 2020進行繪制與整飾。

NM系列鋼板在全國大中城市鋼材市場均有銷售，一般供貨方式與普通中板相似，厚度為6～60 mm，寬2 m，長6 m。NM360的價格為Q345鋼板的1.5倍。建議在溜槽過煤面采用該襯板，其厚度為采用Q235的60%；可以用耐磨鋼板直接制作溜槽母板，取消襯板。原設計無襯板的溜槽母板厚度不變；對于采用了襯板的溜槽，母板厚度為原母板+襯板厚度的60%。

2 結果與分析

2.1 土壤地球化學背景值特征

全區土壤地球化學背景值見表2。表中富集系數1為咸豐縣土壤元素背景值/全國土壤元素背景值，富集系數2表示咸豐縣土壤元素背景值/湖北省土壤元素背景值。

分析變異系數可知，原始數據的變異系數為0.17 ～ 5.21，其中Cd、Hg、Mo、Se、CaO的變異系數均大于1，表明土壤中這些元素指標在空間上分布很不均勻；剔除后的數據變異系數介于0.15 ～ 0.76，其中B、Cr、Cu、Ge、Ni、Pb、Sr、Zn、Al2O3、TFe2O3、SiO2變異系數小于0.25，分布均勻；As、Cd、Cl、Co、F、Hg、P、S、Se、K2O、MgO、Na2O、Corg. 變異系數為0.25 ～ 0.5，分布比較均勻；I、Mn、Mo、CaO變異系數大于0.5，表明其可能由于成土母質的差異、成土過程中表生作用以及外源組分的影響，導致空間變異性較強，在區域上表現為一定的富集或者貧乏的特征[11-12]。

從表3中可以看到，區內Na2O、CaO、Sr元素明顯低于全國和全省的背景值。區內成土母質以沉積巖為主，主要由碎屑巖和碳酸鹽巖組成。雖然在沉積巖中CaO為主要的成土產物，但是區內地勢較高，雨水充足，沉積巖中的礦物易受到風化淋濾作用[15]，使得一些堿金屬及堿土金屬元素遷移淋失，這些元素的遷移順序為Ca>Sr>Na>Mg>K，在化學風化作用下Ca和Sr非?；钴S，遷移能力很強[16-17]，因此造成了區內Na2O、CaO和Sr元素異常貧乏。

土壤中的I主要來源于大氣沉降[18]，部分來源于母巖風化[19]，因此含量通常高于原巖。與全國土壤背景值相比，I的相對貧乏一方面可能是繼承了區內碳酸鹽巖、碎屑巖等母巖的化學成分，另一方面指示了咸豐地區土壤中的I并不是以溶于水的化合物的形式所存在[20]。與湖北省相比I元素含量與之相當。

土壤中的鎢鉬族元素的富集可能與礦化作用有關，區內Mo元素顯示為貧乏，表明研究區內可能沒有鉬礦的富集，表生條件下元素淋溶流失造成Mo的貧化。Mo元素是人體和動物生長發育所必需的微量元素，土壤中Mo的轉化主要是受土壤酸堿度的影響，土壤酸化可能會導致Mo的有效性降低[21]，因此，區內土壤有效鉬的含量需引起關注。

表2 全區土壤地球化學背景值特征

注：“–”表示無數據。

表3 咸豐縣表層土壤元素富集與貧乏組合

研究區內99.7% 的土壤樣品Se含量大于0.125 mg/kg，58% 的土壤樣品Se含量大于0.4 mg/kg，總體表現為足Se或富Se土壤，說明咸豐地區土壤Se含量整體處于較高水平。與全國土壤和湖北省土壤相比，富集系數分別為1.51和1.60，均顯示非常富集，有利于利用富Se土地資源發展特色農產品。已有研究發現，成土母質是影響土壤Se含量的最主要因素，土壤Se含量與其母質的含Se量有極其顯著的正相關關系[22-23]。研究區內二疊系成土母質的土壤Se含量最高，平均含量為0.95 mg/kg。二疊系地層巖性主要為砂巖、黑色泥巖、頁巖、灰巖等且夾有煤層，與恩施魚塘壩硒礦的賦存的二疊系茅口組黑色巖系具有時空耦合性[24-26]。因此可以認為咸豐地區土壤中較高的Se含量主要來源于其成土母質。

與全國和湖北省土壤背景值相比，B的富集系數為1.57和1.55，非常富集。土壤中的B、Fe等微量元素主要來源于成土母質[27]。通常認為沉積巖發育的土壤比火成巖發育的土壤B含量高。土壤中B元素富集不代表有效硼含量豐富[28]，因此考慮土壤養分條件時需注意有效硼的含量。

研究區內土壤中的重金屬元素Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn均較全國土壤富集，其中Cd、Cr、Hg非常富集，富集系數分別為3.42、1.41、1.72。除受成土母質的影響外，研究區內的工礦活動、生活垃圾、農業施肥以及大氣沉降等也可能導致了上述元素在表層土壤的富集[29-30]。

2.2 土壤元素空間分布及其影響因素

不同沉積環境中由于成土條件的差異，在空間上通常會表現為不同的元素地球化學共生組合。為進一步探討研究區內表層土壤環境元素的來源和影響因素，本文對上述元素指標進行因子分析。經檢驗KMO值為0.788>0.5，顯著性(sig.)<0.001，符合Kaiser標準條件，表明變量之間的相關性較強，數據適宜進行因子分析[14]。并基于主成分模型，提取出特征值大于1的7個主因子為研究對象，其表達的信息量占總信息量的77.155%(表4)，基本能夠反映咸豐地區表層土壤的主要地球化學特征。根據各采樣點的因子得分，繪制了因子分布圖(圖2)。

表4 咸豐縣土壤因子負載矩陣

續表4

因子2為工礦因子(圖2B)，該因子占總變量方差的13.304%，金屬元素Ni、Cu、Cr、Zn具有良好的相關性，研究區內工礦企業用地主要分布于坪壩營鎮、曲江鎮、清坪鎮、黃金洞鄉一帶，這些地區因子相關性較高，并且局部呈點狀分布，是由于受到了礦物開采加工等人類活動的影響。

因子3為成土母質和人類活動共同作用因子(圖2C)，該因子占總變量方差的10.838%，親Fe元素(Mn、Co、TFe2O3)、重金屬元素(As、Pb)與鹵族元素(I)具有良好的相關性。因子高值區與二疊系地層在空間上具有一定的耦合性，部分呈條帶狀分布，一定程度上反映了成土母質的特征。而在南部的異常高值區呈點狀，主要分布于坪壩營鎮南部，可能與該區域采礦活動、工業污染有關，因此該因子是受到成土母質和人類活動共同作用的結果。

因子4為腐殖質過程因子(圖2D)，該因子占總變量方差的10.779%，元素N、S、Corg.、P之間具有良好的相關性，其中N和Corg. 的因子相關系數均大于0.9。區內海拔較高的地區相關性較強，是由于高山地區植被覆蓋率較高，較為發育的動植物殘體通過一系列生物化學和化學作用變為腐殖質，并在土壤表層積累，為土壤提供了豐富的營養物質。同時，局部呈點狀分布，也表明在一定程度上受到了人類農業施肥的影響。

因子5為碳酸鹽巖風化作用因子(圖2E)，占總變量方差的9.213%，元素Sr、CaO、pH之間具有良好的相關性。因子得分較高的地區(清平鎮、唐崖鎮、朝陽寺鎮一帶，高樂山鎮、曲江鎮、坪壩營鎮一帶)地勢較低，土壤偏堿性，碳酸鹽巖長期在雨水的作用下發生化學溶蝕造成CaO在表層土壤富集[15]；CaO、Sr的富集與碳酸鹽巖風化有關，二者離子半徑相似，具有相似的地球化學行為，容易受到化學作用以碳酸鹽的形式隨著土壤溶液或地表水遷移[31]，在適當的地質地形條件下沉淀富集。土壤中OH–的主要來源之一為碳酸鈣的水解，Ca2+增加，OH–濃度升高，Ca元素在一定程度上影響著土壤的pH，而pH又控制著微量元素的表生變化及分布[32]。因此，元素Sr、CaO和pH三者之間具有很強的相關性。該因子反映了在碳酸鹽巖風化成土的過程中，受到地形氣候等因素的影響，土壤中CaO、Sr逐漸富集的過程。

因子6為寒武系成土母質作用因子(圖2F)，占總變量方差的7.341%，與元素B、Cl、Ge具有良好的相關性，土壤中有益元素B、Cl、Ge的含量主要受控于成土母質，B元素通常在碳酸鹽巖地區含量最高[4]。圖中呈帶狀分布的因子高值區位于咸豐縣東南部，其成土母質為一套寒武系海相沉積的地層，巖性以碳酸鹽巖為主。

因子7為地形作用因子(圖2G)，占總變量方差的7.297%，元素F和MgO具有良好的相關性，F元素在風化過程中具有較高的活性，與地形圖相比地勢較高的地區相關性較強，地勢較低的部分相關性偏弱。同時具有條帶狀分布的特征，可能還受到部分成土母質的控制。

圖2 咸豐縣因子得分分布

3 結論

1)與全國表層土壤元素含量相比，咸豐地區土壤B、Cd、Cr、F、Hg、Se、Co、Cu、Ni、Pb、Zn、TFe2O3元素含量相對富集，I、Mo、Sr、CaO、Na2O元素背景值較全國均顯示貧乏。與湖北省相比，除Co、Cu、Ni、Pb、Zn、TFe2O3、I元素含量相當外，其他元素均與全國一致。區內表層土壤B、F、Se、Co等有益元素富集，適合發展生態富Se特色農業。

2)采用因子分析法將相關性較高的元素劃分為了7組因子，通過對其化學特征的研究表明，研究區內表層土壤元素的地球化學背景值是受到了成土母質的母巖類型、工礦活動、腐殖質過程、風化作用、地形作用以及人類生產活動共同影響的結果。

3)咸豐地區土壤元素地球化學分布特征主要由成土母巖所決定，但是地形作用和農業施肥、工礦活動等人類生產活動過程影響著區域地球化學元素的再分布。

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Geochemical Distributions and Influncing Factors of Soil Elements in Xianfeng County, Western Hubei Province, China

SUN Ao, DUAN Bihui*, WANG Fang, XIANG Jianqiao, XIA Wei, WANG Tianyi

(Hubei Institute of Geology, Wuhan 430034, China)

Taking the soil of Xianfeng County in Western Hubei as the research object, this study counted the geochemical background values of 30 element indexes in the surface soil in the area. Moreover, factor analysis was conducted to analyze the genetic mechanism of geochemical background values and to evaluate the spatial distribution and influencing factors of soil elements in Xianfeng County. The results showed that the contents of B, Cd, Cr, F, Hg and Se were significantly higher than the national and Hubei background values, the contents of I, Mo, Sr, CaO and Na2O were lower than the national levels. Factor analysis showed that soil parent materials, industrial and mining activities, humus process, weathering, terrain factors and human activities jointly affected the background values of surface soils in the study area. Soil parent material determined the distribution characteristics of chemical elements in soils, and the terrain factors and human activities like mining reshaped the regional distribution patterns of elements.

Xianfeng County; Selenium-rich soil; Geochemical background; Elemental distribution pattern in soil; Factor analysis

S159

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.026

孫奧, 段碧輝, 王芳, 等. 鄂西咸豐地區土壤元素地球化學分布及其影響因素. 土壤, 2022, 54(3): 637–645.

咸豐縣土地質量地球化學評價暨土壤硒資源普查項目(ESXPC20190106)、湖北省咸豐縣土地質量地球化學評價(一期)項目(HBTTD20180106)和湖北省長江經濟帶耕地質量地球化學評價項目(HBECC-ZB-ZC21055)資助。

(351927858@qq.com)

孫奧(1992—)，女，碩士，助理工程師，主要從事農業地質調查研究工作。E-mail: 569146561@qq.com