安徽東至縣不同土壤類型重金屬元素分布規律探析

［摘要］為掌握不同土壤類型中重金屬含量狀況和變化趨勢，在安徽省公益性地質項目“東至縣基本農田保護區土地質量地球化學調查評價”成果的基礎上，基于不同土壤類型中Cd、Cr、Hg、Cu、Pb、Zn、As、Ni等重金屬分析數據，統計分析了東至縣基本農田保護區表層土壤和垂向剖面的空間富集規律，研究成果可為長江中下游耕地土壤重金屬遷移規律研究提供一定的參考借鑒。

［關鍵詞］重金屬；土壤類型；土地質量；東至縣

土壤是陸地生態系統的重要組成要素[1]，是由各種巖石風化產物、松散沉積物等成土母質經過成土過程發育形成的近地表自然介質。土壤在自然界中處于大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈之間的過渡帶，由于重金屬不能為土壤微生物所分解，而易于積累，甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內蓄積，嚴重危害人體健康。

研究土壤元素的垂向剖面分布特征可以揭示成土作用過程及人類活動影響特點，反映特定氣候景觀條件下成土過程中元素表生地球化學行為及其遷移分配規律[2]。結合本次東至縣基本農田保護區表層土壤和土壤垂向剖面樣品測試數據，分析不同土壤類型中Cd、Cr、Hg、Cu、Pb、Zn、As、Ni等重金屬的空間變異特征，研究土壤重金屬的橫向和縱向空間分布規律，對其制約因素進行歸納。

1 研究區概況

1.1 自然地理

本次研究區為東至縣基本農田保護區，位于安徽省西南部，介于北緯29°34′～30°30′，東經116°39′～117°18′之間，總面積512 km2。滬渝高速、濟廣高速、銅九鐵路、長江黃金水道穿境而過，城鎮交通四通八達。

東至縣地處長江南岸，屬亞熱帶濕潤季風氣候區。橫跨長江中下游平原與皖南山區，地形整體為北低南高，自北向南分別為沿江平原區、中部丘崗區、南部低山丘陵區。地勢最高點為中部仙寓山，海拔1375.7 m，境內湖泊河流縱橫，境內水資源豐富，水域面積為1023.6 km2，自然河流分屬三個水系，分別為長江水系、太白湖水系、鄱陽湖水系。

1.2 地質概況

東至縣整體位于揚子陸塊北緣，以高坦斷裂為界，北部屬下揚子前陸帶，南部為江南隆起帶。其中下揚子前陸帶包括前陸盆地和前陸褶皺沖斷帶，前陸盆地多為第四系覆蓋，局部出露晚近紀地層。前陸褶皺沖斷帶出露南華系至中生代沉積巖層，局部出露中生代中酸性巖漿巖；江南隆起帶北側江南過渡帶出露中元古代至新生代第四紀的地層，南側江南古陸基底隆起帶出露青白口紀地層[3]。

1.3 土壤類型及特征

根據第二次土壤普查工作成果，東至縣境內的土壤類型可共分為6個土類、11個亞類、40個土屬、66個土種。

（1）石灰土。有紅色石灰土、棕色石灰土2個亞類，全縣石灰土占縣域面積的5.7%，主要分布在東至縣中部地區的張溪、堯渡、洋湖、葛公等四個鄉鎮。石灰土質地表較黏重，多為重壤至輕黏土，黏粒含量一般在20%～35%，底土層最高達48%～52%，以剖面中部最黏，這是由于黏化淀積所致。石灰土因所處殘丘地形地勢較高，排水性良好，一般地下水不參與成土過程，因此土壤黏化作用強。

（2）紅壤。有紅壤性土、棕紅壤2個亞類，紅壤占縣域總面積的55%，除大渡口鎮外，其他鄉鎮均有分布，尤其是勝利鎮以南的各鄉鎮除部分紫色土種外全部為紅壤類土。紅壤主要特征是缺乏堿金屬和堿土金屬而富含鐵、鋁氧化物，呈酸性紅色。一般紅壤中金屬化合物豐富，包括了鐵化合物及鋁化合物。紅壤鐵化合物常包括褐鐵礦與赤鐵礦等，紅壤含赤鐵礦較多。

（3）潮土。只有灰潮土1個亞類，占縣域面積的2.8%左右，主要分布在大渡口鎮，東流、香隅鎮也有少量分布。潮土的成土特點主要是潮化過程和旱耕熟化過程。由于地勢低洼，地下水位較高，毛管作用強烈，地下水季節性的頻繁升降，引起土壤干濕交替，促進了鐵錳離子的還原移動和氧化積累，在剖面的中下部形成了潮化層，可見銹紋銹斑結核等新生體。

（4）水稻土。有潛育型水稻土、潴育型水稻土2個亞類，占縣域面積9%，在全縣各鄉鎮均有分布。水稻土是起源于各種母質類型上的土壤經過長期水耕熟化過程而發育的人工水成土。既有水稻土特有形態與屬性，又受起源母質屬性的影響。土體在長期水耕熟化條件下，進行氧化還原，有機質的合成與分解、鹽基淋溶于鹽基以及黏粒淋失和積累過程。因此，使土壤原有形態發生變化，而逐漸形成水稻土各種特定的剖面構型。

（5）紫色土。只有酸性紫色土、酸性紅黏土2個亞類，占縣域面積的4.9%左右，主要分布在堯渡鎮，在香隅、昭潭、泥溪、龍泉、官港鎮、花園鄉有少量分布。受石灰巖水影響，有石灰反應，表土層弱堿性反應，母質層和基巖層無石灰反應，屬石灰性紫色土壤類。砂粒含量最高，粗粉粒次之，物理黏粒最少，多巖屑。酸性紫色土土體呈暗紫、紫棕色，母巖以白堊紀、第三紀紅色砂頁巖為主，剖面發育不明顯，且經常受到侵蝕，表土層薄，心土土壤顆粒較粗，質地中壤—重壤，保蓄水肥能力差，有機質、全氮、磷素較低。

（6）黃棕壤。有暗黃棕壤、黏盤黃棕壤2個亞類，占縣域面積的3%左右，主要分布在勝利鎮，東流鎮、葛公鎮、花園鄉也有少量分布。土體中，鹽基大多數被淋濕，土壤溶液呈酸性反應，且具有上低下高的趨勢。土體中鹽基不飽和，有機質分解與合成作用強。地表有薄而不連續的凋落物層，表層生物積累作用較差，土壤原生礦物分化過程較快，黏粒淋溶淀積明顯，使剖面形成明顯的黏盤層。干時，土壤堅硬，不易透水分散。

2 樣品采集

2.1 表層土壤樣品

本次樣品分析數據直接采用“東至縣基本農田保護區土地質量地球化學調查評價”項目中表層土壤樣品，采樣方法和加工流程執行《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295-2016）相關規定，采樣密度為4點/ km2，共采集樣品數量3353件[4]。

（1）采樣方法。在確定采樣點位后，利用不銹鋼采樣器采集0～20 cm的連續土柱，再用竹片去除與采樣器接觸的土壤，然后將土壤掰碎，挑出根系、石塊等雜物，裝入清洗過的棉布樣品袋中。采樣時采用子樣加主樣的方式混合成一件樣品，每個樣點的子樣在2～4個。野外樣品的原始重量在2.0～2.5 kg。

（2）樣品加工。采樣小組采樣任務結束后，將土壤樣品用“人”字形木質曬樣架懸空自然風干，在樣品晾曬過程中不定時用木槌敲打樣袋，使土壤粒級自然分離。樣品干燥后用-10目尼龍篩過篩，凡自然粒級能過篩的樣品全部充分過篩，過篩后樣品充分混勻，采用四分法進行縮分。送驗樣重量≥150g，副樣重量≥300g。

（3）分析測試。表層土壤樣品分析測試工作全部由內蒙古自治區礦產實驗研究所承擔，按照《多目標區域地球化學調查規范（1∶250000）》（DZ/T 0258-2014）以及《區域地球化學樣品分析方法》（DZ/T 0279.1-2016）要求，采用X射線熒光光譜法（XRF）等離子體質譜法（ICP-MS）、等離子體發射光譜法（ICP-OES）等方法進行測定，以原子熒光法（HG-AFS）、發射光譜法（ES）、離子選擇性電極法（ISE）、容量法（VOL）、元素分析法（TCD）、分光光度法等分析方法測試各元素含量。

2.2 土壤垂向剖面樣品

（1）施工方法。本次采用挖掘的方法施工土壤垂向剖面，共完成土壤垂向剖面29條，共采集土壤樣品156件。土壤垂向剖面選擇在典型地區無污染地塊施工，確保土壤發生層的自然層得到全面揭露。

（2）樣品加工。在剖面編錄完成后，按自然分層依次采樣，每層采集一件樣品。采集后用清洗后的布樣袋盛裝，樣品風干和過篩技術方法同表層土壤樣品。

（3）分析測試。土壤垂向剖面樣品分析測試技術方法同表層土壤樣品。

3 數據統計與結果

3.1 數據分析

本次根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）風險防控值，對東至縣基本農田保護區的表層土壤的重金屬元素的樣品數、含量范圍、平均值、標準離差、變化系數、中值等參數進行分類統計（表1），其中紅壤性土、紅色石灰土因分布的土壤樣品較少，樣品數量缺乏代表性，故本次對比研究將其進行了剔除統計。

3.2 不同土壤類型元素含量變化特征

根據表1中統計數據，東至縣不同土壤類型中各重金屬元素的含量特征如下：

（1）棕色石灰土。重金屬元素最大值與最小值相差2.82～132.57倍，Cd、Cu元素變異系數大于0.5，As元素變異系數達2.973，表現出較大的空間變異性。剔除離群值后，Cd、Cu、As元素變異系數小于0.5，說明該土壤類型中Cd、Cu、As元素異常與地表碳酸鹽巖母質中局部高背景值有關。

（2）暗黃棕壤。重金屬元素最大值與最小值相差1.29～2.74倍，As、Cd、Cu、Hg、Cr、Pb、Ni元素變異系數均小于0.4，含量變化幅度和數據變異較小，說明該土壤類型中重金屬元素含量與成土母質有關，受其他外在因素影響的可能性較小。

（3）灰潮土。重金屬元素最大值與最小值相差2.81～7.85倍，As、Cd、Cu、Hg、Cr、Pb、Ni元素變異系數均小于0.5，說明該土壤類型中重金屬元素含量與成土母質有關，受其他外在因素影響的可能性較小。

（4）潛育型水稻土。重金屬元素最大值與最小值相差2.32～5.87倍，As、Cd、Cu、Hg、Cr、Pb、Ni元素變異系數均小于0.5，說明該土壤類型中重金屬元素含量與成土母質有關，受其他外在因素影響的可能性較小。

（5）酸性紅黏土。重金屬元素最大值與最小值相差2.09～5.07倍，As、Cd、Cu、Hg、Cr、Pb、Ni元素變異系數均小于0.5，說明該土壤類型中重金屬元素含量與成土母質有關，受其他外在因素影響的可能性較小。

（6）酸性紫色土。重金屬元素最大值與最小值相差2.10～27.02倍，尤其是As、Hg元素極值相差18倍以上，表現出較大的空間變異性，且As、Hg、Cd元素變化系數大于0.5。剔除離群值后，As、Cd元素變異系數仍接近0.5，說明該土壤類型中As、Cd元素含量變化與地表分布的黑色巖系等地質體關系密切。

（7）黏盤黃棕壤。重金屬元素最大值與最小值相差2.54～6.20倍，As、Cd、Cu、Hg、Cr、Pb、Ni元素變異系數均小于0.4，數據變異相對較小，表明該土壤類型中重金屬元素含量受外部因素干擾較小。

（8）潴育型水稻土。重金屬元素最大值與最小值相差5.29～160.52倍，尤其是As、Hg、Cd元素高達25倍，且變化系數均大于0.5，數據懸殊較大。剔除離群值后，As、Hg元素變異系數均小于0.5，Cd元素變異系數接近0.5。說明該土壤類型中Cd元素含量受沿線居民生活、礦山開采等人類活動影響的可能性較大。

（9）棕紅壤。重金屬元素最大值與最小值相差4.42～89.76倍，特別As、Cd元素高達45倍，且變異系數大于0.5，表現出較大的空間變異性。剔除離群數據后，As、Cd元素的變異系數均小于0.5，說明該土壤類型中As、Cd元素異常與淺變質碎裂巖殘坡積物有關。

3.3 不同土壤類型元素分布規律

根據上述重金屬元素的空間分布特點，本次對不同土壤類型的重金屬含量進行了直方圖統計（圖1）。

結合圖1和表1結果，各重金屬元素的在不同土壤類型的含量排序如下：

Zn：潛育型水稻土＞灰潮土＞暗黃棕壤＞棕色石灰土＞潴育型水稻土＞棕紅壤＞酸性紫色土＞黏盤黃棕壤＞酸性紅黏土；

As：棕色石灰土＞暗黃棕壤＞潛育型水稻土＞灰潮土＞潴育型水稻土＞酸性紫色土＞棕紅壤＞黏盤黃棕壤＞酸性紅黏土；

Pb：暗黃棕壤＞潛育型水稻土＞灰潮土＞棕色石灰土＞潴育型水稻土＞酸性紫色土＞酸性紅黏土＞棕紅壤＞黏盤黃棕壤；

Cr：潛育型水稻土＞灰潮土＞棕色石灰土＞暗黃棕壤＞潴育型水稻土＞酸性紅黏土＞酸性紫色土＞棕紅壤＞黏盤黃棕壤；

Cu：灰潮土＞潛育型水稻土＞暗黃棕壤＞棕色石灰土＞潴育型水稻土＞棕紅壤＞酸性紫色土＞酸性紅黏土＞黏盤黃棕壤；

Hg：潛育型水稻土＞潴育型水稻土＞棕色石灰土＞灰潮土＞酸性紫色土＞棕紅壤＞黏盤黃棕壤＞暗黃棕壤＞酸性紅黏土；

Cd：灰潮土＞棕色石灰土＞暗黃棕壤＞潛育型水稻土＞酸性紫色土＞潴育型水稻土＞黏盤黃棕壤＞棕紅壤＞酸性紅黏土；

Ni：灰潮土＞潛育型水稻土＞暗黃棕壤＞棕色石灰土＞黏盤黃棕壤＞潴育型水稻土＞酸性紅黏土＞酸性紫色土＞棕紅壤。

3.4 不同土壤類型元素垂向空間遷移特征

重金屬元素在垂向剖面中的分布是由多種因素綜合作用下反復運移和分配的結果，含量會隨著時間的推移、周圍環境條件的改變、土壤理化性質和母質的組合變化而變化。重金屬在自然背景和人類活動作用下所能達到的深度常稱為遷移深度。為了更加凸顯土壤重金屬的垂向空間分布規律，本次選擇了空間變異性較大的土壤類型進行類比分析，如棕色石灰土、酸性紫色土、潴育型水稻土。

根據圖2顯示，棕色石灰土中淺部土壤的重金屬含量明顯高于中深部，且在最深層含量均達到低值，說明棕色石灰土成土母質中重金屬含量相對較低，近地表的元素高值可能與人類活動的影響關系密切。在0.58 m位置元素含量增高的原因可能與側向的地下水物質交換有關。

根據圖3顯示：酸性紫色土中Cd元素含量自上而下呈逐步下降趨勢，其他重金屬元素含量在整個剖面上變化不大，說明土壤重金屬含量主要由地質背景的本底值所決定，土壤基本未受到人類活動等外源因素影響。

根據圖4顯示：潴育型水稻土中各元素含量整體變化幅度較小，其中Cd元素在0.79 m以上含量明顯高于0.79 m以下的含量，這可能與地表人類活動有關，Cd元素的遷移深度為0.79 m。As元素含量在0.47 m保持穩定，在0.99 m以下明顯減少，這可能與剖面剝蝕堆積物物質的差異有關，As元素遷移深度為0.47 m。

4 結論與建議

本次通過表層土壤和土壤垂向剖面揭露的方式對東至縣基本農田保護區不同土壤類型中重金屬元素含量進行了對比分析，綜合研究得出以下結論：

（1）東至縣基本農田保護區內表層土壤中Cr、Pb、Zn、Ni重金屬元素在各土壤類型中變異系數均小于0.5，空間分布均勻，元素基本主要與成土母質的地質背景有關；As、Hg、Cu、Cd元素在個別土壤類型中變異系數大于0.5，表現出較大的空間變異性，說明其與地表分布的特殊地質背景有關，如黑色巖系、碳酸鹽巖母質，礦山開采等人類活動對重金屬的變化也有一定的影響。

（2）重金屬元素在土壤垂向剖面中的分布是由多種因素綜合作用下反復運移和分配的結果，含量會隨著時間的推移、周圍環境條件的改變、土壤理化性質和母質的組合變化而變化。土壤垂向剖面揭露結果顯示，Pb、Hg、Cr、Ni、As元素在耕作層的含量明顯小于深層，整體趨勢反映了土壤中重金屬物質來源為深部母質層（母巖層）的顯著特征。

（3）土壤的層構和質地對重金屬元素的遷移深度有著重要影響，從活躍元素Hg、Cd的空間變化規律可以看出，除受特殊的地質背景影響外，局部區域受人類活動影響較明顯。個別單元素在局部剖面深處出現相對變大或變小，這可能與側向地下水作用交換的外來物質有關。與人為污染“外源”重金屬不同，地質高背景“內源”重金屬的生物有效性顯著降低[5]。

（4）相對而言，重金屬元素容易在灰潮土、棕色石灰土等土壤類型中富集，這可能與形成該土壤類型的河流沖洪積物、碳酸鹽巖等母質有關。

重金屬含量是反映土壤環境質量狀況的一個重要因素，對區域土地資源的合理開發和利用有著重要意義[6]。針對上述研究結果，建議東至縣在今后的農業生產或產業規劃中要高度重視重金屬元素的防控，建議通過種植結構調整或土壤修復等方式減少重金屬元素帶來的危害和影響。

［參考文獻］

［1］周國華. 土壤重金屬生物有效性研究進展［J］. 物探與化探，2014，38（6）：1097-1106．

［2］趙志忠，畢華，唐少霞，等. 海南島西部地區磚紅壤中常、微量元素的垂向分異研究［J］. 海南師范學院學報，2004，17（4）：370-377．

［3］盧健，秦云飛，等. 東至縣基本農田保護區土地質量地球化學調查評價［R］. 安徽省地質礦產勘查局，311 地質隊，2019．

［4］項力. 不同成土母質土壤重金屬含量特征——以東至縣為例［J］. 安徽農業科學，2021，49（6）：76-79.

［5］唐豆豆，袁旭音，汪宜敏，等. 地質高背景農田土壤中水稻對重金屬的富集特征及風險預測［J］. 農業環境科學學報，2018，37（1）：18-26.

［6］唐將，王世杰，付紹紅，等. 三峽庫區土壤環境質量評價［J］. 土壤學報，2008，45（4）：601-607.

[資助項目]安徽省公益性地質項目“東至縣基本農田保護區土地質量地球化學調查評價”（編號：2016-g-2-5）。