地質條件制約對土壤重金屬污染累積及空間分布的影響研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0150-05

中圖分類號：X53文獻標志碼：B

Effects of Geological Conditions on Accumulation and SpatialDistributionofHeavy MetalPollution in Soil

Huang Guodong

（GuangdongCoal Geology 201 Exploration Team，Qingyuan511515，China）

Abstract：Thispaperanalyzedthespatialdistributionofheavymetalpollutionunderdiffrentgeologicalconditionsandstudiedthe impactofgeologcalconstraintsontecumulaondsatialdistributiofsoilayetalpolutionBarragesamplingontsfor diferentterrsndgeoloicalstructures，itusespmenttsteaetalcontetisoilsamplesByombningteholo gy，itislearhatteareiousgeologialosraitsiesudyreandesatalrbutionofeaetalpltioite gionisanalyzedusingthegoundaccumulationidexmethod.Tesultsidicatethatwastelandsconstraiedbygeologicalcodition， andcopperrichareashaveahigherdistributionofcoppermetal.Forestlnddoesnotshowsevereheavymetaldistribution，andheavy metalsrewidelydistributedinfatlndDuetoitsproximitytotheuface，theudstonelimestonelayeracumulatesmoresevereheavy metal polution，whiletheflintblock layeris furtherawayfromthesurfaceandaccumulatesless heavymetalpollution.

Keywords：geological condition；soil heavy metals；polutionaccumulation；spatial distribution；GIS software

前言

土壤金屬污染研究背景復雜，涉及地質條件的多重制約[1]。成土母質與巖石類型決定了土壤中重金屬的初始含量，地質構造和地貌特征影響重金屬的分布與遷移，如斷裂帶和坡度等地貌特征。地下水文條件則通過水流和化學性質影響重金屬的遷移和轉化[2]。此外，土壤的物理性質如粒度、密度和孔隙度也對重金屬的遷移和轉化有重要影響[3-4]。這些地質條件共同構成了土壤金屬污染研究的復雜背景。眾多學者都對土壤重金屬污染作出研究，蔣玉蓮等學者[5]研究了渝東南區域土壤重金屬的解析與變化，通過統計方法評估了污染負荷和分布特征，對特殊地形土壤污染治理有重要意義。然而，使用的PMF模型受數據質量和參數設置影響，可能增加結果的不確定性。李笑路[通過主成分和Pearson分析評估了耕種區重金屬污染，但短期數據難以全面反映長期趨勢和風險。馬泉來等分析了南太行水體中鉛等重金屬，但采樣點分布不均和頻率不足影響結果的準確性。Goswami等[8]從農業角度研究了重金屬污染，但未涉及空間分布與沉積分析。

文章分析地質條件制約對土壤重金屬污染累積及空間分布的影響，通過實地采樣和GIS技術揭示不同地質結構下重金屬的分布特征，以期為今后土壤重金屬污染治理探索全新路徑。

1土壤重金屬污染累積及空間分布分析

1.1 研究區域概況

文章所研究區域地質結構較為復雜，土壤土層比較薄，整體區域平均海拔在 1000m 左右，土地資源屬于稀缺類型。該地區全年受亞熱帶季風氣候影響，降雨和高溫集中在夏季，低溫和干旱主要集中在冬季，全年平均降水量約為 1 200mm ，平均最高溫度約為 30% 。該區域中有一條較為發達的水系，地下水和地表水資源均較為豐富。研究區域地質條件可以劃分為三種類型： ① 最高海拔區域主要為荒地，主要為剝蝕地貌、溶蝕殘丘洼地和落水洞為主，地層主要為泥晶灰巖和燧石團塊； ② 中間高度區域主要為林地，地質結構為槽谷、峰叢和溶洞發育，集中分布白云巖和泥晶灰巖以及細晶白云巖； ③ 海拔較低且地勢較為平坦的區域為平地，基本為居住區和農田，丘陵地貌為主，土層主要為生物屑亮晶灰巖、砂頁巖、泥質、灰巖等。

1.2 樣品采集

考慮研究區域中地質結構特點與水文氣候特征，通過隨機采樣與網格布點相結合的方式在研究區域隨機且均勻布置采樣點，見圖1。

從統計結果來看，研究區域共布置98個采樣點，（1）號地質條件布置50個采樣點，（2）號地質條件采樣點20個，（3）號地質條件布置采樣點28個[9]。采樣點深度范圍設定為 0m～20m ，每個采樣點看作一個中心，以該中心為原點，直徑 25m 范圍中多次采樣，將采樣結果分別標記后置于采樣袋中，等待測量。結合GPS技術標記各個采樣點的位置，使用計算機統計并記錄各個采樣點的坐標。為使測量結果更加準確，每個地質條件區域隨機采集10個采樣點的剖面樣品，同樣將采集結果裝袋備用。

1.3土壤樣品分析與重金屬含量測試

將采集后的土壤樣本運輸回試驗室后，置于烘干箱中使得土壤樣本充分干燥，人工挑揀樣品中的根系、石塊等雜質，置于研磨機中充分研磨后過篩后備用。測量重金屬累積量前，先使用稀硝酸浸泡試驗所用的各個玻璃器皿1d，取出后使用去離子水多次洗滌，擦拭后置于烘干箱中。使用pH計測量試驗樣品中的pH值分布，使用高溫消解儀先消解土壤樣品，樣品中的金屬污染累積量測量使用電感耦合等離子體發射光譜儀。測量過程中，土壤樣品質量控制參考GSS-5a國家土壤標準物質。將采集的土壤樣品交予地質局相關部門進行專業分析，分析標準參考DZ/T0279-2016，獲得土壤中各個重金屬的累積量。

1.4基于GIS技術的土壤重金屬空間分布測量

使用GIS軟件，在各個采樣點標定的區域采集土壤圖像信息，使用Kriging空間插值方法預處理圖像。插值是基于變異函數，確定區域變量空間關聯性，明確采樣點和預測點的距離，確定采樣點的空間關系，通過模型擬合確定權重，得出研究區域線性無偏差最佳估計結果。該方法是使用經驗半變異函數明確采樣點上空間自相關性，式（1）為半變異函數 r 計算： 式（1）

式（1）中， N（h） 表示與滯后距 h 相對應的采樣點對數， z（x_i） 與 分別代表 x_i 和 x+h_i 兩個測點相同重金屬實際測量的累積量 Σh 不同對應的函數值也各不相同，在函數基礎上使用Kriging方法實現空間插值，明確重金屬在研究區域中的空間分布：

其中， 表示采樣點 x₀ 位置的重金屬污染預測值， z（x_i） 則是該點實際污染值， n 表示采樣點，λ_i 代表采樣點 i 重金屬污染物測量后的權重。

完成插值以后，在GIS技術基礎上使用單因子污染指數法計算出研究區域的中間數污染程度，并通過GIS圖像呈現。使用式（3）計算出研究區域中單因子重金屬污染指數，該指數用于描述研究區域中某個重金屬污染物的超標倍數：

P=C/S

式（3）中， c 與 s 分別表示重金屬的實際測量值與標準值。如果 P 的數值超過0但是小于1，則表示該區域中未出現重金屬污染，如果 P 的數值超過1但是小于2，表示該區域出現輕度重金屬污染，如果P 的數值超過2但是小于3，表示該區域出現中度重金屬污染，如果 P 的數值超過3，表示該區域出現嚴重重金屬污染。

1.5基于地累積指數法的重金屬累積計算污染物

經過上文土壤采集與分析測量，能夠確定不同采樣點土壤中重金屬污染物的含量，但是各個受到地質條件制約，重金屬污染物的累積情況并未確定，因此選擇地累積指數法，測量各個重金屬污染物的累積情況。計算出土壤中重金屬污染物累積量如式（4）：

I=log[B/（k*ρ）]

式（4）中，表示巖土圈效應導致的背景矩陣校正因子，按照研究經驗，該因子取值通常為 _1.5，B 與ρ 分別表示土壤樣品中重金屬含量以及重金屬地球化學背景濃度。

2 分析結果

2.1地質條件制約對重金屬污染縱向分布影響

研究區域按照海拔分為荒地（山地）、林地與平地，各個不同區域中的地質條件也各不相同，使用采樣分析測試方法研究區域，受到地質條件制約，各個重金屬污染物在地下空間縱向分布平均值情況，試驗結果見圖2。

圖2（a）為海拔較高地區中以荒地為主的地質結構，重金屬污染物平均含量，從該試驗結果能夠看出，該區域中銅金屬元素含量最高，且深度越大地下地質結構中銅金屬的含量越大，這種情況可能是由于研究區域的山體結構中存在大量銅礦，地下水運移以及開采擾動使得這些銅礦在地質結構中析出，位置也不斷發生變化，導致銅金屬污染物在地質結構中含量較高，其他與銅礦伴生的各類金屬污染物在地質結構中的含量也發生變化。越接近地表，這些金屬污染物的含量越少，說明重金屬污染分布與金屬礦藏在地質結構中的位置分布有關。圖2（b）中為林地區域地質結構中，金屬污染物的分布情況，該區域植被較為豐富，所受污染較少，也沒有明顯礦物質儲存，因此該區域中不同地質結構的重金屬污染含量較小，且沒有造成嚴重污染。圖2（c）主要為農耕區域與居民住宅區域，受到農田施肥影響，地表累積大量以鎘為代表的重金屬污染物，且隨著液體下滲，這些重金屬污染物向地下空間擴散，但是地質結構中的黏土、灰巖都能發揮過濾作用，因此隨著地質結構深度增加，重金屬污染物的含量降低。

使用GIS技術觀測研究區域中各個重金屬污染的空間分布情況，試驗結果見圖3。

由圖3可知，各個污染物的空間分布主要還是由于所研究區域上工廠分布位置影響，這些工廠工作時排出的重金屬污染物，導致在研究區域形成嚴重的重金屬污染。但是地質條件制約也在該過程中發揮重要作用，其中海拔較高區域中，重金屬銅、重金屬汞和重金屬砷的含量均較高，這些區域屬于高山荒地，地層表面存在大量細砂和黏土，重金屬污染滲透與擴散均較快，因此出現重金屬污染較嚴重。圖3（b）中重金屬鎘分布主要是受到工廠生產影響出現污染，但是同時也由于該工廠所處位置位于丘陵區域，地勢呈現斜坡變化，因此鎘金屬污染也從高海拔向低海拔變化。圖3（e）和圖3（f）兩種重金屬受到地質、生產、生活等多種因素影響，在研究區域大面積分布，造成嚴重程度的重金屬污染。

2.2地質條件制約對重金屬累積影響

研究區域中地質結構較為復雜，受到篇幅限制，選取燧石團塊層、泥晶灰巖層、白云巖層具有代表性的地質條件區域，測試并計算研究區域的重金屬累積量，試驗結果見圖4。

從圖4（b）能夠看出泥晶灰巖層較為靠近地層表面，各種重金屬含量較高，同時泥晶灰巖滲透性較高，會導致重金屬污染物發生擴散。圖4（a）的重金屬污染物在燧石團塊層，該層雖然較為松散，但是所處位置較深，因此重金屬污染物積累量并不大。圖3（c）中，白云巖層同樣處于較深地質結構中，雖然相比于燧石團塊層重金屬污染物積累量較高，但是整體積累量保持在較低水平，說明該地質結構能夠一定程度發揮阻止重金屬污染物擴展的作用。

3 結束語

地質條件的復雜性導致土壤重金屬污染在空間分布上呈現非均一性，即使在相同的氣候和人為活動條件下，不同地質背景下的土壤重金屬含量和分布也可能存在顯著差異。為此，文章在明確土壤重金屬污染累積量的基礎上，分析了地質條件對重金屬污染空間分布的影響。通過研究結果發現，土壤中重金屬的分布受原生地質背景和人類活動雙重影響，具有顯著的空間變異性。地形和海拔等因素會影響地質結構發生變化，影響重金屬的遷移和累積，海拔較高的區域，出現污染物下滲，海拔較低的區域也會由于化學物質等影響導致重金屬污染物出現變化。地下空間中土層結構不同，地質結構也各不相同，不同地層結構對于重金屬污染物的累積量影響也各不相同。

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