鄭州滎陽市周邊土壤重金屬含量垂向變化與結合態特征研究

關鍵詞土壤重金屬;結合態特征；垂向分布規律；滎中圖分類號X53文獻標識碼A文章編號 0517-6611（2025）13-0044-07doi：10.3969/j. issn. 0517-6611.2025.13. 010

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Studyon Vertical Variationin Contentand BoundedForm Characteristicsof Heavy MetalinSoil Around Xingyang City， Zhengzhou PEI Rui-liang12，SHENG Q_i^1，2 ，CAI Chun-nan1 et al（1. Henan Academy of Geology， Zhengzhou，Henan 450016;2.Henan Geochemical Ecological Restoration Engineering Research Center， Zhengzhou，Henan ）

AbstractSystematicallyxploredteverticaldistributionlawandharactersticsofhmcalboundedsofheavmetalsschasd，Hg， As，and Pb inthesoil around Xingyang City，Zhengzhou.Theresults showed thatCd wassignificantlyenrichedinthesurface soil （0- 20cm ），with concentrations2-3 timeshigher than that in the deep soil （ 150-200cm ） due to the influence of industrial and agricultural activities.Bounded form analysis showed that the proportion of exchangeable form of Cd was as high as 18% ，with outstandingbioavailabilityand significant environmental risks.And Pb mainly existed in the bounded form of iron and manganese oxides（ 40% ），which iseasilyactivated and migrated under acidic conditions.

Key WordsSoil heavy metals;Bounded form characteristics;Vertical distribution law;Xingyang City

土壤作為生態系統的重要組成部分，承載著物質循環、作物生長及污染物的自然凈化功能[1]。隨著工業化與農業集約化進程的加快，重金屬污染已成為全球性環境問題，其通過食物鏈富集威脅人類健康與生態安全[2]。Cd 和 Hg 因其高毒性、強遷移性及生物累積性，被列為優先控制污染物[3]。土壤重金屬污染具備長期殘留、難降解、高毒性等特性，遷移性欠佳[4]。由于重金屬生物可利用性受總量及存在形式、結合態雙重影響，不同結合態重金屬環境行為迥異，毒性、遷移能力及自然循環差異顯著[5]。研究表明，可交換態重金屬易被植物吸收，直接加劇生態風險；而殘渣態重金屬則相對穩定，遷移性較低[4]。因此，解析重金屬的垂向分布規律及其結合態特征，是科學評估污染風險、制定針對性修復策略的關鍵。基于此，該研究以滎陽市周邊土壤為對象，通過采集不同深度的剖面樣品，結合地球化學分析技術，探究 Cd，Hg 等重金屬的垂向富集規律及結合態分布特征，揭示人類活動對土壤重金屬遷移的影響機制，明確主要污染元素的生物有效性及環境風險，為區域土壤污染精準管控與生態修復提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況研究區位于鄭州市轄區內的縣級市滎陽周邊，距離鄭州市中心城區約 15km ，地理坐標為 113^°07^′～ 113°30^′E.34°36^′～34°59^′N_c 。該區域地處黃河流域與淮河流域的交匯處，同時也是黃河中下游的分界區域，地理位置優越，西鄰古都洛陽，南望中岳嵩山，北瀕九曲黃河，東接河南省會鄭州市，自古便有“兩京襟帶，三秦咽喉”之稱。截至2021年末，研究區常住人口為73.25萬。

研究區的土壤發育主要受控于氣候及地形條件。該區域屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。春季干燥多風，夏季炎熱多雨且水熱同期，秋季天高氣爽、光照充足，但偶有連陰雨天氣，冬季寒冷干燥、風多雪少。春秋兩季相對較短，降水季節分配不均，全年降水主要集中在7一9月，期間暴雨天氣較為常見。歷年平均氣溫為 14.8°C ，年降水量為608.8mm 。這種冷熱交替的氣候特征對研究區土壤的發生和發展產生了顯著影響。研究區整體地勢由西南向東北傾斜，坡度變化較大。其中，近山區坡度為 10.0%～15.0% ，崗地傾斜平原坡度為 2.0%～3.0% ，沖積平原坡度為 0.5% ＼～1.5% 。山區地形以陡坡、孤峰、單面山為主，海拔在 300～ 700m ，相對高度約為 100m 。地形地貌對土壤的垂直分布及王層厚度等特征具有重要影響，具體表現為山區土壤偏薄、平原區土層偏厚。

研究區內土壤主要分為棕壤、褐土、潮土3個土類。棕壤主要分布于山地，該區域山勢高峻，多斷層峭壁，氣候較為濕潤，植被類型豐富多樣，以落葉闊葉林占優勢。褐土主要分布在淺低山丘陵、黃土丘陵以及谷地兩側的階地上，其上限與棕壤相連，下限與潮土相接。潮土則主要分布在河流兩側的沖積平原上以及地勢較為平整的洼地中，呈條帶狀分布，且分布面積較大。

1.2樣品采集在滎陽市周邊土壤重金屬含量較高的區域，該研究共布設了6條垂向剖面，編號依次為ZPM20＼～ZPM25。在每個剖面上，從地表開始向下，分別采集5個不同深度的土壤樣本。以編號ZPM20的剖面為例，其第1個采樣點標記為ZPM20-01，第2個采樣點標記為ZPM20-02，其余采樣點依此類推，依次編號為 ZPM20-03，ZPM20-04 ZPM20-05。這些剖面從地表向下延伸至 200cm 深處，采樣層位分別設定在 0～20_，gt;20～50_，gt;50～100_，gt;5100～150_，gt;5150～ 200cm 的深度，每隔 20～50cm 分層采集土壤樣本。此次研究共采集了30個土壤樣本，測定包括 Cu，Ni，Pb，Cd，As，Hg Zn，Cr，Mo 的含量和 ΔpH 在內的10項指標。此外，還對研究區HPMC21 ～ HPMC49等29個表層土壤樣本中的 Cu，Pb 、Zn，Ni，Cd，Cr，Hg，As 重金屬賦存形態進行詳細分析，涵蓋可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、硅酸鹽態。

1.3分析測試該研究的樣品測試工作由河南省地質研究院實驗室承擔，該實驗室均具備相應的檢測資質。土壤剖面樣品測定了 Cu，Ni，Pb，Cd，As，Hg，Cr，Mo，Zn 的含量和 ΔpH 這10項指標（表1）。對于土壤結合態樣品，進一步分析了 Cu 、Ni，Pb，Cd，As，Hg，Cr 和 Z_n 等重金屬的結合態分布，包括可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、硅酸鹽態（表2）。在樣品處理方面，元素全量分析的樣品經自然風干后過60目尼龍篩，等重量縮分成 200g 分析樣品送檢；結合態樣品則先過10目孔徑篩，等重量縮分后繼續研磨至過60目孔徑篩，樣品重量不小于 100g 再送檢分析。

2結果與分析

2.1土壤元素垂向變化特征從表2可以看出，表層土壤（ 0～20cm 中 等重金屬含量總體明顯高于其他土層。其中，Cd在表層的含量比 gt;150～ 200cm 土層高出2＼～3倍。總體來看， Cd，Hg，As，Pb，Cu 和Z_n 等重金屬在表層土壤（ 0～20cm， 中顯著富集，其含量隨土層深度增加而降低，但Ni和 Cr 的垂向分布較為穩定，可能表明它們受人類活動影響較小。這些垂向分布特征反映了重金屬在土壤中的遷移和積累過程[6-7]，同時也顯示研究區表層土壤對重金屬具有較強的吸附和固定能力。與《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）對比發現，除樣本ZPM22-1的Cd含量略高于篩選值0 （0.6mg/kg） 外，其他樣本的 Hg，As，Pb，Cr，Cu，Ni 和 Z_n 的含量均未超出篩選值。所有Cd超標的樣本含量均低于管制值0 （4.0mg/kg） ，且均位于表層，隨土層深度增加Cd含量遞減，暗示其污染源可能與人類活動密切相關。

表2垂向剖面地球化學元素含量統計

Table2Vertical profile statistics of geochemical element contents

2.2土壤元素結合態特征該研究對滎陽市周邊土壤重金屬風險區的30件表層土壤樣本進行了化學結合態分析，重點關注了 Cr，Hg∝As，Ni，Cu，Zn，Pb 和Cd這8種重金屬元素的5種主要結合態（可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、硅酸鹽態）。這5種結合態的分布、遷移和轉化受到多種因素的影響，進而決定了其對生態系統和環境的風險程度。

可交換態重金屬主要吸附于土壤中的腐殖質和黏土礦物，對環境變化極為敏感，其易于遷移和轉化，并可被植物吸收，其含量受人類活動影響顯著[8-9]，對生態系統的毒性作用尤為突出。碳酸鹽結合態重金屬是指與土壤碳酸鹽礦物共沉淀的金屬離子[10]。土壤pH 是影響碳酸鹽結合態穩定性的關鍵因素：pH降低會促進其溶解，釋放重金屬離子；而pH升高則有利于碳酸鹽礦物的形成和重金屬的固定[11]。研究區pH為7.53＼～8.71，均值為8.17，土壤屬于堿性，這對碳酸鹽結合態的穩定有利。

鐵錳氧化物結合態重金屬通常以礦物顆粒或細小顆粒分散的形式存在于土壤中。這種存在形式使其具有較大的比表面積，有利于吸附陰離子或與之共沉淀[12]。土壤的酸堿度（pH）和氧化還原電位是影響鐵錳氧化物結合態穩定性的關鍵因素。較高的 pH 和氧化還原電位有利于鐵錳氧化物的形成，從而有助于固定重金屬離子[13]。由于該研究區域的pH較高，這有利于鐵錳氧化物的穩定結合，降低了這類結合態被活化并引發環境污染風險的可能性。

有機結合態重金屬由土壤中的天然有機質（如動植物殘體和腐殖質）與重金屬離子螯合而成[14]；這種結合態反映了王壤有機質與重金屬的相互作用，是評估土壤污染程度的重要指標。硅酸鹽態（也稱殘渣態）重金屬主要存在于土壤礦物晶格中，是礦物風化的產物；這種結合態的重金屬在自然環境中相對穩定，不易釋放，對植物的可利用性較低[15]；其分布和穩定性主要受土壤礦物組成、巖石風化程度和土壤侵蝕作用的影響。

從圖1和表3可以看出，30件樣品的重金屬結合態分布具有相似性， CrHgAsNiCuZn 主要以硅酸鹽態存在，而Cd的硅酸鹽態含量較低。 Pb 以鐵錳氧化物結合態和硅酸鹽態為主，Cd以碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態為主，且可交換態占比較高。以HPMC21土壤樣品為例，其重金屬結合態分布規律明顯， 的硅酸鹽態含量占比分別為 87%.78%.75%.74%.70%.59% ，而有機結合態、碳酸鹽結合態和可交換態含量較低； Pb 的鐵錳氧化物結合態含量占比為 40% ，硅酸鹽態為 39% ；Cd的碳酸鹽結合態含量占比為 30% ，鐵錳氧化物結合態占比為 22% 。

總體而言，研究區表層土壤中， Cr，H_g，As，Ni，Cu 和 Z_n 主要以硅酸鹽結合態存在，這種結合態的重金屬穩定性高，難以被植物吸收，生態毒性和環境風險相對較低。相比之下， Pb 以鐵錳氧化物結合態為主，在環境酸化條件下可能被活化，釋放可被植物吸收的鉛，增加環境風險。而Cd的環境風險最為突出，其以碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態為主，且可交換態比例較高，易于被植物吸收和富集。此外，在環境酸化條件下，碳酸鹽結合態的Cd可能會進一步活化，釋放更多重金屬離子，加劇環境風險。

2.3 成因及影響分析

2.3.1重金屬垂向分布特征的成因及影響分析。重金屬在表層土壤中的富集可能與多種因素相關。首先，表層土攘通常具有較高的有機質含量和微生物活性，這些特性有助于重金屬的吸附和固定[16]。其次，人類活動（如農業施肥、工業排放等）對表層土壤的直接影響較大，可能導致重金屬的輸入增加[17]。此外，土壤的物理性質（如孔隙度、滲透性）也可能影響重金屬的遷移和分布[18]。例如，土壤孔隙度較大時，重金屬更容易通過淋溶作用向下遷移，而在孔隙度較小時，重金屬則更容易在表層積累。研究區土壤類型以褐土為主，該類土壤黏粒含量較高、孔隙度較大，有效阻止了重金屬向下層土壤的遷移。

圖1HPMC21樣品的重金屬結合態分布比例

Fig.1The distribution proportionof theheavymetal bounded form in the HPMC21 sample

表3土壤樣品重金屬結合態分布

Table3 Distribution of heavymetal bounded form in soil sample

重金屬的垂向分布特征對其環境風險具有重要影響[19]。雖然Cd和 Hg 在表層土壤中的含量較高，但其隨著土層深度增加而降低，表明這些重金屬的遷移能力有限，主要集中在表層。這在一定程度上限制了它們對深層土壤和地下水的污染風險。表層土壤的重金屬富集仍然對生態系統和人類健康構成潛在威脅，特別是對于那些易被植物吸收的重金屬（如Cd）。因此，在土壤污染治理和管理中，應重點關注表層土壤的重金屬污染，采取有效措施減少其輸入和遷移。

2.3.2重金屬結合態特征的成因及影響分析。研究區表層土壤樣本中 Cr，Hg，As，Ni，Cu 和 Z_n 主要以硅酸鹽結合態存在，這種結合態對作物的可利用性較低，因此其環境風險相對較小。Pb以鐵錳氧化物結合態為主，其可交換態（易被植物吸收的形式）占比較低，仍需警惕土壤酸化可能引起的鐵錳氧化物結合態活化，從而增加環境風險。Cd雖然主要以碳酸鹽結合態存在，但其可交換態約占總含量的 18% ，這可能是導致部分作物Cd含量超標的主要原因。因此，在土壤污染治理和管理中，應特別關注Cd的環境風險，并采取措施降低其可交換態的比例，以減少對作物和生態系統的危害。

3結論

該研究對研究區土壤重金屬的垂向分布特征、環境風險、結合態特征進行了深人分析，結果表明，表層土壤（ 0～ 20cm 中 Cd，Hg，As，Pb，Cu 和 Z_n 等重金屬呈現富集趨勢，其含量隨土壤深度增加而降低，其中Cd在表層的含量顯著高于深層土壤。與《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）相比，Cd是研究區的主要污染風險元素，盡管部分表層樣本的Cd含量略超篩選值，但未達管制值，且其含量隨土層深度增加而降低，表明環境風險減弱。從形態特征看， Cr，H_g，As，Ni，Cu 和 Z_n 主要以硅酸鹽結合態存在，對作物可利用性較低； Pb 以鐵錳氧化物結合態為主，其可交換態占比較低，但需警惕土壤酸化可能引發的活化風險；Cd雖以碳酸鹽結合態為主，但可交換態占比達18% ，可能是導致作物Cd超標的主要原因。綜合研究表明，重金屬的垂向分布和結合態特征明顯影響其環境風險，其中Cd的表層富集特征及較高可交換態比例使其成為環境風險防控的重點。未來研究應進一步探討重金屬遷移機制，基于Cd的污染特征制定針對性治理措施，以降低其對生態系統和人類健康的潛在威脅。

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