李澤威,鐘建彪,王明華,萬(wàn)傳杰,岳永強(qiáng)

(湖北省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊(duì),湖北 恩施 445000)

恩施市龍鳳鎮(zhèn)土壤鎘元素地球化學(xué)特征及影響因素分析

李澤威,鐘建彪,王明華,萬(wàn)傳杰,岳永強(qiáng)

(湖北省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊(duì),湖北 恩施 445000)

在對(duì)恩施市龍鳳鎮(zhèn)全區(qū)進(jìn)行1∶5萬(wàn)土壤地球化學(xué)調(diào)查的基礎(chǔ)上,依據(jù)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范,以鎘元素為評(píng)價(jià)對(duì)象,評(píng)價(jià)龍鳳鎮(zhèn)鎘元素土壤環(huán)境質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí),分析研究區(qū)鎘污染形成的影響因素。成果顯示,研究區(qū)鎘污染程度較高,較嚴(yán)重鎘污染土壤面積占比11.83%,鎘元素土壤環(huán)境質(zhì)量主要受區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型以及酸堿度的綜合影響;研究區(qū)屬于高鎘高硒區(qū),鎘和硒元素之間存在正相關(guān)性,推測(cè)鎘和硒元素來(lái)源于相同的成土母巖。

環(huán)境質(zhì)量;重金屬;鎘;污染指數(shù)

自從1955年日本神通川發(fā)生聞名于世的骨痛病以來(lái),鎘污染及其防治引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。中國(guó)土壤鎘污染程度高,目前土壤鎘污染面積超過(guò)總耕地面積的1/6,嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2-3],鎘污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,鎘污染治理研究也更加深入。根據(jù)鎘污染來(lái)源和成因差異,目前土壤鎘污染的修復(fù)方法主要?jiǎng)澐譃楣こ碳夹g(shù)措施、物理修復(fù)措施、化學(xué)修復(fù)措施、生物修復(fù)技術(shù)及農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)方法等[4-5]。而本文以恩施市龍鳳鎮(zhèn)為例,結(jié)合化探手段和GIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),綜合研究土壤鎘元素含量的地球化學(xué)特征和影響因素,為下一步探討研究區(qū)鎘污染防治措施提供依據(jù)。

1 采樣及分析

1.1 研究區(qū)概況

龍鳳鎮(zhèn)位于恩施市北郊,距市中心10 km,是離恩施市最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn),“318”、“209”兩條國(guó)道從集鎮(zhèn)中心交匯而過(guò),宜萬(wàn)鐵路、滬蓉西高速公路均從集鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)經(jīng)過(guò)。該鎮(zhèn)地理坐標(biāo)極值為東經(jīng)109°19′～109°36′、北緯30°20′～30°32′,國(guó)土面積277.17 km2(圖1)[6]。

該區(qū)地處鄂西南褶皺山地,中心集鎮(zhèn)部分坐落在恩施紅色斷陷盆地中,山脈走向、地形地貌特征受區(qū)域構(gòu)造線(xiàn)控制。研究區(qū)屬揚(yáng)子地層區(qū)上揚(yáng)子地層分區(qū)八面山小區(qū),地層出露較為齊全,從古生界寒武系至新生界第四系均有分布,區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要由一系列北東—北北東向褶皺帶和斷裂組成,其中褶皺主要有北西部的背斜帶和南東部的向斜帶;斷裂主要有建始大斷裂、龍鳳壩斷裂等。區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型以黃棕壤、黃紅壤、黃壤為主,有少量石灰土、紫砂土、紫泥土、泥田等,其中黃棕壤分布最廣,黃紅壤次之,土壤成土母質(zhì)來(lái)源有差異,主要為碳酸鹽質(zhì)、泥質(zhì)、石英質(zhì)等[6-7]。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Study area traffic location map1.自治州人民政府駐地;2.市轄區(qū)人民政府駐地;3.鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府駐地、街道辦事處駐地;4.機(jī)場(chǎng);5.水庫(kù);6.河流;7.單線(xiàn)鐵路及車(chē)站;8.高速公路;9.國(guó)道及編號(hào);10.縣道;11.鄉(xiāng)道。

1.2 采樣及分析方法

1.2.1 采樣方法

采集樣品以工兵鍬為械具,標(biāo)準(zhǔn)化地采集地表0～20 cm的原始新鮮土壤,去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團(tuán)塊等雜物。為增加土壤樣品的代表性,采樣時(shí)以1處為主(作為定點(diǎn)位置),在采樣點(diǎn)周?chē)?0 m范圍內(nèi)多點(diǎn)采集3～5個(gè)子樣組合為一個(gè)樣品。其中樣品原始重量應(yīng)不低于1 000 g,每個(gè)樣品保證截取的粒級(jí)樣品<20目部分,重達(dá)500 g[7-8]。研究區(qū)內(nèi)采樣密度平均3.7點(diǎn)/km2,采樣比例尺基本達(dá)到1∶50 000,工作面積277.17 km2,共采集表層土壤樣1 015件,重復(fù)樣20件。

1.2.2 分析方法

樣品測(cè)試工作主要由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成,測(cè)試方法采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS),分析質(zhì)量均達(dá)到中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估技術(shù)要求(試行)》(DD2008—06)等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2.3 評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)

(1) 評(píng)價(jià)單元模型。利用MapGIS、Section、GeoTools等地理軟件對(duì)研究區(qū)所有圖斑進(jìn)行分割共劃分為17 155個(gè)圖斑,然后對(duì)每個(gè)圖斑添加屬性數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)每個(gè)圖斑的屬性進(jìn)行編輯來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)全區(qū)所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析[9]。

(2) 單元素環(huán)境質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法。依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)的規(guī)定,按土壤應(yīng)用功能和保護(hù)目標(biāo)劃分,研究區(qū)土壤屬于Ⅱ類(lèi)土壤,適用二級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),即使用適用于一般農(nóng)田、蔬菜、果園、牧場(chǎng)等土壤的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),其土壤質(zhì)量基本上對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。

依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)的“土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)”的規(guī)定[10],Cr元素等級(jí)劃分如下。

① 按公式:

式中:Ci為土壤中污染指標(biāo)i的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù),單位為毫克每千克(mg/kg);Si為土壤中污染物指標(biāo)i在《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中給出的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,單位為毫克每千克(mg/kg)。

② 按照土壤單項(xiàng)污染指數(shù)環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)劃分界限值(表1)進(jìn)行單元素土壤地球化學(xué)等級(jí)劃分。

表1 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)劃分Table 1 Geochemical classification of soil environment

2 結(jié)果與討論

2.1 鎘元素地球化學(xué)特征分析

2.1.1 鎘元素含量特征

本次統(tǒng)計(jì)的鎘元素地球化學(xué)特征的數(shù)據(jù)源自研究區(qū)1 015件土壤樣本,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到研究區(qū)土壤中各重金屬元素含量的算術(shù)平均值、背景值、標(biāo)準(zhǔn)離差、最大值、最小值、變異系數(shù)、眾數(shù)以及KK1值、KK2值。在數(shù)據(jù)整理過(guò)程中為使元素滿(mǎn)足正態(tài)分布,背景值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)取對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了異常值剔除之后的數(shù)據(jù),表中KK1=表層土壤背景值/全國(guó)土壤均值,KK2=表層土壤背景值/江漢流域表層土壤背景值,詳見(jiàn)表2。與中國(guó)土壤均值和湖北省所轄的江漢平原表層土壤的背景值相比較[11],研究區(qū)鎘元素KK1、KK2值分別為5.952、3.125,表現(xiàn)極富集。

表2 研究區(qū)鎘元素特征值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of cadmium element in the study area

2.1.2 鎘元素空間分布特征

研究區(qū)鎘元素背景值較高。如圖2所示,較低值區(qū)域主要分布在三河村以及西流水林場(chǎng)—龍馬村、柑子坪村一帶區(qū)域。高值區(qū)域分布廣,主要分布在研究區(qū)東南部的店子槽村、杉木壩村、雙堰塘村—三龍壩村、向家村一帶及研究區(qū)西南部的碾盤(pán)村最南端。鎘元素土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)成果顯示如圖3,研究區(qū)鎘清潔土壤和輕微污染土壤面積占比70.31%,輕度污染土壤面積占比17.86%,中度—重度鎘污染土壤面積占比11.83%。研究區(qū)鎘污染問(wèn)題較嚴(yán)重的區(qū)域面積達(dá)82.29 km2。

2.2 土壤鎘污染影響因素分析

研究區(qū)重金屬污染主要為鎘污染。調(diào)查顯示,研究區(qū)人工活動(dòng)造成的鎘污染現(xiàn)象很少,鎘元素污染主要與土壤的酸堿度、成土母質(zhì)及土壤類(lèi)型有關(guān)。

圖2 研究區(qū)鎘元素等值線(xiàn)圖Fig.2 Isogram of cadmium element in the study area1.村名及村界;2.小路;3.水系;4.工作區(qū)。

圖3 研究區(qū)鎘元素土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)評(píng)價(jià)圖Fig.3 Evaluation of soil environmental geochemical grade of cadmium element in the study area1.村名及村界;2.水系;3.小路。

2.2.1 研究區(qū)土壤酸堿度情況

研究區(qū)土壤以酸性土壤為主,次之為中性和堿性土壤(圖4),區(qū)內(nèi)酸堿度分布狀況見(jiàn)表3所示。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),鎘元素含量與pH值的相關(guān)系數(shù)為0.125,而鎘元素環(huán)境等級(jí)與pH值等級(jí)的相關(guān)系數(shù)為-0.137,初步推斷酸性環(huán)境易導(dǎo)致鎘污染,而堿性環(huán)境對(duì)鎘污染有輕微抑制作用,鎘元素在酸性環(huán)境中的活動(dòng)性和遷移能力要比在堿性環(huán)境中強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)土壤酸堿度等級(jí)圖Fig.4 Soil pH scale in the study area1.村名及村界;2.水系;3.小路。

表3 土壤酸堿度等級(jí)表Table 3 Soil pH scale table

2.2.2 研究區(qū)成土母質(zhì)情況

將研究區(qū)樣品按不同母質(zhì)單元統(tǒng)計(jì)鎘元素特征值列于表4,表中顯示出鎘元素分布與成土母質(zhì)的地質(zhì)屬性關(guān)系密切,其中石炭系和二疊系母質(zhì)區(qū)內(nèi)鎘元素平均值和中位數(shù)明顯高于其他成土母質(zhì)區(qū)。

表4 不同成土母質(zhì)的鎘元素特征值統(tǒng)計(jì)表Table 4 Eigenvalue of cadmium element in different soil parent materials

注：表中各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值的單位為mg/kg。

為了考察不同母質(zhì)單元對(duì)鎘元素分布的影響,以此次土壤區(qū)域背景值為基礎(chǔ),將各地質(zhì)單元鎘元素的均值與背景值的比值作為富集系數(shù)(K)[6],將K值按1.0、1.50、2.0、3.0間隔作富集程度分級(jí)劃分為五級(jí),分別為貧乏(K<1.0)、適中(1.0≤K≤1.5)、相對(duì)富集(1.5≤K≤2.0)、富集(2.0≤K≤3.0)、強(qiáng)富集(K>3.0),所得結(jié)果見(jiàn)表5。二疊系和石炭系母質(zhì)區(qū)屬于鎘元素富集、強(qiáng)富集區(qū),明顯高于其他母質(zhì)區(qū)對(duì)鎘元素的富集程度。

2.2.3 研究區(qū)土壤類(lèi)型情況

表5 不同成土母質(zhì)鎘元素富集度統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table of cadmium enrichment in different soil parent materials

注：表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為富集系數(shù),“K”為無(wú)量綱。

鎘元素在不同類(lèi)型土壤區(qū)的平均值分布如表6所示,在泥質(zhì)巖黃棕壤性土、水稻土二類(lèi)土壤中鎘元素平均值最高。依據(jù)上述富集度的定義[12],得到不同類(lèi)型鎘元素富集度統(tǒng)計(jì)情況如表7所示。按富集度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),泥質(zhì)巖黃棕壤性土區(qū)域?yàn)閺?qiáng)富集區(qū),對(duì)鎘元素的富集程度均明顯高于其他類(lèi)型土壤。

表6 不同類(lèi)型土壤鎘元素平均值表Table 6 Average value of cadmium in different types of soils

注：表中各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值的單位為mg/kg。

表7 不同類(lèi)型土壤鎘元素富集度統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistical table of cadmium enrichment in different types of soils

注：表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為富集系數(shù),“K”為無(wú)量綱。

2.3 鎘元素與硒元素的相關(guān)性分析

研究區(qū)屬于恩施地區(qū)典型的高鎘高硒區(qū),硒元素整體含量高,其含量極高值區(qū)與鎘元素高值區(qū)基本一一對(duì)應(yīng)。對(duì)土壤總鎘含量和總硒含量相關(guān)性分析得到,兩種元素相關(guān)系數(shù)為0.49,屬于中度正相關(guān)。如表8所示,不同地層中鎘和硒元素含量相關(guān)性存在差異,其中在志留系、石炭系、白堊系地層中存在明顯高度正相關(guān);如表9所示,不同土壤類(lèi)型中鎘和硒含量基本為中度正相關(guān)。經(jīng)過(guò)兩種元素相關(guān)性對(duì)比分析,初步推斷鎘元素與硒元素物質(zhì)來(lái)源一致,具有相同的成土母質(zhì),同時(shí)更進(jìn)一步證明了成土母質(zhì)對(duì)鎘元素含量分布起主要作用。

表8 不同成土母質(zhì)的硒鎘相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 8 Correlation coefficient statistics of selenium and cadmium in different soil parent materials

3 結(jié)論

(1) 研究區(qū)鎘污染程度較高,范圍較廣,較嚴(yán)重鎘污染區(qū)占比面積11.83%;鎘元素在不同的成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型以及土壤酸堿度的環(huán)境中含量分布有差異,鎘元素土壤環(huán)境質(zhì)量主要受區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型以及酸堿度的綜合影響。

表9 不同類(lèi)型土壤的硒鎘元素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 9 Correlation coefficient statistics of selenium and cadmium in different types of soils

(2) 研究區(qū)屬于高鎘高硒區(qū),鎘硒元素含量分布整體呈中度正相關(guān),在不同地層中呈現(xiàn)中度—重度正相關(guān),推測(cè)鎘硒元素來(lái)源于相同的成土母巖。

致謝:野外工作和資料整理得到湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì)“金土地”項(xiàng)目小組的幫助,特此感謝。同時(shí)感謝王明華主任、李明龍主任和其他領(lǐng)導(dǎo)的指導(dǎo)幫助,深致謝意。

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Cadmiumin Soil of Longfeng Town,Enshi City

LI Zewei,ZHONG Jianbiao,WANG Minghua,WAN Chuanjie,YUE Yongqiang

(SecondGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Enshi,Hubei445000)

Based on the soil geochemical survey of 1∶50 000 of Longfeng Town,Enshi City,the geochemical grade of soil environmental quality of the cadmium element was evaluated,and the influencing factors of cadmium pollution were analyzed in Longfeng Town,according to Specification of Land Quality Geochemical Assessment.The results showed that the cadmium pollution in the study area was higher,and the soil area of severe cadmium pollution was 11.83%,and the soil quality of cadmium was mainly affected by soil parent material,soil type and pH value.The study area was high cadmium and high selenium region,there is a positive correlation between cadmium and selenium.It is speculated that cadmium and selenium elements are derived from the same soil parent rock.

environmental quality; heavy metals; cadmium; pollution index

S151.9+3; S159

A

1671-1211(2017)05-0563-05

2017-03-30;改回日期2017-05-31

李澤威(1988-),男,工程師,碩士,地質(zhì)勘查專(zhuān)業(yè),從事礦產(chǎn)地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)方面工作。E-mail:yangwa_lzw@163.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170830.1152.004.html數(shù)字出版日期2017-08-30 11:52

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.011