王國強(qiáng)

（浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江 寧波 315000）

土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查中，土壤環(huán)境背景值是最基本的地球化學(xué)參數(shù)之一，具有非常重要的理論和實(shí)踐意義[1]。通常認(rèn)為，土壤環(huán)境背景值是指不受或者很少受人為活動(dòng)影響或者現(xiàn)代工業(yè)污染的情況下，土壤化學(xué)組成或者元素的含量水平。由于人類活動(dòng)與現(xiàn)代工業(yè)影響環(huán)境的普遍性，導(dǎo)致很難通過調(diào)查獲得絕對的土壤環(huán)境背景值。因此，土壤環(huán)境背景值僅是相對的概念，包括自然背景部分和外源污染物部分，即調(diào)查分析時(shí)，排除明顯污染和主要干擾后的地球化學(xué)特征值。

土壤環(huán)境背景值作為土壤地球化學(xué)的一項(xiàng)重要指標(biāo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)土壤環(huán)境的評價(jià)、土壤分區(qū)的規(guī)律、影響因素的研究和局部異常區(qū)的圈定提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。土壤重金屬背景值的確定有助于研究和評價(jià)不同環(huán)境、地質(zhì)、地理?xiàng)l件下重金屬的污染程度[3-5]，因此，本文以溫嶺市行政區(qū)域?yàn)槔?，對表層土壤重金屬元素背景值以及各重金屬元素間的組合特征、相關(guān)性進(jìn)行了研究。

1 土壤重金屬元素背景值獲取和計(jì)算

1.1 調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)地處浙江省東南沿海臺州灣以南，長三角地區(qū)的南翼，三面臨海，屬浙東南沿海丘陵平原及島嶼區(qū)，有“四山一水五分田”之稱；調(diào)查區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，溫濕適中；地勢西高東低，西部和西南部為低山丘陵，北部、中部和東部為平原，地勢平坦，河流縱橫；在地質(zhì)構(gòu)造上屬浙閩地的東部邊緣，新華夏系第二個(gè)一級構(gòu)造復(fù)式隆起帶南段東側(cè)，溫州—溫嶺深大斷裂以東的沿海地帶；分布有瀉湖相沉積物、濱海相（粉砂）淤泥、（中）酸性火山巖類風(fēng)化物、富晶屑凝灰?guī)r類風(fēng)化物等8類成土母質(zhì)，形成了紅壤、黃壤、粗骨土、潮土、濱海鹽土和水稻土等6種土壤類型[6]。調(diào)查涉及所有耕地及部分林地、園地區(qū)，面積約400 km2。

2002年5 月～2005年10月，工作人員對該區(qū)域范圍開展了1∶20萬的浙江省農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，研究了土壤地球化學(xué)背景值，揭示了浙東沿海地區(qū)元素背景值的特點(diǎn)和規(guī)律，本文根據(jù)溫嶺市土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，初步確定表層土壤重金屬元素的背景值，并與前者獲取的資料作相應(yīng)的對比。

1.2 土壤背景值樣品的獲取

本次土壤背景值規(guī)定統(tǒng)一采用土壤地球化學(xué)調(diào)查中的表層土壤樣品作為統(tǒng)計(jì)的樣品。研究對象以耕地為主，林地、園地適當(dāng)調(diào)查，按照劃分的地球化學(xué)異常區(qū)（采樣密度11～12件/km2）、重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)（采樣密度9～10件/km2）、低山丘陵區(qū)（采樣密度7～8件/km2）及一般耕地區(qū)（采樣密度4～6件/km2）4類調(diào)查密度分區(qū)，并且均勻布設(shè)樣品，表層土壤樣品平均采樣密度為9件/km2；每個(gè)樣品由5個(gè)分樣點(diǎn)等量均勻混合而成，并保證中心坑與四周分樣點(diǎn)20～50m距離，采樣時(shí)去除表面雜物，垂直采集地表0～20cm深的連續(xù)土壤樣品，使用不銹鋼鏟直接采取，并保證上下均勻采集。樣品中棄去動(dòng)植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊等，且土壤樣品原始質(zhì)量大于2kg。

樣品采集主要集中在上茬作物收獲以后，下茬作物尚未施用底肥和種植以前，同時(shí)，避開雨季作業(yè)。

樣品采集遵循代表性和典型性的原則，采集的樣品在單元內(nèi)具有代表性，特別是土地利用的情況[7]，如在控制單元內(nèi)連片水稻種植區(qū)則不采集種植蔬菜或種植苗木、果樹的土壤樣品；采集樣品離開公路、溝渠，同時(shí)還避開垃圾和可能存在污染的土壤，以及避開人工堆積土，如肥堆、糞坑、路邊、地頭、溝邊等?，F(xiàn)場條件允許或周邊樣點(diǎn)距離較大時(shí)，要求遠(yuǎn)離主干公路100m以上、一般公路50m以上、連片建筑50m以上、機(jī)耕路10m以上，田埂1m以上。

土壤樣品干燥壓碎后通過2mm（10目）的孔徑篩，未過篩的土粒經(jīng)過重新碾壓過篩，直至全部樣品通過2mm孔徑篩為止。樣品由遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所分析測試，測試指標(biāo)全量20項(xiàng)，其中本次研究的重金屬8項(xiàng)，嚴(yán)格執(zhí)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和外部質(zhì)量監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析質(zhì)量可靠。

1.3 樣品分析項(xiàng)目和方法

根據(jù)土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查的需求，滿足規(guī)范要求并結(jié)合分析測試單位實(shí)際，采用X射線熒光光譜法(XRF)、等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)和原子熒光光譜法(AFS)等分析方法，組合成先進(jìn)、準(zhǔn)確度和精密度高的分析體系和配套方案。土壤樣品重金屬元素分析方法與分析測試項(xiàng)目如下：

（1）X射線熒光光譜法(XRF)，分析項(xiàng)目為Cu、Pb、Zn、Ni、Cr共5項(xiàng)。

（2）等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)，分析項(xiàng)目為Cd共1項(xiàng)。

（3）原子熒光光譜法(AFS) 分析項(xiàng)目為As、Hg共2項(xiàng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

依據(jù)已有資料和實(shí)際情況，調(diào)查區(qū)表層分析樣品共3446件，即每個(gè)元素獲得3446個(gè)數(shù)據(jù)。由于可能存在環(huán)境異常，同一元素有離群的高值和低值，且不是所有數(shù)據(jù)均能以正態(tài)分布的形式存在，因此，依據(jù)浙江省農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查成果，基準(zhǔn)值的求取進(jìn)行地球化學(xué)分布檢驗(yàn)。在滿足正態(tài)分布狀態(tài)下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，首先初步剔除異常數(shù)據(jù)，計(jì)算出所有樣品的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，按平均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差（X±2S）來剔除超出或低于這一范圍的離群數(shù)據(jù)，使其符合正態(tài)分布的要求，以此構(gòu)成相應(yīng)單元的背景區(qū)間以及背景值。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與討論

2.1 表層土壤重金屬元素地球化學(xué)特征

由于調(diào)查區(qū)內(nèi)平原區(qū)分布區(qū)域較廣，其占調(diào)查比例最大，按上述數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方法，樣本數(shù)據(jù)也相對具有代表性，并逐步剔除異常高值和低值后，計(jì)算出整個(gè)行政區(qū)耕地為主的范圍內(nèi)覆蓋的區(qū)域土壤各重金屬元素或指標(biāo)的背景值及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出來的平均值可以作為該行政區(qū)單元正常的背景值，見表1。

表1 全區(qū)表層土壤全量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（剔除2倍標(biāo)準(zhǔn)離差）

由表1看出，總體重金屬元素平均值含量均稍高于臺州市背景值，由此說明該元素在土壤環(huán)境中的存在和含量相對穩(wěn)定，不易遷移轉(zhuǎn)化，或者說遷移轉(zhuǎn)化的水平處于動(dòng)態(tài)平衡中；空間分布上重金屬元素的空間變化整體穩(wěn)定，其與臺州市變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)比較，變異系數(shù)或高或低，其中Cr、Ni仍然超過40%，空間變異性強(qiáng)烈揭示了局部地方依舊存在重金屬電源輸入，且短期內(nèi)未能改變。綜上所述，土壤短期內(nèi)受人類活動(dòng)影響較小，局部區(qū)域依然保留著原來受人類活動(dòng)影響的重金屬輸入現(xiàn)象，因此，當(dāng)前統(tǒng)計(jì)的背景值能反映真實(shí)的背景情況。

2.2 主因子確定及元素組合

因子分析是用少數(shù)幾個(gè)因子描述許多指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系，即：用較少幾個(gè)因子反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息的統(tǒng)計(jì)方法。該方法將多個(gè)具有錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的因子歸結(jié)為數(shù)量較少的幾個(gè)綜合因子，這些少數(shù)的綜合因子可代表大多數(shù)因子的信息。本文通過提取大量數(shù)據(jù)的信息特征，了解代表性信息的分布情況。

本次選擇As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等主要重金屬元素進(jìn)行因子分析。通過方差最大旋轉(zhuǎn)法，并結(jié)合正交旋轉(zhuǎn)載荷矩陣系數(shù)，統(tǒng)計(jì)中特征值方差貢獻(xiàn)百分比累積大于80%的水平提取主因子F1、F2，即可代表了大部分原始數(shù)據(jù)所提供的信息，見表2、表3。

表2 特征值及方差貢獻(xiàn)百分比一覽表

表3 正交旋轉(zhuǎn)載荷矩陣系數(shù)表

對各重金屬元素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)（表4），運(yùn)用R型聚類分析方法，結(jié)合主因子載荷分布圖（見圖1、圖2），揭示了2種不同的元素組合形式：F1因子0.7以上代表的Cr-Ni組合①，F(xiàn)2因子0.5以上代表的Cd-Cu-Pb-Zn組合②。

圖1 層重金屬元素R型聚類樹形圖（組間聯(lián)結(jié)方法）

圖2 重金屬元素主因子載荷分布圖

表4 土壤重金屬元素相關(guān)性系數(shù)表（Pearson相關(guān)系數(shù)）

對上述組合進(jìn)行相關(guān)性分析，表明組合②Cd、Cu、Pb、Zn本身作為親硫元素組合，具有一定的聚合性，且存在高度同源性，高背景濃集區(qū)主要集中在溫嶺市北西一帶；組合①Cr、Ni元素極顯著相關(guān)，高度同源，高背景濃集區(qū)主要分布在兩個(gè)區(qū)域，一片分布于橫峰街道-澤國鎮(zhèn)一帶，一片分布于新河鎮(zhèn)-箬橫鎮(zhèn)一帶，富集程度高度集中。各重金屬元素地球化學(xué)圖顯示的元素空間變異特征與上述分析相互印證，且對比前人浙東沿海丘陵平原區(qū)不同因子相關(guān)元素組合表5，顯示本次組合總體與前人研究結(jié)果呼應(yīng)。

表5 溫嶺市與浙東沿海丘陵平原區(qū)因子重金屬元素組合對照表

3 結(jié)語

（1）通過溫嶺市土地質(zhì)量的地質(zhì)調(diào)查，本文初步給出調(diào)查區(qū)表層土壤重金屬土壤地球化學(xué)背景值，并與前人資料進(jìn)行對比分析后，整體背景值符合溫嶺市的現(xiàn)狀，但后續(xù)對全區(qū)的其他表層測試元素?cái)?shù)據(jù)背景值研究仍需要注意考慮地質(zhì)背景、物質(zhì)來源等因素的影響，且人類活動(dòng)影響范圍廣泛，絕對意義上的土壤背景值難以獲得，需反復(fù)剔除異常值后，方可以從總體上反映該區(qū)土壤元素地球化學(xué)的背景特征。

（2）通過全區(qū)的重金屬元素聚類分析和不同因子元素組合與載荷的對比分析，得出該區(qū)表層土壤重金屬元素組合特征，不僅與前人研究成果相互呼應(yīng)，還表明在長期的自然營力和人類活動(dòng)影響下，表層土壤元素發(fā)生了遷移、分散和富集，由于該特點(diǎn)，造成重金屬元素相關(guān)性顯著等特征。通過因子分析，通常同一因子中的元素群相關(guān)性良好，具有同樣的來源，如農(nóng)藥、交通、廢品回收、金屬拆解等活動(dòng)常產(chǎn)生重金屬富集，不同污染源具有特定的污染元素組成，在此基礎(chǔ)上，仍需對大量元素、各類有益有害元素等組合相關(guān)性深入研究，為項(xiàng)目的亮點(diǎn)和提高服務(wù)。

（3）調(diào)查區(qū)表層土壤元素化學(xué)組成因成土作用和人為擾動(dòng)等有所差異，通常在自然狀態(tài)下，元素的含量緩慢變化，但是由于人類活動(dòng)直接或間接的影響，表現(xiàn)出表層土壤元素的表生遷移活動(dòng)較強(qiáng)。因此，需要進(jìn)一步研究不同土壤類型受人類活動(dòng)影響的程度，并在后續(xù)研究過程中分區(qū)統(tǒng)計(jì)各類元素，查清全區(qū)的土壤元素背景，對比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值，判斷調(diào)查區(qū)內(nèi)的污染區(qū)，并且確定污染元素組合特征及范圍，為土壤環(huán)境污染源地追蹤和查證等相關(guān)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。