宋運(yùn)紅，楊鳳超，劉凱，戴慧敏，許江，楊澤

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心,遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

0 引言

東北黑土區(qū)是中國(guó)最大的商品糧基地，黑土區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)引起了許多科學(xué)工作者的普遍關(guān)注[1-8]。土壤中重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化是地球關(guān)鍵帶物質(zhì)循環(huán)的重要組成，元素通過(guò)生物地球化學(xué)過(guò)程遷移到水圈、生物圈和食物鏈，最終對(duì)人類健康產(chǎn)生影響[9-11]。經(jīng)典的道庫(kù)恰耶夫?qū)W說(shuō)認(rèn)為，土壤是由母質(zhì)、氣候、生物、地形和時(shí)間五大自然因素綜合作用的產(chǎn)物，在很大程度上，土壤中的元素分布與成土母質(zhì)具有明顯的繼承關(guān)系[12-13]，同時(shí)也不同程度的受到人類活動(dòng)的影響[14-15]。因此，研究土壤中重金屬元素的來(lái)源首先應(yīng)該弄清土壤中元素和成土母質(zhì)間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，確定人為因素對(duì)重金屬元素分布的影響程度。

表層土壤中某些重金屬元素的含量包括成土母質(zhì)的繼承和人為因素的輸入[9,16]。一般而言，區(qū)域上深層土壤中某些重金屬元素的含量可以作為背景值來(lái)評(píng)估該地區(qū)表層土壤中重金屬元素的富集程度[17-18]。然而，由于長(zhǎng)期風(fēng)化和淋溶，加上人類活動(dòng)的影響，與深層土壤中的元素含量相比，表層土壤中的重金屬元素含量一般有較大的差異。而且，對(duì)不同的成土母質(zhì)的黑土，這種差異是否相同，到目前為止相關(guān)報(bào)道還很少。因此，本次引進(jìn)元素富集系數(shù)[9,19]，利用黑土深層土壤中的重金屬元素含量評(píng)估黑土表層土壤中元素富集或損失的程度，以期弄清耕地黑土中重金屬元素與成土母質(zhì)間的關(guān)系。

三江平原在保障國(guó)家糧食安全中具有舉足輕重的地位。但是人類快速增長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)及工業(yè)活動(dòng)，都可能會(huì)引起某些重金屬元素在耕地土壤中的積累。由于主要人類活動(dòng)是農(nóng)業(yè)，這里的土壤受到現(xiàn)代工業(yè)的污染較少，所以分析深層土壤中的微量含量對(duì)于表層土壤的研究非常重要。目前對(duì)三江平原耕地土壤重金屬元素的特征研究較少，重金屬元素的種類研究也不全，利用表層和深層土壤對(duì)比研究更是鮮有報(bào)道。本研究利用2018年最新獲得的1∶25萬(wàn)表層和深層土壤重金屬元素?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和多元數(shù)據(jù)分析的方法[20-21]，對(duì)比研究三江平原表層和深層土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的特征及相關(guān)性，分析8種重金屬元素的來(lái)源，對(duì)于摸清東北黑土地家底，保護(hù)東北大糧倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)黑土資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

三江平原，又稱三江低地，位于東北平原東北部，是我國(guó)最大的淡水沼澤分布區(qū)。三江平原的“三江”即黑龍江、烏蘇里江和松花江，3條大江浩浩蕩蕩，匯流、沖積而成了這塊低平的沃土。區(qū)內(nèi)水資源豐富，氣候?qū)贉貛駶?rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土、沼澤土等，而以草甸土和沼澤土分布最廣。這里是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，糧食商品化程度和農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度全國(guó)第一，在保障國(guó)家糧食安全中具有舉足輕重的地位。

2 材料與方法

2.1 樣品采集和分析方法

研究區(qū)樣品來(lái)源于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施的“東北黑土地1∶25萬(wàn)土地質(zhì)量調(diào)查”項(xiàng)目，在研究區(qū)網(wǎng)格化部署采樣點(diǎn)，表層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/km2，主要采集耕層土，采樣深度為0～20 cm，4 km2組合成一個(gè)樣品進(jìn)行分析測(cè)試；深層土壤樣品采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/4 km2，深度為150～200 cm，16 km2組合成一個(gè)樣品分析。三江平原共取得9 873件表層和2 697件深層土壤地球化學(xué)樣品(圖1)。樣品分析測(cè)試由吉林省地質(zhì)科學(xué)研究所和黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試應(yīng)用研究所完成，其中Cd、Ni采用等離子體質(zhì)譜法，As、Hg采用原子熒光光度法，Cr、Cu、Pb、Zn采用X射線熒光光譜法測(cè)定。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)監(jiān)控分析測(cè)試準(zhǔn)確度，采用密碼樣監(jiān)控分析測(cè)試的精密度，所有監(jiān)控樣元素分析準(zhǔn)確度和精密度均在允許監(jiān)控限內(nèi)，數(shù)據(jù)可靠。

圖1 三江平原土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sketch map of soil sample from Sanjiang Plain

2.2 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)方法

表層和深層土壤樣品的描述性統(tǒng)計(jì)分析及Pearson相關(guān)性分析均在SPSS 21.0軟件中完成，采用Arcgis 10.2軟件繪制克里格元素空間分布圖。

為了評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)土壤中重金屬元素的損失或富集的影響程度，一般選取惰性元素Sc、Zr、Ti和Al作為參比元素[4,22-23]，這4種元素在土壤中的含量變化較小，在風(fēng)化及成土過(guò)程中較穩(wěn)定。本次考慮到元素變異系數(shù)(CV)以及表層和深層土壤之間的差異，發(fā)現(xiàn)元素鈧(Sc)在個(gè)層和深層土壤數(shù)據(jù)集中顯示具有較小的變異系數(shù)(CV分別為0.155、0.241)，有較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力(表1)。為了減少環(huán)境介質(zhì)的影響，根據(jù)上述元素分析的結(jié)果，將Sc用作標(biāo)準(zhǔn)化參比元素，計(jì)算表層及深層土壤中每個(gè)元素的富集系數(shù)，公式如下[19]:

(1)

式中：q為富集系數(shù)；Ci表、Ci深分別為表層和深層土壤中重金屬元素的含量；CSc表、CSc深分別為表層和深層土壤中Sc元素的含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 統(tǒng)計(jì)分析和地球化學(xué)特征

三江平原耕地土壤表層及深層描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，包括算術(shù)平均值、中位數(shù)、最大值、最小值、變異系數(shù)(CV)和標(biāo)準(zhǔn)離差，并使用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)(包括偏度和峰度)來(lái)評(píng)估數(shù)據(jù)集分布的正態(tài)性。由表1可知，表層土壤8種元素的變異系數(shù)順序?yàn)镠g>Cd>As>Ni>Cu>Zn>Cr>Pb，深層土壤8種元素的變異系數(shù)順序?yàn)锳s>Ni>Cd>Hg>Cu>Cr>Zn>Pb。整體上，重金屬元素含量的變異系數(shù)均較小(小于60%)，其中Pb變異系數(shù)最小，但超出背景值倍數(shù)較大(表層1.059倍，深層1.064倍)，表明研究區(qū)土壤重金屬元素含量縱向分布受到一定程度的外來(lái)因素的干擾。

3.2 表層土壤重金屬元素含量分布

表層土壤中元素的含量特征一般反映人類活動(dòng)及自然因素雙重影響下土壤中元素的分布狀態(tài)，受人類活動(dòng)因素的影響較明顯。本次統(tǒng)計(jì)三江平原8種重金屬元素平均值、變異系數(shù)以及黑龍江省背景值列于表1，為了進(jìn)一步描述重金屬元素的分布特征，利用SPSS 21.0軟件分別繪制了表層8種重金屬元素的直方圖和箱形圖(圖2、圖3)。三江平原表層土壤中As、Ni、Cr、Cu、Pb、Zn、Cd和Hg的平均含量分別為8.85×10-6、25.69×10-6、65.09×10-6、21.76×10-6、25.62×10-6、63.52×10-6、0.083×10-6和0.034 ×10-6，與黑龍江省土壤A層背景值相比， Cd、Hg、Zn的平均值較黑龍江省略低，而As、Cr、Cu、Ni、Pb平均值大于黑龍江省背景值。在對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，基本均顯示服從正態(tài)分布。

圖2 表層土壤元素含量分布直方圖Fig.2 Histograms for heavy metal elements in topsoils from Sanjiang Plain

圖3 表層土壤元素含量分布箱型圖Fig.3 Box-plot diagram for heavy metalelements in topsoils from Sanjiang Plain

按照不同母質(zhì)類型分別對(duì)表層土壤中8種元素進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)。如表1所示，母質(zhì)為變質(zhì)巖的土壤中As、Cd、Zn含量分別為10.32×10-6、0.093×10-6、72.45 ×10-6，較其他母質(zhì)土壤含量高；母質(zhì)為花崗巖的土壤中Pb含量為28.03×10-6，遠(yuǎn)高于其他母質(zhì)土壤；母質(zhì)為火山巖的土壤中Cr、Cu、Ni含量分別為73.79×10-6，、23.18×10-6、28.20×10-6，也較其他母質(zhì)土壤較高；表明成土母質(zhì)的巖性對(duì)土壤中重金屬元素的含量有明顯影響。

3.3 深層土壤重金屬元素含量分布

深層土壤由于受人類活動(dòng)的影響較小，更能代表成土母質(zhì)中元素的含量特征。深層土壤中8種重金屬元素的含量分布特征如圖4所示。從箱型圖中可以看出，研究區(qū)內(nèi)，Cr平均含量最高(71.40 ×10-6)，其次是Zn(71.33×10-6)、Ni(28.42×10-6)、Pb(25.97×10-6)、Cu(21.98 ×10-6) 、 As(11.16×10-6)、Cd(0.075×10-6)和Hg(0.036×10-6)。變質(zhì)巖母質(zhì)的土壤中As、Cr、Pb含量分別為12.58×10-6、84.87×10-6，28.17×10-6，較其他母質(zhì)土壤高；火山巖母質(zhì)的土壤中Cr、Ni、Zn含量分別為93.37×10-6、41.64×10-6、80.67×10-6，明顯高于其他母質(zhì)土壤。深層土壤除Cd外，其他7種元素均表現(xiàn)為表層土壤含量低于深層土壤含量。與表層土壤中的分布相似，深層土壤中8 種元素在對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，基本均顯示服從正態(tài)分布(圖5)。

圖4 深層土壤元素含量分布箱型圖Fig.4 Box-plot diagram for heavy metal elementsinsubsoils from Sanjiang Plain

圖5 深層土壤元素含量分布直方圖Fig.5 Histograms for heavy metal elements in subsoils from Sanjiang Plain

3.4 深層土壤重金屬元素空間分布

表層土壤反映了地球關(guān)鍵帶中物質(zhì)的相互作用及循環(huán)過(guò)程，而深層土壤則反映成土母質(zhì)的地質(zhì)背景。表層和深層土壤的重金屬元素空間分布顯示見(jiàn)圖6、圖7，總體上，表層和深層土壤重金屬元素高值區(qū)分布較一致，以松花江為界，左側(cè)低、右側(cè)高，形成明顯的分界線，與深層元素分布比較，總體上表層土壤均未受到明顯的重金屬元素污染，說(shuō)明三江平原土壤環(huán)境質(zhì)量依然優(yōu)越，僅發(fā)現(xiàn)同江市東北部土壤As、Cd、Cu、Ni表層較深層稍偏高，有輕微富集的趨勢(shì)，佳木斯市表層土壤Hg較深層有富集的趨勢(shì)，推測(cè)可能受到了人為活動(dòng)的影響，這可能與城市化發(fā)展密切相關(guān)[25-27]。表層土壤中變質(zhì)巖區(qū)Cd、Zn均值含量高，火山巖區(qū)As、Cr、Cu、Ni含量高，花崗巖區(qū)Pb含量高；深層土壤在火山巖區(qū)中As、Cr、Cu、Ni、Zn含量高，變質(zhì)巖區(qū)Cd、Pb含量高，這與表層分布相似，可以推斷三江平原土壤中重金屬元素主要來(lái)源主要是成土母質(zhì)。

圖6 三江平原表層土壤重金屬元素空間分布Fig.6 Spatial distribution of heavy metal elements concentrations in the top soil from Sanjiang Plain

圖7 三江平原深層土壤重金屬元素空間分布Fig.7 Spatial distribution of heavy elements concentrations in the deep soil from Sanjiang Plain

區(qū)域上，影響三江平原表層土壤中重金屬元素分布的主要因素是成土母質(zhì)和少量的人類活動(dòng)。8種重金屬元素富集系數(shù)均小于2(表1)，表明三江平原表層土壤中8種重金屬元素均無(wú)潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，僅有某些點(diǎn)位的表層土壤中Cd、Hg、As元素的富集系數(shù)存在較大的值，說(shuō)明在部分地區(qū)可能受到人類活動(dòng)的影響稍大。

巖石風(fēng)化是土壤中重金屬元素的主要自然來(lái)源，土壤中的元素分布與成土母質(zhì)具有明顯的繼承關(guān)系。本次利用Pearson相關(guān)性分析分別計(jì)算了三江平原所有類型的成土母質(zhì)區(qū)域內(nèi)，表層和深層土壤中重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)(表2)，結(jié)果顯示Cr、Cu、Ni和Zn分別呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.3～0.6，P<0.01)，說(shuō)明表層土壤中這些重金屬元素主要來(lái)源于深層土壤(成土母質(zhì))，較少受到人類活動(dòng)的干擾。但是，As、Cd、Hg和Pb在不同的母巖區(qū)均顯示相關(guān)性較弱，表明三江平原表層土壤中的As、Cd、Hg和Pb可能受到人類活動(dòng)的影響，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥和化肥的施用等。

表2 三江平原表層及深層土壤中重金屬元素間相關(guān)系數(shù)Table 2 The Pearson correlation coefficient between heavy metal elements in topsoils and subsoils from Sanjiang Plain

4 結(jié)論

1)三江平原土壤總體上表現(xiàn)為環(huán)境質(zhì)量依然優(yōu)越，除Cd外，表層土壤中重金屬元素As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量(8.85×10-6、65.09×10-6、21.76×10-6、0.034×10-6、25.69×10-6、25.62×10-6、63.52×10-6)均略低于深層土壤。

2)表層和深層土壤的重金屬元素Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn空間分布較一致，表現(xiàn)為以松花江為界，左側(cè)低、右側(cè)高，形成明顯的分界線。

3)表層相對(duì)于深層土壤的重金屬元素富集系數(shù)均小于2，僅個(gè)別點(diǎn)位的表層Cd、Hg、As富集系數(shù)存在相對(duì)較高的值，在部分地區(qū)可能受到人類活動(dòng)的疊加影響。

4)在不同成土母質(zhì)區(qū)域，表層和深層土壤中重金屬元素Cr、Cu、Ni和Zn均呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.3～0.6，P<0.01)，表明表層土壤中這些重金屬元素主要物質(zhì)來(lái)源于成土母質(zhì)。