王玥琳　胡冀珍

摘要：【目的】對四川北部林地土壤地球化學(xué)特征進行宏觀分析及重金屬污染評估，為該地區(qū)林地土壤的物質(zhì)組成研究及土地資源保護與合理利用提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^實地樣品采集與數(shù)據(jù)分析，對四川北部平武、北川地區(qū)林地土壤元素含量特征進行分析，并運用單項污染指數(shù)（Pi）法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（Pn）法進行土壤重金屬污染評價?！窘Y(jié)果】平武林區(qū)淺、深層土壤中As、Cd、Hg、Pb、Zn元素含量均高于全國平均值，北川林區(qū)則是Cd、Hg、Mn、Pb、Zn元素含量高于全國平均值。平武林區(qū)土壤重金屬元素中As與Hg、Cd與Zn呈極顯著正相關(guān)（P<0.01，下同），北川林區(qū)則是As與Cd、Hg，Cd與Hg、Pb、Zn，Pb與Hg、Zn呈極顯著正相關(guān)。平武林區(qū)土壤重金屬Pi排序為Cd>Zn>As>Hg>Pb，其中，Pb元素處于清潔狀態(tài)，As、Hg、Zn元素屬輕度污染，Cd元素屬重度污染；北川林區(qū)土壤重金屬Pi排序為Cd>Zn>Pb>As>Hg，其中，As、Hg元素處于清潔狀態(tài)，Cd、Pb、Zn元素屬輕度污染。平武和北川林區(qū)土壤的Pn分別為5.502和1.494，北川屬輕度污染，平武屬重度污染。【結(jié)論】四川北部地區(qū)林地土壤中Cd、Hg、Pb、Zn等重金屬元素含量均高于全國平均水平，部分林地已達重度污染，且以Cd元素的污染貢獻最大。

關(guān)鍵詞： 林地土壤；重金屬；相關(guān)性；單項污染指數(shù)（Pi）；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（Pn）；四川北部

中圖分類號： S714.5 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）03-0365-06

0 引言

【研究意義】土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是人類賴以生存的主要自然資源之一。隨著人們對生態(tài)環(huán)境認(rèn)識的增強，生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查的研究逐步深入，元素地球化學(xué)與土壤學(xué)的結(jié)合也日趨緊密（廖啟林等，2011）。自然與人為成土因素影響或控制著土壤的形成，土壤地球化學(xué)特征則體現(xiàn)了兩者間的相互制約及綜合效應(yīng)（代杰瑞等，2012）。此外，土壤地球化學(xué)特征與土地資源的保護利用及生態(tài)安全密切相關(guān)，也是評價土壤污染程度的重要依據(jù)。土壤中重金屬主要來源于成土母巖和生物的殘落物，但隨著工業(yè)化、城市化的高速發(fā)展及農(nóng)藥的廣泛使用，土壤中重金屬的含量發(fā)生了明顯變化。重金屬元素在土壤中移動性差，滯留時間長，且不易在生物物質(zhì)循環(huán)和能量交換中分解，極易污染生態(tài)環(huán)境及威脅人類健康。因此，研究土壤地球化學(xué)特征并進行土壤重金屬污染評價，對了解當(dāng)?shù)赝恋刭Y源物質(zhì)組成、揭示土壤污染程度及制訂污染治理修復(fù)目標(biāo)具有重要指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤環(huán)境風(fēng)險評估包括人體健康風(fēng)險評價和生態(tài)風(fēng)險評價（張東和張楚兒，2015）。一些發(fā)達國家已建立有完整的土壤風(fēng)險評估體系，如美國法庭所通用的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險評價方法（Toxicity characteristic leaching procedure，TCLP）（Chang et al.，2001）。Rapant和Kordik（2003）提出的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法及H■kanson（1980）提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法是目前重金屬風(fēng)險評價最常用的方法。國內(nèi)對土壤地球化學(xué)特征的研究主要集中在礦產(chǎn)預(yù)測、礦區(qū)污染評價、耕地重金屬污染及地方性土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值與環(huán)境背景值調(diào)查等方面。龔子同等（1998）認(rèn)為，根據(jù)我國土壤地球化學(xué)的類型和分布格局，因地制宜、因土種植、合理施肥對促進我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。柯海玲（2005）對陜西潼關(guān)金礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的環(huán)境地球化學(xué)特征及污染現(xiàn)狀和趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)長期的重金素污染累積使地表水和土壤遠(yuǎn)超過了系統(tǒng)的環(huán)境容量，形成新的二次污染源，從而使最初的點狀型和線狀型污染源擴展為現(xiàn)在的面型污染源。張善明等（2011）通過論證運用傳統(tǒng)的土壤地球化學(xué)尋找深部礦體的可行性及有效性，發(fā)現(xiàn)反向運用土壤地球化學(xué)尋找深部礦體仍然有效。陳興仁等（2012）調(diào)查研究了安徽省江淮流域表層和深層土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值、背景值，認(rèn)為土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值受地質(zhì)背景、物質(zhì)來源等因素影響。佘娟娟等（2014）分析了鉛鋅冶煉廠周邊土壤6種重金屬（As、Cr、Zn、Cu、Pb、Fe）的含量分布、空間結(jié)構(gòu)及其分布特征，結(jié)果表明冶煉廠周邊土壤重金屬污染程度不同，以Pb、Cr和Zn為主，其次為As、Cu和Fe?！颈狙芯壳腥朦c】目前，對川北地區(qū)森林土壤的研究較少，特別是對該地區(qū)土壤地球化學(xué)特征和重金屬污染評價的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以四川北部的平武、北川林區(qū)土壤化學(xué)組分的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對該地區(qū)土壤地球化學(xué)特征進行宏觀分析及重金屬污染評估，以期為川北地區(qū)林地土壤的物質(zhì)組成研究及土地資源保護與合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

平武縣地處四川盆地西北部（東經(jīng)103°50′31″～ 104°59′13″，北緯31°59′31″～33°02′41″），海拔范圍在600～5400 m，海拔1000 m以上的山地面積占總面積的94.33%；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量807.6 mm；全縣共有5個土類、7個亞類、12個土屬、36個土種，其中海拔600～1500 m為黃壤，1501～2500 m為黃棕壤，質(zhì)地以壤土為主，黏土和沙土均有分布。北川縣位于綿陽市西北部，地處四川盆地向川西高原的過渡帶（東經(jīng)103°44′44″～104°43′4″，北緯31°41′30″～32°13′08″），以海拔1000～1500 m的低中山為主，山地面積占總面積的98.8%，坡度≥25°的山坡面積占總面積的70.9%；屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年降水量1417.0 mm，相對濕度70%；全縣有9個土類、14個土屬、35個土種，農(nóng)耕土地多處于海拔1500 m以下的黃壤地帶內(nèi)，森林土壤多為山地黃棕壤、山地暗棕壤。

1. 2 樣本采集

在平武到北川境內(nèi)，按照高山—低山—丘陵—平原，選擇一條有利于通行且能代表調(diào)查區(qū)域的樣帶。根據(jù)研究區(qū)主要森林類型，選擇調(diào)查樣地，記錄樣地各項環(huán)境指標(biāo)。森林類型主要是箭竹林、山楊林、冷杉林、柏木林等。采樣點以鋸齒型均勻分布，采用多點混合土樣方法采集土樣，每份混合土樣由20個樣點組成，取1 kg左右，每個樣點的取土深度和重量保持一致，并按照淺層（A層）、深層（C層）采集土壤。

1. 3 測試項目及方法

巖石、礦石和土壤樣品微量分析在國土資源部成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。首先將樣品粉碎至200目，然后稱重溶樣，按照DZG 93-2009標(biāo)準(zhǔn)，利用ICP-MS儀器進行分析，分析元素為Al2O3、As、B、CaO、Cd、Hg、K2O、MgO、Mn、Mo、N、有機碳（OrgC）、P、Pb和Zn，共15種。

1. 4 土壤污染程度評價

采用單項污染指數(shù)（Pi）法（陳文德等，2012）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（Pn）法（張從，2002）進行土壤重金屬污染程度評價，以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995）一級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和土壤污染分級標(biāo)準(zhǔn)（表1）為依據(jù)，比較說明研究區(qū)土壤環(huán)境重金屬污染狀況。

Pi=Ci /Si

式中，Pi為土壤的單項污染指數(shù)，Ci為土壤元素實測值，Si為土壤元素評價標(biāo)準(zhǔn)值，i代表某種污染元素。

Pn={[Pi （ave）2+Pi （max）2]/2}1/2

式中，Pn為i重金屬元素的內(nèi)梅羅污染指數(shù)，Pi （ave）為土壤各污染指數(shù)平均值，Pi （max）為土壤重金屬元素中污染指數(shù)最大值。

1. 5 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 土壤元素地球化學(xué)含量特征

與全國土壤A層元素含量平均值（鄢明才等，1997）相比，平武林區(qū)淺層土壤含量偏高的元素有As、B、CaO、Cd、Hg、Mn、Mo、N、P、Pb和Zn（表2），其中Cd元素為全國平均值（A層）的14.9倍、Pb元素為1.2倍、Hg元素為4.9倍、Zn元素為2.1倍；含量偏低的為Al2O3、K2O、MgO等3種氧化物，Al2O3是全國平均值的98.25%，K2O和MgO分別為全國平均值的87.12%和86.78%。北川林區(qū)淺層土壤含量偏高的有Al2O3、K2O、MgO等3種氧化物及B、Cd、Hg、Mn、N、P、Pb、Zn等8種元素（表3），其中Hg元素為全國平均值（A層）的1.75倍、Cd元素為4.1倍、Pb元素為1.5倍、Zn元素為1.8倍，含量偏低的是As、Mo和CaO元素。與全國土壤C層元素含量平均值（山東省土壤肥料工作站，1994）相比，平武林區(qū)深層土壤As、Cd、Hg、Pb、Zn等元素高于全國平均值；北川林區(qū)深層土壤Cd、Hg、Mn、Pb、Zn等元素高于全國平均值。

土壤淺層與深層是由相同成土母質(zhì)發(fā)育而成，其元素含量特征理應(yīng)相同，但在成土過程中表層土壤受風(fēng)化淋溶作用及工業(yè)排放、農(nóng)藥使用等人類活動的影響，其含量會發(fā)生明顯變化。對比平武和北川兩個林區(qū)的淺、深層土壤可以看出，平武林區(qū)CaO、MgO、Hg、Mo在淺層土壤的含量低于深層土壤，其余元素及氧化物含量則表現(xiàn)為淺層土壤高于深層土壤，其中B、N、P、Mn、Cd元素的富集系數(shù)為1.400～3.300；北川林區(qū)淺層土壤中Al2O3、K2O、MgO、CaO、P含量低于深層土壤，而其余元素含量均高于深層土壤，其中Cd、Hg、N元素的富集系數(shù)為1.500～2.400。在平武和北川兩個林區(qū)土壤中均以O(shè)rgC的富集系數(shù)最高，分別為5.047和3.473，也說明成土過程與人類活動對土壤自然成分的改造較明顯。

2. 2 淺層土壤與深層土壤元素含量的相關(guān)性分析結(jié)果

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果（表4）可知，平武林區(qū)淺、深層土壤中As、Cd、K2O、MgO、Mo具有強相關(guān)性，其余相關(guān)性較弱或不相關(guān)；北川林區(qū)淺、深層土壤中Al2O3、K2O、As、Cd、Hg、MgO、Mn具有強相關(guān)性，說明這些成分在本研究林區(qū)內(nèi)未受或很少受到人類活動的干擾和污染，在淺、深層土壤中呈顯著（P<0.05，下同）或極顯著（P<0.01，下同）正相關(guān)。由此推測，四川北部林區(qū)淺、深層土壤的成土物質(zhì)基本一致，深層土壤元素的地球化學(xué)含量可反映表層土壤的原始沉積量，而其含量差值在一定程度上說明存在人為活動的影響。

2. 3 重金屬間相關(guān)性分析結(jié)果

通過土壤中重金屬的相關(guān)性可推測重金屬的來源是否相同，若重金屬含量顯著相關(guān)，說明其具有相同來源的可能性較大，反之則來源不同（朱建軍等，2006）。由表5可知，北川林區(qū)土壤重金屬間普遍存在極顯著相關(guān)，即各重金屬元素具有一定的同源性，其中，As與Cd、Hg的相關(guān)系數(shù)分別為0.605和0.865，Cd與Hg、Pb、Zn的相關(guān)系數(shù)為0.684、0.843和0.653，Pb與Hg、Zn的相關(guān)系數(shù)分別為0.602和0.640，均呈極顯著正相關(guān)。平武林區(qū)土壤重金屬間也存在一定的相關(guān)性，As與Hg、Cd與Zn的相關(guān)系數(shù)分別為0.857和0.779，均呈極顯著正相關(guān)；Hg與Zn間呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.710。說明這些重金屬間的關(guān)系密切，相互影響程度較高。

2. 4 土壤污染程度評價結(jié)果

據(jù)土壤重金屬Pi分析可知，北川林區(qū)土壤的As、Hg元素處于清潔狀態(tài)，Cd、Pb、Zn元素屬輕度污染，其排序為：Cd>Zn>Pb>As>Hg；平武林區(qū)土壤的Pb元素處于清潔狀態(tài)，As、Hg、Zn元素屬輕度污染，而Cd元素Pi為6.720，屬重度污染，其排序為：Cd>Zn>As>Hg>Pb（表6）。據(jù)土壤重金屬Pn分析可知，北川林區(qū)土壤的重金屬Pn為1.494，屬輕度污染；平武林區(qū)土壤的重金屬Pn為5.025，屬重度污染，其中以Cd元素的貢獻最大。

3 討論

本研究結(jié)果表明，平武林區(qū)As、Cd、Hg、Pb、Zn元素和北川林區(qū)Cd、Hg、Mn、Pb、Zn元素在淺、深層土壤中的含量均高于全國平均值，說明這些元素存在一定的局部聚集或點源污染，與方曉波等（2015）的研究結(jié)果相似，但與繆白玉等（2011）的研究結(jié)果存在較大差異，可能是土壤中重金屬元素含量因地質(zhì)條件、成土過程及人類活動的影響而存在差異。對土壤重金屬間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，平武林區(qū)土壤中As與Hg、Cd與Zn極顯著正相關(guān)，Hg與Zn存在顯著正相關(guān)；北川林區(qū)土壤中As與Cd、Hg，Cd與Hg、Pb、Zn，Pb與Hg、Zn均極顯著正相關(guān)，說明這些重金屬間的關(guān)系密切，可能具有相同的污染來源，尤其是一種重金屬元素的增加將導(dǎo)致另一種重金屬元素增加，很可能已造成復(fù)合污染。此外，相同的成土母質(zhì)、母巖或相似的土壤發(fā)生化學(xué)過程也可能導(dǎo)致土壤重金屬間存在顯著相關(guān)性（馬軍等，2011）。

本研究同時采用單項污染指數(shù)法（陳文德等，2012）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（張從，2002）進行土壤污染程度評價，結(jié)果顯示，據(jù)單因子污染指數(shù)（Pi）分析可知，北川林區(qū)土壤的As、Hg元素處于清潔狀態(tài)，Cd、Pb、Zn元素屬輕度污染；平武林區(qū)土壤的Pb元素處于清潔狀態(tài)，As、Hg、Zn元素屬輕度污染，Cd元素屬重度污染。據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（Pn）分析結(jié)果顯示，北川林區(qū)土壤重金屬污染程度為輕度污染，而平武林區(qū)達重度污染，主要是由于Cd元素的Pi過高所造成，即Cd元素對污染的貢獻最大。但平武林區(qū)的As、Cd、Hg、Zn元素與北川林區(qū)的As、Cd、Hg元素在淺、深層土壤中具有強相關(guān)性，即這些元素在四川北部林區(qū)內(nèi)未受到或很少受到人類活動的干擾和污染，其含量主要取決于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景，說明四川北部林區(qū)土壤重金屬背景值較高可能是導(dǎo)致重金屬含量超標(biāo)的主要原因。

4 結(jié)論

四川北部地區(qū)林地土壤中Cd、Hg、Pb、Zn等重金屬元素含量均高于全國平均水平，部分林地已達重度污染，且以Cd元素的污染貢獻最大。

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（責(zé)任編輯 蘭宗寶）