(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 河北 保定 071051 )

河流以其巨大的水流能量作用于河床及兩岸，在地殼物質(zhì)風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過程中扮演著重要的角色[1-2]。另外人類擇水而居，萬物因水而豐，河流沖積出來的灘涂與平地，元素物質(zhì)豐富，適宜開墾成農(nóng)田，也是人類生存生活的優(yōu)選之地[3]。河流沿岸地球化學(xué)元素的變化不僅受河水對巖石和土壤風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)作用的影響，還與人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)[4]。對長江入海河流兩岸洪沖積物中重金屬含量的研究發(fā)現(xiàn)：沿河區(qū)域地球化學(xué)元素分配主要是河水長期對匯水盆地巖石和流域內(nèi)的土壤風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、沉積的結(jié)果[5-7]；同時沿河工農(nóng)業(yè)活動，比如礦山開采、農(nóng)業(yè)施肥等對土壤地球化學(xué)元素再分配也發(fā)揮著重要的作用[8-9]。

河流作用是一種自然力量和人類活動的綜合作用，會打破原來地球化學(xué)元素分配主要受原生地層控制的分配特征，形成一種新的元素分配形式。

本文以贛南丘陵區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)為研究對象，以多元分析、假設(shè)檢驗(yàn)和空間分析為主要研究方法[10-11]，分析在河流作用及沿河兩岸不同人類活動強(qiáng)度共同影響下的河流周邊區(qū)域地球化學(xué)元素分配特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省贛江流域?qū)幎伎h梅江河兩岸，北起寧都縣洛口鎮(zhèn)，南至該縣田頭鎮(zhèn)，為呈南北走向長約60 km的條帶狀區(qū)域。該區(qū)域北高南低，海拔高度在150～250 m之間，河流兩岸地層巖性主要以第四系亞砂土和亞黏土為主，個別區(qū)域河流直接切割白堊系紅色砂巖-紫紅色砂礫巖。土壤類型主要為潮沙泥田和麻沙泥田，統(tǒng)屬于沙泥田類型，質(zhì)地多為輕壤-中壤土，土質(zhì)疏松；近河岸區(qū)域多為沙子田，質(zhì)地為細(xì)砂土、粗砂土和礫質(zhì)砂土[12]。

梅江河是贛江的支流，寧都縣第一大河，河流兩岸形成的沖洪積區(qū)域地勢平坦、土壤相對肥沃、宜農(nóng)宜居，是主要的工農(nóng)業(yè)區(qū)和村鎮(zhèn)分布地。河流西岸地域較為寬廣，農(nóng)工商經(jīng)濟(jì)較為活躍，主要分布有洛口、東山壩、寧都縣城主城區(qū)、竹笮、田頭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)和一些主要村莊，還有部分頁巖礦黏土磚廠；河流東岸相對較為狹窄，分布有石上一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和部分村莊。

2 樣品采集與分析

樣品取自梅江河兩岸1 km范圍內(nèi)的表層土壤。樣品分配以第四系沖洪積沉積物為主要介質(zhì)，少量樣品分布在河流兩岸白堊系丘陵區(qū)殘坡積土層中。樣品總量為320組，其中河流西岸158組，河流東岸162組，按照統(tǒng)計學(xué)經(jīng)驗(yàn)，樣本數(shù)大于30，屬于大樣本問題。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》，采樣深度為0～20 cm，樣品分析項(xiàng)目包括：pH, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo , Cd , Hg, Pb, As , B, N, P, S, Se, K和有機(jī)質(zhì)。

樣品分析由國土資源部南昌礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心承擔(dān)。分析方案以《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》和《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》為基本依據(jù)，以X射線熒光光譜法(以下簡稱XRF)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(以下簡稱ICP-OES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(以下簡稱ICP-MS)為主要方法，輔以化學(xué)滴定、原子熒光等。

3 元素分配特征分析

3.1 河流作用對元素相關(guān)性的影響

根據(jù)整個寧都盆地土壤元素的分析結(jié)果可知，全區(qū)高度相關(guān)的元素有4項(xiàng)2組，為Cr與Ni，N和有機(jī)質(zhì)，相關(guān)系數(shù)分別為0.93和0.96；顯著相關(guān)以上元素達(dá)12項(xiàng)20組，12項(xiàng)元素分別為V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，As，B，N，S，K和有機(jī)質(zhì)，其中V、Cr和Ni與其它元素顯著相關(guān)的組數(shù)達(dá)到5組以上。完全獨(dú)立變量元素8項(xiàng)。

具體到梅江河沿岸區(qū)域，上述20項(xiàng)元素相關(guān)關(guān)系發(fā)生較為明顯的變化。高度相關(guān)元素增加到9項(xiàng)12組，分別為V與Co，V與Cr，V與Ni，V與B，B與As， B與Cr，B與Ni，Ni與Cr， Ni與Co，N與S，N與有機(jī)質(zhì)，S與有機(jī)質(zhì)。其中Ni，Cr，V兩兩相互高度相關(guān)；N，S有機(jī)質(zhì)兩兩相互高度相關(guān)。Hg，Pb與土壤參數(shù)pH為完全獨(dú)立變量，此外，其他17項(xiàng)元素全部達(dá)到顯著相關(guān)級別，顯著相關(guān)組數(shù)達(dá)49組。其中V，Cr和Ni和全區(qū)保持相同的分配趨勢，在研究區(qū)顯著組數(shù)最高，分別為9，10，9組；Zn和Cu與全區(qū)相比顯示出異常的分配態(tài)勢，Zn從一個完全獨(dú)立變量，變?yōu)轱@著相關(guān)組數(shù)最高(11組)的變量，其次為Cu，相關(guān)組數(shù)由3組增加到10組。

此外，由于河流西岸經(jīng)濟(jì)條件較好，城鎮(zhèn)和工業(yè)相對發(fā)達(dá)，人類活動較東岸活躍，因此初步猜測人類活動的差異可能會對河流兩岸元素相關(guān)性分配產(chǎn)生影響。首先對河流單側(cè)樣品點(diǎn)和對應(yīng)區(qū)段河岸的同一元素進(jìn)行相關(guān)性分析，再判斷是東岸還是西岸對沿岸該元素的影響更為顯著。具體分析結(jié)果如表1所示。由表1看出西岸除了Mo、Hg、Se和K外，其它元素和河流沿岸的相關(guān)性均好于東岸，總體均值也高于河流東岸，說明人類活動已經(jīng)對兩岸的元素相關(guān)性分配產(chǎn)生了差異性的影響。

表1 河流西岸、東岸與整個區(qū)段河岸元素相關(guān)系數(shù)對比Tab.1 Comparison of correlation coefficients between both sides and the bank of the whole section

由以上分析可知，河流作用對元素的相關(guān)性分配特征產(chǎn)生了顯著的影響，導(dǎo)致元素之間的相關(guān)關(guān)系增強(qiáng)。從盆地區(qū)域元素分配到河流兩岸元素分配，完全獨(dú)立變量逐漸減少，顯著相關(guān)變量和高度相關(guān)變量及其相關(guān)的組數(shù)明顯增加，并形成了高度相關(guān)的兩類元素群體(Ni，Cr，V和N，S有機(jī)質(zhì))，說明元素分配在完全獨(dú)立變量—顯著相關(guān)變量—高度相關(guān)變量這條關(guān)系線上呈現(xiàn)一種遞進(jìn)的變化。此外，兩岸的人類活動也對這條關(guān)系線的遞進(jìn)趨勢產(chǎn)生了疊加作用，人類活動強(qiáng)烈的區(qū)域?qū)@條線的貢獻(xiàn)值明顯大于人類活動弱的區(qū)域。

3.2 河流作用對元素分配的集聚效應(yīng)

河流在流動過程中，不斷地對地殼表層的物質(zhì)進(jìn)行侵蝕、搬運(yùn)和沉積，元素在水流作用下被混合并不斷地沉積，因此初步推斷河流實(shí)際上在元素的分配過程中產(chǎn)生了一種混勻和集聚作用。通過對表2的分析，可以清晰地得到對上述論斷的驗(yàn)證。

由表2可以看出，河流沿岸20項(xiàng)元素指標(biāo)中有14項(xiàng)的均值大于盆地均值，從均值上看，河流各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比于盆地區(qū)域總體上有集聚之勢，除了As最為顯著，兩者比值超過2倍外，大部分元素均值比例在1.5以下，兩者之比的平均也不過為1.15，說明河流作用盡管對元素分配有一定影響，但是對元素分配起主控作用的還是地質(zhì)背景、成土母巖等宏觀的地質(zhì)原因；此外對比兩者的中位數(shù)，河流沿岸20項(xiàng)元素指標(biāo)中有13項(xiàng)的中位數(shù)大于盆地中位數(shù)，中位數(shù)之比的均值為1.14，數(shù)據(jù)表現(xiàn)和均值類似，整體上河流沿岸各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體高于盆地區(qū)域。以上兩項(xiàng)統(tǒng)計參數(shù)相互印證了河流作用對大部分元素的分配具有一定集聚效應(yīng)。

表2 河流沿岸和盆地區(qū)域地化元素分配特征比較Tab.2 Comparison of distribution of geochemical elements between both river sides and basin

注：河流沿岸均值、盆地均值的單位為：mg/kg。

從兩者的Cv對比來看，河流沿岸20項(xiàng)指標(biāo)元素中有14項(xiàng)的Cv低于盆地區(qū)域的Cv，整體上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)分布趨向于集中和均勻，離散程度較低。通過上述分析基本斷定河流作用對元素集聚和均化有著重要的影響。

3.3 沿岸人類活動和河流自然作用對元素再分配的疊加作用

為了進(jìn)一步分析沿岸人類活動對地化元素分配影響的差異性，對河流東岸和河流西岸的地化數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，并對兩樣本總體均值和兩樣本總體方差的差異性檢驗(yàn)進(jìn)行分析。如表3所示，河流兩岸樣本所代表的抽樣總體均值差異性并不是很顯著，除了Co,Mo,K具有顯著差異外，其它指標(biāo)元素并無顯著性差異，雖然河流西岸樣本的均值大部分高于河流東岸的樣本均值，但是相差并不大，兩者均值比值大都在0.9～1.1之間，說明受大的地質(zhì)單元地化元素分配的影響，總體上均值差異性并不是很明顯，抽樣樣本均值的差異體現(xiàn)了兩岸人類農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活等諸多活動強(qiáng)度的差異對元素再分配的影響。

表4是樣本抽樣總體方差的差異性檢驗(yàn)，可以看出河流兩側(cè)的總體方差體現(xiàn)出一定的差異性，除了pH,S,As,K和Mo外，其它指標(biāo)元素均出現(xiàn)了顯著性差異。說明河流兩側(cè)人類活動強(qiáng)度的差異致使元素分配特征發(fā)生了變化。盡管在河流作用總體尺度上，河流自然作用彌合了元素離散化趨勢，但是農(nóng)業(yè)施肥、噴藥，工業(yè)排放和生活廢棄物等人類活動同時引入非自然作用產(chǎn)生的元素，在一定程度上加劇了某些元素質(zhì)量分布的離散化。因此兩岸元素分配總體方差呈現(xiàn)出顯著性差異的趨勢。

表3 河流兩岸兩樣本總體均值差異性檢驗(yàn)Tab.3 Diversity test of total average of each side

注：Z>Z0.025，P>0.05,總體均值無顯著性差異;Z

表4 河流兩岸兩樣本總體方差差異性檢驗(yàn)Tab.4 Diversity test of total variance of each side

注：F>F單尾臨界，P<0.05,總體方差具有顯著性差異；F0.05,總體方差無顯著性差異。

此外，以土壤化學(xué)參數(shù)pH為例，整個盆地尺度第四紀(jì)松散沉積物中pH均值為5.08，河流沿岸均值為5.13，表現(xiàn)為pH值升高的趨勢。梅江河水pH均值為7.12，據(jù)調(diào)查河流兩岸農(nóng)田主要以復(fù)合肥和草木灰來改良土壤，受弱堿性河水和人類改良土壤的綜合影響，沿河兩岸土壤pH值相對于其它區(qū)域第四系沉積物中pH值升高是必然的。

部分元素沿河質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況也驗(yàn)證了沿岸人類活動和河流自然作用對元素再分配產(chǎn)生了疊加影響。從圖1中可以看出，S元素在河流兩岸分布曲線大致相似，說明河流自然作用對S元素分配分布起著主控作用；河流西岸95～130區(qū)段呈現(xiàn)一個明顯的高值區(qū)間段，但在河流東岸卻表現(xiàn)的不十分明顯，說明受工業(yè)排放影響和人類生活影響，在河流西岸黏土磚廠及縣城區(qū)域，S元素分配分布出現(xiàn)異常。Cr元素分配分布特征和S元素類似，只不過Cr元素受人類活動強(qiáng)度的影響比S元素更為明顯。

注：x軸110～120段為黏土磚廠分布區(qū)域，120～145段為縣城所在區(qū)域。圖1 典型元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿程分布Fig.1 Mass fraction distribution of typical elements along the river

4 結(jié) 論

河流作用是一種自然力量和人類活動的綜合作用。這種作用對區(qū)域土壤元素的分配分布產(chǎn)生一定影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 河流作用下元素之間的相關(guān)關(guān)系增強(qiáng)，盆地區(qū)域元素分配以及河流沿岸元素分配沿著完全獨(dú)立變量—顯著相關(guān)變量—高度相關(guān)變量這條關(guān)系上呈現(xiàn)一種遞進(jìn)的變化。此外，兩岸人類活動強(qiáng)度的差異對這條關(guān)系線的遞進(jìn)趨勢貢獻(xiàn)值也不一樣，人類活動強(qiáng)度大貢獻(xiàn)值大，人類活動強(qiáng)度低貢獻(xiàn)值小。

(2) 河流作用對地球化學(xué)元素的分配起到一種集聚和混勻效應(yīng)，在河流作用下沿岸地球化學(xué)元素的均值和中位數(shù)總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢；變異系數(shù)明顯降低，元素分配表現(xiàn)出勻化并向中央集中的趨勢。但是這種趨勢是有限的，成土母質(zhì)和地質(zhì)體背景依舊是地球化學(xué)元素分配的主控因素。

(3) 河流作用中自然力量和人為活動影響在地球化學(xué)元素分配影響上是一種疊加關(guān)系，河流的搬運(yùn)、侵蝕和沉積等自然過程是影響地球化學(xué)元素分配的首要因素，人類活動強(qiáng)度的差異導(dǎo)致元素分配在河流自然作用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生再分配，是在原來分配基礎(chǔ)上的疊加。兩種力量共同作用，形成了河流沿岸元素分配的特有特征。

致 謝

感謝中國地質(zhì)調(diào)查局土地質(zhì)量工程-海西西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目(DD20179303)組的全體成員野外辛勤工作，獲取的調(diào)查數(shù)據(jù)。感謝國土資源部南昌地礦測試中心全體同志提供的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。