某地区土壤重金属含量特征及影响因素研究
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摘要：伴随社会经济快速发展，土壤重金属污染越来越成为人们关注的环境问题。为有效预防土壤重金属污染，以福建某市区表层土壤为研究对象，应用经典统计分析、随机森林等方法，研究重金属元素含量特征及其影响因素，而土壤成因、土壤类型对重金属形态组成的影响较小。研究表明土壤重金属形态组成及其富集区与其全量不尽一致，土壤重金属生态风险评价应考虑土壤重金属形态分布特征。
关键词：土壤重金属;土壤成因;影响因素
1 样品采集与分析测试
1. 1 样品采集与加工处理
福建某區域地处九龙江下游，中部为冲积平原，北部、西部、南部三面环山，东南部临海。地貌类型以侵蚀剥蚀地貌为主，平原次之。境内土壤类型多样，有平原区的水稻土、丘陵山区的红壤、滨海地带的滨海砂泥、沿江平原及滨海地带的潮土。
根据该区域地质资料，以典型性、代表性为原则，兼顾样点空间分布总体均匀性，在全市约1000km2范围内采集了表层土壤样品56 件。在预设采样点位处，采集表层土壤样品。
1. 2 样品分析方法及质量控制
土壤样品测定As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb等元素全量以及pH、CEC、有机质等14项指标。采用原子荧光光谱法测定As、Hg，电感耦合等离子体质谱法测定 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 及各重金属形态含量，X荧光法测定Al、Fe、Si，滴定法测定CEC、有机质，电位法测定pH，分析方法的检出限。采用电感藕合等离子发射光谱法测定Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr 含量，原子荧光光谱法测定As、Hg含量。
测定土壤重金属形态时，基本样与重复样一同分析，计算基本样与重复样测量值的相对偏差。除水溶态元素尤其是水溶态Cd重复分析相对偏差较大外，其他形态分析质量均较好，全部单元素单形态分析数据合格，能够满足研究需求。
2土壤重金属元素含量特征
土壤元素全量的地球化学统计参数与全国土壤元素含量算术平均值相比，该区域土壤重金属元素Pb，Hg含量较高，这与该区域Pb地球化学高背景相吻合。由于地质背景、土壤类型、土地利用方式丰富多样，加上人为活动污染影响，例如西北部、中部平原区及东部地区规模化养猪场、造纸厂等点源污染的存在，造成土壤重金属元素含量变化范围较大，变异性较强。
对比成土地质背景、土壤类型的分类统计可见：
（1）第四纪冲洪积区土壤中Hg，Zn含量较高，尤其是Hg元素。这一方面可能与第四纪冲洪积区地势低注、是多数元素活化迁移后的汇集聚积场所有关，同时该区广泛分布富含有机质、薪土组分的水稻土，土壤对多数重金属元素的吸附富集能力较强。
（2）该区域多以第四纪冲洪积物为成土母质，而红壤多以燕山期中酸性侵入岩为成土母质，在成土母质来源、成土作用过程以及农业生产活动、土矿污染等综合影响下，导致水稻土中多数重金属元素含量明显高于红壤。
（3）对比表明，第四系冲洪积成因水稻土有机质含量较高，残坡积与冲洪积成因土壤pH差异不大，酸性强于坡积一冲积成因土壤。
3土壤重金属形态含量特征
3. 1重金属元素形态含量与组成特征
土壤重金属元素形态含量，由于元素地壳丰度以及表生地球化学性质的巨大差异，各种元素的形态含量差异明显。Cr，Cd的离子交换态含量明显高于其他四态，此外，弱有机结合态As，Hg含量较高，说明土壤有机质对As，Hg具有较强的吸附作用。
对比表明，各重金属元素的形态组成比例相差很大。统计表明，龙海市土壤重金属活动态占五态之和比例的排为：Cr>Cd>Ni>Zn>Hg>Pb>Cu>As。土壤重金属形态组成是特定土壤条件下各种物理、化学及生物作用的平衡结果，当土壤环境条件如酸碱度、有机质、阳离子交换量等发生变化时，土壤重金属元素的赋存形态必然发生转化并达到新的平衡。
3. 2活动态重金属组成特征
燕山期中酸性岩区土壤除Ni外的重金属元素活动态占比均高于第四纪冲洪积及侏罗纪火山岩区土壤;除Cr，Ni活动态占比在冲洪积区土壤中略高外，其他重金属元素活动态在残坡积成因土壤中占比较高;不同类型土壤中，除红壤的Ni活动态占比略低于水稻土外，其余重金属元素活动态在红壤中的占比均高于水稻土。
4土壤重金属形态的影响因素
4. 1形态含量与全量的关系
土壤重金属形态含量与全量的相关分析，As，Cu，Ni各形态含量与全量具有较好的相关性。除水溶态外，元素各形态量与全量均为显著正相关，说明土壤Ni全量是决定其形态含量的重要因素。Pb，Zn的碳酸盐结合态、弱有机结合态、铁锰氧化物态量与全量具有显著正相关性。
4. 2土壤理化性质对重金属形态的影响
应用随机森林法分析了土壤理化性质对重金属形态的影响贡献率，随机森林是一种利用多棵树对样本进行训练并预测的一种分类器，主要通过R语言等编程土具实现。本文应用R语言，分析了土壤有机质、pH值、阳离子交换量、质地、成土地质背景、土壤类型等因素对土壤重金属形态含量的影响率。
4. 2. 1土壤有机质
土壤有机质对离子交换态、碳酸盐结合态及弱有机结合态重金属含量的影响率较大。研究发现土壤有机质的积累会增加弱有机结合态重金属的比例，而离子交换态比例则降低。说明土壤有机质对重金属元素形态组成具有显著影响，且对不同元素的影响程度不尽相同。
4.2.2土壤酸碱度
pH值对重金属形态尤其是水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态有明显影响。其中，对水溶态As，Zn的影响率超过30%，是重要影响因素。对于多数重金属元素碳酸盐结合态的影响率在23%以上。有学者一研究发现，碳酸盐结合态对土壤pH值较敏感，当pH值下降时，碳酸盐结合态重金属元素将活化释放.
4.2.3土壤阳离子交换量
阳离子交换量对Ni元素形态的影响率较大，尤其是对弱有机结合态、铁锰氧化物态的影响率达30%以上。
4.2.4土壤质地
大量研究表明，土壤质地对土壤重金属含量有一定的影响，土壤中重金属等微量元素与常量组分铁、铝、硅含量间密切相关，常量组分的比值在一定程度上反映了土壤质地组成特征。
4. 3成土地质背景与土壤类型的影响
地质背景因素对多数重金属元素形态组成具有一定的影响，但总体来看影响率较小，仅对水溶态Ni，离子交换态Ni，Cr碳酸盐结合态、弱有机结合态、铁锰氧化物态Ni，As的影响率较高。事实上，土壤类型是成土母质、成土作用、土地利用等综合作用的结果，不同类型土壤的理化性质不同，因此，土壤类型对重金属元素形态的影响是前述各种因素的综合反映。随机森林分析表明，成土母质类型对土壤重金属形态的影响率总体较小，但对Cd，Cr，Pb某些形态的影响率较大。
5结论
通过对福建某市区表层土壤重金属元素地球化学特征研究，可知第四纪冲洪积成因的水稻土中重金属元素全量较高;复杂多样的地质条件加上人为污染影响，导致区内土壤重金属变异性较强;平原区水稻土重金属元素较为富集，而燕山期中酸性岩风化形成的残坡积红壤中重金属元素活动态含量较高;As，Cu，Ni形态含量与各自全量具有较好的相关性;随机森林法研究表明，土壤有机质对弱有机结合态重金属以及离子交换态、碳酸盐结合态Cd，Zn有重要影响。
参考文献
[1]钟晓兰，周生路，黄明丽，等土壤重金属的形态分布特征及其影响因素[J].生态环境学报，2009，18（4）：1266-1273.
（作者单位：河北省地矿局第四地质大队）
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