土壤元素异常成因研究及生态风险评价

胡省英, 黄 丹, 邓凯文, 杨 力, 李 迪

（北京市地质勘察技术院，北京102218）

土壤元素异常成因研究及生态风险评价

胡省英, 黄 丹, 邓凯文, 杨 力, 李 迪

（北京市地质勘察技术院，北京102218）

山区岩石与水系沉积物，对山前平原土壤物质组成具有控制作用。土壤地球化学调查，查明北京某地区土壤存在着大面积同心圆状的镉、铜、铅等多金属元素异常。研究表明，西北侧山区分布着种类繁多的岩浆岩、变质与沉积岩，但与山前土壤具有高度正相关的元素组合特征的主要是燕山期中酸性岩浆杂岩体，而且杂岩体周边及其下游的BY沟水系沉积物中的多金属元素也呈现出明显的高背景含量特征。同时，铅同位素组成亦指示山前平原土壤铅与山区岩浆岩铅、沉积岩铅具有一致的物质来源，从而证实山前土壤多金属元素异常主要来源于山区岩浆杂岩体。由于山前平原土壤呈现为碱性且农田仅种植旱地作物，故富含多金属的土壤对农作物生长的生态风险程度低下。

元素异常；土壤；岩石；水系沉积物；铅同位素；生态风险

0 前言

山前平原土壤元素的空间分布与广大平原区明显不同，更多地反映出山区岩石与水系沉积物的地球化学特征，亦即山前平原土壤与水系沉积物、岩石之间存在着密切的因果关系。据近十几年对北京市平原区开展的1/25万与1/5万土壤地球化学调查成果（北京市地质矿产勘查开发局等，2005；北京市地质矿产勘查开发局等，2012），北京某地区平原土壤存在着呈同心椭圆状的Cd、Cu、Pb、Zn、Ag等多金属元素异常区，与此相应的是，西北部山区的部分岩石与水系沉积物中也存在着多金属元素异常。因此查明该地区土壤元素异常成因及生态风险显得十分必要。

1 地理地质概况

研究区地处北京西北部的山前冲洪积扇地区，地面平坦，地势略呈西高东低，第四系松散沉积物厚度起伏变化较大。西北2km处即为陡峭的山区，山区有BY沟、XLK沟、XT沟等山沟直达平原区，沟内有地表水。土地利用以园地、林地为主，大量种植苹果、桃、玉米等旱地农作物；少量荒地，土壤大多含有砾石。山区则主要为林地、园地、牧草地。

研究区及其西北部山区在地质构造上属燕山台褶带，主要出露太古界片麻岩、元古界长城系与蓟县系沉积岩，少量中生界侏罗系与侏罗—白垩系。受中生代燕山期构造运动的影响，山区岩浆活动发育，岩性主要为石英闪长岩、石英二长岩、花岗岩、安山岩、流纹岩等中酸性岩浆岩。山区岩浆杂岩体及周边围岩中普遍遭受铜钼矿化。

2 平原区土壤多金属元素分布特征

图1 土壤多金属元素综合异常图Fig.1 Soil multi metal elements comprehensive Anomaly map

土壤调查表明，Cd、Ag、Cu、Mo、Pb、Zn等多金属成矿元素在研究区土壤中呈现为高背景，其元素背景值明显高于全市平原区背景值（表1）。为突出异常浓集中心，以“全市平原区+6倍标准离差”之和绘制多金属元素综合异常图（图1），可见这些元素的异常吻合程度高，略呈北西-南东向，金属元素异常面积几乎都达到24 km2以上。在异常浓集中心，不仅表层土壤多金属元素含量普遍达到全市平原区背景值1.5倍以上，而且在7.5m深处仍然达到1.2倍以上（北京市地质矿产勘查开发局等，2015），表明该类异常属于自然源成因。

为查明土壤多金属元素异常成因与生态风险程度，在山前平原区采集了30件苹果及其根系土样品；在西北侧沿BY沟、XLK沟与XL沟等3条山沟，大致以1km左右的间距采集了40件山谷两侧的Ⅰ级水系沉积物，少量开阔地带采集Ⅱ级水系沉积物；另采集了30件具有一定规模的岩浆岩、变质岩与沉积岩的新鲜岩石露头样品。各类样品分析了Cd、Cu等多金属元素含量，采样点位及区域地质概况（鲍亦冈等，2001）见图2。

表1 土壤元素背景值及高含量样本量占比Tab.1 The element background values of soil and high content sample proportion

图2 区域地质及采样点位置图Fig.2 Regional geology and sampling point map

3 山区水系沉积物多金属元素含量特征

3.1 元素在不同岩性分布区的差异

按照40件水系沉积物样品所处的岩性分布区进行元素含量统计，元素含量均值见表2。四片岩性分布区中，以中酸性岩浆杂岩体分布区的水系沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、As、Sb、Mo、Ag等多金属元素含量为最高，是其它三类岩性区的2～15倍，其中以Ag元素的倍数为最高，其次为Cd、Mo元素，表明杂岩体中富含多金属元素，该特征与20世纪80年代1∶20万水系沉积物调查（北京市地质矿产局物化探队，1991）项目中查明的该岩浆杂岩体中赋存着多金属矿化的结论相一致。其它三类岩性分布区水系沉积物中的多金属元素含量相差不显著。因此，中酸性岩浆杂岩体对周边水系沉积物中多金属元素含量的贡献突出。

表2 水系沉积物元素含量均值（单位：μg/g）Tab.2 Mean values of element content in stream sediments（units: μg/g）

表3 水系沉积物元素间的相关系数矩阵Tab.3 Correlation coeffcient matrix between elements in stream sediments

表4 河谷水系沉积物元素平均含量对比（单位：μg/g）Tab.4 Comparison of element average content in stream sediments (Units: μg/g)

3.2 元素间的相关性

对40件水系沉积物多金属元素进行相关性分析（ 表3），Cd、Pb、Ag、Cu、Zn、Mo、As、Sb等多金属元素之间具有良好—极好的正相关性，相关系数为0.43～0.96，其中高于0.9的元素对有Cu-Cd、Cu-Mo、Cu-Ag、Cu-Sb等9对，表明这些元素之间关系十分密切，具有地球化学共生组合特征，在地质历史演化过程中，它们共同富集与贫化，为山前平原区土壤的形成提供了同源的物质组分。

3.3 河谷水系沉积物元素含量对比

受山势影响，研究区西部山区的3条河谷基本平行分布，河流均由北西流向南东方向。对沟口上游约5km范围内近平原地段内的23件水系沉积物样品元素含量进行平均值统计与对比，结果见表4。

很明显，3条河谷水系沉积物的金属元素含量存在着差异，以BY沟近平原段的各项元素含量为最高；相反，XT沟近平原段的各元素含量为最低。从研究区土壤元素综合异常图可知，土壤多金属元素异常主要与白羊沟相接，元素含量呈现为高背景；而与XLK沟、XT沟相交接的土壤多金属元素含量则趋于背景或略低于背景分布。可见，不同河谷水系沉积物影响着山前平原土壤元素的分布特征。

4 山区岩石多金属元素含量特征

对所采的30件岩石样按照岩石类型分别计算化学元素含量平均值（表5）。Cd、Cu、Mo元素在中酸性岩浆杂岩体中的平均含量为最高，是其它岩类的1.5倍以上；Pb、Zn元素也具有较高的平均含量，与花岗岩、片麻岩类岩石同属一个数量级。相反，As、Sb元素的平均含量在各类岩石中差别不显著。即中酸性岩浆杂岩体中Cd、Cu、Mo元素的极高含量与杂岩体中存在的斑岩铜钼矿化特点相吻合，该杂岩体也是距山前平原最近的岩浆岩体。

表5 西北部山区岩石多金属元素平均含量(单位：μg/g)Tab.5 Average content of multi metal elements in rock of the northwest mountain area (Units: μg/g)

燕山期岩浆演化由早中期至晚期具有典型的由中性岩浆来源向较酸性富碱岩石分异演化的完整过程（北京市地质矿产局，1991），随着岩浆演化酸度碱度的增高，多金属成矿元素含量下降，即燕山早中期岩浆岩中的多金属元素含量显著高于燕山晚期。本地区的岩浆杂岩体属于燕山中期的中酸性侵入岩，与长城系高于庄组碳酸盐岩地层相接触时，热液蚀变强烈，导致碳酸盐岩的矽卡岩化、大理岩化，从而使岩体及周边围岩构造裂隙发育处常有热液蚀变型铜钼矿化现象。另外，花岗岩体属于燕山晚期黑山坨花岗岩单元与大石坡正长岩单元，花岗岩的同化混染作用与接触变质作用明显弱于燕山早中期，因而多金属元素含量相对偏低。

5 铅同位素在元素异常成因研究中的应用

铅有4种同位素，分别是204Pb、206Pb、207Pb、208Pb，其中204Pb含量稳定，后三种是放射成因的，是由238U、235U、232Th经一系列衰变的最终产物。铅同位素在自然界中由于其质量重，同位素间原子质量相对差别很小，因而外界条件的变化对其组成的影响很小，在次生环境中几乎不发生分馏作用，其组成能够指示物质形成时的初始状态，已被广泛应用于异常成因研究中（路远发等，2005）。

5.1 铅同位素组成

选择了20件平原区苹果根系土与20件山区岩石样品进行了铅同位素的测定，平均值见表6。结果表明：沉积岩类岩石不仅具有较高的206Pb/204Pb与208Pb/204Pb，而且其变化幅度明显高于岩浆岩、片麻岩类岩石。土壤铅同位素组成非常接近，且三组铅同位素比值的分布范围介于沉积岩铅与岩浆岩、变质岩铅之间。

表6 平原区土壤与山区岩石铅同位素组成平均值Tab.6 Average value of lead isotopic composition of rock and soil in study area

5.2 铅同位素组成间的关系

图3206Pb/208Pb与206Pb/207Pb的关系Fig.3 The relationship of206Pb/208Pb and206Pb/207Pb

图4206Pb/207Pb与208Pb/（206Pb+207Pb）的关系Fig.4 The relationship of206Pb/207Pb and208Pb/（206Pb+207Pb）

图3是206Pb/208Pb与206Pb/207Pb的关系图，图4是206Pb/207Pb与208Pb/（206Pb+207Pb）的关系图。中酸性岩浆杂岩体、花岗岩体同属于燕山期八达岭岩浆杂岩带，铅同位素的投影点非常集中，反映出它们具有相同的物质来源。很明显，图3中岩石与土壤铅同位素的分布具有近乎一致的斜率，即208Pb与207Pb含量同步增减，呈正相关。图3与图4中土壤铅同位素的各投影点集中且分布呈直线状，反映土壤铅的来源一致；而且土壤铅位于岩浆岩铅与沉积岩铅之间的区域内，反映出土壤与岩浆岩、沉积岩的关系密切，即土壤铅的来源不仅受到了岩浆岩铅的制约，而且叠加了沉积岩铅，这与研究区西北侧山区主要分布岩浆岩、沉积岩的地质特征相一致。变质岩铅同位素投影点紧邻岩浆岩区域下方，反映出变质岩与岩浆岩具有成因上的联系。沉积岩铅的投影点分散，反映出其沉积环境存在较大的差异。

6 土壤生态风险评价

6.1 潜在生态风险

应用瑞典科学家Hakanson 1980年根据沉积学原理提出的潜在生态危害指数法来评价土壤生态风险程度（武永锋等，2007；刘文清等，2016）。重金属的潜在生态危害系数计算公式如下：

式中：Ci、C0、Ti分别为第i 种重金属浓度的实测值、参比值和毒性系数；Ei为某种重金属潜在生态危害系数，RI为多种重金属潜在生态危害系数。毒性响应系数Ti反映重金属毒性水平及土壤对重金属污染的敏感程度，据Hakanson，取Hg=40，Cd=30，As=10，Cu、Pb、Ni=5，Cr=2，Zn=1。

表7 单一重金属(Ei)和多金属(RI)元素潜在生态危害系数的分级标准Tab.7 Grading standard of potential ecological risk factors of single heavy metal (Ei) and multi metal (RI) elements

根据Ei 和RI 值，将土壤（沉积物）的潜在生态危害状况进行分级，见表7。

研究区土壤Hg、Cr、Ni等3项重金属元素背景值低于北京市平原区背景值，基本不具有生态危害性；Pb、Cu、Zn、As元素背景值虽然高于北京市平原区土壤元素背景值，但Zn、As元素的生态危害指数Ei值都低于30，Pb元素仅有2件（占总样本量的0.4%）样品的Ei值高于30，故区域性生态危害性轻微；Cu元素有26件（占总样本量的5%）样品的Ei值高于30，鉴于97%样品的Cu元素含量符合我国GB15618-1995二级环境质量标准，本地区土壤Cu元素基本可视为植物生长的有益元素。即流村土壤可能具有生态危害性的主要为Cd元素。

土壤Cd元素的潜在生态风险见图5。潜在生态风险程度与元素异常的强度相吻合，异常强度高、环境质量差的地区则生态风险程度相应高。具有极强与很强危害的地区位于研究区中南部的局部地区，面积共9.14km2，占工区总面积的8.3%，种植有苹果、桃等果树，值得密切关注。具有较强危害的地区位于研究区中南部，面积为25.58km2，占工区土壤总面积的23.1%，土地利用主要为园地，种植有苹果、桃、玉米等旱地作物。其余75.85 km2（占工区总面积的68.6%）的广大地区属于中等与轻微危害的地区，土壤利用以村庄为主，分布着少量果园，潜在生态风险较低，土壤环境较为安全。

图5 土壤镉元素潜在生态风险评价图Fig.5 Potential ecological risk assessment of cadmium in the soil

6.2 镉元素的生物有效性

对研究区苹果中的镉等重金属元素含量采用《食品中污染物限量（GB2762-2005）》进行安全性评价，测试结果全部符合限量标准。

生物富集系数是生物体中元素含量与土壤元素含量的百分比，它反映了作物从土壤中吸收元素的富集能力。比值≥1%表明富集能力较强，＜0.01%则很弱。研究区30件苹果样品的Cd元素对土壤根系土的富集系数为0.04%～1.53%，平均值为0.32%，表明苹果对土壤Cd元素具有中等富集能力。

众所周知，镉及其化合物均有一定的毒性。20世纪60年代日本神通川流域居民的“痛痛病”世人皆知，是因为三菱公司在上游开采铅锌矿带来稻田灌溉污染，当地土壤Cd含量变幅为0.46～4.85μg/ g，平均值为1.12μg/g，大米Cd为0.25～4.23μg/ g，平均值为0.99μg/g，由于土壤pH值为5左右，属于酸性土壤，使土壤Cd的有效性高达4%。土壤酸化会促使土壤重金属元素形态向活性形态转化，尤其对水溶态、交换态、铁锰氧化物结合态重金属影响极大（杨忠芳等，2005），从而促使稻米对土壤镉元素具有强富集能力。

研究区土壤Cd元素含量变幅为0.085～4.55μg/ g，平均值为0.346μg/g。与日本神通川流域存在着如下差异：其一，虽然本研究区土壤Cd变幅与日本神通川流域相近，但平均值远远偏低；其二，研究区土壤呈碱性，pH背景值为8.51，而日本神通川流域为酸性土壤；其三，研究区种植苹果等旱地农作物，而日本神通川流域种植水稻等水田作物。另外，研究区土壤还含有大量的Zn元素，Zn对Cd的竞争性降低了Cd元素的生物可利用性，使苹果对土壤Cd元素的生物有效性低下，远远低于日本神通川流域稻米4%的生物富集能力，因此，研究区土壤镉元素的高含量并未对苹果等农作物的安全性构成威胁。

7 结论

岩石与水系沉积物中的多金属元素分布及铅同位素证据表明，研究区山前平原土壤中的多金属元素主要来自于西北侧山区具有多金属矿化的中酸性岩浆杂岩体，该杂岩体及周边围岩与水系沉积物中的铜、钼、镉等多金属元素显著富集，风化产物沿BY沟顺流而下，至山前平原区堆积，导致土壤多金属元素呈现异常。虽然研究区土壤多金属元素含量高，但因土壤呈碱性以及锌对镉元素的拮抗作用，导致苹果等旱地作物对镉元素的生物富集能力较低，因而研究区农作物仍然属于安全农产品。

[1]北京市地质矿产勘查开发局，北京市地质勘察技术院．北京市平原区土壤环境地球化学调查[R]．2005：62～65．

[2]北京市地质矿产勘查开发局，北京市地质勘察技术院．昌平平原区农业土地资源调查与评价报告[R]．2012：160～175．

[3]北京市地质矿产勘查开发局，北京市地质勘察技术院．中心城区和昌平流村—马池口地区土壤重金属赋存形态研究[R]．2015：102～104．

[4]鲍亦冈，等. 北京地质百年研究[M]．北京：地质出版社，2001．

[5]北京市地质矿产局物化探队．北京市山区地球化学图说明书[R]．1991：110～114．

[6]北京市地质矿产局．北京市区域地质志[M]．北京：地质出版社，1991：283～310．

[7]路远发，杨红梅，周国华，等．杭州市土壤铅污染的铅同位素示踪研究[J]．第四纪研究．2005，25(3)：355～362．

[8]武永锋，刘丛强，涂成龙．贵阳市土壤重金属污染及其潜在生态风险评价[J]．矿物岩石地球化学通报．2007，26(3)：254～257．

[9]刘文清，甘柯，邢宇鑫，等. 潮白河流域土壤重金属生态风险评价方法研究[J]. 城市地质，2016，11(2)：14～19.

[10]杨忠芳，陈岳龙，钱鑂，等．土壤pH对镉存在形态影响的模拟实验研究[J]．地学前缘．2005，12(1)：252～260．

The Element Abnormal Genetic Research of soil and Its Ecological Risk Assessment

HU Shengying, HUANG Dan, DENG Kaiwen, YANG Li, LI Di
(Beijing Institute of Geo-exploration and Technology, Beijing 102218)

Soil materials in piedmont plain are controlled by rocks and stream sediments in mountain areas. Soil geochemical survey shows that there are wide ranges of concentric circle of multi metal element abnormality such as Cd, Cu, Pb and so on in a region of Beijing, where the magmatic rocks, sedimentary rocks and metamorphic rocks are wide distributed. Of them, the Yanshanian intermediate acidic magmatic complexes’ elements are high positively correlated with piedmont plain soil. There are high content characteristics of multi-elements obviously in stream sediments of the magmatic complexes and its downstream sediments of Baiyang valley. Lead isotope composition supports that lead in soil has consistent source of material with lead in mountain magmatic and sedimentary rocks. So it is proved that the multi metal element abnormalities in piedmont plain are mainly derived from magmatic complexes. Because of the alkaline soil and cultivated land crops, the ecological risk of multi-metal elements soil in piedmont plain to the growth of crops is low.

Element abnormality; Soil; Rock; River sediment; Lead isotope; Ecological risk

S153；S662.1

A

1007-1903（2016）04-0059-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.011

基金课题：中心城区和昌平—马池口地区土壤重金属赋存形态研究(京地[2014]36号)

胡省英（1962- ），女，高工，主要从事土壤、岩石地球化学研究工作。E-mail：hushengyingbj@163.com