恩施市龙凤镇土壤镉元素地球化学特征及影响因素分析

李泽威,钟建彪,王明华,万传杰,岳永强

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

恩施市龙凤镇土壤镉元素地球化学特征及影响因素分析

李泽威,钟建彪,王明华,万传杰,岳永强

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

在对恩施市龙凤镇全区进行1∶5万土壤地球化学调查的基础上,依据土地质量地球化学评价规范,以镉元素为评价对象,评价龙凤镇镉元素土壤环境质量地球化学等级,分析研究区镉污染形成的影响因素。成果显示,研究区镉污染程度较高,较严重镉污染土壤面积占比11.83%,镉元素土壤环境质量主要受区内成土母质、土壤类型以及酸碱度的综合影响;研究区属于高镉高硒区,镉和硒元素之间存在正相关性,推测镉和硒元素来源于相同的成土母岩。

环境质量;重金属;镉;污染指数

自从1955年日本神通川发生闻名于世的骨痛病以来,镉污染及其防治引起了世界各国的广泛关注[1]。中国土壤镉污染程度高,目前土壤镉污染面积超过总耕地面积的1/6,严重影响了农业经济的发展[2-3],镉污染问题日益严峻,镉污染治理研究也更加深入。根据镉污染来源和成因差异,目前土壤镉污染的修复方法主要划分为工程技术措施、物理修复措施、化学修复措施、生物修复技术及农业生态修复方法等[4-5]。而本文以恩施市龙凤镇为例,结合化探手段和GIS数据处理系统,综合研究土壤镉元素含量的地球化学特征和影响因素,为下一步探讨研究区镉污染防治措施提供依据。

1 采样及分析

1.1 研究区概况

龙凤镇位于恩施市北郊,距市中心10 km,是离恩施市最近的乡镇,“318”、“209”两条国道从集镇中心交汇而过,宜万铁路、沪蓉西高速公路均从集镇规划区经过。该镇地理坐标极值为东经109°19′～109°36′、北纬30°20′～30°32′,国土面积277.17 km2(图1)[6]。

该区地处鄂西南褶皱山地,中心集镇部分坐落在恩施红色断陷盆地中,山脉走向、地形地貌特征受区域构造线控制。研究区属扬子地层区上扬子地层分区八面山小区,地层出露较为齐全,从古生界寒武系至新生界第四系均有分布,区内构造主要由一系列北东—北北东向褶皱带和断裂组成,其中褶皱主要有北西部的背斜带和南东部的向斜带;断裂主要有建始大断裂、龙凤坝断裂等。区内土壤类型以黄棕壤、黄红壤、黄壤为主,有少量石灰土、紫砂土、紫泥土、泥田等,其中黄棕壤分布最广,黄红壤次之,土壤成土母质来源有差异,主要为碳酸盐质、泥质、石英质等[6-7]。

图1 研究区交通位置图Fig.1 Study area traffic location map1.自治州人民政府驻地;2.市辖区人民政府驻地;3.乡镇人民政府驻地、街道办事处驻地;4.机场;5.水库;6.河流;7.单线铁路及车站;8.高速公路;9.国道及编号;10.县道;11.乡道。

1.2 采样及分析方法

1.2.1 采样方法

采集样品以工兵锹为械具,标准化地采集地表0～20 cm的原始新鲜土壤,去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物。为增加土壤样品的代表性,采样时以1处为主(作为定点位置),在采样点周围50 m范围内多点采集3～5个子样组合为一个样品。其中样品原始重量应不低于1 000 g,每个样品保证截取的粒级样品<20目部分,重达500 g[7-8]。研究区内采样密度平均3.7点/km2,采样比例尺基本达到1∶50 000,工作面积277.17 km2,共采集表层土壤样1 015件,重复样20件。

1.2.2 分析方法

样品测试工作主要由湖北省地质实验测试中心完成,测试方法采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),分析质量均达到中国地质调查局地质调查技术标准《土地质量地球化学评估技术要求(试行)》(DD2008—06)等相关技术标准的要求。

1.2.3 评价方法及标准

(1) 评价单元模型。利用MapGIS、Section、GeoTools等地理软件对研究区所有图斑进行分割共划分为17 155个图斑,然后对每个图斑添加属性数据,通过对每个图斑的属性进行编辑来实现对研究区全区所有数据的统计分析[9]。

(2) 单元素环境质量等级评价方法。依据《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)的规定,按土壤应用功能和保护目标划分,研究区土壤属于Ⅱ类土壤,适用二级土壤质量标准,即使用适用于一般农田、蔬菜、果园、牧场等土壤的质量标准,其土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。

依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)的“土壤环境地球化学等级”的规定[10],Cr元素等级划分如下。

① 按公式:

式中:Ci为土壤中污染指标i的实测质量分数,单位为毫克每千克(mg/kg);Si为土壤中污染物指标i在《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)中给出的二级标准值,单位为毫克每千克(mg/kg)。

② 按照土壤单项污染指数环境地球化学等级划分界限值(表1)进行单元素土壤地球化学等级划分。

表1 土壤环境地球化学等级划分Table 1 Geochemical classification of soil environment

2 结果与讨论

2.1 镉元素地球化学特征分析

2.1.1 镉元素含量特征

本次统计的镉元素地球化学特征的数据源自研究区1 015件土壤样本,对数据进行统计后得到研究区土壤中各重金属元素含量的算术平均值、背景值、标准离差、最大值、最小值、变异系数、众数以及KK1值、KK2值。在数据整理过程中为使元素满足正态分布,背景值、标准离差、变异系数取对原始数据进行了异常值剔除之后的数据,表中KK1=表层土壤背景值/全国土壤均值,KK2=表层土壤背景值/江汉流域表层土壤背景值,详见表2。与中国土壤均值和湖北省所辖的江汉平原表层土壤的背景值相比较[11],研究区镉元素KK1、KK2值分别为5.952、3.125,表现极富集。

表2 研究区镉元素特征值统计表Table 2 Statistical table of cadmium element in the study area

2.1.2 镉元素空间分布特征

研究区镉元素背景值较高。如图2所示,较低值区域主要分布在三河村以及西流水林场—龙马村、柑子坪村一带区域。高值区域分布广,主要分布在研究区东南部的店子槽村、杉木坝村、双堰塘村—三龙坝村、向家村一带及研究区西南部的碾盘村最南端。镉元素土壤环境质量评价成果显示如图3,研究区镉清洁土壤和轻微污染土壤面积占比70.31%,轻度污染土壤面积占比17.86%,中度—重度镉污染土壤面积占比11.83%。研究区镉污染问题较严重的区域面积达82.29 km2。

2.2 土壤镉污染影响因素分析

研究区重金属污染主要为镉污染。调查显示,研究区人工活动造成的镉污染现象很少,镉元素污染主要与土壤的酸碱度、成土母质及土壤类型有关。

图2 研究区镉元素等值线图Fig.2 Isogram of cadmium element in the study area1.村名及村界;2.小路;3.水系;4.工作区。

图3 研究区镉元素土壤环境地球化学等级评价图Fig.3 Evaluation of soil environmental geochemical grade of cadmium element in the study area1.村名及村界;2.水系;3.小路。

2.2.1 研究区土壤酸碱度情况

研究区土壤以酸性土壤为主,次之为中性和碱性土壤(图4),区内酸碱度分布状况见表3所示。经过统计分析发现,镉元素含量与pH值的相关系数为0.125,而镉元素环境等级与pH值等级的相关系数为-0.137,初步推断酸性环境易导致镉污染,而碱性环境对镉污染有轻微抑制作用,镉元素在酸性环境中的活动性和迁移能力要比在碱性环境中强。

图4 研究区土壤酸碱度等级图Fig.4 Soil pH scale in the study area1.村名及村界;2.水系;3.小路。

表3 土壤酸碱度等级表Table 3 Soil pH scale table

2.2.2 研究区成土母质情况

将研究区样品按不同母质单元统计镉元素特征值列于表4,表中显示出镉元素分布与成土母质的地质属性关系密切,其中石炭系和二叠系母质区内镉元素平均值和中位数明显高于其他成土母质区。

表4 不同成土母质的镉元素特征值统计表Table 4 Eigenvalue of cadmium element in different soil parent materials

注：表中各项统计值的单位为mg/kg。

为了考察不同母质单元对镉元素分布的影响,以此次土壤区域背景值为基础,将各地质单元镉元素的均值与背景值的比值作为富集系数(K)[6],将K值按1.0、1.50、2.0、3.0间隔作富集程度分级划分为五级,分别为贫乏(K<1.0)、适中(1.0≤K≤1.5)、相对富集(1.5≤K≤2.0)、富集(2.0≤K≤3.0)、强富集(K>3.0),所得结果见表5。二叠系和石炭系母质区属于镉元素富集、强富集区,明显高于其他母质区对镉元素的富集程度。

2.2.3 研究区土壤类型情况

表5 不同成土母质镉元素富集度统计表Table 5 Statistical table of cadmium enrichment in different soil parent materials

注：表中统计数据为富集系数,“K”为无量纲。

镉元素在不同类型土壤区的平均值分布如表6所示,在泥质岩黄棕壤性土、水稻土二类土壤中镉元素平均值最高。依据上述富集度的定义[12],得到不同类型镉元素富集度统计情况如表7所示。按富集度的分级标准,泥质岩黄棕壤性土区域为强富集区,对镉元素的富集程度均明显高于其他类型土壤。

表6 不同类型土壤镉元素平均值表Table 6 Average value of cadmium in different types of soils

注：表中各项统计值的单位为mg/kg。

表7 不同类型土壤镉元素富集度统计表Table 7 Statistical table of cadmium enrichment in different types of soils

注：表中统计数据为富集系数,“K”为无量纲。

2.3 镉元素与硒元素的相关性分析

研究区属于恩施地区典型的高镉高硒区,硒元素整体含量高,其含量极高值区与镉元素高值区基本一一对应。对土壤总镉含量和总硒含量相关性分析得到,两种元素相关系数为0.49,属于中度正相关。如表8所示,不同地层中镉和硒元素含量相关性存在差异,其中在志留系、石炭系、白垩系地层中存在明显高度正相关;如表9所示,不同土壤类型中镉和硒含量基本为中度正相关。经过两种元素相关性对比分析,初步推断镉元素与硒元素物质来源一致,具有相同的成土母质,同时更进一步证明了成土母质对镉元素含量分布起主要作用。

表8 不同成土母质的硒镉相关系数统计Table 8 Correlation coefficient statistics of selenium and cadmium in different soil parent materials

3 结论

(1) 研究区镉污染程度较高,范围较广,较严重镉污染区占比面积11.83%;镉元素在不同的成土母质、土壤类型以及土壤酸碱度的环境中含量分布有差异,镉元素土壤环境质量主要受区内成土母质、土壤类型以及酸碱度的综合影响。

表9 不同类型土壤的硒镉元素相关系数统计Table 9 Correlation coefficient statistics of selenium and cadmium in different types of soils

(2) 研究区属于高镉高硒区,镉硒元素含量分布整体呈中度正相关,在不同地层中呈现中度—重度正相关,推测镉硒元素来源于相同的成土母岩。

致谢:野外工作和资料整理得到湖北省地质局第二地质大队“金土地”项目小组的帮助,特此感谢。同时感谢王明华主任、李明龙主任和其他领导的指导帮助,深致谢意。

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(责任编辑：于继红)

Geochemical Characteristics and Influencing Factors of Cadmiumin Soil of Longfeng Town,Enshi City

LI Zewei,ZHONG Jianbiao,WANG Minghua,WAN Chuanjie,YUE Yongqiang

(SecondGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Enshi,Hubei445000)

Based on the soil geochemical survey of 1∶50 000 of Longfeng Town,Enshi City,the geochemical grade of soil environmental quality of the cadmium element was evaluated,and the influencing factors of cadmium pollution were analyzed in Longfeng Town,according to Specification of Land Quality Geochemical Assessment.The results showed that the cadmium pollution in the study area was higher,and the soil area of severe cadmium pollution was 11.83%,and the soil quality of cadmium was mainly affected by soil parent material,soil type and pH value.The study area was high cadmium and high selenium region,there is a positive correlation between cadmium and selenium.It is speculated that cadmium and selenium elements are derived from the same soil parent rock.

environmental quality; heavy metals; cadmium; pollution index

S151.9+3; S159

A

1671-1211(2017)05-0563-05

2017-03-30;改回日期2017-05-31

李泽威(1988-),男,工程师,硕士,地质勘查专业,从事矿产地质、农业地质及环境地质方面工作。E-mail:yangwa_lzw@163.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170830.1152.004.html数字出版日期2017-08-30 11:52

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.011