江汉平原仙桃地区土壤重金属分布及影响因素研究

王 斌，甘义群，陈秋菊

(中国地质大学(武汉)环境学院，武汉 430074)

土壤是生态环境系统的组成要素之一，也是人类赖以生存的物质基础，因此保护土壤资源、保证土壤可持续性具有重要意义。随着工农业的快速发展，重金属通过多种途径进入土壤，由于难以降解而富集形成土壤污染。受人为活动的影响，不同土地利用类型下土壤重金属累积特征不尽相同[1]。此外，土壤pH值、Eh值等理化性质在一定程度上也会影响土壤重金属的迁移性，如Cu、Cr和Pb等多种重金属的EDTA可提取含量与pH值呈负相关，与有机质含量呈正相关[2]。

江汉平原是我国重要的商品粮基地和农业生产区，近几十年来农药和化肥的大规模施用使土壤中引入了Cu、Zn、Cd等多种重金属，造成了土壤质量的下降。此外，工业的快速发展和城市化进程的推进促进了江汉平原土地利用类型的多样化，并加剧了工业与生活污染的排放，土壤重金属富集情况愈加复杂。针对该现状，崔晓玉等[3]探讨了湖北省各市土壤中Cd、Cu、Pb和Zn含量的空间分布特征；喻鹏等[4]利用因子指数法对江汉-洞庭平原农业土壤中的重金属开展了综合评价。但是目前江汉平原土壤调查主要集中于大面积土壤重金属含量的普查与评价，而缺少高精度、考虑土地利用类型的土壤重金属含量的调查。因此，本文以江汉平原腹地仙桃地区表层土壤环境地球化学数据为基础，探讨了该区域不同土地利用类型的土壤中重金属元素含量的分布规律；并构建了包气带土壤剖面，探讨了包气带土壤中重金属元素含量的垂向分布规律及其影响因素，为工农业土壤开发治理提供理论基础与依据。

1 样品采集与测试分析

1. 1 研究区概况

江汉平原位于湖北省中南部长江中游地区，属亚热带季风区，区内降水充沛，地形低洼平坦，河流湖泊众多，沟渠密布。研究区位于江汉平原腹地仙桃市周边，介于113°00′E～113°30′E、30°20′00″N～30°32′30″N之间，总面积达1 100 km2。汉江--通顺河横贯研究区，阶梯状的地貌特征形成了河岸高地-灰潮土-旱地、河道两侧低平原-水稻土-水田的土地开发模式。适宜的气候、良好的水土环境与低平的地貌为仙桃地区农业开发奠定了良好的基础，使之成为我国中部地区最大的农渔产业基地。

自1987年以来，仙桃市实施科技兴工战略，开始由农业向工业的经济产业转型，近年来仙桃地区已初步形成了以化工、轻纺、建材、医药和电子为基础的工业体系。快速的工农业发展，一方面增加了化工、制造业和农渔业对周边土壤的三废(液体、气体和固体废弃物)排放量，加大了土壤污染的风险；另一方面，生活水平的大幅提高与落后的基础建设的矛盾加深，造成土壤环境污染日趋严重。

1. 2 表层土壤样品的采集与测试

研究区的土地利用类型主要为水田、旱地、林地和城郊菜地，依据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)中系统随机布点法对1 100 km2的研究区域的表层土壤样品进行采集取样，共采集表层土壤样品222个(其中城郊菜地17个，旱地76个，水田113个，林地16个)，取样深度为10 cm，土壤调查点位分布见图1。土壤样品采集后置于4℃环境中低温保存并尽快转移至实验室，剔除异物并在室内自然风干。将风干土壤样品剔除碎石及植物残体后，磨碎后过200目尼龙筛，保存待测。

图1 研究区土壤调查点位示意图Fig.1 Schematic diagram of soil survey sites in the study area

上述测试过程均在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室内完成。

1. 3 包气带剖面土壤样品的采集与测试

根据研究区面上土壤调查所得的数据，选取4种不同土地利用类型(旱地、水田、林地和城郊菜地)典型地区构建4个包气带剖面(其中水田和旱地面积占比高，各取2个包气带剖面，重金属元素含量取均值，林地和城郊菜地各取1个包气带剖面)。每个剖面均利用洛阳铲从地面钻孔至潜水面，深度分别为城郊菜地2 m、水田1.7 m、旱地2 m和林地1.2 m，每20 cm取包气带剖面土壤样品100 g。包气带剖面土壤样品于野外低温保存，实验室内自然风干，剔除植物残体与碎石，磨碎后过200目筛，并利用四分法划分样品，一份测试土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg等13种重金属元素含量，一份用电极法测试土壤pH值，一份用燃烧法测试土壤中总有机碳(TOC)含量，最后一份备用。待测包气带剖面土壤样品pH值测试方法与上文相同；TOC采用总有机碳分析仪vario TOC(Elementar 德国)测定，测试精度(以RSD计)<5%；重金属元素采用四酸(HNO3-HClO4-HF-HCl)消解后，用等离子体发射光谱仪(Agilent VISTA)和等离子体质谱仪(Agilent 7700x)综合分析测试，测试精度(以RSD计)<5%。

上述测试过程除土壤中重金属元素含量测试在澳实矿物实验室(广州)完成外，其余均在中国地质大学(武汉)环境学院盆地水文过程与湿地生态恢复学术创新基地完成。

2 结果与讨论

2.1 研究区表层土壤中重金属元素含量的平面分布特征

本文根据研究区平面表层10 cm土壤中重金属元素的含量，并结合土地利用类型对研究区表层土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg和pH值等土壤环境质量指标进行了统计分析，其统计结果见表1。

表1 研究区不同土地利用类型表层土壤中重金属元素含量的统计Table 1 Statistics of soil heavy metal contents with different land use types in the study area

由表1可知，研究区表层土壤pH值整体呈中性，局部为弱酸-弱碱性(6.0～7.9)，体现较温和的土壤环境；表层土壤除Pb外中各重金属元素含量的均值都高于国家土壤背景值，其中Cu、Zn、As、Cd、Ni高于湖北省土壤背景值，Ni、As、Cd高于国家土壤环境质量一级标准；不同土地利用类型的土壤重金属元素含量的分布极差较大， Ni、Cu、As和Zn等变异系数高于0.4，但整体变异系数较低约为0.2，指示人类活动加剧了研究区土壤重金属元素含量的局部变异性，但整体上受土壤母质控制，地区差异不大。

本文利用克里金插值法绘制了研究区表层土壤中重金属元素含量的平面分布图，见图2。

由图2可见，研究区表层土壤中Cd的超标(国家土壤环境质量一级标准)面积为76%，As的超标(国家土壤环境质量二级标准)面积为46%，是主要的区域性污染元素，Ni的超标(国家土壤环境质量一级标准)面积为37%，情况相对较好。As是江汉平原典型的原生型沉积物污染元素，东部仙桃地区土壤中As含量明显高于西部毛嘴—岳口地区，且分布特征与区域轻/重稀土比值分布模式一致[7]，与其地质背景相符；Cd大致沿汉江平原呈明显的条带状分布，此外Cr、Cu、Pb和Zn在仙桃市区—沉湖农场均出现与汉江平原一致的带状分布特征，说明汉江河道冲积物对区域表层土壤重金属含量的分布有一定的影响；Cd、Zn和Cu于仙桃市和岳口镇均出现富集，且仙桃市内其富集程度高于岳口镇、毛咀镇和三伏潭镇，这与仙桃市在研究区内人口密度最高、工业发达、城市化程度高有一定的关系[8]。由于研究区农业开发程度高、工业发展迅速，表层土壤中重金属元素如Cr、Pb和Zn等局部变异性较大，而且出现了由于养殖场排放的污泥和废水灌溉而造成局部表层土壤中重金属元素的异常富集。至2013年，仙桃市养殖污染已仅次于工业污染，各类畜禽养殖场四散分布，处理率不足30%，造成了严重的固废和水污染[9]。

图2 研究区表层土壤中重金属元素含量的平面分布图Fig.2 Plane distribution map of heavy metal contents in the surface soil in the study area

根据土地利用类型差异对研究区表层土壤样品进行分类，由表1可以看出：研究区表层土壤中各重金属元素的含量大致满足城郊菜地>林地>水田>旱地的规律；相较于水田和旱地，城郊菜地土壤中重金属元素含量普遍较高、种类更多，体现了频繁人类活动对表层土壤存在较多重金属输入的现象；林地作为研究区占地面积较少的土地利用类型，主要分布于村落与城郊居民区周围，其规模较小且疏于管理，大部分大气降尘随枝叶进入土壤，造成林地表层土壤中重金属污染的累积[10]；此外，城郊菜地表层土壤中Hg含量远高于其他土地利用类型且高于区域背景值，说明研究区内可能存在含汞工业排放或含汞农药施用[11]，已造成土壤的Hg污染。

近年来，研究发现，几种严重的药物超敏反应具有很强的遗传易感性，尤其是利用免疫应答关键分子（MHC）的主要组织相容性复合体编码基因的预测[13-15]，由于受试人群为中国人，需要特别关注中国人群过敏反应的发生率。本研究不良反应发生率为0.22%，在3695例患者中，1695例属于中度危险组。2017年4月，英国药品和医疗产品管理局已发布信息[16-17]，警示有基础性心脏病的患者使用丁溴东莨菪碱注射液有严重的不良反应发生，并已修改了产品说明书，因此应保障临床按照药品说明书的要求规范用药，关注借鉴特殊人群、特殊疾病、药物食物相互作用信息，降低发生不良反应的风险，加强不良反应监测，确保用药安全。

2.2 不同土地利用类型包气带剖面土壤中重金属元素含量的分布特征

基于研究区不同土地利用类型表层土壤中重金属元素含量分布的差异性，本文通过在包气带剖面土壤中取样测试，并进行统计分析，进一步探讨不同土地利用类型的包气带剖面土壤中重金属元素含量的垂向分布特征，4种土地利用类型的包气带剖面土壤中重金属的统计结果，见表2。

表2 研究区不同土地利用类型包气带剖面土壤中重金属元素含量的统计Table 2 Statistics of heavy metal contents in unsaturated zone soil with different land use types in the study area

由表2可知：林地包气带剖面土壤中TOC平均含量较高，而Cd、Cr、Pb和Zn的含量也较高，变异系数最大，说明林地包气带剖面土壤中重金属元素累积程度高、局部富集、垂向分布不均；旱地包气带剖面土壤与林地包气带剖面土壤类似，但Cr、Cu、Hg和Zn等重金属元素含量垂向变异性强且极差较大，这与旱地土壤性质主要为砂土且受人为耕作影响有一定的关系;研究区农田施行秸秆留田政策，故水田包气带剖面土壤中有机质含量较高，而农药的施用使水田包气带剖面土壤中Zn、Pb和Cu等重金属元素含量较高。

研究区水田、旱地、城郊菜地和林地包气带剖面土壤中TOC和Hg、Cd等重金属元素含量的垂向分布图见图3。

图3 研究区不同土地利用类型包气带剖面土壤中有机质和重金属元素含量的垂向分布图Fig.3 Vertical distribution of the contents of organic matters and heavy metals in soil with different land use types in the study area

由图3可见，研究区不同土地利用类型包气带剖面土壤中TOC的含量满足水田≈林地>旱地>城郊菜地的规律，垂向上土壤中TOC含量随深度增加而降低，这是因为水田、林地表层土壤质地于20 cm深度突变黏土为砂土，不利于TOC的存储与积累，加速了TOC的分解，故出现垂向的突变；土壤中Zn、Cu和Ni等重金属元素含量的垂向分布特征有良好的一致性，说明成壤母质均一，环境对重金属元素的分布迁移改造有一定的趋同性；相比其他土地利用类型，城郊菜地包气带剖面土壤中Cu、Zn和Hg出现富集，显然主要源于城市工业污染；水田包气带剖面土壤中各重金属元素含量波动较小，于0.4 m处出现低值后反升至稳定水平，说明水田的主要耕作层影响深度为0.4 m；旱地与水田相反，在0.6 m深度处出现重金属元素富集，这与旱地包气带剖面土壤主要为粉砂土-粉质黏土有关，粉质黏土较高的孔隙度与良好的透水透气性加大了淋溶作用的强度，使包气带剖面土壤中重金属元素溶解迁移至深部沉淀；林地包气带剖面土壤中Zn、Cd与其他重金属元素含量的分布特征差异较大，其中Zn含量整体较高，认为林地包气带剖面土壤所受Zn污染经淋溶作用而于0.2 m深度处富集；Cd在0.2 m深度内存在明显富集，而Ni、Pb和Cu等其他重金属元素均在0.4 m深度处轻度富集。

2.3 包气带剖面土壤中重金属元素含量分布的影响因素讨论

本文利用因子分析法对研究区包气带剖面土壤样品中TOC和重金属元素含量数据进行了因子分析，探讨重金属元素含量的垂向分布规律及影响因素，其中KMO系数和Barlett’s球形度的检验结果分别为0.824和0.000，满足因子分析的基本要求。采用主成分方法提取公因子，前3个公因子累计方差贡献率为85.904%(>85%)，能够反映研究区包气带剖面土壤中重金属元素含量分布的绝大部分信息，故提取前3项公因子F1、F2和F3。利用最大方差法对原始因子载荷进行因子旋转，放大因子信息，因子旋转后的因子载荷矩阵见表3。

因子载荷反映了各变量与各公因子之间的相关性，可根据表3对提取的公因子进行命名并解释。

(1)F1为土壤氧化还原性公因子，其主要与As、Cr、Co、Fe、Mn 和Ni元素相关，以上元素均为土壤母质的主量和微量元素。周素华等[12]通过分析江汉平原浅层地下水及沉积物中的As含量，认为浅层土壤中高砷主要源于其地质背景。在潜水位以上的近地表沉积物中，氧化还原环境直接控制了土壤沉积物中As的形态分布。砷酸盐是氧化环境中As的主要存在形态，主要受铁氧化物强烈吸附或共沉淀固定[13]。此外，仙桃地区潜水位周期性的起落使土壤氧化还原条件出现周期性变化，如还原条件下Fe(Ⅱ)促进Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，并以Cr(OH)3形式沉淀，其迁移性降低[14]。而土壤中Ni以残渣态为主，氧化环境下游离态Ni主要与铁锰氧化物(氢氧化物)形成沉淀[15]。综上可知，该类元素的富集程度主要受地质环境背景控制，其迁移转化受氧化还原环境与土壤中铁氧化物含量的影响，公因子F1主要表征土壤氧化还原性对包气带土壤中重金属元素分布的影响。

表3 旋转因子载荷矩阵Table 3 Rotated Component Matrix

(2)F2为土壤酸碱性公因子，其主要与Cu、Pb、Zn、Ca和Al元素相关，同时除Ca外，Cu、Pb、Zn和Al关于F1的因子载荷值略低于关于F2的因子载荷值，说明Cu、Pb、Zn、Al的迁移性也受土壤氧化还原性的影响。土壤中Cu、Ca、Zn、Pb在土壤中主要以+2价存在，淋溶作用下土壤酸性增强，往往能将固定的氢氧化物、碳酸盐溶解，造成解吸附而淋失。试验证明，土壤酸化(pH<7)时，离子交换态Pb含量占总Pb含量的比例直线上升[16]；土壤酸化对Cu、Zn吸附能力也有显著降低[17]。此外，在酸性土壤中，随着pH值的降低，Al3+含量占总单核无机铝含量的比例增加，而Al络合物含量的比例减小，Al的溶出量增加，以上均说明公因子F2主要体现土壤酸碱性对元素迁移的控制。

(3)F3为土壤有机质含量公因子，其主要与TOC、Cd和Hg相关，其中TOC的因子载荷值高达0.861，远高于其他因子，说明公因子F3一定程度体现了土壤有机质含量对元素迁移的影响。土壤腐殖质对Cd有富集作用，腐殖质含量高、质地细的碳酸盐土壤中Cd含量高，而砂土及排水良好的土壤中Cd含量低[18]。统计分析也表明：土壤中Cd含量与土壤pH值、黏粒含量及阳离子交换量的相关性不显著，而与土壤中有机质含量的回归相关性较好[19]。此外，土壤中有机质对Hg有强烈的吸附作用，其吸附机制包括两个方面：一方面是土壤腐殖质中一部分以有机颗粒或有机膜的形式存在，增加了土壤的表面积和表面活性，从而增强了土壤的吸附能力；另一方面是土壤腐殖质中含大量的酚羟基、羧基等反应基团，容易与Hg发生络合或螯合反应而使Hg固定下来，且有机质固定Hg的能力远高于黏土矿物。

本文根据包气带剖面土壤点关于F1、F2和F3公因子得分绘制因子得分示意图，见图4。

图4 公因子F1、F2的回归因子得分示意图Fig.4 Sketch of regression factor scores for F1 and F2

由图4可见，研究区包气带剖面土壤点主要位于F2轴上方，即土壤中重金属元素含量的分布一定程度上都受土壤酸碱性的影响。其中，第一象限内的包气带剖面土壤点(A组)主要为湖积相及冲积相表层黏土，其重金属元素含量的分布同时受氧化还原电位和土壤酸碱性影响；第四象限内的包气带剖面土壤点(B组)主要为冲积相下部砂层，临近潜水位，由于粉砂质土壤透气性良好，且研究区雨旱季潜水位波动剧烈，故主要受氧化还原性的影响强烈；第二象限和第三象限内的包气带剖面土壤点(C组)主要为冲积相中部砂层和部分湖积相粉质黏土，不在潜水位波动范围内，点位紧靠F1轴分布，说明部分包气带剖面土壤点受氧化还原性与酸碱性的影响较弱，可能受土壤有机质(F3)的影响较大。

3 结 论

根据区域调查与包气带剖面调查，对江汉平原仙桃地区浅层土壤的环境地球化学特征，尤其是重金属元素含量的分布及其影响因素进行了研究，得出如下结论：

(1) 研究区表层土壤pH值为弱酸-弱碱性，表层土壤中除Pb外各种重金属元素含量均高于国家土壤背景值，与湖北省土壤背景值大致相当，其中As、Ni与Cd元素的含量略高于国家土壤环境质量一级标准，呈现轻度单指标污染。研究区表层土壤中重金属元素含量的整体变异性不大，环境地质背景较为均一，人为活动加剧了Cd、Ni和Cu等元素的局部变异性。从土地利用类型看，研究区表层土壤中重金属元素含量大小的排序大致为城郊菜地>林地>水田>旱地，其中城郊菜地土壤中Ni、Cu、Zn、As和Cd等元素超过湖北省土壤背景值，体现了城市频繁的人类活动对表层土壤存在重金属输入的情况；林地靠近居民区，存在降尘污染且疏于管理，土壤中Ni、Cd等重金属元素的含量仅次于城郊菜地；而水田由于农药和化肥的频繁施用，Pb、Cr和Zn等重金属元素吸附于表面黏土层形成了一定的局部富集。

(2) 研究区不同土地利用类型的包气带剖面土壤中重金属元素含量的分布特征各异。其中，林地和水田包气带剖面土壤中TOC含量在0.2 m深度处骤降，可能是因为土壤质地突变；城郊菜地受人为污染，包气带剖面土壤表层富集了Cu、Zn和Hg；水田包气带剖面土壤中重金属元素的含量稳定，耕作层影响深度为0.4 m；旱地、林地受淋溶作用的影响显著，重金属元素在0.4 m和0.6 m深度处富集。

(3) 采用因子分析法讨论了影响包气带剖面土壤中重金属元素分布迁移的主要因素，共提取3项公因子。其中，公因子F1主要与As、Cr、Co、Fe、Mn 和Ni元素相关，上述元素多以铁氧化物形式固定于土壤中，归纳为氧化还原性;公因子F2与Cu、Pb、Zn、Ca和Al元素相关，主要体现土壤酸碱性对元素迁移的控制；F3与TOC、Cd、Hg相关，主要反映土壤有机质对元素赋存的影响。综上所述，研究区包气带剖面土壤中影响重金属元素分布迁移的主要因素为土壤氧化还原性、酸碱性与有机质含量。

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