鄂西咸丰地区土壤元素地球化学分布及其影响因素①

孙 奥，段碧辉，王 芳，项剑桥，夏 伟，王天一

鄂西咸丰地区土壤元素地球化学分布及其影响因素①

孙 奥，段碧辉*，王 芳，项剑桥，夏 伟，王天一

(湖北省地质科学研究院，武汉 430034)

本研究以鄂西咸丰县土壤为研究对象，统计了区内表层土壤中30种元素指标的地球化学背景值，再结合因子分析方法，探讨了地球化学背景值的成因机制，分析了土壤元素空间分布及其影响因素。结果表明，咸丰地区土壤B、Cd、Cr、F、Hg、Se元素的含量明显高于全国和湖北省背景值，I、Mo、Sr、CaO、Na2O 等元素较全国贫乏。因子分析结果表明成土母质、工矿活动、腐殖质过程、风化作用、地形因素以及人类的生产活动共同影响着研究区内表层土壤的背景值特征，其中成土母质决定了土壤中化学元素的分布特征，但是工矿活动、地形特征和人类活动等过程重塑了区域元素分布特征。

咸丰县；富硒土壤；地球化学背景值；土壤元素分布特征；因子分析

土壤是地表生物赖以生存的物质基础，是岩石圈和生物圈等圈层相互作用关键带的核心部分，具有强的异质性和时空差异性，在自然环境的发展和变化中起着至关重要的作用。土壤地球化学背景值是指一定区域内自然状态下，未受或少受人类活动(特别是人为污染)影响的土壤环境中化学元素的自然含量，是反映一个地区土壤地球化学元素特征的基本指标[1]。20世纪以来，随着环境问题的日渐凸显，研究人员在我国各个地区陆续开展了土壤背景值的研究。研究和掌握土壤环境背景状况，对地质找矿、农业研究、生态环境保护、预警[2-6]等工作都具有十分重要的科学意义。

湖北省恩施州是著名的“世界硒都”，具有丰富的硒资源，但对于其土壤背景并未有完整详细的报道。近年来，随着对于硒产业发展的需求，恩施州开展了全域土地质量地球化学评价暨土壤硒资源普查工作。本文利用2018—2020年开展的“咸丰县土地质量地球化学评价暨硒资源普查”所获得的数据资料，统计得出了研究区内30种元素指标的背景值，并结合因子分析方法分析其成因，为研究区土壤环境质量评价、制定土壤环境标准、发展特色农产业、环境监测与保护等工作提供基础的科学依据与支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省恩施土家苗族自治州的西南部，国土总面积2 550 km2，其中耕地面积4.4万hm2。研究区地处武陵山东部，鄂西南边陲，地形以山区为主，平均海拔800 m左右，地貌以碳酸盐岩组成的高原型山地为主体，兼有盐酸岩盐组成的低山峡谷与溶蚀盆地等(图1)。该区处于亚热带季风性山地湿润气候，年平均气温16.2 ℃，降水丰沛，年平均降水量为1 600 mm。

研究区处于中扬子地区西部，位于宜都–鹤峰复背斜带[7-8]。区内背斜核部未见出露，地层发育较全，从寒武系至白垩系均有分布，其中以唐崖区–清坪区一带为界，其北面和南面的长断层之间主要出露三叠系，中心位置出露少量白垩系；北面断层以北主要以二叠系、奥陶系和志留系为主，仅在黄金洞区北端出露有少量三叠系；南面断层以南则主要以寒武系、奥陶系和志留系为主(图1A)。区内矿产资源丰富，有世界罕见的高品质硒矿床约1.67万hm2，此外还有煤炭、汞矿、重晶石、大理石、方解石、铜矿、高岭土等40多种矿产。

图1 研究区地质图(A)和地形示意图(B)

1.2 样品采集与处理

本研究依托“咸丰县土地质量地球化学调查评价暨土壤硒资源普查”项目，依照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[9]、《多目标区域地球化学调查规范(1︰250000)》(DZ/T 0258—2014)[10]进行样品布设，采样密度平均为4件/km2，采样深度为0 ～ 20 cm，以五点取样法进行采集，原始样品重量不低于1 kg。

土壤样品经自然风干后过10目尼龙筛，剔除土壤以外的杂物，采用四分法留取500 g，其中300 g装入塑料瓶作为副样留存，200 g装入纸样袋送检，共获取了8 450件表层土壤分析样。

1.3 样品测试分析

样品分析由湖北省地质实验测试中心(国土资源部武汉矿产资源监督检测中心)完成。依据分析质量要求，采用X射线荧光光谱法(XRF)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)为主体，辅以原子荧光光谱法(AFS)、离子电极法(ISE)、容量法(VOL)等方法测定了30项指标(表1)。采用了密码样、监控样、标准样等多种监控手段，保证样品分析质量的合理性、可靠性。测试项目及测试精度均满足规范要求。

表1 样品分析方法及检出限

注：Corg.及氧化物的单位为%，其余元素单位为mg/kg，下表同。

1.4 土壤元素背景值统计

按照多目标区域地球化学调查规范要求，先对土壤数据的频率分布形态进行正态检验，若数据服从正态分布，用算数平均值代表背景值，若服从对数正态分布，用几何平均值代表背景值。当二者都不服从时，按照算数平均值加减3倍标准差进行剔除[1, 11-12]，经反复剔除后若服从正态分布或对数分布，用算数平均值或几何平均值代表背景值。经反复剔除后若仍不服从正态分布或者对数分布，当呈现偏态分布时，以众值或算数平均值代表土壤背景值，当呈现双峰或多峰分布时，以中位值或算数平均值代表土壤背景值。

对于数据正态分析的检验，依据《数据的统计处理和解释正态性检验》(GB/T 4882—2001)[13]，在置信度α=0.05的水平下，采用偏度–峰度法来进行检验；检验对数正态分布时，需将原始数据转换为对数后再用偏度–峰度法进行计算；在进行pH参数统计时，应先将土壤pH换算成[H+]平均浓度进行统计计算，然后再换算成pH。

1.5 因子分析

因子分析是采用降维的方法，将原始数据中多项指标减少为几个综合指标来反映数据信息的方法[14]。因此借助因子分析方法对土壤地球化学元素进行分解和组合，有助于分析研究区内地球化学分布特征及其影响因素。由于本文数据量较大，为了降低数据特高值的影响，先对原始数据进行对数转换，再对所选数据进行因子分析。

本研究中背景值数据的统计和分析利用Excel 2013和SPSS 23.0完成；数据的检验以及因子分析均利用SPSS 23.0进行计算，因子得分图则通过MapGIS 6.7和Coreldraw 2020进行绘制与整饰。

NM系列钢板在全国大中城市钢材市场均有销售，一般供货方式与普通中板相似，厚度为6～60 mm，宽2 m，长6 m。NM360的价格为Q345钢板的1.5倍。建议在溜槽过煤面采用该衬板，其厚度为采用Q235的60%；可以用耐磨钢板直接制作溜槽母板，取消衬板。原设计无衬板的溜槽母板厚度不变；对于采用了衬板的溜槽，母板厚度为原母板+衬板厚度的60%。

2 结果与分析

2.1 土壤地球化学背景值特征

全区土壤地球化学背景值见表2。表中富集系数1为咸丰县土壤元素背景值/全国土壤元素背景值，富集系数2表示咸丰县土壤元素背景值/湖北省土壤元素背景值。

分析变异系数可知，原始数据的变异系数为0.17 ～ 5.21，其中Cd、Hg、Mo、Se、CaO的变异系数均大于1，表明土壤中这些元素指标在空间上分布很不均匀；剔除后的数据变异系数介于0.15 ～ 0.76，其中B、Cr、Cu、Ge、Ni、Pb、Sr、Zn、Al2O3、TFe2O3、SiO2变异系数小于0.25，分布均匀；As、Cd、Cl、Co、F、Hg、P、S、Se、K2O、MgO、Na2O、Corg. 变异系数为0.25 ～ 0.5，分布比较均匀；I、Mn、Mo、CaO变异系数大于0.5，表明其可能由于成土母质的差异、成土过程中表生作用以及外源组分的影响，导致空间变异性较强，在区域上表现为一定的富集或者贫乏的特征[11-12]。

从表3中可以看到，区内Na2O、CaO、Sr元素明显低于全国和全省的背景值。区内成土母质以沉积岩为主，主要由碎屑岩和碳酸盐岩组成。虽然在沉积岩中CaO为主要的成土产物，但是区内地势较高，雨水充足，沉积岩中的矿物易受到风化淋滤作用[15]，使得一些碱金属及碱土金属元素迁移淋失，这些元素的迁移顺序为Ca>Sr>Na>Mg>K，在化学风化作用下Ca和Sr非常活跃，迁移能力很强[16-17]，因此造成了区内Na2O、CaO和Sr元素异常贫乏。

土壤中的I主要来源于大气沉降[18]，部分来源于母岩风化[19]，因此含量通常高于原岩。与全国土壤背景值相比，I的相对贫乏一方面可能是继承了区内碳酸盐岩、碎屑岩等母岩的化学成分，另一方面指示了咸丰地区土壤中的I并不是以溶于水的化合物的形式所存在[20]。与湖北省相比I元素含量与之相当。

土壤中的钨钼族元素的富集可能与矿化作用有关，区内Mo元素显示为贫乏，表明研究区内可能没有钼矿的富集，表生条件下元素淋溶流失造成Mo的贫化。Mo元素是人体和动物生长发育所必需的微量元素，土壤中Mo的转化主要是受土壤酸碱度的影响，土壤酸化可能会导致Mo的有效性降低[21]，因此，区内土壤有效钼的含量需引起关注。

表2 全区土壤地球化学背景值特征

注：“–”表示无数据。

表3 咸丰县表层土壤元素富集与贫乏组合

研究区内99.7% 的土壤样品Se含量大于0.125 mg/kg，58% 的土壤样品Se含量大于0.4 mg/kg，总体表现为足Se或富Se土壤，说明咸丰地区土壤Se含量整体处于较高水平。与全国土壤和湖北省土壤相比，富集系数分别为1.51和1.60，均显示非常富集，有利于利用富Se土地资源发展特色农产品。已有研究发现，成土母质是影响土壤Se含量的最主要因素，土壤Se含量与其母质的含Se量有极其显著的正相关关系[22-23]。研究区内二叠系成土母质的土壤Se含量最高，平均含量为0.95 mg/kg。二叠系地层岩性主要为砂岩、黑色泥岩、页岩、灰岩等且夹有煤层，与恩施鱼塘坝硒矿的赋存的二叠系茅口组黑色岩系具有时空耦合性[24-26]。因此可以认为咸丰地区土壤中较高的Se含量主要来源于其成土母质。

与全国和湖北省土壤背景值相比，B的富集系数为1.57和1.55，非常富集。土壤中的B、Fe等微量元素主要来源于成土母质[27]。通常认为沉积岩发育的土壤比火成岩发育的土壤B含量高。土壤中B元素富集不代表有效硼含量丰富[28]，因此考虑土壤养分条件时需注意有效硼的含量。

研究区内土壤中的重金属元素Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn均较全国土壤富集，其中Cd、Cr、Hg非常富集，富集系数分别为3.42、1.41、1.72。除受成土母质的影响外，研究区内的工矿活动、生活垃圾、农业施肥以及大气沉降等也可能导致了上述元素在表层土壤的富集[29-30]。

2.2 土壤元素空间分布及其影响因素

不同沉积环境中由于成土条件的差异，在空间上通常会表现为不同的元素地球化学共生组合。为进一步探讨研究区内表层土壤环境元素的来源和影响因素，本文对上述元素指标进行因子分析。经检验KMO值为0.788>0.5，显著性(sig.)<0.001，符合Kaiser标准条件，表明变量之间的相关性较强，数据适宜进行因子分析[14]。并基于主成分模型，提取出特征值大于1的7个主因子为研究对象，其表达的信息量占总信息量的77.155%(表4)，基本能够反映咸丰地区表层土壤的主要地球化学特征。根据各采样点的因子得分，绘制了因子分布图(图2)。

表4 咸丰县土壤因子负载矩阵

续表4

因子2为工矿因子(图2B)，该因子占总变量方差的13.304%，金属元素Ni、Cu、Cr、Zn具有良好的相关性，研究区内工矿企业用地主要分布于坪坝营镇、曲江镇、清坪镇、黄金洞乡一带，这些地区因子相关性较高，并且局部呈点状分布，是由于受到了矿物开采加工等人类活动的影响。

因子3为成土母质和人类活动共同作用因子(图2C)，该因子占总变量方差的10.838%，亲Fe元素(Mn、Co、TFe2O3)、重金属元素(As、Pb)与卤族元素(I)具有良好的相关性。因子高值区与二叠系地层在空间上具有一定的耦合性，部分呈条带状分布，一定程度上反映了成土母质的特征。而在南部的异常高值区呈点状，主要分布于坪坝营镇南部，可能与该区域采矿活动、工业污染有关，因此该因子是受到成土母质和人类活动共同作用的结果。

因子4为腐殖质过程因子(图2D)，该因子占总变量方差的10.779%，元素N、S、Corg.、P之间具有良好的相关性，其中N和Corg. 的因子相关系数均大于0.9。区内海拔较高的地区相关性较强，是由于高山地区植被覆盖率较高，较为发育的动植物残体通过一系列生物化学和化学作用变为腐殖质，并在土壤表层积累，为土壤提供了丰富的营养物质。同时，局部呈点状分布，也表明在一定程度上受到了人类农业施肥的影响。

因子5为碳酸盐岩风化作用因子(图2E)，占总变量方差的9.213%，元素Sr、CaO、pH之间具有良好的相关性。因子得分较高的地区(清平镇、唐崖镇、朝阳寺镇一带，高乐山镇、曲江镇、坪坝营镇一带)地势较低，土壤偏碱性，碳酸盐岩长期在雨水的作用下发生化学溶蚀造成CaO在表层土壤富集[15]；CaO、Sr的富集与碳酸盐岩风化有关，二者离子半径相似，具有相似的地球化学行为，容易受到化学作用以碳酸盐的形式随着土壤溶液或地表水迁移[31]，在适当的地质地形条件下沉淀富集。土壤中OH–的主要来源之一为碳酸钙的水解，Ca2+增加，OH–浓度升高，Ca元素在一定程度上影响着土壤的pH，而pH又控制着微量元素的表生变化及分布[32]。因此，元素Sr、CaO和pH三者之间具有很强的相关性。该因子反映了在碳酸盐岩风化成土的过程中，受到地形气候等因素的影响，土壤中CaO、Sr逐渐富集的过程。

因子6为寒武系成土母质作用因子(图2F)，占总变量方差的7.341%，与元素B、Cl、Ge具有良好的相关性，土壤中有益元素B、Cl、Ge的含量主要受控于成土母质，B元素通常在碳酸盐岩地区含量最高[4]。图中呈带状分布的因子高值区位于咸丰县东南部，其成土母质为一套寒武系海相沉积的地层，岩性以碳酸盐岩为主。

因子7为地形作用因子(图2G)，占总变量方差的7.297%，元素F和MgO具有良好的相关性，F元素在风化过程中具有较高的活性，与地形图相比地势较高的地区相关性较强，地势较低的部分相关性偏弱。同时具有条带状分布的特征，可能还受到部分成土母质的控制。

图2 咸丰县因子得分分布

3 结论

1)与全国表层土壤元素含量相比，咸丰地区土壤B、Cd、Cr、F、Hg、Se、Co、Cu、Ni、Pb、Zn、TFe2O3元素含量相对富集，I、Mo、Sr、CaO、Na2O元素背景值较全国均显示贫乏。与湖北省相比，除Co、Cu、Ni、Pb、Zn、TFe2O3、I元素含量相当外，其他元素均与全国一致。区内表层土壤B、F、Se、Co等有益元素富集，适合发展生态富Se特色农业。

2)采用因子分析法将相关性较高的元素划分为了7组因子，通过对其化学特征的研究表明，研究区内表层土壤元素的地球化学背景值是受到了成土母质的母岩类型、工矿活动、腐殖质过程、风化作用、地形作用以及人类生产活动共同影响的结果。

3)咸丰地区土壤元素地球化学分布特征主要由成土母岩所决定，但是地形作用和农业施肥、工矿活动等人类生产活动过程影响着区域地球化学元素的再分布。

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Geochemical Distributions and Influncing Factors of Soil Elements in Xianfeng County, Western Hubei Province, China

SUN Ao, DUAN Bihui*, WANG Fang, XIANG Jianqiao, XIA Wei, WANG Tianyi

(Hubei Institute of Geology, Wuhan 430034, China)

Taking the soil of Xianfeng County in Western Hubei as the research object, this study counted the geochemical background values of 30 element indexes in the surface soil in the area. Moreover, factor analysis was conducted to analyze the genetic mechanism of geochemical background values and to evaluate the spatial distribution and influencing factors of soil elements in Xianfeng County. The results showed that the contents of B, Cd, Cr, F, Hg and Se were significantly higher than the national and Hubei background values, the contents of I, Mo, Sr, CaO and Na2O were lower than the national levels. Factor analysis showed that soil parent materials, industrial and mining activities, humus process, weathering, terrain factors and human activities jointly affected the background values of surface soils in the study area. Soil parent material determined the distribution characteristics of chemical elements in soils, and the terrain factors and human activities like mining reshaped the regional distribution patterns of elements.

Xianfeng County; Selenium-rich soil; Geochemical background; Elemental distribution pattern in soil; Factor analysis

S159

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.026

孙奥, 段碧辉, 王芳, 等. 鄂西咸丰地区土壤元素地球化学分布及其影响因素. 土壤, 2022, 54(3): 637–645.

咸丰县土地质量地球化学评价暨土壤硒资源普查项目(ESXPC20190106)、湖北省咸丰县土地质量地球化学评价(一期)项目(HBTTD20180106)和湖北省长江经济带耕地质量地球化学评价项目(HBECC-ZB-ZC21055)资助。

(351927858@qq.com)

孙奥(1992—)，女，硕士，助理工程师，主要从事农业地质调查研究工作。E-mail: 569146561@qq.com