流域土壤重金屬背景值再研究范文

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摘要：為深入探究廣西西江流域土壤重金屬背景值狀況，在大規模系統采樣的基礎上，從2864件土壤樣品中篩選出處于自然狀態下的土壤樣品。通過計算不同均值并分析比較后重新提出廣西西江流域土壤重金屬背景值。研究結果表明，西江流域背景值為：As-17.0mg•kg-1、Sb-5.08mg•kg-1、Cd-0.561mg•kg-1、Pb-50.7mg•kg-1、Cu-20.8mg•kg-1、Ni-26.5mg•kg-1、Zn-67.3mg•kg-1、Cr-82.7mg•kg-1。與以前研究結果相比，本研究新提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值略有差異，差異在5%以內，而Cd、Pb背景值則是前人研究結果的4.2倍、2.5倍，Sb則是全國土壤背景值的4.8倍。偏高的主要原因是因為西江流域上游地區的南丹縣、金城江、環江縣、都安縣、大化縣、宜州市處于地球化學異常區，該區域Cd、Pb、Sb含量十分異常，使得土壤中重金屬整體偏高。對于重新提出的背景值為該流域土壤環境研究提供參考價值，同時為制定土壤環境質量標準提供重要依據。

關鍵詞：西江流域；土壤；重金屬；背景值

土壤元素背景值研究是土壤環境科學的基礎性工作，對特定區域進行土壤元素背景值估算，可以預測今后該地區環境污染變化趨勢，同時對區域土壤環境監測和評價提供依據（王登峰等，2012）。因此，許多國家都開展了關于土壤元素背景值的研究工作（Anderetal.,2013;Tayloretal.,2010;Vosnakisetal.,2009;Castroetal.,2013）。對元素含量背景值的研究方法不同研究者有著不同的見解。曾鍵年提出可利用“地球化學過程的基本定律”，應用Kolmogorov-Smirnov統計檢驗方法，使觀測數據符合正態分布，求取算數平均值作為元素的背景值（曾鍵年等，1989）。唐文春則指出在數據處理過程中首先計算研究區土壤深層樣元素平均值X1、標準離差S1，將數據經X1+2S1反復提出后再計算其平均值X2，即為研究區土壤元素基準值（唐文春等，2005）。成杭新通過利用公式計算某一元素的富集系數，剔除異常值，就可以得到表層土壤中元素含量的自然背景（成杭新等，2007）。雖然研究方法之間存在一定的差異性，但是土壤元素背景值的確定對環境規劃和管理，以及對土壤污染治理、修復，農業生產均具有極其重要的意義。總之，它是指導土壤重金屬污染監測、評價以及治理工作的基礎（陳同斌等,2004）。在20世紀80年代就已經開展了以土壤元素背景值為目的地研究工作（魏復盛等,1991），為我國土壤背景值研究打下了堅實的基礎。隨后，大量研究者對不同地區開展了背景值詳細研究（陳同斌等,2004;邢克孝等,1986;趙子良等,1987;甘華陽等,2010;馬玉等,2014）。針對廣西西江流域土壤背景值研究狀況，由于當時經費、儀器設備等原因僅在5.8萬km2區域內采集土壤樣品32個（廣西環境保護科學研究所,1992），樣本量偏少。因此對于該流域土壤背景值的研究亟需解決，可為該區域的土壤環境研究提供了重要參考價值。同時許多研究者對廣西西江流域土壤重金屬進行調查并進行評估（劉暢等,2018;宋波等,2018;楊子杰等,2017;張云霞等,2018），但是相關的環境質量評價卻是以全國背景值作為標準，而采用全國土壤背景值來進行相關的評價會產生問題（陳同斌等,2004）。因此，本文在對廣西西江流域土壤重金屬污染調查過程中，篩選出處于自然狀態的土壤進行統計分析，重新研究土壤重金屬背景值，為今后該流域相關環境研究提供更加準確、可靠的信息。

1.研究區概況與研究方法（Areaandmethod）

1.1研究區概況

西江流域是珠江水系的主干流，在廣西境內的流域面積占珠江流域總面積的86%（翟麗梅等,2009），主要以刁江、紅水河、打狗河、黔江、洵江和西江等主要河段的沿江區域為主，流經19個縣市（如：河池市、柳州市、來賓市、玉林市、梧州市等）。西江流域面積約5.8萬km2，東西跨度大，流域范圍內有明顯的季節性差異，土壤類型主要是以紅壤和赤紅壤為主，其成土母質主要為：沉積巖、巖漿巖與變質巖。隨著地形地貌和氣候環境的區域性變化，西江流域形成了不同成因的景觀地貌沉積類型，在上游地區以風蝕高平原殘積、坡積為主，中下游則以山地丘陵殘積、坡積為主。典型的喀斯特巖溶地貌使得母巖碳酸鹽巖在成土過程中發生淋溶，使得土壤中重金屬易富集，同時土壤中重金屬的分布存在一定的時空差異性。西江流域有著豐富的礦產資源，上游河池地區南丹縣有色金屬礦產資源總儲量達1100萬噸（葉緒孫等,1994），位于桂西北地區的丹池成礦帶，廣西武宣縣盤龍-古立-朋村鉛鋅礦床（葉緒孫等,1994;鄧坤等,2010;孫邦東等,1994;唐龍飛,2014;謝世業等,2004），存在著豐富的鉛鋅礦及伴鋅礦資源。

1.2研究方法

樣品采集：在2014.5-2016.6間分成多批次抽樣的方法，按照西江流域土地利用類型圖、礦產點分布圖與地形圖，在現有數字地圖上確定采樣點的基本分布。實際采樣中，利用GPS定位，考慮土地利用類型的變化與地形因素，采用非均勻布點方法共采集土壤樣品2864件，每件樣品從10m×10m的正方形4個頂點和中心點共5處各取1kg的土壤（10~20cm），混合均勻后采用四分法取1kg土壤。在全部樣品中，篩選出采集于山林和遠離人類活動或受人類活動影響較小的山地、植被發育完好地方的自然土壤300件（圖1）。樣品處理：土壤樣品從采集到處理的整個過程中，始終使用木頭、塑料或瑪瑙等工具，未曾接觸過金屬工具，防止人為原因致使樣品受到污染。土壤樣品經風干，研磨前去除碎石與植物殘體等雜物，過100目篩。

2.結果與討論（Resultsanddiscussion）

2.1西江流域土壤重金屬分布特征

經正態概率分布檢驗，土壤重金屬含量均不符合正態分布，經過對數轉換之后，8種重金屬元素均符合正態分布。表1為西江流域土壤重金屬元素基本統計參數。

2.2西江流域土壤重金屬不同計算方法比較

從理論上來說，土壤元素的背景值是不受或者很少受人類活動影響的情況下，土壤原來固有的元素含量水平（陳同斌等,2004）。但是在廣西西江流域，上游豐富的礦產資源與下游廣袤的平原地帶，造就了密集地人類活動痕跡。因此要想找到完全不受任何人為污染的土壤幾乎是不現實的。從實際采樣角度出發，只要通過合理的布點，避開人類活動密集區域，那么所篩選出的自然狀態土壤中重金屬含量即可代表該區域土壤元素背景值。關于如何獲得背景值，表示背景值，并沒有統一格式（邢克孝等,1986）。夏增祿（夏增祿,1987）認為土壤重金屬背景值應該是一個表征該元素含量集中分布趨勢的特征值，而不是一個具體的數值。背景值應根據數據分布特征采用不同的方法表示，在含量分布符合正態分布的情況下，一般可用算術均值表征；在含量分布符合對數正態分布的情況下，則可采用幾何均值表征集中趨勢（Chenetal.,1991）。唐將（唐將等,2008）則認為多次疊代均值能夠更好地反映元素含量的集中趨勢，以此來表示土壤背景值。為了確保廣西西江流域土壤背景值的準確性，從統計學的角度出發，分別統計土壤的中位數、算術平均值、幾何平均值及多次疊代剔除平均值（表1），其中多次疊代剔除平均值是指以平均值加減2倍標準差（x±2S）為目標函數經逐步剔除（剔除限為數據集合內不再含有該函數值時的值）的算術平均值（唐將等,2008）。在這些統計量中對數轉換、中位數或者多次疊代可以削弱高值在均值計算中的權重從而使得最終結果更加接近實際，因而這些值比算術均值更加的合理，算術均值就不適合作為平均含量的代表。而中位數為切尾均值的極端情況，對數據信息損失大，從而效率低（張朝生等,1995）。因此，多次疊代均值更接近于數據的集中趨勢。

2.3西江流域土壤重金屬元素推薦背景值與前人研究對比

本研究所提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值均略高于《土壤背景值研究方法及廣西土壤背景值》（下文均以“前人研究”代稱）（廣西環境保護科學研究所,1992）的研究結果，其差異在5%以內，而Cd、Pb背景值則遠高于前人研究結果，差異分別達到了320%、152%。對于Sb，前人研究中未對此元素進行統計，故將本研究結果與全國土壤Sb背景值進行對比，差異為379%。對于Pb元素，按照背景值區劃標準劃分為<14.7、14.7-19.0、>19.0三個等級，其幾何均值分別為：43.6mg•kg-1、57.3mg•kg-1、45.0mg•kg-1。可以發現自然土壤中Pb含量并沒有表現出與流域區劃背景值相同的升高趨勢，但是資料表明，在桂西北河池地區存在52200km2的高Pb異常區（張云霞等,2018），平均值為53.3mg•kg-1。這會對自然土壤中Pb含量偏高造成一定的影響。對于Sb元素，西江流域Sb含量十分異常（謝學錦等,2008），主要集中在紅河、宜良、馬龍、望謨、宜威、廣西賓陽、河池、忻城與上思、寧明、憑祥范圍內，面積34×104km2，規模大，強度極高；特別是河池地區Sb異常強度高，且梯度和濃度集中十分明顯，異常平均值9.6mg•kg-1。可見，由于成土母質對土壤Sb含量的影響，導致西江流域Sb背景值顯著高于全國土壤Sb背景值。另外通過與前人研究的實驗過程對比發現：第一，研究中所用樣品均來自于很少受人類活動影響的林地、山地中的土壤剖面，但是前人研究僅在5.8萬km2區域內采集土壤樣品32個，而本研究采集樣品數量是其7~9倍，因此本研究在樣品數量上更具有代表性；第二，兩者樣品加工處理、數據處理方法、質量控制方面都保持一致；第三，在樣品分解方法上，本研究采用美國土壤分析HNO3+H2O2的消解方法，前人研究中采用HNO3+HF+HClO4的消解方法。測試方法靈敏度和實驗定量水平的差異是否是造成本研究所提出的背景值高于前人研究結果的原因還有待進一步研究。

3.結論（Conclusion）

土壤重金屬含量背景值是制定土壤環境質量標準的重要依據，因此，應根據不同地區的土地類型，成土母質等因素開展切合實際的土壤背景值研究。通過對西江流域土壤重金屬調查研究，重新提出該流域土壤重金屬背景值：As17.0mg•kg-1、Sb5.08mg•kg-1、Cd0.561mg•kg-1、Pb50.7mg•kg-1、Cu20.8mg•kg-1、Ni26.5mg•kg-1、Zn67.3mg•kg-1、Cr82.7mg•kg-1。本研究所提出的As、Cu、Ni、Zn、Cr背景值與前人研究結果基本一致，其差異在5%以內，而Cd、Pb背景值則是前人研究結果的4.2倍、2.5倍，Sb則是全國土壤背景值的4.8倍，這主要是由于西江流域處在地球化學異常區造成的，使得土壤中Cd、Pb、Sb含量顯著偏高。采礦活動、交通運輸及大氣沉降是否會對自然土壤中重金屬含量造成影響還有待進一步研究。本研究得到的土壤重金屬背景值，可以為該流域的土壤環境管理提供重要依據。

作者：王佛鵬1a；宋波1a,b；周浪1a；龐瑞1a；張云霞1a；陳同斌1a,2 單位：1.桂林理工大學,a環境科學與工程學院，b巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，2中國科學院地理科學與資源研究所