青海省湟中县孙家窑土壤重金属异常成因及生态效应

张亚峰，马 强，姬丙艳，代 璐，马风娟

（青海省第五地质矿产勘查院，青海 西宁810028）

湟中县位于青海省东部地区，孙家窑位于湟中县西北部，属低山与丘陵相间地貌，零散出露的地块内种植油菜、马铃薯、莜麦等农作物。土壤类型主要为黄土性暗栗钙土和耕种栗钙土，出露有白垩纪民和组地层，岩性为碎屑岩及泥岩夹石膏［1－4］。

多目标地球化学调查发现孙家窑地区表层土壤中存在较大范围的以Cd为主，Pb、Zn、Hg、As和Cr伴生的重金属异常（图1），加之异常区属农业种植区，重金属污染对农产品安全会产生较大的影响。本文以该异常为研究对象，通过土壤剖面、农作物调查等工作手段，重点查明了异常成因，寻找了异常源，并对农产品安全性进行评价，为后续农业地球化学区划及整治治理提供技术依据。

1 样品采集与分析

按DD2005－01《多目标区域地球化学调查规范（1∶250000）》要求，采用网格法对青海湖北部地区表层土壤（0～20cm）进行采样，每1km2采集1件表层土壤样，每4km2组成1件分析样；每4km2采集1件深层土壤样，每16km2组成1件分析样；加工到200目过筛送至安徽省地质实验研究所分析与重金属污染和农业相关的Cd、Hg、Pb、Zn等54项指标。经数据处理、异常圈定后发现，孙家窑表层土壤中存在以Cd为主的综合异常。为进一步掌握异常的分布特征，查明异常成因及其来源，根据异常的发育情况，在异常区偏北部，穿过多元素异常中心布置了一条土壤水平剖面，在不同强度异常部位布置两条土壤垂向剖面。为了追踪异常源，在采集土壤剖面样品的同时，采集了区内主要类型的岩石样品。采集了小麦、油菜、马铃薯及配套根系土样品，评价了异常区的生态效应（图1）。

2 异常区元素地球化学特征

该异常属表层土壤异常，异常主元素Cd的最大值为744×10－9，异常区平均值为443×10－9，面积为71．5km2，并伴生有Pb、Zn、Hg、Cr、As等元素异常（图1），且异常套合较好。另外，该区还具有小面积的Mo、Se、F、Sr异常，具中低温硫化物热液元素组合特征［5］。异常带总体呈东西向展布，但异常东、西两侧均未封闭。深层土壤中未形成异常。

2．1 水平剖面元素地球化学特征

异常区土壤水平剖面结果显示（表1），异常元素Cd、Zn、Hg、Mo、As等的最大值分别为859．8×10－9，234×10－6，178×10－9，14．11×10－6和35×10－6，剖面异常元素含量均值明显高于全区表层土壤均值。其中，Cd是全区均值的2．14倍，Zn、Hg元素异常区剖面均值是全区的1．3～1．5倍，但Pb、Cu、As元素仅略高于全区。

图1 湟中孙家窑异常及查证工作布置图

表1 孙家窑异常元素特征表

2．2 异常元素组合特征

从异常区表层土壤元素聚类分析谱系图（图2）可以得出4组元素组合，分别为：①Al、Fe、V、Co、Mn、Ce、La；②Zn、Cd、Pb、Cu、Ni、Se；③Cr、W、As、Sb；④Ca、Mg、Hg。

图2 异常区土壤元素聚类分析谱系图

其中，第②组元素组合正是湟中孙家窑异常主要元素，这些元素均具有亲硫特征，属中温热液元素组合［6－7］。异常出现在低山丘陵地带，区内无成规模的工矿企业，在排除人为污染的情况下，这样的元素组合主要为自然地质作用引起。

2．3 垂向剖面元素地球化学特征

异常中心部位的垂向剖面上Mo、Pb、As在不同土体深度内含量未发生明显变化，Cd和Zn元素在0－20cm的表层土壤中略呈富集；低缓异常处的剖面上Pb、Zn、Se在不同深度土壤中未出现明显变化，Cd和Mo元素在表层略有积累。

2．4 异常元素相关性分析

异常元素Cd与Zn、Pb及Pb与Zn之间均表现出较明显的相关性。Cd与Zn和Pb的线性复相关系数分别为0．55和0．78，Zn和Pb之间的线性复相关系数为0．54，线性相关关系明显［8］。

异常元素之间的相关性同时出现于岩石中，异常西部的岩石样品中Cd与Zn二者间的线性复相关系数为0．75，高于表层土壤的0．55。在自然地质作用中，Cd、Pb、Zn等元素常常密切伴生。异常区内，土壤中继承了异常元素之间的相关关系。

分析认为异常产于自然地质背景中，元素组合具热液硫化物元素组合特征，多数异常元素在不同土壤深度内含量无明显变化，土壤与母岩异常元素具有相似的相关性特征。因此可以判断，该异常系由自然地质作用引起。

3 异常源分析

为了追踪异常源，采集了异常区内的碎屑岩、砂岩和矿化碎屑岩样品。岩石样主要异常元素均远远高于中国杂砂岩平均含量，尤其是Cd、Se、Mo、As四元素显著高于国内杂砂岩含量均值。

异常区砂岩Cd含量范围为205～985×10－9，平均为613×10－9，是国内杂砂岩均值的6．5倍；碎屑岩中Cd含量范围403～5062×10－9，平均为1458×10－9，是国内杂砂岩均值的8．9倍。富集程度最高的是Mo元素，异常区砂岩和碎屑岩中平均含量分别为21．43×10－6和35．34×10－6，分别是国内杂砂岩含量均值0．52×10－6的41倍和68倍。As元素在异常区砂岩和碎屑岩中分别富集了20．4倍和8．1倍；Se元素富集了24．4倍和48．7倍。其它异常元素Hg、Pb、Zn异常区岩石中亦高于中国杂砂岩含量均值，但富集程度相对弱些。

因此，湟中异常元素源于矿化作用所致的高含量成土母岩。推断认为，岩石受到硫化物热液侵蚀作用，Zn、Cd、Pb、Cu、Se、Mo等元素含量增加，土壤继承了岩石元素含量，形成孙家窑土壤异常。

4 农作物安全性评价

在异常区采集了主要农作物油菜籽、小麦及马铃薯样品，并将其元素含量与国家食品卫生标准限定值进行比较（表2），以评价表层土壤所产生的生态效应。评价得出各类农作物中As、Hg元素均未超标，且均远低于安全标准。小麦存在很大的安全隐患，其中Cu元素超标80%，Pb元素超标100%，Cd元素超标100%，其中的9号样品Pb超标3．5倍。各异常元素中，Cd元素的安全隐患最大，三类作物中油菜籽Cd元素超标60%，小麦和马铃薯100%超标。

表2 孙家窑异常农作物元素含量表

由表2可知，湟中异常引起了较为严重的作物安全风险，特别是小麦的安全隐患最大。Cd元素的生物有效性最强，是各异常元素中风险最大的元素。

5 结论和建议

通过异常查证工作证实，湟中孙家窑地区土壤中的重金属异常确实存在，该异常是由Cd、Pb、Zn、Hg、Cr、As等组成的综合异常。异常元素源于矿化作用所致的高含量成土母岩，异常还引起了较为严重的作物安全风险，Cd元素的生物有效性最强，是各异常元素中风险最大的元素。

建议减少区内农作物的种植，土地利用改为树苗等培育基地，逐渐利用不食植物进行生态环境修复，并进一步结合区域地质矿产及区域化探资料，开展该地区的矿产调查工作。

［1］ 青海省第五地质矿产勘查院．青海省多目标区域地球化学调查（环青海湖北部地区）报告［R］．2012．

［2］ 青海省农业资源区划办公室．青海土壤［R］．1997．

［3］ 周国华，等．浙江省农业地质环境调查评价方法技术［M］．北京：地质出版社，2007．

［4］ 李瑞敏，等．农业地质地球化学评价方法研究——土地生态安全之地学探索［M］．北京：地质出版社，2007．

［5］ 于成广，杨晓波，凌爽，等．辽河流域花生产区土壤地球化学特征分析与评价［J］．地质调查与研究，2009，33（3）：187－193．

［6］ 余涛，杨忠芳，钟坚，等．土壤中重金属元素Pb、Cd地球化学行为影响因素研究［J］．地学前缘，2008，15（5）：67－73．

［7］ 马生明，朱立新，王之峰．平原区区域Cd地球化学异常成因及其生态效应［J］．地质通报，2004，23（11）：1083－1087．

［8］ 金立新，侯青叶，包雨函，等．德阳镉污染农田区生态安全性及居民健康风险评价［J］．现代地质，2008，22（6）：984－989．