赣江梅江河河流作用对土壤元素分配的影响

(中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心 河北 保定 071051 )

河流以其巨大的水流能量作用于河床及两岸，在地壳物质风化、搬运和沉积过程中扮演着重要的角色[1-2]。另外人类择水而居，万物因水而丰，河流冲积出来的滩涂与平地，元素物质丰富，适宜开垦成农田，也是人类生存生活的优选之地[3]。河流沿岸地球化学元素的变化不仅受河水对岩石和土壤风化、侵蚀、搬运作用的影响，还与人类的工农业生产密切相关[4]。对长江入海河流两岸洪冲积物中重金属含量的研究发现：沿河区域地球化学元素分配主要是河水长期对汇水盆地岩石和流域内的土壤风化、侵蚀、搬运、沉积的结果[5-7]；同时沿河工农业活动，比如矿山开采、农业施肥等对土壤地球化学元素再分配也发挥着重要的作用[8-9]。

河流作用是一种自然力量和人类活动的综合作用，会打破原来地球化学元素分配主要受原生地层控制的分配特征，形成一种新的元素分配形式。

本文以赣南丘陵区土地质量地球化学调查数据为研究对象，以多元分析、假设检验和空间分析为主要研究方法[10-11]，分析在河流作用及沿河两岸不同人类活动强度共同影响下的河流周边区域地球化学元素分配特征。

1 研究区概况

研究区位于江西省赣江流域宁都县梅江河两岸，北起宁都县洛口镇，南至该县田头镇，为呈南北走向长约60 km的条带状区域。该区域北高南低，海拔高度在150～250 m之间，河流两岸地层岩性主要以第四系亚砂土和亚黏土为主，个别区域河流直接切割白垩系红色砂岩-紫红色砂砾岩。土壤类型主要为潮沙泥田和麻沙泥田，统属于沙泥田类型，质地多为轻壤-中壤土，土质疏松；近河岸区域多为沙子田，质地为细砂土、粗砂土和砾质砂土[12]。

梅江河是赣江的支流，宁都县第一大河，河流两岸形成的冲洪积区域地势平坦、土壤相对肥沃、宜农宜居，是主要的工农业区和村镇分布地。河流西岸地域较为宽广，农工商经济较为活跃，主要分布有洛口、东山坝、宁都县城主城区、竹笮、田头等乡镇和一些主要村庄，还有部分页岩矿黏土砖厂；河流东岸相对较为狭窄，分布有石上一个乡镇和部分村庄。

2 样品采集与分析

样品取自梅江河两岸1 km范围内的表层土壤。样品分配以第四系冲洪积沉积物为主要介质，少量样品分布在河流两岸白垩系丘陵区残坡积土层中。样品总量为320组，其中河流西岸158组，河流东岸162组，按照统计学经验，样本数大于30，属于大样本问题。根据《土地质量地球化学评价规范》，采样深度为0～20 cm，样品分析项目包括：pH, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo , Cd , Hg, Pb, As , B, N, P, S, Se, K和有机质。

样品分析由国土资源部南昌矿产资源监督检测中心承担。分析方案以《土地质量地球化学评价规范》和《多目标区域地球化学调查规范》为基本依据，以X射线荧光光谱法(以下简称XRF)、电感耦合等离子体发射光谱法(以下简称ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱法(以下简称ICP-MS)为主要方法，辅以化学滴定、原子荧光等。

3 元素分配特征分析

3.1 河流作用对元素相关性的影响

根据整个宁都盆地土壤元素的分析结果可知，全区高度相关的元素有4项2组，为Cr与Ni，N和有机质，相关系数分别为0.93和0.96；显著相关以上元素达12项20组，12项元素分别为V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，As，B，N，S，K和有机质，其中V、Cr和Ni与其它元素显著相关的组数达到5组以上。完全独立变量元素8项。

具体到梅江河沿岸区域，上述20项元素相关关系发生较为明显的变化。高度相关元素增加到9项12组，分别为V与Co，V与Cr，V与Ni，V与B，B与As， B与Cr，B与Ni，Ni与Cr， Ni与Co，N与S，N与有机质，S与有机质。其中Ni，Cr，V两两相互高度相关；N，S有机质两两相互高度相关。Hg，Pb与土壤参数pH为完全独立变量，此外，其他17项元素全部达到显著相关级别，显著相关组数达49组。其中V，Cr和Ni和全区保持相同的分配趋势，在研究区显著组数最高，分别为9，10，9组；Zn和Cu与全区相比显示出异常的分配态势，Zn从一个完全独立变量，变为显著相关组数最高(11组)的变量，其次为Cu，相关组数由3组增加到10组。

此外，由于河流西岸经济条件较好，城镇和工业相对发达，人类活动较东岸活跃，因此初步猜测人类活动的差异可能会对河流两岸元素相关性分配产生影响。首先对河流单侧样品点和对应区段河岸的同一元素进行相关性分析，再判断是东岸还是西岸对沿岸该元素的影响更为显著。具体分析结果如表1所示。由表1看出西岸除了Mo、Hg、Se和K外，其它元素和河流沿岸的相关性均好于东岸，总体均值也高于河流东岸，说明人类活动已经对两岸的元素相关性分配产生了差异性的影响。

表1 河流西岸、东岸与整个区段河岸元素相关系数对比Tab.1 Comparison of correlation coefficients between both sides and the bank of the whole section

由以上分析可知，河流作用对元素的相关性分配特征产生了显著的影响，导致元素之间的相关关系增强。从盆地区域元素分配到河流两岸元素分配，完全独立变量逐渐减少，显著相关变量和高度相关变量及其相关的组数明显增加，并形成了高度相关的两类元素群体(Ni，Cr，V和N，S有机质)，说明元素分配在完全独立变量—显著相关变量—高度相关变量这条关系线上呈现一种递进的变化。此外，两岸的人类活动也对这条关系线的递进趋势产生了叠加作用，人类活动强烈的区域对这条线的贡献值明显大于人类活动弱的区域。

3.2 河流作用对元素分配的集聚效应

河流在流动过程中，不断地对地壳表层的物质进行侵蚀、搬运和沉积，元素在水流作用下被混合并不断地沉积，因此初步推断河流实际上在元素的分配过程中产生了一种混匀和集聚作用。通过对表2的分析，可以清晰地得到对上述论断的验证。

由表2可以看出，河流沿岸20项元素指标中有14项的均值大于盆地均值，从均值上看，河流各元素质量分数相比于盆地区域总体上有集聚之势，除了As最为显著，两者比值超过2倍外，大部分元素均值比例在1.5以下，两者之比的平均也不过为1.15，说明河流作用尽管对元素分配有一定影响，但是对元素分配起主控作用的还是地质背景、成土母岩等宏观的地质原因；此外对比两者的中位数，河流沿岸20项元素指标中有13项的中位数大于盆地中位数，中位数之比的均值为1.14，数据表现和均值类似，整体上河流沿岸各元素质量分数整体高于盆地区域。以上两项统计参数相互印证了河流作用对大部分元素的分配具有一定集聚效应。

表2 河流沿岸和盆地区域地化元素分配特征比较Tab.2 Comparison of distribution of geochemical elements between both river sides and basin

注：河流沿岸均值、盆地均值的单位为：mg/kg。

从两者的Cv对比来看，河流沿岸20项指标元素中有14项的Cv低于盆地区域的Cv，整体上表现为数据分布趋向于集中和均匀，离散程度较低。通过上述分析基本断定河流作用对元素集聚和均化有着重要的影响。

3.3 沿岸人类活动和河流自然作用对元素再分配的叠加作用

为了进一步分析沿岸人类活动对地化元素分配影响的差异性，对河流东岸和河流西岸的地化数据进行抽样，并对两样本总体均值和两样本总体方差的差异性检验进行分析。如表3所示，河流两岸样本所代表的抽样总体均值差异性并不是很显著，除了Co,Mo,K具有显著差异外，其它指标元素并无显著性差异，虽然河流西岸样本的均值大部分高于河流东岸的样本均值，但是相差并不大，两者均值比值大都在0.9～1.1之间，说明受大的地质单元地化元素分配的影响，总体上均值差异性并不是很明显，抽样样本均值的差异体现了两岸人类农业、工业和生活等诸多活动强度的差异对元素再分配的影响。

表4是样本抽样总体方差的差异性检验，可以看出河流两侧的总体方差体现出一定的差异性，除了pH,S,As,K和Mo外，其它指标元素均出现了显著性差异。说明河流两侧人类活动强度的差异致使元素分配特征发生了变化。尽管在河流作用总体尺度上，河流自然作用弥合了元素离散化趋势，但是农业施肥、喷药，工业排放和生活废弃物等人类活动同时引入非自然作用产生的元素，在一定程度上加剧了某些元素质量分布的离散化。因此两岸元素分配总体方差呈现出显著性差异的趋势。

表3 河流两岸两样本总体均值差异性检验Tab.3 Diversity test of total average of each side

注：Z>Z0.025，P>0.05,总体均值无显著性差异;Z

表4 河流两岸两样本总体方差差异性检验Tab.4 Diversity test of total variance of each side

注：F>F单尾临界，P<0.05,总体方差具有显著性差异；F0.05,总体方差无显著性差异。

此外，以土壤化学参数pH为例，整个盆地尺度第四纪松散沉积物中pH均值为5.08，河流沿岸均值为5.13，表现为pH值升高的趋势。梅江河水pH均值为7.12，据调查河流两岸农田主要以复合肥和草木灰来改良土壤，受弱碱性河水和人类改良土壤的综合影响，沿河两岸土壤pH值相对于其它区域第四系沉积物中pH值升高是必然的。

部分元素沿河质量分数的变化情况也验证了沿岸人类活动和河流自然作用对元素再分配产生了叠加影响。从图1中可以看出，S元素在河流两岸分布曲线大致相似，说明河流自然作用对S元素分配分布起着主控作用；河流西岸95～130区段呈现一个明显的高值区间段，但在河流东岸却表现的不十分明显，说明受工业排放影响和人类生活影响，在河流西岸黏土砖厂及县城区域，S元素分配分布出现异常。Cr元素分配分布特征和S元素类似，只不过Cr元素受人类活动强度的影响比S元素更为明显。

注：x轴110～120段为黏土砖厂分布区域，120～145段为县城所在区域。图1 典型元素质量分数沿程分布Fig.1 Mass fraction distribution of typical elements along the river

4 结 论

河流作用是一种自然力量和人类活动的综合作用。这种作用对区域土壤元素的分配分布产生一定影响，主要表现在以下几个方面。

(1) 河流作用下元素之间的相关关系增强，盆地区域元素分配以及河流沿岸元素分配沿着完全独立变量—显著相关变量—高度相关变量这条关系上呈现一种递进的变化。此外，两岸人类活动强度的差异对这条关系线的递进趋势贡献值也不一样，人类活动强度大贡献值大，人类活动强度低贡献值小。

(2) 河流作用对地球化学元素的分配起到一种集聚和混匀效应，在河流作用下沿岸地球化学元素的均值和中位数总体上呈现出增加的趋势；变异系数明显降低，元素分配表现出匀化并向中央集中的趋势。但是这种趋势是有限的，成土母质和地质体背景依旧是地球化学元素分配的主控因素。

(3) 河流作用中自然力量和人为活动影响在地球化学元素分配影响上是一种叠加关系，河流的搬运、侵蚀和沉积等自然过程是影响地球化学元素分配的首要因素，人类活动强度的差异导致元素分配在河流自然作用的基础上产生再分配，是在原来分配基础上的叠加。两种力量共同作用，形成了河流沿岸元素分配的特有特征。

致 谢

感谢中国地质调查局土地质量工程-海西西岸经济区土地质量地球化学调查项目(DD20179303)组的全体成员野外辛勤工作，获取的调查数据。感谢国土资源部南昌地矿测试中心全体同志提供的高质量的数据分析结果。