云南典型地质高背景区土壤重金属含量特征及污染风险评价

肖高强，陈 杰，白 兵，李元彬，朱能刚

(1.云南省地质调查院，云南昆明650216；2.自然资源部三江成矿作用及资源勘查利用重点实验室，云南昆明650051)

0 引言

土壤是农业生产和人类赖以生活的重要物质基础，是人类食物和生态环境安全的重要保障，然而我国土壤环境问题日益凸显(Chen et al.,2015;Zhao et al.,2015)，其中重金属是农用地土壤的主要污染物。土壤中重金属来源一般分为人为来源和自然来源(胡省英等,2003;陈雅丽等,2019)。人为来源根据人类活动类型可分为工业源(如采选矿、冶炼、化工、工业燃煤、废渣等)、生活源(废水、废气、交通、生活垃圾、生活燃煤等)和农业源(农药、肥料、污水灌溉等)；自然来源以土壤母质为主，一般表现为对成土母岩矿物元素的继承和母岩风化成土过程中元素发生次生富集作用。中国地球化学图集(谢学锦等,2008,2012)、中国耕地地球化学调查报告(成杭新等,2019)均显示，四川、云南、贵州三省峨眉山玄武岩和碳酸盐岩分布区的水系沉积物和土壤中重金属元素超常富集，是我国重金属元素地球化学高背景的主要分布区，为典型的地质高背景区。另外一些研究(李丽辉等,2008;王宇等,2012;谢代兴等,2015;洪涛等,2019;周亚龙等,2019；Zhang et al.,2020a,2020b;秦元礼等,2020;唐瑞玲等,2020;张富贵等,2020;)也证实云南省土壤重金属地质高背景区主要为峨眉山玄武岩和碳酸盐岩分布区，峨眉山玄武岩分布区土壤具有较高的Cu、Cr、Ni等环境风险，碳酸盐岩分布区土壤具有较高的Cd、As、Cr、Cu等环境风险。此外，结合邻区一些研究成果(Peng et al.，2014；Liu et al.，2017；赵万伏等，2018；郭永严等，2019)及笔者近期开展的工作，云南省滇东、滇西北地区的黑色岩系(如二叠系宣威组、梁山组、黑泥哨组)和下三叠统碎屑岩地层(如飞仙关组、东川组、青天堡组)同样为土壤重金属地质高背景区，黑色岩系分布区土壤具有较高的Cd、As、Cu、Cr、Ni等环境风险，下三叠统碎屑岩地层分布区土壤具有较高的Cr、Ni等环境风险。

云南省鲁甸县小寨-龙头山地区峨眉山玄武岩、碳酸盐岩和下三叠统碎屑岩较为发育，为典型的地质高背景区。本研究是有关系统研究该区土壤中重金属含量特征，以评价土壤重金属污染风险，并重点探讨不同地质岩性对土壤重金属含量的影响，分析土壤重金属的来源。

1 采样与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省鲁甸县小寨-龙头山一带(图1)，面积155 km2。地势东北高西南低，两侧高中间低，为典型的山地河谷地貌，小寨河从东北至西南蜿蜒流过。区内属温旱河谷气候，年平均气温14.7℃，无霜期298 d，正常年份平均降雨量750 mm。区内土壤类型有紫色土、红壤、黄壤和黄棕壤，面积占比分别为38.9%、28.2%、23%和9.9%。土地利用类型主要有旱地、林地、草地、园地等，其中耕(园)地面积占比为53.8%，农业生产活动以种植玉米、花椒、樱桃、烤烟等为主。区内主要出露三叠系-奥陶系，其中石炭系地层缺失。按地层岩性可分为碳酸盐岩、不纯碳酸盐岩、碎屑岩、含煤碎屑岩和玄武岩五种(图1)，其中玄武岩和碎屑岩分布范围最广，面积占比分别为42.72%和40.8%，玄武岩以二叠系峨眉山玄武岩地层为主，碎屑岩以三叠系飞仙关组地层为主。

图1 云南鲁甸县表层土壤采样点位和地层岩性图Fig.1 Topsoil sampling sites and stratigraphical lithology in the Ludian County of Yunnan Province1-碳酸盐岩；2-不纯碳酸盐岩；3-碎屑岩；4-含煤碎屑岩；5-玄武岩；6-表层土壤采样位置1-carbonate rock；2-impure carbonate rock；3-clastic rock；4-coal-bearing clastic rock；5-basalt；6-topsoil sampling site

1.2 样品采集与分析测试

所有样品的采集和加工严格按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295 2016)的要求进行。表层土壤采用地理格网和全国第二次土地利用调查图斑相结合的样点布设方案，本次共采集表层土壤样品1406件，平均采样密度为9.1点/km2，采样深度为0～20 cm，在同一种植结构内，以GPS实际定位点为中心，在20～50 m范围内向四周辐射3～5个分样点，等份组合成一个混合样品，每件土壤样品原始重量大于1 kg。采集的样品经充分阴干，阴干后用木锤碾细，过10目(孔径为2 mm)的尼龙筛，采用混匀缩分法称取200 g过筛样品储存于纸质样品中送实验室分析。

1.3 土壤重金属污染风险评价法

(1)单因子评价法

依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的筛选值Si和管控值Gi，基于表层土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb的含量Ci，评价农用地土壤污染的风险，并将其土壤环境质量等级分为三类(李嘉蕊,2019)：

I类：Ci≤Si，农用地土壤污染风险低，可忽略，可划为无风险类；

II类：Si

III类：Ci>Gi，农用地土壤存在较高污染风险，可划为风险较高类。

依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的Cu、Ni、Zn的筛选值Si，评价农用地土壤污染的风险，并将其土壤环境质量类别分为两类(李嘉蕊,2019)：

I类：Ci≤Si，农用地土壤污染风险低，可忽略，可划为无风险类；

设计KPI应该从上到下，明确分工高层管理人员的职责，能够确保工程企业的大框架是有序的。[5]由最高决策者对主要部门管理人员进行直接考核，更加有效完成绩效考核，让每个部门、每个工作岗位以及每个员工之间的工作目标更加清楚，不存在抢攻或者重复的情况。考核制度必须要公式，安排专门的人员监督落实，对每个阶段进行分批次考核，积极鼓励员工完成各项绩效指标。一般来说，考评主要分为四个档次，分别是合格、不合格、良好和优秀，分别进行各个档次的奖惩，考核指标应客观，以事实为主要依据的原则，公平公开的充分体现出所有员工的实际工作情况。

II类：Ci>Si，可能存在农用地土壤污染风险，可划为风险可控类。

(2)多因子综合评价

多因子综合评价以8个重金属单因子评价结果的最差类别来确定，如某一土壤样品As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Ni、Zn单因子评价等级分别为I类、III类、I类、I类、II类、I类、I类、I类，那么多因子综合评价等级则为III类。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属地球化学特征

研究区表层土壤重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)各项指标统计结果见表1。可能主要受成土母岩中重金属含量差异的影响，研究区土壤重金属除Zn变异系数为22.8%，属中度变异外(张仁铎,2005)，其余重金属元素变异系数均大于35%，属高度变异，尤以As、Hg变异系数最大，其值分别为135.2%和158.3%。土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn几何平均含量(×10-6)分别为3.34、0.36、131、117、0.04、52.7、25.0和112，与云南省土壤背景值(中国环境监测总站,1990)相比，Cu、Cr、Cd、Zn、Ni含量相对较高，分别为云南省土壤背景值的2.54、2、1.64、1.25和1.24倍，As、Pb、Hg含量则低于云南省土壤背景值。从富集的元素地球化学特征看，主要为一套与基性岩有关的元素组合，这与区内大量分布的玄武岩是吻合的。研究区土壤pH值在4.28～8.46之间，平均值为6.07，土壤样品多呈酸性，而pH是影响重金属迁移的重要参数(Wen et al.,2020)。因此，研究区土壤中多种重金属含量较高，且以酸性土壤为主，可能具一定生态环境风险。

不同成土母质土壤重金属各项指标统计结果见表1和图2。碳酸盐岩土壤相对富集As、Hg、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn，其中Cd、Hg、Pb、Ni含量为全区最高，但相对云南广南(洪涛等,2019)和广西横县(马宏宏等,2020)地区碳酸盐岩而言，除Cu含量较高外，其他重金属含量均较低，表明研究区内碳酸盐岩土壤可能不同程度受到玄武岩岩浆活动影响；不纯碳酸盐岩土壤相对富集As、Pb、Hg、Cd，其中As含量为全区最高；碎屑岩地层主要为三叠系飞仙关组(T1f)，其土壤相对富集Cr、Ni，其中Cr含量为全区最高，已有研究(张衡等,2019;张英利等,2016)表明飞仙关组岩石重矿物中发现有大量碎屑铬尖晶石，物质来源于晚二叠世峨眉山高钛玄武岩，可见土壤高Cr、Ni含量与岩石中存在的碎屑铬尖晶石有关；含煤碎屑岩地层主要为二叠系梁山组(P1l)和宣威组(P2x)，出露面积较小，其土壤相对富集Cu、Cd、Zn、Hg、Ni，但富集程度相对不高；玄武岩地层主要为二叠系峨眉山玄武岩，其土壤相对富集Cu、Hg、Zn、Cd，其中Cu含量为全区最高，而相对浙江盱眙(Wu et al.,2021)地区玄武岩而言，具有较高的Cu、Cd、Hg含量和较低的Cr、Ni含量。相对云南省土壤背景值(中国环境监测总站,1990)而言，碳酸盐岩土壤明显富集Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn；不纯碳酸盐岩土壤明显富集Cd、Cr、Hg、Cu；碎屑岩土壤明显富集Cr、Cu、Ni、Cd；含煤碎屑岩土壤明显富集Cu、Cr、Cd、Ni、Zn；玄武岩土壤明显富集Cu、Cd、Zn、Cr。由此可见，研究区土壤重金属含量明显受成土母质影响，且碳酸盐岩和碎屑岩土壤均不同程度受到玄武岩岩浆活动影响。

表1 全区及不同成土母质土壤重金属各项指标统计结果(含量：×10-6)

图2 不同成土母质土壤重金属含量变化特征图Fig.2 Variation characteristics of heavy metal contents in soils with different parent materials

2.2 土壤重金属污染风险评价

研究区土壤重金属污染风险评价结果见图3。由图可知，区内土壤重金属综合评价等级以风险可控为主，样品数比例高达92.39%，可能存在农产品质量安全或土壤生态环境等风险，应加强土壤环境和农产品协同监测，而无风险和风险可控比例较低，分别仅为6.90%和0.71%。结合单因子污染风险评价结果看，区内土壤重金属污染风险较高的元素主要为Cd、Cu，污染风险评价等级均以风险可控为主，其次为Cr、Ni、Pb，而As、Zn仅存在零星污染风险，Hg无污染风险。

图3 土壤重金属污染风险评价等级图Fig.3 Risk assessment grades of soil heavy metal pollution

由图4可知，碳酸盐岩、不纯碳酸盐岩、碎屑岩、含煤碎屑岩、玄武岩土壤重金属综合污染风险评价等级均以风险可控为主，样品数比例分别为91.57%、70%、87.44%、96.51%和99.65%。结合单因子污染风险评价结果看，碳酸盐岩土壤重金属污染风险较高的元素主要为Cd、Cu、Cr、Ni，其次为Pb；不纯碳酸盐岩土壤重金属污染风险较高的元素主要为Cd、Cu，而As、Cr、Pb、Zn、Ni仅于局部地区存在污染风险；碎屑岩土壤重金属污染风险较高的元素主要为Cr、Cu、Cd、Ni，而As，Pb仅存在零星污染风险；含煤碎屑岩土壤重金属污染风险较高的元素主要为Cu、Cd、Cr、Ni，而As，Pb、Zn仅存在零星污染风险；玄武岩土壤重金属污染风险较高的元素主要为Cu、Cd，而Ni、Cr、Pb仅于局部地区存在污染风险。可见，不同成土母质土壤富集元素较为复杂，但基本上以Cu、Cd、Cr、Ni为主。结合地层时代看，二叠纪火山活动作为一次大的地质事件，势必影响其上下地层，造成相应地层岩石超常富集Cu、Cr、Ni、Cd等元素。

图4 不同成土母质土壤重金属污染风险评价等级图Fig.4 Risk assessment grades of heavy metal pollution in soils with different parent materials

2.3 土壤重金属来源分析

2.3.1 空间分析

研究区土壤重金属空间分布如图5所示。土壤重金属空间分布明显受成土母质影响，各元素高含量区分布形态主要呈面状，且与不同成土母质在空间位置上高度吻合，应为典型的地质高背景。As与Pb、Cd与Hg、Cr与Ni、Cu与Zn空间分布较为相似，As、Pb高含量区主要沿碳酸盐岩、不纯碳酸盐岩和研究区北西部的玄武岩地段分布；Cd、Hg高含量区主要沿研究区南部的碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩分布；Cr、Ni高含量区主要沿碎屑岩和碳酸盐岩分布；Cu、Zn高含量区主要沿玄武岩和含煤碎屑岩分布，此外Zn高含量区还沿碳酸盐岩分布。

2.3.2 主成分分析

主成分分析能够很好地辨别土壤重金属污染来源(陈雅丽等,2019)。利用SPSS软件，采用Kaiser标准化的正交旋转法，按主成分特征值大于1共提取3个主成分，其结果见图6。解释的总方差累计贡献为74.6%，其中第一主成分因子F1解释了约32.9%的

图5 土壤重金属空间分布Fig.5 Spatial distribution of heavy metals in soil

整体变量，As、Hg和Pb在主成分因子F1上具有较高载荷。尽管大量研究(Facchinelli et al.,2001;Dong et al.,2018;Li and Jia,2018)结果表明，西南地区土壤中As、Pb、Hg的主要来源为工业排放、燃煤与农业活动，但研究区内工业不发达，居民点分布相对分散，进一步结合F1因子得分等值线图(图7)看，高含量区与碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩在空间位置上高度吻合。李丽辉和王宝禄(2008)和王宇等(2012)的研究表明云南省碳酸盐岩地区土壤明显富集As、Cd，因此研究区碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩土壤具有高的As、Pb、Hg含量，可能主要为成土母岩中重金属含量高及其在风化成土过程中二次富集导致，为自然来源；第二主成分因子F2解释了约27.3%的整体变量，Cr和Ni在主成分因子F2上具有较高载荷，Cr和Ni同为铁族元素，易与土壤内氧化物结合，与成土母质关系密切。李娇等(2019) 、韩琳和徐夕博(2020)在研究中也证实了Cr和Ni在土壤中主要受控于地质背景。进一步结合F2因子得分等值线图(图7)看，高含量区与碎屑岩和碳酸盐岩在空间位置上高度吻合，因此可将F2因子归为自然源；同时，滇东一带有大量的农用地成土母质为飞仙关组(T1f)砂、页岩，而该地层土壤超常富集Cr和Ni，因此应重点关注该地层农产品的安全性问题；第三主成分因子F3解释了约14.4%的整体变量，Cu、Zn和Cd在主成分因子F3上具有较高载荷，尽管一些研究(Chen et al.,1991;陈雅丽等,2019;Peng et al.,2019)表明Cu和Zn主要受农业活动(如肥料、农药、灌溉等)、工业活动(降尘)以及交通排放的影响，但结合研究区Cu、Zn、Cd空间分布和F3因子得分等值线图(图7)看，三者高含量区与玄武岩和碳酸盐岩在空间位置上高度吻合，Mikkonen et al.(2018)的研究结果表明玄武岩具有较高的Cu、Zn含量，而Cd与Zn具有相似的地球化学行为，二者具有密切的共生关系(刘英俊等,1984)，因此F3因子也可能为自然源，可能主要与峨眉山玄武岩高含量有关。

图6 土壤重金属旋转因子载荷图Fig.6 Rotation factor loading diagram of heavy metals in soil

图7 主成分因子得分等值线图Fig.7 Contours of scores of principal component factors

3 结论

(1)表层土壤中Cu、Cr、Cd、Zn、Ni含量相对较高，分别为云南省土壤背景值的2.54、2、1.64、1.25和1.24倍，而As、Pb、Hg含量低于云南省土壤背景值。从富集的元素地球化学特征看，可能主要受玄武岩岩浆活动影响。

(2)表层土壤重金属含量明显受成土母质影响，碳酸盐岩土壤明显富集Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn；不纯碳酸盐岩土壤明显富集Cd、Cr、Hg、Cu；飞仙关组碎屑岩土壤明显富集Cr、Cu、Ni、Cd；含煤碎屑岩土壤明显富集Cu、Cr、Cd、Ni、Zn；玄武岩土壤明显富集Cu、Cd、Zn、Cr，进一步证实上述地层岩性为云南省典型的地质高背景区。

(3)表层土壤重金属综合评价等级以风险可控为主，碳酸盐岩、飞仙关组碎屑岩和玄武岩土壤中污染风险较高的元素以Cd、Cu、Cr、Ni为主，明显受峨眉山玄武岩火山活动事件影响。

(4)主成分和空间分析结果显示，土壤重金属空间分布明显受成土母质影响，As、Pb、Hg可能主要为碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩中重金属含量高及其在风化成土过程中二次富集导致；Cr和Ni可能主要为飞仙关组(T1f)碎屑岩中含有大量的铬尖晶石导致；Cu、Zn、Cd可能与峨眉山玄武岩中高含量有关，均为自然源。

[附中文参考文献]

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