土壤元素異常成因研究及生態風險評價

胡省英, 黃 丹, 鄧凱文, 楊 力, 李 迪

（北京市地質勘察技術院，北京102218）

土壤元素異常成因研究及生態風險評價

胡省英, 黃 丹, 鄧凱文, 楊 力, 李 迪

（北京市地質勘察技術院，北京102218）

山區巖石與水系沉積物，對山前平原土壤物質組成具有控制作用。土壤地球化學調查，查明北京某地區土壤存在著大面積同心圓狀的鎘、銅、鉛等多金屬元素異常。研究表明，西北側山區分布著種類繁多的巖漿巖、變質與沉積巖，但與山前土壤具有高度正相關的元素組合特征的主要是燕山期中酸性巖漿雜巖體，而且雜巖體周邊及其下游的BY溝水系沉積物中的多金屬元素也呈現出明顯的高背景含量特征。同時，鉛同位素組成亦指示山前平原土壤鉛與山區巖漿巖鉛、沉積巖鉛具有一致的物質來源，從而證實山前土壤多金屬元素異常主要來源于山區巖漿雜巖體。由于山前平原土壤呈現為堿性且農田僅種植旱地作物，故富含多金屬的土壤對農作物生長的生態風險程度低下。

元素異常；土壤；巖石；水系沉積物；鉛同位素；生態風險

0 前言

山前平原土壤元素的空間分布與廣大平原區明顯不同，更多地反映出山區巖石與水系沉積物的地球化學特征，亦即山前平原土壤與水系沉積物、巖石之間存在著密切的因果關系。據近十幾年對北京市平原區開展的1/25萬與1/5萬土壤地球化學調查成果（北京市地質礦產勘查開發局等，2005；北京市地質礦產勘查開發局等，2012），北京某地區平原土壤存在著呈同心橢圓狀的Cd、Cu、Pb、Zn、Ag等多金屬元素異常區，與此相應的是，西北部山區的部分巖石與水系沉積物中也存在著多金屬元素異常。因此查明該地區土壤元素異常成因及生態風險顯得十分必要。

1 地理地質概況

研究區地處北京西北部的山前沖洪積扇地區，地面平坦，地勢略呈西高東低，第四系松散沉積物厚度起伏變化較大。西北2km處即為陡峭的山區，山區有BY溝、XLK溝、XT溝等山溝直達平原區，溝內有地表水。土地利用以園地、林地為主，大量種植蘋果、桃、玉米等旱地農作物；少量荒地，土壤大多含有礫石。山區則主要為林地、園地、牧草地。

研究區及其西北部山區在地質構造上屬燕山臺褶帶，主要出露太古界片麻巖、元古界長城系與薊縣系沉積巖，少量中生界侏羅系與侏羅—白堊系。受中生代燕山期構造運動的影響，山區巖漿活動發育，巖性主要為石英閃長巖、石英二長巖、花崗巖、安山巖、流紋巖等中酸性巖漿巖。山區巖漿雜巖體及周邊圍巖中普遍遭受銅鉬礦化。

2 平原區土壤多金屬元素分布特征

圖1 土壤多金屬元素綜合異常圖Fig.1 Soil multi metal elements comprehensive Anomaly map

土壤調查表明，Cd、Ag、Cu、Mo、Pb、Zn等多金屬成礦元素在研究區土壤中呈現為高背景，其元素背景值明顯高于全市平原區背景值（表1）。為突出異常濃集中心，以“全市平原區+6倍標準離差”之和繪制多金屬元素綜合異常圖（圖1），可見這些元素的異常吻合程度高，略呈北西-南東向，金屬元素異常面積幾乎都達到24 km2以上。在異常濃集中心，不僅表層土壤多金屬元素含量普遍達到全市平原區背景值1.5倍以上，而且在7.5m深處仍然達到1.2倍以上（北京市地質礦產勘查開發局等，2015），表明該類異常屬于自然源成因。

為查明土壤多金屬元素異常成因與生態風險程度，在山前平原區采集了30件蘋果及其根系土樣品；在西北側沿BY溝、XLK溝與XL溝等3條山溝，大致以1km左右的間距采集了40件山谷兩側的Ⅰ級水系沉積物，少量開闊地帶采集Ⅱ級水系沉積物；另采集了30件具有一定規模的巖漿巖、變質巖與沉積巖的新鮮巖石露頭樣品。各類樣品分析了Cd、Cu等多金屬元素含量，采樣點位及區域地質概況（鮑亦岡等，2001）見圖2。

表1 土壤元素背景值及高含量樣本量占比Tab.1 The element background values of soil and high content sample proportion

圖2 區域地質及采樣點位置圖Fig.2 Regional geology and sampling point map

3 山區水系沉積物多金屬元素含量特征

3.1 元素在不同巖性分布區的差異

按照40件水系沉積物樣品所處的巖性分布區進行元素含量統計，元素含量均值見表2。四片巖性分布區中，以中酸性巖漿雜巖體分布區的水系沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、As、Sb、Mo、Ag等多金屬元素含量為最高，是其它三類巖性區的2～15倍，其中以Ag元素的倍數為最高，其次為Cd、Mo元素，表明雜巖體中富含多金屬元素，該特征與20世紀80年代1∶20萬水系沉積物調查（北京市地質礦產局物化探隊，1991）項目中查明的該巖漿雜巖體中賦存著多金屬礦化的結論相一致。其它三類巖性分布區水系沉積物中的多金屬元素含量相差不顯著。因此，中酸性巖漿雜巖體對周邊水系沉積物中多金屬元素含量的貢獻突出。

表2 水系沉積物元素含量均值（單位：μg/g）Tab.2 Mean values of element content in stream sediments（units: μg/g）

表3 水系沉積物元素間的相關系數矩陣Tab.3 Correlation coeffcient matrix between elements in stream sediments

表4 河谷水系沉積物元素平均含量對比（單位：μg/g）Tab.4 Comparison of element average content in stream sediments (Units: μg/g)

3.2 元素間的相關性

對40件水系沉積物多金屬元素進行相關性分析（ 表3），Cd、Pb、Ag、Cu、Zn、Mo、As、Sb等多金屬元素之間具有良好—極好的正相關性，相關系數為0.43～0.96，其中高于0.9的元素對有Cu-Cd、Cu-Mo、Cu-Ag、Cu-Sb等9對，表明這些元素之間關系十分密切，具有地球化學共生組合特征，在地質歷史演化過程中，它們共同富集與貧化，為山前平原區土壤的形成提供了同源的物質組分。

3.3 河谷水系沉積物元素含量對比

受山勢影響，研究區西部山區的3條河谷基本平行分布，河流均由北西流向南東方向。對溝口上游約5km范圍內近平原地段內的23件水系沉積物樣品元素含量進行平均值統計與對比，結果見表4。

很明顯，3條河谷水系沉積物的金屬元素含量存在著差異，以BY溝近平原段的各項元素含量為最高；相反，XT溝近平原段的各元素含量為最低。從研究區土壤元素綜合異常圖可知，土壤多金屬元素異常主要與白羊溝相接，元素含量呈現為高背景；而與XLK溝、XT溝相交接的土壤多金屬元素含量則趨于背景或略低于背景分布。可見，不同河谷水系沉積物影響著山前平原土壤元素的分布特征。

4 山區巖石多金屬元素含量特征

對所采的30件巖石樣按照巖石類型分別計算化學元素含量平均值（表5）。Cd、Cu、Mo元素在中酸性巖漿雜巖體中的平均含量為最高，是其它巖類的1.5倍以上；Pb、Zn元素也具有較高的平均含量，與花崗巖、片麻巖類巖石同屬一個數量級。相反，As、Sb元素的平均含量在各類巖石中差別不顯著。即中酸性巖漿雜巖體中Cd、Cu、Mo元素的極高含量與雜巖體中存在的斑巖銅鉬礦化特點相吻合，該雜巖體也是距山前平原最近的巖漿巖體。

表5 西北部山區巖石多金屬元素平均含量(單位：μg/g)Tab.5 Average content of multi metal elements in rock of the northwest mountain area (Units: μg/g)

燕山期巖漿演化由早中期至晚期具有典型的由中性巖漿來源向較酸性富堿巖石分異演化的完整過程（北京市地質礦產局，1991），隨著巖漿演化酸度堿度的增高，多金屬成礦元素含量下降，即燕山早中期巖漿巖中的多金屬元素含量顯著高于燕山晚期。本地區的巖漿雜巖體屬于燕山中期的中酸性侵入巖，與長城系高于莊組碳酸鹽巖地層相接觸時，熱液蝕變強烈，導致碳酸鹽巖的矽卡巖化、大理巖化，從而使巖體及周邊圍巖構造裂隙發育處常有熱液蝕變型銅鉬礦化現象。另外，花崗巖體屬于燕山晚期黑山坨花崗巖單元與大石坡正長巖單元，花崗巖的同化混染作用與接觸變質作用明顯弱于燕山早中期，因而多金屬元素含量相對偏低。

5 鉛同位素在元素異常成因研究中的應用

鉛有4種同位素，分別是204Pb、206Pb、207Pb、208Pb，其中204Pb含量穩定，后三種是放射成因的，是由238U、235U、232Th經一系列衰變的最終產物。鉛同位素在自然界中由于其質量重，同位素間原子質量相對差別很小，因而外界條件的變化對其組成的影響很小，在次生環境中幾乎不發生分餾作用，其組成能夠指示物質形成時的初始狀態，已被廣泛應用于異常成因研究中（路遠發等，2005）。

5.1 鉛同位素組成

選擇了20件平原區蘋果根系土與20件山區巖石樣品進行了鉛同位素的測定，平均值見表6。結果表明：沉積巖類巖石不僅具有較高的206Pb/204Pb與208Pb/204Pb，而且其變化幅度明顯高于巖漿巖、片麻巖類巖石。土壤鉛同位素組成非常接近，且三組鉛同位素比值的分布范圍介于沉積巖鉛與巖漿巖、變質巖鉛之間。

表6 平原區土壤與山區巖石鉛同位素組成平均值Tab.6 Average value of lead isotopic composition of rock and soil in study area

5.2 鉛同位素組成間的關系

圖3206Pb/208Pb與206Pb/207Pb的關系Fig.3 The relationship of206Pb/208Pb and206Pb/207Pb

圖4206Pb/207Pb與208Pb/（206Pb+207Pb）的關系Fig.4 The relationship of206Pb/207Pb and208Pb/（206Pb+207Pb）

圖3是206Pb/208Pb與206Pb/207Pb的關系圖，圖4是206Pb/207Pb與208Pb/（206Pb+207Pb）的關系圖。中酸性巖漿雜巖體、花崗巖體同屬于燕山期八達嶺巖漿雜巖帶，鉛同位素的投影點非常集中，反映出它們具有相同的物質來源。很明顯，圖3中巖石與土壤鉛同位素的分布具有近乎一致的斜率，即208Pb與207Pb含量同步增減，呈正相關。圖3與圖4中土壤鉛同位素的各投影點集中且分布呈直線狀，反映土壤鉛的來源一致；而且土壤鉛位于巖漿巖鉛與沉積巖鉛之間的區域內，反映出土壤與巖漿巖、沉積巖的關系密切，即土壤鉛的來源不僅受到了巖漿巖鉛的制約，而且疊加了沉積巖鉛，這與研究區西北側山區主要分布巖漿巖、沉積巖的地質特征相一致。變質巖鉛同位素投影點緊鄰巖漿巖區域下方，反映出變質巖與巖漿巖具有成因上的聯系。沉積巖鉛的投影點分散，反映出其沉積環境存在較大的差異。

6 土壤生態風險評價

6.1 潛在生態風險

應用瑞典科學家Hakanson 1980年根據沉積學原理提出的潛在生態危害指數法來評價土壤生態風險程度（武永鋒等，2007；劉文清等，2016）。重金屬的潛在生態危害系數計算公式如下：

式中：Ci、C0、Ti分別為第i 種重金屬濃度的實測值、參比值和毒性系數；Ei為某種重金屬潛在生態危害系數，RI為多種重金屬潛在生態危害系數。毒性響應系數Ti反映重金屬毒性水平及土壤對重金屬污染的敏感程度，據Hakanson，取Hg=40，Cd=30，As=10，Cu、Pb、Ni=5，Cr=2，Zn=1。

表7 單一重金屬(Ei)和多金屬(RI)元素潛在生態危害系數的分級標準Tab.7 Grading standard of potential ecological risk factors of single heavy metal (Ei) and multi metal (RI) elements

根據Ei 和RI 值，將土壤（沉積物）的潛在生態危害狀況進行分級，見表7。

研究區土壤Hg、Cr、Ni等3項重金屬元素背景值低于北京市平原區背景值，基本不具有生態危害性；Pb、Cu、Zn、As元素背景值雖然高于北京市平原區土壤元素背景值，但Zn、As元素的生態危害指數Ei值都低于30，Pb元素僅有2件（占總樣本量的0.4%）樣品的Ei值高于30，故區域性生態危害性輕微；Cu元素有26件（占總樣本量的5%）樣品的Ei值高于30，鑒于97%樣品的Cu元素含量符合我國GB15618-1995二級環境質量標準，本地區土壤Cu元素基本可視為植物生長的有益元素。即流村土壤可能具有生態危害性的主要為Cd元素。

土壤Cd元素的潛在生態風險見圖5。潛在生態風險程度與元素異常的強度相吻合，異常強度高、環境質量差的地區則生態風險程度相應高。具有極強與很強危害的地區位于研究區中南部的局部地區，面積共9.14km2，占工區總面積的8.3%，種植有蘋果、桃等果樹，值得密切關注。具有較強危害的地區位于研究區中南部，面積為25.58km2，占工區土壤總面積的23.1%，土地利用主要為園地，種植有蘋果、桃、玉米等旱地作物。其余75.85 km2（占工區總面積的68.6%）的廣大地區屬于中等與輕微危害的地區，土壤利用以村莊為主，分布著少量果園，潛在生態風險較低，土壤環境較為安全。

圖5 土壤鎘元素潛在生態風險評價圖Fig.5 Potential ecological risk assessment of cadmium in the soil

6.2 鎘元素的生物有效性

對研究區蘋果中的鎘等重金屬元素含量采用《食品中污染物限量（GB2762-2005）》進行安全性評價，測試結果全部符合限量標準。

生物富集系數是生物體中元素含量與土壤元素含量的百分比，它反映了作物從土壤中吸收元素的富集能力。比值≥1%表明富集能力較強，＜0.01%則很弱。研究區30件蘋果樣品的Cd元素對土壤根系土的富集系數為0.04%～1.53%，平均值為0.32%，表明蘋果對土壤Cd元素具有中等富集能力。

眾所周知，鎘及其化合物均有一定的毒性。20世紀60年代日本神通川流域居民的“痛痛病”世人皆知，是因為三菱公司在上游開采鉛鋅礦帶來稻田灌溉污染，當地土壤Cd含量變幅為0.46～4.85μg/ g，平均值為1.12μg/g，大米Cd為0.25～4.23μg/ g，平均值為0.99μg/g，由于土壤pH值為5左右，屬于酸性土壤，使土壤Cd的有效性高達4%。土壤酸化會促使土壤重金屬元素形態向活性形態轉化，尤其對水溶態、交換態、鐵錳氧化物結合態重金屬影響極大（楊忠芳等，2005），從而促使稻米對土壤鎘元素具有強富集能力。

研究區土壤Cd元素含量變幅為0.085～4.55μg/ g，平均值為0.346μg/g。與日本神通川流域存在著如下差異：其一，雖然本研究區土壤Cd變幅與日本神通川流域相近，但平均值遠遠偏低；其二，研究區土壤呈堿性，pH背景值為8.51，而日本神通川流域為酸性土壤；其三，研究區種植蘋果等旱地農作物，而日本神通川流域種植水稻等水田作物。另外，研究區土壤還含有大量的Zn元素，Zn對Cd的競爭性降低了Cd元素的生物可利用性，使蘋果對土壤Cd元素的生物有效性低下，遠遠低于日本神通川流域稻米4%的生物富集能力，因此，研究區土壤鎘元素的高含量并未對蘋果等農作物的安全性構成威脅。

7 結論

巖石與水系沉積物中的多金屬元素分布及鉛同位素證據表明，研究區山前平原土壤中的多金屬元素主要來自于西北側山區具有多金屬礦化的中酸性巖漿雜巖體，該雜巖體及周邊圍巖與水系沉積物中的銅、鉬、鎘等多金屬元素顯著富集，風化產物沿BY溝順流而下，至山前平原區堆積，導致土壤多金屬元素呈現異常。雖然研究區土壤多金屬元素含量高，但因土壤呈堿性以及鋅對鎘元素的拮抗作用，導致蘋果等旱地作物對鎘元素的生物富集能力較低，因而研究區農作物仍然屬于安全農產品。

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The Element Abnormal Genetic Research of soil and Its Ecological Risk Assessment

HU Shengying, HUANG Dan, DENG Kaiwen, YANG Li, LI Di
(Beijing Institute of Geo-exploration and Technology, Beijing 102218)

Soil materials in piedmont plain are controlled by rocks and stream sediments in mountain areas. Soil geochemical survey shows that there are wide ranges of concentric circle of multi metal element abnormality such as Cd, Cu, Pb and so on in a region of Beijing, where the magmatic rocks, sedimentary rocks and metamorphic rocks are wide distributed. Of them, the Yanshanian intermediate acidic magmatic complexes’ elements are high positively correlated with piedmont plain soil. There are high content characteristics of multi-elements obviously in stream sediments of the magmatic complexes and its downstream sediments of Baiyang valley. Lead isotope composition supports that lead in soil has consistent source of material with lead in mountain magmatic and sedimentary rocks. So it is proved that the multi metal element abnormalities in piedmont plain are mainly derived from magmatic complexes. Because of the alkaline soil and cultivated land crops, the ecological risk of multi-metal elements soil in piedmont plain to the growth of crops is low.

Element abnormality; Soil; Rock; River sediment; Lead isotope; Ecological risk

S153；S662.1

A

1007-1903（2016）04-0059-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.011

基金課題：中心城區和昌平—馬池口地區土壤重金屬賦存形態研究(京地[2014]36號)

胡省英（1962- ），女，高工，主要從事土壤、巖石地球化學研究工作。E-mail：hushengyingbj@163.com