大兴安岭是我国重要的生态功能区, 也是敏感的生态脆弱区, 同时大兴安岭山区是我国纬度最高的冻土区。近年来, 国外学者以地球化学视角研究高纬度冻土地区的土壤问题, 例如土壤中微量元素的浓度^{[1, 2]}、土壤中的重金属污染^{[3, 4, 5]}、人类活动对土壤的影响^[6]、气候变化引起冻土融化从而导致土壤中有机质发生变动^[7]等。而国内对于大兴安岭冻土区土壤的研究主要侧重于土壤中的微生物和真菌群落^{[8, 9, 10, 11]}、土壤中的温室气体^{[12, 13]}以及土壤对植被生长的影响^{[14, 15]}等方面, 而从地球化学视角分析土壤中化学元素分布的研究较少。本文依托大兴安岭山区生态地质调查项目^[16], 在大兴安岭地区开展生态地球化学调查, 重点研究了大兴安岭北段松岭区土壤中化学元素的空间分布模式, 为区域生态保护与修复提供基础支撑。

研究区位于黑龙江省大兴安岭松岭区, 处于大兴安岭北段, 属于高纬度寒温带湿润区, 夏短冬长, 结冰期一般在7个月左右, 根据加格达奇气象局日气温统计数据, 计算得出2000— 2019年平均气温为0.23 ℃, 最低气温为-35.2 ℃。降雨期主要集中在7— 9月, 年平均降雨量约460 mm。

区内主要出露晚三叠世— 早侏罗世混合花岗岩、中侏罗世二长花岗岩和花岗闪长岩、早白垩世正长花岗岩、二长花岗岩、花岗斑岩、花岗闪长岩等, 零星分布早志留世— 中泥盆世泥鳅河组大理岩、晚侏罗世玛尼吐组英安岩与英安质凝灰岩以及第四纪松散堆积物^[17](图1(a))。

研究区土壤类型主要以暗棕壤和棕壤为主, 伴有少量沼泽土和草甸土^[18]。植被以针阔混交林为主, 优势树种为兴安落叶松, 次优势树种为白桦和蒙古栎, 低矮草本植物主要以小叶章为主^[19]。

图1

Fig.1

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	图1 研究区地质简图(a)与土壤类型分布图(b)Fig.1 Geological sketch(a) and soil type distribution (b) in the study area

根据大兴安岭生态地质调查的工作要求以及多目标区域地球化学调查规范^[20], 结合松岭区的自然地理条件, 通过试验确定对森林、沼泽生态系统地质调查样品采集的具体方法。在研究区范围内每1 km²采集1个表层土壤样品, 采样深度0~20 cm, 样品质量1 kg, 共采集284件。每4 km²采集1个深层土壤样品, 采样层位为C层(成土母质层)土壤, 采样深度45~150 cm, 共采集72件(图1(b))。土壤样品为多点组合采集, 样品风干后按实际采样点数送样测试。在样品采集过程中, 尽量避开农田、河边、道路等人为干扰较为严重的区域。

本研究分析测试了19项土壤样品的组分指标, 测试工作由黑龙江省地质矿产实验测试研究中心完成。SiO₂、K₂O、P、Pb、Cl、Br、CaO、Zn、Na₂O由 X射线荧光光谱法(XRF)测定; Ni由电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定; Cd由电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定; As、Hg由原子荧光法(AFS)测定; F由离子选择性电极(ISE)和玻璃电极法测定; I由光度法(COL)测定; N和有机质由容量法(VOL)测定; S和全C由高频燃烧-红外吸收光谱法测定。各元素分析数据的准确度和精密度均满足《DZ/T 0258— 2014多目标区域地球化学调查规范(1∶ 250 000)》^[20]的质量要求, 分析结果可信。

对土壤样品数据进行分析处理, 本研究采用X± 3S为临界值, 剔除异点。计算剔除后的土壤中各组分的最大值、最小值、中位数、平均值、标准离差、变异系数等地球化学参数特征见表1。从变异程度看, 研究区表层土壤中Cl、F、Ni、Pb、Zn、SiO₂、CaO、K₂O的变异系数小于25%, 呈弱变异性; As、Cd、Hg、I、N、P、S、Na₂O、全C的变异系数为25%~50%, 呈中度变异性; Br的变异系数为51%, 呈高度变异性。研究区深层土壤中Cl、F、Pb、SiO₂、CaO、K₂O的变异系数小于25%, 呈弱变异性; As、Br、Cd、Hg、I、N、Ni、P、S、Zn、Na₂O的变异系数在25%~50%, 呈中度变异性; 全C和有机质的变异系数在50%~75%, 呈高度变异性。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 土壤样品地球化学参数特征 Tab.1 Geochemical parameter characteristics of the soil samples 元素 表层土壤含量特征 深层土壤含量特征 中国 土壤 丰度[21] 样品数 最大值 最小值 中位数 平均值 标准 离差 变异 系数 样品数 最大值 最小值 中位数 平均值 标准 离差 变异 系数 As 283 11.00 1.80 6.10 6.03 1.67 28.00 72 12.30 1.40 5.95 6.08 2.25 37.10 11.40 Br 263 12.20 1.00 3.80 4.54 2.33 51.40 70 6.50 0.70 2.60 2.85 1.29 45.20 6.30 Cd 267 0.13 0.02 0.06 0.06 0.02 40.70 67 0.01 0.02 0.04 0.04 0.02 42.40 0.08 Cl 263 125.00 38.00 69.00 71.80 17.10 23.70 68 80.00 32.00 48.00 50.20 10.30 20.40 47.00 F 272 625.00 255.00 421.00 434.00 73.10 16.90 70 660.00 235.00 426.00 445.00 84.70 19.00 450.00 Hg 276 0.07 0.02 0.04 0.04 0.01 28.70 72 0.05 0.01 0.03 0.03 0.01 32.80 0.03 I 277 4.12 0.62 1.82 1.97 0.73 36.90 72 3.29 0.43 1.57 1.57 0.64 40.70 3.80 N 277 6 462.00 691.00 2 490.00 2 805.00 1 288.00 45.90 71 2 278.00 346.00 966.00 1 117.00 516.00 46.20 1 822.00 Ni 280 30.20 7.72 19.70 19.50 4.30 22.10 72 29.30 6.22 16.70 16.90 5.30 31.40 25.00 P 279 2 420.00 450.00 1 291.00 1 337.00 377.00 28.20 70 1 375.00 401.00 771.00 821.00 266.00 32.40 571.00 Pb 277 34.40 18.90 25.60 25.90 3.18 12.20 69 34.20 20.30 26.20 26.40 2.98 11.30 24.00 S 274 788.00 87.00 296.00 327.00 158.00 48.40 71 298.00 33.00 132.00 149.00 63.50 42.60 280.00 Zn 280 141.00 39.10 84.20 85.80 20.10 23.40 71 157.00 39.10 79.70 82.80 25.00 30.20 60.00 全C 278 10.30 0.76 4.00 4.47 2.02 45.30 72 4.15 0.42 1.60 1.77 0.97 54.50 2.20 CaO 275 1.86 0.46 1.09 1.12 0.25 22.00 70 1.80 0.66 1.03 1.08 0.26 24.50 1.70 Na2O 284 3.79 0.38 2.04 2.10 0.58 27.50 71 4.26 1.33 2.40 2.51 0.70 27.80 1.89 K2O 278 3.13 1.79 2.46 2.46 0.23 9.40 71 3.31 2.12 2.61 2.62 0.25 9.30 2.47 SiO2 280 69.50 45.70 59.00 58.20 4.33 7.50 72 69.10 56.90 63.70 63.50 2.72 4.30 61.00 有机质 278 9.93 0.63 3.85 4.23 1.91 45.20 72 4.13 0.41 1.51 1.70 0.96 56.30 1.93 注: SiO2、CaO、Na2O、K2O、全C、有机质含量以及变异系数单位为%, Cd和Hg单位为10-9, 其余元素单位为10-6; 中国土壤含量参考中国大兴安岭弧盆系表层土壤剔除异值后的中位数[21]。

表1 土壤样品地球化学参数特征 Tab.1 Geochemical parameter characteristics of the soil samples

由于中值比平均值抗干扰性更好, 因此采用中值作为研究区各元素在土壤中含量的估计值^{[22, 23, 24, 25]}。环境富集系数(q)=表层土壤元素含量/深层土壤元素含量^[26], 它可以直观地反映土壤中元素的分散与富集规律。如图2所示, As、F、Pb、Zn、SiO₂、CaO、Na₂O、K₂O的q值在0.85~1.15之间, 与其自然土壤中元素含量接近, Br、Cd、Cl、Hg、I、Ni的q值在1.15~1.5之间呈弱富集, Na₂O、P、S、全C的q值在1.5~4之间呈强富集。

图2

Fig.2

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	图2 研究区元素组分环境富集系数Fig.2 Environmental concentration coefficients of the element compositions in the stady area

与中国大兴安岭弧盆系表层土壤中元素指标含量值^[21]相比(表1), 研究区表层土壤中Cl、Hg、N、P、Pb、S、Zn、Na₂O、全C等指标的含量更高, As、Br、Cd、F、I、Ni、SiO₂、CaO、K₂O等指标的含量更低。

土壤是地球圈层中重要的组成部分, 它受成土母质、气候、生物、地形、时间等因素的影响, 同时土壤也控制着物质、能量和信息的转化^{[27, 28, 29, 30]}。对土壤中元素的空间分布来说, 一般情况下, 表层土壤更容易受生物、地表水以及人类活动等影响, 使其元素分布模式发生改变。而深层土壤中元素的分布模式更多受成土母质的影响^[31]。本文使用GeoIPAS软件对土壤数据进行处理分析, 并利用克里金插值法对数据进行离散数据网格化, 从而绘制元素含量分布图。

4.1 全C、N、P、S的分布模式

C、N、P、S是植物生长所需的必需元素, 所有的氨基酸中均含有N, 而P、S、C则是糖类、脂类等物质的主要化学成分。研究区内全C、N、P、S在表层土壤中呈显著富集, 且高值区的面积明显比深层土壤中的面积大, 但深层土壤中各元素的高值区位置在表层土壤中得到了继承。在大兴安岭山区的森林和沼泽生态系统中, 地表腐殖质较厚, 生物地球化学活动频繁, 致使全C、N、P、S等生物必需元素在表层土壤中累积(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 表层与深层土壤中全C、N、P、S元素分布模式Fig.3 Distribution patterns of total C, N, P, S in surface and deep soils

4.2 K、Ca、Na、Si的分布模式

从K₂O、CaO、Na₂O、SiO₂的分布模式来看, CaO在表层土壤中含量较高, 而K₂O、Na₂O、SiO₂含量明显低于在深层土壤中的含量(图4)。CaO和Na₂O在表层土壤中高值区的分布和深层土壤中高值区的分布一致, 但表层土壤中高值区的强度和面积更小, 低值区的强度和面积更大。

研究区内基岩主要以花岗岩类为主, 花岗岩风化成土的过程也是碱金属水解淋失的过程^[32]。大兴安岭地区7、8月为雨季, 表层土壤含水量大, 而深层土壤温度低且含水量较少, 因此Na₂O在表层土壤中更易溶于水, 并在水动力下流失。花岗岩中SiO₂含量较高, 从表层土壤— 深层土壤— 基岩, SiO₂的含量随深度的增加而升高。表层土壤在地表水和风化作用的影响下, SiO₂和K₂O易于流失, 这是表层土壤对深层土壤中SiO₂和K₂O的分布模式继承相对较弱的主要原因。

图4

Fig.4

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	图4 表层与深层土壤中氧化物分布模式Fig.4 Distribution patterns of oxides in surface and deep soils

4.3 F、Cl、Br、I的分布模式

研究区表层土壤中Cl、Br、I的含量分别比深层土壤高43.8%、46.8%和15.9%, 而F的含量比深层土壤低1.29%(表1)。F在表层土壤中继承了深层土壤高值区的位置, 但表层土壤中的高值强度和范围有所减少。Cl、Br、I在表层土壤的高值区同样继承了深层土壤高值区的位置, 但是表层土壤中Cl、Br、I的高值强度和范围都有明显的增加, 表明Cl、Br、I在表层土壤的富集有一部分原因是受基岩影响。通过计算有机质与Br、I含量的相关性, 得出有机质与Br的相关系数为0.709, 有机质与I的相关系数为0.641, 说明Br、I与有机质之间为正相关, Br和I除受深层土壤高值的影响, 在表层土壤的富集也受到土壤上部腐殖质层的影响(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 表层与深层土壤中卤族元素分布模式Fig.5 Distribution patterns of halogen elements in surface and deep soils

4.4 重金属元素的分布模式

密度大于4.50 g/cm³的金属一般被认为是重金属。在天然金属中密度大于4.50 g/cm³的金属元素有54种, 其中工业上认定Cu、Pb、Zn、Sn、Ni、Co、Sb、Hg、Cd、Bi等为重金属元素^{[31, 32, 33]}。

在研究区内重点选择As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn进行研究。单因子指数法和内梅罗综合污染指数法是评价重金属污染的常用手段, 但单纯的数理统计方法不能完全解释地质现象, 因此本文除了采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法, 还结合重金属元素分布模式图探讨研究区内重金属元素的分布模式^{[34, 35]}。

单因子污染指数计算公式为

P_i =CiSi。 (1)

式中: P_i为表层土壤中i类重金属元素的污染指数; C_i为i类重金属元素的实际测量值, 10^-6; S_i为大兴安岭弧盆系表层土壤i类重金属元素的背景值, 10^-6。

内梅罗综合污染指数计算公式为

P_综= P-2+(Pimax)22。 (2)

式中: P_综为表层土壤重金属污染综合指数; P-为表层土壤中各项污染指数的平均值; P_imax为表层土壤中最大单项污染指数。

如表2所示, As、Cd、Ni的单因子指数小于1, 表明研究区表层土壤未受As、Cd、Ni污染, Hg、Pb、Zn单因子指数大于1, 表明Hg、Pb、Zn在研究区表层土壤中轻微超标。研究区表层土壤内梅罗综合指数为1.26, 表明研究区内表层土壤重金属元素轻微超标^{[33, 34]}。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 表层土壤重金属元素单因子指数与内梅罗综合指数 Tab.2 Single index and Nemerow comprehensive index of heavy metal elements in surface soils 研究区重金属元素单因子指数 研究区重金属元素 内梅罗综合指数 As Cd Hg Ni Pb Zn 0.535 0.679 1.48 0.788 1.070 1.400 1.26

表2 表层土壤重金属元素单因子指数与内梅罗综合指数 Tab.2 Single index and Nemerow comprehensive index of heavy metal elements in surface soils

如图6所示, Pb、Ni、Zn在表层土壤中的高值区均较好地继承了深层土壤中高值区的位置和规模, As在表层土壤中的大部分高值区继承了深层土壤中高值区的位置, 但表层土壤个别高值区的规模和强度要比深层土壤高值区的规模和强度大。

图6

Fig.6

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	图6 表层与深层土壤中重金属元素分布模式Fig.6 Distribution patterns of heavy metal elements in surface and deep soils

Cd在表层土壤中的高值区继承了深层土壤高值区的位置, 但高值区的强度没有深层土壤强, 高值区面积较深层土壤大。Hg在表层土壤的高值区强度高且范围大, 结合单因子指数和重金属元素分布模式图可以看出, 除了深层土壤对表层土壤的影响外, 表层土壤中Hg的富集可能受地表腐殖质、森林火灾、人类活动等方面影响^[36]。

从研究区各组分指标的分布模式来看, 生物必需元素、主量元素、卤族元素、重金属元素等均有各自的分布模式。

(1)全C、N、P、S在表层土壤中的含量显著高于其在深层土壤中的含量。造成全C、N、P、S在表层土壤中含量较高的主要原因是地表腐殖质层较厚以及生物地球化学活动频繁。

(2)K₂O、CaO、Na₂O、SiO₂在表层土壤中含量明显低于深层土壤中的含量, 这主要是由于表生环境中水分充足, 导致这些组分更容易淋失。

(3)F、Cl、Br、I在表层土壤中高值区的分布位置主要受深层土壤的影响, 而Br和I的富集与腐殖质层中富含的有机质相关。

(4)内梅罗综合指数指示表层土壤中重金属元素轻微超标, 其中Hg、Pb、Zn单因子轻微超标。As、Pb、Ni、Zn、Cd在表层土壤中的高值区位置多数继承于其深层土壤的高值区, 而Hg在表层土壤中含量较高, 除了其对深层土壤高值区的继承, 还可能受地表腐殖质、森林火灾、人类活动等方面影响。

(责任编辑: 魏昊明, 刘丹)