花岗质岩浆岩土壤重金属地球化学特征及生态风险评价——以云南盈江旧城—姐冒地区为例

肖高强，向龙洲，代达龙，高晓红，宗庆霞

(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；3.云南省国土资源规划设计研究院，云南 昆明 650216 )

0 引言

土壤作为自然环境的构成要素和农业生产的重要自然资源，是人类和生物赖以生存的物质基础，耕地质量的好坏关系人民群众身体健康，更是与美丽中国建设密切相关[1]。然而我国土壤环境质量总体状况堪忧[2-5]，部分地区污染较为严重，土壤污染已成为我国生态文明和美丽中国建设以及全面建成小康社会的突出短板之一。

土壤中的重金属主要有两个来源：一是人为污染，包括农业生产[6-7]、采矿和工业活动[8-10]、城市生活[11-12]及其他污染，如污水灌溉[13-15]、大气沉降[16-18]和焚烧以及生活垃圾填埋[19-20]等人类活动。人为成因的重金属污染，具有较高的活性，易被植物吸收、富集。二是地质成因，主要是指在成土过程中母质所含的重金属经风化、淋溶等作用，在土壤中富集从而形成地质高背景值。近年来，通过一些调查研究发现，对我国土壤重金属影响较大的成土母岩主要有基性—超基性岩，碳酸盐岩和黑色岩系等。例如，发育于玄武岩区域的土壤可能具有较高的Cr、Ni、Cu、Zn等环境风险[21-23]，发育于碳酸盐岩区域的土壤可能具有较高的Cd、As等环境风险[24-28]，发育于黑色页岩区域的土壤具有较高的Cd、Cr、Ni等环境风险[29-32]。目前对发育于花岗质岩浆岩区的土壤重金属含量特征及对生态环境的影响研究甚少，而云南省德宏州地区出露有大面积的花岗质岩浆岩和变质岩，出露面积约6 820 km2，占全州国土面积的59.4%，岩性主要有花岗岩、二长花岗岩、正长花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、片麻岩等，同时该地区盈江、梁河、陇川、户撒、遮放、瑞丽等为云南省重要的粮、糖、蔬菜生产基地，其农田土壤成土母质基本为花岗质岩浆岩。

笔者以云南省盈江县旧城—姐冒研究区为例，重点研究发育于花岗质岩浆岩区的土壤重金属地球化学特征和来源，并进行生态风险评价，发现优质清洁特色土地资源，为德宏州地区生态农业发展、农用地分类管理、土地利用规划和粮食安全生产等提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于云南省盈江县坝区一带，面积451.96 km2，地貌主要为陆相山间断陷盆地[33]，部分地区属低山和中山地貌，大盈江由北东至南西流过。区内属南亚热带季风气候，年均日照2 364.5 h，年均气温19.3 ℃，年平均降雨量1 464 mm，无霜期324.4 d，光、热、水、气条件较好，适宜各种动植物的生长繁殖，是远近闻名的“粮蔗之乡”。区内土壤类型[34]以水稻土为主，沿大盈江河谷两岸分布，为洪积、冲洪积物发育的土壤，其次分别为赤红壤和红壤，成土母岩主要为花岗质岩和片麻岩。土地利用类型主要有水田、林地、旱地、住宅用地、园地、水域等，其中耕(园)地面积占比为67.07%，农业生产活动以种植水稻、冬马铃薯、甘蔗等为主。区内出露地层(图1a)有第四系、新近系芒棒组(N2m)、泥盆系关上组(D1g)和古元古界高黎贡山岩群(Pt1GL.)，其中第四系出露面积最广，为典型的河流相沉积，位于兴和—盈江县城—新城一带的第四系(Qb)物源主要为泥盆系关上组(D1g)地层， 而其他地区的第四系(Qa)物源主要为盆地两侧的花岗质岩浆岩和变质岩[35]；芒棒组(N2m)岩性为花岗质砂砾岩、细砂岩，黏土质粉砂岩；关上组(D1g)岩性为板岩、砂岩、泥岩、页岩、灰岩等；高黎贡山岩群(Pt1GL.)岩性为变粒岩、斜长片麻岩、片岩、石英岩。区内花岗质岩浆岩分布较为广泛，主要于盆地四周分布，岩性主要有花岗岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等。

图1 盈江县地质图(a)及其区域地质(b)、区域位置示意(c)Fig.1 Geological map of Yingjiang County(a) and its regional geology(b) and regional location (c)

2 材料与方法

2.1 样品采集和分析测试

土壤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。本次共采集土壤样品4 931件，采样深度为0～20 cm，以GPS定位点为中心，在50～l00 m范围内向四周辐射4～6个分样点，等份组合成一个混合样品，每件土壤样品原始质量大于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，用于理化分析。为了解研究区不同地质单元岩石中重金属含量特征，采集岩石样品238件，涉及4个不同的地质单元。岩石样品采集时一般选择露头良好，风化程度低，未受蚀变、矿化影响的岩石，同时避开脉岩。为增强样品的代表性，在采样点附近30 m范围内3～5处采集新鲜岩石，岩石样品质量大于300 g。

土壤和岩石样品分析测试均在云南省地质矿产勘查开发局中心实验室完成，分析测试过程严格按照《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0295—2016)和《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-03)要求进行。用X射线荧光光谱仪(XRF)测定Al2O3、SiO2；用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-AES)测定Fe2O3、MgO、K2O、CaO；用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn；用原子荧光光谱法(AFS)测定As、Hg；用电位法测定pH。样品的分析质量采用外部质量控制和内部质量监控相结合的方法控制，外部质量控制将标准控制样以密码形式插入，外部标准控制样各指标的准确度和精密度合格率均在97%～100%之间，相关系数均在0.966～0.999之间，双样本方差分析F检验值在1.02～1.09之间，均小于F单尾临界值；内部质量监控从国家标准物质分析的准确度与精密度、报出率、重复性检验和异常点检查等质量参数进行监控，各类指标分析的准确度与精密度合格率均为100%，报出率在98.2%～100%之间，重复性检验合格率在95.8%～100%之间，异常点的重复性检验合格率在95.3%～100%之间。

2.2 地质累积指数法

地质累积指数法是由德国科学家Muller于1969年在水环境沉积物重金属污染物研究中提出[36]，通过土壤重金属浓度与自然地球化学背景值之间的关系来确定重金属污染程度的一种方法，该方法不仅考虑地球化学背景值对重金属污染物的影响，而且能够评估人类活动影响。其计算公式为：

Igeo=log2(Ci/kBi)，

(1)

式中：Igeo表示为地质累积指数；Ci为土壤中i元素含量的实测值(10-6)；Bi为i元素含量的背景值(10-6)；k为修正系数，一般取1.5[5,37]。在本研究中，选择云南省土壤背景值[38]作为地球化学背景值计算Igeo值。Igeo与污染水平之间的对应关系如下：未污染，Igeo≤0；未污染至中度污染，05[39]。

2.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson[40]提出的，该方法综合考虑了重金属的含量与其生态—环境效应，并且与毒理学相联系，是目前最为常用的评价土壤重金属污染程度和生态风险的方法。其计算公式如下：

(2)

(3)

3 结果与讨论

3.1 重金属含量特征

3.1.1 不同地质单元岩石重金属含量特征

不同地质单元岩石重金属含量统计结果见表1和图2a。关上组(D1g)岩石中的As和芒棒组(N2m)岩石中的Cd含量相对不均匀，变异系数大，且关上组(D1g)岩石中的As中位值与算术平均值相差十几倍，进一步结合表层土壤As空间分布特征看，可能主要受断裂构造或局部矿化热液活动影响所致，因此中位值可能比算术平均值能够更好地代表整个数据的整体趋势和分布特征。关上组(D1g)岩石中的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn中位值均高于其他地质单元，而Hg和Pb分别在芒棒组(N2m)和高黎贡山岩群(Pt1gl)岩石中含量最高；与上地壳[43]相比，区内除所有地质单元岩石中的Pb和关上组(D1g)岩石中的Zn表现为富集外，其他重金属元素则均表现为贫化，其中高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩重金属除Pb外，其他元素含量相对较低，富集系数仅在0.08～0.61之间；可见，区内由成土母岩风化形成的土壤可能存在较高的Pb含量，而其他重金属含量可能较低。从重金属含量变化特征看，关上组(D1g)明显不同于其他地质单元，且高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩变化特征相似度较高，二者可能具有相似的物源或继承性。

表1 不同地质单元岩石重金属含量统计结果

图2 不同地质单元岩石和土壤重金属含量变化特征Fig.2 Variation characteristics of heavy metal content in rocks and soils in different geological units

3.1.2 不同地质单元土壤重金属含量特征

研究区土壤pH值在4.09～8.98之间，平均值为5.89，土壤样品多呈酸性。不同地质单元土壤重金属含量特征见表2和图2b。从重金属含量看，第四系(Qb)和关上组(D1g)土壤重金属含量明显高于其他地质单元；从重金属含量变化特征看，可以明显分为两组：第四系(Qb)和关上组(D1g)土壤重金属含量变化特征基本相似，进一步证明位于兴和—盈江县城—新城一带的第四系(Qb)物源主要受关上组(D1g)地层影响；而第四系(Qa)、芒棒组(N2m)、高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩土壤重金属含量变化特征基本相似，其中高黎贡山岩群(Pt1GL.)地层岩石有大量的花岗质片麻岩，芒棒组(N2m)地层含有花岗质砂砾岩组分，因此二者与花岗质岩浆岩具有相似的重金属含量变化特征，第四系(Qa)物源可能主要受盆地两侧的花岗质岩浆岩和高黎贡山岩群(Pt1GL.)地层影响，但Cd和Pb可能还叠加有外来源。

表2 不同地质单元土壤重金属平均含量统计结果

与云南省土壤背景值[38]相比(图2b)，关上组(D1g)土壤中Cr、Ni、Zn和第四系(Qb)土壤中Cr、Ni、Pb含量较高，其余重金属含量偏低；第四系(Qa)土壤中Pb稍高外，其余重金属含量明显偏低；芒棒组(N2m)、高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩土壤重金属含量差别较小，除Pb稍高外，其余重金属含量均明显偏低。进一步与云南省宣威市[44-45]、广南县[46]、保山市[47]地区土壤重金属含量值相比(表2)，第四系(Qa)、芒棒组(N2m)、高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩土壤重金属除Pb含量相当外，其余重金属含量明显偏低；可见发育于花岗质岩浆岩区的土壤重金属具有较低的背景值。

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中给出的农用地土壤污染风险管控标准，第四系(Qa)、芒棒组(N2m)、高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩环境综合无风险等级比例均在97%以上(图3a)，且重金属含量均低于相应风险管控制值；而第四系(Qb)和关上组(D1g)环境综合无风险等级比例仅分别为77.45%和62.37%，其重金属含量超过相应筛选值的元素(图3b、c)分别有As(9.2%)、Cd(6.82%)、Ni(6.82%)、Cr(4.01%)、Pb(3.56%)、Zn(1.48%)、Cu(0.45%)和Ni(17.93%)、Cd(14.39%)、As(13.64%)、Pb(13.13%)、Zn(7.07%)、Cu(5.3%)、Cr(0.51%)，超过相应管控值的元素(图3b、c)分别有Cd(0.3%)和As(1.77%)、Pb(1.52%)、Cd(1.01%)；此外，研究区土壤Hg 均未超过其筛选值。

图3 土壤环境等级评价Fig.3 Soil environmental grade evaluation

综上所述，第四系(Qb)和关上组(D1g)可归为一类，成土母质可能以关上组(D1g)地层为主，其土壤重金属含量明显偏高，环境风险相对较大；而第四系(Qa)、 芒棒组(N2m)、 高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩可归为一类，成土母质可能以花岗质岩浆岩为主，其土壤重金属含量低，环境风险较小。

3.2 土壤重金属来源解析

3.2.1 耕作土和自然土重金属含量特征

根据土地利用现状情况，将水田、水浇地、旱地、园地中的土壤划为耕作土，可能受自然源或人为源共同影响；将天然林地中的土壤划为自然土，可能仅受自然源影响，人为干扰小[48]。不同成土母质耕作土与自然土重金属含量特征见图4。由此可知，关上组(D1g)耕作土和自然土中重金属平均含量明显高于花岗质岩浆岩；关上组(D1g)自然土中重金属平均含量略高于耕作土，进一步表明关上组(D1g)土壤重金属可能主要受自然源影响，受人为活动影响较小；花岗质岩浆岩耕作土中除Cd平均含量明显高于自然土外，其平均含量分别为0.09×10-6和0.05×10-6，而其余重金属平均含量略高于或低于自然土，表明花岗质岩浆岩土壤除Cd叠加有外来源影响外，其余重金属可能主要受自然源影响。

图4 不同成土母质耕作土和自然土重金属含量变化特征Fig.4 Variation characteristics of heavy metal content in farming soil and natural soil with different parent materials

3.2.2 主成分分析

已有研究表明，主成分分析可对重金属的来源问题进行有效的解析[49]。为进一步分析土壤重金属污染来源特征，加入了一些土壤常量元素，并分别对关上组(D1g)和花岗质岩浆岩土壤中的各变量进行主成分分析，其KMO检验值分别为0.805和0.845，并采用最大方差法进行旋转，其结果见图5和图6。

关上组(D1g)以主成分特征值大于1共提取4个主成分(图5)，解释的总方差累计贡献为73.4%，其中第一主成分因子F1解释了约40.6%的整体变量，Fe2O3、Al2O3、SiO2、Cr、Cu、Ni在F1上得分最高，除SiO2负荷量为-0.885外，其余元素负荷量均在0.8以上，Fe2O3和Al2O3是岩石经风化成土过程后土壤中较为稳定的原生矿物或次生矿物，代表了土壤中的铁铝氧化物，而SiO2负荷量为负值，可能与区内气候湿热岩石风化成土过程中去硅作用有关[50]，因此F1可以解释为自然源；第二主成分因子F2解释了约16.6%的整体变量，Pb、Zn、Cd、As、Mn在F2上得分最高，负荷量均在0.55以上，关上组(D1g)地层岩石含有铁锰质板岩组份且夹有一层厚约0.8 m的软锰矿层[51]，Mn可能主要来自于成土母质，而土壤中铁锰氧化物对重金属元素具有较强的吸附能力[52]，因此F2也可以解释为自然源；Hg在4个主成分因子中负荷量均较小，结合其空间分布特征看[53]，高含量区(≥0.043×10-6)基本沿关上组(D1g)地层呈面状分布，因此也可解释为自然源。

图5 关上组(D1g)土壤元素旋转因子载荷Fig.5 The element rotation factor loading diagram in Guanshang group (D1g) soil

花岗质岩浆岩以主成分特征值大于1共提取4个主成分(图6)，解释的总方差累计贡献为77.1%，其中第一主成分因子F1解释了约42.4%的整体变量，Cr、Ni、Cu、As、Fe2O3在F1上得分最高，负荷量均在0.55以上；第二主成分因子F2解释了约17.2%的整体变量，Al2O3、Mn、Hg在F2上得分最高，负荷量均在0.44以上；Fe2O3、Al2O3和Mn一般在土壤中能够形成较为稳定的原生矿物或次生矿物，而铁、铝、锰氧化物对重金属元素具有较强的吸附性[52]，因此F1和F2均可以解释为自然源；第三主成分因子F3解释了约10.8%的整体变量，Pb、Zn、Cd、Mn在F3上得分最高，负荷量均在0.48以上，结合研究区Pb的赋存形态来看[53]，残渣态和铁锰结合态的比例达79.1%，因此F3也可以解释为自然源。

图6 花岗质岩浆岩土壤元素旋转因子载荷Fig.6 The element rotation factor loading diagram in Granitic magmatic soil

3.3 土壤重金属污染程度评价

研究区关上组(D1g)土壤重金属地累积指数(Igeo)平均值变化趋势依次为Cr(-0.16)>Pb(-0.43)>Zn(-0.53)>Ni(-0.67)>Hg(-0.91)>As(-1.08)>Cu(-1.32)>Cd(-1.80)，花岗质岩浆岩土壤重金属Igeo平均值变化趋势依次为Pb(-0.63)>Zn(-1.07)>Cr(-1.42)>Hg(-1.54)>Ni(-2.37)>Cd(-2.38)>Cu(-2.62)>As(-3.85)，土壤重金属Igeo平均值均小于0，且关上组(D1g)土壤重金属Igeo平均值均高于花岗质岩浆岩，表明研究区土壤整体上表现为未污染，花岗质岩浆岩发育形成的土壤重金属含量相对较低。

不同成土母质土壤重金属Igeo等级评价结果见图7，花岗质岩浆岩土壤重金属Igeo未污染比例均在97%以上，最高污染等级仅为中度至重度污染，局部地区存在污染风险的元素主要有Hg、Pb、Cd、Zn、Cr；而关上组(D1g)土壤重金属Igeo未污染比例在48.22%～99.81%之间，最高污染等级为重度污染，局部地区存在污染风险的元素主要有Cd、Pb、As、Zn、Hg，进一步表明花岗质岩浆岩发育形成的土壤环境更清洁。

图7 不同成土母质土壤重金属地累积指数(Igeo)等级评价Fig.7 Evaluation map of the accumulation index (Igeo) of heavy metals in different soil parent materials

3.4 土壤重金属潜在生态风险评价

研究区关上组(D1g)土壤重金属潜在生态风险指数平均值由强到弱依次为Hg(35.2)>Cd(22.05)>As(10.49)>Pb(6.52)>Ni(5.3)>Cu(3.27)>Cr(2.88)>Zn(1.14)，花岗质岩浆岩土壤重金属潜在生态风险指数平均值由强到弱依次为Hg(23.16)>Cd(11.37)>Pb(5)>Ni(1.73)>As(1.54)>Cu(1.36)>Cr(1.25)>Zn(0.75)，土壤中所有重金属潜在生态风险指数平均值均低于40，且关上组(D1g)土壤重金属潜在生态风险指数平均值明显高于花岗质岩浆岩，与土壤重金属污染程度评价结果基本一致；关上组(D1g)和花岗质岩浆岩土壤重金属综合潜在生态风险指数平均值分别为86.86和46.16，均远低于150，进一步表明研究区土壤重金属整体上潜在生态风险小。

不同成土母质土壤重金属潜在生态风险指数等级评价结果见图8，关上组(D1g)和花岗质岩浆岩土壤重金属综合潜在生态风险指数评价等级均以轻微生态危害为主，所占比例分别为94.49%和99.66%，其中除关上组(D1g)部分土壤中Hg、Cd、As、Pb和花岗质岩浆岩部分土壤中Hg、Cd存在中等生态危害及以上评价等级外，其余重金属潜在生态风险指数评价等级均为轻微生态危害。

图8 不同成土母质土壤重金属潜在生态风险指数评价Fig.8 Evaluation map of potential ecological risk index of heavy metals in different soil parent materials

4 结论

1) 相对上地壳元素丰度而言，研究区花岗质岩浆岩岩石中Pb含量相对较高，其他重金属含量较低。

2) 结合土壤重金属含量、变化特征及地质单元岩性看，研究区第四系(Qb)和关上组(D1g)可归为一类，成土母质以关上组(D1g)地层为主，土壤重金属含量相对偏高，环境风险相对较大；第四系(Qa)、芒棒组(N2m)、高黎贡山岩群(Pt1GL.)和花岗质岩浆岩可归为一类，成土母质以花岗质岩浆岩为主，土壤重金属含量相对低，环境风险较小。

3) 关上组(D1g)自然土中重金属平均含量略高于耕作土，花岗质岩浆岩耕作土中除Cd平均含量明显高于自然土外，其余重金属平均含量略高于或低于自然土；主成分分析结果表明，花岗质岩浆岩和关上组(D1g)土壤重金属含量与铁、铝、锰氧化物含量相关性较高；可见二者土壤重金属含量主要受自然源影响，人为活动影响相对较小。

4) 花岗质岩浆岩土壤重金属地累积指数(Igeo)评价等级均以未污染为主，比例在97%以上；综合潜在生态风险指数平均值为46.16，轻微生态危害等级比例高达99.66%，且两项指标均明显低于关上组(D1g)，可见花岗质岩浆岩土壤生态风险小，环境较为清洁。

5) 云南德宏州地区59.4%的国土出露花岗质岩浆岩和高黎贡山岩群(Pt1GL.)，同时该地区具有粮、糖、蔬菜等生产功能的农田土壤成土母质以花岗质岩浆岩为主；通过对比研究分析，德宏州地区农田土壤重金属含量应较低，生态风险较小，具有发展绿色、无公害食品产地的巨大潜力。建议在开发利用过程中，更应该加强监管和保护力度，走绿色持续发展的道路。